当前位置：首页 > backend >正文

单片机（STM32-ADC模数转换器）

backend 2025/7/26 12:36:31

一、基础知识

1. 模拟信号（Analog Signal）

定义：模拟信号是连续变化的信号，可以取任意数值。
特点：幅值和时间都是连续的，没有“跳变”。
举例：
声音（麦克风采集到的电压）
温度传感器输出的电压
光敏电阻输出的电压
正弦波、三角波等

2. 数字信号（Digital Signal）

定义：数字信号是离散的，只能取有限个特定数值（通常是0和1）。
特点：幅值和时间都是“跳变”的，只有高低电平（如3.3V/0V）。
举例：
单片机的GPIO输出
计算机中的二进制数据
数码管显示的数字

3. 转换器

3.1 ADC（模数转换器，Analog to Digital Converter）
作用：把模拟信号转换为数字信号，让单片机、计算机等数字系统能够“理解”模拟世界的信息。
举例：STM32的ADC模块可以把0~3.3V的电压转换为0~4095的数字值（12位ADC）。
3.2 DAC（数模转换器，Digital to Analog Converter）
作用：把数字信号转换为模拟信号，让数字系统输出连续变化的电压或电流。
举例：STM32的DAC模块可以把数字值（如0~4095）转换为0~3.3V的模拟电压，用于音频输出、波形发生等。

二、ADC（模数转换器）

1. 概念

ADC（Analog to Digital Converter，模数转换器）是将模拟信号（如电压）转换为数字信号（如二进制数值）的硬件模块。
在STM32等单片机中，ADC模块可以让你采集外部传感器、信号源等的模拟电压，并在程序中进行处理。

2. ADC的主要作用（应用场景）

采集传感器信号（如温度、光照、湿度、压力等）
检测电池电压、电流等模拟量
实现音频采集、波形分析等功能

3. STM32 ADC的基本特性

(1) 多通道：STM32的ADC通常有多个输入通道（如16、18、24等），可采集多个模拟信号。
(2) 分辨率：常见有14位、12位、10位、8位、6位等，12位ADC的输出范围是0~4095。
(3) 采样速率：支持高速采样，适合音频、波形等应用。
(4) 多种采样模式：单次采样、连续采样、扫描模式、间断模式等。
(5) 支持DMA：可用DMA自动搬运数据，减轻CPU负担。
(6) 内部通道：可采集芯片内部温度、参考电压等。
(7) 转换时间：是指ADC从开始采样到输出数字结果所需的总时间。包含采样时间（ADC转采集输入电压的时间）和转换时间（ADC内部将采样到的模拟信号转换成数字值的时间）。
(8)量程：能测量的电压范围 0 ~ 3.6V（VSS ~VDD）（单片机供电范围是1.71到3.6）

4.ADC工作原理

(1). 多路输入与通道选择
IN0~IN7：8路模拟输入信号。
通道选择开关：通过外部的地址线（ADDA、ADDB、ADDC）和地址锁存允许（ALE）信号，选择其中一路模拟信号输入到后续电路。
(2). 地址锁存和译码
ADDA、ADDB、ADDC：三根地址线，选择输入通道（000~111对应IN0~IN7）。
ALE：地址锁存允许信号，锁存当前地址，防止转换过程中地址变化。
(3). 逐次逼近寄存器（SAR, Successive Approximation Register）
作用：控制DAC输出的电压，逐步逼近输入的模拟电压，实现A/D转换。
原理：
SAR内部有8位寄存器（对应8位ADC）。
转换过程从最高位（MSB）到最低位（LSB）依次判断每一位是1还是0。
每判断一位，SAR就把该位暂时置1，其余低位为0，然后控制DAC输出对应的电压，与输入模拟电压比较。
如果DAC输出电压小于输入电压，则该位保留为1；否则清零为0。
依次判断8位，最终得到8位数字量。
(4). DAC（数模转换器）
作用：把SAR当前寄存器的内容（数字量）转换成模拟电压，供比较器与输入模拟电压比较。
原理：
DAC接收SAR输出的8位数字量，输出对应的模拟电压。
这个电压和输入的模拟电压一起送到比较器。
比较器输出高低电平，反馈给SAR，决定当前位是1还是0。
(5). 逐次逼近A/D转换过程举例（八位）
假设要把某一路输入电压转换为数字量，过程如下：
1. SAR先把最高位（D7）设为1，其余为0，DAC输出对应电压。
2. 比较器比较：
如果DAC电压 < 输入电压，D7保留为1；
否则D7清零为0。
3. SAR再把次高位（D6）设为1，其余低位为0，DAC输出新电压。
4. 重复比较，依次判断D6、D5……直到D0。
5. 8位全部判断完毕，SAR寄存器内容就是输入电压的数字表示。
6. 把数据存入八位三态锁存缓冲器，等待主机获取。

