「正点原子STM32Mini板资料连载」第二十章 ADC 实验

1）实验平台：正点原子STM32mini 开发板
2）摘自《正点原子STM32 不完全手册(HAL 库版)》关注官方微信号公众号，获取更多资料：正点原子


第二十章 ADC 实验
本章我们将向大家介绍 STM32 的 ADC 功能。在本章中，我们将使用 STM32 的 ADC1 通
道 1 来采样外部电压值，并在 TFTLCD 模块上显示出来。本章将分为如下几个部分：
20.1 STM32 ADC 简介
20.2 硬件设计
20.3 软件设计
20.4 下载验证
20.1 STM32 ADC 简介
STM32 拥有 1~3 个 ADC（STM32F101/102 系列只有 1 个 ADC），这些 ADC 可以独立使用，
也可以使用双重模式（提高采样率）。STM32 的 ADC 是 12 位逐次逼近型的模拟数字转换器。
它有 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。 模拟看
门狗特性允许应用程序检测输入电压是否超出用户定义的高/低阀值。
STM32F103 系列最少都拥有 2 个 ADC，我们选择的 STM32F103RCT 包含有 3 个 ADC。
STM32 的 ADC 最大的转换速率为 1Mhz，也就是转换时间为 1us（在 ADCCLK=14M,采样周期
为 1.5 个 ADC 时钟下得到），不要让 ADC 的时钟超过 14M，否则将导致结果准确度下降。
STM32 将 ADC 的转换分为 2 个通道组：规则通道组和注入通道组。规则通道相当于你正
常运行的程序，而注入通道呢，就相当于中断。在你程序正常执行的时候，中断是可以打断你
的执行的。同这个类似，注入通道的转换可以打断规则通道的转换， 在注入通道被转换完成之
后，规则通道才得以继续转换。
通过一个形象的例子可以说明：假如你在家里的院子内放了 5 个温度探头，室内放了 3 个
温度探头；你需要时刻监视室外温度即可，但偶尔你想看看室内的温度；因此你可以使用规则
通道组循环扫描室外的 5 个探头并显示 AD 转换结果，当你想看室内温度时，通过一个按钮启
动注入转换组(3 个室内探头)并暂时显示室内温度，当你放开这个按钮后，系统又会回到规则通
道组继续检测室外温度。从系统设计上，测量并显示室内温度的过程中断了测量并显示室外温
度的过程，但程序设计上可以在初始化阶段分别设置好不同的转换组，系统运行中不必再变更
循环转换的配置，从而达到两个任务互不干扰和快速切换的结果。可以设想一下，如果没有规
则组和注入组的划分，当你按下按钮后，需要从新配置 AD 循环扫描的通道，然后在释放按钮
后需再次配置 AD 循环扫描的通道。
上面的例子因为速度较慢，不能完全体现这样区分(规则通道组和注入通道组)的好处，但
在工业应用领域中有很多检测和监视探头需要较快地处理，这样对 AD 转换的分组将简化事件
处理的程序并提高事件处理的速度。
STM32 其 ADC 的规则通道组最多包含 16 个转换，而注入通道组最多包含 4 个通道。关于
这两个通道组的详细介绍，请参考《STM32 参考手册的》第 155 页，第 11 章。
STM32 的 ADC 可以进行很多种不同的转换模式，这些模式在《STM32 参考手册》的第 11
章也都有详细介绍，我们这里就不在一一列举了。我们本章仅介绍如何使用规则通道的单次转
换模式。
STM32 的 ADC 在单次转换模式下，只执行一次转换，该模式可以通过 ADC_CR2 寄存器
的 ADON 位（只适用于规则通道）启动，也可以通过外部触发启动（适用于规则通道和注入通
道），这是 CONT 位为 0。
以规则通道为例，一旦所选择的通道转换完成，转换结果将被存在 ADC_DR 寄存器中，
EOC（转换结束）标志将被置位，如果设置了 EOCIE，则会产生中断。然后 ADC 将停止，直
到下次启动。
接下来，我们介绍一下我们执行规则通道的单次转换，需要用到的 ADC 寄存器。第一个
要介绍的是 ADC 控制寄存器（ADC_CR1 和 ADC_CR2）。ADC_CR1 的各位描述如图 22.1.1 所
示：

