STM32 CubeMX学习：7. ADC模数转化

系列文章目录

前期的准备
点亮 LED
闪烁 LED
定时器闪烁LED
PWM控制LED亮度
常见的PWM设备
按键的外部中断
ADC模数转换
串口收发
串口打印遥控器数据
未完待续…

文章目录

STM32 CubeMX学习：7. ADC模数转化
0 前言
1. 基础知识学习
- 1.1 ADC原理介绍
- 1.2 STM32F4x ADC介绍
2. 程序学习
- 2.1 ADC在CubeMX的配置
- 2.2 内部VREFINT电压的使用
- 2.3 相关函数介绍
- 2.4 程序执行流程
3. 进阶学习
总结

0 前言

我们已经知道，在单片机中传输的信号均为数字信号，通过离散的高低电平表示数字逻辑的1和0，但是在现实的物理世界中，只存在模拟信号，即连续变化的信号，将这些连续变化的信号——比如热，光，声音，速度通过各种传感器转化成连续的电信号，再通过ADC功能将连续的模拟信号转化成离散的数字信号给单片机进行处理。

1. 基础知识学习

1.1 ADC原理介绍

一般ADC的工作流程为采样，比较，转换。

采样：是指对某一时刻的模拟电压进行采集，
比较：是指将采样的电压在比较电路中进行比较，
转换：是指将比较电路中结果转换成数字量。
在我们这里，使用的STM32f4采用12位逐次逼近型ADC（SAR-ADC）。现在，以下图为例，介绍3位ADC的比较过程：

不同的位数分别赋予1/2，1/4，1/8的权值，模拟信号的采样值为Vin，
1）与1/2Vref进行比较，Vin大于1/2Vref，则将第一位标记为1，
2）与3/4Vref进行比较，Vin小于3/4Vref，则将第二位标记为0，
3）与5/8Vref进行比较，Vin小于5/8Vref，则将第三位标记为0。
图中的Vin通过这个三位的ADC后输出的结果为100。转换的结果为1/2Vref,通过这样逐次比较过程，将采样取得的模拟电压和内部参考电压Vref的加权值进行比较，不同的位数赋予不同的权值。
但是，如果我们输入为一个未知的电压，完整的比较流程图如下：

STM32支持最高12位ADC，一般ADC的位数越多则转换精度越高，但与此同时转换的速度也会变慢。
此外，STM32内部有一个校准电压VREFINT，电压为1.2V，当供电电压不为3.3V，可以使用内部的vrefint通道采集1.2V电压作为Vref，以提高精度。

1.2 STM32F4x ADC介绍

STM32F4x ADC特点
STM32F40x系列ADC外部通道和引脚对应关系

2. 程序学习

2.1 ADC在CubeMX的配置

这次我们使用引脚PF10作为电源ADC引脚，使用ADC3的通道8，STM32内部的1.2V校准电压Vrefint在ADC1中。所以我们需要按如下方式在CubeMX里进行配置。

开启ADC1和ADC3分别用于内部1.2V的Vrefint通道读取和电池电压ADC3的通道8读取。
在cubeMX中开启ADC1，在设置中将Vrefint Channel勾选，用于读取内部参考电压。ADC在cubeMX中的设置如图采样频率设置为PCLK2/4，采样位数为12位，数据设置为右对齐，其余均保持默认。其中Vrefine在stm32内部完成，没有对应引脚。

最终ADC配置如图所示。

《补充》：但是，这里还是把其中参数的具体含义给大家科普一下吧

名称	功能
Clock Prescaler	设置采样时钟频率
Resolution	设置采样精度
Data Alignment	设置数据对齐方式
Scan Conversion Mode	扫描转换模式开启/关闭
Continuous Conversion Mode	连续转换模式开启/关闭
Discontinuous Conversion Mode	非连续转换模式开启/关闭
DMA Continuous Requests	DMA连续启动开启/关闭
End of Conversion Selection	每个通道转换结束后发送EOC标志/所有通道转换结束后发送EOC标志

在CubeMX中开启ADC3，并打开其IN8用于电池电压的读取，其设置和ADC1一致。可以看到引脚图像中ADC3对应的PF10变绿。
这里我们需要把PC0，PC1,PC2引脚设置为输入模式，且这三个引脚拉为高电平，如图所示
点击GENERATE CODE生成代码

