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第8章

類比訊號轉數位-ADC

8.1  ADC簡介

物理世界的觀測皆為連續的類比訊號，若要將其輸入電腦進行數值運算，則必須轉換為數位訊號。本章將介紹如何使用STM32內部的ADC(Analog to Digital)進行訊號轉換，並使讀者瞭解：

l   ADC的使用

l   ADC與DMA同步運作方式

ADC轉換流程如下圖所示，單晶片控制外部的類比訊號驅動裝置，需要將類比訊號經由類比/數位轉換器(Analog to Digital Converter)轉成數位訊號後，才能由單晶片處理，如果要將這些數位訊號再轉成類比訊號傳出去時，就需要數位訊號經由數位/類比轉換器(Digital to Analog Converter)轉成類比訊號。

image001  

 

ADC轉換原理分成兩項，取樣保存與量化，如下圖所示:

 

l  取樣保存(sampling and Holding):按取樣定理對類比信號進行等時間間隔取樣，這些樣值在時間上是離散的值，但在幅度上仍然是連續類比量，如下圖第二張所示，取樣率(Sample rate)越高則訊號越不易失真 。

量化(Quantization):在幅值上再用離散值來表示，量化的位元數越高則解析度越高，如下圖第三張所示，將訊號量化成000到1111的值。

image002  

 

8.2  功能概述

以下為ADC電路圖，ADC類比訊號經由GPIO接腳進入，總共有16個通道，經過ADC多工器連接到Analog to digital converter轉換，Analog to digital converter內部又再細分為注入通道與規則通道，轉換成功的值分別存在規則/注入的暫存器中，規則/注入轉換成功以及Analog watchdog發生時可產生中斷通知，此外，ADC的Clock來自APB2 prescaler。

 

image003  

 

image004  

 

ADC對應的GPIO腳如下圖所示，每個外部的類比輸入channel都有規定的GPIO接腳，在STM32F10x8 p27可找到這張表格。

image005  

如果要由外部輸入類比訊號 ，GPIO的初始設定如下所示:

 

image006  

 

8.2.1 ADC Channel

        STM32 將ADC分成兩個通道組:規則通道和注入通道組。規則通道(Regular channels)相當於運行的程序，最多包含16個通道；注入通道(Injected channels)相當於中斷的程序，最多包含4個通道，當程序正在執行的時候，中斷是用來打斷你的執行順序，因此注入通道的轉換可以打斷規則通道的轉換，在注入通道被轉換完成後規則通道才可以繼續轉換。

舉例說明，假如你在家里的院子内放了5個溫度感測器，室内放了3個溫度感測器；你需要時時刻刻室外溫度，但偶爾你想看看室内的溫度；

因此你可以使用規則通道組循環掃描室外的5個感測器並顯示ADC轉換结果，當你想看室内溫度時，透過一個按钮啟動注入通道组(3個室内感測器)並暫時顯示室内溫度，當你放開這個按鈕後，系统又會回到規則通道組繼續檢測室外溫度。

 

 

 

規則通道的暫存器如以下三張圖所示，ADC_SQRx表示規則序列中的第1~16個轉換，ADC_SQR1中的L[3：0]用於存儲規則序列的長度，其他的SQ13~16則存儲了規則序列中第13~16個通道的編號（0~17）。另外兩個規則序列暫存器同ADC_SQR1。

 

image007  

image008  

image009  

 

當規則通道轉換完後，轉換的數據被儲存在16位的ADC_DR暫存器中。

image010  

 

注入通道的暫存器如以下所示，ADC_JSQR表示規則序列中的第1~4個轉換，ADC_JDRx存放注射通道轉換後的值。

image011  

image012  

 

8.2.2 ADC watchdog

 

ADC watchdog的主要用意是，當ADC轉換的模擬電壓低於低閥值或高於高閥值，ADC watchdog中的AWD位就會被設置。這些閥值位於在ADC_HTR和ADC_LTR暫存器的最低12個有效位中。通過設置ADC_CR1暫存器的AWDIE位來產生相應中斷，通過配置ADC_CR1暫存器，模擬看門狗可以作用於1個或多個通道，如下表所示。

image013  

image014  

 

