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MCU开发学习记录11 - ADC学习与实践(HAL库) - 单通道ADC采集、多通道ADC采集、定时器触发连续ADC采集 - STM32CubeMX

news 2025/10/31 17:34:23

名词解释：

ADC： Analog-to-Digital
SAR：Successive Approximation Register

本文将介绍ADC的概念、相关函数以及STM32CubeMX生成ADC的配置函数。针对于ADC实践：单通道采集芯片内部温度传感器（ADC1_ch16）；利用软件触发单次触发多通道DMA ADC采集；利用定时器单次/连续触发多通道DMA ADC采集。

1. 什么是ADC？

1.1 ADC概念

1.1.0 ADC采集方法-逐次逼近寄存器型ADC

通过 “逐位试探比较” 的方式，从最高位（MSB）到最低位（LSB）依次确定每一位的二进制值，最终生成与输入模拟信号对应的数字代码。其结构框图如下：

一个4位转换示例，y轴(和图中的粗线)表示DAC的输出电压。本例中，第一次比较表明VIN < VDAC。所以，位3置为0。然后DAC被置为0b0100，并执行第二次比较。由于VIN > VDAC，位2保持为1。DAC置为0b0110，执行第三次比较。根据比较结果，位1置0，DAC又设置为0b0101，执行最后一次比较。最后，由于VIN > VDAC，位0确定为1。

1.1.1 ADC功能

STM32的ADC（Analog-to-Digital Converter）是一个 12位逐次逼近型（SAR）模数转换器，支持多通道、多模式信号采集，

分辨率：可配置为12位、10位、8位或6位（通过牺牲分辨率提升转换速度）。
输入通道：最多19个复用通道，包括：
- 16个外部引脚（如温度、电压、电流传感器输入）。
- 2个内部信号源（内部温度传感器、内部参考电压）。
- VBAT通道：直接测量电池电压（需特定型号支持）。
转换模式：单次、连续、扫描、不连续采样模式。
数据存储：16位数据寄存器，支持左对齐或右对齐格式。
ADC 电源要求：全速运行时为 2.4 V 到 3.6 V ，慢速运行时为 1.8 V
ADC 输入范围： V REF- <= VIN <= VREF+
模拟看门狗（Analog Watchdog, AWD）：监测输入电压是否超出用户设定的阈值范围，触发中断或事件

1.1.2 ADC框图

1.2 ADC功能介绍

1.2.1 ADC开关控制、时钟选择、ADC通道选择

1. ADC开关控制

ADC_CR2.ADON (A/D Converter ON / OFF)：(0为禁止ADC；1为使能ADC)
ADC_CR2.SWSTART(Start conversion of regular channels)：开始转换规则通道(1为开始转换)
ADC_CR2.JSWSTART(Start conversion of injected channels)：开始转换注入通道(1为开始转换)

2. ADC时钟选择

模拟电路时钟（ADCCLK）- 所有 ADC 共用
· 驱动ADC的模拟电路部分，包括采样保持电路（Sample&Hold）和SARADC。
· RCC_CFGR中的ADCPRE位，设置ADC分频系数。
数字接口时钟
· 等效时钟：直接使用APB2总线时钟（f_{PCLK2}），无分频。
· 使能控制：通过RCC_APB2ENR寄存器为每个ADC独立使能/禁用数字接口时钟。
__HAL_RCC_ADC1_CLK_ENABLE(); // 使能ADC1数字接口时钟

3. ADC通道选择（分为规则转换和注入转换）

一个规则转换组最多由 16 个转换构成。必须在 ADC_SQRx 寄存器中选择转换序列的规则通道及其顺序。规则转换组中的转换总数必须写入 ADC_SQR1 寄存器中的 L[3:0] 位。

下图为正点原子总结的规则组与寄存器对应表

一个注入转换组 最多由 4 个转换构成。必须在 ADC_JSQR 寄存器中选择转换序列的注入通道及其顺序。注入转换组中的转换总数必须写入 ADC_JSQR 寄存器中的 L[1:0] 位。

