STM32速成笔记(七)—ADC

简介: 本文介绍了ADC的概念,用途,针对STM32的ADC做出了详细介绍,给出了配置步骤,配置程序。通过一个简单的小项目展示了ADC的配置和使用方法。此外,还针对如何利用定时器触发AD转换,如何采集交流信号,如何计算交流信号有效值进行了介绍,并给出了程序设计。


🎀 文章作者:二土电子
🐸 期待大家一起学习交流!


@TOC

一、什么是ADC

ADC(Analogto-Digital Converter)模拟数字转换器,是将模拟信号转换成数字信号的一种外设。比如某一个电阻两端的是一个模拟信号,单片机无法直接采集,此时需要ADC先将短租两端的电压这个模拟信号转化成数字信号,单片机才能够进行处理。

二、ADC的用途

ADC具有将模拟信号转换成数字信号的能力,比如将模拟的电压转换成数字信号,单片机进行处理。可以用作温度监测或者电流监测等方面,用途极广。

三、STM32F103ZET6的ADC

根据中文参考手册介绍,STM32F103ZET6单片机有3个12位ADC,共有18个通道,可测量16个外部和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。ADC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。ADC的输入时钟不得超过14MHz,它是由PCLK2经分频产生。

3.1 ADC通道对应引脚

STM32F103ZET6的ADC各通道对应IO如下

通道|ADC1|ADC2|ADC3|
|--|--|--|--|
|通道0|PA0|PA0|PA0|
|通道1|PA1|PA1|PA1|
|通道2|PA2|PA2|PA2|
|通道3|PA3|PA3|PA3|
|通道4|PA4|PA4|PA4|
|通道5|PA5|PA5|PA5|
|通道6|PA6|PA6|PA6|
|通道7|PA7|PA7|PA7|
|通道8|PB0|PB0|PB0|
|通道9|PB1|PB1|PB1|
|通道10|PC0|PC0|PC0|
|通道11|PC1|PC1|PC1|
|通道12|PC2|PC2|PC2|
|通道13|PC3|PC3|PC3|
|通道14|PC4|PC4|PC4|
|通道15|PC5|PC5|PC5|
|通道10|内部温度传感器|
|通道10|内部参考电压VREF|

3.2ADC时钟

ADC输入时钟ADC_CLK由APB2分频产生,最大值是14MHz。库函数提供了设置分频因子的函数

void RCC_ADCCLKConfig(uint32_t RCC_PCLK2)

可选的分频因子有

#define RCC_PCLK2_Div2                   ((uint32_t)0x00000000)
#define RCC_PCLK2_Div4                   ((uint32_t)0x00004000)
#define RCC_PCLK2_Div6                   ((uint32_t)0x00008000)
#define RCC_PCLK2_Div8                   ((uint32_t)0x0000C000)

APB2总线时钟为72MHz,而ADC的最大工作频率为14MHz,所以,分频因子一般设置为6,这样ADC的输入时钟频率为12MHz。

3.3 ADC工作模式

根据中文参考手册介绍,STM32F1的ADC有三种工作模式

  • 单次转换模式
    单次转换模式下,ADC只执行一次转换。该模式既可通过设置ADC_CR2寄存器的ADON位(只适用于规则通道)启动也可通过外部触发启动(适用于规则通道或注入通道),这时CONT位为0。
  • 连续转换模式
    在连续转换模式中,当前面ADC转换一结束马上就启动另一次转换。此模式可通过外部触发启动或通过设置ADC_CR2寄存器上的ADON位启动,此时CONT位是1。
  • 扫描模式

    3.4 ADC转换时间

    ADC的总转换时间与时钟频率有关,总转换时间 = 采样时间 + 12.5个周期。其中,采样时间最短为1.5个周期,也就是最短转换时间为14个时钟周期。使用软件触发时,可选择的采样时间如下
#define ADC_SampleTime_1Cycles5                    ((uint8_t)0x00)
#define ADC_SampleTime_7Cycles5                    ((uint8_t)0x01)
#define ADC_SampleTime_13Cycles5                   ((uint8_t)0x02)
#define ADC_SampleTime_28Cycles5                   ((uint8_t)0x03)
#define ADC_SampleTime_41Cycles5                   ((uint8_t)0x04)
#define ADC_SampleTime_55Cycles5                   ((uint8_t)0x05)
#define ADC_SampleTime_71Cycles5                   ((uint8_t)0x06)
#define ADC_SampleTime_239Cycles5                  ((uint8_t)0x07)

