【STM32CubeMX学习教程】——8.ADC

最新推荐文章于 2025-10-22 15:28:59 发布

原创最新推荐文章于 2025-10-22 15:28:59 发布 · 964 阅读

25 ·

CC 4.0 BY-SA版权

文章标签：

#stm32 #学习 #单片机

一、ADC基础概念

ADC是一种将连续的模拟信号（如电压）转换为离散的数字信号（一系列二进制数）的器件。STM32内部集成了高精度、高速的ADC模块。

二、核心参数

1.分辨率： 表示ADC能够分辨的最小模拟量变化，用输出数字量的位数表示。
STM32 ADC通常为12位 。这意味着它可以将参考电压（如3.3V）划分为 $2^{12}$ =4096个等级。
数字输出值范围：0 ~ 4095。

2.参考电压（Vref+和Vref-）：
这是ADC测量的基准。通常Vref- 连接到GND（0V），Vref+ 连接到VDDA（模拟电源，通常与VDD同为3.3V）。
测量电压 = (ADC转换值 / 4095) * (Vref+)
例如，转换值为2048，Vref+=3.3V，则测量电压 = (2048 / 4095) * 3.3V ≈ 1.65V。

3.采样时间：
ADC内部的采样保持电容需要时间充电到输入信号的电压。这个时间就是采样时间。
对于高阻抗的信号源，需要设置更长的采样时间以确保准确采样。STM32允许你为每个通道独立配置采样时间。

4.转换时间：
总转换时间 = 采样时间 + 12.5个ADC时钟周期（12位分辨率下的固定转换时间）。
转换时间决定了ADC的最高采样速率。例如，ADC时钟为14MHz，采样时间为1.5周期，则总转换时间 = 1.5 + 12.5 = 14周期。采样率 = 14MHz / 14周期 = 1MHz（即1Msps）。

三、STM32 ADC的工作模式

STM32的ADC功能非常灵活，其模式是理解和使用它的关键。

1. 单次转换模式（Single Conversion）

工作流程： 启动一次转换 → 转换一个通道 → 转换完成 → 停止，等待下一次启动。
适用场景： 低速、非连续的采样，如偶尔读取一下电位器的电压。

2. 连续转换模式（Continuous Conversion）

工作流程： 启动后，ADC会不停地自动进行转换。转换完一个通道后立即开始下一次转换。
适用场景： 需要持续获取某个通道的数据，但通常还是会配合定时器触发来达到固定采样率。

3. 扫描模式（Scan Mode）

工作流程： 在多通道配置下使能此模式。ADC会按照通道序列（如CH0, CH1, CH2, CH3）自动依次转换每一个通道。
必须与DMA配合： 因为ADC数据寄存器（DR）只有一个，当多个通道快速连续转换时，CPU来不及读取，必须用DMA将每个通道的转换结果自动搬运到不同的内存数组中。
适用场景：多通道数据采集（如同时采集温度、光照、电压等多个传感器信号）。

4. 定时器触发转换（Injected / Regular Group）

这是实现精确固定采样率的核心！
Regular Group（规则通道组）： 主转换组，可以包含最多16个通道，我们最常用的就是规则通道组。
Injected Group（注入通道组）： 可以理解为“插队”通道组，最多4个通道。当触发信号来临时，它会中断规则组的转换，优先执行注入组的转换，完成后再回到规则组。
注：ADC通道号（如IN0, IN1, IN2…）与MCU的特定物理引脚是一一对应的关系。这个映射关系是由芯片设计决定的，无法更改。使用STM32CubeMX时，在Pinout view中，点击芯片模型上的任何一个引脚，会弹出该引脚的所有复用功能。
触发源： ADC转换可以由定时器（TIMx的TRGO信号）来触发，而不是由软件触发。
应用： 设置一个定时器每1ms产生一个触发信号（TRGO）。ADC收到这个触发信号后，开始一次转换（单次模式）或一轮扫描转换（扫描模式）。这样就实现了硬件级别的、绝对精确的1kHz采样率 ，不受软件延迟影响。

5. 看门狗模式（Analog Watchdog）

功能： 设置一个电压范围（高阈值和低阈值）。当ADC转换的结果超出这个范围时，会产生一个中断。
应用： 用于监控关键参数，如电池电压。当电压过低时，自动触发中断报警，无需CPU一直去读取判断。