下图为正点原子总结的注入组与寄存器对应表

1.2.2 模拟看门狗

发生模拟看门狗标志
ADC_SR.AWD
模拟看门狗中断使能
ADC_CR1.AWDIE
模拟看门狗保护区域
阈值上下限设置（V = VREF*HTR（LTR）/4096）
ADC_HTR 与 ADC_LTR
模拟看门狗通道选择（ADC_CR1.AWDCH[4:0]）

1.2.3 单次转换模式、连续转换模式(ADC_CR2.CONT)

ADC_CR2.CONT：0为单次转换模式；1为连续转换模式

1. 单次转换触发方式

        ● 将 ADC_CR2 寄存器中的 SWSTART 位置 1（仅适用于规则通道）
        ● 将 JSWSTART 位置 1（适用于注入通道）
        ● 外部触发（适用于规则通道或注入通道）

2. 单次转换流程

规则通道转换完成：
1. 数据存储：结果存入ADC_DR（16位数据寄存器）。
2. 标志位：EOC=1（转换结束标志）。
3. 中断触发：若EOCIE=1，产生中断通知CPU读取数据。
4. ADC状态：自动停止，等待下次触发。
注入通道转换完成：
1. 数据存储：结果存入ADC_JDR1（注入数据寄存器）。
2. 标志位：JEOC=1（注入转换结束标志）。
3. 中断触发：若JEOCIE=1，产生中断。
4. ADC状态：自动停止。

3. 连续转换触发方式

规则通道：
- 软件触发：置位ADC_CR2.SWSTART=1。
- 外部触发：配置外部触发源（如PWM同步信号）。
注入通道限制：
- 默认禁止连续转换：注入通道无法独立启动连续转换。
- 唯一例外：若使能自动注入（JAUTO=1），注入通道可在规则通道组之后 自动插入转换。

4. 连续转换触发方式

● 规则通道组转换完成：

数据存储：最新结果覆盖ADC_DR寄存器。
标志位：EOC=1（每次转换结束均置位）。
中断触发：若EOCIE=1，每次转换均触发中断。
ADC状态：立即启动下一轮转换，无需外部触发

● 自动注入模式（JAUTO=1）

功能：在规则通道组转换完成后，自动插入注入通道转换。
流程：
1. 规则通道组转换完成 → 触发注入通道转换。
2. 注入通道结果存入ADC_JDR1，JEOC=1。
3. 中断触发：若JEOCIE=1，通知CPU处理注入数据。
4. ADC继续下一轮规则通道转换。

1.2.4 扫描模式、注入通道管理

1. 扫描模式

        ● ADC_CR1.SCAN 置1-选择扫描模式；
        ● 如果将 CONT 位置 1，规则通道转换不会在组中最后一个所选通道处停止，而是再次从第一个所选通道继续转换。
        ● ADC_SR.EOC：规则通道转换结束 (Regular channel end of conversion)
                0：转换未完成 (EOCS=0) 或转换序列未完成 (EOCS=1)
                1：转换已完成 (EOCS=0) 或转换序列已完成 (EOCS=1)
        ● ADC_CR2.EOCS：结束转换选择 (End of conversion selection)
                0：在每个规则组转换序列结束时将 EOC 位置 1。溢出检测仅在 DMA=1 时使能。
                1：在每个规则通道转换结束时将 EOC 位置 1。使能溢出检测。

2. 注入通道管理（ADC_CR1.JAUTO）

● 触发注入-配置条件

JAUTO位清零：ADC_CR1.JAUTO=0（禁用自动注入）。
触发源选择：
- 外部触发：通过ADC_CR2.JEXTSEL选择触发源（如定时器、外部引脚）。
- 软件触发：置位ADC_CR2.JSWSTART=1。