3.5 ADC校准

使能ADC后,需要对ADC进行校准。使用库函数开发时,提供了ADC校准的函数

    ADC_ResetCalibration(ADC1);//重置指定的ADC的校准寄存器
    while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1));//获取ADC重置校准寄存器的状态

    ADC_StartCalibration(ADC1);//开始指定ADC的校准状态
    while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC1));//获取指定ADC的校准程序

3.6 ADC转换结果与实际电压的换算

获取到的AD转换结果并不是实际电压,如果想要得到实际电压,需要经过换算。上面介绍了,STM32的ADC为12位,也就是AD值取值范围为0~4095。采集电压范围为0到3.3V。AD值与实际电压之间存在比例关系。

实际电压 = (AD值 / 4095) * 3.3。单位为伏特(V)

四、ADC配置步骤

  • 使能GPIO时钟和ADC时钟,设置引脚为模拟输入
  • 设置ADC的分频因子
  • 初始化ADC参数,包括ADC工作模式,规则序列等
  • 使能ADC并校准
  • 触发AD转换,读取AD转换值

    五、ADC配置程序

    5.1 ADC初始化程序

    这里以配置ADC1的通道1为例,给出ADC的配置例程,分频因子设置为6,单次转换模式,软件触发。
/*
 *==============================================================================
 *函数名称:ADC1_Init
 *函数功能:初始化ADCx
 *输入参数:无
 *返回值:无
 *备  注:无
 *==============================================================================
 */
void ADC1_Init(void)
{
   
    // 结构体定义
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure;

    // 开启时钟
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_ADC1,ENABLE);

    // 设置ADC分频因子6 72M/6=12,ADC最大时间不能超过14M
    RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div6);

    // GPIO配置
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_1;   //ADC1通道1
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AIN;   // 模拟输入
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);

    // ADC参数配置
    ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;   // 独立模式
    ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE;   // 非扫描模式    
    ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE;   // 关闭连续转换
    ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None;   // 禁止触发检测,使用软件触发
    ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;   // 右对齐    
    ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1;   // 1个转换在规则序列中 也就是只转换规则序列1 
    ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure);   // ADC初始化

    ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);   // 开启AD转换器

    // ADC校准
    ADC_ResetCalibration(ADC1);   // 重置指定的ADC的校准寄存器
    while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1));   // 获取ADC重置校准寄存器的状态

    ADC_StartCalibration(ADC1);   // 开始指定ADC的校准状态
    while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC1));   // 获取指定ADC的校准程序

    ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE);   // 使能或者失能指定的ADC的软件转换启动功能
}

5.2 软件触发AD转换

库函数开发,配置为软件触发时,可以通过下面的函数触发AD转换

void ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC_TypeDef* ADCx, FunctionalState NewState)

5.3 读取AD转换结果

库函数提供了用于读取AD转换结果的函数

uint16_t ADC_GetConversionValue(ADC_TypeDef* ADCx)

这里给出另一个函数,用于软件触发AD转换并读取转换结果

/*
 *==============================================================================
 *函数名称:Get_ADC_Value
 *函数功能:读取某一规则通道AD值
 *输入参数:ch:规则通道ADC_Channel_x;times:读取次数
 *返回值:无
 *备  注:该函数配置好后,返回的结果是N次后的平均值
 *==============================================================================
 */
u16 Get_ADC_Value(u8 ch,u8 times)
{
   
    u32 temp_val = 0;
    u8 t;
    // 设置指定ADC的规则组通道,一个序列,采样时间
    // ADC1,ADC通道,239.5个周期,提高采样时间可以提高精确度
    ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ch, 1, ADC_SampleTime_239Cycles5);                

    for(t=0;t<times;t++)
    {
   
        ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE);   // 使能指定的ADC1的软件转换启动功能    
        while(!ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_EOC ));   // 等待转换结束
        temp_val+=ADC_GetConversionValue(ADC1);
        delay_ms(5);
    }
    return temp_val/times;
}

六、实战项目

用ADC1的通道1采集某电阻两端电压(由于普中核心板没有可供采集的电阻,可以直接将采集引脚接到3.3V查看一下结果),将结果通过串口打印到电脑。其中关于串口的配置就不再做介绍,给出ADC的配置和main函数。

6.1 ADC初始化

/*
 *==============================================================================
 *函数名称:ADC1_Init
 *函数功能:初始化ADCx
 *输入参数:无
 *返回值:无
 *备  注:无
 *==============================================================================
 */
void ADC1_Init(void)
{
   
    // 结构体定义
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure;

    // 开启时钟
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_ADC1,ENABLE);

    // 设置ADC分频因子6 72M/6=12,ADC最大时间不能超过14M
    RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div6);

