STM32F3系列 ADC采样单端采样模式（基于LL库）

STM32F3系列 ADC 单端采样（基于LL库）

• 芯片型号:STM32f303RBT6
• 开发软件:MDK5 & CubeMX & VS Code

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• STM32F3系列 ADC 单端采样（基于LL库）
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  • 引言
  • 1 基础知识
    • 1.1ADC转换基本流程
    • 1.2 时钟树
    • 1.3 关键参数
      • 1.3.1 位数
      • 1.3.2 触发信号
      • 1.3.3 采样时间
      • 1.3.4 转换时间
  • 2 CubeMx 配置步骤
    • 2.1 确定输入通道
    • 2.2 配置ADC
    • 2.3 输出设置
    • 2.4 MD5 设置
  • 3 程序解读
    • 3.1 ADC初始化
    • 3.2 校准和启动ADC
    • 3.3 主函数配置
    • 3.4 匿名上位机程序
  • 4 实验波形
  • 5 总结

引言

STM32F303系列单片机一般具有多个12位逐次逼近型(Successive approximatio)模数转换器(ADC,analog-to-digital converter)。STM32的ADC功能很多：单端采样、差分采样、主从模式、双ADC模式、注入模式等。本文作为学习笔记，记录最简单的单端(single-end)模式.

1 基础知识

1.1ADC转换基本流程

上图是STM32ADC的框图，黑色箭头我自己加的开关。其转换流程大概可以简略为：

1. 接收到触发信号，摁下开关
2. 外部电压经过外部电阻（\(R_{AIN}\)),杂散电容(\(C_{parastitic}\))、ADC内部电阻(\(R_{ADC}\))，给采样电容\(C_{ADC}\)充电。
3. 充电完成，松开开关，转换核心开始将电容上的电压值转为数字信号。
4. 转换完成，转换结果存入ADC的数据寄存器中。

1.2 时钟树

STM32F3系列的单片机的ADC时钟有两路，一路为同步时钟（黑色），一路为异步时钟（蓝色）。异步时钟除了比同步时钟具有更多的分频选择，其他没有大的区别，其时钟最高频率也是相同的。

但是建议采用同步时钟，使用异步时钟时或许可能转换会出现问题，我也不知道什么原因。

1.3 关键参数

1.3.1 位数

ADC一般可以分为10bit、12bit、16bit等，这个bit就是指的位数。位数的含义就是能把参考电平分为2的多少次方份。

比如：10bit的ADC可以把参考电平分为1024份； 12bit的ADC可以把参考电平分为4096份。若是参考电压为3.3V，则10bitADC可以分辨的最小电压为\(3.3/(2^{10}) = 3.22mV\),12bitADC可以分辨的最小电压为\(3.3/(2^{12}) = 0.806mV\)。

由此可见，ADC位数越大，其分辨率越高，采集到的电压相对越准确。

1.3.2 触发信号

触发信号对于ADC转换流程中的第一步，即告诉ADC什么时候开始转换。触发信号有很多种，常用的有：软件触发、定时器信号触发和外部触发等。

1.3.3 采样时间

采样时间对应ADC转换流程中的第二步，即开关摁下多久，外部信号对\(C_{ADC}\)充电多长时间。一般来说采样时间以ADC时钟周期\(T_{ADC}\)的倍数，如：\(1.5T_{ADC}\)、\(2.5T_{ADC}\)、\(19.5T_{ADC}\)等。一般来说采样时间越长，信号采样越准确，一般是根据外电阻的大小来选择采样时间，具体采样时间选择可以参照下表：



例如：外电阻为5k，外电阻介入2.7k~8.2k之间，则可以选择的采样时间为\(61.5T_{ADC}\)