● 触发注入-工作流程

启动规则通道组转换：
- 外部触发或软件触发规则组转换（如定时器触发）。
触发注入事件：
- 在规则组转换期间，若检测到注入触发信号：
  - 复位当前规则转换：立即停止当前规则通道的转换。
  - 执行注入组转换：以单次扫描模式完成注入通道组的转换。
恢复规则转换：
- 注入组完成后，从被中断的规则通道继续转换。

● 自动注入-配置条件

JAUTO位置1：ADC_CR1.JAUTO=1（启用自动注入）。
禁用注入触发：必须关闭外部触发（ADC_CR2.JEXTEN=0）。
连续模式支持：
- 若ADC_CR2.CONT=1，规则组和注入组将循环转换。

● 自动注入-工作流程

规则组转换完成：
- 规则组转换结束后，自动启动注入组转换。
注入组转换：
- 按ADC_JSQR配置的顺序转换注入通道，结果存入ADC_JDR1~4。
循环转换（CONT=1时）：
- 注入组完成后，立即重启规则组转换。

1.2.5 不连续采样模式

1. 规则组

ADC_CR1.DISCEN - 不连续采样模式使能
ADC_CR1.DISCNUM[2:0] - n个子序列组
ADC_SQR1.L[3:0] - 定义总序列长度

2. 注入组

ADC_CR1.JDISCEN - 不连续采样模式使能
ADC_JSQR1.L[1:0] - 定义总序列长度

不能同时使用自动注入和不连续采样模式。
不得同时为规则组和注入组设置不连续采样模式。只能针对一个组使能不连续采样模式。

1.3 数据对齐、通道采样时间、快速转换模式

1.3.0 规则/注入数据寄存器

1. 规则数据寄存器（ADC_DR）

2. 注入数据寄存器（ADC_JOFRx、ADC_JDRx）

ADC_JDRx = 结果 - ADC_JOFRX (取16位补码)
SEXT位（扩展的符号值）：负数填充1；正数填充0

1.3.1 数据对齐ADC_CR2.ALIGN

ALIGN =0 右对齐（默认）；=1 左对齐。

1. 右对齐（参考1.3.0）

2. 左对齐（参考1.3.0）

1.3.2 通道采样时间与转换时间

通过ADC_SMPR1、ADC_SMPR2的SMPx[2:0]控制各个通道的采样周期。

1.3.3 快速转换模式(降低精度转换)ADC_CR1.RES

可通过降低 ADC 分辨率来执行快速转换。下列为转换时间。

● 12 位：3 + 12 = 15 ADCCLK 周期

● 10 位：3 + 10 = 13 ADCCLK 周期

● 8 位：3 + 8 = 11 ADCCLK 周期

● 6 位：3 + 6 = 9 ADCCLK 周期

1.4 外部触发和触发极性

1.4.1 外部触发极性

1.4.2. 外部触发条件

1.5 ADC数据采集方式（三种）

1.5.1 使用 DMA（ADC_CR2.DMA 置1）

0. DDS决定DMA是否可以连续请求

如果将 ADC_CR2 寄存器中的 DDS 位清零，则不会向 DMA 控制器发出新的 DMA 请求（这可避免产生溢出错误）。不过，硬件不会将 DMA 位清零。必须将该位写入 0 然后写入 1 才能启动新的传输。

如果将 DDS 位置 1 ，则可继续生成请求。从而允许在双缓冲区循环模式下配置 DMA

1. 配置步骤

使能DMA：置位ADC_CR2寄存器中的DMA位。
配置DMA控制器：设置目标地址（内存缓冲区）和传输次数（NDTR计数器）。

2. 数据丢失（溢出）处理

溢出标志：若数据未及时读取且DMA未传输，ADC_SR寄存器中的OVR位会置1，并可能触发中断（需使能OVRIE位）。
溢出后果：
- DMA传输被禁止，后续DMA请求被忽略。
- 正在进行的规则转换被中止，后续规则触发无效。
恢复步骤：
1. 重新初始化DMA：调整目标地址和NDTR计数器。
2. 清除溢出标志：将ADC_SR中的OVR位清零。
3. 重启转换：触发ADC开始新的转换。