5. U5（STM32U575RIT6）的ADC

6. 工作模式

6.1 工作模式划分

1. 单次转换模式（Single Conversion Mode）
说明：ADC只进行一次模数转换，转换完成后自动停止。
应用：适合对某一通道偶尔采样的场合，比如需要时才采集一次数据。
2. 连续转换模式（Continuous Conversion Mode）
说明：ADC会不断地进行模数转换，转换完成后自动开始下一次转换，循环往复。
应用：适合需要实时、连续采集数据的场合，如电压、电流实时监测。
3. 扫描转换模式（Scan Conversion Mode）
说明：ADC可以按照预先设定的通道顺序，依次对多个通道进行采样和转换。
应用：适合多路信号采集，如多传感器数据采集。
4. 间断转换模式（Discontinuous Conversion Mode）
说明：在扫描模式基础上，每次只转换设定数量的通道，然后暂停，等待下次触发再继续转换剩余通道。
应用：适合对多通道分批采集，减少瞬时采集压力。
5. 插队转换模式（Injected Conversion Mode）
说明：在常规转换过程中，可以被高优先级的“插队”转换打断，优先采集插队通道的数据，插队转换完成后再恢复常规转换。
应用：适合需要对某些重要信号进行优先采集的场合，如故障检测、紧急信号采集。

6.2 指示采集过程不同阶段的两个重要标志位EOC和EOS：

1. EOC（End Of Conversion，转换结束）
含义：EOC 表示“单次转换结束”。
作用：当ADC完成对某一个通道的模数转换后，EOC标志会被置位，表示本次采样的数据已经转换完成，可以读取转换结果了。
应用场景：适用于单通道采集或多通道逐个采集时，判断每个通道的数据是否转换完成。
举例：假如你配置ADC采集通道1，通道1的电压转换完成后，EOC标志置位，软件可以读取通道1的ADC值。
2. EOS（End Of Sequence，序列结束）
含义：EOS 表示“序列采集结束”。
作用：当ADC配置为扫描模式（即一次采集多个通道，形成一个采集序列）时，只有当本轮所有通道都采集并转换完成后，EOS标志才会被置位，表示整个采集序列结束。
应用场景：适用于多通道扫描采集，判断一轮所有通道的数据是否都已采集完成。
举例：假如你配置ADC依次采集通道1、2、3，只有当3个通道都采集完毕后，EOS标志才会置位，软件可以批量读取所有通道的ADC值。

7. 使用ADC进行单通道采集

使用ADC采集VBAT的电压，并且打印到串口。

在底板上，纽扣电池BT1的作用是在外部电源断电时为RTC（实时时钟）模块持续供电，确保保证RTC时钟和时间信息不丢失；而S1是一个与单片机连接的开关，其在原理图中的作用是切换RTC的供电来源，当S1向上拨时，RTC通过外部电源供电，适用于系统正常工作时；当S1向下拨时，RTC则由纽扣电池BT1供电，适用于外部电源断开时保证RTC继续运行，这样设计可以在系统掉电时依然保持实时时钟的计时功能。
此外，S1的状态还可以通过连接到单片机的引脚进行检测，单片机可以根据该引脚的电平判断当前RTC的供电状态，从而在软件上做出相应的处理，比如提示用户更换电池或记录掉电事件，实现对系统供电状态的智能管理。
所以当我们外部不接电并且想让纽扣电池给单片机内部RTC供电就要求我们按钮拨到BAT方向，让纽扣电池供电。

1. 使用ADC4采集纽扣电池BT1的电压，设置ADC4检测的通道为Vbat/4通道，这样ADC4的一个对应的通道就和单片机引脚VBAT连接，可以进行代码编辑采集电压。

