玩转STM32-F429系列：ADC的电压采集功能详解（第30章）
第30章 ADC—电压采集
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本章参考资料：《STM32F4xx中文参考手册》ADC章节。
学习本章时，配合《STM32F4xx中文参考手册》ADC章节一起阅读，效果会更佳，特别是涉及到寄存器说明的部分。
30.1 ADC简介
STM32F429IGT6有3个ADC，每个ADC有12位、10位、8位和6位可选，每个ADC有16个外部通道。另外还有两个内部ADC源和VBAT通道挂在ADC1上。ADC具有独立模式、双重模式和三重模式，对于不同AD转换要求几乎都有合适的模式可选。ADC功能非常强大，具体的我们在功能框图中分析每个部分的功能。
30.2 ADC功能框图剖析
图 01 单个ADC功能框图
掌握了ADC的功能框图，就可以对ADC有一个整体的把握，在编程的时候可以做到了然如胸，不会一知半解。框图讲解采用从左到右的方式，跟ADC采集数据，转换数据，传输数据的方向大概一致。
1. ①电压输入范围
ADC输入范围为：VREF- ≤ VIN≤ VREF+。由VREF-、VREF+、VDDA、VSSA、这四个外部引脚决定。
我们在设计原理图的时候一般把VSSA和VREF-接地，把VREF+和VDDA接3V3，得到ADC的输入电压范围为：0~3.3V。
如果我们想让输入的电压范围变宽，去到可以测试负电压或者更高的正电压，我们可以在外部加一个电压调理电路，把需要转换的电压抬升或者降压到0~3.3V，这样ADC就可以测量了。
2. ②输入通道
我们确定好ADC输入电压之后，那么电压怎么输入到ADC？这里我们引入通道的概念，STM32的ADC多达19个通道，其中外部的16个通道就是框图中的ADCx_IN0、ADCx_IN1...ADCx_IN5。这16个通道对应着不同的IO口，具体是哪一个IO口可以从手册查询到。其中ADC1/2/3还有内部通道： ADC1的通道ADC1_IN16连接到内部的VSS，通道ADC1_IN17连接到了内部参考电压VREFINT连接，通道ADC1_IN18连接到了芯片内部的温度传感器或者备用电源VBAT。ADC2和ADC3的通道16、17、18全部连接到了内部的VSS。
图 02 STM32F429IGT6 ADC 通道
外部的16个通道在转换的时候又分为规则通道和注入通道，其中规则通道最多有16路，注入通道最多有4路。那这两个通道有什么区别？在什么时候使用？
规则通道
规则通道：顾名思意，规则通道就是很规矩的意思，我们平时一般使用的就是这个通道，或者应该说我们用到的都是这个通道，没有什么特别要注意的可讲。
注入通道
注入，可以理解为插入，插队的意思，是一种不安分的通道。它是一种在规则通道转换的时候强行插入要转换的一种。如果在规则通道转换过程中，有注入通道插队，那么就要先转换完注入通道，等注入通道转换完成后，再回到规则通道的转换流程。这点跟中断程序很像，都是不安分的主。所以，注入通道只有在规则通道存在时才会出现。
3. ③转换顺序
规则序列
规则序列寄存器有3个，分别为SQR3、SQR2、SQR1。SQR3控制着规则序列中的第一个到第六个转换，对应的位为：SQ1[4:0]~SQ6[4:0]，第一次转换的是位4:0 SQ1[4:0]，如果通道16想第一次转换，那么在SQ1[4:0]写16即可。SQR2控制着规则序列中的第7到第12个转换，对应的位为：SQ7[4:0]~SQ12[4:0]，如果通道1想第8个转换，则SQ8[4:0]写1即可。SQR1控制着规则序列中的第13到第16个转换，对应位为：SQ13[4:0]~SQ16[4:0]，如果通道6想第10个转换，则SQ10[4:0]写6即可。具体使用多少个通道，由SQR1的位L[3:0]决定，最多16个通道。
图 03 规则序列寄存器
注入序列
注入序列寄存器JSQR只有一个，最多支持4个通道，具体多少个由JSQR的JL[2:0]决定。如果JL的值小于4的话，则JSQR跟SQR决定转换顺序的设置不一样，第一次转换的不是JSQR1[4:0]，而是JCQRx[4:0] ，x = （4-JL），跟SQR刚好相反。如果JL=00（1个转换），那么转换的顺序是从JSQR4[4:0]开始，而不是从JSQR1[4:0]开始，这个要注意，编程的时候不要搞错。当JL等于4时，跟SQR一样。
图 04 注入序列寄存器
4. ④触发源
通道选好了，转换的顺序也设置好了，那接下来就该开始转换了。ADC转换可以由ADC控制寄存器2: ADC_CR2的ADON这个位来控制，写1的时候开始转换，写0的时候停止转换，这个是最简单也是最好理解的开启ADC转换的控制方式，理解起来没啥技术含量。
