【应用笔记】APM32F4xx

引言

本应用笔记提供如何在APM32F4xx系列上配置和应用ADC接口的指南，包括接口框图、代码实现和应用方法。

APM32F4xx微控制器内置最多三个12位的逐次逼近型ADC，三个ADC共享最多21个外部输入通道和3个内部通道，并提供自校准功能。内部通道分别提供测量芯片内置温度传感器电压、参考电压以及备份电源电压的功能。各个A/D转换通道支持单次、连续、扫描和间断的转换方式。ADC转换的结果可以设置成左对齐或右对齐来存储在16位的数据寄存器中，并且支持DMA访问和设置模拟看门狗

ADC简介

模数转换器，ADC(Analog to Digital Converter)，是一个将模拟信号转换为数字信号的器件(电路)，例如将温度、湿度、压力、位置等信息转换为数字信号。但由于数字信号本身不具有实际意义，仅仅表示一个相对大小。所以ADC都需要一个参考模拟量（REF）作为转换的标准。

图 1 ADC框图

ADC分类

ADC按工作原理可以分成直接ADC和间接ADC。主要有以下几种：

并联比较型ADC；

逐次逼近型ADC；

双积分型ADC。

其中逐次逼近型ADC是一种直接ADC。由于其采样速率中等，分辨率中等，且位数较多时使用元器件较少等原因（成本较低），所以被广泛应用于集成ADC中。

图 2 ADC分类

A/D转换原理

A/D转换的作用是将时间、幅值连续的模拟信号转换为时间、幅值离散的数字信号。所以，A/D转换一般要经过采样、保持、量化及编码四个过程。

A/D转换步骤

采样和保持

采样是指在时间上将模拟信号离散化，即是将时间上连续的信号转为一系列等时间间隔的信号离散序列。其中离散信号脉冲的幅度取决于输入模拟量。

量化和编码

量化是用有限个幅度值近似原来连续变化的幅度值，把模拟信号的连续幅度变为有限数量的有一定间隔的离散值。而编码则是按照一定的规律，把量化后的值用二进制数字表示。下图列举了12bits ADC的FSR为3.3V时的量化到编码的过程。其中：

N：分辨率，用于对输入进行量化的位数。理论上，n位输出的ADC能区分2n个不同等级的模拟输入电压。如下图所示，能分辨的最小输入电压步长LSB = FSR / 2n = 806uV；

FSR： Full-Scale Range，满量程；

LSB： Least Significant Bit，最低有效位；

MSB： Most Significant Bit，最高有效位。

图 3 量化和编码

转换时间

转换时间是指ADC从转换控制信号触发开始，到输出端得到稳定的数字信号所经过的时间。该时间受ADC类型、ADC时钟和外部输入阻抗等因素影响。

APM32中的ADC

APM32中的ADC是逐次逼近型ADC(Successive Approximation ADC)，是逐个产生比较电压VREF，并逐次与输入电压分别比较，以逐渐逼近的方式进行A/D转换的。

SAR ADC的转换原理是把输入的模拟信号按规定的时间间隔采样（采样），并与一系列标准的数字信号相比较，数字信号逐次收敛，直至两种信号相等为止（量化），最后输出代表此信号的二进制数（编码）。

ADC的结构

结构上主要包括采样保持电路(S/H)，比较器(COMPARATOR，COMP)，SAR逻辑控制电路、时钟(CLOCK)和时序(TIMING)控制电路及DAC电路。

图 4 ADC结构

S/H电路

被采样的脉冲宽度一般是很短的，在下一个采样脉冲到来之前，要暂时保持所采得的样值脉冲幅度，以便进行后续转换。所以，在采样电路之后要加保持电路。下图是一个简单的采样保持电路配置框图。

图 5 S/H电路

DAC电路

大多SAR ADC的DAC都使用电容式DAC来提供内在的跟踪/保持功能。电容式DAC是采用电荷再分配原理来产生模拟输出电压的。电容式DAC由N个具有二进制权重值的电容器阵列再加上一个“虚拟LSB”电容器组成。

转换步骤

转换步骤数等于 ADC的分辨率，比如10bits ADC就有10个转换步骤，每个 ADC 时钟产生一个数据位。以下步骤以10bits ADC为例。采样和保持的状态，可以参考上述的S/H等效电路来理解。下面着重看下量化和编码的状态。

量化和编码状态

该状态下，每个 ADCCLK 执行一个步骤，每一步完成后 ADC 输出一位数。采用二分法进行逐次逼近到 ADC 的精度（位数）。整个转换过程如下图所示。

图 6 量化和编码状态

转换例子

比如2.5V输入到以3.3V为参考电压的SAR ADC中，则转换过程如下所示。

第一个逼近步骤时，MSB先设置为1。DAC以1/2 REF去和VIN比较，若VIN > 1/2 REF，则保持MSB = 1（反之则MSB = 0）。等待下一个ADCCLK，执行下一步。

