代码收藏家技术教程 2024-10-02

STM32外设概览：ADC模块地图解析

一、ADC（Analog-to-digital converter）

1、单通道单次采样（Single no-scan mode）：任务A 读一个通道的一次采样数据

配置ADC为 Single no-scan mode（CONT = 0，SCAN = 0）。采样 channel X （X 取值范围 0 ~ 17）时，软件先设置 channel X 的采样时间（SMPx[2:0]），并把 regular group的第一个采样通道设置为 X（SQ1[4:0] = X），然后启动 regular group 采样（ADON = 1），并等待ADC采样结束（等待EOC bit置位），当采样结束后，软件读出采样结果sample_value（读寄存器ADC_DR，读完后EOC bit自动清零），然后计算出采样电压值: volt = sample_value * 1LSB电压值。

2、多通道连续采样（Continuous scan mode）：任务A 读多个通道的多次采样数据（每个通道有多个采样数据，算出平均值作为有效值）

配置ADC为 continuous scan mode**（CONT = 1，SCAN = 1），并在 regular group 中配置要采样的通道个数(L [3:0 ] = 要采样的通道个数CHANNEL_NUM – 1，注意通道个数不能超过16)、各通道的采样顺序和采样时间（配置ADC_SQR1、ADC_SMPR1），然后在内存中准备好DMA缓存（uint16_t dma_buff[CHANNEL_DEEPTH] [ CHANNEL_NUM ]，通道个数为CHANNEL_NUM，每个通道采样次数为CHANNEL_DEEPTH）， 并配置DMA channel：

循环模式，传输方向为 peripheral–> memory，搬运次数为 CHANNEL_NUM * CHANNEL_DEEPTH；
peripheral：起始地址为寄存器ADC_DR地址，地址不增加，单数据长度为2字节；
memory: 起始地址为 &dma_buff，地址增加，单数据长度为2字节；
使能DMA channel（ADC对应的DMA channel）;
最后使能ADC的DMA功能（置位ADC的DMA标志）。 //每次regular group中的一个通道采样结束后，ADC自动向DMA控制器发送DMA请求

配置DMA channel结束后，软件启动 regular group采样（ADON = 1），启动采样后，ADC按照设定的采样顺序依次采样 regular group中的各个通道（scan regular group，scan结束后又重新开始scan），每采样完一个通道就发送一次DMA请求，DMA channel收到请求后就把采样数据从寄存器ADC_DR 读到缓存 dma_buff中。当任务A被调度器调度时，处理 dma_buff 中各通道的多个采样数据(根据采样数据算出电压值，并算出电压平均值)。

二、程序开发流程

1、单通道单次采样（Single no-scan mode）

/* 函数功能：读ADC1指定通道的采样电压. 此接口供外部模块调用
   返回值：指定channel的采样电压值
*/
uint16_t adc1_channel_volt(uint8_t channel)
{
#define REF_VOLT	  3300		//参考电压, 3300mV
#define CONVERT_BITS  12		//ADC1转换位数为12位
	ASSERT(channel < 18);		//ADC1最多18个通道
	
	把regular group的第一个采样通道设置为 channel;	//SQ1[4:0] = channel
	启动regular group采样;		//对ADON标志写1
	while(EOC标志为0);			//等待采样结束
	
	uint16_t value = ADC_DR;	//读采样数据
	uint32_t volt = value * REF_VOLT / (1 << CONVERT_BITS);	//根据采样数据算出电压值
	
	return (uint16_t)volt;		//返回电压值
}

void adc1_init(void)
{
	初始化ADC1：
	ADC1的时钟预分频为8;			  //配置ADCPRE[1：0], 时钟源为APB2(72Mhz), ADC1频率为9M, 注意不能让ADC频率超过14M
	不使能Continuous mode;	      //清零CONT标志
	不使能Scan mode;	              //清零SCAN标志
	18个通道采样时间都为239.5cycle; //配置寄存器ADC_SMPR1、ADC_SMPR2, 一个通道采样时间为 (239.5 + 12.5) / 9M = 28us
	不使能DMA模式;		         //清零DMA标志
	数据寄存器向右对齐;	         //清零ALIGN标志
	使能ADC;				     //置位ADON标志
	  
	配置ADC1各采样通道的引脚;	 	 //各引脚配置为模拟输入, 另外需根据电路图来确定是否需要软件执行ADC1引脚重映射
	
	启动ADC内部校准并等待校准完成; //置位CAL标志启动校准, 校准完成后硬件清零CAL标志
}

2、多通道连续采样（Continuous scan mode）

#define CHANNEL_DEEPTH	20							//每个通道的采样次数
#define CHANNEL_NUM	sizeof(adc_channel_sequence)	//通道个数

static uint8_t adc_channel_sequence[ ] =			//通道采样顺序
{
	ADC_Channel_8,	//第一个采样
	ADC_Channel_10,
	ADC_Channel_11,	   
    ADC_Channel_5,			
    ADC_Channel_4,		
    ADC_Channel_1,		
    ADC_Channel_0,
	ADC_Channel_17	//最后一个采样
};

