STM32-ADC+DMA

本内容基于江协科技STM32视频学习之后整理而得。

1. ADC模拟-数字转换器

1.1 ADC模拟-数字转换器

• ADC可以将引脚上连续变化的模拟电压转换为内存中存储的数字变量，建立模拟电路到数字电路的桥梁；（DAC数字模拟转换器，PWM是数字到模拟的转换，使用PWM来控制LED的亮度、电机的速度，这就是DAC的功能，同时PWM只有完全导通和完全断开两种状态，在这两种状态上都没有功率损耗，所以在直流电机调速这种大功率的应用场景中，使用PWM来等效模拟量，是比DAC更好的选择，并且PWM电路更加简单，更加常用，所以可以看出PWM还是挤占了DAC的很多应用空间，目前DAC的应用主要是在波形生成这些领域，比如信号发生器、音频解码芯片。）
• 12位逐次逼近型ADC，1us转换时间。（12位表示分辨率，范围0-2^12-1=0~4095，位数越高，量化结果就越精细，对应分辨率就越高。转换时间即转换频率，转换需要时间，1us表示AD从转换开始到产生结果，需要花1us的时间，对应的AD转换频率就是1MHz）
• 输入电压范围：0-3.3V，转换结果范围：0~4095
• 18个输入通道，可测量16个外部和2个内部信号源
• 规则组和注入组两个转换单元
• 模拟看门狗自动监测输入电压范围（ADC一般可以用于测量光线强度、温度这些值，如果光线高于某个阈值，低于某个阈值，或者温度高于某个阈值，低于某个阈值时，执行一些操作，低于某个阈值、高于某个阈值的判断就可以用模拟看门狗来自动执行，模拟看门狗可以监测指定的某些通道，当AD值高于它设定的上阈值或低于下阈值时，它就会申请中断，就可以在中断函数里执行相应的操作，这样就不用不断地手动读值，再用if进行判断了。）
• STM32103C8T6 ADC资源：ADC1、ADC2，10个外部输入通道（就是最多只能测量10个外部引脚的模拟信号）

1.2 逐次逼近型ADC

• ADC0809：独立8位逐次逼近型ADC芯片
• IN0~IN7：8路输入通道，通过通道选择开关，选中一路，输入到比较器进行转换。
• 地址锁存和译码：想选中哪个通道，就把通道号放在ADDA~ADDC上，然后给一个锁存信号，对应的通路开关就可以自动拨好。通路选择开关相当于一个可以通过模拟信号的数据选择器。
• 比较器：电压比较器，可以判断两个输入信号电压的大小关系，输出一个高低电平指示谁大谁小。其输入：一个是通道选择开关输出的待测电压，另一个是DAC的电压输出端。
• DAC是数模转换器，给DAC一个数据，就能输出对应的电压值；内部是使用加权电阻网络实现的转换。
• 现在有了一个外部通道输入的未知编码的电压，和一个DAC输出的已知编码的电压，它俩同时输入到电压比较器，进行大小判断。如果DAC输出的电压比较大，就调小DAC数据；反之，输出电压比较小，就增大DAC数据。直到DAC输出的电压和外部通道输入的电压近似相等。这样DAC输入的数据就是外部电压的编码数据了，这就是DAC的实现原理，该电压调节过程是逐次逼近寄存器SAR完成，为了最快找到未知电压的编码，采用二分法，0~255，每次对半分，128、64、32这些数据，正好是二进制每一位的位权。该判断过程，相当于对二进制从高位到低位依次判断是1还是0的过程。对于8位的ADC，从高位到低位依次判断8次就能找到未知电压的编码。AD转换结束后，DAC的输入数据，就是未知电压的编码，通过8位三态锁存缓冲器输出。
• EOC是End of Convert，转换结束信号；
• START是开始转换，给一个输入脉冲，开始转换；
• CLOCK是ADC时钟，因ADC内部是一步一步进行判断的，因此需要时钟来推动这个过程。
• VREF+和VREF-是DAC的参考电压，该参考电压也决定了ADC的输入范围，所以也是ADC参考电压。

