嵌入式系统中STM32ADC学习笔记
目录
1. 背景：模拟量为什么要ADC
在生活中，很多物理量（压力、加速度、温度、位移）都以电压或电流的形式呈现，这类信号是连续的（模拟量）。而 MCU（如STM32）只能处理离散的数字数据，因此需要 ADC（Analog-to-Digital Converter）将模拟电压转换成数字码值，并由软件算法进一步换算得到工程单位（kPa、g、℃等）。
2. STM32F103 的 ADC I/O 口
2.1 ADC I/O 的本质
STM32F103 的“ADC脚”不是普通数字IO的变体，而是 ADC 模块的模拟输入入口。外部模拟电压通过该引脚进入芯片内部的：
- 模拟多路复用器（Analog MUX）：选择当前采样的通道（哪个引脚/内部通道）。
- 采样保持网络（Sample & Hold）：用采样电容“抓住瞬时电压”。
- SAR转换核心：逐次逼近输出12位码值。
2.2 为什么必须把GPIO配置为 Analog
GPIO配置为模拟输入（Analog mode）的目的：
- 关闭数字输入缓冲（降低漏电、减少数字噪声耦合）。
- 提升测量一致性和稳定性。
3. ADC 原理
下图为STM32 ADC的工作原理图。
3.1参考与供电
图左上角的 VREF+、VREF- 定义了 ADC 的量化范围：
- 输入电压被映射到 [𝑉𝑅𝐸𝐹−,𝑉𝑅𝐸𝐹+]对应的数字码值范围(F103通常是 12bit：0~4095)。
- 工程上常见𝑉𝑅𝐸𝐹−=VSSA≈0V，𝑉𝑅𝐸𝐹+=VDDA≈3.3V。
VDDA/VSSA 是 ADC 模拟部分的供电与地，决定底噪/稳定性。
如果 VDDA 纹波大或模拟地回流不干净，即使数字逻辑正确，ADC 结果也会抖。
3.2 Analog MUX（模拟多路复用器）
用“模拟开关阵列”选择当前被采样的通道。外部通道：ADCx_IN0 ~ ADCx_IN15(来自 GPIO 端口的模拟输入脚)；内部通道：温度传感器、VREFINT。
(1)MUX 的“具体实现方式”
本质是 多路 MOS 传输门/开关阵列：1.每个通道对应一只（或一组）模拟开关；2.控制逻辑保证同一时刻只闭合目标通道，其他断开；3.被选通道的电压被送到同一个“内部采样节点”（后面接 S/H）。
(2)为什么 MUX 会带来“通道串扰/首样本污染”
通道切换时，内部采样节点上往往还残留“上一通道”的电压（来自采样电容的电荷），再叠加开关注入电荷，会造成：多通道扫描时，切换后的第一个样本更容易偏解决手段就是：增大采样时间、降低源阻抗、或在ADC脚边加合适的 RC/缓冲（你之前提的方案A正是为这个问题服务）。
3.3 电容采样原理
Sample & Hold(采样保持网络)：采样开关 + 采样电容如何“抓住瞬时电压”。虽然把S/H 画在“模拟至数字转换器”内部，但它实际位于 MUX 后、SAR 核心前，是 ADC 精度的关键。
(1)两个阶段
采样阶段 vs 保持阶段。采样阶段（Sample）：采样开关闭合一段时间 t s a m p l e t_{sample} tsample，输入信号给采样电容 C s h C_{sh} Csh充电。保持阶段（Hold）：采样开关断开， C s h C_{sh} Csh上的电压被“冻结”，SAR 在这段时间内完成逐次逼近比较。
(2)用公式描述“抓住瞬时电压”
把输入源等效为 V i n V_{in} Vin，串联输出阻抗 R s o u r c e R_{source} Rsource，再加 ADC 采样开关等效电阻 R s w R_{sw} Rsw。令 R e q = R s o u r c e + R s w , τ = R e q C s h R_{eq}=R_{source}+R_{sw}, τ=R_{eq}C_{sh} Req=Rsource+Rsw,τ=ReqCsh如果采样开始时采样电容初值为 V c 0 V_{c0} Vc0,（多通道时常等于“上一个通道电压”），则采样电容电压为： V t = V i n + ( V c 0 − V i n ) e − t / τ V_{t}=V_{in}+(V_{c0}-V_{in})e^{-t / τ } Vt=Vin+(Vc0−Vin)e−t/τ采样误差（还没充到位的差值）： ▽ V t = V i n − V c ( t ) = V i n − V c 0 e − t / τ \bigtriangledown V_{t}=V_{in}-V_{c}(t)=V_{in}-V_{c0}e^{-t / τ } ▽Vt=Vin−Vc(t)=Vin−Vc0e−t/τ 这就是“采样电容抓住瞬时电压”的本质：在给定 t s a m p l e t_{sample} tsample内，让指数项足够小。
(3)12bit 精度下的采样时间下限
&emsp要求采样误差小于 0.5 LSB（避免量化边界跳码）。对 12bit、满量程 V r e f V_{ref} Vref： 0.5 L S B = V r e f 2 13 0.5LSB=\frac{V_{ref}}{2^{13} } 0.5LSB=213Vref &emsp在最坏情况下（通道切换导致 ∣ V i n − V c 0 ∣ ≈ V r e f \left | V_{in}- V_{c0}\right | \approx V_{ref} ∣Vin−Vc0∣≈Vref可得到： V c 0 e − t / τ ≤ 1 2 13 ⇒ t s a m p l e ≥ τ I n ( 2 13 ) ≈ 9 τ V_{c0}e^{-t / τ } \le \frac{1}{2^{13}} \Rightarrow t_{sample}\ge τ In(2^{13})\approx 9τ Vc0e−t/τ≤2131⇒tsample≥τIn(213)≈9τ
