11.1實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

通過本實(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，那么人們是怎么來衡量一個(gè)模擬信號(hào)的呢？

我們通常會(huì)說今天光照度達(dá)到了3萬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，沒錯(cuò)，人們就是通過將這些模擬信號(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來說，如果要測(cè)量一個(gè)模擬量，可以通過自帶的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。
• 過采樣：
  – 16位的數(shù)據(jù)寄存器；
  –可調(diào)整的過采樣率，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。

說完規(guī)則組，我們?cè)僬f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，可以通過將ADC_CTL0中的EOCIE、EOICIE和WDEIE置“1”來開啟相應(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，下面我們通過電源電壓?jiǎn)瓮ǖ啦蓸訉?shí)驗(yàn)來詳細(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ADC轉(zhuǎn)換可以得到PF6腳上具體的電壓值，再通過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，并通過查詢EOC標(biāo)志位來判斷通道轉(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：

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)：

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)：

好，現(xiàn)在我們來對(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：

GD32F303的ADC的工作時(shí)鐘頻率不能超過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

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

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)。

基于16個(gè)通道的規(guī)則并行模式如下圖所示：

注入并行：ADC0和ADC1可工作注入并行模式下，當(dāng)ADC0注入組被觸發(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)），和規(guī)則組不同的是，通道轉(zhuǎn)換結(jié)果會(huì)放在各自的ADC_IDATAx寄存器中 。

基于4個(gè)通道的注入并行模式如下圖所示：

4、配置掃描和連續(xù)模式

掃描模式：當(dāng)一個(gè)規(guī)則組或注入組規(guī)定了1個(gè)以上的通道轉(zhuǎn)換時(shí)，需要開啟掃描模式，此時(shí)規(guī)則組或注入組會(huì)根據(jù)設(shè)定好的轉(zhuǎn)換順序?qū)νǖ酪粋€(gè)一個(gè)進(jìn)行轉(zhuǎn)換；如果關(guān)閉掃描模式，那么規(guī)則組和注入組只會(huì)轉(zhuǎn)換RSQ0和ISQ0規(guī)定的通道。

連續(xù)模式：該模式只適用于規(guī)則組，開啟該模式時(shí)，當(dāng)規(guī)則組轉(zhuǎn)換完成后，會(huì)自動(dòng)開始新一輪的轉(zhuǎn)換。

下圖為掃描轉(zhuǎn)換模式，且連續(xù)轉(zhuǎn)換模式失能的轉(zhuǎn)換情況：

下圖為掃描轉(zhuǎn)換模式，連續(xù)轉(zhuǎn)換模式使能的轉(zhuǎn)換情況：

5、設(shè)置數(shù)據(jù)對(duì)齊

ADC的轉(zhuǎn)換結(jié)果可以選擇左對(duì)齊或右對(duì)齊，以12位結(jié)果為例，左右對(duì)齊如下：

6、配置轉(zhuǎn)換個(gè)數(shù)、轉(zhuǎn)換順序及通道采樣周期

這段程序是配置規(guī)則組和注入組的轉(zhuǎn)換長(zhǎng)度、轉(zhuǎn)換順序及通道采樣周期。轉(zhuǎn)換長(zhǎng)度和順序前面講過，不再贅述，這里簡(jiǎn)單介紹下采樣周期。

采樣周期通過adc_regular_channel_config和adc_inserted_channel_config函數(shù)的最后一個(gè)形參設(shè)置，相應(yīng)的寄存器是ADC_SAMPT0和ADC_SAMPT1。

GD32F303是SAR ADC（逐次逼近型ADC），內(nèi)部有采樣電容，采樣過程為先將內(nèi)部采樣電容和外部采樣引腳相連，通過對(duì)內(nèi)部采樣電容的充放電讓采樣電容和外部采樣引腳電壓相等，然后關(guān)閉內(nèi)外部電路通道，內(nèi)部再通過逐次逼近比較得到電壓的數(shù)字值。逐次比較的過程需要固定的1.5個(gè)采樣周期，而采樣電容充放電過程是可以設(shè)置的，即這里介紹的采樣周期。

采樣周期分8個(gè)檔位可選，如一個(gè)通道選擇12.5周期，則轉(zhuǎn)換過程需要的總周期數(shù)為12.5+1.5 = 14，如果設(shè)置ADC的時(shí)鐘（前面提到，ADC時(shí)鐘是通過APB2總線經(jīng)過分頻所得）為30M，那么該通道轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間為14/30M = 0.467us。

