代码收藏家 STM32 MCU ADC详解（第三部分）- 代码实现解析
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前言
在前两章ADC详解（1）和（2）中，我们详细介绍了ADC（模拟数字转换器）概念、工作原理及其关键参数，这个章节中我们将以正点原子STM32F103开发板为例，详细分析一下ADC单通道采集及多通道（多通道DMA传输）等实验源码。
一、单通道ADC采集
1.1 单通道ADC采集配置步骤
整个程序框图如下所示：
1.2 程序解析
在adc.h头文件中针对ADC及通道引脚定义了一些宏定义。
#define ADC_ADCX_CHY_GPIO_PORT GPIOA
#define ADC_ADCX_CHY_GPIO_PIN GPIO_PIN_1
#define ADC_ADCX_CHY_GPIO_CLK_ENABLE() do{ __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE(); }while(0) /* PA口时钟使能 */
#define ADC_ADCX ADC1
#define ADC_ADCX_CHY ADC_CHANNEL_1 /* 通道Y, 0 <= Y <= 17 */
#define ADC_ADCX_CHY_CLK_ENABLE() do{ __HAL_RCC_ADC1_CLK_ENABLE(); }while(0) /* ADC1 时钟使能 */
ADC的通道与引脚的对应关系在《STM32F103ZET6.pdf》数据手册可以查到，我们这里使用ADC1的通道1，在数据手册中的表格为：
下面是adc.c文件中的程序。首先是adc初始化程序：
ADC_HandleTypeDef g_adc_handle; /* ADC句柄 */
void adc_init(void)
{
g_adc_handle.Instance = ADC_ADCX; /* 选择哪个ADC */
g_adc_handle.Init.DataAlign = ADC_DATAALIGN_RIGHT; /* 数据对齐方式：右对齐 */
g_adc_handle.Init.ScanConvMode = ADC_SCAN_DISABLE; /* 非扫描模式，仅用到一个通道 */
g_adc_handle.Init.ContinuousConvMode = DISABLE; /* 关闭连续转换模式 */
g_adc_handle.Init.NbrOfConversion = 1; /* 赋值范围是1~16，本实验用到1个规则通道序列 */
g_adc_handle.Init.DiscontinuousConvMode = DISABLE; /* 禁止规则通道组间断模式 */
g_adc_handle.Init.NbrOfDiscConversion = 0; /* 配置间断模式的规则通道个数，禁止规则通道组间断模式后，此参数忽略 */
g_adc_handle.Init.ExternalTrigConv = ADC_SOFTWARE_START; /* 触发转换方式：软件触发 */
HAL_ADC_Init(&g_adc_handle); /* 初始化 */
HAL_ADCEx_Calibration_Start(&g_adc_handle); /* 校准ADC */
}
该函数通过调用HAL_ADC_Init和HAL_ADCEx_Calibration_Start两个HAL库函数进行工作。HAL_ADC_Init负责设置ADC的选择、数据对齐和扫描模式等参数，同时出发其MSP回调函数HAL_ADC_MspInit，后者负责ADC及其通道IO的时钟使能和IO初始化。HAL_ADCEx_Calibration_Start则用于ADC的校准。
至于HAL_ADC_MspInit函数的定义如下：
void HAL_ADC_MspInit(ADC_HandleTypeDef *hadc)
{
if(hadc->Instance == ADC_ADCX)
{
GPIO_InitTypeDef gpio_init_struct;
RCC_PeriphCLKInitTypeDef adc_clk_init = {0};
ADC_ADCX_CHY_CLK_ENABLE(); /* 使能ADCx时钟 */
ADC_ADCX_CHY_GPIO_CLK_ENABLE(); /* 开启GPIO时钟 */
/* 设置ADC时钟 */
adc_clk_init.PeriphClockSelection = RCC_PERIPHCLK_ADC; /* ADC外设时钟 */
adc_clk_init.AdcClockSelection = RCC_ADCPCLK2_DIV6; /* 分频因子6时钟为72M/6=12MHz */
HAL_RCCEx_PeriphCLKConfig(&adc_clk_init); /* 设置ADC时钟 */
/* 设置AD采集通道对应IO引脚工作模式 */
gpio_init_struct.Pin = ADC_ADCX_CHY_GPIO_PIN; /* ADC通道IO引脚 */
gpio_init_struct.Mode = GPIO_MODE_ANALOG; /* 模拟 */
HAL_GPIO_Init(ADC_ADCX_CHY_GPIO_PORT, &gpio_init_struct);
}
}
在HAL_ADC_MspInit函数中，我们使能ADC和通道对应IO时钟、初始化IO、配置ADC的时钟预分频系数（ADC的时钟源使PCLK2，即72MHz，经过6分频后，得到ADC的输入时钟是12MHz）。
接下来介绍一下adc_channel_set函数，其定义如下：
