【STM32】单片机ADC原理详解及应用编程

本篇文章主要详细讲述单片机的ADC原理和编程应用，希望我的分享对你有所帮助！

一、STM32ADC概述

1、ADC（Analog-to-Digital Converter，模数转换器）

2、STM32工作原理

二、STM32ADC编程实战

（一）、ADC开发的寄存器库函数

（二）、ADC开发的HAL库

（三）、实战工程

1、ADC单通道采集

2、ADC多通道采集

三、结语

一、STM32ADC概述

1、ADC（Analog-to-Digital Converter，模数转换器）

STM32的ADC（Analog-to-Digital Converter，模拟数字转换器）是STM32微控制器系列中集成的一种功能强大的模块，用于将模拟信号转换为数字信号。STM32微控制器广泛应用于嵌入式系统，ADC模块在许多应用场景中都至关重要，例如传感器读取、信号处理和控制系统。

模拟量（Analog Quantity）是指在一个连续范围内可以取任意值的物理量。这种物理量的值可以是任意的实数，通常用来表示那些变化是渐进的、连续的特征，而不是离散的。

模拟量：可以在一个连续的范围内变化，例如温度可以是25.1°C、25.2°C等，具有无限个可能值。
数字量：只能取有限的离散值，例如开关的开（1）和关（0）状态，或者数字传感器读取的值。

在许多应用中，模拟量需要转换为数字量以便进行处理，这通常通过模数转换器（ADC）实现。转换后，计算机或微控制器能够以数字形式读取和处理这些信号。

ADC转换模式：

单次转换模式（Single Conversion Mode）：ADC在每次触发时只进行一次转换。适用于低速、低功耗的应用。

连续转换模式（Continuous Conversion Mode）：ADC持续进行转换，适用于需要实时监测的应用，如信号处理和实时数据采集。

扫描模式（Scan Mode）：ADC可以在多个通道间进行扫描，每个通道依次进行转换，适合多通道数据采集。

触发模式（Triggered Mode）：转换过程由外部信号触发，可以是定时器、GPIO引脚等，适合需要同步数据采集的场景。

差分模式（Differential Mode）：ADC测量两个输入信号的差值，提供更高的噪声抗性，适用于高精度测量。

伪差分模式（Pseudo-Differential Mode）：其中一个输入端连接到地，另一端测量信号，适合简单的差分测量。

在ADC（模数转换器）的应用中，通道组可以分为规则通道组（Regular Channel Group）和注入通道组（Injected Channel Group）。这两种通道组的主要区别在于它们的工作方式、优先级以及使用场景。

规则通道组（Regular Channel Group）

定义：规则通道组是ADC的主要通道组，用于常规的信号采集。它通常用于周期性采集的传感器信号。

特点：

持续转换：在连续转换模式下，规则通道组可以在多个通道间进行循环采样。
优先级低：相较于注入通道组，规则通道组的优先级较低，通常用于常规数据的采集。
数据存储：转换结果通常存储在一个数据寄存器中，等待主程序读取。
触发方式：可以通过定时器、外部事件等方式触发采样。

适用场景：适用于需要实时采集且对响应时间要求不高的应用，如环境监测、温度传感器等。

注入通道组（Injected Channel Group）

定义：注入通道组用于优先级更高的信号采集，通常用于突发事件或特定条件下的快速采样。

特点：

高优先级：注入通道组具有较高的优先级，能够在任何时候中断规则通道组的采样进行数据采集。
快速响应：适合快速响应的应用，如检测瞬时信号变化、故障检测等。
独立触发：可以独立于规则通道组进行触发，支持多种触发源（如外部引脚、内部事件等）。
多个通道：通常可以配置多个注入通道，进行快速的信号采样。

适用场景：适用于需要在特定条件下迅速采集信号的应用，如运动控制、脉冲信号采集等。

2、STM32工作原理

STM32包含1~3个12位逐次逼近型的模拟数字转换器。每个ADC最多有18个通道，可测量16个外部信号源和2个内部信号源。各通道的A/D转换可以单次、连续、扫描或间断模式执行，有规则通道组和注入通道组，每次转换结束可产生中断。转换的结果可以左对齐或右对齐方式存储在16位数据寄存器中。

