前言:
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2)摘自《正点原子STM32 F1 开发指南(NANO 板-HAL 库版)》关注官方微信号公众号,获取更多资料:正点原子
第二十一章 ADC 实验
本章我们将向大家介绍 STM32F1 的 ADC 功能。在本章中,我们将利用 STM32F1 的 ADC1通道 9 来采样外部电压值,并在数码管上显示出来。本章将分为如下几个部分:
21.1 STM32F1 ADC 简介
21.2 硬件设计
21.3 软件设计
21.4 下载验证
21.1 STM32F1 ADC 简介
STM32F103 拥有 1~3 个 ADC(STM32F101/102 系列只有 1 个 ADC),这些 ADC 可以独立使用,也可以使用双重模式(提高采样率)。STM32 的 ADC 是 12 位逐次逼近型的模拟数字转换器。它有 18 个通道,可测量 16 个外部和 2 个内部信号源。各通道的 A/D 转换可以单次、连续、扫描或间断模式执行。ADC 的结果可以左对齐或右对齐方式存储在 16 位数据寄存器中。 模拟看门狗特性允许应用程序检测输入电压是否超出用户定义的高/低阀值。
STM32F103 系列最少都拥有 2 个 ADC,我们选择的 STM32F103ZET 包含有 3 个 ADC。
STM32 的 ADC 最大的转换速率为 1Mhz,也就是转换时间为 1us(在 ADCCLK=14M,采样周期为 1.5 个 ADC 时钟下得到),不要让 ADC 的时钟超过 14M,否则将导致结果准确度下降。
STM32 将 ADC 的转换分为 2 个通道组:规则通道组和注入通道组。规则通道相当于你
正常运行的程序,而注入通道呢,就相当于中断。在你程序正常执行的时候,中断是可以打
断你的执行的。同这个类似,注入通道的转换可以打断规则通道的转换, 在注入通道被转
换完成之后,规则通道才得以继续转换。
通过一个形象的例子可以说明:假如你在家里的院子内放了 5 个温度探头,室内放了 3
个温度探头;你需要时刻监视室外温度即可,但偶尔你想看看室内的温度;因此你可以使用
规则通道组循环扫描室外的 5 个探头并显示 AD 转换结果,当你想看室内温度时,通过一个
按钮启动注入转换组(3 个室内探头)并暂时显示室内温度,当你放开这个按钮后,系统又会
回到规则通道组继续检测室外温度。从系统设计上,测量并显示室内温度的过程中断了测量
并显示室外温度的过程,但程序设计上可以在初始化阶段分别设置好不同的转换组,系统运
行中不必再变更循环转换的配置,从而达到两个任务互不干扰和快速切换的结果。可以设想
一下,如果没有规则组和注入组的划分,当你按下按钮后,需要从新配置 AD 循环扫描的通
道,然后在释放按钮后需再次配置 AD 循环扫描的通道。
上面的例子因为速度较慢,不能完全体现这样区分(规则通道组和注入通道组)的好处,
但在工业应用领域中有很多检测和监视探头需要较快地处理,这样对 AD 转换的分组将简化
事件处理的程序并提高事件处理的速度。
STM32 其 ADC 的规则通道组最多包含 16 个转换,而注入通道组最多包含 4 个通道。
关于这两个通道组的详细介绍,请参考《STM32 参考手册的》第 155 页,第 11 章。
STM32 的 ADC 可以进行很多种不同的转换模式,这些模式在《STM32 参考手册》的
第 11 章也都有详细介绍,我们这里就不在一一列举了。我们本章仅介绍如何使用规则通道
的单次转换模式。
STM32 的 ADC 在单次转换模式下,只执行一次转换,该模式可以通过 ADC_CR2 寄存
器的 ADON 位(只适用于规则通道)启动,也可以通过外部触发启动(适用于规则通道和
注入通道),这是 CONT 位为 0。
以规则通道为例,一旦所选择的通道转换完成,转换结果将被存在 ADC_DR 寄存器中,
EOC(转换结束)标志将被置位,如果设置了 EOCIE,则会产生中断。然后 ADC 将停止,
直到下次启动。
接下来,我们介绍一下我们执行规则通道的单次转换,需要用到的 ADC 寄存器。第一
个要介绍的是 ADC 控制寄存器(ADC_CR1 和 ADC_CR2)。ADC_CR1 的各位描述如图 21.1.1
所示:
这里我们不再详细介绍每个位,而是抽出几个我们本章要用到的位进行针对性的介绍,
详细的说明及介绍,请参考《STM32 参考手册》第 11 章的相关章节。
ADC_CR1 的 SCAN 位,该位用于设置扫描模式,由软件设置和清除,如果设置为 1,
则使用扫描模式,如果为 0,则关闭扫描模式。在扫描模式下,由 ADC_SQRx 或 ADC_JSQRx
