介绍

ADC是什么

• Analog to Digital Converter 模拟数字转换器
• 简单理解：读取引脚上的电压值
• 输入范围：0~3.3V(VDDA)
• 转换结果：12bit，0~4095

https://www.bilibili.com/video/BV1th411z7sn?p=21

转换模式

• 规则模式：有一个顺序表，可以提前设置好一轮转换中按顺序依次读取哪些channel。后面都是使用此模式。
• 注入模式：可以插队优先转换，在RM比赛中用不着，所以本文不做介绍

HAL库

我们在RM中的的需求很简单，只需要用到最简单的“开始->转换第一项->停止”的模式就行

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// 构造adc选项参数结构体，设置adc规则模式转换列表的第一项Rank 1
ADC_ChannelConfTypeDef sConfig = {0};
sConfig.Channel = channel;
sConfig.Rank = ADC_REGULAR_RANK_1; // 扫描模式关闭时，列表中只有第一个通道起作用
sConfig.SamplingTime = ADC_SAMPLETIME_1CYCLE_5; // 采样时间，这里选最短的时间即可
if (HAL_ADC_ConfigChannel(hadc, &sConfig) != HAL_OK) {
    Error_Handler();
}

// 进行单次转换
HAL_ADC_Start(hadc); // 开始转换
HAL_ADC_PollForConversion(hadc, 100); // 等待完成
uint32_t adc_value = HAL_ADC_GetValue(hadc); // 读取ADC值
HAL_ADC_Stop(hadc); // 停止转换

实践

目标

读取引脚上的电压值

CubeMX配置

可以把第一个空项目的.ioc文件复制出来改个名字再配置，不用每次都调那几个基本参数

我们使用最简单的模式：非扫描模式+非连续转换模式；转换列表中只放一个通道，这样转换完可以直接读取值；一轮转换用代码手动启动。

• 最左侧外设列表 Analog -> ADC1 -> 中间上方Mode -> 勾选需要的通道，我这里用ADC1的IN0通道即PA0引脚
• 其他保持默认即可

代码

定义一个函数，用来进行单次的转换。在main函数前添加

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/* Private user code ---------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN 0 */
uint32_t readadc(ADC_HandleTypeDef *hadc, uint32_t channel)
{
    // 构造adc选项参数结构体
    ADC_ChannelConfTypeDef sConfig = {0};
    sConfig.Channel = channel;
    sConfig.Rank = ADC_REGULAR_RANK_1; // 关闭扫描模式，列表中只有第一个通道起作用
    sConfig.SamplingTime = ADC_SAMPLETIME_1CYCLE_5; // 采样时间，这里选最短的时间即可

    // 设置adc规则列表的第一项rank 1
    if (HAL_ADC_ConfigChannel(hadc, &sConfig) != HAL_OK)
    {
        Error_Handler();
    }

    // 进行单次转换
    HAL_ADC_Start(hadc);
    HAL_ADC_PollForConversion(hadc, 100);
    uint32_t adc_value = HAL_ADC_GetValue(hadc);
    HAL_ADC_Stop(hadc);

    return adc_value;
}

/* USER CODE END 0 */

然后你就可以在main函数的while中读取adc的值了

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    /* Infinite loop */
    /* USER CODE BEGIN WHILE */
    while (1)
    {
        uint32_t adc_value = readadc(&hadc1, ADC_CHANNEL_0);
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_13, adc_value > 2048 ? GPIO_PIN_SET : GPIO_PIN_RESET);
        HAL_Delay(100);
        /* USER CODE END WHILE */

        /* USER CODE BEGIN 3 */
    }
    /* USER CODE END 3 */

比如，这里可以判断如果值>2048即引脚上的电压>1.6v就熄灭LED灯。由于还没有学习UART串口，没法直接把读取的值输出给电脑。现在只能用这个值驱动其他外设，以证明成功读取了ADC值。

数据处理

计算电压

ADC的电压范围为V~REF-~ ~ V~REF+~，一般原理图将 V~REF-~ 接地，V~REF+~ 接 3v3，得到 0~3v3 的测量范围

电压值 = (ADC值 / 2^12^) * 3.3

参考电压校准

Todo…

内部温度传感器

需要满足采样时间T~S_temp~大于某个特定值

以下是STM32F4xx reference manual(RM0090)中给出的公式，其它系列芯片的公式会有所不同

$\text{Temp} = (V_{sense} - V_{25}) / \text{Avg_Slope} + 25℃$

• V~25~: 传感器在25℃时的电压，单位为V
• V~sense~: ADC读取的电压，单位为V
• Avg_Slope: 温度-电压直线的斜率，单位为mV/℃

以上数据可以在芯片datasheet的Temperature sensor characteristics一节中找到

以下是STM32F40x datasheet中的参数，其它系列芯片的数值会有所不同

更高级的用法

ADC外设

• 模拟输入：GPIO引脚 + 温度传感器 + 标准电压
• 转换启动信号：软件触发或硬件触发（主要是定时器）
• 转换时钟信号：驱动转换时的逐次比较过程
• 转换结果：规则模式下只有一个寄存器，后面的结果覆盖前面的
• 中断：一轮转换中所有通道完成后才会产生中断
• DMA事件：每一个通道转换完成后产生dma事件