即： t s a m p l e ≥ 9 ( R s o u r c e + R s w ) C s h t_{sample}\ge 9(R_{source}+R_{sw})C_{sh} tsample≥9(Rsource+Rsw)Csh &emsp在 STM32F103 里把采样周期设为 71.5/239.5 cycles，本质是在给C_{sh}足够时间“追上”输入电压。
3.4 SAR 转换
SAR 转换核心为：比较器 + 内部DAC + SAR逻辑，如何把保持电压变成 12bit 码。框图中“模拟至数字转换器”就是 SAR ADC 的主体。其典型实现包含：1.比较器：比较 V h o l d V_{hold} Vhold与内部 DAC 输出 V D A C V_{DAC} VDAC；2.内部 DAC（常见为电容阵列DAC）：快速生成试探电压;3.SAR 控制逻辑/寄存器：按 MSB→LSB 逐位决策.
(1)逐次逼近的“具体步骤”（12次比较）
对于 12bit：
1.先试探 MSB=1 → V D A C V_{DAC} VDAC= V r e f / 2 V_{ref}/2 Vref/2，若 V h o l d ≥ V D A C V_{hold}≥V_{DAC} Vhold≥VDAC则 MSB 保留1，否则置0。
2.再试探次高位 → V h o l d = （已确定的位组合） V_{hold}=（已确定的位组合） Vhold=（已确定的位组合）
3.重复到 LSB
最终输出一个 12bit Code。
(2)为什么转换时间里有“固定开销”
转换完成会产生 EOC/JEOC，并且 ADC 需要一个与 ADCCLK相关的固定时间来完成逐次比较（在F1上常见写法是：总转换时间 = 采样时间 + 固定转换周期）。这正对应框图右侧的 ADCCLK（来自 ADC 预分频器） 驱动整个时序。
3.5 规则组与注入组
两条路径：1.规则通道（Regular）：MUX最多 16 通道序列；结果进入 规则通道数据寄存器 DR（16位容器装12位结果）；可产生 DMA 请求（图中从DR指向“DMA请求”）。2.注入通道（Injected）：MUX最多 4 通道序列；结果进入 注入通道数据寄存器（4×16位）：JDR1~JDR4；更偏“插队/高优先级测量”（例如希望在某事件发生时立即采几路关键量）。
3.6 触发系统
EXTSEL/JEXTSEL + EXTTRIG/JEXTTRIG 决定“何时开始转换”。1.规则组触发：由 EXTSEL[2:0] 选择触发源（如 TIM1_CH1/CH2/CH3、TIM2_CH2、TIM3_TRGO、TIM4_CH4、EXTI_11 等）；由 EXTTRIG 使能外部触发还有 ADCx_ETRGREG_REMAP 之类重映射控制位（把触发源映射到 TIM8_TRGO 等）；2.注入组触发：JEXTSEL[2:0] 选择触发源（如 TIM1_TRGO、TIM1_CH4、TIM2_TRGO、TIM2_CH1、TIM3_CH4、TIM4_TRGO、EXTI_15 等）；由 JEXTTRIG 使能外部触发；还有 ADCx_ETRGINJ_REMAP 重映射控制位。
3.7 标志位/中断/DMA
数据出来后怎么通知CPU或自动搬运，主要是通过三类事件源：EOC（规则转换结束）、JEOC（注入转换结束）、AWD（模拟看门狗事件）。对应还有使能位：EOCIE、JEOCIE、AWDIE。使能后事件会“或”到一起送到 NVIC 的 ADC 中断。同时，规则组 DR 旁边画了 DMA 请求：通常是规则组转换完成触发 DMA，把 DR 自动搬到内存，形成稳定采样流。
模拟看门狗（Analog Watchdog）
3.7 标志位/中断/DMA
“模拟看门狗”块包含：比较结果、阈值高限（12位）、阈值低限（12位）。工作方式：硬件对转换结果做上下限比较，越界则置位 AWD，可中断通知。
4. 配置ADC的主要C程序代码
#include "stm32f10x.h" // 包含F1寄存器定义与外设库声明
/******************** 用户可配置参数区 **************************/
#define ADC_CLK_DIV RCC_PCLK2_Div6 // ADC时钟分频：72MHz/6=12MHz（常用稳妥）
#define ADC_CHANNEL_PRESS ADC_Channel_0 // 压力通道：PA0 -> ADC1_IN0
#define ADC_CHANNEL_AX ADC_Channel_1 // 加速度X：PA1 -> ADC1_IN1
#define ADC_CHANNEL_AY ADC_Channel_2 // 加速度Y：PA2 -> ADC1_IN2
#define ADC_CHANNEL_AZ ADC_Channel_3 // 加速度Z：PA3 -> ADC1_IN3
#define ADC_SAMPLE_PRESS ADC_SampleTime_71Cycles5 // 压力采样时间（可按源阻抗调整）
#define ADC_SAMPLE_ACC ADC_SampleTime_239Cycles5 // XYZ采样时间（更稳，抗通道切换污染）
/******************** DMA采样缓冲区 ****************************/
/* 说明：每帧4点：[P, X, Y, Z]；frames决定缓冲帧数 */
volatile uint16_t g_adc_buf[4 * 64]; // 示例：64帧环形缓冲（共256个采样点）
/******************** 内部函数声明 ******************************/
static void RCC_Config_For_ADC_GPIO_DMA_TIM3(void); // 统一打开时钟