1.3 ADC框图

• 对于普通的ADC，多路开关一般都是只选中一个的，就是选中某一个通道、开始转换、等待转换完成、取出结果。
• 但是在这里可以选中多个，而且在转换的时候，还分成了两个组，规则通道组和注入通道组，其中规则组可以一次性最多选中16个通道，注入组最多可以选中4个通道，但是规则组只有一个数据寄存器，而注入组有4个数据寄存器，用规则组需要使用DMA配合转运数据。
• 规则组和注入组的触发源主要来自定时器，有定时器的各个通道，还有TRGO定时器主模式的输出，可以选择TIM3定一个1ms的时间，并且把TIM3的更新事件选择为TRGO输出，然后在ADC里，选择开始触发信号为TIM3的TRGO，这样TIM3的更新事件就能通过硬件自动触发ADC转换了。也可以选择外部中断引脚来触发转换。
• VREF+和VREF-是ADC的参考电压，VDDA和VSSA是ADC的供电引脚，一般VREF+要接VDDA，VREF-要接VSSA，
• ADCCLK是ADC的时钟，用于驱动内部逐次比较的时钟，是来自ADC预分频器，这个ADC预分频器是来源于RCC的。
  

1.4 ADC基本结构

• 规则组最多可以选中16个通道；注入组最多可以选择4个通道；
• 转换结果存放在AD数据寄存器里，规则组只有1个数据寄存器，注入组有4个；
• 触发控制，提供了开始转换START信号；可以选择软件触发和硬件触发。
• 硬件触发主要来自于定时器，也可以选择外部中断的引脚。
  来自于RCC的ADC时钟CLOCK，ADC逐次比较的过程就是由这个时钟推动的；
• 可以布置一个模拟看门狗用于检测转换结果的范围，若超出设定的阈值，就通过中断输出控制，向NVIC申请中断；
• 规则组和注入组转换完成后会有个EOC信号，会置一个标志位，也可以通向NVIC。
• 开关控制：在库函数中，就是ADC_Cmd函数，用于给ADC上电的。

1.5 输入通道

1.6 规则组的转换模式

在ADC初始化的结构体里，会有两个参数：参1是选择单次转换还是连续转换，参2是选择扫描模式还是非扫描模式。

1.6.1 单次转换，非扫描模式

• 在非扫描模式下，该菜单只有第一个序列1的位置有效。菜单同时选中一组的方式就退化为简单地选中一个的方式。
• 在序列1可以指定要转换的通道，之后就可以触发转换，ADC就会对这个通道2进行模数转换。
• 转换完成后，结果存放在数据寄存器里，同时给EOC标志位置1，转换结束。
• 判断转换结束后，就可以在数据寄存器里读取结果。若想再启动一次转换，就需要再触发一次，转换结束，置EOC标志位，读结果。
• 若想换一个通道转换，则在转换之前，把第一个位置的通道2改为其他通道，然后再启动转换。
• 流程：触发转换–>判断转换结束（置EOC标志位）–>获取转换值

1.6.2 连续转换，非扫描模式

它在一次转换结束后，不会停止，而是立刻开始下一轮的转换，然后一直持续下去。因此只需最开始触发一次，之后就可以一直转换。优点是开始转换之后不需要等待一段时间，想要读AD值的时候，直接从数据寄存器取就是了。

1.6.3 单次转换，扫描模式

每触发一次，转换结束后，就会停下来，下次转换就得再触发才能开始。初始化结构体中还会有个参数：通道数目，若为7，就是在每次触发之后，依次对前7个位置进行AD转换，转换结果都放在数据寄存器里。为了防止数据被覆盖，就需要用DMA及时将数据挪走。7个通道转换完成之后，产生EOC信号，转换结束。然后再触发下一次，就又开始新一轮的转换。

1.6.4 连续转换，扫描模式

一次转换完成后，立刻开始下一次的转换。
在扫描模式的情况下，还有一种模式：间断模式，在扫描的过程中，每隔几个转换，就暂停一次，需要再次触发，才能继续。

1.7 触发控制

类型：外部引脚/来自片上定时器的内部信号，具体是引脚还是定时器，需要用AFIO重映射来确定。
软件控制位：软件触发
触发信号的选择可以通过设置右边的寄存器来完成。也可以使用库函数实现。