void adc_channel_set(ADC_HandleTypeDef *adc_handle, uint32_t ch, uint32_t rank, uint32_t stime)
{
ADC_ChannelConfTypeDef adc_ch_conf;
adc_ch_conf.Channel = ch; /* 通道 */
adc_ch_conf.Rank = rank; /* 序列 */
adc_ch_conf.SamplingTime = stime; /* 采样时间 */
HAL_ADC_ConfigChannel(adc_handle, &adc_ch_conf); /* 通道配置 */
}
主要是通过HAL_ADC_ConfigChannel函数选择要配置的ADC规则组通道，并设置通道的序列号和采样时间。
接下来是读取ADC的采样值的函数。其定义如下：
uint32_t adc_get_result(uint32_t ch)
{
adc_channel_set(&g_adc_handle , ch, ADC_REGULAR_RANK_1, ADC_SAMPLETIME_239CYCLES_5); /* 设置通道，序列和采样时间 */
HAL_ADC_Start(&g_adc_handle); /* 开启ADC */
HAL_ADC_PollForConversion(&g_adc_handle, 10); /* 轮询转换 */
return (uint16_t)HAL_ADC_GetValue(&g_adc_handle); /* 返回最近一次ADC1规则组的转换结果 */
}
该函数先是调用我们自己定义的adc_channel_set函数选择 ADC通道、设置转换序列号和采样时间等，接着调用 HAL_ADC_Start启动转换，然后调用 HAL_ADC_PollForConversion函数等待转换完成，最后调用 HAL_ADC_GetValue函数获取转换结果。
接下来要介绍的函数是获取
ADC某通道多次转换结果平均值函数，函数定义如下：
uint32_t adc_get_result_average(uint32_t ch, uint8_t times)
{
uint32_t temp_val = 0;
uint8_t t;
for (t = 0; t < times; t++) /* 获取times次数据 */
{
temp_val += adc_get_result(ch);
delay_ms(5);
}
return temp_val / times; /* 返回平均值 */
}
该函数用于获取ADC多次转换结果的平均值，从而提高准确度。
最后介绍一下在主函数（main）中如何调用这些函数实现ADC采样功能的。
代码如下：
int main(void)
{
uint16_t adcx;
float temp;
HAL_Init(); /* 初始化HAL库 */
sys_stm32_clock_init(RCC_PLL_MUL9); /* 设置时钟, 72Mhz */
delay_init(72); /* 延时初始化 */
usart_init(115200); /* 串口初始化为115200 */
led_init(); /* 初始化LED */
lcd_init(); /* 初始化LCD */
adc_init(); /* 初始化ADC */
lcd_show_string(30, 50, 200, 16, 16, "STM32", RED);
lcd_show_string(30, 70, 200, 16, 16, "ADC TEST", RED);
lcd_show_string(30, 90, 200, 16, 16, "ATOM@ALIENTEK", RED);
lcd_show_string(30, 110, 200, 16, 16, "ADC1_CH1_VAL:", BLUE);
lcd_show_string(30, 130, 200, 16, 16, "ADC1_CH1_VOL:0.000V", BLUE); /* 先在固定位置显示小数点 */
while (1)
{
adcx = adc_get_result_average(ADC_ADCX_CHY, 10); /* 获取通道5的转换值，10次取平均 */
lcd_show_xnum(134, 110, adcx, 5, 16, 0, BLUE); /* 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_show_xnum(134, 130, adcx, 1, 16, 0, BLUE); /* 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_show_xnum(150, 130, temp, 3, 16, 0X80, BLUE); /* 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_TOGGLE();
delay_ms(100);
}
}
在主函数的while循环中，我们主要关注的是如何将ADC采样值转换为实际的测量值，并将其显示在LCD屏幕上。ADC采样时获取的是一个数字值，这个值的范围取决于ADC的位数。在我们的案例中，我们使用了12位的ADC，因此ADC的值范围为0到4095。这意味着0到3.3V的电压范围被细分为4096个等级，每个等级的精度为3.3V/4096。因此，将采样值乘以这个精度值，我们就可以得到实际的电压值。
