GD32F303RCT6(5)-ADC采样内部温度和参考电压

标签：采样 GD32F303RCT6 转换 ADC ADC0 通道 config adc

ADC（模数转换器）是用于将模拟电压信号转换成数字量的电路单元，是模拟信号数字化的必要器件。独立的ADC芯片和MCU连接构成信号数字化电路

1、主要特性

（1）高性能：可配置为12位、10位、8位或6位分辨率；具前置校准功能；可编程采样时间；数据存储模式分最高有效位对齐和最低有效位对齐；可处理DMA请求

（2）模拟输入通道：16个外部模拟输入通道，还有一个内部温度传感通道(VSENSE)和一个内部参考电压通道(VREFINT)

（3）运行模式分为软件触发和硬件触发

（4）转换模式：转换单次通道(扫描一序列的通道)；单次运行模式(每次触发转换一次选择的输入通道)；连续运行模式(连续转换所选择的输入通道)；间断运行模式；同步模式(适用于两个或多个ADC的设备)

2、工作原理

ADC模块框图如图所示

2.1 模拟部分供电

模拟部分的供电有四个引脚

（1）VDDA是模拟部分工作电源，可以选择使用独立的模拟电源输入，来保证ADC的精度。VAAD最高不能超过3.6V，最低不低于2.6V，可以选择将VDDA与数字电源VDD连接。

（2）VSSA是模拟电源地，与数字电源共地。

（3）VREF+是ADC转换的正参考电压，最高不能超过VDDA，最低不能低于2.6V，一般选择将VREF+与VDDA连接。

（4）VREF-是ADC转换的负参考电压，必须与VSSA连接。

2.2 输入通道

每个ADC单元都有16个外部输入通道，对应16个ADC输入复用引脚，即结构框图中的ADC_IN0至ADC_IN15。除此之外还额外包括两个内部输入使用通道，温度传感器通道(ADC0_CH16)和VREFINT通道(ADC0_CH17)

使用温度传感器：

1. 配置温度传感器通道（ADC_IN16）的转换序列和采样时间为 ts_temp µs

2. 置位 ADC_CTL1 寄存器中的 TSVREN 位，使能温度传感器

3. 置位 ADC_CTL1 寄存器的ADCON 位，或者由外部触发启动ADC 转换

4. 读取内部温度传感器输出电压 Vtemperature，

并由此公式计算出实际温度：温度 (°C) = {( $V_{25}$ – V temperature ) / Avg_Slope} + 25

其中 $V_{25}$ 是内部温度传感器在25℃下的电压，为1.405V；Avg_Slope是温度与内部温度传感器输出电压曲线的均值斜率，为4.5mV/℃；ts_temp µs是读取温度时的ADC采样时间，为17.1us。

2.3 规则通道和注入通道

选择的多个模拟输入通道可以分为两组：规则通道组和注入通道组，每个组的通道构成一个转换序列。

规则转换序列最多可以设置16个通道，一个规则转换序列规定了多路复用转换时的顺序。例如，选择了IN0、IN1、IN2共3个通道作为规则通道，定义的规则转换序列可以是IN0、IN1、IN2，也可以是IN0、IN2、IN1，也可以是IN1、IN2、IN0。

注入通道就是可以在规则通道转换过程中插入进行转换的通道，类似于中断的现象。注入转换序列最多可以设置4个注入通道，也可以像规则转换序列那样设置转换序列。

每个注入通道还可以设置一个数据偏移量，每次转换结果自动减去这个偏移量，所以转换结果可以是负数。例如，设置偏移量为信号的直流分量，每次转换自动减去直流分量。

2.4 启动或触发转换

规则通道和注入通道有单独的触发源，有3类启动或触发转换的方式：

（1）软件启动：直接将控制寄存器ADC_CR2的ADON的位置1启动ADC转换，写入0时停止ADC转换，这种方式常用于轮询方式的ADC转换。

（2）内部定时器触发：可以选择某个定时器的触发输出信号(TRGO)或输入捕获信号作为触发源。例如，选择TIM2_TRGO信号作为启动触发信号，而TIM2的TRGO设置为UEV事件信号，这样定时器TIM2每次定时溢出时就启动一次转换。这种方式可用于周期性ADC转换。

（3）外部IO触发：可以选择外部中断线EXTI_11和EXTI_15作为规则组或注入组的外部中断触发源。

2.5 ADC时钟与转换时间

ADC转换需要时钟信号ADCCLK驱动，ADCCLK有PCLK2经过分频产生，最少2分频，最多8分频。PCLK2的最高频率为84MHz，所以ADCCLK的最高频率为42MHz。

我们可以设置在N个ADCCLK周期内对信号进行采样，N取值最小为3，最大为480。在ADC上电后，在开始精确转换之前，需要一段稳定时间 $t_{STAB}$ ，对于之后接下来的转换就不需要稳定延迟，而且ADON位只需要被置位一次。一次ADC转换需要14个时钟周期，在转换完成后EOC标志被置位，同时转换结果保存在10位ADC数据寄存器里面，ADC转换完成需要N+12个时钟周期。