图 7 ADC转换逼近步骤1

第二个逼近步骤时，MSB往后移动1个bit，再以3/4 REF去和VIN进行比较，若VIN > 3/4 REF，则保持MSB = 1（反之则MSB = 0）。等待下一个ADCCLK，执行下一步，一直到所有bit确定，然后输出编码值。

图 8 ADC转换逼近步骤2

转换时间

APM32F4xx中的ADC转换时间 = 采样周期 + 转换周期。

采样周期

由采样周期设置决定，要注意的是，该值需要和外部电路的输入阻抗匹配。从而保证在采用阶段，采样保持电容有足够的时间充电。

转换周期

该值取决于ADC的转换精度，APM32F4xx的SAR ADC默认为12bits，可配置为12、10、8、6bits。

表格 1 ADC精度和转换周期关系

序号	ADC精度	转换周期
1	12 bits	12 x ADCCLK
2	10 bits	10 x ADCCLK
3	8 bits	8 x ADCCLK
4	6 bits	6 x ADCCLK

转换数值

ADC 转换的数值 = (VIN x 2n) / VREF，n为ADC的分辨率。以上述12bits的ADC为例，则

ADC 转换的数值 = (VIN x 4096) / VREF。

ADC的配置和应用

转换周期

输入通道

MINI Board已经将部分ADC的通道通过排针接出，可以根据设计需求使用相关IO。ADC采样容易受外接干扰，使用时注意引脚间的抗干扰设计，以及避免ADC引脚和其他功能电路共用的情况。

电压输入范围

ADC的电压输入范围为VREF- ~ VREF+，MINI板上的VSSA和VREF-接入GND，而VDDA和VREF+接入VDD，所以在MINI板上的ADC电压输入范围是0V ~ 3.3V。

软件设计

软件设计上只讲解关键的配置，部分查询和逻辑代码未设计，详细可直接参考本应用说明配套的例程。

ADC初始化结构体

ADC_Config_T结构体定义在APM32F4xx_adc.h文件中，具体定义如下：

/**

* @brief ADC configuration Mode

typedef struct

{

ADC_RESOLUTION_T resolution;

uint8_t scanConvMode;

uint8_t continuousConvMode;

ADC_EXT_TRIG_EDGE_T extTrigEdge;

ADC_EXT_TRIG_CONV_T extTrigConv;

ADC_DATA_ALIGN_T dataAlign;

uint8_t nbrOfChannel;

} ADC_Config_T;

结构体中的参数含义：

resolution：用于配置ADC的分辨率，可以配ADC的分辨率为12bit、10bit、8bit和6bit。如本应用说明SAR ADC转换原理所述，ADC的分辨率配置越高，相对的转换时间也越长；

scanConvMode：用于配置是否使扫描模式，一般单通道A/D转换应用时配置为DISABLE，多通道A/D转换应用时配置为ENABLE；

continuousConvMode：用于配置是单次转换，还是启用自动连续转换模式；

extTrigEdge：用于配置外部触发的极性，如果未使能外部触发，可配置为ADC_EXT_TRIG_EDGE_NONE；

extTrigConv：用于配置外部触发源；

dataAlign：用于配置ADC转换结果的数据对齐方式，一般按照习惯，我们配置为右对齐模式；

nbrOfChannel：用于配置A/D转换通道的数目。

ADC通用初始化结构体

ADC_ CommonConfig _T结构体定义在APM32F4xx_adc.h文件中，具体定义如下：

/**

* @brief ADC Common Init structure definition

typedef struct

{

ADC_MODE_T mode;

ADC_PRESCALER_T prescaler;

ADC_ACCESS_MODE_T accessMode;

ADC_TWO_SAMPLING_T twoSampling;

} ADC_CommonConfig_T;

结构体中的参数含义：

mode：用于配置ADC的工作模式，有独立模式、双重模式和三重模式的配置项可供选择；

prescaler：用于配置ADC时钟的分频系数，ADC时钟由PCLK2提供。PCLK2除以prescaler就是ADC的时钟；

accessMode：用于配置DMA模式；

twoSampling：用于配置两个采样阶段间的延迟。

单通道转换软件设计

以“ADC_ContinuousConversion”例程为例。

配置ADC

开启GPIO时钟后，配置GPIO为模拟输入模式。

/*!