寄存器选中的通道被转换。如果设置了 EOCIE 或 JEOCIE,只在最后一个通道转换完毕后才
会产生 EOC 或 JEOC 中断。
ADC_CR1[19:16]用于设置 ADC 的操作模式,详细的对应关系如图 21.1.2 所示:
本章我们要使用的是独立模式,所以设置这几位为 0 就可以了。接着我们介绍
ADC_CR2,该寄存器的各位描述如图 21.1.3 所示:
该寄存器我们也只针对性的介绍一些位:ADON 位用于开关 AD 转换器。而 CONT 位
用于设置是否进行连续转换,我们使用单次转换,所以 CONT 位必须为 0。CAL 和 RSTCAL
用于 AD 校准。ALIGN 用于设置数据对齐,我们使用右对齐,该位设置为 0。
EXTSEL[2:0]用于选择启动规则转换组转换的外部事件,详细的设置关系如图 21.1.4
所示:
我们这里使用的是软件触发(SWSTART),所以设置这 3 个位为 111。ADC_CR2 的
SWSTART 位用于开始规则通道的转换,我们每次转换(单次转换模式下)都需要向该位写
1。AWDEN 为用于使能温度传感器和 Vrefint。STM32 内部的温度传感器我们将在下一节介
绍。
第二个要介绍的是 ADC 采样事件寄存器(ADC_SMPR1 和 ADC_SMPR2),这两个寄
存器用于设置通道 0~17 的采样时间,每个通道占用 3 个位。ADC_SMPR1 的各位描述如图
21.1.5 所示:
ADC_SMPR2 的各位描述如下图 21.1.6 所示:
对于每个要转换的通道,采样时间建议尽量长一点,以获得较高的准确度,但是这样会
降低 ADC 的转换速率。ADC 的转换时间可以由以下公式计算:
Tcovn=采样时间+12.5 个周期
其中:Tcovn 为总转换时间,采样时间是根据每个通道的 SMP 位的设置来决定的。例
如,当 ADCCLK=14Mhz 的时候,并设置 1.5 个周期的采样时间,则得到:Tcovn=1.5+12.5=14
个周期=1us。
第三个要介绍的是 ADC 规则序列寄存器(ADC_SQR1~3),该寄存器总共有 3 个,这几
个寄存器的功能都差不多,这里我们仅介绍一下 ADC_SQR1,该寄存器的各位描述如图
21.1.7 所示:
L[3:0]用于存储规则序列的长度,我们这里只用了 1 个,所以设置这几个位的值为 0。
其他的 SQ13~16 则存储了规则序列中第 13~16 个通道的编号(0~17)。另外两个规则序列
寄存器同 ADC_SQR1 大同小异,我们这里就不再介绍了,要说明一点的是:我们选择的是
单次转换,所以只有一个通道在规则序列里面,这个序列就是 SQ1,通过 ADC_SQR3 的最
低 5 位(也就是 SQ1)设置。
第四个要介绍的是 ADC 规则数据寄存器(ADC_DR)。规则序列中的 AD 转化结果都将
被存在这个寄存器里面,而注入通道的转换结果被保存在 ADC_JDRx 里面。ADC_DR 的各
位描述如图 21.1.8:
这里要提醒一点的是,该寄存器的数据可以通过 ADC_CR2 的 ALIGN 位设置左对齐还
是右对齐。在读取数据的时候要注意。
最后一个要介绍的 ADC 寄存器为 ADC 状态寄存器(ADC_SR),该寄存器保存了 ADC
转换时的各种状态。该寄存器的各位描述如图 22.1.9 所示:
这里我们要用到的是 EOC 位,我们通过判断该位来决定是否此次规则通道的 AD 转换
已经完成,如果完成我们就从 ADC_DR 中读取转换结果,否则等待转换完成。
通过以上寄存器的介绍,我们了解了 STM32 的单次转换模式下的相关设置,下面我们
介绍使用库函数的函数来设定使用 ADC1 的通道 1 进行 AD 转换。这里需要说明一下,使
用到的库函数分布在 stm32f1xx_hal_adc.c 文件和 stm32f1xx_hal_adc.h 文件中。下面讲解其
详细设置步骤:
1)开启 PB 口时钟和 ADC1 时钟,设置 PB1 为模拟输入。
STM32F103RBT6 的 ADC 通道 9 在 PB1 上,所以,我们先要使能 PORTB 的时钟和 ADC1
时钟,然后设置 PB1 为模拟输入。
这里特别要提醒,对于 IO 口复用为 ADC 我们要设置模式为模拟输入,而不是复用功
能。
使能 GPIOB 时钟和 ADC1 时钟都很简单,具体方法为:
__HAL_RCC_ADC1_CLK_ENABLE(); //使能 ADC1 时钟
__HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();
//开启 GPIOB 时钟
