STMicroelectronics 系列：STM32G0 系列_（11）.STM32G0系列的ADC和DAC

STM32G0系列的ADC和DAC

模拟到数字转换器 (ADC)

ADC概述

STM32G0系列微控制器集成了高性能的模拟到数字转换器（ADC），用于将模拟信号转换为数字信号。ADC在各种应用中非常重要，如传感器数据读取、音频处理和环境监测等。STM32G0系列的ADC具有以下特点：

高精度：12位分辨率，确保高精度的模拟信号转换。

多通道：支持多个模拟输入通道，可以同时进行多个信号的采样。

采样率：最高可达5 Msps（每秒百万采样）。

多种触发方式：软件触发、定时器触发、外部事件触发等。

多种工作模式：单次转换、连续转换、扫描模式等。

低功耗：支持多种低功耗模式，适用于电池供电的应用。

ADC硬件结构

STM32G0系列的ADC硬件结构如下：

ADC核心：负责将模拟信号转换为数字信号。

采样通道：支持多个输入通道，每个通道可以连接不同的模拟信号源。

数据寄存器：存储转换后的数字结果。

控制寄存器：用于配置ADC的工作模式、分辨率、触发方式等。

校准寄存器：用于校准ADC以提高精度。

DMA控制器：支持直接内存访问，可以将转换结果自动传输到内存中，减轻CPU负担。

ADC配置

1. ADC初始化

ADC的初始化步骤包括配置时钟、选择分辨率、配置采样时间、设置触发源等。以下是一个简单的初始化示例：

#include "stm32g0xx_hal.h"



// ADC配置结构体

ADC_HandleTypeDef hadc;



void ADC_Init(void) {

    // 使能ADC时钟

    __HAL_RCC_ADC_CLK_ENABLE();



    // ADC初始化结构体

    hadc.Instance = ADC1;

    hadc.Init.Resolution = ADC_RESOLUTION_12B; // 12位分辨率

    hadc.Init.ScanConvMode = DISABLE; // 单通道模式

    hadc.Init.ContinuousConvMode = DISABLE; // 单次转换模式

    hadc.Init.ExternalTrigConv = ADC_SOFTWARE_START; // 软件触发

    hadc.Init.DataAlign = ADC_DATAALIGN_RIGHT; // 右对齐

    hadc.Init.NbrOfConversion = 1; // 1次转换

    hadc.Init.DMAContinuousRequests = DISABLE; // 禁用DMA连续请求



    // 初始化ADC

    if (HAL_ADC_Init(&hadc) != HAL_OK) {

        // 初始化错误处理

        Error_Handler();

    }



    // 配置采样时间

    ADC_ChannelConfTypeDef sConfig = {0};

    sConfig.Channel = ADC_CHANNEL_0; // 选择通道0

    sConfig.Rank = 1; // 通道1

    sConfig.SamplingTime = ADC_SAMPLETIME_239CYCLES_5; // 239.5个周期

    if (HAL_ADC_ConfigChannel(&hadc, &sConfig) != HAL_OK) {

        // 配置通道错误处理

        Error_Handler();

    }

}

2. ADC校准

为了确保ADC的转换精度，需要进行校准。校准可以通过调用HAL_ADCCalibration函数来完成。

void ADC_Calibrate(void) {

    // 校准ADC

    if (HAL_ADCEx_Calibration_Start(&hadc, ADC_CALIB_OFFSET, ADC_SINGLE_ENDED) != HAL_OK) {

        // 校准错误处理

        Error_Handler();

    }

}

3. ADC启动和停止

在进行ADC转换之前，需要启动ADC。转换完成后，可以停止ADC以节省功耗。

void ADC_Start(void) {

    // 启动ADC转换

    if (HAL_ADC_Start(&hadc) != HAL_OK) {

        // 启动错误处理

        Error_Handler();

    }

}



void ADC_Stop(void) {

    // 停止ADC转换

    if (HAL_ADC_Stop(&hadc) != HAL_OK) {

        // 停止错误处理

        Error_Handler();

    }

}

4. ADC数据读取

读取ADC转换结果可以通过HAL_ADC_PollForConversion函数来实现。该函数会等待ADC转换完成，并返回转换结果。

uint32_t ADC_Read(void) {

    uint32_t value;



    // 等待ADC转换完成

    if (HAL_ADC_PollForConversion(&hadc, HAL_MAX_DELAY) != HAL_OK) {

        // 转换错误处理

        Error_Handler();

    }



    // 读取转换结果

    value = HAL_ADC_GetValue(&hadc);



    return value;

