STM32 LibOpenCM3：ADC 單通道 Regular

前言

ADC（Analog to Digital Converter）顧名思義是將類比訊號轉換成數位訊號的元件，現今多數 MCU 都會內建 ADC，而這也是相當基本且常用的功能。

上一篇已經介紹過 STM32 的 ADC 基本功能，這篇文章要示範如何使用 STM32 上的 ADC Regular 通道，並使用 UART 傳到電腦上觀看。

正文

首先一樣以 Nucleo-F446RE 做示範。

首先建立一個 PIO 的專案，選擇 Framework 為「libopencm3」，並在 src/ 資料夾中新增並開啓 main.c 與 main.h。

完整程式

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/**
 * @file   main.c
 * @brief  Single regular channel ADC example for STM32 Nucleo-F446RE.
 */

#include "main.h"

int main(void)
{
  rcc_setup();
  adc_setup();
  usart_setup();

  while (1)
  {
    uint16_t adc_value = get_adc_value(0);
    printf("%4d\r\n", adc_value);
    delay(2000000);
  }

  return 0;
}

static uint16_t get_adc_value(int channel)
{
  /* Setup channel. */
  uint8_t adc_channel[16];
  adc_channel[0] = channel;
  adc_set_regular_sequence(ADC1, 1, adc_channel);

  /* Software start conversion. */
  adc_start_conversion_regular(ADC1);

  /* Wait for ADC end of conversion. */
  while (!adc_eoc(ADC1))
  { }

  return adc_read_regular(ADC1); /* Read ADC value. */
}

static void adc_setup(void)
{
/* Set to input analog. */
  gpio_mode_setup(GPIO_ADC_PORT,
                  GPIO_MODE_ANALOG,
                  GPIO_PUPD_NONE,
                  GPIO_ADC_A0_PIN);

  /* Setup ADC. */
  adc_power_off(ADC1);

  adc_disable_scan_mode(ADC1);
  adc_disable_external_trigger_regular(ADC1);
  adc_set_single_conversion_mode(ADC1);
  adc_set_right_aligned(ADC1);
  adc_set_sample_time_on_all_channels(ADC1, ADC_SIMPLE_TIME);

  adc_power_on(ADC1);
  delay(800000); /* Wait a bit. */
}

static void rcc_setup(void)
{
  rcc_clock_setup_pll(&rcc_hse_8mhz_3v3[RCC_CLOCK_3V3_84MHZ]);

  rcc_periph_clock_enable(RCC_USART_TX_GPIO);
  rcc_periph_clock_enable(RCC_USART2);
  rcc_periph_clock_enable(RCC_ADC_GPIO);
  rcc_periph_clock_enable(RCC_ADC1);
}

static void usart_setup(void)
{
  /* Set USART-Tx pin to alternate function. */
  gpio_mode_setup(GPIO_USART_TX_PORT, GPIO_MODE_AF, GPIO_PUPD_NONE, GPIO_USART_TX_PIN);
  gpio_set_af(GPIO_USART_TX_PORT, GPIO_USART_AF, GPIO_USART_TX_PIN);

  /* Config USART params. */
  usart_set_baudrate(USART2, USART_BAUDRATE);
  usart_set_databits(USART2, 8);
  usart_set_stopbits(USART2, USART_STOPBITS_1);
  usart_set_parity(USART2, USART_PARITY_NONE);
  usart_set_flow_control(USART2, USART_FLOWCONTROL_NONE);
  usart_set_mode(USART2, USART_MODE_TX);

  usart_enable(USART2);
}

static void delay(uint32_t value)
{
  for (uint32_t i = 0; i < value; i++)
  {
    __asm__("nop"); /* Do nothing. */
  }
}

/* For printf(). */
int _write(int file, char *ptr, int len)
{
  int i;

  if (file == 1)
  {
    for (i = 0; i < len; i++)
    {
      usart_send_blocking(USART2, ptr[i]);
    }
    return i;
  }

  errno = EIO;
  return -1;
}
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/**
 * @file main.h
 */

#ifndef MAIN_H
#define MAIN_H

#include <stdio.h> /* For printf(). */
#include <errno.h> /* For printf(). */
#include <libopencm3/stm32/rcc.h>
#include <libopencm3/stm32/gpio.h>
#include <libopencm3/stm32/adc.h>
#include <libopencm3/stm32/usart.h>

#define USART_BAUDRATE (9600)

#define ADC_SIMPLE_TIME (ADC_SMPR_SMP_56CYC)
#define RCC_ADC_GPIO (RCC_GPIOA)
#define GPIO_ADC_PORT (GPIOA)
#define GPIO_ADC_A0_PIN (GPIO0) /* A0. */

#define RCC_USART_TX_GPIO (RCC_GPIOA)
#define GPIO_USART_TX_PORT (GPIOA)
#define GPIO_USART_TX_PIN (GPIO2) /* ST-Link (D1). */
#define GPIO_USART_AF (GPIO_AF7)  /* Ref: Table-11 in DS10693. */

static void rcc_setup(void);
static void usart_setup(void);
static void adc_setup(void);

static uint16_t get_adc_value(int channel);
static void delay(uint32_t value);

#endif /* MAIN_H. */

分段說明

Include

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// main.h
#include <stdio.h> /* For printf(). */
#include <errno.h> /* For printf(). */
#include <libopencm3/stm32/rcc.h>
#include <libopencm3/stm32/gpio.h>
#include <libopencm3/stm32/adc.h>
#include <libopencm3/stm32/usart.h>