这里我们不再详细介绍每个位，而是抽出几个我们本章要用到的位进行针对性的介绍，详
细的说明及介绍，请参考《STM32 参考手册》第 11 章的相关章节。
ADC_CR1 的 SCAN 位，该位用于设置扫描模式，由软件设置和清除，如果设置为 1，则
使用扫描模式，如果为 0，则关闭扫描模式。在扫描模式下，由 ADC_SQRx 或 ADC_JSQRx 寄
存器选中的通道被转换。如果设置了 EOCIE 或 JEOCIE，只在最后一个通道转换完毕后才会产
生 EOC 或 JEOC 中断。
ADC_CR1[19：16]用于设置 ADC 的操作模式，详细的对应关系如图 20.1.2 所示：


本章我们要使用的是独立模式，所以设置这几位为 0 就可以了。接着我们介绍 ADC_CR2，
该寄存器的各位描述如图 20.1.3 所示：


该寄存器我们也只针对性的介绍一些位：ADON 位用于开关 AD 转换器。而 CONT 位用于
设置是否进行连续转换，我们使用单次转换，所以 CONT 位必须为 0。CAL 和 RSTCAL 用于
AD 校准。ALIGN 用于设置数据对齐，我们使用右对齐，该位设置为 0。
EXTSEL[2：0]用于选择启动规则转换组转换的外部事件，详细的设置关系如图 20.1.4 所示：


我们这里使用的是软件触发（SWSTART），所以设置这 3 个位为 111。ADC_CR2 的
SWSTART 位用于开始规则通道的转换，我们每次转换（单次转换模式下）都需要向该位写 1。
AWDEN 为用于使能温度传感器和 Vrefint。STM32 内部的温度传感器我们将在下一节介绍。
第二个要介绍的是 ADC 采样事件寄存器（ADC_SMPR1 和 ADC_SMPR2），这两个寄存器
用于设置通道 0~17 的采样时间，每个通道占用 3 个位。ADC_SMPR1 的各位描述如图 20.1.5
所示


ADC_SMPR2 的各位描述如下图 20.1.6 所示：


对于每个要转换的通道，采样时间建议尽量长一点，以获得较高的准确度，但是这样会降
低 ADC 的转换速率。ADC 的转换时间可以由以下公式计算：
Tcovn=采样时间+12.5 个周期
其中：Tcovn 为总转换时间，采样时间是根据每个通道的 SMP 位的设置来决定的。例如，
当 ADCCLK=14Mhz 的时候，并设置 1.5 个周期的采样时间，则得到：Tcovn=1.5+12.5=14 个周
期=1us。
第三个要介绍的是 ADC 规则序列寄存器（ADC_SQR1~3）,该寄存器总共有 3 个，这几个
寄存器的功能都差不多，这里我们仅介绍一下 ADC_SQR1，该寄存器的各位描述如图 20.1.7 所
示：

L[3：0]用于存储规则序列的长度，我们这里只用了 1 个，所以设置这几个位的值为 0。其
他的 SQ13~16 则存储了规则序列中第 13~16 通道的编号（编号范围：0~17）。另外两个规则序
列寄存器同 ADC_SQR1 大同小异，我们这里就不再介绍了，要说明一点的是：我们选择的是
单次转换，所以只有一个通道在规则序列里面，这个序列就是 SQ1，通过 ADC_SQR3 的最低 5
位（也就是 SQ1）设置。
第四个要介绍的是 ADC 规则数据寄存器(ADC_DR)。规则序列中的 AD 转化结果都将被存
在这个寄存器里面，而注入通道的转换结果被保存在 ADC_JDRx 里面。ADC_DR 的各位描述
如图 20.1.8：


