STM32·HAL库开发（十五）ADC模数转换——案例：ADC读取传感器值

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分类专栏： STM32单片机文章标签： stm32 嵌入式硬件单片机 arm开发

于 2023-08-23 16:56:02 首次发布

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【ADC概述】

【ADC全称】

Analog-to-Digital Converter，指模拟 / 数字转换器

【ADC性能指标】

● 量程：能测量的电压范围

● 分辨率：ADC能辨别的最小模拟量，通常以输出二进制数的位数表示，比如： 8 、 10、 12、16位等；位数越多，分辨率越高，一般来说分辨率越高，转化时间越长

● 转换时间：从转换开始到获得稳定的数字量输出所需要的时间称为转换时间

【ADC特性】

● 12位精度下转换速度可高达1MHz

● 供电电压：V SSA ： 0V ， V DDA ： 2.4V~3.6V

        ● ADC输入范围：VREF- ≤ VIN ≤ VREF+
            由VREF-、VREF+ 、VDDA 、VSSA、这四个外部引脚决定
  一般把VSSA 和VREF- 接地，把VREF+ 和VDDA 接3V3，则ADC 输入电压范围：0~3.3V

● 采样时间可配置，采样时间越长, 转换结果相对越准确 , 但是转换速度就越慢

● ADC 的结果可以左对齐/ 右对齐方式存储在 16 位数据寄存器中（因为12位数据有16个坑）

【ADC通道】

总共2个ADC（ADC1，ADC2），每个ADC有18个转换通道: 16个外部通道、 2个内部通道（温度传感器、内部参考电压）

外部的16 个通道在转换时又分为规则通道和注入通道，其中规则通道最多有 16 路，注入通道最多有4路。如果在规则通道转换过程中，有注入通道插队，那么就要先转换完注入通道，等注入通道转换完成后，再回到规则通道的转换流程。

规则组：正常排队的人

注入组：有特权的人（军人、孕妇）

【ADC转换顺序】

每个ADC只有一个数据寄存器， 16 个通道一起共用这个寄存器，所以需要指定规则转换通道的转换顺序。

规则通道中的转换顺序由三个寄存器控制：SQR1 、 SQR2 、 SQR3 ，它们都是 32 位寄存器。 SQR 寄存器控制着转换通道的数目和转换顺序，只要在对应的寄存器位SQx 中写入相应的通道，这个通道就是第x 个转换。

和规则通道转换顺序的控制一样，注入通道的转换也是通过注入寄存器来控制，只不过只有一个 JSQR寄存器来控制，控制关系如下：

注入序列的转换顺序是从JSQx[ 4 : 0 ] （ x=4-JL[1:0] ）开始。只有当 JL=4 的时候，注入通道的转换顺序才会按照JSQ1 、 JSQ2 、 JSQ3 、 JSQ4 的顺序执行。

【ADC触发方式】

1. 通过向控制寄存器 ADC_CR2 的 ADON 位写 1 来开启转换，写 0 停止转换

2. 也可以通过外部事件（如定时器）进行转换

【ADC转化时间】

ADC挂载在 APB2 总线 PCLK2 上（最高72MHz），经过分频器得到 ADC 时钟（ ADCCLK ），最高 14 MHz。分频因子由RCC 时钟配置寄存器RCC_CFGR 的位15:14 ADCPRE[1:0] 设置，可以是2/4/6/8 分频，注意这里没有1 分频

转换时间=采样时间+12.5个周期

当ADCLK = 14MHZ（最高），采样时间设置为1.5 周期（最快），那么总的转换时间（最短）Tconv = （1.5 周期+ 12.5 周期）s / 14MHz= 14 周期= 1us

一般我们设置PCLK2=72M，经过ADC 预分频器能分频到最大的时钟只能是12M（6分频），采样周期设置为1.5 个周期，算出最短的转换时间为1.17us，这个才是最常用的。

注意采样周期要大于转换时间

【ADC转化模式】

扫描模式

关闭扫描模式：只转换ADC_SQRx或 ADC_JSQR 选中的第一个通道

打开扫描模式：扫描所有被ADC_SQRx或 ADC_JSQR 选中的所有通道

单次转换/ 连续转换

单次转换：只转换一次

连续转换：转换一次之后，立马进行下一次转换

【ADC校准】

STM32L0 ADC使用HAL库关于校准问题的说明 - 知乎

【电压转换】

模拟电压经过ADC 转换后，是一个12 位的数字值，如果通过串口以16 进制打印出来的话，可读性比较差，那么有时候我们就需要把数字电压转换成模拟电压，也可以跟实际的模拟电压（用万用表测）对比，看看转换是否准确。

我们一般在设计原理图的时候会把ADC 的输入电压范围设定在：0~3.3v，因为ADC 是12 位的，那么12 位满量程对应的就是3.3V，12 位满量程对应的数字值是：2^12。数值0 对应的就是0V。

如果转换后的数值为X ，X 对应的模拟电压为Y，那么会有这么一个等式成立： 2^12 / 3.3 = X/ Y，=> Y = (3.3 * X ) / 2^12。

【demo · ADC_MQ2】

demo概述：读取MQ-2传感器数据

在 CubeMX_USART_NVIC 基础上进行修改

int main(void)
{
    uint32_t smoke_value = 0;

    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    MX_GPIO_Init();
    MX_USART1_UART_Init();
    MX_ADC1_Init();

