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STM32 ADC与时钟树系统详解
1. STM32 ADC基础操作与特性
在使用STM32的ADC（模拟 - 数字转换器）时，我们可以通过连接电位器到ADC输入引脚（如PA0和PA1）来进行简单的测试。使用
minicom
连接后，将电位器逆时针旋转。若逆时针旋转时电压读数接近 +3.3 伏，需反转电位器外部引脚的连接。修正后，读数应接近零。当电位器旋转到中间位置时，应能读到约 +1.5 伏，顺时针完全旋转时读数应接近 +3.3 伏。
STM32的ADC外设具有很强的灵活性，本次演示只是触及了其功能的表面。除了单转换功能外，ADC外设还可以配置为使用通道组并执行扫描操作。不仅可以扫描任意通道序列，还能将ADC值注入到结果中。此外，扫描和通道组可以包含来自外设ADC1和ADC2的通道。
ADC使用的练习问题如下：
1. STM32内部温度是如何表示的？
2.
GPIO_CNF_INPUT_ANALOG
与
GPIO_CNF_INPUT_PULL_UPDOWN
或
GPIO_CNF_INPUT_FLOAT
的值有何不同？
3. 如果PCLK频率为36 MHz，当ADC配置为预分频系数为4时，ADC时钟速率是多少？
4. 请列举影响ADC总功耗的三个配置选项。
5. 假设预分频器后的ADC时钟为12 MHz，配置为
ADC_SMPR_SMP_41DOT5CYC
的采样需要多长时间？
2. STM32时钟树系统概述
大多数微处理器都使用一个或多个时钟，STM32系列也不例外。该系列具有高度可配置性，虽然增加了软件的复杂性，但也为设计者提供了更大的灵活性，可通过关闭不需要的外设和时钟来降低功耗。
STM32F103C8T6支持多种时钟，了解这些时钟及其配置方法有助于我们计算正确的预分频系数，以产生正确的波特率、SPI时钟速率，并为定时器提供正确的时钟信号。同时，还能帮助我们利用特殊的时钟特性，避免潜在的问题。
2.1 时钟源
STM32F103C8T6共有四个独立的时钟源，如下表所示：
| 时钟源 | 频率 | 类型 | 驱动方式 | 稳定性 |
| ---- | ---- | ---- | ---- | ---- |
| LSI | 40 kHz | 低速内部 | 电阻和电容 | 差 |
| LSE | 32.768 kHz | 低速外部 | 晶体 | 好 |
| HSI | 8 MHz | 高速内部 | 电阻和电容 | 差 |
| HSE | 4 - 16 MHz（蓝板上为8 MHz） | 高速外部 | 晶体 | 好 |
2.2 RC振荡器与晶体振荡器
- RC振荡器 ：虽然RC振荡器稳定性较差，但对于一些应用来说，MCU有一个合理的时钟来执行指令就足够了。使用RC振荡器可以节省设计者提供晶体的成本，从而减少零件数量。RC振荡器通过电阻对电容进行充电和放电来工作，电容和电阻的组合决定了整体频率。STM32的RC振荡器均为内部振荡器，否则需要外部提供电阻和电容。
- 晶体振荡器 ：晶体振荡器的稳定性较好。振荡器在低电平和高电平信号之间切换的速率越高，电流消耗就越大。每次振荡器从低电平切换到高电平，需要向电路中注入电子，即需要电流流动（充电）；从高电平切换到低电平时，需要将电子从电路中抽出并排放到地（放电），这都需要能量。因此，在设计STM32平台的时钟时，需要充分考虑这一点。对于电池供电且执行时间不太重要的应用，使用低速振荡器是合理的选择；而对于通过USB从桌面供电且速度是主要要求的应用，则更倾向于使用高速振荡器。此外，准确性也是选择振荡器的一个重要标准，例如在实现不同单元之间的串行链路时，需要准确的波特率。
2.3 实时时钟、看门狗时钟和系统时钟
-
实时时钟（RTC）
：当HSE为8 MHz时，实时时钟的源及相关参数如下表所示：
| 振荡器源 | 源频率 | 分频器 | 结果频率 |
| ---- | ---- | ---- | ---- |
| HSE | 8.000 MHz | 128 | 62.5 kHz |
| LSE | 32.768 kHz | 1 | 32.768 kHz |
| LSI | 40 kHz | 1 | 40 kHz | - 看门狗时钟 ：独立看门狗（IWDG）硬连线到LSI 40 kHz时钟。
-