这里要提醒一点的是，该寄存器的数据可以通过 ADC_CR2 的 ALIGN 位设置左对齐还是
右对齐。在读取数据的时候要注意。
最后一个要介绍的 ADC 寄存器为 ADC 状态寄存器（ADC_SR），该寄存器保存了 ADC 转
换时的各种状态。该寄存器的各位描述如图 20.1.9 所示：

这里我们要用到的是 EOC 位，我们通过判断该位来决定是否此次规则通道的 AD 转换已经
完成，如果完成我们就从 ADC_DR 中读取转换结果，否则等待转换完成。
通过以上介绍，我们了解了 STM32 的单次转换模式下的相关设置，本章我们使用 ADC1
的通道 1 来进行 AD 转换，这里需要说明一下，使用到的库函数分布在 stm32f1xx_adc.c 文件和
stm32f1xx_adc.h 文件中。下面讲解其详细设置步骤：
1）开启 PA 口时钟和 ADC1 时钟，设置 PA1 为模拟输入。
STM32F103ZET6 的 ADC 通道 1 在 PA1 上，所以，我们先要使能 PORTA 的时钟，然后设
置 PA1 为模拟输入。同时我们要把 PA1 复用为 ADC，所以我们要使能 ADC1 时钟。
使能 GPIOA 时钟和 ADC1 时钟都很简单，具体方法为：
__HAL_RCC_ADC1_CLK_ENABLE();
//使能 ADC1 时钟
__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
//开启 GPIOA 时钟
初始化 GPIOA1 为模拟输入，方法也多次讲解，关键代码为：
GPIO_InitTypeDef GPIO_Initure;
GPIO_Initure.Pin=GPIO_PIN_1; //PA1
GPIO_Initure.Mode=GPIO_MODE_ANALOG; //模拟
GPIO_Initure.Pull=GPIO_NOPULL; //不带上下拉
HAL_GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_Initure);
2）初始化 ADC，设置 ADC 时钟分频系数，分辨率，模式，扫描方式，对齐方式等信息。
在 HAL 库中，初始化 ADC 是通过函数 HAL_ADC_Init 来实现的，该函数声明为：
HAL_StatusTypeDef HAL_ADC_Init(ADC_HandleTypeDef* hadc);
该函数只有一个入口参数 hadc，为 ADC_HandleTypeDef 结构体指针类型，结构体定义为：
typedef struct
{
ADC_TypeDef
*Instance; //ADC1/ ADC2/ ADC3
ADC_InitTypeDef
Init; //初始化结构体变量
DMA_HandleTypeDef
*DMA_Handle; //DMA 方式使用
HAL_LockTypeDef
Lock;
__IO HAL_ADC_StateTypeDef
State;
__IO uint32_t
ErrorCode;
}ADC_HandleTypeDef;
该结构体定义和其他外设比较类似，我们着重看第二个成员变量 Init 含义，它是结构体
ADC_InitTypeDef 类型，结构体 ADC_InitTypeDef 定义为：
typedef struct
{
uint32_t DataAlign; //对齐方式：左对齐还是右对齐：ADC_DATAALIGN_RIGHT
uint32_t ScanConvMode; //扫描模式 DISABLE
uint32_t ContinuousConvMode;//开启连续转换模式或者单次转换模式 DISABLE
uint32_t NbrOfConversion; //规则序列中有多少个转换 1
uint32_t DiscontinuousConvMode;//不连续采样模式 DISABLE
uint32_t NbrOfDiscConversion;//不连续采样通道数 0
uint32_t ExternalTrigConv; //外部触发方式 ADC_SOFTWARE_START
}ADC_InitTypeDef;
我们直接把每个成员变量含义注释在结构体定义的后面，请大家仔细阅读上面注释。
这里我们需要说明一下，和其他外设一样，HAL 库同样提供了 ADC 的 MSP 初始化函数，
一般情况下，时钟使能和 GPIO 初始化都会放在 MSP 初始化函数中。函数声明为：
void HAL_ADC_MspInit(ADC_HandleTypeDef* hadc);
4）开启 AD 转换器。
