通過(guò)本實(shí)驗(yàn)主要學(xué)習(xí)以下內(nèi)容：

• ADC的簡(jiǎn)介

• GD32F303 ADC工作原理

• 查詢方式實(shí)現(xiàn)ADC單通道采樣

11.2實(shí)驗(yàn)原理

11.2.1ADC原理

我們知道，自然界中有非常多的模擬信號(hào)，比如上一節(jié)提到的光照強(qiáng)度，還有其他的例如溫度、聲音等等，那么人們是怎么來(lái)衡量一個(gè)模擬信號(hào)的呢？

我們通常會(huì)說(shuō)今天光照度達(dá)到了3萬(wàn)Lux（照度單位），現(xiàn)在測(cè)量到的體溫是36.5℃，我們所處的環(huán)境是40分貝，沒(méi)錯(cuò)，人們就是通過(guò)將這些模擬信號(hào)數(shù)字化，從而達(dá)到衡量這些模擬信號(hào)的目的。那對(duì)于MCU來(lái)說(shuō)，如果要測(cè)量一個(gè)模擬量，可以通過(guò)自帶的ADC（Analog-to-Digital converters）模塊，即模-數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬量轉(zhuǎn)化為可以被MCU讀取到的數(shù)字量。

11.2.2GD32F303 ADC工作原理

GD32F303有3個(gè)12位逐次逼近型ADC（SAR ADC），這三個(gè)ADC可以獨(dú)立工作，也可以讓ADC0和ADC1工作在同步模式下。有最多21個(gè)外部ADC引腳可用于將連接到這些引腳的電壓值轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，這些引腳號(hào)可以通過(guò)Datasheet獲得。

以下總結(jié)了GD32F303 ADC的特性：

• 高性能：
  –可配置12位、10位、8位、或者6位分辨率；
  –自校準(zhǔn)；
  –可編程采樣時(shí)間；
  –數(shù)據(jù)寄存器可配置數(shù)據(jù)對(duì)齊方式；
  –支持規(guī)則數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的DMA請(qǐng)求。

• 模擬輸入通道：
  – 16個(gè)外部模擬輸入通道；
  – 1個(gè)內(nèi)部溫度傳感器輸入通道(VSENSE)；
  – 1個(gè)內(nèi)部參考電壓輸入通道(VREFINT)。

• 轉(zhuǎn)換開始的發(fā)起：
  –軟件；
  –硬件觸發(fā)。

• 轉(zhuǎn)換模式：
  –轉(zhuǎn)換單個(gè)通道，或者掃描一組通道；
  –單次模式，每次觸發(fā)轉(zhuǎn)換一次選擇的輸入通道；
  –連續(xù)模式，連續(xù)轉(zhuǎn)換所選擇的輸入通道；
  –間斷模式；
  –同步模式（適用于具有兩個(gè)或多個(gè)ADC的設(shè)備）。

• 模擬看門狗。

• 中斷的產(chǎn)生：
  –規(guī)則組或注入組轉(zhuǎn)換結(jié)束；
  –模擬看門狗事件。

• 過(guò)采樣：
  – 16位的數(shù)據(jù)寄存器；
  –可調(diào)整的過(guò)采樣率，從2x到256x；
  –高達(dá)8位的可編程數(shù)據(jù)移位。

• ADC供電要求：
  – 2.4V到3.6V，一般供電電壓為3.3V。

• ADC輸入范圍：VREFN ≤VIN ≤VREFP 。

下面介紹下GD32F303的ADC框圖：

標(biāo)注1：輸入電壓和參考電壓

輸入電壓引腳定義如下表：

GD32F303的ADC是12bit有效位的，滿量程對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換值是4095，即當(dāng)采樣引腳上的電壓等于ADC參考電壓時(shí)，得到的轉(zhuǎn)換值即為4095。故理論采樣是指可通過(guò)以下公式得到：采樣數(shù)值=實(shí)際電壓/參考電壓*4095

標(biāo)注2：輸入通道

前面提到，ADC有最多16個(gè)外部模擬通道和2個(gè)內(nèi)部通道，外部通道號(hào)從IN0~IN15，由IO口號(hào)來(lái)決定，兩個(gè)內(nèi)部通道是IN16（溫度傳感器）和IN17（內(nèi)部Vrefint，典型值1.2V），下表給出了IO口號(hào)對(duì)應(yīng)的ADC通道：