例如，PCLK2的频率位84MHz，ADC使用2分频，则ADCCLK的频率位42MHz，若将采样设置为15次，则一次转换的时间为：

$t_{c}=\frac{15+12}{42×10^{6}}=0.64us$

可以设置在转换完一个通道后就产生EOC信号，也可以设置在转换完一个序列后产生EOC信号。

2.6 转换结果数据寄存器

ADC完成转换后将结果数据存入数据寄存器，规则通道和注入通道有不同的数据寄存器。

规则通道只有一个数据寄存器ADC_DR，只有低16位有效。在多通道转换时，如果前一通道转换结束后，ADC_DR的数据未被及时读出，下一个通道的转换结果就会覆盖上一次结果的数据。所以，在多通道转换时，一般在EOC中断里及时读取或者通过DMA将数据传输到内存里。

注入通道有4个数据寄存器，分别对应四个注入通道的转换结果。

规则数据寄存器和注入数据寄存器都是低16位有效，因为转换结果数据最多12有效，可以设置数据左对齐或右对齐，一般使用右对齐。

2.7 模拟看门狗

可以使用模拟看门狗对某一个通道的模拟电压进行监测，设置一个阈值上限和下限(12位数表示的数值，0-4095)，当监测的模拟电压ADC结果超出范围时，就产生模拟看门狗中断。

2.8 转换结果电压计算

ADC的转换结果是一个数字量，与实际的模拟电压之间的计算关系由VREF+和转换精度位数确定。

2.9 多重ADC模式

GD32F30x系列有3个ADC，这3个ADC可以独立工作，也可以组成双重或三重工作模式。

多重模式就是使用主器件ADC0的触发信号去交替触发或同步触发其他ADC启动转换。例如，对于三分量模输出的振动传感器，需要对X、Y、Z这三个方向的振动信号同步采集，以合成一个三维空间中的振动矢量，这是就需要使用3个ADC对3路信号同步采集，而不能使用一个ADC对3路信号通过多路复用进行采集。

多重ADC对多种工作模式，可以交替出发，也可以同步触发。设置ADC0和ADC1双重同步工作模式时，为ADC0设置的触发源同时也ADC1，以实现两个ADC同步转换。在多重模式下，有一个专门的32位数据寄存器ADC_CDR，用于存储多重模式下的转换结果数据。在双重模式下，ADC_CDR的高16位存储ADC1的规则转换结果数据，ADC_CDR的低16位存储ADC0的规则转换结果数据。

在多重模式下，使用DMA进行数据传输有3种模式，其中DMA模式2适用于双重ADC的数据传输。双重ADC时，DMA模式2的工作特点是：每发送一个DMA请求，就以字的形式传输表示ADC1和ADC0转换结果的32位数据，其中高16位是ADC1的转换结果；低16位是ADC0的转换结果，相当于将ADC_CDR的数据在一个DMA请求时传输出去。

在双重ADC同步模式下，两个ADC不能转换同一个通道。两个ADC的规则转换序列的通道个数应该相同，每个通道的采样点数也应该相同，以使得两个ADC能保持同步。

3、ADC采样代码示例

3.1 软件触发采样内部温度和参考电压

adc.c

void rcu_config(void)
{
    rcu_periph_clock_enable(RCU_ADC0);  //使能ADC时钟

		rcu_adc_clock_config(RCU_CKADC_CKAPB2_DIV6);		//配置ADC预分频因子，预分频器选择CK_APB2/6
}

void adc_config(void)
{
        adc_mode_config(ADC_MODE_FREE);  //ADC模式配置，选择所有ADC独立工作

		adc_data_alignment_config(ADC0,ADC_DATAALIGN_RIGHT);  //ADC数据右对齐

		adc_special_function_config(ADC0,ADC_SCAN_MODE,ENABLE);  //使能ADC_SCAN功能

        adc_channel_length_config(ADC0,ADC_INSERTED_CHANNEL,2);//配置常规通道组长度为 2

		adc_inserted_channel_config(ADC0, 0, ADC_CHANNEL_16, ADC_SAMPLETIME_239POINT5);  	//温度传感器通道配置，采样值配置为239.5cycles，序列号为0

		adc_inserted_channel_config(ADC0, 1, ADC_CHANNEL_17, ADC_SAMPLETIME_239POINT5);		//内部参考电压通道配置，采样值配置为239.5cycles，序列号为1

        adc_external_trigger_config(ADC0,ADC_INSERTED_CHANNEL,ENABLE);		//启动外部触发

		adc_external_trigger_source_config(ADC0, ADC_INSERTED_CHANNEL, ADC0_1_2_EXTTRIG_INSERTED_NONE);		//配置ADC外部触发源，选择为软件触发

        adc_tempsensor_vrefint_enable();  //使能温度触发器和Vrefint通道
    
        adc_enable(ADC0);		//ADC0接口使能
        delay_1ms(1);    

		adc_calibration_enable(ADC0);		//启用ADC0的校准，并重置校准
}

main.c


int main(void)
{
    rcu_config();  

	systick_config();  
    /* ADC configuration */
    adc_config();
	uart0_init(115200);
    while(1)
    {
        adc_software_trigger_enable(ADC0, ADC_INSERTED_CHANNEL);		//使能软件触发
		delay_1ms(2000);
        /* value convert  */
        temperature = (1.43 - ADC_IDATA0(ADC0)*3.3/4096) * 1000 / 4.3 + 25;//计算方法useer_menu中有
        vref_value = (ADC_IDATA1(ADC0) * 3.3 / 4096);
      
        /* value print */
        u1_printf(" the temperature data is %2.0f degrees Celsius,the reference voltage data is %5.3fV \r\n", temperature,vref_value);//用的是自定义打印函数，在uart.c中定义
		
	}
}

功能验证

可以通过串口调试助手查看打印结果

3.2 定时器触发DMA传输ADC转换