系统时钟（SYSCLK）
：系统时钟是最重要的基本时钟配置类别，其他重要时钟都由此派生。SYSCLK只能由四个时钟源中的两个提供：HSI（RC，8 MHz）和HSE（晶体，4 - 16 MHz，蓝板上为8 MHz）。系统时钟可以使用PLL（锁相环）将输入时钟频率最高倍频到72 MHz。以下是系统时钟从HSI和PLL派生的情况：
| 源 | 频率 | PLL乘数 | 结果频率 |
| ---- | ---- | ---- | ---- |
| HSI | 8 MHz | 无PLL | 8 MHz |
| HSI | 8 MHz ÷ 2 | 2 | 8 MHz |
| HSI | 8 MHz ÷ 2 | 3 | 12 MHz |
|… |… |… |… |
| HSI | 8 MHz ÷ 2 | 16 | 64 MHz |
系统时钟从HSE和PLL派生的情况如下：
| 源 | 频率 | PLL乘数 | HSE ÷ 2 | HSE ÷ 1 |
| ---- | ---- | ---- | ---- | ---- |
| HSE | 8.000 MHz | 无PLL | 8 MHz | 8 MHz |
| HSE | 8.000 MHz | 2 | 8 MHz | 16 MHz |
| HSE | 8.000 MHz | 3 | 12 MHz | 24 MHz |
|… |… |… |… |… |
| HSE | 8.000 MHz | 16 | 64 MHz | 超限制 |
当使用USB时，有效的时钟配置如下表所示：
| SYSCLK频率 | USB分频器 | 结果USB时钟 |
| ---- | ---- | ---- |
| 72 MHz | ÷ 1.5 | 48 MHz |
| 48 MHz | ÷ 1 | 48 MHz |
2.4 AHB总线
AHB（Advanced High-performance Bus）是ARM高级微控制器总线架构（AMBA）的一部分，是一种用于片上系统（SoC）设计中功能模块连接和管理的开放标准片上互连规范。在STM32F103C8T6中，当SYSCLK为72 MHz时，AHB频率的配置如下表所示：
| 位值 | 分频器 | 结果频率 |
| ---- | ---- | ---- |
| 0xxx | SYSCLK不分频 | 72 MHz |
| 1000 | SYSCLK除以2 | 36 MHz |
| 1001 | SYSCLK除以4 | 18 MHz |
|… |… |… |
| 1111 | SYSCLK除以512 | 140.625 kHz |
3. 系统时钟配置函数分析
在许多演示代码中，最初使用
rcc_clock_setup_in_hse_8mhz_out_72mhz()
函数来配置系统时钟，现在
libopencm3
项目要求使用
rcc_clock_setup_pll(&rcc_hse_configs[RCC_CLOCK_HSE8_72MHZ])
。以下是原
rcc_clock_setup_in_hse_8mhz_out_72mhz()
函数的代码：
0911: void rcc_clock_setup_in_hse_8mhz_out_72mhz(void)
0912: {
0913: /* Enable internal high-speed oscillator. */
0914: rcc_osc_on(RCC_HSI);
0915: rcc_wait_for_osc_ready(RCC_HSI);
0916:
0917: /* Select HSI as SYSCLK source. */
0918: rcc_set_sysclk_source(RCC_CFGR_SW_SYSCLKSEL_HSICLK);
0919:
0920: /* Enable external high-speed oscillator 8MHz. */
0921: rcc_osc_on(RCC_HSE);
0922: rcc_wait_for_osc_ready(RCC_HSE);
0923: rcc_set_sysclk_source(RCC_CFGR_SW_SYSCLKSEL_HSECLK);
0924:
0925: /*
0926: * Set prescalers for AHB, ADC, ABP1, ABP2.