3. DMA传输结束

若ADC_CR2的DDS位为0，最后一次传输后停止DMA请求，需手动复位DMA位（先写0再写1）重启。
若DDS位为1，DMA继续生成请求，支持双缓冲区循环模式（适合连续流数据）。

1.5.2 在不使用 DMA 的情况下管理转换序列

1. 配置步骤

禁止DMA：ADC_CR2的DMA位清零。
使能每次转换结束中断：置位ADC_CR1的EOCS位为1（EOC在每次转换结束时置1）。
溢出处理：
- 与DMA模式相同：需手动清除OVR位并重启转换。

2. 配置步骤

启动转换序列：触发ADC开始转换。
等待EOC标志：每次转换结束，EOC位置1。
读取数据：从ADC_DR读取当前通道数据。
处理溢出（若发生）：清除OVR位并重启转换。

1.5.3 在不使用 DMA 和溢出检测的情况下进行转换

禁止DMA：ADC_CR2的DMA位清零。
仅在序列结束置位EOC：EOCS位清零。
禁用溢出检测：默认情况下溢出检测已关闭。

1.6 多重 ADC 模式

1.6.1 多重 ADC 模式介绍（ADC_CCR.MULTI[4:0]）

1. 四种模式(也可以组合使用)

● 注入同时模式
● 规则同时模式

● 交替模式

● 交替触发模式

● 注入同时模式 + 规则同时模式

● 规则同时模式 + 交替触发模式

2. 多重ADC框图

注： 1. 尽管 ADC2 和 ADC3 上存在外部触发，但它们并未显示在此图中。
2. 在双重 ADC 模式下，不存在 ADC3 从器件部分。
3. 在三重 ADC 模式下，ADC 通用数据寄存器 (ADC_CDR) 包含 ADC1、ADC2 和 ADC3 的规则转换数据。按照所选的存储顺序使用全部 32 个寄存器位。在双重 ADC 模式下，ADC 通用数据寄存器 (ADC_CDR) 包含 ADC1 和 ADC2 的规则转换数据。使用全部32个寄存器位。

1.6.2 多重模式下DMA模式（ADC_CCR.DMA[1:0]）（三种）

1. DMA模式1（半字传输）

核心特性
传输单位：每个DMA请求传输 一个半字（16位），对应单个ADC的转换结果。
触发条件：每完成一次ADC转换（一个数据项可用）时触发DMA请求。
数据传输顺序
· 两重模式
请求顺序为 ADC1→ADC2→ADC1→ADC2...，依次循环。

· 三重模式
请求顺序为 ADC1→ADC2→ADC3→ADC1→ADC2→ADC3...，依次循环。
应用场景
规则同时模式：需要逐个读取多ADC数据的场景。
示例：多通道温度监测，ADC1、ADC2、ADC3分别采集不同区域的温度值。

2. DMA模式2（字传输）

核心特性
传输单位：每个DMA请求传输 一个字（32位），包含 两个半字（两个ADC的转换结果）。
触发条件：每完成两次ADC转换（两个数据项可用）时触发DMA请求。
数据传输顺序
· 两重模式
每个字的高16位存储 ADC2数据，低16位存储 ADC1数据。

· 三重模式
按 固定组合顺序 传输三个ADC的数据，每个字包含两个半字：
应用场景
交替模式：需要同时读取两个ADC数据的场景，例如电机控制中电流和电压同步采集。
示例：双重交替模式下，ADC1采集电流信号，ADC2采集电压信号，每个DMA请求同时传输两者数据。