需要注意的是，将ADC采样值转换为实际的电压值时，可能需要根据具体的硬件电路进行调整。例如，如果要测量电网电压，就必须通过信号调理电路来将电压转换为微控制器（MCU）能够采集的电平。在这种情况下，进行数字到模拟的转换时，就需要应用适当的电路调节系数。
二、多通道ADC采集（DMA读取）
2.1 多通道ADC采集（DMA读取）配置步骤
整个程序框图如下所示：
2.2 程序解析
在adc.h中除了函数定义有所改变外，其余引脚定义与单通道ADC采集保持一致。在adc.c文件中，主要是ADC初始化函数需要进行调整。
DMA_HandleTypeDef g_dma_nch_adc_handle = {0}; /* 定义要搬运ADC多通道数据的DMA句柄 */
ADC_HandleTypeDef g_adc_nch_dma_handle = {0}; /* 定义ADC（多通道DMA读取）句柄 */
void adc_nch_dma_init(uint32_t mar)
{
GPIO_InitTypeDef gpio_init_struct;
RCC_PeriphCLKInitTypeDef adc_clk_init = {0};
ADC_ChannelConfTypeDef adc_ch_conf = {0};
ADC_ADCX_CHY_CLK_ENABLE(); /* 使能ADCx时钟 */
__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE(); /* 开启GPIOA时钟 */
if ((uint32_t)ADC_ADCX_DMACx > (uint32_t)DMA1_Channel7) /* 大于DMA1_Channel7, 则为DMA2的通道了 */
{
__HAL_RCC_DMA2_CLK_ENABLE(); /* DMA2时钟使能 */
}
else
{
__HAL_RCC_DMA1_CLK_ENABLE(); /* DMA1时钟使能 */
}
/* 设置ADC时钟 */
adc_clk_init.PeriphClockSelection = RCC_PERIPHCLK_ADC; /* ADC外设时钟 */
adc_clk_init.AdcClockSelection = RCC_ADCPCLK2_DIV6; /* 分频因子6时钟为72M/6=12MHz */
HAL_RCCEx_PeriphCLKConfig(&adc_clk_init); /* 设置ADC时钟 */
/*
设置ADC1通道0~5对应的IO口模拟输入
AD采集引脚模式设置,模拟输入
PA0对应 ADC1_IN0
PA1对应 ADC1_IN1
PA2对应 ADC1_IN2
PA3对应 ADC1_IN3
PA4对应 ADC1_IN4
PA5对应 ADC1_IN5
*/
gpio_init_struct.Pin = GPIO_PIN_0|GPIO_PIN_1|GPIO_PIN_2|GPIO_PIN_3|GPIO_PIN_4|GPIO_PIN_5; /* GPIOA0~5 */
gpio_init_struct.Mode = GPIO_MODE_ANALOG; /* 模拟 */
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &gpio_init_struct);
/* 初始化DMA */
g_dma_nch_adc_handle.Instance = ADC_ADCX_DMACx; /* 设置DMA通道 */
g_dma_nch_adc_handle.Init.Direction = DMA_PERIPH_TO_MEMORY; /* 从外设到存储器模式 */
g_dma_nch_adc_handle.Init.PeriphInc = DMA_PINC_DISABLE; /* 外设非增量模式 */
g_dma_nch_adc_handle.Init.MemInc = DMA_MINC_ENABLE; /* 存储器增量模式 */
g_dma_nch_adc_handle.Init.PeriphDataAlignment = DMA_PDATAALIGN_HALFWORD; /* 外设数据长度:16位 */
g_dma_nch_adc_handle.Init.MemDataAlignment = DMA_MDATAALIGN_HALFWORD; /* 存储器数据长度:16位 */
g_dma_nch_adc_handle.Init.Mode = DMA_NORMAL; /* 外设流控模式 */
g_dma_nch_adc_handle.Init.Priority = DMA_PRIORITY_MEDIUM; /* 中等优先级 */
HAL_DMA_Init(&g_dma_nch_adc_handle);
__HAL_LINKDMA(&g_adc_nch_dma_handle, DMA_Handle, g_dma_nch_adc_handle); /* 将DMA与adc联系起来 */
/* 初始化ADC */
g_adc_nch_dma_handle.Instance = ADC_ADCX; /* 选择哪个ADC */
g_adc_nch_dma_handle.Init.DataAlign = ADC_DATAALIGN_RIGHT; /* 数据对齐方式：右对齐 */
g_adc_nch_dma_handle.Init.ScanConvMode = ADC_SCAN_ENABLE; /* 使能扫描模式 */
g_adc_nch_dma_handle.Init.ContinuousConvMode = ENABLE; /* 使能连续转换 */
g_adc_nch_dma_handle.Init.NbrOfConversion = 6; /* 赋值范围是1~16，本实验用到6个规则通道序列 */
