11.1實驗內容

通過本實驗主要學習以下內容：

• ADC的簡介
• GD32F303 ADC工作原理
• 查詢方式實現(xiàn)ADC單通道采樣

11.2實驗原理

11.2.1ADC原理

我們知道，自然界中有非常多的模擬信號，比如上一節(jié)提到的光照強度，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模擬信號的呢？

我們通常會說今天光照度達到了3萬Lux（照度單位），現(xiàn)在測量到的體溫是36.5℃，我們所處的環(huán)境是40分貝，沒錯，人們就是通過將這些模擬信號數(shù)字化，從而達到衡量這些模擬信號的目的。那對于MCU來說，如果要測量一個模擬量，可以通過自帶的ADC（Analog-to-Digital converters）模塊，即模-數(shù)轉換器將模擬量轉化為可以被MCU讀取到的數(shù)字量。

11.2.2GD32F303 ADC工作原理

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

以下總結了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；
  –可編程采樣時間；
  –數(shù)據(jù)寄存器可配置數(shù)據(jù)對齊方式；
  –支持規(guī)則數(shù)據(jù)轉換的DMA請求。
• 模擬輸入通道：
  – 16個外部模擬輸入通道；
  – 1個內部溫度傳感器輸入通道(VSENSE)；
  – 1個內部參考電壓輸入通道(VREFINT)。
• 轉換開始的發(fā)起：
  –軟件；
  –硬件觸發(fā)。
• 轉換模式：
  –轉換單個通道，或者掃描一組通道；
  –單次模式，每次觸發(fā)轉換一次選擇的輸入通道；
  –連續(xù)模式，連續(xù)轉換所選擇的輸入通道；
  –間斷模式；
  –同步模式（適用于具有兩個或多個ADC的設備）。
• 模擬看門狗。
• 中斷的產生：
  –規(guī)則組或注入組轉換結束；
  –模擬看門狗事件。
• 過采樣：
  – 16位的數(shù)據(jù)寄存器；
  –可調整的過采樣率，從2x到256x；
  –高達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，滿量程對應的轉換值是4095，即當采樣引腳上的電壓等于ADC參考電壓時，得到的轉換值即為4095。故理論采樣是指可通過以下公式得到：采樣數(shù)值=實際電壓/參考電壓*4095

標注2：輸入通道

前面提到，ADC有最多16個外部模擬通道和2個內部通道，外部通道號從IN0~IN15，由IO口號來決定，兩個內部通道是IN16（溫度傳感器）和IN17（內部Vrefint，典型值1.2V），下表給出了IO口號對應的ADC通道：

標注3：規(guī)則組和注入組

每個ADC有兩個組——規(guī)則組和注入組。

規(guī)則組有兩個重要的參數(shù)，其一為轉換的個數(shù)，其二為轉換的序列，規(guī)定好這兩個參數(shù)后，一旦開始規(guī)則組的轉換，則ADC就按照轉換序列一個一個的進行模-數(shù)轉換，直到達到要求的轉換個數(shù)。

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

ADC_RSQ0寄存器:

ADC_RSQ1寄存器:

ADC_RSQ2寄存器：

舉個例子，現(xiàn)需要按照CH3->CH2->CH1的順序進行規(guī)則組轉換，則設定RL[3:0] = 2，然后設定RSQ0為CH3，RSQ1為CH2，RSQ2為CH1，則當開始規(guī)則組轉換時，ADC首先進行RSQ0規(guī)定的通道即CH3的轉換，再進行RSQ1規(guī)定的通道即CH2的轉換，最后進行RSQ2規(guī)定的通道即CH1轉換，當這三個通道轉換完后，規(guī)則組轉換結束。

需要注意的是，每轉換一個規(guī)則組通道，轉換結果都會放在寄存器ADC_RDATA中，所以CPU一定要在下一個通道轉換完成前將上一個通道轉換結果讀走，否則會導致上一個通道數(shù)據(jù)被新的數(shù)據(jù)覆蓋。所以在多通道規(guī)則組轉換時，為了保證能讀到所有通道的數(shù)據(jù)，一定要使用DMA（直接存儲器訪問控制器），每個通道轉換結束后，都會給DMA發(fā)送請求，DMA就會將最新的ADC_RDATA中的數(shù)據(jù)搬走。關于ADC配合DMA的使用，后面章節(jié)會詳細介紹。