四、STM32CubeMX ADC配置

1.新建工程

1.双击打开桌面下载好的STM32CubeMX，点击File–>New Project，或直接点击ACCEE TO MCU SELECTOR

Alt
2.在左边搜索栏里输入使用的芯片型号，右边选中并开始创建

Alt

2.设置RCC时钟源

设置高/低速时钟源都由外部晶振产生。

Alt

3.配置ADC

1.根据硬件电路选择对应的ADC通道，例如，硬件电路板上连接的是PA4作为ADC引脚，那么在Pinout view中，点击芯片模型上的PA4引脚，在弹出该引脚的复用功能中选择ADC_IN4。

Alt

2.设置ADC参数

Alt

备注：

1. ADC_Settings

Clock Prescaler (时钟预分频器): 用于分频输入到ADC的时钟（ADCCLK）。ADCCLK来源于APB2时钟（PCLK2）。必须确保ADCCLK不超过数据手册中规定的最大允许速度（例如，对于STM32F1系列，通常为14MHz；对于F4系列，通常为36MHz）。时钟越快，转换速度越快，但精度可能会受一定影响。通常选择分频后使得ADCCLK略低于最大允许值。
Resolution (分辨率): 决定ADC转换结果的位数，即精度。位数越高，精度越高（例如12位对应4096个量化级别），但单次转换时间也稍长。绝大多数应用选择12位。
Data Alignment (数据对齐): 转换后的12位数据在16位结果寄存器（如ADCx->DR）中的对齐方式。Right Alignment (右对齐)： 数据从bit0开始存放，高4位为0。这是最常用的模式，直接读取寄存器值即可得到0-4095的结果。Right Alignment (右对齐)： 数据从bit0开始存放，高4位为0。这是最常用的模式，直接读取寄存器值即可得到0-4095的结果。
Scan Conversion Mode (扫描转换模式)： 用于是否自动转换一组规则通道（在Number Of Conversion中设置的序列）。Disabled： 仅转换序列中的第一个通道。Enabled： 按配置好的序列（Rank1, Rank2, …）依次转换所有通道。通常在多通道采集时需要启用此模式。
Continuous Conversion Mode (连续转换模式)： 决定完成一次转换（或一次扫描转换）后，是否自动立即开始新一轮的转换。Disabled： 需要外部触发（如软件触发、定时器触发）或每次手动启动一次转换。Enabled： ADC会永不停止地连续进行转换。在需要实时监控信号时非常有用。
Discontinuous Conversion Mode (间断模式): 一种特殊的转换模式，允许一次触发只转换序列中的n个通道（n由Number Of Discontinuous Conversions设定）。这是一个高级功能，通常用于节省功耗或复杂触发场景，初学者可以保持Disabled。
DMA Continuous Requests (DMA连续请求): 在与DMA配合使用时，控制DMA请求的模式。Disabled： 每完成一次转换（或一次扫描转换）产生一次DMA请求。Enabled： 在DMA传输完成后，自动发起新的DMA请求以开始下一次转换。在需要DMA搬运大量连续数据（如音频采样）时，必须启用此项。
End Of Conversion Selection (转换结束选择): 选择何时产生EOC（转换结束）标志。仅在某些系列（如STM32L4）中存在。EOC flag at the end of single channel conversion： 每个通道转换完成后都产生EOC。EOC flag at the end of all conversions： 整个序列（所有Rank）转换完成后才产生一个EOC。在扫描模式下，如果希望每转换一个通道就中断一次，选前者；如果希望转换完所有通道再中断一次，选后者。

2. ADC_Regular_ConversionMode (规则通道转换模式)

Number Of Conversions (转换数量): 设置规则通道转换序列的长度，即你要按顺序转换多少个通道。
External Trigger Conversion Source(外部触发转换源): 这是指由什么硬件事件来发出“开始转换”这个命令。软件触发 (Software Trigger)： 由CPU通过代码（如调用HAL_ADC_Start()或设置某个寄存器位）来启动一次ADC转换。定时器触发 (Timer Trigger)： 由微控制器内部的某个定时器/计数器自动产生触发信号。这是最常用、最重要的硬件触发方式。外部引脚触发 (EXTI Line Trigger)： 由芯片的某个外部GPIO引脚上的电平变化来触发。
External Trigger Conversion Edge(外部触发转换边沿): 指上述的触发信号在哪种电平时刻变化（边沿）下才被认为是有效的。禁止边沿检测 (None / Disabled)： 不使用边沿检测，通常用于软件触发。上升沿触发 (Rising Edge)： 当触发信号从低电平（0）跳变到高电平（1）的瞬间，启动一次ADC转换。绝大多数定时器触发和需要高电平有效的场景。下降沿触发 (Falling Edge)： 需要低电平有效的信号触发时。当触发信号从高电平（1）跳变到低电平（0）的瞬间，启动一次ADC转换。
对于每个Rank (采样顺序):Channel (通道)： 选择此顺序上要转换的ADC通道（如Channel 0, Channel 1对应GPIO引脚PA0, PA1）。Sampling Time (采样时间)： 这是极其重要的参数。指ADC内部电容对输入电压进行采样的时间。时间越长，采样越充分，精度越高，尤其是对于高阻抗源。

