普冉（PUYA）单片机开发笔记(7): ADC-轮询式多路采样

概述

应用中经常会有使用单片机进行模数转换的需求。PY32F003 具有 1 个 12 位的模拟数字转换器（ADC），今天我们一起来使用一下这个 ADC。

数据手册中对 ADC 简介如下。

SAR ADC：逐次逼近式 ADC，原理参见“参考链接：什么是SAR ADC？ - 知乎”。12位采样值的最大值4095。数据手册上标明的最大可用通道数量是 8 个外部通道，但对照 PY32F003F18P 的管脚复用表，如果应用中还要使用 GPIO，LED，定时器和 UART 的话，可使用的外部 ADC 通道数最多不超过 6 个。对比于 PY32F003F18P 的 20 脚封装和低廉的芯片价格，这样的 MCU 可以在应用中采样 6 个外部模拟量通道也是相当可观的数量了。

PY32F003 可以在不使用外部晶振的情况下完成数模转换，但其采样精度还需要验证。今天先尝试着把 ADC 的功能跑通先。

实现代码

参考在 STM32F103 上实现 ADC 的思路，在 PY32F003 上完成一下看。大致的步骤如下：

为 ADC1 指定 GPIO 管脚，并设置其复用功能
对 ADC1 进行初始化
在主循环中进行采样和打印输出

在 main.h 中增加和 ADC 相关的函数声明

/** ----------------------------------------------------------------------------
* @name   : void ADC_Init(void)
* @brief  : ADC 初始化
* @param  : [in] None
* @retval : [out] void
* @remark :
*** ----------------------------------------------------------------------------
*/
void ADC_Init(void);

/** ----------------------------------------------------------------------------
* @name   : HAL_StatusTypeDef ADC_Sample(char * sampleResult)
* @brief  : 获取 ADC 的采样结果，结果存放在 sampleResult 字符串中
* @param  : [in] None
* @retval : [out] HAL_HandleTypeDef. 操作成功返回 HAL_OK, 错误返回错误码。
* @remark : sampleResult 是格式化的字符串，需要解析
*** ----------------------------------------------------------------------------
*/
HAL_StatusTypeDef ADC_Sample(char * sampleResult);

在 app_adc.c 文件中实现函数功能

在 Application/User 组增加 app_adc.c 文件，完整代码如下。

/**
 ******************************************************************************
 * @file    app_adc.c
 * @brief   Application level Analog-Digital Conveter codes.
 ******************************************************************************
 * @attention
 *
 * Copyright (c) 2023 CuteModem Intelligence.
 * All rights reserved.
 *
 * This software is licensed under terms that can be found in the LICENSE file
 * in the root directory of this software component.
 * If no LICENSE file comes with this software, it is provided AS-IS.
 *
 ******************************************************************************
 */
 
#include "main.h"

ADC_HandleTypeDef hadc;
uint32_t adc_value[3];

/********************************************************************************************************
* @name   : HAL_StatusTypeDef ADC_Sample(char * sampleResult)
* @brief  : 获取 ADC 的采样结果，结果存放在 sampleResult 字符串中
* @param  : [in] None
* @retval : [out] HAL_HandleTypeDef. 操作成功返回 HAL_OK, 错误返回错误码。
* @remark : sampleResult 是格式化的字符串，需要解析
********************************************************************************************************/
HAL_StatusTypeDef ADC_Sample(char * sampleResult)
{
    uint8_t i=0;
    
    if(HAL_ADCEx_Calibration_Start(&hadc) != HAL_OK) 
        return HAL_ERROR;
    
    HAL_ADC_Start(&hadc);                       //开始采样
    for (i = 0; i < 3; i++)
    {
      HAL_ADC_PollForConversion(&hadc, 10000);  //等待ADC转换
      adc_value[i] = HAL_ADC_GetValue(&hadc);   //获取AD值
    }
    
#if(1)
    // excel format
    sprintf(sampleResult, 
        "%d,%d,%d",
        (uint16_t)adc_value[0],
        (uint16_t)adc_value[1],
        (uint16_t)adc_value[2]);
#else
    // JSON format
    sprintf(sampleResult, 
        "[{\"C\":0,\"D\":%d}"
        ",{\"C\":1,\"D\":%d}"
        ",{\"C\":5,\"D\":%d}"
        "]",
        (uint16_t)adc_value[0],
        (uint16_t)adc_value[1],
        (uint16_t)adc_value[2]);
#endif    
    