在设置完了以上信息后，我们就开启 AD 转换器了（通过 ADC_CR2 寄存器控制）。
HAL_ADC_Start(&ADC1_Handler); //开启 ADC
5）配置通道，读取通道 ADC 值。
在上面的步骤完成后，ADC 就算准备好了。接下来我们要做的就是设置规则序列 1 里面的
通道，然后启动 ADC 转换。在转换结束后，读取转换结果值值就是了。
设置规则序列通道以及采样周期的函数是:
HAL_StatusTypeDef HAL_ADC_ConfigChannel(ADC_HandleTypeDef* hadc,
ADC_ChannelConfTypeDef* sConfig);
该函数有两个入口参数，第一个就不用多说了，接下来我们看第二个入口参数 sConfig，它
是 ADC_ChannelConfTypeDef 结构体指针类型，结构体定义如下：
typedef struct
{
uint32_t Channel;
//ADC 通道
uint32_t Rank;
//规则通道中的第几个转换
uint32_t SamplingTime;
//采样时间
}ADC_ChannelConfTypeDef;
该结构体有四个成员变量，对于 STM32F1 只用到前面三个。Channel 用来设置 ADC 通道，
Rank 用来设置要配置的通道是规则序列中的第几个转换，SamplingTime 用来设置采样时间。
使用实例为：
ADC1_ChanConf.Channel=ch; //通道
ADC1_ChanConf.Rank=1; //第 1 个序列，序列 1
ADC1_ChanConf.SamplingTime=ADC_SAMPLETIME_239CYCLES_5; //采样时间
HAL_ADC_ConfigChannel(&ADC1_Handler,&ADC1_ChanConf); //通道配置
配置好通道并且使能 ADC 后，接下来就是读取 ADC 值。这里我们采取的是查询方式读取，
所以我们还要等待上一次转换结束。此过程 HAL 库 提 供 了 专 用 函 数
HAL_ADC_PollForConversion，函数定义为：
HAL_StatusTypeDef HAL_ADC_PollForConversion(ADC_HandleTypeDef* hadc,
uint32_t Timeout);
等待上一次转换结束之后，接下来就是读取 ADC 值，函数为：
uint32_t HAL_ADC_GetValue(ADC_HandleTypeDef* hadc);
这两个函数的使用方法都比较简单，这里我们就不累赘了。
这里还需要说明一下 ADC 的参考电压，战舰 STM32 开发板使用的是 STM32F103ZET6，
该芯片有外部参考电压：Vref-和 Vref+，其中 Vref-必须和 VSSA 连接在一起，而 Vref+的输入
范围为：2.4~VDDA。战舰 STM23 开发板通过 P7 端口，设置 Vref-和 Vref+设置参考电压，默
认的我们是通过跳线帽将 Vref-接到 GND，Vref+接到 VDDA，参考电压就是 3.3V。如果大家想
自己设置其他参考电压，将你的参考电压接在 Vref-和 Vref+上就 OK 了。本章我们的参考电压
设置的是 3.3V。
通过以上几个步骤的设置，我们就能正常的使用 STM32 的 ADC1 来执行 AD 转换操作了。
20.2 硬件设计
本实验用到的硬件资源有：
1） 指示灯 DS0
2） TFTLCD 模块
3） ADC
4） 杜邦线
前面两个均已介绍过，而 ADC 属于 STM32 内部资源，实际上我们只需要软件设置就可以
正常工作，不过我们需要在外部连接其端口到被测电压上面。本章，我们通过 ADC1 的通道 1
（PA1）来读取外部电压值，MiniSTM32 开发板没有设计参考电压源在上面，但是板上有几个
可以提供测试的地方：1，3.3V 电源。2，GND。3，后备电池。注意：这里不能接到板上 5V
电源上去测试，这可能会烧坏 ADC!。
因为要连接到其他地方测试电压，所以我们需要一根杜邦线，或者自备的连接线也可以，
一头插在 PA1 排针上（在 P3 上），另外一头就接你要测试的电压点（确保该电压不大于 3.3V
即可）。如果是测量外部电压，则还需要和开发板共地，开发板上有很多 GND 的排针，随便连
接一个共地即可。
20.3 软件设计
打开实验工程可以发现，我们在 FWLIB 分组下面新增了 stm32f1xx_hal_adc.c 源文件，同
时会引入对应的头文件 stm32f1xx_hal_adc.h。ADC 相关的库函数和宏定义都分布在这两个文件
