MCU型号：STM32L071KBU
SDK：HAL库
工具：CubeMX + MDK

1 ADC硬件框架

下面为STM32F1/4系列的ADC硬件框架（STM32L0系列ADC框架相对比较简单）

12位ADC是一种逐次逼近型模拟数字转换器（successive approximation analog-to-digital converter），它有多达18个通道，可测量16个外部和2个内部信号源。（L0系列有19个通道，其中3个内部信号源），各通道的A/D转换可以单次、连续、扫描或间断模式执行。ADC的结果可以左对齐或右对齐方式存储在16位数据寄存器中。

STM32F10x系列芯片ADC通道和引脚对应关系：

1.1 通道选择

有16个复用通道，可以将转换分为两组：规则通道组和注入通道组。规则通道至多16个，注入通道至多4个。

规则通道组：相当于正常运行的程序
注入通道组：注入通道可以打断规则通道，如果在规则通道转换过程中，有注入通道进行转换，那么就要先转换完注入通道，等注入通道转换完成后，再回到规则通道的转换流程。（类似中断打断正常运行的程序）

1.2 ADC转换模式

单次转换模式：ADC只执行一次转换（适用于规则通道和注入通道）
连续转换模式：当前面的ADC转换结束后，立马启动下一次转换
扫描模式（多通道使用）：ADC扫描所有选中的规则通道和注入通道，在每个组的每个通道上执行单次转换。在每个转换结束时，这一组的下一个通道被自动转换。如果设置了CONT位（开启了连续转换模式），转换不会在选择组的最后一个通道上停止，而是再次从选择组的第一个通道继续转换。（所有通道转换完毕才会产生相应中断，可通过DMA读取）
间断（不连续）模式：每触发一次，转换一个通道。在所选转换通道循环，由触发信号启动新一轮的转换，直到转换完成为止。

扫描模式是一次对所有选中的通道进行转换，比如开了ch0，ch1，ch4，ch5。 ch0转换完以后就会自动转换通道1,4,5直到转换完这个过程不能被打断。如果开启了连续转换模式，则会在转换完ch5之后开始新一轮的转换。

间断模式是对扫描模式的一种补充，它可以把0,1,4,5这四个通道进行分组。可以分成0,1一组，4,5一组。也可以每个通道单独配置为一组。这样每一组转换之前都需要先触发一次。

ADC单通道：

只进行一次ADC转换：配置为“单次转换模式”，扫描模式关闭。ADC通道转换一次后，就停止转换。等待再次使能后才会重新转换

进行连续ADC转换：配置为“连续转换模式”，扫描模式关闭。ADC通道转换一次后，接着进行下一次转换，不断连续。

ADC多通道：

只进行一次ADC转换：配置为“单次转换模式”，扫描模式使能。ADC的多个通道，按照配置的顺序依次转换一次后，就停止转换。等待再次使能后才会重新转换

进行连续ADC转换：配置为“连续转换模式”，扫描模式使能。ADC的多个通道，按照配置的顺序依次转换一次后，接着进行下一次转换，不断连续。

因此，多通道必须使能扫描模式。

1.3 ADC硬件框图分析

STM32F4系列：

ADC电压输入范围

ADC一般用于采集小电压，其输入值不能超过VDDA，即ADC输入范围：VREF- ≤ VIN ≤ VREF+。

一般把VSSA和VREF- 接地， VREF+ 和 VDDA接3V3，那么ADC的输入范围是0~3.3V。

ADC输入通道

从ADCx_INT0-ADCx_INT15 对应三个ADC的16个外部通道，进行模拟信号转换。此外，还有两个内部通道：温度检测或者内部电压检测

注入通道与规则通道

参看【通道选择】。

ADC时钟

STM32L0系列ADC时钟为HSI时钟（16M），STM32F1/4系列时钟为经可编程预分频器分频的 APB2 时钟，分频因子由RCC_CFGR的ADCPRE[1:0]配置，可配置2/4/6/8分频，对F1/4ADC的时钟最好不超过14M。

