STM32的ADC模数转换器有哪几种工作模式及应用呢

　　一、ADC基础知识
　　
　　1.1 ADC 简介
　　ADC 模数转换器，Analog-to-Digital Converter的缩写，通常是指将连续变化的模拟信号转换为离散的数字信号的电子元件。
　　1.2 为什么需要 ADC
　　微控制器MCP是离散的数字器件，而实际的物理信号时连续模拟的，如温度、湿度、压力、速度等等。
　　通过传感器将带测量的模拟信号转换成电信号，而这个电信号也是连续的模拟量。
　　所以为了便于MCU处理数据，我们通过模拟-数字转换器ADC将传感器的连续的模拟电信号转换成离散的数字电信号。
　　数据采集系统如下图所示，ADC为核心。
　　
　　数据采集系统由模拟信号采集，A/D转换、数字信号处理三大部分组成。
　　1.3 ADC的历史由来
　　二元权重取水法
　　如18世纪的二元权重取水法，就运用了模拟量转数字量的思想。
　　
　　用8倍，4倍，2倍，1倍不同粗细的管子在在池子边上凿开许多眼。取水的时候把水量转化成数据，然后堵上一些管子，留下一些管子，放指定长的时间，就得到了一定分数的水。这也是一个模拟量变成数字量的过程。显然，给水的精度就是最细的那根管子放单位时间的水量。比这个更小的水量就忽略不记了，即把它当作误差了。
　　天平称重
　　联系现实，我们用天平称量重量也用到这种思想。
　　我们在做某些化学实验需要称量一定重量的物品，我们会使用到天平秤。称量时我们使用到砝码去称量所需物品的重量。我们需要多少克的物品，我们就放相应重量的砝码。（这里假设我们只用一种重量的砝码）
　　例如：只使用5g的砝码，称量40g的NaCl，这时我们就需要8个5g的砝码。
　　由上例，如果我们需要42g的NaCl，用5g的砝码就测量不出来。显然用5g砝码称量5的倍数的重量的物品才精确。
　　这时我们引出精度的概念，我们称量物品的精度就是最小重量的砝码确定的。如果我们使用1g的砝码，我们就能够准确称量1的倍数的重量的物品。
　　1-bit ADC
　　
　　1bit ADC就是运用一个比较器来判断电压大小。
　　例：电压范围是0-3.3V，参考电压Uref=1.68V。输入电压Uin》Uref，就得到逻辑1，输入电压Uin《Uref，就得到逻辑0。
　　2-bit ADC
　　
　　我们把输入电压给到3个电压比较器的比较端，3个电压比较器分别使用3个不同的参考电压Uref作为阈值。于是，我们电压就在这4个区间之中的一个区间中。我们把这4个区间识别成00、01、10、11。
　　提问：如果电压在Rank2，那么Uout1=？Uout2=？Uout3=？
　　   Uout1=1，Uout2=1，Uout3=0
　　输出了 3个bit 的数据，而我们需要 2bit 的数据，这时我们就还需一个编码电路把这 3bit 的输出 转化为对应的 2bit 的输出才形成我们的2bit ADC。
　　可见，一个完整的2bit ADC就由3个比较器，1个编码电路组成的。
　　
　　结构原理最简单的ADC（n-bit ADC）：FLASH ADC
　　
　　由这种利用电压比较器的思想做出来的ADC就是FLASH ADC。
　　这种比较器优点是很快速。
　　缺点是电路复杂。精度越高，电路越复杂。
　　比如说我们要一个12bit精度，我们就需要2^12-1=4095的比较器放在一起工作。这样占用空间就大，连接复杂。
　　由上可见，FLASH ADC想法很简单，但是却实现困难。我们就转换思路，想想有没有其他方式实现ADC。
　　Counting ADC
　　
　　如图：将600KHz的CLOCK100分频，作为脉冲取样频率（6kHz）。仅当脉宽PULSE WIDTH MODULATOR为逻辑1的时候，与门输出1。后面的计数器COUNTER就在这个时间宽度内数一数有多少个逻辑1，即有多少个窄高脉冲。这个计数值就量化了这个脉冲信号的宽度。脉冲信号的宽度与输入脉冲的幅度相关。于是就实现了对模拟输入电压的数字量化。
　　逐次渐进型（SA）ADC
　　类比猜数字游戏，给一个数字7让你猜。你猜是8，提示高了。你猜是6，提示猜低了。你猜7，对了。
　　逐次渐进型ADC就是类似于猜数字的思想。
