[零基礎(chǔ)學(xué)習(xí)STM32]第九講:ADC實驗—電源監(jiān)控

ID:278743 · 發(fā)表于 2018-3-16 18:11

本帖最后由 kkhkbb 于 2018-3-19 09:05 編輯

一、概述

1、ADC簡介

ADC是A/D轉(zhuǎn)換部件，單片機(jī)不能直接處理模擬量，所以需要ADC將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后，在進(jìn)行處理。在使用單片機(jī)進(jìn)行模擬數(shù)據(jù)處理的過程中，ADC至關(guān)重要。ADC以下幾種類型：

積分型：積分型AD工作原理是將輸入電壓轉(zhuǎn)換成時間(脈沖寬度信號)或頻率(脈沖頻率)，然后由定時器/計數(shù)器獲得數(shù)字值。其優(yōu)點是用簡單電路就能獲得高分辨率，抗干擾能力強(qiáng)，但缺點是由于轉(zhuǎn)換精度依賴于積分時間，因此轉(zhuǎn)換速率極低。初期的單片AD轉(zhuǎn)換器大多采用積分型，現(xiàn)在逐次比較型已逐步成為主流。
逐次比較型：逐次比較型AD由一個比較器和DA轉(zhuǎn)換器通過逐次比較邏輯構(gòu)成，從MSB開始，順序地對每一位將輸入電壓與內(nèi)置DA轉(zhuǎn)換器輸出進(jìn)行比較，經(jīng)n次比較而輸出數(shù)字值。其電路規(guī)模屬于中等。其優(yōu)點是速度較高、功耗低，在低分辯率(<12位)時價格便宜，但高精度(>12位)時價格很高。
并行比較型/串并行比較型：并行比較型AD采用多個比較器，僅作一次比較而實行轉(zhuǎn)換，又稱FLash(快速)型。由于轉(zhuǎn)換速率極高，n位的轉(zhuǎn)換需要2n-1個比較器，因此電路規(guī)模也極大，價格也高，只適用于視頻AD轉(zhuǎn)換器等速度特別高的領(lǐng)域。串并行比較型AD結(jié)構(gòu)上介于并行型和逐次比較型之間，最典型的是由2個n/2位的并行型AD轉(zhuǎn)換器配合DA轉(zhuǎn)換器組成，用兩次比較實行轉(zhuǎn)換，所以稱為 Half flash(半快速)型。還有分成三步或多步實現(xiàn)AD轉(zhuǎn)換的叫做分級(Multistep/Subrangling)型AD，而從轉(zhuǎn)換時序角度又可稱為流水線(Pipelined)型AD，現(xiàn)代的分級型AD中還加入了對多次轉(zhuǎn)換結(jié)果作數(shù)字運算而修正特性等功能。這類AD速度比逐次比較型高，電路規(guī)模比并行型小。
Σ-Δ(Sigma delta)調(diào)制型：Σ-Δ型AD由積分器、比較器、1位DA轉(zhuǎn)換器和數(shù)字濾波器等組成。原理上近似于積分型，將輸入電壓轉(zhuǎn)換成時間(脈沖寬度)信號，用數(shù)字濾波器處理后得到數(shù)字值。電路的數(shù)字部分基本上容易單片化，因此容易做到高分辨率。主要用于音頻和測量。
電容陣列逐次比較型：電容陣列逐次比較型AD在內(nèi)置DA轉(zhuǎn)換器中采用電容矩陣方式，也可稱為電荷再分配型。一般的電阻陣列DA轉(zhuǎn)換器中多數(shù)電阻的值必須一致，在單芯片上生成高精度的電阻并不容易。如果用電容陣列取代電阻陣列，可以用低廉成本制成高精度單片AD轉(zhuǎn)換器。最近的逐次比較型AD轉(zhuǎn)換器大多為電容陣列式的。
壓頻變換型：壓頻變換型(Voltage-Frequency Converter)是通過間接轉(zhuǎn)換方式實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換的。其原理是首先將輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換成頻率，然后用計數(shù)器將頻率轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。從理論上講這種AD的分辨率幾乎可以無限增加，只要采樣的時間能夠滿足輸出頻率分辨率要求的累積脈沖個數(shù)的寬度。其優(yōu)點是分辯率高、功耗低、價格低，但是需要外部計數(shù)電路共同完成AD轉(zhuǎn)換。