* @brief ADC Init

* @param None

* @retval None

void ADC_Init(void)

{

GPIO_Config_T gpioConfig;

ADC_Config_T adcConfig;

/** Enable GPIOA clock */

RCM_EnableAHB1PeriphClock(RCM_AHB1_PERIPH_GPIOA);

/** ADC channel 0 configuration */

GPIO_ConfigStructInit(&gpioConfig);

gpioConfig.mode = GPIO_MODE_AN;

gpioConfig.pupd = GPIO_PUPD_NOPULL;

gpioConfig.pin = GPIO_PIN_0;

GPIO_Config(GPIOA, &gpioConfig);

配置ADC工作方式，开启连续转换模式。

/** Enable ADC clock */

RCM_EnableAPB2PeriphClock(RCM_APB2_PERIPH_ADC1);

/** ADC configuration */

ADC_Reset();

ADC_ConfigStructInit(&adcConfig);

adcConfig.resolution = ADC_RESOLUTION_12BIT;

adcConfig.continuousConvMode = ENABLE;

adcConfig.dataAlign = ADC_DATA_ALIGN_RIGHT;

adcConfig.extTrigEdge = ADC_EXT_TRIG_EDGE_NONE;

adcConfig.scanConvMode = DISABLE;

ADC_Config(ADC1, &adcConfig);

配置开启ADC中断，使能ADC并软件触发转换。

/** ADC channel 0 Convert configuration */

ADC_ConfigRegularChannel(ADC1, ADC_CHANNEL_0, 1, ADC_SAMPLETIME_112CYCLES);

/** Enable complete conversion interupt */

ADC_EnableInterrupt(ADC1, ADC_INT_EOC);

/** NVIC configuration */

NVIC_EnableIRQRequest(ADC_IRQn, 1, 1);

/** Enable ADC */

ADC_Enable(ADC1);

/** ADC start conversion */

ADC_SoftwareStartConv(ADC1);

}

ADC中断服务函数

检测到转换完成后，回调该中断服务函数。并读取此时的ADC转换值，然后将其转换成对应电压值，该值受量化误差和硬件抗干扰能力所影响。这里转换出来的电压单位是mV。

/*!

* @brief ADC interrupt service routine

* @param None

* @retval None

void ADC_Isr(void)

{

uint16_t adcData = 0;

uint16_t voltage = 0;

if (ADC_ReadStatusFlag(ADC1, ADC_FLAG_EOC))

{

ADC_ClearStatusFlag(ADC1, ADC_FLAG_EOC);

adcData = ADC_ReadConversionValue(ADC1);

voltage = (adcData * 3300) / 4095;

printf("\r\n voltage : %d mV\r\n", voltage);

}

多通道扫描软件设计

以“ADC_MultiChannelScan”例程为例。

定义公共信息

这里定义了本样例采样的通道数为3个通道，并定义了将用于DMA存储ADC各通道扫描数据的数组adcData[ADC_CH_SIZE]。另外还宏定义了ADC规则数据寄存器的地址为ADC_DR_ADDR。以上这些信息都会用于后续配置和应用中。

/** save adc data*/

#define ADC_CH_SIZE 3

#define ADC_DR_ADDR ((uint32_t)ADC1_BASE + 0x4C)

uint16_t adcData[ADC_CH_SIZE];

配置DMA

将ADC的规则寄存器地址设置为DMA访问的寄存器地址，设置寄存器递增并规定buffer的大小为3，最后开启循环模式。

DMA的不同通道和数据流规定了其所属的外设，使用时要注意。

/*!

* @brief DMA Init

* @param None

* @retval None

void DMA_Init(void)

{

DMA_Config_T dmaConfig;

RCM_EnableAHB1PeriphClock(RCM_AHB1_PERIPH_DMA2);

dmaConfig.peripheralBaseAddr = ADC_DR_ADDR;

dmaConfig.memoryBaseAddr = (uint32_t)&adcData;

dmaConfig.dir = DMA_DIR_PERIPHERALTOMEMORY;

dmaConfig.bufferSize = ADC_CH_SIZE;

dmaConfig.peripheralInc = DMA_PERIPHERAL_INC_DISABLE;

dmaConfig.memoryInc = DMA_MEMORY_INC_ENABLE;

dmaConfig.peripheralDataSize = DMA_PERIPHERAL_DATA_SIZE_HALFWORD;

dmaConfig.memoryDataSize = DMA_MEMORY_DATA_SIZE_HALFWORD;

dmaConfig.loopMode = DMA_MODE_CIRCULAR;

dmaConfig.priority = DMA_PRIORITY_HIGH;

dmaConfig.fifoMode = DMA_FIFOMODE_DISABLE;

dmaConfig.fifoThreshold = DMA_FIFOTHRESHOLD_HALFFULL;

dmaConfig.memoryBurst = DMA_MEMORYBURST_SINGLE;

dmaConfig.peripheralBurst = DMA_PERIPHERALBURST_SINGLE;

dmaConfig.channel = DMA_CHANNEL_0;

DMA_Config(DMA2_Stream0,&dmaConfig);

DMA_Enable(DMA2_Stream0);

}

配置ADC

和单通道转换配置顺序一样，首先将要扫描的三个通道开启相应时钟和配置为模拟输入模式。

/*!

