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STM32 单片机 - ADC

news 2025/9/24 10:57:37

一、ADC 介绍

ADC (analog-to-digital converter)：模数转换器 - 将模拟信号转换为数字信号
模拟信号：连续周期变化的信号，在时间和数值上都是连续变化的物理量。
数字信号：以离散的 0 和 1 组成的信号，在时间和数值上都是离散的物理量。

图 1 模拟信号和数字信号

ADC 一般使用在电路中电流和电压的检测，以及传感器中数据的转换
STM32U575RIT6 可以使用 ADC1 和 ADC4 两个外设控制器进行模数转换

二、ADC1 和 ADC4

2.1 模数转换原理

ADC 的采样位数：本质是采样精度，是将模拟信号转化为数字信号后的位数；
ADC1 转化后的数字信号是 14 位，ADC4 转化后的数字信号是 12 位
数据寄存器：存储转换后的数字信号

图 3 逐次逼近法原理图

图 4 逐次逼近法原理

ADC 转化使用的是 逐次逼近法
逐次逼近法：循环使用二分查找（折半查找）
AD4 的转化数字信号时 12 位，转换后的数字信号范围时 0 ~ 2¹²-1

2.2 模数转换公式

以电压模拟信号转换 -> 电压数字信号为例，使用 12 位的 ADC4

ADC转换后的数字信号 = 4096 / 3.3v * 1.2v
4096：采样位数的 ADC 最大转化范围（2¹²=4096，2¹⁴=16384）
3.3v：参考电压 / 供电电压
1.2v：待测电压
待测电压的数字信号 = (2^(ADC的采样位数) / 参考电压) * 待测电压的模拟信号

2.3 采样时机和偏移补偿

采样时机指的是ADC的采样保持电路在何时对模拟输入信号进行“采样”（捕获瞬时电压值）的精确时间点。
偏移补偿，也称为失调电压校准，目的是消除ADC输出代码中存在的固定的、系统的直流偏差。如果ADC采样发生偏移，此时采样得到的数据可能不是很准确，就需要使用硬件提供的偏移补偿机制（校准机制）初始化采样时机。

三、ADC 采样模式

3.1 ADC1 的内部框图

3.2 ADC4 内部框图

3.3 ADC 的转化模式（采样模式）

单通道单次转化模式：
只使用 ADC 模数转换器中的一个独立通道，将输入到通道中的模拟信号转换为数字信号，并只转换一次就结束。

单通道连续转换模式：
只使用 ADC 模数转换器中的一个独立通道，将输入到通道中的模拟信号转换为数字信号，结束一次后，自动进行下一次转化。

单通道连续转化模式 = while(1) + 单通道单次转化模式

多通道单次转化模式：
使用 ADC 模数转换器的多个通道，并都输入模拟信号，ADC 转换器根据通道的顺序，依次转换为数字信号，每个通道只转换一次。

多通道连续转换模式：
使用 ADC 模数转换器的多个通道，并都输入模拟信号，ADC 转换器根据通道的顺序，依次转换为数字信号，所有通道转化完后，回到初始通道重新依次转换。

多通道连续转化模式 = while(1) + 多通道单次转化模式

间隔转化模式（间隔触发模式）：
给对应通道一个触发信号（触发源）后，ADC 模数转换器开始一次对通道中的模拟信号转换为数字信号。

ADC的转化模式：独立模式（单通道模式）、扫描模式（多通道模式）、触发模式

四、分析电路图

拓展板电压检测引脚：PB1

五、CubeMX 配置

ADCs_Common_Settings（ADC 通用设置）
Mode（模式）：Independent mode（独立模式（每个通道都是独立的））
ADC_Settings（ADC 设置）
Clock Prescaler（时钟分频）：Asynchronous clock mode divided by 1（时钟分频（时钟频率 -> 影响 ADC 模数转化的速率））
Resolution（采样精度）：ADC 12 - bit resolution（采样精度（转化后的数字信号的位数）：12 位）
Data Alignment（数据对齐方式）：Right alignment（数据对齐方式：右对齐）
Sequencer（序列器）：Sequencer set to not fully configurable
Scan Conversion Mode（输入转化模式）：Forward（输入转化模式：标准模式（标准转化速率模式））
Continuous Conversion Mode（连续转化模式）：Disabled
Discontinuous Conversion Mode（不连续转化模式）：Disabled
DMA Continuous Requests（DMA 连续请求）：Disabled
End Of Conversion Selection（转换结束选择）：End of single conversion
Overrun behaviour（数据保存的机制）：Overrun data preserved（数据保存的机制：转化后的数字信号被存储到数据寄存器中可以使用追加 / 覆盖的方式）
Low Power Auto Wait（低功耗自动等待）：Disabled
Low Power Auto Off（低功耗自动关闭）：Low power disabled and auto off disabled
SamplingTime Common 1（通用采样时间 1）：1.5 Cycles（通用的采样时间：1.5 轮转化一次，轮的具体时间需要根据时钟频率来计算理论上，采样时间越长，采样得到的数据越准确）
SamplingTime Common 2（通用采样时间 2）：1.5 Cycles
Trigger Frequency（触发频率）：Low frequency
External Trigger Conversion Source（外部触发转换源）：Regular Conversion launched by software（使用间隔触发模式时，需要设置）
External Trigger Conversion Edge（外部触发转换沿）：None
Oversampling Mode（过采样模式）：Disabled
Sampling Time（采样时间）：Sampling time common 1（使用采样时间 1）