除了基本的 rcc.h 和 gpio.h 及 必要的 adc.h 外，因為我要使用 USART 和 printf()，所以還會需要 usart.h、stdio.h 與 errno.h。

USART 和 printf() 的詳細用法請看之前的文章。

設定 ADC

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static void adc_setup(void)
{
/* Set to input analog. */
  gpio_mode_setup(GPIO_ADC_PORT,
                  GPIO_MODE_ANALOG,
                  GPIO_PUPD_NONE,
                  GPIO_ADC_A0_PIN);

  /* Setup ADC. */
  adc_power_off(ADC1);

  adc_disable_scan_mode(ADC1);
  adc_disable_external_trigger_regular(ADC1);
  adc_set_single_conversion_mode(ADC1);
  adc_set_right_aligned(ADC1);
  adc_set_sample_time_on_all_channels(ADC1, ADC_SIMPLE_TIME);

  adc_power_on(ADC1);
  delay(800000); /* Wait a bit. */
}

要使用 ADC 功能，首先要知道 ADC 的通道在哪些 GPIO 上，並將其設定為類比輸入。

接下來就是要設定 ADC。

  • adc_disable_scan_mode() 禁能多通道掃描模式，因為本範例只需要讀取一個通道而已。
  • adc_disable_external_trigger_regular() 禁能外部觸發，我們將使用軟體觸發。
  • adc_set_single_conversion_mode() 設定成單一轉換模式，不連續轉換。
  • adc_set_right_aligned() 讓資料的對齊方式為靠右對齊。
  • adc_set_sample_time_on_all_channels() 設定所有通道的取樣時間，這裡使用 56 個 Cycle。

讀取 ADC 的值

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static uint16_t get_adc_value(int channel)
{
  /* Setup channel. */
  uint8_t adc_channel[16];
  adc_channel[0] = channel;
  adc_set_regular_sequence(ADC1, 1, adc_channel);

  /* Software start conversion. */
  adc_start_conversion_regular(ADC1);

  /* Wait for ADC end of conversion. */
  while (!adc_eoc(ADC1))
  { }

  return adc_read_regular(ADC1); /* Read ADC value. */
}

每個 ADC 都有多個通道，各個通道都有對應的 GPIO，在讀取時要指定要從哪一個通道讀取類比訊號。

使用 adc_set_regular_sequence() 設定要讀取的 Regular 通道序列。這裡一次就只讀取一個通道。Regular 最多可以設定 16 個通道，但在本例中只需要 1 個。如果要讀取的通道是固定的話，這個序列可以只設定一次就好。

以 adc_start_conversion_regular() 軟體觸發轉發，並以 adc_eoc() 來觀察 ADC 是否結束轉換了（End of conversion）。

ADC 轉換完成後就可以使用 adc_read_regular() 取得讀取的 Regular 資料。

由於此 ADC 是 12-bit 解析度，因此讀值範圍是 04095（0x0000 \ 0x0FFF）。

設定 RCC

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static void rcc_setup(void)
{
  rcc_clock_setup_pll(&rcc_hse_8mhz_3v3[RCC_CLOCK_3V3_84MHZ]);

  rcc_periph_clock_enable(RCC_USART_TX_GPIO);
  rcc_periph_clock_enable(RCC_USART2);
  rcc_periph_clock_enable(RCC_ADC_GPIO);
  rcc_periph_clock_enable(RCC_ADC1);
}

除了 GPIO 外，還要記得致能各功能本身的時鐘。

主程式

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int main(void)
{
  rcc_setup();
  adc_setup();
  usart_setup();

  while (1)
  {
    uint16_t adc_value = get_adc_value(0);
    printf("%4d\r\n", adc_value);
    delay(2000000);
  }

  return 0;
}

在迴圈中每次讀取 ADC 通道的值並 Print 出去。

多環境程式（F446RE + F103RB）

由於 STM32F1 的部分函式不同，所以 F103RB 沒辦法直接使用上面的 F446RE 的程式。

以下列出主要的差異部分。完整的程式請看 GitHub repo。

要注意的是除了以往的 RCC 與 GPIO 的設定不同外，ADC 也有部分不同，要特別注意。

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static uint16_t get_adc_value(int channel)
{
  /* Setup channel. */
  uint8_t adc_channel[16];
  adc_channel[0] = channel;
  adc_set_regular_sequence(ADC1, 1, adc_channel);

  /* Software start conversion. */
#if defined(STM32F1)
  adc_start_conversion_direct(ADC1);
#else
  adc_start_conversion_regular(ADC1);
#endif

  /* Wait for ADC end of conversion. */
  while (!adc_eoc(ADC1))
  { }

  return adc_read_regular(ADC1); /* Read ADC value. */
}
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static void adc_setup(void)
{
  /* 省略部分程式. */

  adc_power_on(ADC1);
  delay(800000); /* Wait a bit. */

#if defined(STM32F1)
  /* Self-calibration. */
  adc_reset_calibration(ADC1);
  adc_calibrate(ADC1);
#endif
}

小結

這次介紹了最基本的 ADC 用法，也就是讀取單一 Regular 通道。

雖然 ADC 本身的設定與模式都比以往的其它功能複雜，但實際使用時我想這些程式並不會太難看懂。

參考資料

本文的程式也有放在 GitHub 上。
本文同步發表於 iT 邦幫忙-2022 iThome 鐵人賽。

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