    // GPIO配置
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_1;   //ADC1通道1
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AIN;   // 模拟输入
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);

    // ADC参数配置
    ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;   // 独立模式
    ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE;   // 非扫描模式    
    ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE;   // 关闭连续转换
    ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None;   // 禁止触发检测,使用软件触发
    ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;   // 右对齐    
    ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1;   // 1个转换在规则序列中 也就是只转换规则序列1 
    ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure);   // ADC初始化

    ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);   // 开启AD转换器

    // ADC校准
    ADC_ResetCalibration(ADC1);   // 重置指定的ADC的校准寄存器
    while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1));   // 获取ADC重置校准寄存器的状态

    ADC_StartCalibration(ADC1);   // 开始指定ADC的校准状态
    while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC1));   // 获取指定ADC的校准程序

    ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE);   // 使能或者失能指定的ADC的软件转换启动功能
}

6.2 main函数

u16 gAdcAdValue = 0;   // 存储AD值
float gAdcVol = 0;   // 实际电压值

int main(void)
{
   
    Med_Mcu_Iint();   // 系统初始化

    while(1)
  {
   
        gAdcAdValue = Get_ADC_Value (ADC_Channel_1,10);   // 获取转换结果
        gAdcVol = (gAdcAdValue / 0xFFF) * 3.3;   // 计算实际电压
        printf ("Vol=%.1f V\r\n",gAdcVol);   // 串口打印结果

        delay_ms (500);   // 防止打印过快
    }
}

七、拓展

7.1 定时器触发ADC采集

根据中文参考手册介绍,ADC可以通过定时器触发AD转换(只有PWM的上升沿可以触发AD转换)。触发方式有以下几种

  • TIM1_CH1 :定时器 1 的通道 1 的 PWM 触发
  • TIM1_CH2 : 定时器 2 的通道 2 的 PWM 触发
  • TIM1_CH3: 定时器 1 的通道 3 的 PWM 触发
  • TIM2_CH2 : 定时器 2 的通道 2 的 PWM 触发
  • TIM3_TRGO: 定时器 3 触发
  • TIM4_CH4 : 定时器 4 的通道 4 的 PWM 触发

f07aa7f0f48607a188927f3d06ce549e_80937090c1a54264970ebc3a2ae1532d.png

这里以TIM4的通道4触发ADC采集为例,给出程序配置。

首先是定时器PWM的配置,不对引脚进行重映射。

/*
 *==============================================================================
 *函数名称:TIM4_CH4_PWM_Init
 *函数功能:初始化定时器4的PWM通道4
 *输入参数:per:自动重装载值;psc:预分频系数
 *返回值:无
 *备  注:无
 *==============================================================================
 */
void TIM4_CH4_PWM_Init (u16 per,u16 psc)
{
   
    // 结构体定义
    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStructure;
    TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

    // 开启时钟
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB,ENABLE);
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM4,ENABLE);

    // 初始化GPIO
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;   // 复用推挽输出
    GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_InitStructure);

    // 初始化定时器参数
    TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period = per;   // 自动装载值
    TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler = psc;   // 分频系数
    TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
    TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;   // 设置向上计数模式
    TIM_TimeBaseInit(TIM4,&TIM_TimeBaseInitStructure);    

    // 初始化PWM参数
    TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;   // 比较输出模式
    TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_Low;   // 输出极性
    TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 500;   // 脉冲宽度
    TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;   // 输出使能
    TIM_OC4Init(TIM4,&TIM_OCInitStructure);   // 输出比较通道2初始化

    TIM_OC4PreloadConfig(TIM4,TIM_OCPreload_Enable);   // 使能TIMx在 CCR2 上的预装载寄存器
    TIM_ARRPreloadConfig(TIM4,ENABLE);   // 使能预装载寄存器

    TIM_Cmd(TIM4,ENABLE);   // 使能定时器
}

ADC配置程序如下,触发源选择TIM4的CH4,使能外部触发。

/*
 *==============================================================================
 *函数名称:ADC1_Init
 *函数功能:初始化ADCx
 *输入参数:无
 *返回值:无
 *备  注:无
 *==============================================================================
 */
void ADC1_Init(void)
{
   
    // 结构体定义
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure;

    // 开启时钟
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_ADC1,ENABLE);

    // 设置ADC分频因子6 72M/6=12,ADC最大时间不能超过14M
    RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div6);
    // 规则通道配置
    ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_1, 1, ADC_SampleTime_239Cycles5);

    // GPIO配置
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_1;   //ADC1通道1
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AIN;   // 模拟输入
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);