　　猜一个数，我们先用DAC将数字还原成一个模拟电压值，与输入电压值比较。比较器告诉我们是大了，还是小了。然后我们在产生一个数，比较器再告诉我们是大了还是小了。猜的次数越多，就越逼近真实值。
　　逐次渐进型ADC就是一次次的去猜模拟电压，不断逼近真实的模拟电压。
　　例如下图：假设X = 45，去猜数字X。
　　
　　下图是4bits的逐次渐进型ADC的一次猜数字过程。
　　
　　
　　逐次渐进型ADC用时间换取了空间，通过多次进行比较（时间） 去换取 多个比较器并行起来去比较（空间）。
　　
　　在输入端加个电容，可以用来加强输入电压的稳定性。
　　1.4 A/D转换器的一些技术指标
　　分辨率（Resolution，可以理解为猜数的次数n，n越大越精确）
　　分辨率Resolution = 2n。
　　分辨率是指数字量变化一个最小量时模拟信号的变化量，定义为满刻度与2^n的比值。通常以数字信号的位数来表示。显然A/D转换器的位数越多，分辨最小模拟电压的值就越小。
　　如一个最大输入电压为5V的8位A/D转换器，所能分辨的最小输入电压变化量为5V / 28 = 19. 53mV。而同样输入电压大小的10位A/D转换器，分辨的最小输入电压变化量为5V / 210= 4. 88mV。
　　转换时间
　　转换时间是指完成一次转换所用的时间。即从发出转换控制信号开始，直到输出端得到稳定的数字输出为止所用的时间，通常为微秒级。
　　一般约定，转换时间大于1ms的为低速，1ms~ 1μs的为中速，小于1μs的为高速，小于1 ns的为超高速。
　　转换速率（Conversion Rate）
　　转换时间的倒数称为转换速率。即每秒转换的次数。
　　例如ADC0809的转换时间为100μs，则转换速率为每秒1万次。
　　相对精度。
　　相对精度是指A/D转换器实际输出数字量与理论输出数字量之间的最大差值。通常用最低有效位LSB的倍数来表示。
　　1.5 ADC转换基本原理
　　AD转换中通常要完成采样保持和量化编码两个内容。（采样保持的时间取决于量化编码的算法）
　　采样保持
　　
　　图解：f（t）作为输入，采样器在一个高脉冲到来时进行采样（即闭合开关）。
　　量化编码（模/数转换的核心）
　　1.量化：将取样电压表示为最小数量单位（∆）的整数倍
　　2.编码：将量化的结果用代码表示出来（二进制，十进制）
　　3.量化误差：当采样电压不能被∆整除时，将引入量化误差
　　常见的量化编码技术有：计数式转换、双积分式转换、逐次逼近式转换、并联式转换等。
　　
　　图解：输入0-1V的信号，用3位二进制数表示。常见思路，量化得到 ∆=1/8；编码就是对每一段区间的电压用二进制代码标识。量化误差是∆。
　　二、STM32的ADC
　　2.1 引入例子ADC0809（粗略了解）
　　
　　IN7-IN0：8路模拟量输入线。
　　D7-D0：8位数字量输出线。
　　ADDC- ADDA：3位地址线，用来选通8路模拟通道中的一路。
　　ALE：地址锁存允许，在ALE的上升沿，ADDC、ADDB、ADDA三位地址信号被锁存到地址锁存器。
　　START：启动转换的信号，正脉冲有效。地址锁存后，在该引脚加一正脉冲，该脉冲的上升沿使所有内部寄存器清零，从下降沿开始进行A/D转换。如果在转换过程中，接到新的启动信号，则原来的转换进程被中止。
　　CLOCK：时钟信号，输入线。时钟越高，转换的速率越快。
　　EOC：转换结束信号，高电平有效，输出。当该信号为低电平时，表明ADC 0809已准备开始转换，或正在转换进行之中，不能提供一个有效的稳定的数据。当EOC变为高电平时，表示转换己经结束，A/D转换器可提供有效数据。EOC可作为被查询的状态信号，亦可用于申请中断。ADC 0809转换一次共需64个时钟CLOCK周期。
　　OE：输出允许。当OE为高电平时打开输出三态缓冲器，使转换后的数据进入数据总线。
　　VREF（+） 、VREF（-）： 基准电压输入。-般应用情况下，VEF（+）接+5V， 而VEF（：）与GND相连。
　　2.2 stm32f103 ADC基本特性
　　●STM32F103单片机一般有3个ADC，每个ADC是 12位分辨率 的逐次逼近型的ADC。