g_adc_nch_dma_handle.Init.DiscontinuousConvMode = DISABLE; /* 禁止规则通道组间断模式 */
g_adc_nch_dma_handle.Init.NbrOfDiscConversion = 0; /* 配置间断模式的规则通道个数，禁止规则通道组间断模式后，此参数忽略 */
g_adc_nch_dma_handle.Init.ExternalTrigConv = ADC_SOFTWARE_START; /* 软件触发 */
HAL_ADC_Init(&g_adc_nch_dma_handle); /* 初始化 */
HAL_ADCEx_Calibration_Start(&g_adc_nch_dma_handle); /* 校准ADC */
/* 配置ADC通道 */
adc_ch_conf.Channel = ADC_CHANNEL_0; /* 配置使用的ADC通道 */
adc_ch_conf.Rank = ADC_REGULAR_RANK_1; /* 采样序列里的第1个 */
adc_ch_conf.SamplingTime = ADC_SAMPLETIME_239CYCLES_5; /* 采样时间，设置最大采样周期:239.5个ADC周期 */
HAL_ADC_ConfigChannel(&g_adc_nch_dma_handle, &adc_ch_conf); /* 通道配置 */
adc_ch_conf.Channel = ADC_CHANNEL_1; /* 配置使用的ADC通道 */
adc_ch_conf.Rank = ADC_REGULAR_RANK_2; /* 采样序列里的第2个 */
HAL_ADC_ConfigChannel(&g_adc_nch_dma_handle, &adc_ch_conf); /* 配置ADC通道 */
adc_ch_conf.Channel = ADC_CHANNEL_2; /* 配置使用的ADC通道 */
adc_ch_conf.Rank = ADC_REGULAR_RANK_3; /* 采样序列里的第3个 */
HAL_ADC_ConfigChannel(&g_adc_nch_dma_handle, &adc_ch_conf); /* 配置ADC通道 */
adc_ch_conf.Channel = ADC_CHANNEL_3; /* 配置使用的ADC通道 */
adc_ch_conf.Rank = ADC_REGULAR_RANK_4; /* 采样序列里的第4个 */
HAL_ADC_ConfigChannel(&g_adc_nch_dma_handle, &adc_ch_conf); /* 配置ADC通道 */
adc_ch_conf.Channel = ADC_CHANNEL_4; /* 配置使用的ADC通道 */
adc_ch_conf.Rank = ADC_REGULAR_RANK_5; /* 采样序列里的第5个 */
HAL_ADC_ConfigChannel(&g_adc_nch_dma_handle, &adc_ch_conf); /* 配置ADC通道 */
adc_ch_conf.Channel = ADC_CHANNEL_5; /* 配置使用的ADC通道 */
adc_ch_conf.Rank = ADC_REGULAR_RANK_6; /* 采样序列里的第6个 */
HAL_ADC_ConfigChannel(&g_adc_nch_dma_handle, &adc_ch_conf); /* 配置ADC通道 */
/* 配置DMA数据流请求中断优先级 */
HAL_NVIC_SetPriority(ADC_ADCX_DMACx_IRQn, 3, 3);
HAL_NVIC_EnableIRQ(ADC_ADCX_DMACx_IRQn);
HAL_DMA_Start_IT(&g_dma_nch_adc_handle, (uint32_t)&ADC1->DR, mar, 0); /* 启动DMA，并开启中断 */
HAL_ADC_Start_DMA(&g_adc_nch_dma_handle, &mar, 0); /* 开启ADC，通过DMA传输结果 */
}
为了方便代码的管理和移植性等，这里没有使用HAL_ADC_MspInit函数来存放使能时钟、GPIO、NVIC相关的代码，而是全部存放在adc_nch_dma_init函数中。
接下来介绍一下，使能一次ADC DMA传输函数，其定义如下：
void adc_dma_enable(uint16_t cndtr)
{
ADC_ADCX->CR2 &= ~(1 << 0); /* 先关闭ADC */
ADC_ADCX_DMACx->CCR &= ~(1 << 0); /* 关闭DMA传输 */
while (ADC_ADCX_DMACx->CCR & (1 << 0)); /* 确保DMA可以被设置 */
ADC_ADCX_DMACx->CNDTR = cndtr; /* DMA传输数据量 */
ADC_ADCX_DMACx->CCR |= 1 << 0; /* 开启DMA传输 */
ADC_ADCX->CR2 |= 1 << 0; /* 重新启动ADC */
ADC_ADCX->CR2 |= 1 << 22; /* 启动规则转换通道 */
}
HAL_DMA_Start_IT函数已经配置好了DMA传输的源地址和目标地址，本函数只需调用ADC_ADCX_DMACx->CNDTR = cndtr;语句给DMA_CNDTRx寄存器写入要传输的数据量，然后启动DMA就可以传输。
下面介绍的是
ADC DMA采集中断服务函数，函数定义如下：
void ADC_ADCX_DMACx_IRQHandler(void)