static void GPIO_Config_Analog_PA0_PA3(void); // PA0~PA3 配模拟输入
static void GPIO_Config_Digital_Example(void); // 普通GPIO示例
static void DMA_Config_For_ADC1(uint16_t *buf, uint32_t count); // DMA：ADC1->内存
static void TIM3_TRGO_Config(uint32_t sample_hz); // TIM3更新事件作为TRGO触发
static void ADC1_Config_4CH_Scan_ExternalTrig_DMA(void); // ADC1：4通道扫描+外部触发+DMA
/******************** 对外初始化接口 ******************************/
/**
* @brief 初始化：GPIO(模拟)+ADC1(4通道扫描)+DMA+TIM3_TRGO触发
* @param sample_hz 采样频率（每秒采“帧”的次数；每帧4通道）
* @note 例如 sample_hz=1000 => 每秒1000帧 => 每通道1000SPS
*/
void ADC1_4CH_DMA_TIM3_Init(uint32_t sample_hz)
{
RCC_Config_For_ADC_GPIO_DMA_TIM3(); // 1) 打开外设时钟（GPIO/ADC/DMA/TIM）
GPIO_Config_Analog_PA0_PA3(); // 2) 配置PA0~PA3为模拟输入（ADC通道口）
/* 如果你还需要普通GPIO，这里给一个示例初始化（可选） */
GPIO_Config_Digital_Example(); // 2.1) 普通GPIO示例（不影响ADC）
DMA_Config_For_ADC1((uint16_t*)g_adc_buf, // 3) 配置DMA：ADC1_DR -> g_adc_buf
(uint32_t)(sizeof(g_adc_buf)/sizeof(g_adc_buf[0]))); // 传输总点数（半字个数）
TIM3_TRGO_Config(sample_hz); // 4) 配置TIM3产生TRGO（更新事件）作为采样节拍
ADC1_Config_4CH_Scan_ExternalTrig_DMA(); // 5) 配置ADC1：4通道扫描 + 外部触发 + DMA
/* 注意：先开DMA，再开ADC，再开TIM（已按上述顺序），采样更稳定 */
}
/******************** 时钟配置 ******************************/
static void RCC_Config_For_ADC_GPIO_DMA_TIM3(void)
{
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE); // 使能GPIOA时钟（PA0~PA3）
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE); // 使能GPIOB时钟（普通GPIO示例用）
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOC, ENABLE); // 使能GPIOC时钟（普通GPIO示例用）
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1, ENABLE); // 使能ADC1外设时钟
RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_DMA1, ENABLE); // 使能DMA1时钟（ADC1默认用DMA1_Channel1）
RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE); // 使能TIM3时钟（用于TRGO触发）
RCC_ADCCLKConfig(ADC_CLK_DIV); // 配置ADC时钟分频（决定ADCCLK）
}
/******************** GPIO：ADC模拟输入 ******************************/
static void GPIO_Config_Analog_PA0_PA3(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; // 定义GPIO初始化结构体
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0 | GPIO_Pin_1 | GPIO_Pin_2 | GPIO_Pin_3; // 选择PA0~PA3
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN; // 模拟输入模式（关闭数字输入缓冲，降低干扰）
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; // 速度字段对模拟输入无意义，但库要求填
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure); // 应用到GPIOA
}
/******************** GPIO：普通数字口示例 ******************************/
/* 示例：PC13 推挽输出（LED），PB0 上拉输入（按键） */
static void GPIO_Config_Digital_Example(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; // 定义GPIO初始化结构体