　　●每个ADC共有16个外部通道（单片机的ADC输入引脚），ADC1有两个内部通道：内部温度通道、参考电压 VREFINT 通道。
　　●ADC供电要求： 2.4V 到 3.6V
　　●ADC输入范围： VREF- ≤ VIN ≤ VREF+
　　●自校准
　　●单次和连续转换模式
　　●从通道0到通道n的 自动扫描模式
　　●采样间隔可以按通道分别编程
　　●ADC转换时间：
　　 STM32F 103xx增强型产品：
　　  APB2时钟为56MHz，4分频时为1μs
　　  APB2时钟为72MHz，6分频时为1.17μs
　　●规则通道转换期间有DMA请求产生。
　　●转换结束、注入转换结束和发生模拟看门狗事件时产生中断
　　●规则转换 和 注入转换 均有外部触发选项
　　●双重 模式（带2个或以上：ADC的器件）
　　
　　2.3 stm32f103 ADC框图
　　
　　
　　电压输入范围。
　　ADC电源：VDDA接3.3V，VSSA接GND
　　ADC参考电压：2.4V ≤ VREF+ ≤ VDDA ; VREF- = VSSA
　　注意：VDDA不能高于3.3V。输入电压范围ADCx_IN应是0 ~ 3.3V。
　　输入通道。
　　ADCx_IN0 ~ ADCx_IN15 这16个外部通道（即输入口）可以采集模拟电压信号。
　　看框图标号2的旁边还有两个内部通道：一个是内部温度通道，另一个是内部参考电压 VREFINT 通道。（只有ADC1有）
　　
　　转换顺序。
　　16个输入通道可以分为两组：注入通道，规则通道。
　　规则通道（最多16个）：平民通道，规规矩矩。
　　注入通道（最多4个）：VIP通道，可以插队。规则通道在执行转换时，注入通道有需要转换时，可以抢断规则通道的转换，优先进行转换。
　　
　　常规转换扫描模式：
　　  我们定义一个规则组（即定义了通道扫描的顺序），根据规则组顺序扫描。
　　注入转换扫描模式（VIP模式）：
　　  在常规转换扫描的过程中，注入组来了个触发信号，就打断常规组的转换扫描然后进行注入组的转换扫描，注入组完成转换扫描之后，产生中断信号，回到常规转换扫描。
　　ADC触发源：软件触发，事件触发。
　　软件触发：ADC_CR2：ADON、SWSTART、JSWSTART
　　外部事件触发：内部定时器/外部IO
　　 选择： ADC_ CR2 ：EXTSEL［2:0］和JEXTSEL［2:0］
　　 激活： ADC_ CR2 ：EXTTRIG和JEXTTRIG
　　时钟源ADCCLK 。
　　ADCCLK，最大为14MHz。
　　ADCCLK 由APB2提供，经分频2/4/6/8 得到ADCCLK。
　　通常来说，APB2为72MHz，由于ADCCLK 最大为14M，我们可以6分频得到比较高的ADCCLK=72/6=12MHz。
　　
　　根据组的不同，将数据存储在不同的16位数据寄存器当中。
　　规则组就对应放到规则组寄存器，注入组对对应放到注入组寄存器。
　　因为ADC分辨率时12位，只是用到数据寄存器的12位，所以会有左对齐，右对齐的问题。
　　规则数据寄存器只有一个，多通道采集的时候处理不当可能会出现数据覆盖问题，故规则多通道采集时多会使用DMA。
　　中断。
　　如果开启中断，且对应的中断标志位置位可以触发中断。
　　转换结束标志EOC（End Of Convert），注入转换结束标志JEOC，模拟看门狗事件标志AWD。
　　总结
　　
　　2.4 ADC工作模式
　　单次转换模式
　　单次转换模式里，ADC只执行一次转换。
　　此模式可通过设置ADC_CR2寄存器上的ADON位（只适用于规则通道） 或 通过外部触发启动（适用于规则通道或注入通道）启动，这时CONT位为0。
　　
　　连续转换模式
　　在连续转换模式中，当前面ADC转换一结束马上就启动另一次转换。
　　此模式可通过设置ADC_CR2寄存器上的ADON位 或 通过外部触发启动，此时CONT位是1。
　　
　　中断模式
　　略
　　单次/连续转换与单/多通道扫描结合
　　
　　
　　应用：
　　单通道单次转换
　　 ■ 对一个通道进行一次转换，然后ADC停止