3. DMA模式3（字节传输）

核心特性
传输单位：每个DMA请求传输 两个字节（8位×2），适用于 6位或8位分辨率 的ADC。
触发条件：每完成两次ADC转换（两个数据项可用）时触发DMA请求。
数据传输顺序
· 两重模式
每个DMA请求的高8位存储 ADC2数据，低8位存储 ADC1数据。
· 三重模式
数据传输顺序与DMA模式2相似，但以字节为单位：
应用场景
规则同时模式：适用于6位或8位ADC的快速数据采集，简单传感器信号（如光敏电阻）。
示例：ADC1和ADC2分别采集两个低分辨率传感器的开关状态。

1.7 多重 ADC 模式

1.7.1 注入同时模式

此模式可转换注入通道组。外部触发源来自 ADC1 的注入组多路复用器（通过 ADC1_CR2寄存器中的 JEXTSEL[3:0] 位进行选择）。同时触发可用于 ADC2 和 ADC3 。

注：

1. 不要在两个 / 三个 ADC 上转换同一通道

2. 使用同一长度来转换序列，或必须确保触发之间的间隔长于 2 个序列（双重 ADC 模式）/3 个序列（三重 ADC 模式）中的较长时间。

1. 双重ADC

● 转换的数据会存储在各个 ADC 接口的 ADC_JDRx 寄存器中。

● 当 ADC1/ADC2 的注入通道全部完成转换后，会生成一个 JEOC 中断（如果已在两个 ADC 接口中的一个接口上使能）。

2. 三重ADC

● 转换的数据会存储在各个 ADC 接口的 ADC_JDRx 寄存器中。

● 当 ADC1/ADC2/ADC3 的注入通道全部完成转换后，会生成一个 JEOC 中断（如果已在三个 ADC 接口中的一个接口上使能）。

1.7.2 规则同时模式（ADC_CDR）

ADC_CDR：适用于双重和三重模式的 ADC 通用规则数据寄存器

用于规则通道组。外部触发源来自 ADC1 的规则组多路复用器（通过 ADC1_CR2 寄存器中的 EXTSEL[3:0] 位进行选择）。同时触发可用于 ADC2 和 ADC3 。

注：必须禁止注入转换。

1. 双重ADC

触发条件：当任意一个ADC（ADC1或ADC2）完成一次转换时，触发DMA请求。
DMA配置：
- 设置 ADC_CCR 寄存器的 DMA[1:0] = 0b10。
- 生成 单次32位DMA传输请求，将 ADC2和ADC1的转换数据 组合传输。
数据格式：
- 32位数据寄存器 ADC_CDR 的高16位存储 ADC2的转换结果，低16位存储 ADC1的转换结果。
- 示例：若ADC1转换值为 0x1234，ADC2转换值为 0x5678，则 ADC_CDR = 0x56781234。
传输流程：
1. DMA将 ADC_CDR 高16位（ADC2数据）写入SRAM目标地址。
2. DMA将 ADC_CDR 低16位（ADC1数据）写入下一个SRAM地址。
3. 重复直到所有通道转换完成。

• 中断生成：
EOC中断：当 所有常规通道均完成转换 后，触发EOC（转换结束）中断。
中断使能：需在 至少一个ADC接口 的 ADC_CR1 寄存器中使能 EOCIE 位。

2. 三重ADC

触发条件：当任意一个ADC（ADC1、ADC2或ADC3）完成一次转换时，触发DMA请求。
DMA配置：
- 设置 ADC_CCR 寄存器的 DMA[1:0] = 0b01。
- 生成 三次32位DMA传输请求，分别传输 ADC1、ADC2、ADC3的转换数据。
数据格式：
- 每个ADC的转换结果存储在独立的 ADC_CDR 寄存器中。
- 传输顺序：先ADC1→再ADC2→最后ADC3。
传输流程：
1. 第一次DMA传输：ADC1数据写入SRAM地址A。
2. 第二次DMA传输：ADC2数据写入地址A+4（32位对齐）。
3. 第三次DMA传输：ADC3数据写入地址A+8。
4. 重复直到所有通道转换完成。
中断生成
EOC中断：当 所有常规通道均完成转换 后，触发EOC（转换结束）中断。
中断使能：需在 至少一个ADC接口 的 ADC_CR1 寄存器中使能 EOCIE 位。