一轮转换的过程中不会产生中断，所有通道转换结束后才会有中断

每转换完一个通道就会产生一个DMA请求事件

所以如果转换列表中的通道数量>1，必须搭配DMA使用。所有通道转换结束后才有中断，在中断读寄存器只能读到最后一次转换的结果，因为转换结果被覆盖了。

转换选项

• 扫描模式(Scan Conversion Mode)
  • 关闭扫描模式：只有转换列表的第一项有效，一轮转换中转换完配置的第一个通道就重置
  • 开启扫描模式：转换完前面一个通道马上开始转换第下一个
• 不连续转换模式(Discontinuous Conversion Mode)
  • 控制一轮转换中，是否转换完一个通道就暂停等待启动。一般不用。这里不多做介绍。
• 连续转换模式(Continuous Conversion Mode)
  • 控制一轮转换完成后，是否自动开启下一轮的转换
• DMA重启请求(DMA Continuous Requests)
  • 控制一轮转换完成后，是否让DMA重置并开启一轮新的数据传输
  • 如果需要使用DMA搬运数据，并且在转换完一轮后，硬件自动开始新的一轮转换（比如启用了连续转换模式，或者使用定时器触发转换），需要开启这个选项

转换和读取

• 从引脚上读取电压分为两个过程：ADC外设把电压值转换放到寄存器中 + CPU读取寄存器结果

• 有一个转换列表，一轮转换中按顺序读取顺序表中标明的channel

• 可以选择开启连续转换模式，即转换完一轮后，是否立即自动开始下一轮的转换

• 如果启用了dma，转换完成每个channel后，触发一次dma请求

• 如果启用了中断，转换完顺序表后，触发转换完成中断

• 规则模式只有一个寄存器，每次转换完单个channel就会把数据以覆盖的方式写入这个寄存器

• 所以只要顺序表中有多个channel，就需要搭配dma来使用

一轮转换的过程

• 一轮转换被启动

  • 开始转换通道1：

    • 转换第一个通道的值，放到当前ADC的寄存器中

    • 触发DMA事件（如果已配置）

    • 如果关闭扫描模式，则停止此轮转换并重置回通道1

  • 开始转换通道2：

    • 转换第二个通道的值，以覆盖的形式放到当前ADC的寄存器中
    • 触发DMA事件（如果已配置）

  • …

  • 开始转换通道n：

    • 读取第n个通道的值，以覆盖的形式放到当前ADC的寄存器中
    • 触发DMA事件（如果已配置）
    • 触发中断（如果已配置）
    • 停止此轮转换并重置回通道1

HAL库

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// Polling
HAL_ADC_Start();
HAL_ADC_PollForConversion();
HAL_ADC_GetValue();
HAL_ADC_Stop();

// Interrupt
HAL_ADC_Start_IT();
HAL_ADC_ConvCpltCallback();
HAL_ADC_Stop_IT();

// DMA
HAL_ADC_Start_DMA();
HAL_ADC_ConvCpltCallback();
HAL_ADC_Stop_DMA();

实践：TIM+ADC+DMA

目标

使用Timer的TRGO信号定时地触发ADC扫描模式转换一系列数据，然后使用DMA搬运数据至内存

CubeMX配置

配置ADC的模式、通道、触发来源

• 最左侧外设列表 Analog -> ADCx (这里我选择ADC1)
  • 中间上方Mode部分 -> 勾选需要的通道
  • 中间下方Configurations部分
    • Parameter Settings页面
      • ADC_Settings
        • 启用Continuous Conversion Mode，因为我们需要通过软件启动一次后不停的自动在后台转换
        • 启用DMA Continuous Requests，因为希望每一轮读取都需要通过DMA搬运数据
      • ADC_Regular_ConversionMode
        • Number Of Conversion 根据需要选择，我选择为4
        • External Trigger Conversion Source ⚠选择Timer x Trigger Out event，使用Timer x 的TRGO信号触发。我使用TIM2
        • 根据需要配置每个Rank的数据

配置TIM频率和TRGO信号

• 最左侧外设列表 Timers -> TIMx (这里我选择TIM2，因为在F407ZG上，TIM2的TRGO信号可以提供给ADC1)
  • 中间上方Mode部分 -> Clock Source条目 选择 Internal Clock
  • 中间下方Configurations部分 -> Parameter Settings页面
    • Counter Settings
      • 在时钟树查看提供给Timer的时钟频率，计算并填入以下参数
      • Prescaler
      • Counter Period
      • Internal Clock Division
    • Trigger Output (TRGO) Parameters
      • Master/Slave Mode 保持默认
      • Trigger Event Selection 选择 Update Event， 此时发生溢出时就会产生TRGO信号

代码

只要启动一次，就可以一直连续从dmabuf中获取数据了

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uint16_t dmabuf[4];
HAL_ADC_Start_DMA(&hadc1, (uint32_t *)dmabuf, 4);
HAL_TIM_Base_Start(&htim2);

踩过的坑

在正点原子F407板子上，Vref引脚通过外部跳线帽连接到3v3。我的板子上缺少了这个跳线帽，所有adc读取的值一直为4095。

当ADC开启连续转换时，DMA只会在第一轮转换中传输数值。如果希望一次开启DMA连续搬运数据，需要开启DMA Continuous Requests选项。否则会因为转换的数值没有被搬运出来造成HAL_ADC_ERROR_OVR

ACD的通道之间会有干扰，其本质是因为ADC内部电容上有残余的电荷。解决方法为增加采样时间（配置足够的时间进行充电/放电），或者减小输入阻抗（更快的充电/放电）。参考网页

在测试ADC+DMA+TIM时，发现用dma buffer的温度通道的数值计算温度有问题，算出来的温度值跳动很大。原因是在计算的过程中DMA改变了内存中的值，导致计算出错。具体没有仔细研究。只要保证使用时不被修改即可解决问题。我在每次使用前将buffer拷贝出来一份。

没有进入中断：检查NVIC是否开启、检查是否调用了_START_IT结尾的函数、检查回调函数是否正确拼写