　　 ■ 应用举例：启动系统功能之前测量电压
　　多通道单次转换
　　 ■ 对多个通道进行逐个的独立转换，然后ADC停止
　　 ■ 可对多达16个通道的转换配置不同采样时间和顺序
　　  无需中途停止ADC来配置下一个通道的采样时间
　　  节省CPU负载
　　 ■ 应用举例：启动系统之前测量多个参数
　　  电压、温度、压力等
　　  机器人操作臂的坐标
　　  物体所受扭力和形变的方向以及受力
　　单通道连续转换
　　 ■ 对一个规则通道进行连续转换
　　 ■ 通常可用于后台，无需CPU干涉的连续转换;
　　  配合DMA的循环模式，进一-步减少CPU负载
　　 ■ 应用举例：监测电池电压，测量并调节炉温等
　　多通道连续转换
　　 ■ 对多个通道进行连续的独立转换
　　 ■ 可对多达16个通道的转换配置不同采样时间和顺序
　　 ■ 应用举例：多电池充电器中监测多个电压和温度的信息
　　多通道示波器-扫描通道，获取数据通过DMA送到SRAM里面，通过液晶显示屏显示数据。
　　2.5 相关寄存器
　　通道配置寄存器
　　ADC规则序列寄存器1（ADC_SQR1）
　　ADC规则序列寄存器2（ADC_SQR2）
　　ADC规则序列表存器3（ADC_SQR3）
　　ADC注入序列表存器（ADC_JSQR）
　　
　　L［3:0］：定义转换的个数，取值000~1111，16个不同的数据代表不同的转换个数。
　　SQx［4:0］：定义通道的编号。规则组有16个，注入通道有4个。
　　
　　同上。
　　控制寄存器1
　　
　　SACN：开启或关闭扫描
　　JEOCIE：允许产生注入通道转换结束中断
　　EOCIE：允许产生规则通道转换结束中断
　　DUALMOD：双模式选择，使用1个ADC（ADC1） 或 使用2个ADC（ADC1、ADC2）
　　AWDCH：看门狗通道通道选择位
　　控制寄存器2
　　
　　ADCON：开启/关闭AD转换器
　　CONT：设置是否连续转换
　　CAL、RSTCAL：AD校准
　　ALIGN：设置数据格式对齐方式；左对齐置1，右对齐置0
　　DMA：开始/关闭DMA
　　SWSTART、JSWSTART：软件触发
　　EXTTRIG、JEXTTRIG：外部事件触发
　　软件触发位：
　　 ADON、SWSTART、JSWSTART
　　外部事件触发位：
　　 选择： ADC_CR2 ：EXTSEL［2:0］和JEXTSEL［2:0］
　　 激活： ADC_CR2 ：EXTTRIG和JEXTTRIG
　　ADC采样事件寄存器
　　
　　
　　这两个寄存器用于设置通道0~17的采样时间，每个通道占用3个位。
　　采样时间短可能会有噪声影响。
　　ADC数据寄存器
　　
　　规则序列中的AD转化结果都将被存在这个寄存器里面，而注入通道的转换结果被保存在ADC_JDRx里面。
　　读取数据时，注意该寄存器的数据对齐方式 - 左对齐/右对齐。
　　（对齐方式可以通过ADC_ CR2的ALIGN位设置左对齐还是右对齐）
　　ADC状态寄存器
　　
　　2.6 ADC转换时间计算
　　转化时间于时钟频率息息相关。对于每个要转换的通道，采样时间建议尽量长一点，以获得较高的准确度，但是这样会降低ADC的转换速率。
　　ADC的转换时间可以由下式计算：
　　    Tconv =采样时间+12.5个周期。
　　其中：
　　  Tconv为总转换时间；
　　  采样时间可以配置每个通道的SMP位选择；
　　  12.5个周期是固定值，不可改变。（逐次逼近式的原则导致）
　　理论最短的转换时间（ADCCLK=14MHz）：
　　    Tconv = 1.5+12.5 = 14周期 = 14* 1/14=1us
　　常用最短的转换时间（ADCCLK=12MHz）：
　　    Tconv = 1.5+12.5 = 14周期 = 14* 1/12us=1.17us
　　

三、STM32 ADC编程
　　准备：
　　新建文件adc.h，adc.c，添加库文件stm32f10x_adc、stm32f10x_dma，添加adc驱动源文件adc.c
　　
　　ADC初始化结构体
　　typedef struct
　　{