    // ADC参数配置
    ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;   // 独立模式
    ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE;   // 非扫描模式    
    ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE;   // 关闭连续转换
    ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_T4_CC4;   // TIM2通道2触发
    ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;   // 右对齐    
    ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1;   // 1个转换在规则序列中 也就是只转换规则序列1 
    ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure);   // ADC初始化

    // 使能外部触发
    ADC_ExternalTrigConvCmd(ADC1, ENABLE);

    ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);   // 开启AD转换器

    // ADC校准
    ADC_ResetCalibration(ADC1);   // 重置指定的ADC的校准寄存器
    while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1));   // 获取ADC重置校准寄存器的状态

    ADC_StartCalibration(ADC1);   // 开始指定ADC的校准状态
    while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC1));   // 获取指定ADC的校准程序

    ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE);   // 使能或者失能指定的ADC的软件转换启动功能
}

main函数如下

u16 gAdcAdValue = 0;   // 存储AD值
float gAdcVol = 0;   // 实际电压值

int main(void)
{
   
    Med_Mcu_Iint();   // 系统初始化

    while(1)
  {
   
        gAdcAdValue = ADC_GetConversionValue (ADC1);   // 获取转换结果
        gAdcVol = (gAdcAdValue / 0xFFF) * 3.3;   // 计算实际电压
        printf ("Vol=%.1f V\r\n",gAdcVol);   // 串口打印结果

        delay_ms (500);   // 防止打印过快
    }
}

初始化定PWM时,程序为

TIM4_CH4_PWM_Init(1000,71);   // 初始化TIM4的通道4

分频系数为71 + 1,自动重装载值为1000,也就是1KHz的方波,也就是触发AD转换的频率为1KHz,与占空比无关。

7.2 ADC采集交流信号

ADC能够采集的电压范围是0~3.3V,也就是说负电压无法采集。比如,需要采集下图中的一个交流信号
764a2c31117a2aaacc3e0f986602eaad_23609657e326451ea7938112ff58a87e.png

其位于0以下的部分是无法采集的。因此,在利用STM32采集交流信号时,在交流信号输入ADC引脚前,给交流信号增加一个直流偏置,将交流信号的最低点抬升到0以上,之后再输入ADC引脚。

7.3 计算交流信号有效值

ADC可以用于电流监测,实时监测主线路中的电流。当然,硬件方面需要搭配电流互感线圈,通过采集互感线圈两端的电压,来监测主线路电流。由于一般都是交流信号,所以需要计算有效值。

根据我们所学的知识,计算交流信号有效值常用两种方法。一种是峰峰值除以根号2,另一种是计算均方根得到有效值。通常我们采用计算均方根的方法来计算有效值。因为如果用峰峰值除以根号2去计算有效值,峰峰值很容易不准确。如果在某一个时刻,由于环境干扰或者硬件问题,导致突然出现了一个很大的值,会导致计算结果与实际偏差较大。关于为什么计算均方根可以得到交流信号的有效值,这里就不做介绍了,只给出部分程序设计。由于博主目前身边没有合适的设备验证,因此仅供参考。

假设需要计算一个50Hz交流信号的的有效值,在其输入到ADC采集引脚之前,增加一个稳定的1.65V的偏置。ADC的采样频率为1KHz,也就是一个正弦波的周期可以采集20个点。假设采集到的AD值存储到一个数组中,计算有效值的程序设计如下

int gAdcAdValue[20];   // 存储采样结果AD值的数组
int gAdcValidValue = 0;   // 有效值

void Med_Adc_ValidValueCal (void)
{
   
    int tempVar = 0;   // 循环变量
    int squarSum = 0;   // 平方和

    // 求平方和
    for (tempVar = 0;tempVar < 20;tempVar ++)
    {
   
        // 减去直流偏置
        gAdcAdValue[tempVar] = gAdcAdValue[tempVar] - 2048;
        // 计算平方和
        squarSum = squarSum + gAdcAdValue[tempVar] * gAdcAdValue[tempVar];
    }

    // 求平均
    squarSum = squarSum / 20;

    // 开根号得到均方根(有效值)
    gAdcValidValue = sqrt (squarSum);
}

在进行程序设计时需要注意不要超出数据类型范围。在实际应用时肯定会存在误差,这里也简单介绍一下误差消除方法。目前用到的有两种方法,第一种是分段矫正,在不同的区间内,误差满足线性关系时可以使用。另一种是按比例矫正,这种方法常用于误差随着测量值的增大而增大的情况。在计算出有效值后,减去或者加上一定比例的计算值来做矫正。

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