標(biāo)注3：規(guī)則組和注入組

每個(gè)ADC有兩個(gè)組——規(guī)則組和注入組。

規(guī)則組有兩個(gè)重要的參數(shù)，其一為轉(zhuǎn)換的個(gè)數(shù)，其二為轉(zhuǎn)換的序列，規(guī)定好這兩個(gè)參數(shù)后，一旦開始規(guī)則組的轉(zhuǎn)換，則ADC就按照轉(zhuǎn)換序列一個(gè)一個(gè)的進(jìn)行模-數(shù)轉(zhuǎn)換，直到達(dá)到要求的轉(zhuǎn)換個(gè)數(shù)。

規(guī)則組的轉(zhuǎn)換個(gè)數(shù)由ADC_RSQ0寄存器的RL[3:0]位規(guī)定，轉(zhuǎn)換的總數(shù)目為RL[3:0]+1，轉(zhuǎn)換總數(shù)目最大為16個(gè)；轉(zhuǎn)換序列由ADC_RSQ0~ADC_RSQ2共同決定，我們來(lái)看下這幾個(gè)寄存器。

ADC_RSQ0寄存器:

ADC_RSQ1寄存器:

ADC_RSQ2寄存器：

舉個(gè)例子，現(xiàn)需要按照CH3->CH2->CH1的順序進(jìn)行規(guī)則組轉(zhuǎn)換，則設(shè)定RL[3:0] = 2，然后設(shè)定RSQ0為CH3，RSQ1為CH2，RSQ2為CH1，則當(dāng)開始規(guī)則組轉(zhuǎn)換時(shí)，ADC首先進(jìn)行RSQ0規(guī)定的通道即CH3的轉(zhuǎn)換，再進(jìn)行RSQ1規(guī)定的通道即CH2的轉(zhuǎn)換，最后進(jìn)行RSQ2規(guī)定的通道即CH1轉(zhuǎn)換，當(dāng)這三個(gè)通道轉(zhuǎn)換完后，規(guī)則組轉(zhuǎn)換結(jié)束。

需要注意的是，每轉(zhuǎn)換一個(gè)規(guī)則組通道，轉(zhuǎn)換結(jié)果都會(huì)放在寄存器ADC_RDATA中，所以CPU一定要在下一個(gè)通道轉(zhuǎn)換完成前將上一個(gè)通道轉(zhuǎn)換結(jié)果讀走，否則會(huì)導(dǎo)致上一個(gè)通道數(shù)據(jù)被新的數(shù)據(jù)覆蓋。所以在多通道規(guī)則組轉(zhuǎn)換時(shí)，為了保證能讀到所有通道的數(shù)據(jù)，一定要使用DMA（直接存儲(chǔ)器訪問(wèn)控制器），每個(gè)通道轉(zhuǎn)換結(jié)束后，都會(huì)給DMA發(fā)送請(qǐng)求，DMA就會(huì)將最新的ADC_RDATA中的數(shù)據(jù)搬走。關(guān)于ADC配合DMA的使用，后面章節(jié)會(huì)詳細(xì)介紹。

說(shuō)完規(guī)則組，我們?cè)僬f(shuō)下注入組。注入組，可以按照特定的序列組織成最多 4 個(gè)轉(zhuǎn)換的序列。ADC_ISQ寄存器規(guī)定了注入組的通道選擇。ADC_ISQ寄存器的IL[1:0]位規(guī)定了整個(gè)注入組轉(zhuǎn)換序列的長(zhǎng)度。

ADC_ISQ寄存器：

和規(guī)則組轉(zhuǎn)換序列不同的是，如果 IL[1:0]長(zhǎng)度不足4，注入通道轉(zhuǎn)換從(4-IL[1:0]-1)開始：

當(dāng)IL = 3，注入組轉(zhuǎn)換順序?yàn)镮SQ0 >> ISQ1 >> ISQ2 >> ISQ3，轉(zhuǎn)換結(jié)果分別放在ADC_IDATA0~ADC_IDATA3；

當(dāng)IL = 2，注入組轉(zhuǎn)換順序?yàn)镮SQ1 >> ISQ2 >> ISQ3，轉(zhuǎn)換結(jié)果分別放在ADC_IDATA0~ADC_IDATA2；