{
if (ADC_ADCX_DMACx_IS_TC())
{
g_adc_dma_sta = 1; /* 标记DMA传输完成 */
ADC_ADCX_DMACx_CLR_TC(); /* 清除DMA1 数据流7 传输完成中断 */
}
}
在该函数里，通过判断DMA传输完成标志位是否是1，是1则g_adc_dma_sta变量赋值1，标记DMA传输完成，最后清除DMA的传输完成标志。
最后是主函数（main）中的代码：
int main(void)
{
uint16_t i,j;
uint16_t adcx;
uint32_t sum;
float temp;
HAL_Init(); /* 初始化HAL库 */
sys_stm32_clock_init(RCC_PLL_MUL9); /* 设置时钟, 72Mhz */
delay_init(72); /* 延时初始化 */
usart_init(115200); /* 串口初始化为115200 */
led_init(); /* 初始化LED */
lcd_init(); /* 初始化LCD */
adc_nch_dma_init((uint32_t)&g_adc_dma_buf); /* 初始化ADC DMA采集 */
lcd_show_string(30, 50, 200, 16, 16, "STM32", RED);
lcd_show_string(30, 70, 200, 16, 16, "ADC 6CH DMA TEST", RED);
lcd_show_string(30, 90, 200, 16, 16, "ATOM@ALIENTEK", RED);
lcd_show_string(30, 110, 200, 12, 12, "ADC1_CH0_VAL:", BLUE);
lcd_show_string(30, 122, 200, 12, 12, "ADC1_CH0_VOL:0.000V", BLUE); /* 先在固定位置显示小数点 */
lcd_show_string(30, 140, 200, 12, 12, "ADC1_CH1_VAL:", BLUE);
lcd_show_string(30, 152, 200, 12, 12, "ADC1_CH1_VOL:0.000V", BLUE); /* 先在固定位置显示小数点 */
lcd_show_string(30, 170, 200, 12, 12, "ADC1_CH2_VAL:", BLUE);
lcd_show_string(30, 182, 200, 12, 12, "ADC1_CH2_VOL:0.000V", BLUE); /* 先在固定位置显示小数点 */
lcd_show_string(30, 200, 200, 12, 12, "ADC1_CH3_VAL:", BLUE);
lcd_show_string(30, 212, 200, 12, 12, "ADC1_CH3_VOL:0.000V", BLUE); /* 先在固定位置显示小数点 */
lcd_show_string(30, 230, 200, 12, 12, "ADC1_CH4_VAL:", BLUE);
lcd_show_string(30, 242, 200, 12, 12, "ADC1_CH4_VOL:0.000V", BLUE); /* 先在固定位置显示小数点 */
lcd_show_string(30, 260, 200, 12, 12, "ADC1_CH5_VAL:", BLUE);
lcd_show_string(30, 272, 200, 12, 12, "ADC1_CH5_VOL:0.000V", BLUE); /* 先在固定位置显示小数点 */
adc_dma_enable(ADC_DMA_BUF_SIZE); /* 启动ADC DMA采集 */
while (1)
{
if (g_adc_dma_sta == 1)
{
/* 循环显示通道0~通道5的结果 */
for(j = 0; j < 6; j++) /* 遍历6个通道 */
{
sum = 0; /* 清零 */
for (i = 0; i < ADC_DMA_BUF_SIZE / 6; i++) /* 每个通道采集了10次数据,进行10次累加 */
{
sum += g_adc_dma_buf[(6 * i) + j]; /* 相同通道的转换数据累加 */
}
adcx = sum / (ADC_DMA_BUF_SIZE / 6); /* 取平均值 */
/* 显示结果 */
lcd_show_xnum(108, 110 + (j * 30), adcx, 4, 12, 0, BLUE); /* 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_show_xnum(108, 122 + (j * 30), adcx, 1, 12, 0, BLUE); /* 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_show_xnum(120, 122 + (j * 30), temp, 3, 12, 0X80, BLUE);/* 显示小数部分（前面转换为了整形显示），这里显示的就是111. */
}
g_adc_dma_sta = 0; /* 清除DMA采集完成状态标志 */
adc_dma_enable(ADC_DMA_BUF_SIZE); /* 启动下一次ADC DMA采集 */
}
LED0_TOGGLE();
delay_ms(100);
}
}
主函数中就是将各个通道采集到的数值，转换成真实值，显示在LCD屏上。
作者：TJ_conly