ADC采样时间的计算公式：T = 采样时间 + 12.5个周期，其中1周期为1/ADCCLK

例如，ADC_CLK = 16 MHz 且采用时间为 1.5 ADC时钟周期：采样时间= 1.5 + 12.5 = 14 ADC 时钟周期 = 0.875 μs

外部触发转换

ADC 转换可以由ADC 控制寄存器2: ADC_CR2 的ADON 位来控制，写1 的时候开始转换，写0 的时候停止转换。（L0系列由ADC_CR的ADSTART位控制）

除了ADC_CR2寄存器的ADON位控制转换的开始与停止，还可以支持外部事件触发转换（比如定时器捕捉、EXTI线），包括内部定时器触发和外部IO触发。具体的触发源由ADC_CR2的EXTSEL[2:0]位（规则通道触发源）和 JEXTSEL[2:0]位（注入通道触发源）控制。

中断

STM32F1：

STM32F4：

STM32L0：

分别为：校准结束、ADC准备就绪、转换结束、转换序列结束、模拟看门狗被置位、采样结束、溢出

模拟看门狗

当被ADC转换的模拟电压值低于低阈值或高于高阈值时，便会产生中断。阈值的高低值由ADC_LTR和ADC_HTR寄存器配置，防止读取到的电压值超量程或者低于量程。

DMA

规则和注入通道转换结束后会产生DMA请求，用于将转换好的数据传输到内存。

DMA与单次转换模式：在这种模式下，每当有新的转换数据字可用时，ADC都会生成一个DMA传输请求，并且一旦DMA传输到最后一个数据时，ADC就会停止生成DMA请求，即使转换已经再次启动。当DMA传输完成时：
- ADC数据寄存器内容被冻结
- 任何正在进行的转换将被中止，其部分结果将被丢弃
- 没有向DMA发送新的请求，若仍启动了转换，这将避免溢出错误（overrun error）
- 扫描序列停止和复位
- DMA复位
DMA与连续转换模式：在这种模式下，每当数据寄存器中有一个新的转换数据字可用时，ADC就会生成一个DMA传输请求，即使DMA已经到达了最后一次DMA传输。这允许DMA以循环模式配置，以处理连续模拟输入数据流。

注：只有ADC1和ADC3拥有DMA功能。由ADC2转化的数据可以通过双ADC模式，利用ADC1的DMA功能传输。（L0系列只有ADC1）

1.4 主要寄存器

STM32L0系列的主要寄存器：
在这里插入图片描述

2 HAL库ADC编程

MCU：STM32L071KB

2.1 轮询方式

2.1.1 ADC轮询函数

// 轮询方式开启ADC (单次转换模式每次读完都需要重新开启)
HAL_ADC_Start(ADC_HandleTypeDef* hadc);
// 轮询方式关闭ADC
HAL_ADC_Stop(ADC_HandleTypeDef* hadc);
// 轮询方式等待规则组转换结束
HAL_ADC_PollForConversion(ADC_HandleTypeDef* hadc, uint32_t Timeout);
// 轮询方式等待外部事件触发
HAL_ADC_PollForEvent(ADC_HandleTypeDef* hadc, uint32_t EventType, uint32_t Timeout);

ADC数值读取（适用于轮询和中断）

uint32_t HAL_ADC_GetValue(ADC_HandleTypeDef* hadc);

ADC校准函数

AL_ADCEx_Calibration_Start(ADC_HandleTypeDef* hadc, uint32_t SingleDiff)

SingleDiff：单端或差分输入选择；可选参数只有1个：ADC_SINGLE_ENDED单端

2.1.2 单通道单次

在这里插入图片描述
ADC设置（ADC_Settings）

Clock Prescaler时钟分频系数：同步时钟 / 2
Resolution 分辨率：12位
Data Alignment 数据对齐方式：右对齐
Scan Direction扫描方向：向前
Continuous Conversion Mode 连续转换模式：不使用
Discontinuous Conversion Mode间断（不连续）模式：不使用
DMA Continuous Requests DMA连续请求：不使用
End Of Conversion Selection结束转换选择：结束单次转换
Overrun behaviour溢出行为：保留溢出数据
Low Power Auto Wait低电压自动等待：不使用
Low Frequency Mode低频率模式：不使用
Auto off自动关闭：不使用
Oversampling Mode过采样模式：不使用

