ADC使用

# ADC

ADC（Analog to Digital Converter）是模数转换功能。在单片机中传输的信号均为数字信号，通过离散的高低电平表示数字逻辑的1和0，但是在现实的物理世界中只存在模拟信号，即连续变化的信号。将这些连续变化的信号——比如热，光，声音，速度通过各种传感器转化成连续的电信号，再通过ADC功能将连续的模拟信号转化成离散的数字信号给单片机进行处理。

本节将使用 ADC 测量 STM32 的电源电压与温度

# 原理介绍

ADC 的工作流程主要有三步：

• 采样：是指对某一时刻的模拟电压进行采集
• 比较：是指将采样的电压在比较电路中进行比较
• 转换：是指将比较电路中结果转换成数字量

# 比较与转换

采样是比较简单的一步，而比较与转换的方法，STM32 采用的是逐次逼近法，在STM32F4中是12位逐次逼近型ADC (SAR-ADC) ，下面以一个信号在3位逼近法中的比较过程为例讲解比较过程

首先你要知道的是，在3位逼近法中，可以认为ADC在未转换之前的值是一个3位二进制数，这3位二进制数字存储的数值取决于这3位比较的出来的值：

采样到模拟信号的值之后：

• 首先与内部参考电压 Vref 的 1/2 进行比较。发现大于其值，则将第一个标志位记为1；反之为0
  • 由于大于 1/2 Vref 值，所以下一个比较的值为 1/2 + 1/4 = 3/4 Vref
• 然后与Verf 的 3/4 进行比较。发现小于其值，则将第二个标志位记为0
  • 由于小于 3/4 Vref 值，所以下一个比较的值为 3/4 - 1/8 = 5/8 Vref
• 然后与Vref 的 5/8 进行比较。发现小于其值，则将第三个标志位记为0

所以输出的的结果为100，其对照的结果为 1/2 Vref。如果是12位逼近的方法，这样的过程需要经过12次，输出一串12位的二进制数，然后转化为数值，其完整流程如下：

一般 ADC 的位数越多则转换精度越高，但与此同时转换的速度也会变慢。此外，STM32 内部有一个校准电压VREFINT ，电压为1.2 V，当供电电压不为 3.3 V，可以使用内部的 VREFINT 通道采集1.2 V电压作为 Vref，以提高精度

# 电路结构

在开发板中有一个用于读取电池电压使用的电阻分压电路。由于电池提供的电源是24 V的高电压，而单片机引脚的耐压只有0~3.3 V，所以需要通过分压电路进行处理，并使用滤波和二极管限幅电路进行保护

该电路使用一个200 kΩ的电阻与一个22 kΩ的电阻进行分压，由图可见，ADC 采样接口的点位与两个电阻中间的电位相同，由于一点接地，得到其电位大概为：

可以得到分压后的电压大约2.38 V，然后将该电压送至次级电路，在次级电路中，首先通过一个100 nF的电容进行滤波，使输出的电压更加稳定，接着用二极管保护电路将电压限制在3.3 V和0 V之间，当电压大于3.3 V时，二极管正向导通，电压被限制在3.3 V，当产生负压（电压小于0 V）时，二极管正向导通，输出点接地电压被限制在0 V

# 实践配置

# CubeMX

首先配置打开 ADC1 的读取 Vref 与温度的两个通道与 ADC3 读取电池电压的通道8即可：

随后将两个 ADC 的设置均调为：将Vrefint Channel勾选，用于读取内部参考电压。ADC 在 CubeMX 中的设置如图采样频率设置为 PCLK2/4，采样位数为12位，数据设置为右对齐，其余均保持默认。随后由于用于读取电压的 ADC3 通道8需要一个引脚，所以对应的 PF10 亮起，而 ADC1 的两个通道均在内部，不需要引脚

这几项 ADC 设置的功能如下：

# 用到的库函数

第一个是HAL_ADC_ConfigChannel，它设置 ADC 通道的各个属性值（包括转换通道，序列排序，采样时间等），相当于初始化。它的参数2是一个结构体，会比较复杂，详细请见这里；且在实例中发现每次使用 ADC 进行采样时，最好将这个函数重新初始化并设置参数，接收到返回值为HAL_OK正常时即可正常使用