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_13; // 选择PC13
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP; // 推挽输出
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_2MHz; // 输出速度2MHz（够用且EMI更低）
GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStructure); // 应用到GPIOC
GPIO_SetBits(GPIOC, GPIO_Pin_13); // 默认输出高电平（根据你的板子逻辑可改）
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0; // 选择PB0
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU; // 上拉输入
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_2MHz; // 输入速度字段同样必须填
GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure); // 应用到GPIOB
}
/******************** DMA：ADC1_DR -> 内存 ******************************/
static void DMA_Config_For_ADC1(uint16_t *buf, uint32_t count)
{
DMA_InitTypeDef DMA_InitStructure; // 定义DMA初始化结构体
DMA_DeInit(DMA1_Channel1); // 复位DMA1通道1到默认状态（ADC1通常用Ch1）
DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr = (uint32_t)&ADC1->DR; // 外设地址：ADC1数据寄存器DR
DMA_InitStructure.DMA_MemoryBaseAddr = (uint32_t)buf; // 内存地址：采样缓冲区首地址
DMA_InitStructure.DMA_DIR = DMA_DIR_PeripheralSRC;// 方向：外设->内存
DMA_InitStructure.DMA_BufferSize = count; // 传输数据个数（单位：半字，因为后面配16位）
DMA_InitStructure.DMA_PeripheralInc = DMA_PeripheralInc_Disable; // 外设地址不递增（始终读DR）
DMA_InitStructure.DMA_MemoryInc = DMA_MemoryInc_Enable; // 内存地址递增（按数组顺序写入）
DMA_InitStructure.DMA_PeripheralDataSize = DMA_PeripheralDataSize_HalfWord; // 外设数据宽度16位
DMA_InitStructure.DMA_MemoryDataSize = DMA_MemoryDataSize_HalfWord; // 内存数据宽度16位
DMA_InitStructure.DMA_Mode = DMA_Mode_Circular; // 环形模式：循环写缓冲区，适合连续采样
DMA_InitStructure.DMA_Priority = DMA_Priority_High; // 高优先级，避免被其他DMA抢占
DMA_InitStructure.DMA_M2M = DMA_M2M_Disable; // 禁止内存到内存（这里只是外设到内存）
DMA_Init(DMA1_Channel1, &DMA_InitStructure); // 写入DMA配置
DMA_Cmd(DMA1_Channel1, ENABLE); // 使能DMA通道
}
/******************** TIM3：TRGO触发源 ******************************/
/* 用TIM3更新事件（Update）作为 TRGO；sample_hz 为“帧频率”（每秒触发多少次序列转换） */
static void TIM3_TRGO_Config(uint32_t sample_hz)
{
TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure; // 定义定时器时基结构体
TIM_DeInit(TIM3); // 复位TIM3寄存器
/* TIM3 在APB1上：若APB1分频≠1，定时器时钟会自动×2；这里不给你猜，直接用 SystemCoreClock 推导常用情况 */
/* 常见配置：SYSCLK=72MHz，APB1=36MHz，则 TIM3CLK=72MHz（因为APB1分频为2时定时器时钟×2） */
uint32_t tim_clk_hz = 72000000UL; // 假定TIM3计数时钟72MHz（典型F103配置）
uint16_t prescaler = (uint16_t)(tim_clk_hz / 1000000UL - 1); // 预分频到1MHz计数（1us/计数），便于整除
uint32_t period = (1000000UL / sample_hz) - 1; // 自动重装载值：1MHz/sample_hz = 周期(us)