當(dāng)IL = 1，注入組轉(zhuǎn)換順序?yàn)镮SQ2 >> ISQ3，轉(zhuǎn)換結(jié)果分別放在ADC_IDATA0~ADC_IDATA1；

當(dāng)IL = 0，注入組轉(zhuǎn)換ISQ3，轉(zhuǎn)換結(jié)果放在ADC_IDATA0

舉個(gè)例子，現(xiàn)需要按照CH3->CH2->CH1的順序進(jìn)行注入組轉(zhuǎn)換，則設(shè)定IL[3:0] = 2，然后設(shè)定ISQ1為CH3，ISQ2為CH2，ISQ3為CH1，則當(dāng)開始注入組轉(zhuǎn)換時(shí)，ADC首先進(jìn)行ISQ1規(guī)定的通道即CH3的轉(zhuǎn)換，再進(jìn)行ISQ2規(guī)定的通道即CH2的轉(zhuǎn)換，最后進(jìn)行ISQ3規(guī)定的通道即CH1轉(zhuǎn)換，當(dāng)這三個(gè)通道轉(zhuǎn)換完后，注入組轉(zhuǎn)換結(jié)束。

因?yàn)?個(gè)通道轉(zhuǎn)換的結(jié)果分別放在4個(gè)不同的注入組數(shù)據(jù)寄存器ADC_IDATAx中，所以注入組不需要用到DMA，只需要在注入組轉(zhuǎn)換完成后分別去不同注入組數(shù)據(jù)寄存器中取數(shù)即可。

標(biāo)注4：觸發(fā)源

ADC的規(guī)則組和注入組需要選特定的觸發(fā)源用于觸發(fā)ADC轉(zhuǎn)換，注意，ADC的Enable（即ADC_CTL1寄存器的ADC_ON位置“1”）不會(huì)觸發(fā)ADC轉(zhuǎn)換，而是當(dāng)選定的觸發(fā)源來(lái)臨后ADC才開始轉(zhuǎn)換。

觸發(fā)源分為內(nèi)部觸發(fā)和外部觸發(fā)，內(nèi)部觸發(fā)是指當(dāng)ADC_ON已經(jīng)為“1”的情況下，不改變其他ADC寄存器，再往ADC_ON位寫“1”，將觸發(fā)一次ADC轉(zhuǎn)換；外部觸發(fā)源是除了內(nèi)部觸發(fā)源以外的觸發(fā)源，外部觸發(fā)源可以通過(guò)ADC_CTL1寄存器查看：

ADC_CTL1寄存器：

標(biāo)注5：規(guī)則組和注入組的數(shù)據(jù)寄存器

如標(biāo)注3規(guī)則組和注入組中的表述，每個(gè)ADC的規(guī)則組只有一個(gè)數(shù)據(jù)寄存器ADC_RDATA，每轉(zhuǎn)換一個(gè)通道，轉(zhuǎn)換結(jié)果放在這個(gè)寄存器中，在下一通道轉(zhuǎn)換結(jié)束前必須要將上一個(gè)通道的轉(zhuǎn)換結(jié)果取走；每個(gè)ADC的注入組有4個(gè)數(shù)據(jù)寄存器ADC_IDATAx（x = 0,1,2,3），分別保存4個(gè)通道的ADC注入組的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。

標(biāo)注6：ADC中斷及標(biāo)志位

ADC的中斷總共有三種：規(guī)則組轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷、注入組轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷以及模擬看門狗，可以通過(guò)將ADC_CTL0中的EOCIE、EOICIE和WDEIE置“1”來(lái)開啟相應(yīng)中斷。

ADC_STAT寄存器中的EOC、EOIC和WDE表示相應(yīng)事件發(fā)生，EOC置“1”表示規(guī)則組的轉(zhuǎn)換已經(jīng)結(jié)束；EOIC置“1”表示注入組的轉(zhuǎn)換已經(jīng)結(jié)束，注意：注入組轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，EOC標(biāo)志位也會(huì)置起。

GD32F303的ADC原理部分就介紹到這里，下面我們通過(guò)電源電壓?jiǎn)瓮ǖ啦蓸訉?shí)驗(yàn)來(lái)詳細(xì)介紹下ADC的用法。

11.3硬件設(shè)計(jì)