1.7.3 交替模式

此模式只能用于规则组（通常为一个通道）。外部触发源来自 ADC1 的规则通道多路复用器。
ADC_CCR.DELAY[3:0] - 设置交替模式下的采样时间。

1. 双重 ADC 模式

ADC1立即启动，经过几个ADC时钟周期延迟后ADC2启动。

只有一共ADC能够对输入信号采样，即DELAY设置的延迟时间小于采用时间时，延迟时间=采样时间+2个ADC_CLK时钟周期。如果 ADC1 和 ADC2 上的 CONT 位均置 1，则这两个 ADC 所选规则通道会连续进行转换。

2. 三重 ADC 模式

ADC1 立即启动，经过几个ADC时钟周期延迟后ADC2启动，在ADC2转换经过几个ADC时钟周期的延迟后ADC3启动。

1.7.4 交替触发模式

只能用于注入组。外部触发源来自 ADC1 的注入组多路复用器。

1. 双重 ADC 模式

        ● 发生第一次触发时，将转换ADC1中注入组的所有通道
                当组中的所有注入 ADC1 通道都转换完成后，会生成一个 JEOC 中断（如果已使能）
        ● 发生第二次触发时，将转换ADC2中注入组的所有通道
                当组中的所有注入 ADC2 通道都转换完成后，会生成一个 JEOC 中断（如果已使能）

如果使能 ADC1 和 ADC2 的注入不连续采样模式：

        ● 发生第一次触发时，将转换第一个注入 ADC1 通道
        ● 发生第二次触发时，将转换第一个注入 ADC2 通道
        ● 发生第三次触发时，将转换第二个注入 ADC1 通道
        ● 发生第四次触发时，将转换第二个注入 ADC2 通道
        ● ……
        当组中的所有注入 ADC1 通道都转换完成后，会生成一个 JEOC 中断（如果已使能）
        当组中的所有注入 ADC2 通道都转换完成后，会生成一个 JEOC 中断（如果已使能）

2. 三重 ADC 模式

        ● 发生第一次触发时，将转换ADC1中注入组的所有通道
                当组中的所有注入 ADC1 通道都转换完成后，会生成一个 JEOC 中断（如果已使能）
        ● 发生第二次触发时，将转换ADC2中注入组的所有通道
                当组中的所有注入 ADC2 通道都转换完成后，会生成一个 JEOC 中断（如果已使能）
        ● 发生第三次触发时，将转换ADC3中注入组的所有通道
                当组中的所有注入 ADC3 通道都转换完成后，会生成一个 JEOC 中断（如果已使能）

1.7.5 混合型规则/注入同时模式

可以中断规则组的同时转换，然后开始注入组的同时转换。

1.7.6 规则同时 + 交替触发组合模式

可以中断规则组的同时转换，然后开始注入组的交替触发转换。

注入事件后立即开始注入交替转换。当规则转换处于运行状态时，为确保在注入转换后实现同步，所有的(主/从) ADC规则转换均将停止，并会在注入转换结束时得以恢复运行。

1.8 ADC中断

ADC_SR 寄存器中存在另外两个标志，但这两个标志不存在中断相关性：

● JSTRT（开始转换注入组的通道）

● STRT（开始转换规则组的通道）

中断事件	标志位	使能控制位	触发条件
规则组转换结束	EOC	EOCIE	规则通道组所有通道转换完成（单通道或扫描模式）
注入组转换结束	JEOC	JEOCIE	注入通道组所有通道转换完成（需外部触发或自动注入）
模拟看门狗状态位置 1	AWD	AWDIE	输入电压超过模拟看门狗阈值（高 / 低阈值由 ADC_HTR 和 ADC_LTR 定义）
数据溢出（Overrun）	OVR	OVRIE	数据寄存器（ADC_DR 或 ADC_JDRx）未及时读取，新数据覆盖旧值