其他属性补充，单通按照上面配置：

2.编辑代码：

U5特有步骤：（只需要执行一次，放在主函数内while外面，注释中详细介绍了）

HAL_PWREx_EnableVddA();            //这个函数用于启用VDDA电压域。VDDA是指处理器的模拟电源电压域，用于供电模拟功能模块，例如ADC,DAC等。通过HAL_PWREx_EnableVddA()函数，可以使处理器的VDDA电压域处于启用状态，以供给模拟功能模块所需的电源。
HAL_PWREx_EnableVddIO2();          //这个函数用于启用VDDIO2电压域。VDDIO2是指处理器的I/O引脚电源域，用于供电处理器的I/O引脚。通过调用HAL_PWREx_EnableVddIO2()函数，可以使处理器的VDDIO2电压域处于启用状态，以供给处理器的I/O引脚所需的电源。
HAL_ADCEx_Calibration_Start(&hadc4,ADC_CALIB_OFFSET,ADC_SINGLE_ENDED);  //校准单端ADC采样

所有类型芯片采样都要做的事：（放在while循环多次采样，也可以只测一次看个人需要）

HAL_ADC_Start(&hadc4);                    //启动adc转换 
HAL_ADC_PollForConversion(&hadc4,100);    //等待转换完成，第二个参数表示超时时间，单位ms
int value=HAL_ADC_GetValue(&hadc4);       //获取ADC转换结果