電源電壓檢測(cè)的原理圖如下：

ADC_IN4連接到MCU的PF6管腳通過(guò)ADC轉(zhuǎn)換可以得到PF6腳上具體的電壓值，再通過(guò)該電壓值可反推電源電壓值。

11.4代碼解析

本實(shí)驗(yàn)只用到一個(gè)ADC通道：PF6——ADC2_CH4，故可以選擇使用ADC2的規(guī)則組進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并通過(guò)查詢EOC標(biāo)志位來(lái)判斷通道轉(zhuǎn)換完成。

11.4.1ADC初始化

在driver_adc.c中定義了ADC初始化函數(shù)driver_adc_config：

C

void driver_adc_config(typdef_adc_ch_general *ADC,typdef_adc_ch_parameter *ADC_CH)

{

uint8_t i;

/*配置ADC時(shí)鐘頻率*/

rcu_adc_clock_config(ADC->adc_psc);

/*使能ADC時(shí)鐘*/

rcu_periph_clock_enable(ADC->rcu_adc);

/*配置ADC相關(guān)IO口，先配置時(shí)鐘，再將IO口設(shè)置為模擬輸入*/

for(i=0 ;ich_count; i++)

{

if(ADC_CH[i].adc_channel < ADC_CHANNEL_16)

{

rcu_periph_clock_enable(ADC_CH[i].rcu_port);

gpio_init(ADC_CH[i].port, GPIO_MODE_AIN, ADC_CH[i].gpio_speed, ADC_CH[i].pin);

}

else

{

adc_tempsensor_vrefint_enable();

}

}

/*配置ADC工作模式，如獨(dú)立模式，規(guī)則并行模式等*/

adc_mode_config(ADC->adc_mode);

/*配置規(guī)則組的掃描模式和連續(xù)轉(zhuǎn)換模式*/

adc_special_function_config(ADC->adc_port, ADC_SCAN_MODE, ADC->adc_scan_function);

if(ADC->adc_channel_group == ADC_REGULAR_CHANNEL)

{

adc_special_function_config(ADC->adc_port, ADC_CONTINUOUS_MODE, ADC->adc_continuous_function);

}

/*選擇數(shù)據(jù)右對(duì)齊*/

adc_data_alignment_config(ADC->adc_port, ADC_DATAALIGN_RIGHT);

/*配置轉(zhuǎn)換通道數(shù)*/

adc_channel_length_config(ADC->adc_port, ADC->adc_channel_group, ADC->ch_count);

/*配置轉(zhuǎn)換順序*/

if(ADC->adc_channel_group == ADC_REGULAR_CHANNEL)

{

for(i = 0;i< ADC->ch_count;i++)

{

adc_regular_channel_config(ADC->adc_port, i, ADC_CH[i].adc_channel,ADC_CH[i].sample_time);

}

}

else if(ADC->adc_channel_group == ADC_INSERTED_CHANNEL)

{

for(i = 0;i< ADC->ch_count;i++)

{

adc_inserted_channel_config(ADC->adc_port, i, ADC_CH[i].adc_channel,ADC_CH[i].sample_time);

}

}

/*選擇觸發(fā)源及使能外部觸發(fā)模式*/

adc_external_trigger_source_config(ADC->adc_port, ADC->adc_channel_group, ADC->trigger_source);

adc_external_trigger_config(ADC->adc_port, ADC->adc_channel_group, ENABLE);

/*選擇是否需要使用DMA*/

if(ADC->DMA_mode == ENABLE)

{

adc_dma_mode_enable(ADC->adc_port);

}

/*ADC的使能和自校準(zhǔn)，ADC使能后需要經(jīng)過(guò)一定的ADC_CLK后才能校準(zhǔn)，本示例中直接使用1ms延時(shí)*/

adc_enable(ADC->adc_port);

delay_ms(1);

adc_calibration_enable(ADC->adc_port);