ADC规则转换模式（ADC_Regular_ConversionMode）

Sampling Time采样时间：1.5个周期
External Trigge rConversion Source 外部触发转换源：由软件启动定时器转换
External Trigge rConversion Edge 外部转换信号触发边沿：无

WatchDog 模拟看门狗

Enable Analog WatchDog Mode使能模拟看门狗：不使能

uint16_t adc_read(ADC_HandleTypeDef* hadc) 
{
    
    
    uint32_t adc_value = 0;

    for (int i = 0; i < 8; i++)
    {
    
    
        HAL_ADC_Start(hadc);
        HAL_ADC_PollForConversion(hadc, 50);
        adc_value += HAL_ADC_GetValue(hadc);
    }

    return adc_value / 8;
}

单次转换模式，每次启动ADC转换一次数据，启动转换后等待转换完成，完成后读取数值，ADC转换会自动停止，下次采集需再次手动开启。

2.1.3 单通道连续

hadc.Init.ContinuousConvMode = ENABLE;

uint16_t adc_read(ADC_HandleTypeDef* hadc) 
{
    
    
    uint32_t adc_value = 0;
    HAL_ADC_Start(hadc);
    for (int i = 0; i < 8; i++)
    {
    
    
        HAL_ADC_PollForConversion(hadc, 50);
        adc_value += HAL_ADC_GetValue(hadc);
    }
    HAL_ADC_Stop(hadc);
    return adc_value / 8;
}

连续转换模式，只要启动ADC后就会不停的工作，读取完数值可采用HAL_ADC_Stop函数手动停止ADC。（当然也可以不停止，不过这不满足低功耗设计要求）

2.1.4 多通道扫描

在这里插入图片描述

多通道扫描模式是默认开启的，同时使用连续转换。在扫描模式下，会先采集CH8，然后采集CH9（前向扫描）；又因为使能了连续转换模式，所以在本轮序列采集完后，会自动从CH8继续开始采集。

// PB0-RP2    ------> ADC_IN8
// PB1-RP1    ------> ADC_IN9
uint16_t adc_value[2];
void adc_read(ADC_HandleTypeDef* hadc) 
{
    
    
    HAL_ADC_Start(hadc);
    if(HAL_ADC_PollForConversion(hadc, 20) == HAL_OK)
        adc_value[0] = HAL_ADC_GetValue(hadc);    // ADC_IN8

    if(HAL_ADC_PollForConversion(hadc, 20) == HAL_OK)
        adc_value[1]  = HAL_ADC_GetValue(hadc);   // ADC_IN9
    HAL_ADC_Stop(hadc);
}

但这是有问题的，最后OLED显示结果（两数值均为RP1采集值）：
在这里插入图片描述

RP2 =  adc_value[0] * 3.3f / 4095.f;
RP1 =  adc_value[1] * 3.3f / 4095.f;

下面分析源码：

HAL_ADC_PollForConversion
在没有使能DMA情况下（CFGR1的DMAEN位没置位），则tmp_Flag_EOC = (ADC_FLAG_EOC | ADC_FLAG_EOS)，其EOC为单次转换结束标志，EOS为转换序列结束标志，即需要等所有通道转换结束后才会结束等待，返回HAL_OK。
HAL_ADC_GetValue

uint32_t HAL_ADC_GetValue(ADC_HandleTypeDef* hadc)
{
    
     
	return hadc->Instance->DR;
}

DR寄存器为最后一个转换通道的转换结果。即此处ADC_CH9通道的数值，所以最后采集的数值均为RP1电位器的ADC转换数值。

【结论】STM32L0系列HAL中ADC轮询方式无法实现多通道采集。

那么直接操作寄存器吧：

void adc_read(ADC_HandleTypeDef* hadc) 
{
    
    
    hadc->Instance->CR |= ADC_CR_ADSTART;
    while ((hadc->Instance->ISR & ADC_FLAG_EOC) == 0);
    adc_value[0] = hadc->Instance->DR;    // ADC_IN8
    while ((hadc->Instance->ISR & ADC_FLAG_EOS) == 0);
    adc_value[1] = hadc->Instance->DR;    // ADC_IN9
    hadc->Instance->CR |= ADC_CR_ADSTP;         // 仅在ADC_CR_ADSTART=1且ADDIS=0时写入有效
}