2.2 内部VREFINT电压的使用

VREFINT 即 ADC的内部参照电压1.2V。通过将采样内部参照电压1.2V的 ADC 值和 Vref 的加权值进行比较，进而得到 ADC 的输出值。一般来说STM32的 ADC 采用 Vcc 作为 Vref ，但为了防止 Vcc 存在波动较大导致Vref不稳定，进而导致采样值的比较结果不准确，STM32可以通过内部已有的参照电压VREFINT来进行校准，接着以VREFINT为参照来比较ADC的采样值，从而获得比较高的精度，VREFINT的电压为1.2V。
通过一个函数对1.2V的电压进行多次采样，并计算其平均值,接着将其与ADC采出的数据值做对比，得到单位数字电压对应的模拟电压值voltage_vrefint_proportion，其计算公式如下，设采样得到的数字值为average_adc：

average_adc=total_dac200average\_adc=\frac{total\_dac}{200} average_adc=200total_dac

voltage_vrefint_proportion=1.2vaverage_adc=200∗1.2total_adcvoltage\_vrefint\_proportion=\frac{1.2v}{average\_adc}=\frac{200 ∗ 1.2}{total\_adc} voltage_vrefint_proportion=average_adc1.2v=total_adc200∗1.2
其代码如下所示

void init_vrefint_reciprocal(void)
{ uint8_t i = 0; uint32_t total_adc = 0; for(i = 0; i < 200; i++){total_adc += adcx_get_chx_value(&hadc1, ADC_CHANNEL_VREFINT);} voltage_vrefint_proportion = 200 * 1.2f / total_adc;
}

2.3 相关函数介绍

Hal库提供了以下很多有关ADC的函数

ADC通道设置函数

HAL_StatusTypeDef HAL_ADC_ConfigChannel(ADC_HandleTypeDef* hadc, ADC_ChannelConfTypeDef* sConfig)

函数作用	设置ADC通道的各个属性值，包括转换通道，序列排序，采样时间等
返回值	HAL_StatusTypeDef，HAL库定义的几种状态，如果成功使ADC开始工作，则返回HAL_OK
参数1	TIM_HandleTypeDef * hadc即ADC的句柄指针，如果是adc1就输入&hadc1，adc2就输入&adc2
参数2	ADC_ChannelConfTypeDef* sConfig即指向ADC设置的结构体指针。我们先对sConfig结构体进行赋值，然后再将其指针作为参数输入函数

ADC开启采样函数

HAL_StatusTypeDef HAL_ADC_Start(ADC_HandleTypeDef* hadc)

函数作用	开启ADC的采样
返回值	HAL_StatusTypeDef，HAL库定义的几种状态，如果成功使ADC开始工作，则返回HAL_OK
参数	TIM_HandleTypeDef * hadc即ADC的句柄指针，如果是adc1就输入&hadc1，adc2就输入&adc2

等待ADC转换结束函数

HAL_StatusTypeDef HAL_ADC_PollForConversion(ADC_HandleTypeDef* hadc, uint32_t Timeout)

函数作用	等待ADC转换结束
返回值	HAL_StatusTypeDef，HAL库定义的几种状态，如果成功使ADC开始工作，则返回HAL_OK
参数1	TIM_HandleTypeDef * hadc即ADC的句柄指针，如果是adc1就输入&hadc1，adc2就输入&adc2
参数2	HAL_StatusTypeDef，HAL库定义的几种状态，如果成功使ADC开始工作，则返回HAL_OK

获取ADC函数

uint32_t HAL_ADC_GetValue(ADC_HandleTypeDef* hadc)

函数作用	获取ADC值
返回值	HAL_StatusTypeDef，HAL库定义的几种状态，如果成功使ADC开始工作，则返回HAL_OK
参数	TIM_HandleTypeDef * hadc即ADC的句柄指针，如果是adc1就输入&hadc1，adc2就输入&adc2