}

在解析上述代碼前，我們先看driver_adc.h兩個(gè)結(jié)構(gòu)體聲明。

1、ADC設(shè)置參數(shù)結(jié)構(gòu)體，該結(jié)構(gòu)體中規(guī)定了ADC設(shè)置所需要的參數(shù)：

C

/*ADC設(shè)置參數(shù)*/

typedef struct __typdef_adc_general

{

rcu_periph_enum rcu_adc;//ADC時(shí)鐘口

uint32_t adc_psc;//ADC時(shí)鐘源分頻系數(shù)

uint32_t adc_port;//ADC號(hào)

uint32_t adc_mode;//ADC工作模式：ADC_MODE_FREE,ADC_DAUL_REGULAL_PARALLEL

uint8_t adc_channel_group;//ADC工作組：規(guī)則組或注入組

EventStatus adc_scan_function;//設(shè)置掃描模式

EventStatus adc_continuous_function;//設(shè)置循環(huán)模式

uint8_t ch_count;//設(shè)置轉(zhuǎn)換通道個(gè)數(shù)

typdef_adc_dma_parameter dma_parameter;//若使用DMA,則需要設(shè)置dma

uint32_t trigger_source;//ADC觸發(fā)源

EventStatus DMA_mode;//是否使用DMA

}typdef_adc_ch_general;

2、ADC IO口及通道參數(shù)結(jié)構(gòu)體，該結(jié)構(gòu)體中規(guī)定了用于ADC轉(zhuǎn)換的IO口及通道參數(shù)：

C

/*ADC IO口及通道參數(shù)*/

typedef struct __typdef_adc_ch_parameter

{

rcu_periph_enum rcu_port;//IO口時(shí)鐘

uint32_t port;//IO port

uint32_t pin;//IO pin

uint32_t gpio_speed;//IO 速率

uint8_t adc_channel;//IO對(duì)應(yīng)的ADC通道

uint32_t sample_time;//IO的采樣周期

}typdef_adc_ch_parameter;

好，現(xiàn)在我們來(lái)對(duì)ADC配置進(jìn)行分段解析。

1、ADC的時(shí)鐘頻率配置和ADC時(shí)鐘使能：

C

/*配置ADC時(shí)鐘頻率*/

rcu_adc_clock_config(ADC->adc_psc);

/*使能ADC時(shí)鐘*/

rcu_periph_clock_enable(ADC->rcu_adc);

GD32F303的ADC的工作時(shí)鐘頻率不能超過(guò)40MHz，而ADC是掛載在APB2總線上的，APB2總線最高頻率可以達(dá)到120M，所以需要進(jìn)行分頻處理。

2、配置IO口

C

/*配置ADC相關(guān)IO口，先使能時(shí)鐘，再將IO口設(shè)置為模擬輸入*/

for(i=0 ;ich_count; i++)

{

if(ADC_CH[i].adc_channel < ADC_CHANNEL_16)

{

rcu_periph_clock_enable(ADC_CH[i].rcu_port);

gpio_init(ADC_CH[i].port, GPIO_MODE_AIN, ADC_CH[i].gpio_speed, ADC_CH[i].pin);

}

else

{

adc_tempsensor_vrefint_enable();

}

}

被用作ADC采樣的IO口需要被設(shè)置為Analog模式，因?yàn)锳DC_CH0~ADC_CH15是和外部IO關(guān)聯(lián)的，而ADC_CH16和ADC_CH17是內(nèi)部通道，所以只有在通道號(hào)小于ADC_CHANNEL_16時(shí)才需要配置IO口，而大于等于ADC_CHANNEL_16時(shí)需要使能ADC內(nèi)部通道。

3、配置ADC規(guī)則組工作模式

C

/*配置ADC工作模式，如獨(dú)立模式，規(guī)則并行模式等*/

adc_mode_config(ADC->adc_mode);

ADC的模式有獨(dú)立模式、規(guī)則并行、注入并行、快速交叉等9種，其中用到比較多的是獨(dú)立模式、規(guī)則并行和注入并行，現(xiàn)對(duì)這三種做簡(jiǎn)單介紹。

獨(dú)立模式：三個(gè)ADC相互之間無(wú)影響，每個(gè)ADC單獨(dú)工作；

規(guī)則并行：ADC0和ADC1可工作規(guī)則并行模式下，當(dāng)ADC0規(guī)則組被觸發(fā)開始轉(zhuǎn)換時(shí)，ADC1注入組也會(huì)自動(dòng)開始轉(zhuǎn)換（此時(shí)ADC1的觸發(fā)源一定要選擇軟件觸發(fā)），轉(zhuǎn)換結(jié)果會(huì)分別放在ADC0_RDATA和ADC1_RDATA中，其中ADC0_RDATA的上半字也會(huì)保存ADC1的轉(zhuǎn)換結(jié)果，這樣設(shè)計(jì)是為了方便DMA去進(jìn)行兩個(gè)同步ADC結(jié)果的同時(shí)搬運(yùn)。