第二个是HAL_ADC_Start，它的作用是开启 ADC 的采样。它的参数是 ADC 的句柄指针，也为接收到返回值为HAL_OK时正常工作，详细信息请见这里

第三个是HAL_ADC_PollForConversion，它的作用是等待ADC转换结束。它的两个参数就是等待回传的 ADC 句柄指针与最大等待时间，返回值亦是HAL_OK时正常工作，详细信息请见这里

第四个是HAL_ADC_GetValue，它的作用是获取ADC值。它的参数是要取值的 ADC 的句柄指针，虽然一个 ADC 有很多通道，但是在使用此函数之前的HAL_ADC_ConfigChannel函数已经确定了要取的是哪一个端口的值，其详细信息请见这里

# 算法

首先介绍一下，如何通过 VREFINT 对 Vcc 的电压校准：

通过一个函数对比标准的1.2 V的电压进行多次采样，并计算其平均值,接着将其与 ADC 采出的数据值做对比，得到（采集到的电压的）单位数字电压对应的模拟电压值voltage_vrefint_proportion，其计算公式如下，设采样得到的数字值为average_adc

这一步其实类似于消除测量误差的过程，ADC 测量标准的电压出现误差，则将总共的标准值除以总共的测量值得到的将会是一个测量到的1 V相当于消除测量误差后的多少伏特

接着通过 ADC 对经过了分压电路的电池电压值进行采样，将该采样结果与voltage_vrefint_proportion相乘，就得到了取值范围在 0-3.3 V 之间的 ADC 采样值，由于这个采样值是分压后的结果，需要反向计算出电压的值。分压的电阻值为 200 kΩ 和 22 kΩ，由于，乘以这个值之后就可以得到电池的电压值

# 流程

我们定义了几个函数他们的关系如下：

首先是init_vrefint_reciprocal，就是之前提到的消除误差的作用的函数，他要使用在while(1)之前来为整个程序提供校准值voltage_vrefint_proportion这个全局变量

void init_vrefint_reciprocal(void)
{
    uint8_t i = 0;
    uint32_t total_adc = 0;
    for(i = 0; i < 200; i++)
    {
        total_adc += adcx_get_chx_value(&hadc1, ADC_CHANNEL_VREFINT);
    }

    voltage_vrefint_proportion = 200 * 1.2f / total_adc;
}

然后是get_battery_voltage，它的作用就是测量电压、计算精确值的主函数，它通过调用adcx_get_chx_value来取得 ADC3 的测量值，随后与voltage_vrefint_proportion相乘，得到精确值

fp32 get_battery_voltage(void)
{
    fp32 voltage;
    uint16_t adcx = 0;

    adcx = adcx_get_chx_value(&hadc3, ADC_CHANNEL_8);
    //(22K Ω + 200K Ω)  / 22K Ω = 10.090909090909090909090909090909
    voltage =  (fp32)adcx * voltage_vrefint_proportion * 10.090909090909090909090909090909f;

    return voltage;
}

而adcx_get_chx_value就是取得 ADC3 的测量值的函数，他调用了前面的几个库函数来读取 ADC3 的值，关于sConfig这个结构体应该怎样填写，请前往其定义查看参数的注释

static uint16_t adcx_get_chx_value(ADC_HandleTypeDef *ADCx, uint32_t ch)
{
    static ADC_ChannelConfTypeDef sConfig = {0};
    sConfig.Channel = ch;  // ch就是传进来的ADC的某个端口名字(的端口号)
    sConfig.Rank = 1;
    sConfig.SamplingTime = ADC_SAMPLETIME_3CYCLES;  //ADC_SAMPLETIME_3CYCLES;

    if (HAL_ADC_ConfigChannel(ADCx, &sConfig) != HAL_OK)
    {
        Error_Handler();
    }

    HAL_ADC_Start(ADCx);

    HAL_ADC_PollForConversion(ADCx, 10);
    return (uint16_t)HAL_ADC_GetValue(ADCx);
}

顺带一提，这是一个static类型的函数，它具体作用请见此处，为什么这么用呢，因为这几个自己编写函数是在一个bsp_adc.c的自写源文件中，我们只希望这个源文件中的函数调用它，而在main.c中不能直接调用

至于温度的测量则是大同小异，与电压测量几乎相同，希望你可以认真的阅读示例代码 (opens new window)，把这个方法学会！