除了这种庶民式的控制方法，ADC还支持外部事件触发转换，这个触发包括内部定时器触发和外部IO触发。触发源有很多，具体选择哪一种触发源，由ADC控制寄存器2:ADC_CR2的EXTSEL[2:0]和JEXTSEL[2:0]位来控制。EXTSEL[2:0]用于选择规则通道的触发源，JEXTSEL[2:0]用于选择注入通道的触发源。选定好触发源之后，触发源是否要激活，则由ADC控制寄存器2:ADC_CR2的EXTTRIG和JEXTTRIG这两位来激活。
如果使能了外部触发事件，我们还可以通过设置ADC控制寄存器2:ADC_CR2的EXTEN[1:0]和JEXTEN[1:0]来控制触发极性，可以有4种状态，分别是：禁止触发检测、上升沿检测、下降沿检测以及上升沿和下降沿均检测。
5. ⑤转换时间
ADC时钟
ADC输入时钟ADC_CLK由PCLK2经过分频产生，最大值是36MHz，典型值为30MHz，分频因子由ADC通用控制寄存器ADC_CCR的ADCPRE[1:0]设置，可设置的分频系数有2、4、6和8，注意这里没有1分频。对于STM32F429IGT6我们一般设置PCLK2=HCLK/2=90MHz。所以程序一般使用4分频或者6分频。
采样时间
ADC需要若干个ADC_CLK周期完成对输入的电压进行采样，采样的周期数可通过ADC 采样时间寄存器ADC_SMPR1和ADC_SMPR2中的SMP[2:0]位设置，ADC_SMPR2控制的是通道0~9，ADC_SMPR1控制的是通道10~17。每个通道可以分别用不同的时间采样。其中采样周期最小是3个，即如果我们要达到最快的采样，那么应该设置采样周期为3个周期，这里说的周期就是1/ADC_CLK。
ADC的总转换时间跟ADC的输入时钟和采样时间有关，公式为：
Tconv = 采样时间 + 12个周期
当ADCCLK = 30MHz，即PCLK2为60MHz，ADC时钟为2分频，采样时间设置为3个周期，那么总的转换时为：Tconv = 3 + 12 = 15个周期 =0.5us。
一般我们设置PCLK2=90MHz，经过ADC预分频器能分频到最大的时钟只能是22.5M，采样周期设置为3个周期，算出最短的转换时间为0.6667us，这个才是最常用的。
6. ⑥数据寄存器
一切准备就绪后，ADC转换后的数据根据转换组的不同，规则组的数据放在ADC_DR寄存器，注入组的数据放在JDRx。如果是使用双重或者三重模式那规矩组的数据是存放在通用规矩寄存器ADC_CDR内的。
规则数据寄存器ADC_DR
ADC规则组数据寄存器ADC_DR只有一个，是一个32位的寄存器，只有低16位有效并且只是用于独立模式存放转换完成数据。因为ADC的最大精度是12位，ADC_DR是16位有效，这样允许ADC存放数据时候选择左对齐或者右对齐，具体是以哪一种方式存放，由ADC_CR2的11位ALIGN设置。假如设置ADC精度为12位，如果设置数据为左对齐，那AD转换完成数据存放在ADC_DR寄存器的[4:15]位内；如果为右对齐，则存放在ADC_DR寄存器的[0:11]位内。
规则通道可以有16个这么多，可规则数据寄存器只有一个，如果使用多通道转换，那转换的数据就全部都挤在了DR里面，前一个时间点转换的通道数据，就会被下一个时间点的另外一个通道转换的数据覆盖掉，所以当通道转换完成后就应该把数据取走，或者开启DMA模式，把数据传输到内存里面，不然就会造成数据的覆盖。最常用的做法就是开启DMA传输。
如果没有使用DMA传输，我们一般都需要使用ADC状态寄存器ADC_SR获取当前ADC转换的进度状态，进而进行程序控制。
注入数据寄存器ADC_JDRx
ADC注入组最多有4个通道，刚好注入数据寄存器也有4个，每个通道对应着自己的寄存器，不会跟规则寄存器那样产生数据覆盖的问题。ADC_JDRx是32位的，低16位有效，高16位保留，数据同样分为左对齐和右对齐，具体是以哪一种方式存放，由ADC_CR2的11位ALIGN设置。
通用规则数据寄存器ADC_CDR
规则数据寄存器ADC_DR是仅适用于独立模式的，而通用规则数据寄存器ADC_CDR是适用于双重和三重模式的。独立模式就是仅仅适用三个ADC的其中一个，双重模式就是同时使用ADC1和ADC2，而三重模式就是三个ADC同时使用。在双重或者三重模式下一般需要配合DMA数据传输使用。
7. ⑦中断
转换结束中断
数据转换结束后，可以产生中断，中断分为四种：规则通道转换结束中断，注入转换通道转换结束中断，模拟看门狗中断和溢出中断。其中转换结束中断很好理解，跟我们平时接触的中断一样，有相应的中断标志位和中断使能位，我们还可以根据中断类型写相应配套的中断服务程序。