0927: * Do this before touching the PLL (TODO: why?).
0928: */
0929: rcc_set_hpre(RCC_CFGR_HPRE_SYSCLK_NODIV); /* Set. 72MHz Max. 72MHz */
0930: rcc_set_adcpre(RCC_CFGR_ADCPRE_PCLK2_DIV8); /*Set. 9MHz Max. 14MHz */
0931: rcc_set_ppre1(RCC_CFGR_PPRE1_HCLK_DIV2); /* Set. 36MHz Max. 36MHz */
0932: rcc_set_ppre2(RCC_CFGR_PPRE2_HCLK_NODIV); /* Set. 72MHz Max. 72MHz */
0933:
0934: /*
0935: * Sysclk runs with 72MHz -> 2 waitstates.
0936: * 0WS from 0-24MHz
0937: * 1WS from 24-48MHz
0938: * 2WS from 48-72MHz
0939: */
0940: flash_set_ws(FLASH_ACR_LATENCY_2WS);
0941:
0942: /*
0943: * Set the PLL multiplication factor to 9.
0944: * 8MHz (external) * 9 (multiplier) = 72MHz
0945: */
0946: rcc_set_pll_multiplication_factor(RCC_CFGR_PLLMUL_PLL_CLK_MUL9);
0947:
0948: /* Select HSE as PLL source. */
0949: rcc_set_pll_source(RCC_CFGR_PLLSRC_HSE_CLK);
0950:
0951: /*
0952: * External frequency undivided before entering PLL
0953: * (only valid/needed for HSE).
0954: */
0955: rcc_set_pllxtpre(RCC_CFGR_PLLXTPRE_HSE_CLK);
0956:
0957: /* Enable PLL oscillator and wait for it to stabilize. */
0958: rcc_osc_on(RCC_PLL);
0959: rcc_wait_for_osc_ready(RCC_PLL);
0960:
0961: /* Select PLL as SYSCLK source. */
0962: rcc_set_sysclk_source(RCC_CFGR_SW_SYSCLKSEL_PLLCLK);
0963:
0964: /* Set the peripheral clock frequencies used */
0965: rcc_ahb_frequency = 72000000;
0966: rcc_apb1_frequency = 36000000;
0967: rcc_apb2_frequency = 72000000;
0968: }
该函数的基本步骤如下：
1. 开启HSI振荡器并等待其就绪（第914 - 915行）。
2. 选择HSI振荡器作为SYSCLK源（第918行）。
3. 开启HSE（8 MHz晶体振荡器）并等待其就绪（第921 - 922行）。
4. 将SYSCLK切换为使用HSE时钟（第923行），此时SYSCLK为8.000 MHz。
5. 将AHB预分频器设置为不分频，以便在后续选择PLL作为时钟源后，AHB输入时钟为72 MHz（第929行）。
6. 将ADC预分频器配置为分频系数为8，切换到PLL后频率为9 MHz（第930行），该频率不能超过14 MHz。
7. 将APB1（高级外设总线1）的预分频器设置为除以2，切换到PLL后APB1时钟为36 MHz（第931行），这是该总线的最大频率。
8. 将APB2的预分频器设置为不分频，切换到PLL后APB2频率为72 MHz（第932行），这也是APB2的最大频率。