    HAL_ADC_Stop(&hadc); // 停止采样
    
    return HAL_OK;
}

void ADC_Init(void)
{
    ADC_ChannelConfTypeDef sConfig = {0};
    
    __HAL_RCC_ADC_FORCE_RESET();
    __HAL_RCC_ADC_RELEASE_RESET();
    __HAL_RCC_ADC_CLK_ENABLE();

    hadc.Instance = ADC1;
    if (HAL_ADCEx_Calibration_Start(&hadc) != HAL_OK)                 //AD校准
        Error_Handler();

    /* Configure global features of the ADC1  */
    hadc.Init.ClockPrescaler        = ADC_CLOCK_SYNC_PCLK_DIV1;       //ADC_CLOCK_SYNC_PCLK_DIV2/4，分频系数
    hadc.Init.Resolution            = ADC_RESOLUTION_12B;             //设置采样位数
    hadc.Init.DataAlign             = ADC_DATAALIGN_RIGHT;            //右对齐
    hadc.Init.ScanConvMode          = ADC_SCAN_DIRECTION_FORWARD;     //扫描方向设置
    hadc.Init.EOCSelection          = ADC_EOC_SINGLE_CONV;            //ADC_EOC_SINGLE_CONV:单次采样 ; ADC_EOC_SEQ_CONV:序列采样
    hadc.Init.LowPowerAutoWait      = ENABLE;                         //ENABLE：读取ADC值后,开始下一次转换; DISABLE：直接转换
    hadc.Init.ContinuousConvMode    = DISABLE;                        //ENABLE：连续模式, DISABLE：单次模式
    hadc.Init.DiscontinuousConvMode = DISABLE;                        //非连续转换模式设置
    hadc.Init.ExternalTrigConv      = ADC_SOFTWARE_START;             //触发模式设置
    hadc.Init.ExternalTrigConvEdge  = ADC_EXTERNALTRIGCONVEDGE_NONE;  //外部触发沿设置
    hadc.Init.DMAContinuousRequests = DISABLE;                        //DMA连续模式设置
    hadc.Init.Overrun               = ADC_OVR_DATA_OVERWRITTEN;       //ADC_OVR_DATA_OVERWRITTEN：过载时覆盖,ADC_OVR_DATA_PRESERVED：保留旧值
    if (HAL_ADC_Init(&hadc) != HAL_OK) Error_Handler();               //初始化ADC

    /* Configure selected ADC channels  */
    sConfig.Channel      = ADC_CHANNEL_0;                             
    sConfig.Rank         = ADC_RANK_CHANNEL_NUMBER;                   
    sConfig.SamplingTime = ADC_SAMPLETIME_71CYCLES_5;                 
    if (HAL_ADC_ConfigChannel(&hadc, &sConfig) != HAL_OK)             
        Error_Handler();

    sConfig.Channel = ADC_CHANNEL_1;                                  
    sConfig.Rank = ADC_RANK_CHANNEL_NUMBER;                           
    sConfig.SamplingTime = ADC_SAMPLETIME_71CYCLES_5;                 
    if (HAL_ADC_ConfigChannel(&hadc, &sConfig) != HAL_OK)             
        Error_Handler();

    sConfig.Channel = ADC_CHANNEL_4;                                  
    sConfig.Rank = ADC_RANK_CHANNEL_NUMBER;                           
    sConfig.SamplingTime = ADC_SAMPLETIME_71CYCLES_5;                 
    if (HAL_ADC_ConfigChannel(&hadc, &sConfig) != HAL_OK)             
        Error_Handler();
}

在 app_adc.c 中定义了业务所需的变量，功能函数也在一个 .c 文件中全部实现。这样做是参考了面向对象的编程模式，遵循代码/变量和功能解耦的原则，ADC 所需的全局变量都在 app_adc.c 中定义，main.c 中就不用再引用 ADC 相关的变量，也不用关心实现的细节了。唯一的接口就是 ADC_Sample() 函数的 sampleResult，sampleResult 定义为一个字符串具有很好的通用性，并隐藏了实现的细节。这里例子中被注释掉的 JSON 串返回结果的代码，在实际应用中，在上一层的业务逻辑处理是很方便的。当然 MCU 编程，一般不会采用 JSON 这种富文本的格式，这里只作为一种示例。