說完規(guī)則組，我們再說下注入組。注入組，可以按照特定的序列組織成最多 4 個轉換的序列。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)定了整個注入組轉換序列的長度。

ADC_ISQ寄存器：

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

當IL = 3，注入組轉換順序為ISQ0 >> ISQ1 >> ISQ2 >> ISQ3，轉換結果分別放在ADC_IDATA0~ADC_IDATA3；

當IL = 2，注入組轉換順序為ISQ1 >> ISQ2 >> ISQ3，轉換結果分別放在ADC_IDATA0~ADC_IDATA2；

當IL = 1，注入組轉換順序為ISQ2 >> ISQ3，轉換結果分別放在ADC_IDATA0~ADC_IDATA1；

當IL = 0，注入組轉換ISQ3，轉換結果放在ADC_IDATA0

舉個例子，現(xiàn)需要按照CH3->CH2->CH1的順序進行注入組轉換，則設定IL[3:0] = 2，然后設定ISQ1為CH3，ISQ2為CH2，ISQ3為CH1，則當開始注入組轉換時，ADC首先進行ISQ1規(guī)定的通道即CH3的轉換，再進行ISQ2規(guī)定的通道即CH2的轉換，最后進行ISQ3規(guī)定的通道即CH1轉換，當這三個通道轉換完后，注入組轉換結束。

因為4個通道轉換的結果分別放在4個不同的注入組數(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轉換，注意，ADC的Enable（即ADC_CTL1寄存器的ADC_ON位置“1”）不會觸發(fā)ADC轉換，而是當選定的觸發(fā)源來臨后ADC才開始轉換。

觸發(fā)源分為內部觸發(fā)和外部觸發(fā)，內部觸發(fā)是指當ADC_ON已經為“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轉換；外部觸發(fā)源是除了內部觸發(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：

標注5：規(guī)則組和注入組的數(shù)據(jù)寄存器

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

標注6：ADC中斷及標志位

ADC的中斷總共有三種：規(guī)則組轉換結束中斷、注入組轉換結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”來開啟相應中斷。

ADC_STAT寄存器中的EOC、EOIC和WDE表示相應事件發(fā)生，EOC置“1”表示規(guī)則組的轉換已經結束；EOIC置“1”表示注入組的轉換已經結束，注意：注入組轉換結束時，EOC標志位也會置起。

GD32F303的ADC原理部分就介紹到這里，下面我們通過電源電壓單通道采樣實驗來詳細介紹下ADC的用法。

11.3硬件設計

電源電壓檢測的原理圖如下：

ADC_IN4連接到MCU的PF6管腳通過ADC轉換可以得到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

本實驗只用到一個ADC通道：PF6——ADC2_CH4，故可以選擇使用ADC2的規(guī)則組進行轉換，并通過查詢EOC標志位來判斷通道轉換完成。

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兩個結構體聲明。

1、ADC設置參數(shù)結構體，該結構體中規(guī)定了ADC設置所需要的參數(shù)：

2、ADC IO口及通道參數(shù)結構體，該結構體中規(guī)定了用于ADC轉換的IO口及通道參數(shù)：

好，現(xiàn)在我們來對ADC配置進行分段解析。

1、ADC的時鐘頻率配置和ADC時鐘使能：

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

2、配置IO口

被用作ADC采樣的IO口需要被設置為Analog模式，因為ADC_CH0~ADC_CH15是和外部IO關聯(lián)的，而ADC_CH16和ADC_CH17是內部通道，所以只有在通道號小于ADC_CHANNEL_16時才需要配置IO口，而大于等于ADC_CHANNEL_16時需要使能ADC內部通道。

3、配置ADC規(guī)則組工作模式

ADC的模式有獨立模式、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立模式、規(guī)則并行和注入并行，現(xiàn)對這三種做簡單介紹。

獨立模式：三個ADC相互之間無影響，每個ADC單獨工作；

規(guī)則并行：ADC0和ADC1可工作規(guī)則并行模式下，當ADC0規(guī)則組被觸發(fā)開始轉換時，ADC1注入組也會自動開始轉換（此時ADC1的觸發(fā)源一定要選擇軟件觸發(fā)），轉換結果會分別放在ADC0_RDATA和ADC1_RDATA中，其中ADC0_RDATA的上半字也會保存ADC1的轉換結果，這樣設計是為了方便DMA去進行兩個同步ADC結果的同時搬運。

基于16個通道的規(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ADC0注入組被觸發(fā)開始轉換時，ADC1注入組也會自動開始轉換（此時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，通道轉換結果會放在各自的ADC_IDATAx寄存器中 。