在这里插入图片描述
虽然可以正常读取，但有时RP1的数值会跳变为RP2的数值，原因就是ADC转换太快了，可能执行到adc_value[0] = hadc->Instance->DR时，ADC单次扫描已结束了，DR寄存器为ADC_IN9的值。

后面采用DMA+连续扫描模式解决。

2.2 中断方式

2.2.1 ADC中断函数

// 中断方式开启ADC
HAL_StatusTypeDef    HAL_ADC_Start_IT(ADC_HandleTypeDef* hadc);
// 中断方式关闭ADC
HAL_StatusTypeDef    HAL_ADC_Stop_IT(ADC_HandleTypeDef* hadc);

ADC中断和DMA方式触发中断的回调函数：

// 转换完成中断触发/DMA传输完成回调
void HAL_ADC_ConvCpltCallback(ADC_HandleTypeDef* hadc);

2.2.2 单通道

使能中断：
在这里插入图片描述
开启ADC转换：

int main(void){
    
    
	[...]
    
    HAL_ADC_Start_IT(&hadc);
    
    while (1){
    
    
        [...]
    }
}

ADC转换完成回调函数

ADC_HandleTypeDef* hadc1 = &hadc;		// 全局变量与局部变量同名...
void HAL_ADC_ConvCpltCallback(ADC_HandleTypeDef* hadc)
{
    
    
    if (hadc == hadc1)
    {
    
    
        adc_value[0] = HAL_ADC_GetValue(hadc);
    }
}

但最后发现板子卡死了，在ADC回调函数和ADC中断来回跳转，原因是使能了连续模式，单次转换完成后，又继续开始转换，导致ADC中断不断触发、回调，而ADC单次转换周期us级别，CPU主频也才30M，根本来不及跳转到main中执行，造成了“卡死”现象。

关闭连续模式后，也不能在回调函数中再次启动ADC转换：

void HAL_ADC_ConvCpltCallback(ADC_HandleTypeDef* hadc)
{
    
    
    if (hadc == hadc1)
    {
    
    
        adc_value[0] = HAL_ADC_GetValue(hadc);
        HAL_ADC_Start_IT(hadc);
    }
}

这样跟连续模式没区别，刚触发又开始转换，一样“卡死”。

【解决方法】

uint8_t adc_flag = false;
void HAL_ADC_ConvCpltCallback(ADC_HandleTypeDef* hadc)
{
    
    
    if (hadc == hadc1)
    {
    
    
        adc_value[0] = HAL_ADC_GetValue(hadc);
        adc_flag = true;
    }
}

ADC回调函数中将标志置位后，在后台系统（main函数）中运行，根据系统tick时间每50ms判断一次：

void adc_test(void)
{
    
    
    float adc1_vol, adc2_vol;
    if (HAL_GetTick() % 50 == 0 && adc_flag)
    {
    
    
        adc_flag = false;

        adc2_vol =  adc_value[0] * 3.3f / 4095.f;
        adc1_vol =  adc_value[1] * 3.3f / 4095.f;

        snprintf(oled_buf, sizeof(oled_buf), "RP1: %.2fV  ", adc1_vol);
        OLED_ShowString(0, 0, (uint8_t *)oled_buf, 16);
        snprintf(oled_buf, sizeof(oled_buf), "RP2: %.2fV  ", adc2_vol);
        OLED_ShowString(0, 2, (uint8_t *)oled_buf, 16);

        HAL_ADC_Start_IT(&hadc);
    }
}

adc_test在main中调用。

2.2.3 多通道

中断方式多通道读取问题与轮询方式一样，但是每次读取的是CH8通道的值（RP2），应该是扫描时CH8转换完成后，置位了EOC标志，触发了中断。这次换个方法解决吧。

利用ADC_CHSELRADC通道选择寄存器**(只有当ADSTART=0才能写入**，该标志每次转换完成硬件会清除)：

uint8_t adc_flag = false;
uint8_t channel_switch_flag = false;
void HAL_ADC_ConvCpltCallback(ADC_HandleTypeDef* hadc)
{
    
    
    if (hadc == hadc1)
    {
    
    
        if (channel_switch_flag)
        {
    
    
            adc_value[1] = HAL_ADC_GetValue(hadc);  // ADC_IN9
            hadc->Instance->CHSELR = 1 << 8;
        }
        else
        {
    
    
            adc_value[0] = HAL_ADC_GetValue(hadc);  // ADC_IN8
		    hadc->Instance->CHSELR = 1 << 9;
        }
        channel_switch_flag = ~channel_switch_flag;
        adc_flag = true;
    }
}