3. ADC_Injected_ConversionMode (注入通道转换模式)：
Number Of Conversions (转换数量): 定义注入序列的长度。即一次注入触发信号到来时，ADC会自动按顺序转换的通道数量。

4. WatchDog (看门狗)：
Enable Analog WatchDog Mode(使能模拟看门狗模式): 是否使能模拟看门狗中断。ADC内置的模拟看门狗，可以监控转换结果。如果结果低于下限或高于上限，会产生中断。可用于检测信号是否超出预期范围，无需CPU一直参与判断。

4.关于ADC开不开中断问题

Alt

4.1.不开中断（轮询模式）：

工作方式：
1）CPU调用 HAL_ADC_Start() 启动转换。
2）CPU调用 HAL_ADC_PollForConversion()，在这个函数里原地死等，不断检查ADC的标志位，直到转换完成。
3）转换完成后，CPU读取结果 HAL_ADC_GetValue()。
示例代码：

// 1. 启动转换
HAL_ADC_Start(&hadc1);

// 2. CPU在这里等待，直到转换完成或超时（阻塞！）
if (HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, 100) == HAL_OK) {
  // 3. 读取结果
  uint16_t adc_value = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);
  // ... 处理数据
}

应用场景：
1）单次、非频繁的采样： 比如在初始化时读取一次电位器的初始值，或者只在用户按下按钮后才读一次传感器。
2）对CPU效率要求不高的简单应用。

4.2. 开启ADC转换完成中断（中断模式）

工作方式：
1）CPU调用 HAL_ADC_Start_IT() 启动转换，然后立即返回去执行其他任务。
2）ADC硬件在后台独立进行转换。
3）转换完成后，ADC硬件会自动产生一个中断。
4）CPU暂停当前工作，跳转到ADC的中断服务函数。
5）中断服务函数调用你的回调函数 HAL_ADC_ConvCpltCallback()，你在这里读取和处理数据。
示例代码：

// 1. 启动中断模式的转换
HAL_ADC_Start_IT(&hadc1);

// ... CPU这里可以执行其他代码，无需等待 ...

// 2. 转换完成后的中断回调函数
void HAL_ADC_ConvCpltCallback(ADC_HandleTypeDef* hadc) {
  if (hadc->Instance == hadc1.Instance) {
    uint16_t adc_value = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);
    // ... 处理数据 ...

    // 如果你需要单次模式，这里就不需要再启动。
    // 如果你需要连续转换，HAL库会自动开始下一次转换。
  }
}

应用场景：
1.需要定期采样但采样率不高： 比如每秒采样10次温度。
2.需要非阻塞式操作： CPU需要在ADC转换期间去执行其他重要任务。
3.对事件的响应有一定实时性要求： 当转换完成时，你能在“第一时间”得到通知并处理。

4.3. 开启DMA中断（DMA Mode）

工作方式：
1）CPU调用 HAL_ADC_Start_DMA()，并提供一个内存数组（Buffer）。
2）ADC和DMA配合工作：每完成一次转换，DMA硬件就自动把数据从ADC数据寄存器搬运到你指定的数组中，完全不需要CPU参与。
3）当DMA传输了指定数量的数据后（例如，填满了半个缓冲区或整个缓冲区），DMA才产生一个中断通知CPU。
4）CPU在DMA中断回调函数中处理一整批数据。

代码示例：

#define ADC_BUF_SIZE 100
uint16_t adc_buffer[ADC_BUF_SIZE];

// 1. 启动DMA传输，ADC会自动循环填充adc_buffer
HAL_ADC_Start_DMA(&hadc1, (uint32_t*)adc_buffer, ADC_BUF_SIZE);

// ... CPU完全自由，可以去处理其他复杂任务 ...