}

ADC中断和DMA

1. ADC中断配置

使用中断可以实现在ADC转换完成后立即进行数据处理。以下是一个配置ADC中断的示例：

void ADC_Interrupt_Config(void) {

    // 使能ADC中断

    HAL_NVIC_SetPriority(ADC1_IRQn, 0, 0);

    HAL_NVIC_EnableIRQ(ADC1_IRQn);

}



void ADC1_IRQHandler(void) {

    HAL_ADC_IRQHandler(&hadc);

}



void HAL_ADC_ConvCpltCallback(ADC_HandleTypeDef *hadc) {

    // ADC转换完成回调函数

    uint32_t value = HAL_ADC_GetValue(hadc);

    // 处理转换结果

    // ...

}

2. ADC DMA配置

使用DMA可以将ADC转换结果自动传输到内存中，减轻CPU负担。以下是一个配置ADC DMA的示例：

#include "stm32g0xx_hal_dma.h"



// DMA配置结构体

DMA_HandleTypeDef hdma_adc;



// ADC数据缓冲区

uint32_t adc_buffer[10];



void ADC_DMA_Init(void) {

    // 使能DMA时钟

    __HAL_RCC_DMA1_CLK_ENABLE();



    // DMA初始化结构体

    hdma_adc.Instance = DMA1_Channel1;

    hdma_adc.Init.Direction = DMA_PERIPH_TO_MEMORY;

    hdma_adc.Init.PeriphInc = DMA_PINC_DISABLE;

    hdma_adc.Init.MemInc = DMA_MINC_ENABLE;

    hdma_adc.Init.PeriphDataAlignment = DMA_PDATAALIGN_HALFWORD;

    hdma_adc.Init.MemDataAlignment = DMA_MDATAALIGN_HALFWORD;

    hdma_adc.Init.Mode = DMA_CIRCULAR;

    hdma_adc.Init.Priority = DMA_PRIORITY_HIGH;



    // 初始化DMA

    if (HAL_DMA_Init(&hdma_adc) != HAL_OK) {

        // 初始化错误处理

        Error_Handler();

    }



    // 将DMA句柄关联到ADC

    __HAL_LINKDMA(&hadc, hdmaReg, hdma_adc);

}



void ADC_Start_DMA(void) {

    // 启动ADC转换并启用DMA

    if (HAL_ADC_Start_DMA(&hadc, (uint32_t *)adc_buffer, 10) != HAL_OK) {

        // 启动错误处理

        Error_Handler();

    }

}

ADC应用示例

1. 读取温度传感器数据

假设我们使用一个温度传感器（如LM35），将其输出的模拟信号通过ADC读取并转换为温度值。

#include "stm32g0xx_hal.h"



// ADC配置结构体

ADC_HandleTypeDef hadc;



// ADC数据缓冲区

uint32_t adc_value;



void ADC_Init(void) {

    // 使能ADC时钟

    __HAL_RCC_ADC_CLK_ENABLE();



    // ADC初始化结构体

    hadc.Instance = ADC1;

    hadc.Init.Resolution = ADC_RESOLUTION_12B;

    hadc.Init.ScanConvMode = DISABLE;

    hadc.Init.ContinuousConvMode = ENABLE;

    hadc.Init.ExternalTrigConv = ADC_SOFTWARE_START;

    hadc.Init.DataAlign = ADC_DATAALIGN_RIGHT;

    hadc.Init.NbrOfConversion = 1;

    hadc.Init.DMAContinuousRequests = DISABLE;



    // 初始化ADC

    if (HAL_ADC_Init(&hadc) != HAL_OK) {

        Error_Handler();

    }



    // 配置采样时间

    ADC_ChannelConfTypeDef sConfig = {0};

    sConfig.Channel = ADC_CHANNEL_0;

    sConfig.Rank = 1;

    sConfig.SamplingTime = ADC_SAMPLETIME_239CYCLES_5;

    if (HAL_ADC_ConfigChannel(&hadc, &sConfig) != HAL_OK) {

        Error_Handler();

    }

}



void ADC_Calibrate(void) {

    if (HAL_ADCEx_Calibration_Start(&hadc, ADC_CALIB_OFFSET, ADC_SINGLE_ENDED) != HAL_OK) {

        Error_Handler();

    }

}



void ADC_Start(void) {

    if (HAL_ADC_Start(&hadc) != HAL_OK) {

        Error_Handler();

    }

}



uint32_t ADC_Read(void) {

    if (HAL_ADC_PollForConversion(&hadc, HAL_MAX_DELAY) != HAL_OK) {

        Error_Handler();