2.4 程序执行流程

本程序中，首先对内部参考电压电压VREFINT进行adc采样将其作为校准值，在init_vrefint_reciprocal中，对VREFINT电压进行200次的采样，接着求其均值后使用VREFINT的电压值1.2V去除以该ADC采样得到的均值，算出voltage_vrefint_proportion，后续ADC中采样到的电压值与voltage_vrefint_proportion相乘就可以计算出以内部参考电压做过校准的ADC值了。

void init_vrefint_reciprocal(void)
{ uint8_t i = 0; uint32_t total_adc = 0; for(i = 0; i < 200; i++) { total_adc += adcx_get_chx_value(&hadc1, ADC_CHANNEL_VREFINT); } voltage_vrefint_proportion = 200 * 1.2f / total_adc;
}

接着通过ADC对经过了分压电路的电池电压值进行采样，将该采样结果与voltage_vrefint_proportion相乘，就得到了取值范围在0-3.3V之间的ADC采样值，由于这个采样值是分压后的结果，需要反向计算出电压的值。分压的电阻值为200KΩ和22KΩ，由于 (22K Ω + 200K Ω) / 22K Ω = 10.09，乘以这个值之后就可以得到电池的电压值。
（注意，这里我们是根据一个具体的分压电路给出的计算公式，当我们实际使用时，要根据自己所使用的具体电路修改对应的计算方法，）

fp32 get_battery_voltage(void)
{ fp32 voltage; uint16_t adcx = 0; adcx = adcx_get_chx_value(&hadc3, ADC_CHANNEL_8);//(22K Ω + 200K Ω) / 22K Ω = 10.090909090909090909090909090909 voltage = (fp32)adcx * voltage_vrefint_proportion * 10.090909090909090909090909090909f; return voltage;
}

其实，我们还可以通过ADC获得板载的温度传感器的温度值，同样是先经过ADC值进行采样，采样结束后，将ADC采样结果adc带入公式temperate = (adc - 0.76f) * 400.0f + 25.0f，从而计算出温度值。

fp32 get_temprate(void)
{ uint16_t adcx = 0; fp32 temperate; adcx = adcx_get_chx_value(&hadc1, ADC_CHANNEL_TEMPSENSOR);temperate = (fp32)adcx * voltage_vrefint_proportion;temperate = (temperate - 0.76f) * 400.0f + 25.0f;return temperate;
}

在我们完成代码时，还需要像以前一样自己新建一个Boards目录，在里面新建一个bsp_adc.c文件

#include "bsp_adc.h"
#include "main.h"
extern ADC_HandleTypeDef hadc1;
extern ADC_HandleTypeDef hadc3;volatile fp32 voltage_vrefint_proportion = 8.0586080586080586080586080586081e-4f;static uint16_t adcx_get_chx_value(ADC_HandleTypeDef *ADCx, uint32_t ch)
{static ADC_ChannelConfTypeDef sConfig = {0};sConfig.Channel = ch;sConfig.Rank = 1;sConfig.SamplingTime = ADC_SAMPLETIME_3CYCLES;//ADC_SAMPLETIME_3CYCLES;if (HAL_ADC_ConfigChannel(ADCx, &sConfig) != HAL_OK){Error_Handler();}HAL_ADC_Start(ADCx);HAL_ADC_PollForConversion(ADCx, 10);return (uint16_t)HAL_ADC_GetValue(ADCx);}
void init_vrefint_reciprocal(void)
{uint8_t i = 0;uint32_t total_adc = 0;for(i = 0; i < 200; i++){total_adc += adcx_get_chx_value(&hadc1, ADC_CHANNEL_VREFINT);}voltage_vrefint_proportion = 200 * 1.2f / total_adc;
}
fp32 get_temprate(void)
{uint16_t adcx = 0;fp32 temperate;adcx = adcx_get_chx_value(&hadc1, ADC_CHANNEL_TEMPSENSOR);temperate = (fp32)adcx * voltage_vrefint_proportion;temperate = (temperate - 0.76f) * 400.0f + 25.0f;return temperate;
}fp32 get_battery_voltage(void)
{fp32 voltage;uint16_t adcx = 0;adcx = adcx_get_chx_value(&hadc3, ADC_CHANNEL_8);//(22K Ω + 200K Ω)  / 22K Ω = 10.090909090909090909090909090909voltage =  (fp32)adcx * voltage_vrefint_proportion * 10.090909090909090909090909090909f;return voltage;
}uint8_t get_hardware_version(void)
{uint8_t hardware_version;hardware_version = HAL_GPIO_ReadPin(HW0_GPIO_Port, HW0_Pin)| (HAL_GPIO_ReadPin(HW1_GPIO_Port, HW1_Pin)<<1)| (HAL_GPIO_ReadPin(HW2_GPIO_Port, HW2_Pin)<<2);return hardware_version;
}