六、API 接口

ADC 采样和转化流程：
开启 ADC 采样校准模式
开启 ADC 采样转化功能
等待采样+转化结束，数字信号被存放到数据寄存器中
从数据寄存器中读取数字信号
通过模数转化公式，将数字信号转换为模拟信号，并在串口终端打印
注意：ADC 的校准采样必须在开启采样前或者关闭采样后

6.1 HAL_ADC_Start 函数

HAL_StatusTypeDef HAL_ADC_Start(ADC_HandleTypeDef *hadc)
功能：
        HAL库提供的用于开启ADC采样转化功能的函数
参数：
        hadc：ADC4外设控制器的句柄
返回值：
        函数执行成功，返回HAL_OK
        函数执行失败，返回错误码

6.2 HAL_ADC_GetValue 函数

uint32_t HAL_ADC_GetValue(const ADC_HandleTypeDef *hadc)
功能：
        HAL库提供的用于获取转化完毕的数字信号的函数
参数：
        hadc：ADC4外设控制器的句柄
返回值：
        返回成功获取的数字信号

6.3 HAL_ADC_PollForConversion 函数

HAL_StatusTypeDef HAL_ADC_PollForConversion(ADC_HandleTypeDef *hadc, uint32_t Timeout)
功能：
         HAL库提供的用于阻塞等待ADC采样+转化完毕，数据被存放到数据寄存器中的函数
参数：
        hadc：ADC4外设控制器的句柄 Timeout：超时检测时间，当前函数的最大阻塞时间
返回值：
        当ADC采样+转化数据完毕后，表示这个函数执行成功，函数执行成功，返回HAL_OK
        当ADC采样+转化数据没结束时，此时这个函数处于阻塞状态
        函数执行失败，返回错误码
HAL_MAX_DELAY 宏
#define HAL_MAX_DELAY      0xFFFFFFFFU

6.4 HAL_ADC_Stop 函数

HAL_StatusTypeDef HAL_ADC_Stop(ADC_HandleTypeDef *hadc)
功能：
        HAL库提供的用于关闭ADC采样转化功能的函数
参数：
        hadc：ADC4外设控制器的句柄
返回值：
        函数执行成功，返回HAL_OK
        函数执行失败，返回错误码

6.5 HAL_ADCEx_Calibration_Start 校准采样函数

HAL_StatusTypeDef 
HAL_ADCEx_Calibration_Start
(ADC_HandleTypeDef *hadc, uint32_t CalibrationMode, uint32_t SingleDiff)
功能：
        HAL库提供的用于校准ADC采样的函数（此函数只需要开启一次即可）
参数：
        hadc：ADC4外设控制器的句柄
        CalibrationMode：校准模式的设置
                ADC_CALIB_OFFSET 偏移量校准方式（最基础的）
                ADC_CALIB_OFFSET_LINEARITY 硬件线性化校准（高级的）线性化校准比偏移量校准更准确，一般使用一些高精度仪器上
        SingleDiff：输入的模拟信号的选择
                ADC_SINGLE_ENDED：输入单端信号（一个信号就代表一个电信号）                 ADC_DIFFERENTIAL_ENDED：输入差分信号（两个信号代表一个电信号）
返回值：
        函数执行成功，返回HAL_OK
        函数执行失败，返回错误码

七、代码编写

7.1 单通道单次转换模式

1）main.c 重写 fputc 函数

/* Private includes ----------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN Includes */
#include "stdio.h"
/* USER CODE END Includes *//* Private user code ---------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN 0 */
int fputc(int ch,FILE* stream)
{HAL_UART_Transmit(&huart1,(uint8_t*)&ch,1,5);return ch;
}
/* USER CODE END 0 */

八、DMA 介绍

DMA (General purpose direct memory access controller)：通用可编程直接内存访问控制器
内存：广义的内存，包括虚拟内存地址和物理内存地址
DMA 本质是硬件缓冲区（FIFO）

DMA 的作用
减轻 CPU 的压力，将简单的数据存储工作交给 DMA 去做，让 CPU 只负责逻辑处理和数据处理。

图 1 DMA 图示

1. GPDMA 支持 16 个独立通道，每个通道都可以用来独立暂存数据