* @brief ADC Init

* @param None

* @retval None

void ADC_Init(void)

{

GPIO_Config_T gpioConfig;

ADC_Config_T adcConfig;

ADC_CommonConfig_T adcCommonConfig;

/** Enable GPIOA clock */

RCM_EnableAHB1PeriphClock(RCM_AHB1_PERIPH_GPIOA);

/** ADC channel 0 configuration */

GPIO_ConfigStructInit(&gpioConfig);

gpioConfig.mode = GPIO_MODE_AN;

gpioConfig.pupd = GPIO_PUPD_NOPULL;

gpioConfig.pin = GPIO_PIN_0 | GPIO_PIN_1 | GPIO_PIN_2;

GPIO_Config(GPIOA, &gpioConfig);

接着是ADC的通用配置。

/** Enable ADC clock */

RCM_EnableAPB2PeriphClock(RCM_APB2_PERIPH_ADC1);

/** ADC configuration */

ADC_Reset();

adcCommonConfig.mode = ADC_MODE_INDEPENDENT;

adcCommonConfig.prescaler = ADC_PRESCALER_DIV2;

adcCommonConfig.accessMode = ADC_ACCESS_MODE_DISABLED;

adcCommonConfig.twoSampling = ADC_TWO_SAMPLING_20CYCLES;

ADC_CommonConfig(&adcCommonConfig);

然后是ADC工作模式的配置，这里配置为连续扫描模式，并设置转换通道数为3个。

ADC_ConfigStructInit(&adcConfig);

adcConfig.resolution = ADC_RESOLUTION_12BIT;

adcConfig.scanConvMode = ENABLE;

adcConfig.continuousConvMode = ENABLE;

adcConfig.dataAlign = ADC_DATA_ALIGN_RIGHT;

adcConfig.extTrigEdge = ADC_EXT_TRIG_EDGE_NONE;

adcConfig.extTrigConv = ADC_EXT_TRIG_CONV_TMR1_CC1;

adcConfig.nbrOfChannel = ADC_CH_SIZE;

ADC_Config(ADC1, &adcConfig);

配置各通道的转换顺序及采样周期。

/** ADC channel Convert configuration */

ADC_ConfigRegularChannel(ADC1, ADC_CHANNEL_0,

ADC_SAMPLETIME_480CYCLES);

ADC_ConfigRegularChannel(ADC1, ADC_CHANNEL_1, 2, ADC_SAMPLETIME_480CYCLES);

ADC_ConfigRegularChannel(ADC1, ADC_CHANNEL_2, 3, ADC_SAMPLETIME_480CYCLES);

最后开启DMA、使能ADC并触发转换。到这里多通道扫描的配置就完成了，接着直接轮询ADC转换值存储的数组即可获得各通道的扫描值。

/** Config DMA*/

DMA_Init();

/** Enable ADC DMA Request*/

ADC_EnableDMARequest(ADC1);

/** Enable ADC DMA*/

ADC_EnableDMA(ADC1);

/** Enable ADC */

ADC_Enable(ADC1);

/** ADC start conversion */

ADC_SoftwareStartConv(ADC1);

}

提高采样精度的硬件方法

1. 保证参考电压噪声最小化；

2. IO引脚串扰最小化；

3. 加入屏蔽减少EMI；

4. PCB将模拟和数字分开布局和铺设。

提高采样精度的软件方法

采样平均

在硬件抗干扰能力不足的情况下，我们可以牺牲采用速率，采用软件方法进行滤波，从而得到更加稳定的采样值。

数字信号滤波

可通过数字低通、高通等滤波器进行软件滤波。比如知道被测信号中的噪声来自50 Hz供电线，通过适当的数字滤波，可以只抑制50 Hz频率并传输无此噪声的数据信号。

ADC软件校准

如果采样值较为固定，但离目标值相差大，还可以利用线性拟合（线性校准曲线）的方式让采样值更接近目标值。

采样

首先基于标准源表采样足够多的点，如下表（点数越多，拟合越准确）。

表格 2 采样表

序号	采样值(mV)	目标值(mV)
1	96.7	100
2	194.5	200
3	498.8	500
4	796	800
5	1495	1500

拟合

在数学工具（Matlab或Excel等）中做线性拟合（线性、多项式、指数皆可），得到校准公式和相关系数R值。

图 9 拟合

校准

用拟合步骤中得到的校准公式对采样值进行校准。

表格 3采样表

序号	采样值(mV)	目标值(mV)	校准值(mV)
1	96.7	100	100.1
2	194.5	200	197.9
3	498.8	500	502.5
4	796	800	799.9
5	1495	1500	1499.4