1.3.4 转换时间

转换时间指的是ADC将制定电压转为为数字信号所用的时间，这个时间一般不可以控制，与ADC的时钟周期有关，时钟周期越长则转换时间越小。

2 CubeMx 配置步骤

2.1 确定输入通道

选取ADC1-IN1通道作为检测通道，选择单端模式Single-ended。

2.2 配置ADC

重要参数介绍：

• Mode:independence即独立模式；
• Clock Prescale:选取同步时钟最为ADC的时钟，分频系数为１，即ADC时钟为72M
• Resolution(分辨率)：选取12bit
• Data Alignment(数据对其)：一般选右对齐
• End of Conversion selection(转换完成信号)：这个参数指定了何时ADC触发DMA和中断，有两个参数End of single conversion（EOC） 与 End of sequence of conversion（EOS)，即单次转换完成和顺序转换完成，由于我们只有一个通道选择这两个一样的，本次选择EOC。
• OverRun behavior(覆写行为)：若使能这个功能，则在ADC上次数据还没有读取的时候，新的输出产生时，会直接覆写上次数据。
• Lower Power Auto Wait(低功耗自动等待)：用于低功耗的功能。
• Enable Regular Conversations(使能常规转换组)：字面意思，使能常规组转换。
• Number of Conversion(转换数量):需要转换的信号有几个。
• External Trigger Conversion Source(外部触发源):触发信号是什么？软件、或定时器等。
• External Trigger Conversion Edge(外部触发边沿):指定触发类型，上升沿触发、或下降沿触发等
• Rank 1:
  • Channal(通道号)：对应Channel1
  • Sampling Time(采样时间)：对应上文的采样时间；
  • Offset Number(通道偏移)：指定那个通道需要数据偏移。
  • Offset(数值偏移)：即在采集到的数据减去一个数字偏置。
• ADC_Injected Conversions(ADC注入模式):暂时不需要。
• Analog Watchdog1~3()：看门狗功能，暂时不需要。

2.3 输出设置

使用LL库,剩下的按照常规配置就行。

2.4 MD5 设置

勾选Reset and Run，否则下载程序后单片机不会自动运行，复位后才会运行。

3 程序解读

3.1 ADC初始化

void MX_ADC1_Init(void)
{

  /* USER CODE BEGIN ADC1_Init 0 */

  /* USER CODE END ADC1_Init 0 */

  LL_ADC_InitTypeDef ADC_InitStruct = {0};
  LL_ADC_REG_InitTypeDef ADC_REG_InitStruct = {0};
  LL_ADC_CommonInitTypeDef ADC_CommonInitStruct = {0};

  LL_GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};

  /* Peripheral clock enable */
  LL_AHB1_GRP1_EnableClock(LL_AHB1_GRP1_PERIPH_ADC12);    // 使能ADC时钟

  LL_AHB1_GRP1_EnableClock(LL_AHB1_GRP1_PERIPH_GPIOA);    // 使能GPIOA时钟
  /**ADC1 GPIO Configuration
  PA0   ------> ADC1_IN1
  */
  GPIO_InitStruct.Pin = LL_GPIO_PIN_0;
  GPIO_InitStruct.Mode = LL_GPIO_MODE_ANALOG;
  GPIO_InitStruct.Pull = LL_GPIO_PULL_NO;
  LL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

  /* USER CODE BEGIN ADC1_Init 1 */

  /* USER CODE END ADC1_Init 1 */

  /** Common config
  */
  ADC_InitStruct.Resolution = LL_ADC_RESOLUTION_12B;   // 12bit分辨率
  ADC_InitStruct.DataAlignment = LL_ADC_DATA_ALIGN_RIGHT;// 数据右对齐
  ADC_InitStruct.LowPowerMode = LL_ADC_LP_MODE_NONE;// 不使用低功耗模式
  LL_ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStruct);
  ADC_REG_InitStruct.TriggerSource = LL_ADC_REG_TRIG_SOFTWARE;// 软件触发
  ADC_REG_InitStruct.SequencerLength = LL_ADC_REG_SEQ_SCAN_DISABLE;// 不使用扫描模式
  ADC_REG_InitStruct.SequencerDiscont = LL_ADC_REG_SEQ_DISCONT_DISABLE;// 不使用断续模式
  ADC_REG_InitStruct.ContinuousMode = LL_ADC_REG_CONV_SINGLE;// 单次触发单次转换
  ADC_REG_InitStruct.DMATransfer = LL_ADC_REG_DMA_TRANSFER_LIMITED;// 不使用DMA
  ADC_REG_InitStruct.Overrun = LL_ADC_REG_OVR_DATA_OVERWRITTEN; // 数据覆写使能
  LL_ADC_REG_Init(ADC1, &ADC_REG_InitStruct);
  ADC_CommonInitStruct.CommonClock = LL_ADC_CLOCK_SYNC_PCLK_DIV1;// 使能内部时钟1分频作为ADC时钟
  ADC_CommonInitStruct.Multimode = LL_ADC_MULTI_INDEPENDENT;// ADC采取独立模式
  LL_ADC_CommonInit(__LL_ADC_COMMON_INSTANCE(ADC1), &ADC_CommonInitStruct);

  /* Enable ADC internal voltage regulator *//*使能ADC内部的稳压器*/
  LL_ADC_EnableInternalRegulator(ADC1);
  /* Delay for ADC internal voltage regulator stabilization. */
  /* Compute number of CPU cycles to wait for, from delay in us. */
  /* Note: Variable divided by 2 to compensate partially */
  /* CPU processing cycles (depends on compilation optimization). */
  /* Note: If system core clock frequency is below 200kHz, wait time */
  /* is only a few CPU processing cycles. */
  uint32_t wait_loop_index;
  wait_loop_index = ((LL_ADC_DELAY_INTERNAL_REGUL_STAB_US * (SystemCoreClock / (100000 * 2))) / 10);
  while(wait_loop_index != 0)
  {
    wait_loop_index--;
  }