接着新建一个对应的bsp_adc.h文件放置于对应目录之下

#ifndef BSP_ADC_H
#define BSP_ADC_H
#include "#ifndef BSP_ADC_H
#define BSP_ADC_H
#include "struct_typedef.h"extern void init_vrefint_reciprocal(void);
extern fp32 get_temprate(void);
extern fp32 get_battery_voltage(void);
extern uint8_t get_hardware_version(void);
#endif
"extern void init_vrefint_reciprocal(void);
extern fp32 get_temprate(void);
extern fp32 get_battery_voltage(void);
extern uint8_t get_hardware_version(void);
#endif

在这个文件中，我们还用到了一个定义结构体的头文件：struct_typedef.h

#ifndef STRUCT_TYPEDEF_H
#define STRUCT_TYPEDEF_Htypedef signed char int8_t;
typedef signed short int int16_t;
typedef signed int int32_t;
typedef signed long long int64_t;/* exact-width unsigned integer types */
typedef unsigned char uint8_t;
typedef unsigned short int uint16_t;
typedef unsigned int uint32_t;
typedef unsigned long long uint64_t;
typedef unsigned char bool_t;
typedef float fp32;
typedef double fp64;#endif

最终的main.c文件如下所示

/* USER CODE BEGIN Header */
/********************************************************************************* @file           : main.c* @brief          : Main program body******************************************************************************* @attention** <h2><center>&copy; Copyright (c) 2021 STMicroelectronics.* All rights reserved.</center></h2>** This software component is licensed by ST under BSD 3-Clause license,* the "License"; You may not use this file except in compliance with the* License. You may obtain a copy of the License at:*                        opensource.org/licenses/BSD-3-Clause********************************************************************************/
/* USER CODE END Header *//* Includes ------------------------------------------------------------------*/
#include "main.h"
#include "adc.h"
#include "gpio.h"/* Private includes ----------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN Includes */
#include "bsp_adc.h"
/* USER CODE END Includes *//* Private typedef -----------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PTD *//* USER CODE END PTD *//* Private define ------------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PD */
/* USER CODE END PD *//* Private macro -------------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PM *//* USER CODE END PM *//* Private variables ---------------------------------------------------------*//* USER CODE BEGIN PV *//* USER CODE END PV *//* Private function prototypes -----------------------------------------------*/
void SystemClock_Config(void);
/* USER CODE BEGIN PFP *//* USER CODE END PFP *//* Private user code ---------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN 0 */
fp32 voltage;
fp32 temperature;
uint8_t handware_version;
/* USER CODE END 0 *//*** @brief  The application entry point.* @retval int*/
int main(void)
{/* USER CODE BEGIN 1 *//* USER CODE END 1 *//* MCU Configuration--------------------------------------------------------*//* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */HAL_Init();/* USER CODE BEGIN Init *//* USER CODE END Init *//* Configure the system clock */SystemClock_Config();/* USER CODE BEGIN SysInit *//* USER CODE END SysInit *//* Initialize all configured peripherals */MX_GPIO_Init();MX_ADC1_Init();MX_ADC3_Init();/* USER CODE BEGIN 2 *///use vrefint voltage to calibrate//使用基准电压来校准init_vrefint_reciprocal();/* USER CODE END 2 *//* Infinite loop *//* USER CODE BEGIN WHILE */while (1){/* USER CODE END WHILE *//* USER CODE BEGIN 3 *///get battery voltage//获取电源电压voltage = get_battery_voltage();//get chip temperate//获取片内温度temperature = get_temprate();//get handware version//获取硬件版本handware_version = get_hardware_version();HAL_Delay(100);}/* USER CODE END 3 */
}/*** @brief System Clock Configuration* @retval None*/
void SystemClock_Config(void)
{RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct = {0};RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct = {0};/** Configure the main internal regulator output voltage */__HAL_RCC_PWR_CLK_ENABLE();__HAL_PWR_VOLTAGESCALING_CONFIG(PWR_REGULATOR_VOLTAGE_SCALE1);/** Initializes the CPU, AHB and APB busses clocks */RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSE;RCC_OscInitStruct.HSEState = RCC_HSE_ON;RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_ON;RCC_OscInitStruct.PLL.PLLSource = RCC_PLLSOURCE_HSE;RCC_OscInitStruct.PLL.PLLM = 6;RCC_OscInitStruct.PLL.PLLN = 168;RCC_OscInitStruct.PLL.PLLP = RCC_PLLP_DIV2;RCC_OscInitStruct.PLL.PLLQ = 4;if (HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct) != HAL_OK){Error_Handler();}/** Initializes the CPU, AHB and APB busses clocks */RCC_ClkInitStruct.ClockType = RCC_CLOCKTYPE_HCLK|RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK|RCC_CLOCKTYPE_PCLK1|RCC_CLOCKTYPE_PCLK2;RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_PLLCLK;RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1;RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV4;RCC_ClkInitStruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV2;if (HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_5) != HAL_OK){Error_Handler();}
}/* USER CODE BEGIN 4 *//* USER CODE END 4 *//*** @brief  This function is executed in case of error occurrence.* @retval None*/
void Error_Handler(void)
{/* USER CODE BEGIN Error_Handler_Debug *//* User can add his own implementation to report the HAL error return state *//* USER CODE END Error_Handler_Debug */
}#ifdef  USE_FULL_ASSERT
/*** @brief  Reports the name of the source file and the source line number*         where the assert_param error has occurred.* @param  file: pointer to the source file name* @param  line: assert_param error line source number* @retval None*/
void assert_failed(uint8_t *file, uint32_t line)
{ /* USER CODE BEGIN 6 *//* User can add his own implementation to report the file name and line number,tex: printf("Wrong parameters value: file %s on line %d\r\n", file, line) *//* USER CODE END 6 */
}
#endif /* USE_FULL_ASSERT *//************************ (C) COPYRIGHT STMicroelectronics *****END OF FILE****/