1）STM32F103C8T6有2个ADC，ADC1和ADC2。记为ADCx。

2）每个ADC有18个通道。16个外部信号源测量通道ADCx_IN0~ADCx_IN15，2个内部信号源测量通道。信号源引脚对应如下：

ADC的工作过程一般包括以下几个步骤：

采样：在某个时间点上对模拟信号进行测量，获取其电压值。
量化：将模拟信号的电压值与ADC的参考电压进行比较，将其转换为相应的数字值。
编码：将量化后的结果编码为二进制形式，输出给后续的数字电路或处理器。

ADC工作原理思维导图概况如下：

STM32F103ADC时钟和采样时间

1、时钟源

STM32F103 的 ADC 通常由 APB2 总线时钟提供时钟。ADC 的最大工作频率为 14 MHz。
你需要配置 APB2 时钟（通常通过时钟配置寄存器进行配置）以确保 ADC 的工作频率在合适范围内。

2、ADC 时钟设置

ADC 时钟的配置可以通过配置系统时钟（HSE、HSI 或 PLL）来实现。通常在系统初始化时设置。
在 ADC 模块中，可以通过寄存器设置 ADC 的预分频系数，以确保 ADC 时钟不超过最大工作频率。

3、采样时间配置

STM32F103 的 ADC 允许用户根据输入信号的特性选择不同的采样时间。可选的采样时间设置包括：

1.5 个 ADC 时钟周期
7.5 个 ADC 时钟周期
13.5 个 ADC 时钟周期
28.5 个 ADC 时钟周期
41.5 个 ADC 时钟周期
55.5 个 ADC 时钟周期
71.5 个 ADC 时钟周期
239.5 个 ADC 时钟周期

通过设置 ADC 寄存器中的采样时间字段，可以选择合适的采样时间。例如，对于快速变化的信号，可能选择较短的采样时间；而对于慢变化的信号，较长的采样时间可以提高测量的准确性。

4、采样时间与转换时间的关系

采样时间加上转换时间组成了每次 ADC 转换的总时间。转换时间对于 STM32F103 的 ADC 是固定的，大约为 1.5 个 ADC 时钟周期。

因此，总的转换时间公式可以表示为：

总时间=采样时间+1.5xADC时钟周期

二、STM32ADC编程实战

在编程实战之前，让我们先来了解一下ADC开发相关的库函数。

（一）、ADC开发的寄存器库函数

1. ADC初始化函数

void ADC_Init(ADC_TypeDef *ADCx, ADC_InitTypeDef *ADC_InitStruct)

功能：初始化指定的ADC外设。

参数：

ADC_TypeDef *ADCx：指向ADC外设的指针（如ADC1、ADC2）。

ADC_InitTypeDef *ADC_InitStruct：指向ADC初始化结构的指针，包含ADC配置参数。

用途：设置ADC的基本参数，如分辨率、对齐方式、时钟分频等。

2. 配置ADC通道

void ADC_RegularChannelConfig(ADC_TypeDef *ADCx, uint32_t Channel, uint32_t Rank, uint32_t SamplingTime)

功能：配置ADC的常规通道。

参数：

ADC_TypeDef *ADCx：指向ADC外设的指针。

uint32_t Channel：选择要配置的ADC通道。

uint32_t Rank：在转换序列中的排名。

uint32_t SamplingTime：采样时间配置。

用途：配置ADC通道以供后续的采样和转换。

3. 启动和停止ADC转换

void ADC_Cmd(ADC_TypeDef *ADCx, FunctionalState NewState)

功能：启用或禁用指定的ADC外设。

参数：

ADC_TypeDef *ADCx：指向ADC外设的指针。

FunctionalState NewState：功能状态，选择ENABLE或DISABLE。

用途：控制ADC的开启和关闭。

void ADC_StartConversion(ADC_TypeDef *ADCx)

功能：开始ADC的转换。

参数：

ADC_TypeDef *ADCx：指向ADC外设的指针。

用途：启动ADC转换过程。

4. 读取ADC转换结果

uint16_t ADC_GetConversionValue(ADC_TypeDef *ADCx)

功能：获取ADC的转换结果。

参数：

ADC_TypeDef *ADCx：指向ADC外设的指针。

返回值：返回ADC转换后的数值。

用途：读取转换完成后的结果。

5. 配置DMA支持

void ADC_DMACmd(ADC_TypeDef *ADCx, FunctionalState NewState)