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = prescaler; // 设置预分频
TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; // 向上计数
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = (uint16_t)period; // 设置周期（ARR）
TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1; // 时钟分频1
TIM_TimeBaseStructure.TIM_RepetitionCounter = 0; // TIM3无重复计数需求
TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseStructure); // 应用时基配置
/* TRGO选择：用更新事件作为触发输出（MMS=010） */
TIM_SelectOutputTrigger(TIM3, TIM_TRGOSource_Update); // 选择TRGO源为Update事件
TIM_Cmd(TIM3, ENABLE); // 使能TIM3开始跑（开始输出TRGO节拍）
}
/******************** ADC1：4通道扫描 + 外部触发 + DMA ******************************/
static void ADC1_Config_4CH_Scan_ExternalTrig_DMA(void)
{
ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure; // 定义ADC初始化结构体
ADC_DeInit(ADC1); // 复位ADC1到默认状态
ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent; // 独立模式（不做双ADC同步）
ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = ENABLE; // 扫描模式：按序列转换多个通道
ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE; // 非连续：每次触发转换“一帧”（序列长度=4）
ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_T3_TRGO; // 规则组外部触发源：TIM3_TRGO
ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right; // 右对齐：结果0~4095直接使用
ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 4; // 规则组通道数=4
ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure); // 写入ADC配置
/* 规则组序列配置：Rank决定每次DMA写入的顺序 */
ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_CHANNEL_PRESS, 1, ADC_SAMPLE_PRESS); // Rank1=压力，采样时间PRESS
ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_CHANNEL_AX, 2, ADC_SAMPLE_ACC); // Rank2=X，采样时间ACC
ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_CHANNEL_AY, 3, ADC_SAMPLE_ACC); // Rank3=Y，采样时间ACC
ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_CHANNEL_AZ, 4, ADC_SAMPLE_ACC); // Rank4=Z，采样时间ACC
ADC_DMACmd(ADC1, ENABLE); // 使能ADC发出DMA请求（规则组DR更新时）
ADC_Cmd(ADC1, ENABLE); // 使能ADC1（上电/开始工作）
/* 复位校准寄存器 */
ADC_ResetCalibration(ADC1); // 触发复位校准
while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1)) { } // 等待复位校准完成（硬件清零标志）
/* 开始校准 */
ADC_StartCalibration(ADC1); // 触发校准
while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC1)) { } // 等待校准完成
/* 重要：外部触发工作前，必须允许外部触发 */
ADC_ExternalTrigConvCmd(ADC1, ENABLE); // 使能规则组外部触发（允许TIM3_TRGO启动转换）
/* 注意：这里不调用 ADC_SoftwareStartConvCmd，因为我们用的是外部触发（TIM3_TRGO） */
}
openvela 操作系统专为 AIoT 领域量身定制，以轻量化、标准兼容、安全性和高度可扩展性为核心特点。openvela 以其卓越的技术优势，已成为众多物联网设备和 AI 硬件的技术首选，涵盖了智能手表、运动手环、智能音箱、耳机、智能家居设备以及机器人等多个领域。
更多推荐
29
0- 0
已为社区贡献1条内容
所有评论(0)