每次进入回调函数时，手动切换一下通道即可。
在这里插入图片描述
这次还挺稳定。

注意：同样需要关闭连续转换模式，不然会一直触发中断，呈现“卡死”现象。

2.3 DMA方式

2.3.1 ADC_DMA函数

// DMA方式开启ADC和DMA传输
HAL_ADC_Start_DMA(ADC_HandleTypeDef* hadc, uint32_t* pData, uint32_t Length);
// DMA方式关闭ADC和DMA传输
HAL_ADC_Stop_DMA(ADC_HandleTypeDef* hadc);

pData指向buffer缓冲区
Length为总采集次数（对于多通道，每个通道计一次采集次数）

DMA方式触发中断的回调函数：

// 转换完成中断触发/DMA传输完成回调
void HAL_ADC_ConvCpltCallback(ADC_HandleTypeDef* hadc);
// DMA半传输完成回调
void HAL_ADC_ConvHalfCpltCallback(ADC_HandleTypeDef* hadc);

2.3.2 单通道单次

配置DMA为普通模式、存储器自增、半字传输（12bit分辨率ADC）：
在这里插入图片描述
首先启动DMA传输：

int main(void){
    
    
	[...]
    
    HAL_ADC_Start_DMA(&hadc, (uint32_t *)adc_value, 1);
    
    while (1){
    
    
        [...]
    }
}

DMA传输完成回调函数：

void HAL_ADC_ConvCpltCallback(ADC_HandleTypeDef* hadc) 
{
    
    
    if (hadc == hadc1)
    {
    
    
        adc_flag = 1;
    } 
}

标志置位后需要再次启动DMA：

void adc_test(void)
{
    
    
    float adc1_vol, adc2_vol;

    if (adc_flag)
    {
    
    
        adc_flag = false;

        adc2_vol =  adc_value[0] * 3.3f / 4095.f;
        adc1_vol =  adc_value[1] * 3.3f / 4095.f;
		[...]
        HAL_ADC_Start_DMA(&hadc, (uint32_t *)adc_value, 1);
    }
}

注意：单次转换length参数只能为1，否则会导致DMA没有传输完成，不会进入回调函数。

2.3.3 单通道连续

在这里插入图片描述
将length改为10：

HAL_ADC_Start_DMA(&hadc, (uint32_t *)adc_value, 10);

均值滤波：

uint16_t get_adc_average(uint16_t *pbuf, uint16_t num)
{
    
    
    uint32_t sum = 0;
    for (int i = 0; i < num; i++)
        sum += pbuf[i];
        
    return sum / num;
}

转换成电压值：

void adc_test(void)
{
    
    
    float adc1_vol, adc2_vol;

    if (adc_flag)
    {
    
    
        adc_flag = false;
        adc2_vol =  get_adc_average(adc_value, 10) * 3.3f / 4095.f;
        [...]
        HAL_ADC_Start_DMA(&hadc, (uint32_t *)adc_value, 10);
    }
}

2.3.4 多通道扫描

扫描模式是默认开启的，同时必须开启连续模式，否则采集一轮结束后不会继续采集，这样就不会触发DMA中断进入回调函数了。连续扫描模式下，多通道会根据length数量循环采集各通道，如ch8和ch9两通道，length为10的话，则adc_value[0][2][4][6][8]存放的就是ch8通道的采样值，adc_value[1][3][5][7][9]数组位置存放的是ch9的值：

修改一下滤波函数：

void get_adc_average(uint16_t *pbuf, uint16_t num)
{
    
    
    uint32_t odd_sum = 0, even_sum = 0;
    for (int i = 0; i < num; i++)
    {
    
    
        if (i & 0x01)            // 奇数
            odd_sum += pbuf[i];
        else
            even_sum += pbuf[i];
    }

    adc1_val = 2 * odd_sum  / num;    
    adc2_val = 2 * even_sum / num;   
}

转换成电压值：

void adc_test(void)
{
    
    
    float adc1_vol, adc2_vol;

    if (adc_flag)
    {
    
    
        adc_flag = false;
        adc1_vol = adc1_val * 3.3f / 4095.f;
        adc2_vol = adc2_val * 3.3f / 4095.f;
        [...]
        HAL_ADC_Start_DMA(&hadc, (uint32_t *)adc_value, 10);
    }
}