9. 由于SYSCLK运行在72 MHz，每次访问闪存时需要插入两个等待周期（第940行）。
10. 将PLL的乘数设置为9，使其输出时钟为72 MHz（第946行）。
11. 移除HSE进入PLL时可能设置的÷ 2设置（第955行）。
12. 选择PLL作为SYSCLK源，将SYSCLK从8 MHz提高到72 MHz，此时AHB总线工作在72 MHz，APB1运行在36 MHz，APB2运行在72 MHz（第962行）。
13. 设置全局变量
rcc_ahb_frequency
、
rcc_apb1_frequency
和
rcc_apb2_frequency
供应用程序使用（第965 - 967行）。
这些全局变量在
rcc.h
中定义如下：
#include <libopencm3/stm32/rcc.h>
extern uint32_t rcc_ahb_frequency;
extern uint32_t rcc_apb1_frequency;
extern uint32_t rcc_apb2_frequency;
4. 外设时钟与定时器配置
4.1 APB1和APB2外设
连接到APB1总线的每个外设（如蓝板设备）通常接收36 MHz的时钟信号（除非另有配置）。每个外设都有一个独立的与门，用于启用或禁用该时钟，以节省功耗。例如，CAN外设需要自行启用其时钟，APB1定时器外设也是如此。
连接到APB2总线的外设也需要自行启用或禁用其72 MHz的时钟，APB2定时器外设同样适用。
4.2 定时器
APB1和APB2定时器都有预分频器，可以将总线时钟分频为较低的频率。但需要注意的是，当APB1/APB2预分频器设置为1时，总线频率会乘以2。
5. 时钟输出配置函数
rcc_set_mco()
rcc_set_mco()
函数用于将特定的时钟输出到MCO（微控制器时钟输出）引脚。该函数的有效参数如下表所示：
| 宏名称 | 值 | 描述 |
| ---- | ---- | ---- |
| RCC_CFGR_MCO_NOCLK | 0x0 | 无时钟输出到MCO（断开连接） |
| RCC_CFGR_MCO_SYSCLK | 0x4 | SYSCLK输出到MCO |
| RCC_CFGR_MCO_HSI | 0x5 | HSI输出到MCO |
| RCC_CFGR_MCO_HSE | 0x6 | HSE输出到MCO |
| RCC_CFGR_MCO_PLL_DIV2 | 0x7 | PLL ÷ 2输出到MCO |
仅调用
rcc_set_mco()
函数是不够的，还需要将GPIO PA8配置为复用功能I/O：
rcc_periph_clock_enable(RCC_GPIOA);
gpio_set_mode(GPIOA,
GPIO_MODE_OUTPUT_50_MHZ,
GPIO_CNF_OUTPUT_ALTFN_PUSHPULL, // ALTFN
GPIO8); // PA8=MCO
6. 时钟演示代码
6.1 HSI演示
HSI时钟演示代码位于
~/stm32f103c8t6/hsi
目录下，操作步骤如下：
$ cd ~/stm32f103c8t6/hsi
$ make clobber
$ make
$ make flash
该演示不使用FreeRTOS，代码非常基础，主要是将HSI时钟输出到GPIO引脚PA8。以下是
hsi.c
演示程序的代码：
0010: int
0011: main(void) {
0012:
0013: // LED Configuration:
0014: rcc_periph_clock_enable(RCC_GPIOC);
0015: gpio_set_mode(GPIOC,GPIO_MODE_OUTPUT_2_MHZ,
0016: GPIO_CNF_OUTPUT_PUSHPULL,GPIO13);
0017: gpio_clear(GPIOC,GPIO13); // LED Off
0018:
0019: // MCO Configuration:
0020: rcc_periph_clock_enable(RCC_GPIOA);
0021: gpio_set_mode(GPIOA,