	HAL_UART_Receive_IT(&huart1, &buf, 1);
	printf("hello zzq\r\n");
	HAL_Delay(1000);
    while (1)
    {
        /* ADC关键代码 */
        HAL_ADCEx_Calibration_Start(&hadc1);        //校准ADC，不校准会导致ADC测量不准确
		HAL_ADC_Start(&hadc1); 						// 启动ADC单次转换
		HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, 50); 		// 等待ADC转换完成，超时时间50ms
		smoke_value = HAL_ADC_GetValue(&hadc1); 	// 读取ADC转换数据
		printf("smoke_value = %f\r\n", 3.3/4096 * smoke_value);	// 把数据转换为电压
		//printf("smoke_value = %d \r\n", smoke_value);
		HAL_Delay(500);
        /* ADC关键代码 */

		if(UART1_RX_STA & 0x8000)
		{
			printf("收到数据：");								// 把“”中的内容打印到串口
			printf("%s",UART1_RX_Buffer);						// 将收到的数据发送到串口
			//HAL_UART_Transmit(&huart1, UART1_RX_Buffer, UART1_RX_STA & 0x3fff, 0xffff);		// 将收到的数据发送到串口
			while(huart1.gState != HAL_UART_STATE_READY);		// 等待发送完成
			printf("\r\n");
			UART1_RX_STA = 0;																// 重新开始下一次接收
			memset(UART1_RX_Buffer,0,sizeof(UART1_RX_Buffer));	// 清空缓冲区
		}

注意：校准函数：HAL_ADCEx_Calibration_Start(&hadc1);

在初始化之后，在start之前，可以写在 void MX_ADC1_Init(void) 的最后

【补充】

IN0~IN15： 16路12位ADC采样通道，外部模拟量信号输入

Temperature Sensor Channel： MCU内置温度传感器采样通道，用来测量器件周围的温度。在MCU内部与ADC1_IN16通道相连

Vrefint Channel： 内部参考电压检测通道，ADC 的参考电压都是通过 Vref+ 引脚提供的并作为ADC转换器的基准电压，当Vref+直接取自VDD电压时，易受VDD波动而影响，因此可以该通道对参考电压进行校准，以提升ADC计算精度。在MCU内部与ADC1_IN17通道相连

EXTI Conversion Trigger： 外部触发转换。
ADC转换可由外部事件触发，EXTSEL[2:0]和JEXTSEL[2:0]控制位允许应用程序选择8个可能的事件中的某一个，触发规则通道组合注入通道组的采样。这里若选择Disable，则可以在6个来自片上定时器的内部信号中选择一个作为触发源；
若选择Injected Trigger/Regular Trigger/Injected and Regular Trigger，表示由外部引脚信号触发相应的通道组。

ADCs_Common_Settings：（ADC模式设置）

Mode：Independent mode
独立模式。此模式中，双ADC同步不工作，ADC1和ADC2相互独立工作。
如果不需要ADC同步或者只是用了一个ADC的时候，应该设成独立模式，多个ADC同时使用时会有其他模式，如双重ADC同步模式，两个ADC同时采集一个或多个通道，可以提高采样率。对应ADC控制寄存器1（ADC_CR1）中的DUALMOD[3:0]位。

ADC_Settings：（ADC设置）

Data Alignment：（数据对齐方式）
数据左对齐/右对齐，一般选择使用右对齐。

Scan Conversion Mode：（扫描模式）
扫描模式使能。对应ADC控制寄存器1（ADC_CR1）中的SCAN位。
如果只是用了一个通道的话，设置为DISABLE；
如果使用了多个通道的话，可以选择设置ENABLE或者DISABLE；（后面结合具体场景介绍）

Continuous Conversion Mode：（连续转换模式）
数据的连续转换，对应ADC控制寄存器2（ADC_CR2)中的CONT位。
设置为ENABLE，即使能连续转换；设置为DISABLE，则是单次转换。
两者的区别在于连续转换直到所有的数据转换完成后才停止转换，而单次转换则只转换一次数据就停止，要再次触发转换才可以进行转换

Discontinuous Conversion Mode：（间断模式）
间断模式，对应ADC控制寄存器1（ADC_CR1）中的DISCEN位。
如果单通道不需要采用间断，多通道具体分析，后面示例中具体介绍

ADC_Regular_ConversionMode：规则通道组采样设置

Enable Regular Conversions：（常规转换模式）
使能规则通道组转换。

Number of Conversion：（转换通道数量）
规则通道组序列长度为3，即包含3个采样通道。

External Trigger Conversion Source：（外部触发转换源）
选择外部触发源，
Regular Conversion launched by software 规则的软件触发调用函数触发
Timer X Capture Compare X event 外部引脚触发,
Timer X Trigger Out event 定时器通道输出触发

Rank：ADC转换通道顺序
当使用多通道采集的时候，可以在这里设置每个通道采集的先后顺序

ADC_Injected_ConversionMode：注入通道设置
参数和上面的规则通道一样；
需要注意的是，注入通道的功能和规则通道的一样，但是注入通道的优先级要比规则通道的高；

WatchDog：模拟看门狗中断

Continuous Conversion Mode 设置为 Disable 时，除非HAL_ADC_Start(&hadc1); 写在while内，否则只采样一次，若写在while内则会循环采样，具体看下面的文章：

HAL ADC连续转换模式 Continuous Conversion Mode-优快云博客

STM32 HAL库 STM32CubeMX -- ADC_stm32cube 定时器触发adc_Dir_xr的博客-优快云博客

STM32L0 ADC使用HAL库关于校准问题的说明

【STM32】HAL库ADC测量精度提高方案（利用内部参考电压VREFINT计算VDDA来提高精度）-优快云博客