功能：启用或禁用ADC的DMA功能。

参数：

ADC_TypeDef *ADCx：指向ADC外设的指针。

FunctionalState NewState：功能状态，选择ENABLE或DISABLE。

用途：在使用DMA传输ADC数据时配置DMA。

6. 中断支持

void ADC_ITConfig(ADC_TypeDef *ADCx, uint32_t ADC_IT, FunctionalState NewState)

功能：启用或禁用ADC中断。

参数：

ADC_TypeDef *ADCx：指向ADC外设的指针。

uint32_t ADC_IT：选择中断源。

FunctionalState NewState：功能状态，选择ENABLE或DISABLE。

用途：控制ADC的中断行为。

7. 中断回调函数

在使用中断时，需要定义回调函数以处理ADC转换完成的事件。
void ADC1_2_IRQHandler(void) {
    if (ADC_GetITStatus(ADC1, ADC_IT_EOC) != RESET) {
        // 处理ADC转换完成
        uint16_t adcValue = ADC_GetConversionValue(ADC1);
        // 清除中断标志
        ADC_ClearITPendingBit(ADC1, ADC_IT_EOC);
    }
}

（二）、ADC开发的HAL库

1. ADC初始化函数

HAL_ADC_Init()

功能：初始化ADC外设。

参数：

ADC_HandleTypeDef *hadc：指向ADC句柄的指针，结构体中包含ADC的配置参数。

返回值：HAL库返回状态，通常为HAL_OK（成功）或错误代码。

用途：设置ADC的基本参数，如分辨率、对齐方式、扫描模式等。

2. ADC通道配置函数

HAL_ADC_ConfigChannel()

功能：配置指定的ADC通道。

参数：

ADC_HandleTypeDef *hadc：指向ADC句柄的指针。

ADC_ChannelConfTypeDef *sConfig：指向通道配置结构的指针，包含通道选择、采样时间等。

返回值：HAL库返回状态，通常为HAL_OK（成功）或错误代码。

用途：设置通道的采样时间和输入模式等参数。

3. 启动和停止ADC转换

HAL_ADC_Start()

功能：启动ADC转换。

参数：

ADC_HandleTypeDef *hadc：指向ADC句柄的指针。

返回值：HAL库返回状态。

用途：使ADC开始进行转换。

HAL_ADC_Stop()

功能：停止ADC转换。

参数：

ADC_HandleTypeDef *hadc：指向ADC句柄的指针。

返回值：HAL库返回状态。

用途：结束ADC转换过程，释放资源。

4. 读取ADC转换结果

HAL_ADC_PollForConversion()

功能：等待ADC转换完成（轮询方式）。

参数：

ADC_HandleTypeDef *hadc：指向ADC句柄的指针。

uint32_t Timeout：等待超时的时间（单位：毫秒）。

返回值：HAL库返回状态，通常为HAL_OK（成功）或超时错误代码。

用途：在转换过程中进行轮询，直到转换完成。

HAL_ADC_GetValue()

功能：获取ADC转换结果。

参数：

ADC_HandleTypeDef *hadc：指向ADC句柄的指针。

返回值：ADC的转换结果。

用途：在转换完成后读取结果值。

5. DMA支持

HAL_ADC_Start_DMA()

功能：启动ADC转换并通过DMA传输数据。

参数：

ADC_HandleTypeDef *hadc：指向ADC句柄的指针。

uint32_t *pData：指向存储结果的缓冲区指针。

uint32_t Length：缓冲区的长度。

返回值：HAL库返回状态。

用途：使用DMA提高数据传输效率。

6. 中断支持

HAL_ADC_Start_IT()

功能：启动ADC转换并使能中断。

参数：

ADC_HandleTypeDef *hadc：指向ADC句柄的指针。

返回值：HAL库返回状态。

用途：在需要中断处理的应用中使用。

7. 中断回调函数

HAL_ADC_ConvCpltCallback()