初始化 GPIOB1 为模拟输入,方法也多次讲解,关键代码为:
GPIO_InitTypeDef GPIO_Initure;
GPIO_Initure.Pin=GPIO_PIN_1; //PB1
GPIO_Initure.Mode=GPIO_MODE_ANALOG; //模拟输入
GPIO_Initure.Pull=GPIO_NOPULL; //不带上下拉
HAL_GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_Initure);
这里需要说明一下,ADC 通道与引脚的对应关系在 STM32F1 的数据手册可以查到,这
里我们列出 STM32 的 ADC 通道与 GPIO 对应表:
2)设置 ADC1 时钟分频因子
在使能完时钟之后,接着我们设置 ADC1 的分频因子。分频因子要确保 ADC1 的时钟
(ADCCLK)不要超过 14Mhz,关键代码为:
RCC_PeriphCLKInitTypeDef ADC_CLKInit;
ADC_CLKInit.PeriphClockSelection=RCC_PERIPHCLK_ADC;//ADC 外设时钟
ADC_CLKInit.AdcClockSelection=RCC_ADCPCLK2_DIV6;
//分频因子 6 时钟为 72M/6=12MHz
HAL_RCCEx_PeriphCLKConfig(&ADC_CLKInit); //设置 ADC 时钟
5) 初始化 ADC,设置 ADC 模式,扫描方式,对其方式等信息。
在 HAL 库中,初始化 ADC 是通过函数 HAL_ADC_Init 来实现的,该函数声明为:
HAL_StatusTypeDef HAL_ADC_Init(ADC_HandleTypeDef* hadc);
该函数只有一个入口参数 hadc,为 ADC_HandleTypeDef 结构体指针类型,结构体定义
为:
typedef struct
{
ADC_TypeDef *Instance; //ADC1/ADC2
ADC_InitTypeDef Init; //初始化结构体变量
DMA_HandleTypeDef *DMA_Handle; //DMA 方式使用
HAL_LockTypeDef Lock;
__IO uint32_t State;
__IO uint32_t ErrorCode;
}ADC_HandleTypeDef;
该结构体定义和其他外设比较类似,我们着重看第二个成员变量 Init 含义,它是结构体
ADC_InitTypeDef 类型,结构体 ADC_InitTypeDef 定义为:
typedef struct
{
uint32_t DataAlign; //对齐方式:左对齐还是右对齐 ADC_DATAALIGN_RIGHT
uint32_t ScanConvMode; //扫描方式 DISABLE
uint32_t ContinuousConvMode;//开启连续转换模式或者单次转换模式 DISABLE
uint32_t NbrOfConversion;//规则序列中有多少个转换 1
uint32_t DiscontinuousConvMode;//不连续采样模式 DISABLE
uint32_t NbrOfDiscConversion; //不连续采样通道数 0
uint32_t ExternalTrigConv; //外部触发方式 ADC_SOFTWARE_START
}ADC_InitTypeDef;
我们直接把每个成员变量含义注释在结构体定义的后面,请大家仔细阅读上面注释。
这里我们需要说明一下,和其他外设一样,HAL 库同样提供了 ADC 的 MSP 初始化函
数。一般情况下,时钟使能和 PGIO 初始化都会放在 MSP 初始化函数中。函数声明为:
void HAL_ADC_MspInit(ADC_HandleTypeDef* hadc);
6) ADC 初始化后校准
在初始化 ADC 参数后,执行 ADC 校准
HAL_ADCEx_Calibration_Start(&ADC1_Handler);
//校准 ADC
7)开启 AD 转换器
校准后,我们就开启 AD 转换器了。
HAL_ADC_Start(&ADC1_Handler); //开启 ADC
8)配置通道,读取通道 ADC 值
在上面的步骤完成后,ADC 就算准备号了。接下来我们要做的就是设置规则序列 1 里
面的通道,然后启动 ADC 转换。在转换结束后,读取转换结果值就是了。
设置规则序列通道以及采样周期的函数是:
HAL_StatusTypeDef HAL_ADC_ConfigChannel(ADC_HandleTypeDef* hadc,
ADC_ChannelConfTypeDef* sConfig);
该函数有两个入口参数,第一个就不用多说了,接下来我们看看第二个入口参数
sConfig,它是 ADC_ChannelConfTypeDef 结构体指针类型,结构体定义如下:
typedef struct
{
uint32_t Channel; //ADC 通道
uint32_t Rank; //规则通道中的第几个转换
uint32_t SamplingTime; //采样时间
}ADC_ChannelConfTypeDef;
该结构体有三个成员变量,Channel 用来设置 ADC 通道,Rank 用来设置要配置的通道
时规则序列中的第几个转换,SamplingTime 用来设置采样时间。使用实例为:
ADC1_ChanConf.Channel=ch; //通道
ADC1_ChanConf.Rank=1; //第 1 个序列,序列 1
ADC1_ChanConf.SamplingTime=ADC_SAMPLETIME_239CYCLES_5; //采样时间
HAL_ADC_ConfigChannel(&ADC1_Handler,&ADC1_ChanConf); //通道配置
配置好通道并且使能 ADC 后,接下来就是读取 ADC 值,这里我们采取的是查询方式
读 取 , 所 以 我 们 还 要 等 待 上 一 次 转 换 结 束 , 此 过 程 HAL 库 提 供 了 专 用 函 数
HAL_ADC_PollForConversion,函数定义为:
HAL_StatusTypeDef HAL_ADC_PollForConversion(ADC_HandleTypeDef* hadc,
uint32_t Timeout);
等待上一次转换结束之后,接下来就是读取 ADC 值,函数为:
uint32_t HAL_ADC_GetValue(ADC_HandleTypeDef* hadc);
这两个函数的使用方法都比较简单,这里我们就不累赘了。
这 里 还 需 要 说 明 一 下 ADC 的 参 考 电 压 , NANO STM32 开 发 板 使 用 的 是
STM32F103RBT6,该芯片没有外部参考电压引脚,ADC 的参考电压直接取自 VDDA,也
就是 3.3V。
通过以上几个步骤的设置,我们就能正常的使用 STM32F1 的 ADC1 来执行 AD 转换了。
21.2 硬件设计
本实验用到的硬件资源有:
1) 指示灯 DS0
2) 数码管
3) ADC
4) 电位器
前面 2 个均已介绍过,而 ADC 属于 STM32F1 内部资源,实际上我们只需要软件设置
就可以正常工作,不过我们需要在外部连接其端口到被测电压上面。本章,我们通过 ADC1
的通道 9(PB1)来读取外部电压值,NANO STM32F103 板载设计了电位器,电位器是连接
电源 3.3V 的,而调节端是连接到 ADC 采样端,通过调节电位器,实现采集 0~3.3V 区域间
的电压。
在测试前需要将多功能端口 P3 的 VR 与 ADC 用跳线帽进行连接(与 PB9 连接)。当
然你可以用杜邦线一头插在 P3 的 ADC 插针上(与 PB9 连接),另外一头就接你要测试的
电压点(确保该电压不大于 3.3V 即可)。
21.3 软件设计
打开我们的 ADC 转换实验,可以看到工程中多了一个 adc.c 文件和 adc.h 文件。同时
ADC 相关的库函数是在 stm32f1xx_hal_adc.c 文件和 stm32f1xx_hal_adc.h 文件中。
打开 adc.c,可以看到代码如下:
ADC_HandleTypeDef ADC1_Handler;
//ADC 句柄
//初始化 ADC
//这里我们仅以规则通道为例
//我们默认将开启通道 0~3
void Adc_Init(void)
{
RCC_PeriphCLKInitTypeDef ADC_CLKInit;
ADC_CLKInit.PeriphClockSelection=RCC_PERIPHCLK_ADC;//ADC 外设时钟
ADC_CLKInit.AdcClockSelection=RCC_ADCPCLK2_DIV6;
//分频因子 6 时钟为 72M/6=12MHz
HAL_RCCEx_PeriphCLKConfig(&ADC_CLKInit);
//设置 ADC 时钟
ADC1_Handler.Instance=ADC1;
ADC1_Handler.Init.DataAlign=ADC_DATAALIGN_RIGHT; //右对齐