0022: GPIO_MODE_OUTPUT_50_MHZ,
0023: GPIO_CNF_OUTPUT_ALTFN_PUSHPULL,
0024: GPIO8); // PA8=MCO
0025:
0026: rcc_set_mco(RCC_CFGR_MCO_HSI);
0027:
0028: gpio_set(GPIOC,GPIO13); // LED On
0029: for (;;);
0030: return 0;
0031: }
除了配置LED PC13外，主要步骤如下：
1. 启用GPIOA外设时钟（第20行）。
2. 将引脚PA8所在的GPIOA配置为输出（最大50 MHz），并设置为复用功能推挽模式（第22 - 23行）。
3. 将HSI时钟输出到PA8（第26行）。
6.2 HSE演示
HSE时钟演示代码位于
~/stm32f103c8t6/hse
目录下，操作步骤与HSI演示类似：
$ cd ~/stm32f103c8t6/hse
$ make clobber
$ make
$ make flash
该演示也不使用FreeRTOS，代码与HSI演示的唯一区别在于将
rcc_set_mco()
函数的参数设置为
RCC_CFGR_MCO_HSE
。
6.3 PLL ÷ 2演示
PLL ÷ 2时钟演示代码位于
~/stm32f103c8t6/mco_pll2
目录下，操作步骤如下：
$ cd ~/stm32f103c8t6/mco_pll2
$ make clobber
$ make
$ make flash
该演示同样不使用FreeRTOS，代码与HSE演示的唯一区别在于将
rcc_set_mco()
函数的参数设置为
RCC_CFGR_MCO_PLL_DIV2
。将PLL ÷ 2时钟输出到PA8是有帮助的，因为GPIO引脚的驱动能力有限，输出72 MHz的信号可能会导致信号严重失真，并可能对相关的有源组件造成压力，而36 MHz在可接受的性能范围内。
7. 总结
本文介绍了STM32的ADC操作和时钟树系统。ADC外设具有丰富的功能，可通过简单的电位器测试来初步了解其使用方法。时钟树系统是STM32的重要组成部分，包括多个独立的时钟源（HSI、HSE、LSE、LSI），这些时钟源为系统时钟、实时时钟和看门狗时钟提供时钟信号。系统时钟可以利用PLL进行倍频，最高可达72 MHz，并由此派生AHB、APB1和APB2时钟。每个需要时钟的外设都有自己的使能门，可通过关闭不需要的时钟来节省功耗。通过HSI、HSE和PLL ÷ 2演示代码，我们可以验证内部时钟的输出情况，这些时钟输出也可用于为外部外设提供输入时钟。
在实际应用中，我们需要根据具体需求合理配置时钟源和预分频系数，以满足不同的性能和功耗要求。同时，要注意各个外设的时钟配置细节，避免出现时钟故障。希望本文能帮助读者更好地理解和使用STM32的ADC和时钟树系统。
STM32 ADC与时钟树系统详解
8. 时钟配置流程总结
为了更清晰地理解时钟配置过程，下面通过一个mermaid流程图来展示
rcc_clock_setup_in_hse_8mhz_out_72mhz()
函数的主要步骤：
graph TD;
A[开启HSI振荡器] --> B[等待HSI就绪];
B --> C[选择HSI作为SYSCLK源];
C --> D[开启HSE振荡器];
D --> E[等待HSE就绪];
E --> F[选择HSE作为SYSCLK源];
F --> G[设置AHB、ADC、APB1、APB2预分频器];
G --> H[设置闪存等待周期];
H --> I[设置PLL乘数为9];
I --> J[选择HSE作为PLL源];
J --> K[移除HSE进入PLL的÷2设置];
K --> L[开启PLL振荡器];
L --> M[等待PLL就绪];
M --> N[选择PLL作为SYSCLK源];
N --> O[设置外设时钟频率全局变量];
从这个流程图可以看出，时钟配置是一个逐步进行的过程，每个步骤都有其特定的目的和顺序要求。例如，在设置PLL之前需要先设置好各个总线的预分频器，以确保后续时钟频率的正确性。
9. 时钟选择的权衡因素
在选择不同的时钟源和配置时钟参数时，需要考虑多个因素，以下是一个总结表格：
