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），現在測量到的體溫是36.5℃，我們所處的環境是40分貝，沒錯，人們就是通過將這些模擬信號數字化，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-數轉換器將模擬量轉化為可以被MCU讀取到的數字量。

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；
  –數據寄存器可配置數據對齊方式；
  –支持規則數據轉換的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)。
• 轉換開始的發起：
  –軟件；
  –硬件觸發。
• 轉換模式：
  –轉換單個通道，或者掃描一組通道；
  –單次模式，每次觸發轉換一次選擇的輸入通道；
  –連續模式，連續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：
  –規則組或注入組轉換結束；
  –模擬看門狗事件。
• 過采樣：
  – 16位的數據寄存器；
  –可調整的過采樣率，從2x到256x；
  –高達8位的可編程數據移位。
• 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：規則組和注入組

每個ADC有兩個組——規則組和注入組。

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

規則組的轉換個數由ADC_RSQ0寄存器的RL[3:0]位規定，轉換的總數目為RL[3:0]+1，轉換總數目最大為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，現需要按照CH3->CH2->CH1的順序進行規則組轉換，則設定RL[3:0] = 2，然后設定RSQ0為CH3，RSQ1為CH2，RSQ2為CH1，則當開始規則組轉換時，ADC首先進行RSQ0規定的通道即CH3的轉換，再進行RSQ1規定的通道即CH2的轉換，最后進行RSQ2規定的通道即CH1轉換，當這三個通道轉換完后，規則組轉換結束。

需要注意的是，每轉換一個規則組通道，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據被新的數據覆蓋。所以在多通道規則組轉換時，為了保證能讀到所有通道的數據，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發送請求，DMA就會將最新的ADC_RDATA中的數據搬走。關于ADC配合DMA的使用，后面章節會詳細介紹。

說完規則組，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寄存器規定了注入組的通道選擇。ADC_ISQ寄存器的IL[1:0]位規定了整個注入組轉換序列的長度。

ADC_ISQ寄存器：

和規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規定的通道即CH3的轉換，再進行ISQ2規定的通道即CH2的轉換，最后進行ISQ3規定的通道即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個不同的注入組數據寄存器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據寄存器中取數即可。

標注4：觸發源

ADC的規則組和注入組需要選特定的觸發源用于觸發ADC轉換，注意，ADC的Enable（即ADC_CTL1寄存器的ADC_ON位置“1”）不會觸發ADC轉換，而是當選定的觸發源來臨后ADC才開始轉換。

觸發源分為內部觸發和外部觸發，內部觸發是指當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”，將觸發一次ADC轉換；外部觸發源是除了內部觸發源以外的觸發源，外部觸發源可以通過ADC_CTL1寄存器查看：

ADC_CTL1寄存器：

標注5：規則組和注入組的數據寄存器

如標注3規則組和注入組中的表述，每個ADC的規則組只有一個數據寄存器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個數據寄存器ADC_IDATAx（x = 0,1,2,3），分別保存4個通道的ADC注入組的轉換數據。

標注6：ADC中斷及標志位

ADC的中斷總共有三種：規則組轉換結束中斷、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表示相應事件發生，EOC置“1”表示規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設置參數結構體，該結構體中規定了ADC設置所需要的參數：

2、ADC IO口及通道參數結構體，該結構體中規定了用于ADC轉換的IO口及通道參數：

好，現在我們來對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規則組工作模式

ADC的模式有獨立模式、規則并行、注入并行、快速交叉等9種，其中用到比較多的是獨立模式、規則并行和注入并行，現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；

規則并行：ADC0和ADC1可工作規則并行模式下，當ADC0規則組被觸發開始轉換時，ADC1注入組也會自動開始轉換（此時ADC1的觸發源一定要選擇軟件觸發），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注入組被觸發開始轉換時，ADC1注入組也會自動開始轉換（此時ADC1的觸發源一定要選擇軟件觸發），和規則組不同的是，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、配置掃描和連續模式

掃描模式：當一個規則組或注入組規定了1個以上的通道轉換時，需要開啟掃描模式，此時規則組或注入組會根據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，那么規則組和注入組只會轉換RSQ0和ISQ0規定的通道。

連續模式：該模式只適用于規則組，開啟該模式時，當規則組轉換完成后，會自動開始新一輪的轉換。

下圖為掃描轉換模式，且連續轉換模式失能的轉換情況：

下圖為掃描轉換模式，連續轉換模式使能的轉換情況：

5、設置數據對齊

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、轉換順序及通道采樣周期

這段程序是配置規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電氣參數章節獲得：

舉個例子，實際采樣引腳對內阻抗為20kΩ，根據上表需要選擇的采樣周期為55.5。

7、選擇ADC規則組和注入組的觸發源以及使能外部觸發

8、選擇是否需要DMA

只有規則組才能使用DMA，在規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據取走，其他的情況下DMA是否使用根據實際應用決定。

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等到觸發信號才會轉換，關于觸發條件，請讀者看前面觸發源介紹。

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，這個系數是應用于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

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。

讀者可以讀以上代碼的注釋來分析這個函數，強調下，判斷規則組轉換完成用EOC標志位，注入組用EOIC。另外這個函數返回值是16位，但如果使用了規則并行或注入并行的話，該函數還需要稍作調整，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的具體實現函數

在bsp_adc.c中定義了Power_detect ADC初始化和讀Power_detect的具體實現函數：

11.4.5main函數實現

本例程main函數首先進行了延時函數初始化，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，然后是Power_detect ADC配置。在主循環中實現每秒鐘進行一次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打印數據了。

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