// 2. DMA传输完成一半或全部时的回调函数（需要用户实现）
//    例如，当DMA传输完成一半时（前50个数据就绪）
void HAL_ADC_ConvHalfCpltCallback(ADC_HandleTypeDef* hadc) {
  // 处理 adc_buffer[0] 到 adc_buffer[49]
}

//    当DMA传输全部完成时（后50个数据就绪）
void HAL_ADC_ConvCpltCallback(ADC_HandleTypeDef* hadc) {
  // 处理 adc_buffer[50] 到 adc_buffer[99]
  // 注意：此时DMA可能已经重新开始填充前50个数据了（循环模式）
}

应用场景：
1）高速、连续、多通道采样： 这是DMA的主战场。比如音频采集、振动信号分析、电机三相电流同步采样等。
2）需要极高效率： 将CPU从繁琐的数据搬运工作中彻底解放出来，只在需要时处理一批数据，效率最高。

各类场景下的模式推荐：

应用场景	推荐模式	理由
偶尔读一次值（如调参电位器）	轮询（不开中断）	简单直接，代码好写。
低速定期采样（每秒几次~几百次）	ADC中断	CPU不用傻等，可以干别的，转换完成能及时处理。
高速连续采样（>1kHz）或多通道扫描	DMA + DMA中断	避免频繁进入ADC中断，批量处理数据，效率之王。
超高速采样（极限速率）	DMA（不开中断）	只让DMA安静地搬运数据，CPU通过查询标志位或定时处理数据，消除一切中断开销。
模拟看门狗报警	AWD中断	必须开中断，才能在电压异常时立即得到通知并采取紧急措施。
用定时器硬件触发	通常配DMA	硬件触发保证了精确的采样间隔，DMA负责高效搬运数据，是最佳组合。

5.时钟配置

1.时钟源设置
默认时钟源是由内部RC振荡器产生，可通过图中按钮进行修改，外部晶振数值取决于实际电路板上的晶振大小.

Alt
提示：

这里用到的芯片的最大时钟频率是100MHz，有的芯片最大只有72MHz，实际最大频率可通过查看芯片数据手册确定。

2.时钟频率设置

Alt
①PLLM—PLL输入时钟分频系数，根据自己需要的系统时钟频率来进行修改
②PLLN—主PLL倍频系数（自动计算）
③PLLP—主PLL分频系数（自动计算）
④SYSCLK—系统时钟
⑤HCLK—AHB总线时钟，由系统时钟SYSCLK 分频得到，一般不分频，等于系统时钟
⑥APB1/APB2 Prescaler—APB1/APB2总线的预分频系数，可根据需要修改

6.工程文件设置

1.工程设置
注：工程路径中不能有中文，否则会输出错误。
库文件要提前下载好，具体方法在 “【STM32CubeMX学习教程】——1.软件安装” 这一篇文章中有提到。

Alt

2.代码生成设置

Alt
3.点击右上角按钮生成代码，之后会出现下面的窗口，再点击打开工程即可在用keil查看工程代码。

Alt

7.编译成功，0错误0警告

Alt

五、HAL库中常用的ADC相关代码

1.ADC1初始化函数

void MX_ADC1_Init(void);

2.启动ADC转换

HAL_ADC_Start(&hadc1);      //如果是软件触发，调用此函数即开始转换。

3.中断函数

HAL_ADC_Start_IT(&hadc1);    //启动ADC转换，并使能转换完成中断。

4.回调函数

//STM32CubeMX工程源代码是__weak void HAL_ADC_ConvCpltCallback(ADC_HandleTypeDef* hadc)，
//这是一个弱定义的回调函数。当用到中断处理任务时，需要我们重新实现这个函数，在里面处理ADC数据。
// 2. 在main.c或其他文件中实现回调函数
void HAL_ADC_ConvCpltCallback(ADC_HandleTypeDef* hadc) {
  if (hadc->Instance == hadc1.Instance) { // 判断是哪个ADC
    uint16_t adc_value = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);
    // ... 处理 adc_value (例如，更新全局变量)
  }
}

5.ADC+DMA传输函数

#define ADC_BUFFER_SIZE 100
uint16_t adc_buffer[ADC_BUFFER_SIZE];

// 1. 启动DMA传输（在main的初始化中）
HAL_ADC_Start_DMA(&hadc1, (uint32_t*)adc_buffer, ADC_BUFFER_SIZE);