　　uint32_t ADC_Mode;//ADC模式：配置ADC_CR1寄存器的位［19:16］ ： DUALMODE［3:0］位
　　FunctionalState ADC_ScanConvMode; //是否使用扫描模式。ADC_CR1位8： SCAN位
　　FunctionalState ADC_ContinuousConvMode; //单次转换OR连续转换： ADC_CR2的位1： CONT
　　uint32_t ADC_ExternalTrigConv; //触发方式： ADC_CR2的位［19:17］： EXTSEL［2:0］
　　uint32_t ADC_DataAlign; //对齐方式： 左对齐还是右对齐： ADC_CR2的位11： ALIGN
　　uint8_t ADC_NbrOfChannel;//规则通道序列长度： ADC_SQR1的位［23:20］： L［3:0］
　　}ADC_InitTypeDef;
　　3.1 测量3.3V引脚电压
　　烧写代码后，通过杜邦线分别连接PA1~ 3.3V， PA1 ~ GND ，然后通过串口观察ADC值。切忌不要作死接5V。
　　编程思路：
　　①开启时钟（PAADC1），初始化端口（设置PA1为模拟输入）。
　　 APB2PeriphClockCmd（）;
　　 GPIO_Init（）;
　　②复位ADC1，设置ADC1预分频系数。
　　 ADC_ Deinit（ADC1）
　　 RCC_ ADCCLKConfig（RCC PCLK2 Div6）;
　　③初始化ADC1（设置ADC1的工作模式以及规则序列的相关信息）。
　　 void ADC_Init（ADC_TypeDef*ADCx， ADC_IntTypeDef ADC InitStruct）
　　④使能ADC并校准（类比万用表）。
　　 ADC_Cmd（ADC1， ENABLE）;
　　 ADC_ResetCalibration（ADC1）; //使能复位校准
　　 while（ADC_GetResetCalibrationStatus（ADC1））; //等待复位校准结束
　　 ADC_StartCalibration（ADC1）; //开启AD校准
　　 while（ADC_GetCalibrationStatus（ADC1））; //等待校准结束
　　⑤配置规则通道参数：
　　 ADC_RegularChannelConfig（）;
　　⑥开启软件转换：
　　  ADC_SoftwareStartConvCmd（ADC1），
　　⑦等待转换完成，读取ADC值。
　　 ADCGetConversionValue（ADC1）;
　　代码：
　　adc.h
　　#ifndef ADC_H
　　#define ADC_H
　　#include “stm32f10x.h”
　　void ADC_GPIO_Init（void）;
　　void ADC_Configuration（void）;
　　u16 get_ADC（u8 channel）;
　　#endif
　　adc.c
　　#include “adc.h”
　　void ADC_GPIO_Init（void）
　　{
　　GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
　　RCC_APB2PeriphClockCmd（RCC_APB2Periph_GPIOA， ENABLE ）;//使能GPIOA通时钟
　　//PA1 作为模拟通道输入引脚
　　GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1;
　　GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN; //模拟输入引脚
　　GPIO_Init（GPIOA， &GPIO_InitStructure）;
　　}
　　void ADC_Configuration（void）
　　{
　　ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure;
　　ADC_GPIO_Init（）;