模拟看门狗中断
当被ADC转换的模拟电压低于低阈值或者高于高阈值时，就会产生中断，前提是我们开启了模拟看门狗中断，其中低阈值和高阈值由ADC_LTR和ADC_HTR设置。例如我们设置高阈值是2.5V，那么模拟电压超过2.5V的时候，就会产生模拟看门狗中断，反之低阈值也一样。
溢出中断
如果发生DMA传输数据丢失，会置位ADC状态寄存器ADC_SR的OVR位，如果同时使能了溢出中断，那在转换结束后会产生一个溢出中断。
DMA请求
规则和注入通道转换结束后，除了产生中断外，还可以产生DMA请求，把转换好的数据直接存储在内存里面。对于独立模式的多通道AD转换使用DMA传输非常有必须要，程序编程简化了很多。对于双重或三重模式使用DMA传输几乎可以说是必要的。有关DMA请求需要配合《STM32F4xx中文参考手册》DMA控制器这一章节来学习。一般我们在使用ADC的时候都会开启DMA传输。
8. ⑧电压转换
模拟电压经过ADC转换后，是一个相对精度的数字值，如果通过串口以16进制打印出来的话，可读性比较差，那么有时候我们就需要把数字电压转换成模拟电压，也可以跟实际的模拟电压（用万用表测）对比，看看转换是否准确。
我们一般在设计原理图的时候会把ADC的输入电压范围设定在：0~3.3v，如果设置ADC为12位的，那么12位满量程对应的就是3.3V，12位满量程对应的数字值是：2^12。数值0对应的就是0V。如果转换后的数值为 X ，X对应的模拟电压为Y，那么会有这么一个等式成立： 2^12 / 3.3 = X / Y，=> Y = (3.3 * X ) / 2^12。
30.3 ADC初始化结构体详解
标准库函数对每个外设都建立了一个初始化结构体xxx_InitTypeDef(xxx为外设名称)，结构体成员用于设置外设工作参数，并由标准库函数xxx_Init()调用这些设定参数进入设置外设相应的寄存器，达到配置外设工作环境的目的。
结构体xxx_InitTypeDef和库函数xxx_Init配合使用是标准库精髓所在，理解了结构体xxx_InitTypeDef每个成员意义基本上就可以对该外设运用自如了。结构体xxx_InitTypeDef定义在stm32f4xx_xxx.h文件中，库函数xxx_Init定义在stm32f4xx_xxx.c文件中，编程时我们可以结合这两个文件内注释使用。
ADC_InitTypeDef结构体
ADC_InitTypeDef结构体定义在stm32f4xx_adc.h文件内，具体定义如下：
1 typedef struct {
2 uint32_t ADC_Resolution; //ADC分辨率选择
3 FunctionalState ADC_ScanConvMode; //ADC扫描选择
4 FunctionalState ADC_ContinuousConvMode; //ADC连续转换模式选择
5 uint32_t ADC_ExternalTrigConvEdge; //ADC外部触发极性
6 uint32_t ADC_ExternalTrigConv; //ADC外部触发选择
7 uint32_t ADC_DataAlign; //输出数据对齐方式
8 uint8_t ADC_NbrOfChannel; //转换通道数目
9 } ADC_InitTypeDef;
ADC_Resolution：配置ADC的分辨率，可选的分辨率有12位、10位、8位和6位。分辨率越高，AD转换数据精度越高，转换时间也越长；分辨率越低，AD转换数据精度越低，转换时间也越短。
ScanConvMode：可选参数为ENABLE和DISABLE，配置是否使用扫描。如果是单通道AD转换使用DISABLE，如果是多通道AD转换使用ENABLE。
ADC_ContinuousConvMode：可选参数为ENABLE和DISABLE，配置是启动自动连续转换还是单次转换。使用ENABLE配置为使能自动连续转换；使用DISABLE配置为单次转换，转换一次后停止需要手动控制才重新启动转换。
ADC_ExternalTrigConvEdge：外部触发极性选择，如果使用外部触发，可以选择触发的极性，可选有禁止触发检测、上升沿触发检测、下降沿触发检测以及上升沿和下降沿均可触发检测。
ADC_ExternalTrigConv：外部触发选择，图 01中列举了很多外部触发条件，可根据项目需求配置触发来源。实际上，我们一般使用软件自动触发。
ADC_DataAlign：转换结果数据对齐模式，可选右对齐ADC_DataAlign_Right或者左对齐ADC_DataAlign_Left。一般我们选择右对齐模式。