功能：ADC转换完成时的回调函数。

参数：

ADC_HandleTypeDef *hadc：指向ADC句柄的指针。

用途：在此函数中处理转换结果。

（三）、实战工程

1、ADC单通道采集

#include "stm32f10x.h"                  // 引入 STM32F10x 设备头文件，包含特定于设备的定义和功能

// 初始化 ADC (模数转换器)
void AD_Init(void)
{
    // 使能 ADC1 的时钟
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1, ENABLE);
    // 使能 GPIOA 的时钟，以便配置 GPIO 引脚
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
    
    // 配置 ADC 时钟为 PCLK2 的 1/6
    RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div6);
    
    // 定义一个 GPIO 初始化结构体
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    // 设置引脚模式为模拟输入
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN;
    // 设置要配置的引脚为 PA0
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
    // 设置 GPIO 引脚的速度为 50MHz
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    // 初始化 GPIOA
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
    
    // 配置 ADC 的常规通道，设置通道为 ADC_Channel_0，序列为 1，采样时间为 55.5 个周期
    ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_0, 1, ADC_SampleTime_55Cycles5);
    
    // 定义一个 ADC 初始化结构体
    ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure;
    // 设置 ADC 工作模式为独立模式
    ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;
    // 设置数据对齐方式为右对齐
    ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;
    // 设置外部触发转换为无
    ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None;
    // 设置连续转换模式为禁用
    ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE;
    // 设置扫描模式为禁用
    ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE;
    // 设置转换通道数量为 1
    ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1;
    // 初始化 ADC1
    ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure);
    
    // 使能 ADC1
    ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);
    
    // 复位 ADC 校准寄存器
    ADC_ResetCalibration(ADC1);
    // 等待复位完成
    while (ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1) == SET);
    // 开始 ADC 校准
    ADC_StartCalibration(ADC1);
    // 等待校准完成
    while (ADC_GetCalibrationStatus(ADC1) == SET);
}

// 获取 ADC 转换值的函数
uint16_t AD_GetValue(void)
{
    // 启动软件触发的 ADC 转换
    ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE);
    // 等待转换完成标志位设置
    while (ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_EOC) == RESET);
    // 返回 ADC 转换结果
    return ADC_GetConversionValue(ADC1);
}

2、ADC多通道采集

#include "stm32f10x.h"                  // 引入 STM32F10x 设备头文件，包含特定于设备的定义和功能

// 初始化 ADC (模数转换器)
void AD_Init(void)
{
    // 使能 ADC1 的时钟，确保 ADC1 可以正常工作
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1, ENABLE);
    // 使能 GPIOA 的时钟，以便配置 GPIO 引脚用于 ADC
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
    
    // 配置 ADC 时钟为 PCLK2 的 1/6
    RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div6);
    
    // 定义一个 GPIO 初始化结构体，用于设置 GPIO 的模式和速度
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    // 设置 GPIO 模式为模拟输入 (AIN)
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN;
    // 设置要配置的引脚为 PA0, PA1, PA2 和 PA3
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0 | GPIO_Pin_1 | GPIO_Pin_2 | GPIO_Pin_3;
    // 设置 GPIO 引脚的速度为 50MHz
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    // 初始化 GPIOA，应用上面的配置
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
    
    // 定义一个 ADC 初始化结构体，用于配置 ADC 参数
    ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure;
    // 设置 ADC 工作模式为独立模式
    ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;
    // 设置数据对齐方式为右对齐
    ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;
    // 设置外部触发转换为无（软件触发）
    ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None;
    // 设置连续转换模式为禁用
    ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE;
    // 设置扫描模式为禁用
    ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE;
    // 设置转换通道数量为 1
    ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1;
    // 初始化 ADC1，应用上面的配置
    ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure);
    
    // 使能 ADC1
    ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);
    
    // 复位 ADC 校准寄存器
    ADC_ResetCalibration(ADC1);
    // 等待复位完成
    while (ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1) == SET);
    // 开始 ADC 校准
    ADC_StartCalibration(ADC1);
    // 等待校准完成
    while (ADC_GetCalibrationStatus(ADC1) == SET);
}

// 获取指定 ADC 通道的转换值
uint16_t AD_GetValue(uint8_t ADC_Channel)
{
    // 配置 ADC 通道，设置通道、序列和采样时间
    ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel, 1, ADC_SampleTime_55Cycles5);
    // 启动软件触发的 ADC 转换
    ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE);
    // 等待转换完成标志位设置
    while (ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_EOC) == RESET);
    // 返回 ADC 转换结果
    return ADC_GetConversionValue(ADC1);
}