static volatile uint16_t dma_buf[CHANNEL_DEEPTH][CHANNEL_NUM];	//DMA缓存

/* 任务A周期性执行(任务A执行周期需大于dma缓存的更新周期), 负责处理dma_buf中的采样数据：
把采样数据换算成电压, 然后算出各通道的平均电压并打印出来 
*/
void taskA(void)
{
#define REF_VOLT	  3300	//参考电压, 3300mV
#define CONVERT_BITS  12	//ADC1转换位数为12位

	uint32_t one_lsb_volt = REF_VOLT / (1 << CONVERT_BITS);	//1LSB 电压值

	for(uint8_t i = 0; i < CHANNEL_NUM; i++)
	{
		uint32_t sum_volt = 0;
		
		for(uint16_t j = 0; j < CHANNEL_DEEPTH; j++)
		{
			uint32_t volt = dma_buf[j][i] * one_lsb_volt;	//计算采样电压值
			sum_volt += volt;	//电压值累加
		}
		
		printf("sequence %d average volt: %d\n", i, sum_volt / CHANNEL_DEEPTH);	//打印通道的平均电压
	}
}

void adc1_init(void)
{
	初始化ADC1：
	  ADC1的时钟预分频为8;	   		//配置ADCPRE[1：0], 时钟源为APB2(72Mhz), ADC1频率为9M, 注意不能让ADC频率超过14M
	  使能Continuous mode;	   		//置位CONT标志
	  使能Scan mode;	       		//置位SCAN标志
	  18个通道采样时间都为239.5cycle;	//配置寄存器ADC_SMPR1、ADC_SMPR2, 一个通道采样时间为 (239.5 + 12.5) / 9M = 28us
	  regular group通道个数为CHANNEL_NUM, 采样顺序为数组adc_channel_sequence 定义的顺序;
	  使能DMA模式;		       		//置位DMA标志
	  数据寄存器向右对齐;	       		//清零ALIGN标志
      使能ADC;				   		//置位ADON标志
      
    配置DMA：
      循环模式, 传输方向为 peripheral--> memory, 搬运次数为 CHANNEL_NUM * CHANNEL_DEEPTH;
      peripheral：起始地址为 寄存器ADC_DR地址，地址不增加，单数据长度为2字节;
      memory: 起始地址为 &dma_buf，地址增加，单数据长度为2字节;
      使能DMA channel（ADC1对应的DMA channel）;
      
    配置ADC1各采样通道的引脚;	 		//各引脚配置为模拟输入, 另外需根据电路图来确定是否需要软件执行ADC1引脚重映射
		
	启动ADC内部校准并等待校准完成;	//置位CAL标志启动校准, 校准完成后硬件清零CAL标志
	启动regular group采样;		  	//对ADON标志写1
	
	创建任务taskA, 任务调用周期为100MS;
}

三、注意事项

1、若使能Scan mode，则采样 regular group时，必须使用DMA功能，此时 regular group 中的每个通道采样完成后，ADC都会发送DMA请求。

2、regular group 多通道连续采样时，如果DMA channel传输完成时需触发DMA channel中断，此时需考虑DMA channel中断周期（必要时可加大 dma缓存以延长DMA中断周期），避免中断过于频繁而影响CPU性能。

① ADC Scan一次的时间：若配置 ADC时钟频率为 12M，每个通道采样时间为 239.5 cycle，则一个通道的转换时间为（239.5 + 12.5）/ 12 = 21us。regular group 的通道个数可配置为 1 ~ 16，故 ADC Scan一次的时间为 21us ~ 336us。

② DMA中断周期（dma缓存更新周期）：若dma缓存只能保存一次循环的数据，则ADC Scan完一次时，DMA立刻触发中断，DMA中断周期为 21us ~ 336us；若dma缓存可以保存 N 次循环的数据，则ADC Scan完 N次时，DMA才触发中断，DMA中断周期为 21us * N ~ 336us * N。

PS：如果要把DMA中断周期控制在 1MS左右，则当 regular group中只有1个通道时，dma缓存为 uint16_t dma_buff[47] [1]；当 regular group中有16个通道时，dma缓存为 uint16_t dma_buff[3] [16]

③ taskA处理采样数据的周期：taskA要等 dma缓存更新完后，才能处理采样数据，因此 taskA处理采样数据的周期，应该大于 dma缓存更新周期。

PS：如果 DMA channel传输完成时需触发DMA channel中断，可考虑把ADC配置为多通道单次采样，并把 regular group的外部触发配置为定时器触发，这样可以用定时器周期性启动 regular group 采样，进而控制DMA中断周期，就不用通过加大dma缓存来延长DMA中断周期。
比如当设置定时器每10MS 启动一次 regular group采样时，此时DMA中断周期为: 10MS + dma缓存更新周期；当设置定时器每20MS 启动一次 regular group采样时，此时DMA中断周期为: 20MS + dma缓存更新周期。

3、关于ADC采样误差：
① 最大误差(Total unadjusted error)：在任一时刻，采样值和实际值的最大差值
② 偏移误差（Offset Error）：实际电压为1LSB时，采样值和实际值的差值
③ 增益误差（Gain Error）：实际电压为最大Vref+ 时，采样值和实际值的差值
④ 微分线性误差（Differential Linearity Error）：在任一时刻，采样的电压增量，和实际的电压增量，二者的最大差值
⑤ 积分线性误差（Integral Linearity Error）：在任一时刻，采样的电压值，和实际电压校准后的电压值，二者的最大差值