    }



    adc_value = HAL_ADC_GetValue(&hadc);



    return adc_value;

}



float GetTemperature(uint32_t adc_value) {

    // 假设LM35传感器输出电压与温度的关系为10mV/°C

    float voltage = (adc_value * 3.3) / 4096.0; // 3.3V参考电压

    float temperature = voltage / 0.01; // 10mV/°C



    return temperature;

}



int main(void) {

    HAL_Init();

    SystemClock_Config(); // 配置系统时钟

    ADC_Init();

    ADC_Calibrate();

    ADC_Start();



    while (1) {

        uint32_t adc_value = ADC_Read();

        float temperature = GetTemperature(adc_value);

        // 打印温度值

        printf("Temperature: %.2f °C\r\n", temperature);

        HAL_Delay(1000); // 1秒延迟

    }

}



void SystemClock_Config(void) {

    // 配置系统时钟

    // ...

}



void Error_Handler(void) {

    // 错误处理函数

    // ...

}

数字到模拟转换器 (DAC)

DAC概述

STM32G0系列微控制器还集成了数字到模拟转换器（DAC），用于将数字信号转换为模拟信号。DAC在多种应用中非常有用，如音频生成、电压调节和信号生成等。STM32G0系列的DAC具有以下特点：

高精度：12位分辨率，确保高精度的数字信号转换。

多通道：支持多个输出通道。

多种工作模式：波形生成、噪声生成等。

低功耗：支持多种低功耗模式。

DAC硬件结构

STM32G0系列的DAC硬件结构如下：

DAC核心：负责将数字信号转换为模拟信号。

输出通道：支持多个输出通道，每个通道可以连接不同的模拟负载。

数据寄存器：存储要转换的数字值。

控制寄存器：用于配置DAC的工作模式、分辨率等。

波形生成寄存器：支持波形生成功能，如正弦波、三角波等。

DAC配置

1. DAC初始化

DAC的初始化步骤包括配置时钟、选择分辨率、配置输出通道等。以下是一个简单的初始化示例：

#include "stm32g0xx_hal.h"



// DAC配置结构体

DAC_HandleTypeDef hdac;



void DAC_Init(void) {

    // 使能DAC时钟

    __HAL_RCC_DAC1_CLK_ENABLE();



    // DAC初始化结构体

    hdac.Instance = DAC1;

    hdac.Init.Resolution = DAC_RESOLUTION_12B; // 12位分辨率

    hdac.Init.DataAlignment = DAC_DATAALIGN_RIGHT; // 右对齐

    hdac.Init.OutPut = DAC_OUTPUT;

    hdac.Init.Trigger = DAC_TRIGGER_NONE; // 无触发



    // 初始化DAC

    if (HAL_DAC_Init(&hdac) != HAL_OK) {

        // 初始化错误处理

        Error_Handler();

    }



    // 配置通道

    DAC_ChannelConfTypeDef sConfig = {0};

    sConfig.DAC_SampleAndHold = DAC_SAMPLEANDHOLD_DISABLE;

    sConfig.DAC_Trigger = DAC_TRIGGER_NONE;

    sConfig.DAC_OutputBuffer = DAC_OUTPUTBUFFER_ENABLE;

    if (HAL_DAC_ConfigChannel(&hdac, &sConfig, DAC_CHANNEL_1) != HAL_OK) {

        // 配置通道错误处理

        Error_Handler();

    }

}

2. DAC输出

通过HAL_DAC_SetValue函数可以设置DAC的输出值。以下是一个设置DAC输出值的示例：

void DAC_SetValue(uint32_t value) {

    // 设置DAC通道1的输出值

    if (HAL_DAC_SetValue(&hdac, DAC_CHANNEL_1, DAC_ALIGN_12B_R, value) != HAL_OK) {

        // 设置值错误处理

        Error_Handler();

    }

}

3. DAC中断和DMA

使用中断和DMA可以实现更复杂的DAC输出控制，如波形生成。以下是一个配置DAC中断的示例：

void DAC_Interrupt_Config(void) {

    // 使能DAC中断

    HAL_NVIC_SetPriority(DAC1_IRQn, 0, 0);

    HAL_NVIC_EnableIRQ(DAC1_IRQn);

}



void DAC1_IRQHandler(void) {

    HAL_DAC_IRQHandler(&hdac);

}



void HAL_DAC_ConvCpltCallback(DAC_HandleTypeDef *hdac) {

    // DAC转换完成回调函数

    // 可以在这里处理转换完成后的事件

    // ...