  /** Configure Regular Channel
  */
  LL_ADC_REG_SetSequencerRanks(ADC1, LL_ADC_REG_RANK_1, LL_ADC_CHANNEL_1);    // 设置通道1转换次序为1
  LL_ADC_SetChannelSamplingTime(ADC1, LL_ADC_CHANNEL_1, LL_ADC_SAMPLINGTIME_181CYCLES_5);// 采样时间为181.5个ADC周期
  LL_ADC_SetChannelSingleDiff(ADC1, LL_ADC_CHANNEL_1, LL_ADC_SINGLE_ENDED);// 采样模式为单端采样
  /* USER CODE BEGIN ADC1_Init 2 */

  /* USER CODE END ADC1_Init 2 */

}

3.2 校准和启动ADC

上述配置完后，使用LL库还需要一些额外的代码，ADC才可以正常工作。

void Mx_ADC_Start(void)
{
  uint8_t TimeDelta = LL_ADC_DELAY_CALIB_ENABLE_ADC_CYCLES;

  LL_ADC_StartCalibration(ADC1,LL_ADC_SINGLE_ENDED);        // 开始校准
  while(LL_ADC_IsCalibrationOnGoing(ADC1))                  // 等待校准完成
  	;
  LL_ADC_SetCalibrationFactor(ADC1,LL_ADC_SINGLE_ENDED  LL_ADC_GetCalibrationFactor(ADC1,LL_ADC_SINGLE_ENDED));// 将校准向量写  ADC1中

  while(TimeDelta > 0)  // 校准后延时
  {
  	TimeDelta--;
  }
  LL_ADC_Enable(ADC1); // 使能ADC
}

3.3 主函数配置

主函数就比较简单，使用软件触发ADC转换，待ADC转换完成后，使用窗口将转换数据经串口上传到上位机。串口程序用的为匿名上位机。

while (1)
{
  LL_ADC_REG_StartConversion(ADC1);           // 用软件触发ADC转换
  while(LL_ADC_REG_IsConversionOngoing(ADC1)) // 等待ADC转换完成
  	;
  sent_data(LL_ADC_REG_ReadConversionData12(ADC1),0,0,0);// 使用匿名上机  ADC数据发送到电脑
  while(count)  // 适当延迟
  {
  	count--;
  }
}

3.4 匿名上位机程序

uint8_t BUFF[30];

void sent_data(uint16_t A,uint16_t B,uint16_t C,uint16_t D)
{
  int i;
  uint8_t sumcheck = 0;
  uint8_t addcheck = 0;
  uint8_t _cnt=0;
  BUFF[_cnt++]=0xAA;//帧头
  BUFF[_cnt++]=0xFF;//目标地址
  BUFF[_cnt++]=0XF1;//功能码
  BUFF[_cnt++]=0x08;//数据长度
  BUFF[_cnt++]=(A&0x00ff);//数据内容,小段模式，低位在前
  BUFF[_cnt++]=(A&0xff00)>>8;//需要将字节进行拆分，调用上面的宏定义即可。
  BUFF[_cnt++]=(B&0x00ff);
  BUFF[_cnt++]=(B&0xff00)>>8;
  BUFF[_cnt++]=(C&0x00ff);//数据内容,小段模式，低位在前
  BUFF[_cnt++]=(C&0xff00)>>8;//需要将字节进行拆分，调用上面的宏定义即可。
  BUFF[_cnt++]=(D&0x00ff);
  BUFF[_cnt++]=(D&0xff00)>>8;
  //SC和AC的校验直接抄最上面上面简介的即可
  for(i=0;i<BUFF[3]+4;i++)
  {
  	sumcheck+=BUFF[i];
  	addcheck+=sumcheck;
  }
  BUFF[_cnt++]=sumcheck;
  BUFF[_cnt++]=addcheck;	

  for(i=0;i<_cnt;i++)
  {
  	while ((USART1->ISR & 0X40) == 0)
    ; /* 等待上一个字符发送完成 */
  	USART1->TDR=BUFF[i];
  }//串口逐个发送数据
}

4 实验波形

使用函数信号发生器，产生频率为1kHz，幅值为3V的正弦波，经两个2k电阻分压后传入ADC采集通道，电路图如图：



实验波形在匿名上位机上显示如图：



可以看到：

• 波形为正弦波
• 最高值 1863 对应 1.501V
  
  证明ADC采集正确。

5 总结

至此完成了STM32最简单的ADC单端采样，STM32的ADC还有很多其他功能，待之后有时间再记录。本文记录难免有错误，如有错误，欢迎指出。