1.8 数据对齐

ADC是12位的，其转换结果就是一个12位的数据。但数据寄存器是16位的，所以存在数据对齐的问题

1.9 转换时间

• 量化编码即逐次比较
• 采样保持：是因为量化编码是需要一小段时间的，如果在这一小段时间里，输入的电压不断变化，则无法定位输入电压的位置，所以在量化编码之前，需要设置一个采样开关，先打开采样开关，收集一下外部的电压，之后断开采样开关，再进行AD转换，这样在量化编码的期间，电压始终保持不变，这样才能精确地定位未知电压的位置。
• 采样时间就是采样保持的时间，采样时间越大，越能避免一些毛刺信号的干扰。但转换时间也会相应延长。
• 12.5个ADC周期是量化编码花费的时间，因为是12位的ADC，所以需要花费12个周期，0.5个周期是做其他用的。ADC周期就是从RCC分频过来的ADCCLK，ADCCLK最大是14MHz。

1.10 校准

• ADC有一个内置自校准模式。校准可大幅减小因内部电容器组的变化而造成的准精度误差。校准期间，在每个电容器上都会计算出一个误差修正码(数字值)，这个码用于消除在随后的转换中每个电容器上产生的误差
• 建议在每次上电后执行一次校准
• 启动校准前， ADC必须处于关电状态超过至少两个ADC时钟周期

1.11 硬件电路

• 第一个：电位器可调电压的电路，就是接一个电位器，当滑动端往上滑时，电压增大，往下滑时，电压减小。
• 第二个：传感器输出电压的电路，如光敏电阻、热敏电阻、红外接收管、麦克风等都可以等效为一个可变电阻。传感器阻值变小时，下拉作用变强，输出端电压就下降；传感器阻值变大时，下拉作用变弱，输出端受上拉电阻的作用，电压就会升高。
• 第三个：电压转换电路，若想测一个0-5V的VIN电压，但ADC只能接收0-3.3V的电压，就可以搭一个转换电路，上面阻值17K，下面阻值33K，总共50K，根据分压公式，中间的电压就是VIN/50K*33K，得到的电压范围就是0~3.3V，就可以进入ADC转换了。

2. AD库函数及代码

2.1 AD库函数

// 配置ADCCLK分频器
void RCC_ADCCLKConfig(uint32_t RCC_PCLK2);

// DeInit恢复缺省配置、Init初始化、StructInit结构体初始化
void ADC_DeInit(ADC_TypeDef* ADCx);
void ADC_Init(ADC_TypeDef* ADCx, ADC_InitTypeDef* ADC_InitStruct);
void ADC_StructInit(ADC_InitTypeDef* ADC_InitStruct);

// 给ADC上电的，即开关控制
void ADC_Cmd(ADC_TypeDef* ADCx, FunctionalState NewState);

// 开启DMA输出信号
void ADC_DMACmd(ADC_TypeDef* ADCx, FunctionalState NewState);

// 中断输出控制，用于控制某个中断，能不能通往NVIC
void ADC_ITConfig(ADC_TypeDef* ADCx, uint16_t ADC_IT, FunctionalState NewState);

// 复位校准、获取复位校准状态
void ADC_ResetCalibration(ADC_TypeDef* ADCx);
FlagStatus ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC_TypeDef* ADCx);

// 开始校准、获取开始校准状态
void ADC_StartCalibration(ADC_TypeDef* ADCx);
FlagStatus ADC_GetCalibrationStatus(ADC_TypeDef* ADCx);

// ADC软件开始转换控制，用于软件触发的函数
void ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC_TypeDef* ADCx, FunctionalState NewState);

// ADC获取软件开始转换状态
FlagStatus ADC_GetSoftwareStartConvStatus(ADC_TypeDef* ADCx);

// 判断转换是否结束。获取标志位状态，参数给EOC的标志位，判断EOC标志位是不是置1了
FlagStatus ADC_GetFlagStatus(ADC_TypeDef* ADCx, uint8_t ADC_FLAG);