}

DAC应用示例

1. 生成正弦波

假设我们使用DAC生成一个正弦波信号。以下是一个生成正弦波的示例：

#include "stm32g0xx_hal.h"

#include <math.h>



// DAC配置结构体

DAC_HandleTypeDef hdac;



// 正弦波数据缓冲区

uint32_t sine_wave[100];



void DAC_Init(void) {

    // 使能DAC时钟

    __HAL_RCC_DAC1_CLK_ENABLE();



    // DAC初始化结构体

    hdac.Instance = DAC1;

    hdac.Init.Resolution = DAC_RESOLUTION_12B;

    hdac.Init.DataAlignment = DAC_DATAALIGN_RIGHT;

    hdac.Init.OutPut = DAC_OUTPUT;

    hdac.Init.Trigger = DAC_TRIGGER_NONE;



    // 初始化DAC

    if (HAL_DAC_Init(&hdac) != HAL_OK) {

        Error_Handler();

    }



    // 配置通道

    DAC_ChannelConfTypeDef sConfig = {0};

    sConfig.DAC_SampleAndHold = DAC_SAMPLEANDHOLD_DISABLE;

    sConfig.DAC_Trigger = DAC_TRIGGER_NONE;

    sConfig.DAC_OutputBuffer = DAC_OUTPUTBUFFER_ENABLE;

    if (HAL_DAC_ConfigChannel(&hdac, &sConfig, DAC_CHANNEL_1) != HAL_OK) {

        Error_Handler();

    }

}



void GenerateSineWave(void) {

    // 生成一个12位分辨率的正弦波

    for (int i = 0; i < 100; i++) {

        sine_wave[i] = (uint32_t)((sin(2 * M_PI * i / 100) + 1) * 2047.5);

    }

}



void DAC_Output_SineWave(void) {

    // 输出正弦波

    for (int i = 0; i < 100; i++) {

        DAC_SetValue(sine_wave[i]);

        HAL_Delay(10); // 10ms延迟

    }

}



int main(void) {

    HAL_Init();

    SystemClock_Config(); // 配置系统时钟

    DAC_Init();

    GenerateSineWave();



    while (1) {

        DAC_Output_SineWave();

    }

}



void SystemClock_Config(void) {

    // 配置系统时钟

    // ...

}



void Error_Handler(void) {

    // 错误处理函数

    // ...

}

ADC和DAC的联合应用

1. 读取传感器数据并生成对应的模拟信号

假设我们有一个环境光传感器，读取其输出的模拟信号并通过ADC转换为数字值，然后根据该值生成对应的模拟信号输出到DAC。以下是一个联合应用的示例：

#include "stm32g0xx_hal.h"

#include <math.h>



// ADC配置结构体

ADC_HandleTypeDef hadc;



// DAC配置结构体

DAC_HandleTypeDef hdac;



// ADC数据缓冲区

uint32_t adc_value;



// DAC数据缓冲区

uint32_t dac_value;



void ADC_Init(void) {

    // 使能ADC时钟

    __HAL_RCC_ADC_CLK_ENABLE();



    // ADC初始化结构体

    hadc.Instance = ADC1;

    hadc.Init.Resolution = ADC_RESOLUTION_12B; // 12位分辨率

    hadc.Init.ScanConvMode = DISABLE; // 单通道模式

    hadc.Init.ContinuousConvMode = ENABLE; // 连续转换模式

    hadc.Init.ExternalTrigConv = ADC_SOFTWARE_START; // 软件触发

    hadc.Init.DataAlign = ADC_DATAALIGN_RIGHT; // 右对齐

    hadc.Init.NbrOfConversion = 1; // 1次转换

    hadc.Init.DMAContinuousRequests = DISABLE; // 禁用DMA连续请求



    // 初始化ADC

    if (HAL_ADC_Init(&hadc) != HAL_OK) {

        Error_Handler();

    }



    // 配置采样时间

    ADC_ChannelConfTypeDef sConfig = {0};

    sConfig.Channel = ADC_CHANNEL_0; // 选择通道0

    sConfig.Rank = 1; // 通道1

    sConfig.SamplingTime = ADC_SAMPLETIME_239CYCLES_5; // 239.5个周期

    if (HAL_ADC_ConfigChannel(&hadc, &sConfig) != HAL_OK) {

        Error_Handler();

    }

}



void DAC_Init(void) {

    // 使能DAC时钟

    __HAL_RCC_DAC1_CLK_ENABLE();



    // DAC初始化结构体

    hdac.Instance = DAC1;

    hdac.Init.Resolution = DAC_RESOLUTION_12B; // 12位分辨率

    hdac.Init.DataAlignment = DAC_DATAALIGN_RIGHT; // 右对齐

    hdac.Init.OutPut = DAC_OUTPUT; // 输出模式

    hdac.Init.Trigger = DAC_TRIGGER_NONE; // 无触发



    // 初始化DAC

    if (HAL_DAC_Init(&hdac) != HAL_OK) {

        Error_Handler();