ADC1_Handler.Init.ScanConvMode=DISABLE; //非扫描模式
ADC1_Handler.Init.ContinuousConvMode=DISABLE; //关闭连续转换
ADC1_Handler.Init.NbrOfConversion=1;
//1 个转换在规则序列中也就是只转换规则序列
1
ADC1_Handler.Init.DiscontinuousConvMode=DISABLE; //禁止不连续采样模式
ADC1_Handler.Init.NbrOfDiscConversion=0; //不连续采样通道数为 0
ADC1_Handler.Init.ExternalTrigConv=ADC_SOFTWARE_START; //软件触发
HAL_ADC_Init(&ADC1_Handler); //初始化
HAL_ADCEx_Calibration_Start(&ADC1_Handler); //校准 ADC
}
//ADC 底层驱动,引脚配置,时钟使能
//此函数会被 HAL_ADC_Init()调用
//hadc:ADC 句柄
void HAL_ADC_MspInit(ADC_HandleTypeDef* hadc)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_Initure;
__HAL_RCC_ADC1_CLK_ENABLE(); //使能 ADC1 时钟
__HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE(); //开启 GPIOB 时钟
GPIO_Initure.Pin=GPIO_PIN_1; //PB1
GPIO_Initure.Mode=GPIO_MODE_ANALOG; //模拟
GPIO_Initure.Pull=GPIO_NOPULL; //不带上下拉
HAL_GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_Initure);
}
//获得 ADC 值
//ch:通道值 0~3
//返回值:转换结果
u16 Get_Adc(u32 ch)
{
ADC_ChannelConfTypeDef ADC1_ChanConf;
ADC1_ChanConf.Channel=ch; //通道
ADC1_ChanConf.Rank=1; //第 1 个序列,序列 1
ADC1_ChanConf.SamplingTime=ADC_SAMPLETIME_239CYCLES_5;//采样时间
HAL_ADC_ConfigChannel(&ADC1_Handler,&ADC1_ChanConf); //通道配置
HAL_ADC_Start(&ADC1_Handler); //开启 ADC
HAL_ADC_PollForConversion(&ADC1_Handler,10); //轮询转换
return (u16)HAL_ADC_GetValue(&ADC1_Handler);
//返回最近一次 ADC1 规则组的转换结果
}
//获取指定通道的转换值,取 times 次,然后平均
//times:获取次数
//返回值:通道 ch 的 times 次转换结果平均值
u16 Get_Adc_Average(u32 ch,u8 times)
{
u32 temp_val=0;
u8 t;
for(t=0;t<times;t++)
{
temp_val+=Get_Adc(ch);
//
delay_ms(5);
}
return temp_val/times;
}
此部分代码就 4 个函数,Adc_Init 函数用于初始化 ADC1 相关参数。第二个函数
HAL_ADC_MspInit 是 MSP 初始化回调函数,用来使能时钟和初始化 IO 口,第三个函数
Get_Adc,用于读取某个通道的 ADC 值,例如我们读取通道 9 上的 ADC 值,就可以通过
Get_Adc(ADC_CHANNEL_9)得到。最后一个函数 Get_Adc_Average,用于多次获取 ADC
值,取平均,用来提高准确度。
接下来看看 main.c 的代码如下:
// 共阴数字数组
// 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E,F, .,全灭
u8 smg_num[]={0xfc,0x60,0xda,0xf2,0x66,0xb6,0xbe,0xe0,0xfe,0xf6,0xee,