实验发现用DMA方式采集ch8和ch9通道，两通道会相互干扰，比如ch8在0~3.3V变化，则ch9会随之在0~0.26V间浮动。

查询资料发现：采样周期越长通道间的相互干扰就越小，反之则越大。

因此，将采样周期改为最大：
在这里插入图片描述
最后经过测试，ch8在0~3.3V变化时，ch9不再受影响，成功解决该问题。

3 总结

ADC一般为12bit分辨率，数据可左对齐和右对齐（一般右对齐），同时具有单次、连续、扫描、间隔模式，其中扫描模式一般用于多通道的采集（多通道默认使能）。
对于F1/4通道分为规则通道组与注入通道组，注入通道类似中断，可打断正在转换的规则通道组，优先转换注入通道；L0中没有注入通道，均为规则通道。
F1/4的ADC时钟来自APB2经过ADC分配器分频后的时钟，L0的ADC时钟来自HSI（16M）。
ADC的触发源除了内部通道外，还有外部事件触发源，比如定时器捕获，EXTI事件触发。
ADC中断触发标志中EOC（End of any conversion）为当前通道转换结束标志，EOS（End of a sequence of conversions）为当前转换序列全部转换结束标志，即所有通道均转换完成。
轮询模式下，对于单通道，单次转换时每次都要调用HAL_ADC_Start函数开始转换，而对于连续转换，只要初始化调用一次HAL_ADC_Start函数，之后就会自动转换；对于多通道，HAL库要等待转换序列结束标志EOS置位，因此每次读取的都是最后一个通道的数值，最后直接使用寄存器编程解决了此问题，但是数值有跳变现象。
中断模式下，对于单通道，如果使用了连续模式或在单次转换模式下在ADC回调函数中调用了HAL_ADC_Start_IT(&hadc);，导致ADC中断不断触发，并且触发周期是us级别的，产生“卡死”假象，最后只能选择使用单次转换模式，同时在回调函数中设置转换完成标志，在后台系统main中再次开启ADC中断转换；对于多通道采集与轮询模式问题一致，但每次读取的都是第一个通道的数据，最后在ADC回调函数中用来回切换通道的方式解决了该问题，且ADC采集数值比较稳定，也不存在两通道干扰的现象。
DMA模式下，对于单通道，采用单次转换时length参数只能为1，否则DMA传输到第2个数据时，ADC已关闭，传输未完成不会进入回调函数；采用连续转换时length参数可以设置任意值，且可使用均值滤波等方式减小噪声；对于多通道（必须开启连续模式），DMA会从第一个通道开始采集，采集到最后一个通道再从头开始，但是多通道同时采集时会相互干扰，最后增大ADC采样周期，解决了此问题。

参考：

END

[003] [蓝桥杯物联网] ADC硬件框架与HAL库轮询/中断/DMA方式编程

1 ADC硬件框架

1.1 通道选择

1.2 ADC转换模式

1.3 ADC硬件框图分析

1.4 主要寄存器

2 HAL库ADC编程

2.1 轮询方式

2.1.1 ADC轮询函数

2.1.2 单通道单次

2.1.3 单通道连续

2.1.4 多通道扫描

2.2 中断方式

2.2.1 ADC中断函数

2.2.2 单通道

2.2.3 多通道

2.3 DMA方式

2.3.1 ADC_DMA函数

2.3.2 单通道单次

2.3.3 单通道连续

2.3.4 多通道扫描

3 总结

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2.1.1 ADC轮询函数

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2.1.3 单通道 连续

2.1.4 多通道 扫描

2.2 中断方式

2.2.1 ADC中断函数

2.2.2 单通道

2.2.3 多通道

2.3 DMA方式

2.3.1 ADC_DMA函数

2.3.2 单通道 单次

2.3.3 单通道 连续

2.3.4 多通道 扫描

3 总结

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