　　RCC_APB2PeriphClockCmd（RCC_APB2Periph_ADC1， ENABLE ）; //使能ADC1通道时钟
　　RCC_ADCCLKConfig（RCC_PCLK2_Div6）; //设置ADC分频因子6 72M/6=12，ADC最大时间不能超过14M
　　ADC_DeInit（ADC1）; //复位ADC1，将外设 ADC1 的全部寄存器重设为缺省值
　　ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent; //ADC工作模式：ADC1和ADC2工作在独立模式
　　ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE; //模数转换工作在单通道模式
　　ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE; //模数转换工作在单次转换模式
　　ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None; //转换由软件而不是外部触发启动
　　ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right; //ADC数据右对齐
　　ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1; //顺序进行规则转换的ADC通道的数目
　　ADC_Init（ADC1， &ADC_InitStructure）; //根据ADC_InitStruct中指定的参数初始化外设ADCx的寄存器
　　ADC_Cmd（ADC1， ENABLE）; //开启ADC1
　　ADC_ResetCalibration（ADC1）; //使能复位校准
　　while（ADC_GetResetCalibrationStatus（ADC1））; //等待复位校准结束
　　ADC_StartCalibration（ADC1）; //开启AD校准
　　while（ADC_GetCalibrationStatus（ADC1））; //等待校准结束
　　}
　　u16 get_ADC（u8 channel）
　　{
　　//设置指定ADC的规则组通道，一个序列，采样时间
　　ADC_RegularChannelConfig（ADC1， channel， 1， ADC_SampleTime_239Cycles5）; //ADC1，ADC通道，采样时间为239.5周期
　　ADC_SoftwareStartConvCmd（ADC1， ENABLE）; //使能指定的ADC1的软件转换启动功能
　　while（！ADC_GetFlagStatus（ADC1， ADC_FLAG_EOC ））;//等待转换结束
　　return ADC_GetConversionValue（ADC1）; //返回最近一次ADC1规则组的转换结果
　　}
　　main.c
　　#include “stm32f10x.h”
　　#include “bsp_systick.h”
　　#include “usart.h”
　　#include “adc.h”
　　int main（void）
　　{
　　usart1_Init（9600）;
　　ADC_Configuration（）;
　　u16 adc_Value = 0 ;
　　float temp;
　　printf（“start！n”）;
　　while（1）
　　{
　　adc_Value = get_ADC（ADC_Channel_1）;//指定ADC_Channel_1，获取ADC的值
　　printf（“adc_Value：%dn”，adc_Value）;//通过串口打印获取ADC的值
　　temp=（float）adc_Value*（3.3/4096）;//转换ADC的值，得到具体的电压
　　printf（“temp：%fn”，temp）;//通过串口打印获取电压的值
　　SysTick_Delay_ms（500）;
　　}
　　}
　　现象：