ADC_NbrOfChannel：AD转换通道数目。
ADC_CommonInitTypeDef结构体
ADC除了有ADC_InitTypeDef初始化结构体外，还有一个ADC_CommonInitTypeDef通用初始化结构体。ADC_CommonInitTypeDef结构体内容决定三个ADC共用的工作环境，比如模式选择、ADC时钟等等。
ADC_CommonInitTypeDef结构体也是定义在stm32_f4xx.h文件中，具体定义如下：
1 typedef struct {
2 uint32_t ADC_Mode; //ADC模式选择
3 uint32_t ADC_Prescaler; //ADC分频系数
4 uint32_t ADC_DMAAccessMode; //DMA模式配置
5 uint32_t ADC_TwoSamplingDelay; //采样延迟
6 } ADC_InitTypeDef;
ADC_Mode：ADC工作模式选择，有独立模式、双重模式以及三重模式。
ADC_Prescaler：ADC时钟分频系数选择，ADC时钟是有PCLK2分频而来，分频系数决定ADC时钟频率，可选的分频系数为2、4、6和8。ADC最大时钟配置为36MHz。
ADC_DMAAccessMode：DMA模式设置，只有在双重或者三重模式才需要设置，可以设置三种模式，具体可参考参考手册说明。
ADC_TwoSamplingDelay：2个采样阶段之前的延迟，仅适用于双重或三重交错模式。
30.4 独立模式单通道采集实验
STM32的ADC功能繁多，我们设计三个实验尽量完整的展示ADC的功能。首先是比较基础实用的单通道采集，实现开发板上电位器的动触点输出引脚电压的采集并通过串口打印至PC端串口调试助手。单通道采集适用AD转换完成中断，在中断服务函数中读取数据，不使用DMA传输，在多通道采集时才使用DMA传输。
30.4.1 硬件设计
开发板板载一个贴片滑动变阻器，电路设计见图 05。
图 05 开发板电位器部分原理图
贴片滑动变阻器的动触点通过连接至STM32芯片的ADC通道引脚。当我们使用旋转滑动变阻器调节旋钮时，其动触点电压也会随之改变，电压变化范围为0~3.3V，亦是开发板默认的ADC电压采集范围。
30.4.2 软件设计
这里只讲解核心的部分代码，有些变量的设置，头文件的包含等并没有涉及到，完整的代码请参考本章配套的工程。
我们编写两个ADC驱动文件，bsp_adc.h 和 bsp_adc.c，用来存放ADC所用IO引脚的初始化函数以及ADC配置相关函数。
1. 编程要点
1) 初始化配置ADC目标引脚为模拟输入模式；
2) 使能ADC时钟；
3) 配置通用ADC为独立模式，采样4分频；
4) 设置目标ADC为12位分辨率，1通道的连续转换，不需要外部触发；
5) 设置ADC转换通道顺序及采样时间；
6) 配置使能ADC转换完成中断，在中断内读取转换完数据；
7) 启动ADC转换；
8) 使能软件触发ADC转换。
ADC转换结果数据使用中断方式读取，这里没有使用DMA进行数据传输。
2. 代码分析
ADC宏定义
代码清单 01 ADC宏定义
1 #define Rheostat_ADC_IRQ ADC_IRQn
2 #define Rheostat_ADC_INT_FUNCTION ADC_IRQHandler
3
4 #define RHEOSTAT_ADC_GPIO_PORT GPIOC
5 #define RHEOSTAT_ADC_GPIO_PIN GPIO_Pin_3
6 #define RHEOSTAT_ADC_GPIO_CLK RCC_AHB1Periph_GPIOC
7
8 #define RHEOSTAT_ADC ADC1
9 #define RHEOSTAT_ADC_CLK RCC_APB2Periph_ADC1
10 #define RHEOSTAT_ADC_CHANNEL ADC_Channel_13
使用宏定义引脚信息方便硬件电路改动时程序移植。
ADC GPIO初始化函数
代码清单 02 ADC GPIO初始化
1 static void Rheostat_ADC_GPIO_Config(void)
2 {
3 GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
4
5 // 使能 GPIO 时钟
6 RCC_AHB1PeriphClockCmd(RHEOSTAT_ADC_GPIO_CLK, ENABLE);
7
8 // 配置 IO
9 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = RH