3. 接通好烧录引脚和数据线后，编译后使用debug功能。

把测的的value一定要放到全局变量中，不然不好观测，局部变量每次都重新创建影响测试。

一定要确定线连接无误，右键可视窗口的变量可以取消十六进制显示：

8. 使用ADC进行多通道单次数据采集

找到扩展板上的电压采集：

确定连接的引脚后，选择引脚模式为ADC4，后面就是通道数，可以在左边ADC4，后面就不用设置，因为我们已经设置采集顺序，上面图片已经标注，这样的好处是方便。

完整代码：

多通道单次采集特点是每次采集都要重新打开ADC，接收数据后就需要关闭再次打开采集下一次数据。

/* USER CODE BEGIN Header */
/********************************************************************************* @file           : main.c* @brief          : Main program body******************************************************************************* @attention** Copyright (c) 2025 STMicroelectronics.* All rights reserved.** This software is licensed under terms that can be found in the LICENSE file* in the root directory of this software component.* If no LICENSE file comes with this software, it is provided AS-IS.********************************************************************************/
/* USER CODE END Header */
/* Includes ------------------------------------------------------------------*/
#include "main.h"
#include "adc.h"
#include "usart.h"
#include "gpio.h"/* Private includes ----------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN Includes */
#include "stdio.h"
#include "string.h"
#include "stdio.h"
int fputc(int ch,FILE *p)
{while(!(USART1->ISR &(1<<7))){}	//等待发送寄存器空//ISR的第七位是1 ，说明发送寄存器是空，这个时候再去写入要发送的数据//当发送寄存器是空，跳出循环，把数据放好发送数据寄存器里面USART1->TDR = ch;return ch;
}/* USER CODE END Includes *//* Private typedef -----------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PTD *//* USER CODE END PTD *//* Private define ------------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PD *//* USER CODE END PD *//* Private macro -------------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PM *//* USER CODE END PM *//* Private variables ---------------------------------------------------------*//* USER CODE BEGIN PV *//* USER CODE END PV *//* Private function prototypes -----------------------------------------------*/
void SystemClock_Config(void);
static void SystemPower_Config(void);
/* USER CODE BEGIN PFP *//* USER CODE END PFP *//* Private user code ---------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN 0 */
int value = 0;
int value2 = 0;
float a = 0;
/* USER CODE END 0 *//*** @brief  The application entry point.* @retval int*/
int main(void)
{/* USER CODE BEGIN 1 *//* USER CODE END 1 *//* MCU Configuration--------------------------------------------------------*//* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */HAL_Init();/* USER CODE BEGIN Init *//* USER CODE END Init *//* Configure the system clock */SystemClock_Config();/* Configure the System Power */SystemPower_Config();/* USER CODE BEGIN SysInit *//* USER CODE END SysInit *//* Initialize all configured peripherals */MX_GPIO_Init();MX_ADC4_Init();MX_USART1_UART_Init();/* USER CODE BEGIN 2 */HAL_PWREx_EnableVddA();            //这个函数用于启用VDDA电压域。VDDA是指处理器的模拟电源电压域，用于供电模拟功能模块，例如ADC,DAC等。通过HAL_PWREx_EnableVddA()函数，可以使处理器的VDDA电压域处于启用状态，以供给模拟功能模块所需的电源。HAL_PWREx_EnableVddIO2();          //这个函数用于启用VDDIO2电压域。VDDIO2是指处理器的I/O引脚电源域，用于供电处理器的I/O引脚。通过调用HAL_PWREx_EnableVddIO2()函数，可以使处理器的VDDIO2电压域处于启用状态，以供给处理器的I/O引脚所需的电源。HAL_ADCEx_Calibration_Start(&hadc4,ADC_CALIB_OFFSET,ADC_SINGLE_ENDED);  //校准单端ADC采样 /* USER CODE END 2 *//* Infinite loop *//* USER CODE BEGIN WHILE */while (1){HAL_ADC_Start(&hadc4);//启动adc转换 HAL_ADC_PollForConversion(&hadc4,100);    //等待转换完成，第二个参数表value = HAL_ADC_GetValue(&hadc4);   			//获取ADC第一个转换结果HAL_ADC_PollForConversion(&hadc4,100);    //等待转换完成，第二个参数表value2 = HAL_ADC_GetValue(&hadc4); 			  //获取ADC第二个转换结果HAL_ADC_Stop(&hadc4);				//停止ADCa = 3.3*(value*4)/4096;		//计算电压值//printf("%fV",a);HAL_Delay(2000);/* USER CODE END WHILE *//* USER CODE BEGIN 3 */}/* USER CODE END 3 */
}/*** @brief System Clock Configuration* @retval None*/
void SystemClock_Config(void)
{RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct = {0};RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct = {0};/** Configure the main internal regulator output voltage*/if (HAL_PWREx_ControlVoltageScaling(PWR_REGULATOR_VOLTAGE_SCALE4) != HAL_OK){Error_Handler();}/** Initializes the CPU, AHB and APB buses clocks*/RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSI|RCC_OSCILLATORTYPE_MSI;RCC_OscInitStruct.HSIState = RCC_HSI_ON;RCC_OscInitStruct.HSICalibrationValue = RCC_HSICALIBRATION_DEFAULT;RCC_OscInitStruct.MSIState = RCC_MSI_ON;RCC_OscInitStruct.MSICalibrationValue = RCC_MSICALIBRATION_DEFAULT;RCC_OscInitStruct.MSIClockRange = RCC_MSIRANGE_4;RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_NONE;if (HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct) != HAL_OK){Error_Handler();}/** Initializes the CPU, AHB and APB buses clocks*/RCC_ClkInitStruct.ClockType = RCC_CLOCKTYPE_HCLK|RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK|RCC_CLOCKTYPE_PCLK1|RCC_CLOCKTYPE_PCLK2|RCC_CLOCKTYPE_PCLK3;RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_MSI;RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1;RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1;RCC_ClkInitStruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1;RCC_ClkInitStruct.APB3CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1;if (HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_0) != HAL_OK){Error_Handler();}
}/*** @brief Power Configuration* @retval None*/
static void SystemPower_Config(void)
{/** Disable the internal Pull-Up in Dead Battery pins of UCPD peripheral*/HAL_PWREx_DisableUCPDDeadBattery();
/* USER CODE BEGIN PWR */
/* USER CODE END PWR */
}/* USER CODE BEGIN 4 *//* USER CODE END 4 *//*** @brief  This function is executed in case of error occurrence.* @retval None*/
void Error_Handler(void)
{/* USER CODE BEGIN Error_Handler_Debug *//* User can add his own implementation to report the HAL error return state */__disable_irq();while (1){}/* USER CODE END Error_Handler_Debug */
}#ifdef  USE_FULL_ASSERT
/*** @brief  Reports the name of the source file and the source line number*         where the assert_param error has occurred.* @param  file: pointer to the source file name* @param  line: assert_param error line source number* @retval None*/
void assert_failed(uint8_t *file, uint32_t line)
{/* USER CODE BEGIN 6 *//* User can add his own implementation to report the file name and line number,ex: printf("Wrong parameters value: file %s on line %d\r\n", file, line) *//* USER CODE END 6 */
}
#endif /* USE_FULL_ASSERT */

9. 使用ADC1进行多通道数据单次采集

我们新建项目，熟悉一下ADC1，使用ADC1实现。

(1) 配置通道，使能ADC1：

(2) 调节转换通道数量，设置基本属性：

等待ADC转换结束信号EOC两种方式：

while等待EOC：适合所有ADC，直接操作寄存器，灵活但需要自己处理细节。
HAL_ADC_PollForConversion：HAL库推荐用法，安全、易用、带超时，但部分老型号或特殊用法下可能不适用。
实际选择：如果HAL库支持，建议用HAL_ADC_PollForConversion；如果遇到兼容性或特殊需求，可以用while轮询。

(3) 编写代码：

结果：