 

8.2.3 ADC Time diagram

 

如下圖所示，ADC在開始精確轉換前需要一個穩定時間tSTAB。在開始ADC轉換和14個時鐘週期後，EOC標誌被設置，16位ADC數據暫存器包含轉換的結果。

image015  

 

8.2.3 ADC Conversion mode

 

ADC 轉換模式分為以下幾種:

 

l  Single conversion mode (單次轉換模式):

 

單次轉換模式下，ADC只執行一次轉換。該模式既可通過設置ADC_CR2暫存器的ADON位(只適用於規則通道)啟動也可通過外部觸發啟動(適用於規則通道或註入通道)，這時CONT位為0

 

l  Continuous conversion mode(連續轉換模式):

 

在連續轉換模式中，當前面ADC轉換一結束馬上就啟動另一次轉換。此模式可通過外部觸發啟動或通過設置ADC_CR2暫存器上的ADON位啟動，此時CONT位是1。

 

l  Scan mode(掃描模式):

 

掃描模式可通過設置ADC_CR1暫存器的SCAN位來選擇。一旦這個位被設置，ADC掃描所有被ADC_SQRX暫存器(規則通道)或ADC_JSQR(注入通道)選中的所有通道。在每個組的每個通道上執行單次轉換。在每個轉換結束時，同一組的下一個通道被自動轉換。如果設置了CONT位，轉換不會在選擇組的最後一個通道上停止，而是再次從選擇組的第一個通道繼續轉換。
如果設置了DMA位，在每次EOC後，DMA控制器把規則組通道的轉換數據傳輸到SRAM中。而注入通道轉換的數據總是存儲在ADC_JDRx暫存器中。

 

l  Discontinuous mode(間斷模式):

 

<規則組>
此模式通過設置ADC_CR1暫存器上的DISCEN。它可以用來執行一個短序列的n次轉換(n<=8)，此轉換是ADC_SQRx暫存器所選擇的轉換序列的一部分，n由ADC_CR1暫存器的DISCNUM[2:0]位給出。
一個外部觸發信號可以啟動ADC_SQRx暫存器中描述的下一輪n 次轉換，直到此序列所有的轉換完成為止。總的序列長度由ADC_SQR1暫存器的L[3:0]定義。

 

 

 

舉例：
n=3，被轉換的通道= 0, 1, 2, 3, 6, 7, 9, 10
第一次觸發：轉換的序列為 0，1，2
第二次觸發：轉換的序列為 3，6，7
第三次觸發：轉換的序列為9，10，並產生EOC事件
第四次觸發：轉換的序列 0，1，2

 

<注入組>
此模式通過設置ADC_CR1暫存器的JDISCEN。在一個外部觸發事件後，給模式按序轉換ADC_JSQR暫存器中選擇的序列。
一個外部觸發信號可以啟動ADC_JSQR暫存器選擇的下一個通道序列的轉換，直到序列中所有的轉換完成為止。總的序列長度由ADC_JSQR暫存器的JL[1:0]位定義。
例子：
n=1，被轉換的通道 = 1，2，3
第一次觸發：通道1被轉換
第二次觸發：通道2被轉換

 

第三次觸發：通道3被轉換，並且產生EOC和JEOC事件
第四次觸發：通道1被轉換

 

 

 

l  Dual ADC mode

 

在有2個或以上ADC的器件中，可以使用雙ADC模式，在雙ADC模式裡，根據ADC1_CR1暫存器中DUALMOD[2:0]位所選的模式，轉換的啟動可以是ADC1主和ADC2從的交替觸發或同時觸發，共有六種可能的模式:

 

– Injected simultaneous mode (同時注入模式)

 

– Regular simultaneous mode(同時規則模式)

 

– Fast interleaved mode(快速交替模式)

 

– Slow interleaved mode(慢速交替模式)

 

– Alternate trigger mode(交替模式)