那么如何選擇合適的采樣周期，這個(gè)和內(nèi)部采樣電容的充放電時(shí)間有關(guān)，如果充放電時(shí)間不夠，采樣電容電壓不能和外部采樣引腳電壓一致，則得不到準(zhǔn)確的采樣值，如充放電時(shí)間過長(zhǎng)，則浪費(fèi)CPU資源。我們可以根據(jù)采樣引腳對(duì)內(nèi)輸入阻抗值大小來選擇合適的采樣周期，阻抗值和采樣周期對(duì)應(yīng)表可以通過GD32F303 Datasheet ADC電氣參數(shù)章節(jié)獲得：

舉個(gè)例子，實(shí)際采樣引腳對(duì)內(nèi)阻抗為20kΩ，根據(jù)上表需要選擇的采樣周期為55.5。

7、選擇ADC規(guī)則組和注入組的觸發(fā)源以及使能外部觸發(fā)

8、選擇是否需要DMA

只有規(guī)則組才能使用DMA，在規(guī)則組設(shè)置了多通道采樣即掃描模式打開時(shí)，是一定要用DMA的，否則沒辦法及時(shí)將轉(zhuǎn)換完成的通道數(shù)據(jù)取走，其他的情況下DMA是否使用根據(jù)實(shí)際應(yīng)用決定。

9、ADC的使能和自校準(zhǔn)

ADC的使能比較簡(jiǎn)單，使能后ADC才能工作，這里再?gòu)?qiáng)調(diào)下，使能ADC不代表就開始了ADC轉(zhuǎn)換，而是ADC等到觸發(fā)信號(hào)才會(huì)轉(zhuǎn)換，關(guān)于觸發(fā)條件，請(qǐng)讀者看前面觸發(fā)源介紹。

ADC 帶有一個(gè)前置校準(zhǔn)功能。在校準(zhǔn)期間，ADC計(jì)算一個(gè)校準(zhǔn)系數(shù)，這個(gè)系數(shù)是應(yīng)用于ADC內(nèi)部的，它直到ADC下次掉電才無效。在校準(zhǔn)期間，應(yīng)用不能使用ADC，它必須等到校準(zhǔn)完成。在A/D轉(zhuǎn)換前應(yīng)執(zhí)行校準(zhǔn)操作。通過軟件設(shè)置CLB=1來對(duì)校準(zhǔn)進(jìn)行初始化，在校準(zhǔn)期間CLB位會(huì)一直保持1，直到校準(zhǔn)完成，該位由硬件清0。

ADC使能后校準(zhǔn)前比較要等待至少14個(gè)ADC時(shí)鐘周期，本實(shí)驗(yàn)中就直接使用1ms延時(shí)了，是完全足夠的。

11.4.2輪訓(xùn)方式獲取采樣值函數(shù)

ADC初始化好后，就可以進(jìn)行采樣了，本實(shí)驗(yàn)是通過輪訓(xùn)方式進(jìn)行ADC采樣，下面是輪訓(xùn)方式獲取采樣值函數(shù)。

讀者可以讀以上代碼的注釋來分析這個(gè)函數(shù)，強(qiáng)調(diào)下，判斷規(guī)則組轉(zhuǎn)換完成用EOC標(biāo)志位，注入組用EOIC。另外這個(gè)函數(shù)返回值是16位，但如果使用了規(guī)則并行或注入并行的話，該函數(shù)還需要稍作調(diào)整，讀者可以思考下該如何修改？

11.4.3Power_detect ADC設(shè)置所需要的參數(shù)及IO口結(jié)構(gòu)體定義

在bsp_adc.c中，對(duì)Power_detect_ADC設(shè)置所需要的參數(shù)及IO擴(kuò)結(jié)構(gòu)體進(jìn)行了定義：

11.4.4Power_detect ADC初始化和讀Power_detect的具體實(shí)現(xiàn)函數(shù)

在bsp_adc.c中定義了Power_detect ADC初始化和讀Power_detect的具體實(shí)現(xiàn)函數(shù)：

11.4.5main函數(shù)實(shí)現(xiàn)

本例程main函數(shù)首先進(jìn)行了延時(shí)函數(shù)初始化，為了演示實(shí)驗(yàn)結(jié)果，這里初始化了BOARD_UART串口，關(guān)于串口的使用，請(qǐng)讀者參考串口章節(jié)，然后是Power_detect ADC配置。在主循環(huán)中實(shí)現(xiàn)每秒鐘進(jìn)行一次Power_detect的ADC采樣，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果打印出來。

11.5實(shí)驗(yàn)結(jié)果

使用USB-TypeC線，連接電腦和板上USB to UART口后，配置好串口調(diào)試助手，即可看到Power_detect打印數(shù)據(jù)了。

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