中。同时，我们在 HARDWARE 分组下面新建了 adc.c，也引入了对应的头文件 adc.h。这两个
文件是我们编写的 adc 相关的初始化函数和操作函数。
打开 adc.c，代码如下：
ADC_HandleTypeDef ADC1_Handler;
//ADC 句柄
//初始化 ADC
//ch: ADC_channels
//通道值 0~16 取值范围为：ADC_CHANNEL_0~ADC_CHANNEL_16
void MY_ADC_Init(void)
{
ADC_CLKInit.PeriphClockSelection=RCC_PERIPHCLK_ADC;
//ADC 外设时钟
ADC_CLKInit.AdcClockSelection=RCC_ADCPCLK2_DIV6;
//分频因子 6 时钟为 72M/6=12MHz
HAL_RCCEx_PeriphCLKConfig(&ADC_CLKInit);
//设置 ADC 时钟
ADC1_Handler.Instance=ADC1;
ADC1_Handler.Init.DataAlign=ADC_DATAALIGN_RIGHT; //右对齐
ADC1_Handler.Init.ScanConvMode=DISABLE; //非扫描模式
ADC1_Handler.Init.ContinuousConvMode=DISABLE; //关闭连续转换
ADC1_Handler.Init.NbrOfConversion=1;//1 个转换在规则序列中就是只转换规则序列 1
ADC1_Handler.Init.DiscontinuousConvMode=DISABLE; //禁止不连续采样模式
ADC1_Handler.Init.NbrOfDiscConversion=0; //不连续采样通道数为 0
ADC1_Handler.Init.ExternalTrigConv=ADC_SOFTWARE_START; //软件触发
HAL_ADC_Init(&ADC1_Handler); //初始化
HAL_ADCEx_Calibration_Start(&ADC1_Handler);
//校准 ADC
}
//ADC 底层驱动，引脚配置，时钟使能
//此函数会被 HAL_ADC_Init()调用
//hadc:ADC 句柄
void HAL_ADC_MspInit(ADC_HandleTypeDef* hadc)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_Initure;
__HAL_RCC_ADC1_CLK_ENABLE(); //使能 ADC1 时钟
__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
//开启 GPIOA 时钟
GPIO_Initure.Pin=GPIO_PIN_1;
//PA1
GPIO_Initure.Mode=GPIO_MODE_ANALOG; //模拟
GPIO_Initure.Pull=GPIO_NOPULL;
//不带上下拉
HAL_GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_Initure);
}
//获得 ADC 值
//ch: 通道值 0~16，取值范围为：ADC_CHANNEL_0~ADC_CHANNEL_16
//返回值:转换结果
u16 Get_Adc(u32 ch)
{
ADC_ChannelConfTypeDef ADC1_ChanConf;
ADC1_ChanConf.Channel=ch; //通道
ADC1_ChanConf.Rank=1; //第 1 个序列，序列 1
ADC1_ChanConf.SamplingTime=ADC_SAMPLETIME_239CYCLES_5; //采样时间
HAL_ADC_ConfigChannel(&ADC1_Handler,&ADC1_ChanConf); //通道配置
HAL_ADC_Start(&ADC1_Handler); //开启 ADC
HAL_ADC_PollForConversion(&ADC1_Handler,10); //轮询转换
return (u16)HAL_ADC_GetValue(&ADC1_Handler);
//返回最近一次 ADC1 规则组的转换结果
}
//获取指定通道的转换值，取 times 次,然后平均
//times:获取次数
//返回值:通道 ch 的 times 次转换结果平均值
u16 Get_Adc_Average(u32 ch,u8 times)