 

– Independent mode(獨立模式)

 

 

8.2.4 ADC Calibration

 

ADC內部的校正模式，校正可大幅減少內部精準度的誤差，在校準期間，每個電容器上都會計算出一個誤差修正碼(數字值)，這個碼用於​​消除在隨後的轉換中每個電容器上產生的誤差，透過ADC_CP2暫存器中的CAL位來啟動校正，校正結束後，CAL位會被硬體復位。

image016  

 

 

 

8.2.5 ADC alignment

 

ADC_CR2寄存器中的ALIGN位選擇轉換後數據儲存的對齊方式。數據可以左對齊或右對齊，如圖所示。注入組通道轉換的數據值已經減去了在ADC_JOFRx寄存器中定義的偏移量，因此結果可以是一個負值。 SEXT位是擴展的符號值。
對於規則組通道，不需減去偏移值，因此只有12個位有效。

image017  

 

8.2.6DMA request

 

規則通道轉換後的數值儲存在一個唯一的暫存器中，所以當轉換多個規則通道時需要使用DMA，用來避免遺失已經儲存在ADC_DR暫存器的數據。

 

只有在規則通道轉換結束後才能產生DMA的請求，並且將轉換後的數據從ADC_DR的暫存器傳輸到用戶指定的目的地位址。

 

 

 

8.2.7Temperature sensor

 

溫度傳感器可以用來測量器件周圍的溫度(TA)，溫度傳感器在內部和ADCx_IN16輸入通道相連接，此通道把傳感器輸出的電壓轉換成數字值。溫度傳感器模擬輸入推薦取樣時間是17.1μs。下圖是溫度傳感器的方框圖，當沒有被使用時，傳感器可以置於關電模式。

 

主要特徵:

 

l  量測溫度範圍:-40到125度

 

l  精確度：+/- 1.5° C 

image018  

 

讀取溫度的方式:

1.      選擇ADCx_IN16輸入通道

2.      選擇取樣時間大於2.2 μs

3.      設置ADC_CR2的TSVREFE位，以喚醒關電模式下的溫度感測器

 

(使用function ADC_TempSensorVrefintCmd(ENABLE);)

 

4.通過設置ADON位啟動ADC轉換

 

(使用function ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE);)

 

5.讀ADC暫存器上的VSENSE數據結果

 

6.利用下列公式得出溫度，公式是以溫度25度時的電壓作為基準值，再去判斷跟他的差異，其中VSENSE是現在溫度的電壓值，Vdd是晶片的電壓值(我們的SIOC約為3v再低一點)，由於ADC converter會將現在溫度轉成數值，因此我們必須透過算式將數值轉換成電壓再做計算，電壓相減後再除以Avg_Slop(溫度變化對應的電壓的參數)，便可得到目前的溫度。

image019  

 

 

8.2.8 ADC Control register

 

下圖介紹ADC中的控制暫存器。

  Untitled  

 

8.3ADC Standard Driver Library

 

以下介紹ADC的Firmware Libraryfunctions。

 

ADC暫存器結構, ADC_TypeDef, 定義在stm32f10x_map.h 檔案，如以下敘述:

 

 

 image021  

image022  

 

 

 

 

ADC周邊宣告在stm32f10x_map.h:

image023  

 

8.3.1ADC firmware library function

 

以下提供了各種樣式的ADC function:

image024  

 

image025  

 

 

以下列舉幾項實驗會用到的Function，詳細請參考ARM-based 32-bit MCU STM32F101xx and STM32F103xx firmware library.

