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STM32F103 模数转换功能架构与底层驱动设计

访客技术 2026年7月7日 2

概述：模数转换基础

在嵌入式控制领域，ADC（Analog-to-Digital Converter，模拟-数字转换器）是连接物理世界与数字处理核心的关键桥梁。它负责将输入引脚上的连续模拟电压信号，量化为 MCU 内部存储器可处理的离散数字量。

精度特性：采用 12 位逐次逼近（SAR）架构，单次转换耗时约为 1us。
输入范围：支持 0 至 3.3V 的电压输入，对应的输出编码范围为 0 到 4095。
通道资源：内部集成多达 18 个通道，涵盖 16 个外部管脚及 2 个内部基准信号。
分组机制：设有规则序列组（Regular Group）和注入序列组（Injected Group），适用于不同优先级的数据采集。
监控功能：内置模拟看门狗，可设定电压阈值，用于实时监测温度或光照等环境参数的异常波动。

针对常见的 STM32F103C8T6 核心板，其硬件配置包含两个独立的 ADC 实例（ADC1 和 ADC2），并提供 10 个可用的外部输入通道。

SAR 工作原理

逐次逼近型 ADC 的核心逻辑依赖于一个闭环反馈系统。如图所示：

数据转换过程通过多路复用开关选定特定输入通道（IN0~IN7），送入比较器。比较器的一端接收待测电压，另一端则连接内部数模转换器（DAC）。系统通过调整 DAC 的数字输入值，产生相应的参考电压与待测电压进行比对。若 DAC 输出电压高于待测值，则下调 DAC 数据；反之则上调。此迭代过程持续直至两者近似相等，此时 DAC 内部的数字代码即代表最终的转换结果。

硬件架构与信号流

理解 STM32 的 ADC 框图对于配置寄存器至关重要：

图中展示了数据流向与状态标志。其中 EOC（End Of Conversion）表示规则组转换完成，JEOC 代表注入组完成。这两个状态位均可在状态寄存器中查询，常配合 DMA 使用以实现对大数据流的无阻塞读取，避免缓冲区覆盖问题。

基本结构解析

通道选择机制

工作模式详解

根据扫描功能与触发方式的不同组合，ADC 拥有多种运行形态：

1. 单次模式（非扫描）

设定规则序列仅包含一个通道（如 CH2）。触发后执行一次采样，结果存入数据寄存器并置位 EOC，随后停止等待下次触发。

2. 连续模式（非扫描）

与单次模式的区别在于，一旦转换结束，硬件自动立即启动下一次对该通道的转换，形成不间断的数据流。

3. 扫描模式（单次）

启用序列表，依次对多个通道（例如 7 个）进行遍历采集。为防止寄存器数据丢失，通常需配合 DMA 传输。所有通道采完后生成 EOC 中断。

4. 扫描模式（连续）

在完成一轮多通道扫描后，自动从头开始下一轮扫描，适合需要周期性监测多个信号的场景。

关键参数配置

触发源控制

转换可由软件直接启动，也可由定时器或其他外设的事件信号触发，具体取决于应用需求。

数据对齐方式

ADC 内部为 12 位精度，但数据寄存器为 16 位，因此存在两种填充策略：

右对齐（推荐）：。有效数据位于低 12 位，高位补零。
左对齐：。有效数据左移，低位补零。这种方式在处理高 8 位快速判断时有用，但会损失部分精度，一般情况下不建议使用。

时序与校准

完整的转换周期包括采样、保持、量化及编码四个阶段。总转换时间计算公式如下：
T_CONV = 采样时间 + 12.5 个 ADC 时钟周期
假设 ADC 时钟频率为 14MHz，采样时间设定为 1.5 个周期，则单次转换耗时约 1μs。

此外，为消除内部电容阵列随时间和温度产生的误差，建议在系统上电初始化时强制执行自校准流程。校准前需确保 ADC 处于断电状态至少两个时钟周期。

外围硬件电路

外部模拟信号接入时需注意阻抗匹配与滤波处理，典型连接电路如下图所示：

驱动程序实现

示例一：单通道配置（优化版）

以下代码重构了初始化流程，强化了注释逻辑，并修正了部分配置顺序以提升稳定性。

#include "Stm32_AdcDriver.h"