ADC_Sample() 函数中每次采样之前都对 ADC 进行了校准，校准完成后开始采样，采样完毕后停止 ADC。

在 py32f0xx_hal_msp.c 文件中指定 GPIO 及其复用功能

/**
 * -----------------------------------------------------------------------
 * @name   : void HAL_ADC_MspInit(ADC_HandleTypeDef *hadc)
 * @brief  : 初始化 ADC 相关 MSP
 * @param  : [in] *hadc, ADC handler pointer
 * @retval : void
 * @remark :
 * -----------------------------------------------------------------------
*/
void HAL_ADC_MspInit(ADC_HandleTypeDef *hadc)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
    
    /*
      =============
      PA0/1/4初始化
      =============
    */
    if (hadc->Instance == ADC1)
    {
        __HAL_RCC_ADC_CLK_ENABLE();   /* Peripheral clock enable */
        __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE(); 
        
        /*
        ADC GPIO Configuration
        PA0     ------> ADC_IN0
        PA1     ------> ADC_IN1
        PA4     ------> ADC_IN5
        */
        GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0 | GPIO_PIN_1 | GPIO_PIN_4; // 指定 PA0/1/4
        GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_ANALOG;                    // 设置为模拟端口
        GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLDOWN;                       // 下拉：无输入时采样值接近零
        HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);                     // 执行初始化
    }
}

按照厂家例程的文件组织，所有的 HAL_xxx_MspInit() 集中在 py32_f0xx_hal_msp.c 文件中，由于在 ADC_Init() 函数中调用了 HAL_ADC_Init() 函数，要调用 HAL_ADC_MspInit()，这个函数在 HAL 库中的原型是 weak 类型的，并且是一个空函数，因此需要在实用中重写。

当然，把 HAL_ADC_MspInit() 函数在 app_adc.c 文件中实现也是可以的。

修改 DEBUG 口的管脚映射

PY32F003 ADC1 的通道 0/1/5 复用了 PA0/1/4，之前的实验中，PA1/0 被用作了 DEBUG 口 UART2，和 ADC1 的通道是冲突的，所以需要把 DEBUG 口对应的管脚挪走。查了数据手册，AF4 组的 PA2/3 可以用作 UART2，修改 UART_Config() 如下。

除了修改管脚映射以外，中断优先级等的不做修改。

HAL_StatusTypeDef USART_Config(void)
{
    // Using PA2/PA3 (TX/RX)
    HAL_StatusTypeDef conf_res = HAL_OK;
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
    gUartInited = 0;    
    
    //====================
    // USART2初始化
    //====================
    __HAL_RCC_USART2_CLK_ENABLE();
    __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
    
    UartHandle.Instance = USART2;
    UartHandle.Init.BaudRate = 115200;
    UartHandle.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;
    UartHandle.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;
    UartHandle.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;
    UartHandle.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE;
    UartHandle.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX;

    conf_res = HAL_UART_Init(&UartHandle);
    if(conf_res != HAL_OK) return conf_res;
    
    /**USART2 GPIO Configuration
     PA2     ------> USART2_TX
     PA3     ------> USART2_RX
     */
    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_2 | GPIO_PIN_3;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_VERY_HIGH;
    GPIO_InitStruct.Alternate = GPIO_AF4_USART2;
    HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
    
    HAL_NVIC_SetPriority(USART2_IRQn, 0, 3);    // 使能NVIC
    HAL_NVIC_EnableIRQ(USART2_IRQn);            // 使能USART2中断
    
    gUartInited = 1;
    return conf_res;
}

在 main.c 的主循环中采样

int main(void)
{
    HAL_Init();             // systick初始化
    SystemClock_Config();   // 配置系统时钟
    GPIO_Config();
    
    if(USART_Config() != HAL_OK) Error_Handler();         
    printf("[SYS_INIT] Debug port initilaized.\r\n");
    
    ADC_Init();
    printf("[SYS_INIT] ADC initilaized.\r\n");
    
    printf("\r\n+---------------------------------------+"
           "\r\n|        PY32F003 MCU is ready.         |"
           "\r\n+---------------------------------------+"
           "\r\n         10 digits sent to you!          "
           "\r\n+---------------------------------------+"
           "\r\n");
           
    if (DBG_UART_Start() != HAL_OK) Error_Handler();

    char sres[64]={0};
    uint8_t sIndex = 0;
    while (1)
    { 
        BSP_LED_Toggle(LED3);
        
        if(sIndex % 2 == 0)
        {
            if(ADC_Sample(sres) == HAL_OK)
            {
                printf("%s\r\n", sres);
            }
            else
            {
                printf("Sample error.\r\n");
            }
        }
        
        sIndex ++;
    }
    
    HAL_Delay(500);
}

代码中，主循环每 0.5s 翻转一次 LED，每 1s 采样一次。