基于4個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：當一個規(guī)則組或注入組規(guī)定了1個以上的通道轉換時，需要開啟掃描模式，此時規(guī)則組或注入組會根據(jù)設定好的轉換順序對通道一個一個進行轉換；如果關閉掃描模式，那么規(guī)則組和注入組只會轉換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，當規(guī)則組轉換完成后，會自動開始新一輪的轉換。

下圖為掃描轉換模式，且連續(xù)轉換模式失能的轉換情況：

下圖為掃描轉換模式，連續(xù)轉換模式使能的轉換情況：

5、設置數(shù)據(jù)對齊

ADC的轉換結果可以選擇左對齊或右對齊，以12位結果為例，左右對齊如下：

6、配置轉換個數(shù)、轉換順序及通道采樣周期

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

采樣周期通過adc_regular_channel_config和adc_inserted_channel_config函數(shù)的最后一個形參設置，相應的寄存器是ADC_SAMPT0和ADC_SAMPT1。

GD32F303是SAR ADC（逐次逼近型ADC），內部有采樣電容，采樣過程為先將內部采樣電容和外部采樣引腳相連，通過對內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，然后關閉內外部電路通道，內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個采樣周期，而采樣電容充放電過程是可以設置的，即這里介紹的采樣周期。

采樣周期分8個檔位可選，如一個通道選擇12.5周期，則轉換過程需要的總周期數(shù)為12.5+1.5 = 14，如果設置ADC的時鐘（前面提到，ADC時鐘是通過APB2總線經過分頻所得）為30M，那么該通道轉換所需要的時間為14/30M = 0.467us。

那么如何選擇合適的采樣周期，這個和內部采樣電容的充放電時間有關，如果充放電時間不夠，采樣電容電壓不能和外部采樣引腳電壓一致，則得不到準確的采樣值，如充放電時間過長，則浪費CPU資源。我們可以根據(jù)采樣引腳對內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應表可以通過GD32F303 Datasheet ADC電氣參數(shù)章節(jié)獲得：

舉個例子，實際采樣引腳對內阻抗為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)則組設置了多通道采樣即掃描模式打開時，是一定要用DMA的，否則沒辦法及時將轉換完成的通道數(shù)據(jù)取走，其他的情況下DMA是否使用根據(jù)實際應用決定。

9、ADC的使能和自校準

ADC的使能比較簡單，使能后ADC才能工作，這里再強調下，使能ADC不代表就開始了ADC轉換，而是ADC等到觸發(fā)信號才會轉換，關于觸發(fā)條件，請讀者看前面觸發(fā)源介紹。

ADC 帶有一個前置校準功能。在校準期間，ADC計算一個校準系數(shù)，這個系數(shù)是應用于ADC內部的，它直到ADC下次掉電才無效。在校準期間，應用不能使用ADC，它必須等到校準完成。在A/D轉換前應執(zhí)行校準操作。通過軟件設置CLB=1來對校準進行初始化，在校準期間CLB位會一直保持1，直到校準完成，該位由硬件清0。

ADC使能后校準前比較要等待至少14個ADC時鐘周期，本實驗中就直接使用1ms延時了，是完全足夠的。

11.4.2輪訓方式獲取采樣值函數(shù)

ADC初始化好后，就可以進行采樣了，本實驗是通過輪訓方式進行ADC采樣，下面是輪訓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函數(shù)，強調下，判斷規(guī)則組轉換完成用EOC標志位，注入組用EOIC。另外這個函數(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)還需要稍作調整，讀者可以思考下該如何修改？

11.4.3Power_detect ADC設置所需要的參數(shù)及IO口結構體定義

在bsp_adc.c中，對Power_detect_ADC設置所需要的參數(shù)及IO擴結構體進行了定義：

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

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

11.4.5main函數(shù)實現(xiàn)

本例程main函數(shù)首先進行了延時函數(shù)初始化，為了演示實驗結果，這里初始化了BOARD_UART串口，關于串口的使用，請讀者參考串口章節(jié)，然后是Power_detect ADC配置。在主循環(huán)中實現(xiàn)每秒鐘進行一次Power_detect的ADC采樣，并將轉換結果打印出來。

11.5實驗結果

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

本教程由GD32 MCU方案商聚沃科技原創(chuàng)發(fā)布，了解更多GD32 MCU教程，關注聚沃科技官網