3. 进阶学习

逐次型ADC是通过一位位进行比较得出转换值，其原理图如下所示。

如图所示，我们发现整个电路由比较器、D/A转换器、缓冲寄存器和若干控制逻辑电路构成。作用如下所示：

比较器：用于输入电压值D/A转换器输出电压进行比较，当输入电压大于D/A转换器电压时，输出为1，反之输出为0；
D/A转换器：ADC的逆向过程，将缓冲寄存器的记录数字量转换成模拟量。
缓冲寄存器：记录当前转换的数字量。

整个过程如下：

将缓冲寄存器清零；
将逐次逼近寄存器最高位置1；
把数字值送入D/A转换器，经D/A转换后的模拟量送入比较器，称为 Vo；
Vo与比较器的待转换的模拟量Vi 比较，若Vo<Vi，该位被保留，否则被清0。
再置寄存器次高位为1，将寄存器中新的数字量送D/A转换器，
输出的 Vo再与Vi比较，若Vo<Vi，该位被保留，否则被清0。
循环此过程，直到寄存器最低位，得到数字量的输出。
在这个过程中，D/A转换器使用的电压为STM32的电源电压Vref+和Vref-，如图所示：

STM32的标准电压为 3.3V。例如第一次转换时，输出为 1/2Vre电压，即1.65V。但由于外部供电电压不一定为 3.3V。故而为了在这种情况提高ADC精度，STM32内部有VERFINT1.2V稳定电压，可以使用ADC采样该电压来提高ADC的精度。

代码我已经放到了我的GitHub仓库，如有需要可以下载使用：
CubeMX学习

总结

这次的博客，我们重点学习了ADC的相关知识，ADC是模拟量变成数字量的过程，单片机获取电压，电流传感器等模拟量的方法。通过ADC功能，我们能够获取各种传感器的模拟值，并将其转化为单片机可以处理的数字量,也可以获取电池的电压值，并将其通过电量形式显示出来。