0x3e,0x9c,0x7a,0x9e,0x8e,0x01,0x00};
int main(void)
{
HAL_Init(); //初始化 HAL 库
Stm32_Clock_Init(RCC_PLL_MUL9); //设置时钟,72M
delay_init(72); //初始化延时函数
uart_init(9600);
//串口初始化为 9600
LED_Init();
//初始化与 LED 连接的硬件接口
LED_SMG_Init(); //数码管初始化
Adc_Init();
//ADC 初始化
TIM3_Init(19,7199); //数码管 2ms 定时显示
while(1)
{
}
}
//ADC 变量
static u16 adcx=0;
static u16 adcx1=0;
static float temp=0;
u8 num=0;//数码管值
u8 smg_wei=0;//数码管位选
u8 adc_t=0;//adc 采样时间值
u8 led_t=0;//led 显示时间值
//回调函数,定时器中断服务函数调用
void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
if(htim==(&TIM3_Handler))
{
adc_t++;
if(adc_t==100)//ADC 200ms 采样
{
adc_t=0;
adcx=Get_Adc_Average(ADC_CHANNEL_9,3);//ADC 原始值
temp=(float)adcx*(3.3/4096);//ADC 电压值
adcx1=temp;
temp-=adcx1;
temp*=1000;
}
switch(smg_wei)
{
//ADC 采样值
case 0:
if(adcx>1000)num = smg_num[adcx/1000];
else num = 0x00; break;
case 1:
if(adcx>100) num = smg_num[adcx%1000/100];
else num = 0x00; break;
case 2:
if(adcx>10) num = smg_num[adcx%100/10];
else num = 0x00;
break;
case 3:
num = smg_num[adcx%10]; break;
case 4: num = 0x00; break;
//ADC 换算后的电压值
case 5: num = smg_num[adcx1]|0x01;break;
case 6: num = smg_num[(u16)temp/100]; break;
case 7: num = smg_num[(u16)temp%100/10];break;
}
LED_Write_Data(num,smg_wei);
LED_Refresh();
smg_wei++;
if(smg_wei==8) smg_wei=0;
led_t++;
if(led_t==250)//500ms 闪烁
{
led_t=0;
LED0=!LED0;
}
}
}
在数码管上显示采集的数据,同样数码管在定时器中断中每隔 2ms 刷新显示,每隔
200ms 读取一次 ADC 通道 9 的值,并显示读到的 ADC 值(数字量,在左四位数码管显示),
以及其转换成模拟量后的电压值(在右四位数码管显示),调节电位器采集的数据会实时的
变化。同时控制 LED0 闪烁,以提示程序正在运行。
21.4 下载验证
在代码编译成功之后,我们通过下载代码到 ALIENTEK NANO STM32F103 上,可以看
到数码管显示如图 21.4.1 所示:
图 21.4.1 ADC 实验实际测试图
上图中,我们已经将 ADC 和 VR 连接在一起(跳线帽短接),调节 VR1 电位器向右调采集电压值增大,向左调采集电压值减少。同时伴随 DS0 的不停闪烁,提示程序在运行。
图上可以看到 ADC 采样原始值:2702,换算后的电压值:2.17V。
大家可以试试用杜邦线接到其他地方,看看电压值是否准确?但是一定别接到 5V 上面
去,否则可能烧坏 ADC!
通过这一章的学习,我们了解了 STM32F1 ADC 的使用,但这仅仅是 STM32F1 强大的
ADC 功能的一小点应用。STM32F1 的 ADC 在很多地方都可以用到,另外,ADC 的 DMA
功能是很不错的,建议有兴趣的大家深入研究下 STM32F1 的 ADC,相信会给你以后的开发
带来方便。
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