{
u32 temp_val=0;
u8 t;
for(t=0;t {
temp_val+=Get_Adc(ch);
delay_ms(5);
}
return temp_val/times;
}
此部分代码就 3 个函数，Adc_Init 函数用于初始化 ADC1。这里基本上是按我们上面的步
骤来初始化的，我们用标号①~④标示出来步骤。这里我们仅开通了 1 个通道，即通道 1。第二
个函数 Get_Adc，用于读取某个通道的 ADC 值，例如我们读取通道 1 上的 ADC 值，就可以通
过 Get_Adc（ADC_Channel_1）得到。最后一个函数 Get_Adc_Average，用于多次获取 ADC 值，
取平均，用来提高准确度。
头文件 adc.h 代码比较简单，主要是三个函数申明。接下来我们看看 main 函数内容：
int main(void)
{
u16 adcx;
float temp;
HAL_Init();
//初始化 HAL 库
Stm32_Clock_Init(RCC_PLL_MUL9); //设置时钟,72M
delay_init(72);
//初始化延时函数
uart_init(115200);
//初始化串口
usmart_dev.init(84);
//初始化 USMART
LED_Init();
//初始化 LED
LCD_Init();
//初始化 LCD
MY_ADC_Init();
//初始化 ADC1 通道 1
POINT_COLOR=RED;
LCD_ShowString(30,50,200,16,16,"Mini STM32");
LCD_ShowString(30,70,200,16,16,"ADC TEST");
LCD_ShowString(30,90,200,16,16,"ATOM@ALIENTEK");
LCD_ShowString(30,110,200,16,16,"2019/11/15");
POINT_COLOR=BLUE;//设置字体为蓝色
LCD_ShowString(30,130,200,16,16,"ADC1_CH1_VAL:");
LCD_ShowString(30,150,200,16,16,"ADC1_CH1_VOL:0.000V");//先显示小数点
while(1)
{
adcx=Get_Adc_Average(ADC_CHANNEL_1,20);//获通道 1 的转换值，20 次取平均
LCD_ShowxNum(134,130,adcx,4,16,0); //显示 ADCC 采样后的原始值
temp=(float)adcx*(3.3/4096); //获取计算后的带小数的实际电压值，比如 3.1111
adcx=temp; //赋值整数部分给 adcx 变量，因为 adcx 为 u16 整形
LCD_ShowxNum(134,150,adcx,1,16,0);
//显示电压值的整数部分，3.1111 的话，这里就是显示 3
temp-=adcx; //把已经显示的整数部分去掉，留下小数部分，比如 3.1111-3=0.1111
temp*=1000;
//小数部分乘以 1000，例 如：0.1111 就转换为 111.1，相当于保留三位小数。
LCD_ShowxNum(150,150,temp,3,16,0X80);
//显示小数部分（前面转换为了整形显示），这里显示的就是 111.
LED0=!LED0;
delay_ms(250);
}
}
此部分代码，我们在 TFTLCD 模块上显示一些提示信息后，将每隔 250ms 读取一次 ADC
通道 0 的值，并显示读到的 ADC 值（数字量），以及其转换成模拟量后的电压值。同时控制 LED0
闪烁，以提示程序正在运行。
20.4 下载验证
在代码编译成功之后，我们通过下载代码到 ALIENTEK MiniSTM32 开发板上，可以看到
LCD 显示如图 20.4.1 所示：

图 20.4.1 ADC 实验测试图

图中，我们已经拔了 RMT 和 PA1 的跳线帽，PA1 处于浮空状态，容易受干扰，所以电压
是不定的，这个是正常的现象。然后用杜邦线连接 PA1 到其他地方即可进行 AD 测试，但是一
定别接到超过 3.3V 的电压上面去，否则可能烧坏 ADC！
通过这一章的学习，我们了解了 STM32 ADC 的使用，但这仅仅是 STM32 强大的 ADC 功
能的一小点应用。STM32 的 ADC 在很多地方都可以用到，其 ADC 的 DMA 功能是很不错的，
建议有兴趣的大家深入研究下 STM32 的 ADC，相信会给你以后的开发带来方便。