// 定义 ADC 实例指针
static ADC_TypeDef* g_adc_instance = ADC1;

/**
 * @brief  初始化 ADC 驱动配置
 * @param  None
 * @retval None
 */
void Sys_ADC_Driver_Initialize(void)
{
    RCC_InitTypeDef rcc_conf;
    GPIO_InitTypeDef gpio_conf;
    ADC_InitTypeDef adc_settings;

    // 1. 开启总线时钟
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1 | RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);

    // 2. 设置 ADC 分频系数 (PCLK2 / 6 <= 14MHz)
    RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div6);

    // 3. 配置输入端口为模拟模式
    gpio_conf.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN;
    gpio_conf.GPIO_Pin  = GPIO_Pin_0;
    gpio_conf.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA, &gpio_conf);

    // 4. 构建 ADC 主配置
    adc_settings.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;
    adc_settings.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;
    adc_settings.ADC_ContinuousConvMode = ENABLE;  // 启用连续采样
    adc_settings.ADC_ScanConvMode = DISABLE;       // 单通道无需扫描
    adc_settings.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None; // 软件触发
    adc_settings.ADC_NbrOfChannel = 1;
    ADC_Init(ADC1, &adc_settings);

    // 5. 启动 ADC 外设
    ADC_Cmd(g_adc_instance, ENABLE);

    // 6. 执行复位校准 (必须步骤)
    ADC_ResetCalibration(g_adc_instance);
    while(ADC_GetResetCalibrationStatus(g_adc_instance));
    
    ADC_StartCalibration(g_adc_instance);
    while(ADC_GetCalibrationStatus(g_adc_instance));

    // 7. 开启软件触发转换
    ADC_SoftwareStartConvCmd(g_adc_instance, ENABLE);
}

/**
 * @brief  获取当前通道模拟值
 * @param  None
 * @retval unsigned short int
 */
uint16_t Acquire_Analog_Sample(void)
{
    // 由于开启了连续模式，可直接读取最新值
    return ADC_GetConversionValue(g_adc_instance);
}

示例二：多通道动态切换方案

针对不同通道的轮询读取，本方案展示了如何在运行时动态选择通道并进行同步采集。

#include "Stm32_AdcMultiChan.h"

/**
 * @brief  多通道 ADC 初始化框架
 * @param  None
 * @retval None
 */
void Adc_Multi_Channel_Setup(void)
{
    GPIO_InitTypeDef pin_cfg;
    ADC_InitTypeDef reg_config;
    uint8_t channel_pins = GPIO_Pin_0 | GPIO_Pin_1 | GPIO_Pin_2;

    // 时钟使能
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1 | RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
    RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div6);

    // 端口配置
    pin_cfg.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN;
    pin_cfg.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    pin_cfg.GPIO_Pin = channel_pins;
    GPIO_Init(GPIOA, &pin_cfg);

    // ADC 参数设定
    reg_config.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;
    reg_config.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;
    reg_config.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE; // 单次触发，便于管理
    reg_config.ADC_ScanConvMode = DISABLE; 
    reg_config.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None;
    reg_config.ADC_NbrOfChannel = 1; 
    ADC_Init(ADC1, ®_config);

    ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);
    
    // 校准流程
    ADC_ResetCalibration(ADC1);
    while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1));
    ADC_StartCalibration(ADC1);
    while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC1));
}

/**
 * @brief  指定通道采样
 * @param  ch_idx : 通道索引 (0-17)
 * @retval uint16_t : 转换结果
 */
uint16_t Read_Specific_Channel(uint8_t ch_idx)
{
    // 动态配置规则序列通道
    ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ch_idx, 1, ADC_SampleTime_55Cycles5);
    
    // 手动触发转换
    ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE);
    
    // 轮询等待转换完成标志
    while(ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_EOC) == RESET);
    
    // 清除标志位并返回数据
    ADC_ClearFlag(ADC1, ADC_FLAG_EOC);
    return ADC_GetConversionValue(ADC1);
}

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