ADC Cmd function

image026

 

 

l  ADC DMA Cmd function

image028  

 

l  ADC RegularChannelConfig function

image028  

  

Untitled  

l  ADC TempSensorVrefintCmd function

image030

 

l  ADC ResetCalibration function

image031

 

l  ADC SoftwareStartConvCmd function

image032  

 

 

  

 

8.4立即演練

 

嵌入式軟體架構如圖說明:

image033  

 

嵌入式軟體Grafcet圖:

image034  

實驗1  使用超級終端機顯示目前溫度

實驗說明：自然界的真實訊號是呈現連續的類比訊號，若要將其輸入電腦中進行數值運算，則必須轉換為數位訊號，請使用ADC與DMA同步運作方式，將溫度經由ADC轉換後的結果放在DMA，再到DMA取值，取16次之後做平均再帶入公式取得溫度，當按下DFU Button後用VCP輸出到螢幕上顯示。

如下圖所示，DMA channel 1 連接ADC1，請利用此規定來操作。

image035

 

 

程式碼片段介紹:

 

l  RCCConfiguration

voidRCC_Configuration(void)

{

/* Enable peripheral clocks ------------------------------*/

  /* Enable DMA1 clock */

RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_DMA1, ENABLE);

  /* Enable ADC1 clock */

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1, ENABLE);

/* Enable GPIOB clock */

  RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);

}

 

 

 

 

 

l  GPIO Configure

voidGPIO_Configuration(void)

{

GPIO_InitTypeDefGPIO_InitStructure;

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_11;

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;

GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;

GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);

}

 

 

 

 

l  ADCConfiguration

voidADC_Configuration(void)

{ADC_InitTypeDefADC_InitStructure;

ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;

ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = ENABLE;

ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = ENABLE;

ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None;

ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;

ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1;

ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure);

  /* ADC1 regular channel16 configuration */

//insert your code

/* Temperature Enable */

 //insert your code

  /* Enable ADC1 DMA */

//insert your code

  /* Enable ADC1 */

//insert your code

/* Enable ADC1 reset calibaration register */

//insert your code

/* Check the end of ADC1 reset calibration register */

while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1));

  /* Start ADC1 calibaration */

ADC_StartCalibration(ADC1);

  /* Check the end of ADC1 calibration */

while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC1));  

  /* Start ADC1 Software Conversion */

//insert your code

}

 

 

 

l  DMAConfiguration

voidDMA_Configuration(void)

{DMA_DeInit(DMA1_Channel1);

DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr = ADC1_DR_Address;

DMA_InitStructure.DMA_MemoryBaseAddr = (u32)&ADCConvertedValue;

DMA_InitStructure.DMA_DIR = DMA_DIR_PeripheralSRC;

DMA_InitStructure.DMA_BufferSize = 1;

DMA_InitStructure.DMA_PeripheralInc = DMA_PeripheralInc_Disable;

DMA_InitStructure.DMA_MemoryInc = DMA_MemoryInc_Disable;

DMA_InitStructure.DMA_PeripheralDataSize = DMA_PeripheralDataSize_HalfWord;

DMA_InitStructure.DMA_MemoryDataSize = DMA_MemoryDataSize_HalfWord;

DMA_InitStructure.DMA_Mode = DMA_Mode_Circular;

DMA_InitStructure.DMA_Priority = DMA_Priority_High;

  DMA_InitStructure.DMA_M2M = DMA_M2M_Disable;

DMA_Init(DMA1_Channel1, &DMA_InitStructure);

 /* Enable DMA1 channel1 */

DMA_Cmd(DMA1_Channel1, ENABLE);

}

 

 

 

 

 

l  .User code

voidCount_Temperature(void)

{

//取平均16次的ADCConvertedValue 來計算(比較準確)，

//取溫度必須間隔一下，請使用Delay();

//溫度=

//印出現在溫度

}

 

 

 

l  Main program

int main(void)

{/* System USB configuration  */

Set_System();

  /*pause*/

getchar();

  /* System clocks configuration  */

RCC_Configuration();

 /* GPIO configuration */

GPIO_Configuration();

  /* DMA1 channel1 configuration */

DMA_Configuration();

/* ADC1 configuration*/ 

ADC_Configuration();

printf("Configuration finish\n\r");

printf("Please presee DFU Button to get Temperature\n\r");

while(1)

{/*presee DFU Button to get Temperature*/

if(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB,GPIO_Pin_11)==1)

     Count_Temperature();

}

 

 

 

 

實驗結果:

image042

image043  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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