// 配置间断模式，函数1：每隔几个通道间断一次；函数2：是不是启用间断模式
void ADC_DiscModeChannelCountConfig(ADC_TypeDef* ADCx, uint8_t Number);
void ADC_DiscModeCmd(ADC_TypeDef* ADCx, FunctionalState NewState);

// ADC规则组通道配置，给序列的每个位置填写指定的通道
void ADC_RegularChannelConfig(ADC_TypeDef* ADCx, uint8_t ADC_Channel, uint8_t Rank, uint8_t ADC_SampleTime);

// ADC 外部触发转换控制，就是是否允许外部触发转换
void ADC_ExternalTrigConvCmd(ADC_TypeDef* ADCx, FunctionalState NewState);

// ADC换取转换值。就是获取AD转换的数据寄存器，读取转换结果使用该函数
uint16_t ADC_GetConversionValue(ADC_TypeDef* ADCx);

// ADC获取双模式转换值，是ADC模式读取转换结果的函数
uint32_t ADC_GetDualModeConversionValue(void);

// 对ADC注入组进行配置
void ADC_AutoInjectedConvCmd(ADC_TypeDef* ADCx, FunctionalState NewState);
void ADC_InjectedDiscModeCmd(ADC_TypeDef* ADCx, FunctionalState NewState);
void ADC_ExternalTrigInjectedConvConfig(ADC_TypeDef* ADCx, uint32_t ADC_ExternalTrigInjecConv);
void ADC_ExternalTrigInjectedConvCmd(ADC_TypeDef* ADCx, FunctionalState NewState);
void ADC_SoftwareStartInjectedConvCmd(ADC_TypeDef* ADCx, FunctionalState NewState);
FlagStatus ADC_GetSoftwareStartInjectedConvCmdStatus(ADC_TypeDef* ADCx);
void ADC_InjectedChannelConfig(ADC_TypeDef* ADCx, uint8_t ADC_Channel, uint8_t Rank, uint8_t ADC_SampleTime);
void ADC_InjectedSequencerLengthConfig(ADC_TypeDef* ADCx, uint8_t Length);
void ADC_SetInjectedOffset(ADC_TypeDef* ADCx, uint8_t ADC_InjectedChannel, uint16_t Offset);
uint16_t ADC_GetInjectedConversionValue(ADC_TypeDef* ADCx, uint8_t ADC_InjectedChannel);

// 对模拟看门狗进行配置，函数1：是否启动看门狗；函数2：配置高低阈值；函数3：配置看门的通道
void ADC_AnalogWatchdogCmd(ADC_TypeDef* ADCx, uint32_t ADC_AnalogWatchdog);
void ADC_AnalogWatchdogThresholdsConfig(ADC_TypeDef* ADCx, uint16_t HighThreshold, uint16_t LowThreshold);
void ADC_AnalogWatchdogSingleChannelConfig(ADC_TypeDef* ADCx, uint8_t ADC_Channel);

// ADC温度传感器、内部参考电压控制，用于开启内部的两个通道
void ADC_TempSensorVrefintCmd(FunctionalState NewState);

// 获取中断状态、清除中断挂起位
FlagStatus ADC_GetFlagStatus(ADC_TypeDef* ADCx, uint8_t ADC_FLAG);
void ADC_ClearFlag(ADC_TypeDef* ADCx, uint8_t ADC_FLAG);
ITStatus ADC_GetITStatus(ADC_TypeDef* ADCx, uint16_t ADC_IT);
void ADC_ClearITPendingBit(ADC_TypeDef* ADCx, uint16_t ADC_IT);

2.2 7-1AD单通道代码

2.2.1 硬件电路

实现功能：接一个电位器，即滑动变阻器，用该电位器产生一个0~3.3V连续变化的模拟电压信号，接到STM32的PA0口上，之后用STM32内部的ADC读取电压数据，显示在屏幕上。屏幕上第一行显示的是AD转换后的原始数据，第二行是经过处理后实际的电压值。往左拧，AD值减小，电压值也减小，AD值最小为0，对应的电压就是0V，往右拧，AD值变大，对应电压值也变大。STM32的ADC是12位的，所以AD结果最大值是4095（2^12 - 1），对应的电压是3.3V。