    }



    // 配置通道

    DAC_ChannelConfTypeDef sConfig = {0};

    sConfig.DAC_SampleAndHold = DAC_SAMPLEANDHOLD_DISABLE;

    sConfig.DAC_Trigger = DAC_TRIGGER_NONE;

    sConfig.DAC_OutputBuffer = DAC_OUTPUTBUFFER_ENABLE;

    if (HAL_DAC_ConfigChannel(&hdac, &sConfig, DAC_CHANNEL_1) != HAL_OK) {

        Error_Handler();

    }

}



void ADC_Calibrate(void) {

    // 校准ADC

    if (HAL_ADCEx_Calibration_Start(&hadc, ADC_CALIB_OFFSET, ADC_SINGLE_ENDED) != HAL_OK) {

        Error_Handler();

    }

}



void ADC_Start(void) {

    // 启动ADC转换

    if (HAL_ADC_Start(&hadc) != HAL_OK) {

        Error_Handler();

    }

}



uint32_t ADC_Read(void) {

    uint32_t value;



    // 等待ADC转换完成

    if (HAL_ADC_PollForConversion(&hadc, HAL_MAX_DELAY) != HAL_OK) {

        Error_Handler();

    }



    // 读取转换结果

    value = HAL_ADC_GetValue(&hadc);



    return value;

}



void DAC_SetValue(uint32_t value) {

    // 设置DAC通道1的输出值

    if (HAL_DAC_SetValue(&hdac, DAC_CHANNEL_1, DAC_ALIGN_12B_R, value) != HAL_OK) {

        // 设置值错误处理

        Error_Handler();

    }

}



void SystemClock_Config(void) {

    // 配置系统时钟

    // ...

}



void Error_Handler(void) {

    // 错误处理函数

    // ...

}



int main(void) {

    HAL_Init();

    SystemClock_Config(); // 配置系统时钟

    ADC_Init();

    DAC_Init();

    ADC_Calibrate();

    ADC_Start();



    while (1) {

        // 读取ADC值

        adc_value = ADC_Read();



        // 根据ADC值生成对应的DAC值

        // 假设ADC值范围为0-4095，对应0-3.3V

        // 将ADC值直接输出到DAC

        dac_value = adc_value;



        // 设置DAC输出

        DAC_SetValue(dac_value);



        // 100ms延迟

        HAL_Delay(100);

    }

}

详细说明

1. ADC初始化

使能ADC时钟：通过__HAL_RCC_ADC_CLK_ENABLE()函数使能ADC的时钟。

ADC初始化结构体：配置ADC的分辨率、工作模式、触发方式等。

配置采样时间：设置ADC通道的采样时间，确保信号的准确转换。

2. DAC初始化

使能DAC时钟：通过__HAL_RCC_DAC1_CLK_ENABLE()函数使能DAC的时钟。

DAC初始化结构体：配置DAC的分辨率、输出模式、触发方式等。

配置通道：设置DAC通道的输出缓冲和采样保持模式。

3. 校准ADC

校准ADC：通过HAL_ADCEx_Calibration_Start()函数进行ADC校准，提高转换精度。

4. 启动ADC

启动ADC转换：通过HAL_ADC_Start()函数启动ADC转换。

5. 读取ADC值

等待ADC转换完成：通过HAL_ADC_PollForConversion()函数等待ADC转换完成。

读取转换结果：通过HAL_ADC_GetValue()函数读取转换后的数字值。

6. 设置DAC输出

设置DAC输出值：通过HAL_DAC_SetValue()函数设置DAC通道的输出值。

应用场景

1. 环境光传感器读取

假设我们使用一个环境光传感器，其输出的模拟信号通过ADC读取并转换为数字值。这个数字值可以直接映射到DAC的输出值，从而生成一个对应的模拟信号。

2. 波形生成

除了简单的数字到模拟信号的转换，DAC还可以用于生成复杂的波形，如正弦波、三角波等。这些波形可以通过预计算的数组和定时器触发来实现。

总结

通过联合使用STM32G0系列的ADC和DAC，可以实现从模拟信号的读取到数字信号的处理，再到模拟信号的生成。这种功能在多种应用场景中非常有用，如传感器数据处理、音频信号生成和环境监测等。通过配置中断和DMA，可以进一步优化系统的性能和功耗。

作者：kkchenkx