| 考虑因素 | 影响 | 选择建议 |
| ---- | ---- | ---- |
| 稳定性 | 稳定性好的时钟源能提供更准确的时钟信号，适用于对时间精度要求高的应用，如串行通信。 | 对于需要高精度时钟的应用，优先选择晶体振荡器（HSE、LSE）；对于对时间精度要求不高的应用，可以考虑使用RC振荡器（HSI、LSI）。 |
| 功耗 | 时钟频率越高，电流消耗越大。电池供电的系统需要尽量降低功耗。 | 对于电池供电且对速度要求不高的应用，选择低速振荡器（LSE、LSI）；对于由桌面USB供电且对速度要求高的应用，可选择高速振荡器（HSI、HSE）并结合PLL进行倍频。 |
| 性能需求 | 不同的应用对时钟频率有不同的要求，如USB通信需要48 MHz的时钟。 | 根据具体应用的性能需求，合理配置系统时钟频率和预分频系数。例如，使用USB时，确保SYSCLK能通过分频得到48 MHz的USB时钟。 |
| 成本 | 使用外部晶体振荡器需要额外的硬件成本，而内部RC振荡器可以减少零件数量。 | 如果对成本敏感且对时钟精度要求不高，优先选择内部RC振荡器；如果对时钟精度要求较高，则需要使用外部晶体振荡器。 |
10. 定时器配置的注意事项
在配置APB1和APB2定时器时，需要特别注意预分频器的设置。当APB1/APB2预分频器设置为1时，定时器的输入频率会是总线频率的2倍。以下是一个简单的示例来说明这个问题：
假设APB1总线频率为36 MHz，当APB1定时器预分频器设置为1时，定时器的输入频率将变为72 MHz。这可能会影响定时器的定时精度和计数范围，因此在配置定时器时需要根据实际需求仔细计算预分频系数。
11. 常见问题及解决方法
在进行时钟配置和使用过程中，可能会遇到一些常见问题，下面列出一些问题及对应的解决方法：
| 问题 | 现象 | 解决方法 |
| ---- | ---- | ---- |
| 时钟频率不准确 | 通信波特率错误、定时器定时不准等。 | 检查时钟源的选择和预分频系数的设置是否正确，确保各个时钟配置步骤按照正确的顺序进行。可以使用示波器等工具测量时钟输出信号，验证时钟频率是否符合预期。 |
| 外设无时钟信号 | 外设无法正常工作。 | 检查外设的时钟使能位是否正确设置，确保每个需要时钟的外设都开启了相应的时钟。例如，使用
rcc_periph_clock_enable()
函数来启用外设时钟。 |
| 系统不稳定 | 系统出现死机、复位等异常情况。 | 检查时钟源的稳定性，确保时钟信号没有抖动或干扰。同时，检查闪存等待周期的设置是否正确，避免因时钟频率过高而导致闪存访问错误。 |
12. 拓展应用思路
除了上述介绍的基本时钟配置和应用，STM32的时钟系统还可以应用于更多的场景：
-
多时钟源切换
：在不同的工作模式下，可以动态切换时钟源，以实现性能和功耗的平衡。例如，在系统空闲时使用低速振荡器，在需要高性能处理时切换到高速振荡器并结合PLL。
-
外部时钟同步
：通过将外部时钟信号引入到STM32的时钟输入引脚，可以实现与外部设备的时钟同步，适用于需要精确同步的多设备系统。
-
时钟分频与组合
：利用不同的预分频系数和时钟组合方式，可以生成各种不同频率的时钟信号，满足不同外设的需求。
13. 总结回顾
本文详细介绍了STM32的ADC操作和时钟树系统，包括ADC的基本测试方法、时钟源的类型和特点、系统时钟的配置过程、外设时钟的管理以及定时器的配置注意事项等内容。通过实际的代码示例和演示，我们可以更好地理解和掌握这些知识。
在实际应用中，需要根据具体的需求和场景，合理选择时钟源和配置时钟参数，同时注意各个外设的时钟使能和配置细节，以确保系统的稳定性和性能。希望本文能为读者在使用STM32的ADC和时钟树系统时提供有益的参考和指导。
通过不断地实践和探索，我们可以进一步挖掘STM32时钟系统的潜力，实现更多复杂和高效的应用。例如，结合实时操作系统（RTOS），可以更好地管理不同任务的时钟需求，提高系统的实时性和响应速度。未来，随着嵌入式技术的不断发展，STM32的时钟系统也将在更多领域发挥重要作用。
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