2、ADC主要參數(shù)介紹

ADC主要參數(shù)有以下幾點：

分辨率：數(shù)字量變化一個最小量時模擬量的變化量，定義為滿刻度與2n的比值。分辯率又稱精度，通常以數(shù)字信號的位數(shù)來表示。
轉(zhuǎn)換速率：完成一次A/D轉(zhuǎn)換所需要時間的倒數(shù)，值越大表示轉(zhuǎn)換得越快。積分型AD的轉(zhuǎn)換時間是毫秒級屬低速AD，逐次比較型AD是微秒級屬中速AD，全并行/串并行型AD可達(dá)到納秒級。
量化誤差：由于AD的有限分辯率而引起的誤差，即有限分辯率AD的階梯狀轉(zhuǎn)移特性曲線與無限分辯率AD(理想AD)的轉(zhuǎn)移特性曲線(直線)之間的最大偏差。通常是1 個或半個最小數(shù)字量的模擬變化量，表示為1LSB、1/2LSB。
偏移誤差：輸入信號為零時輸出信號不為零的值，可外接電位器調(diào)至最小。
滿刻度誤差：滿度輸出時對應(yīng)的輸入信號與理想輸入信號值之差。
線性度：實際轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)移函數(shù)與理想直線的最大偏移。

3、STM32F407IGT6ADC介紹

STM32F407IGT6具有3個12位逐次逼近式ADC，共24個通道，可以配置成12位、8位、6位使用。可使用軟件對對要使用的ADC進(jìn)行使能和設(shè)置，進(jìn)行模擬量的采集。
二、硬件電路

圖9_0 ARM 電源監(jiān)測ADC使用圖

在iCore3雙核心開發(fā)板中，使用了個ADC進(jìn)行電源監(jiān)控分配如下表所示：

ADC選用	監(jiān)測內(nèi)容
ADC1-14通道	5V電壓
ADC1-15通道	輸入電流
ADC3-15通道	1.2V電壓
ADC3-4通道	3.3V電壓
ADC3-5通道	2.5V電壓

表9_0 ARM 電源監(jiān)測ADC使用分配表

三、實驗原理

使用ADC的5個通道，分別監(jiān)測5種電源信息，使用程序進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換后，使用putty串口工具將采集到電源信息打印到PC機(jī)屏幕上，了解開發(fā)板的電源狀態(tài)。

STM32 內(nèi)部集成三個 12 位 ADC， iCore3 的所有電源經(jīng)過電阻分壓或者直接接入 STM32的 ADC 的輸出通道內(nèi)，輸入電流經(jīng)過高端電流檢測芯片 ZXCT1009F 輸入到 ADC 的輸入通道內(nèi)，從而實現(xiàn)電源監(jiān)控功能。

電壓監(jiān)控硬件連接示意圖：

圖9_1電壓監(jiān)測硬件連接圖

由上圖可知：VCC =(1 + R1 / R2)*ADC_IN;

故知：VCC = (1 + 49.9K / 10K)*ADC_IN = 6*ADC_IN;

其他電源監(jiān)控同理可得：D3V3 = 2*ADC_IN;

A2V5 =2*ADC_IN;

D1V2 =ADC_IN。

電流監(jiān)控硬件連接示意圖如下圖：

圖9_2電流監(jiān)測硬件連接圖

由 ZXCT1009F 的原理可知：ADC_IN = 0.01 * (VCC - LOAD)*R2;
通過 R1 的電流：I = 100 *ADC_IN /R2 /R1;
帶入 R2 = 10K,R1 = 0.02：得出：I =ADC_IN / 2;

四、源代碼

1.主函數(shù)

//--------------------------- Include ---------------------------//
#include "..\include\led.h"
#include "..\include\main.h"
#include "..\include\usart.h"
#include "..\include\adc.h"
#include "..\fwlib\inc\stm32f4xx_gpio.h"
//---------------------------- Define ---------------------------//
//-------------------------- Variable ---------------------------//
//--------------------- Function Prototype ----------------------//
//--------------------------- Function --------------------------//
/*
* Name : main
* Description : ---
* Author : ysloveivy.
*
* History
* --------------------
* Rev : 0.00
* Date : 11/21/2015
*
* create.
* --------------------
*/
int main(void)
{
int i;
//初始化
led.initialize();
LED_RED_ON;
usart4.initialize(115200);
adc.initialize();
usart4.printf("\x0c"); //清屏
usart4.printf("\033[1;32;40m"); //設(shè)置終端字體為綠色
usart4.printf("\r\n\r\nhello! I am iCore3!\r\n\r\n\r\n");
while(1){
for(i = 0;i < 10000000;i++);
//ADC 監(jiān)控電源
for(i = 0;i < 5;i++){
adc.read(i);
}
//打印系統(tǒng)供電電壓，
usart4.printf(" [V] %4.2fV, ",adc.value[0] * 6);
usart4.printf("[I] %3.0fmA , ",adc.value[1] / 2* 1000.);
usart4.printf("[1.2V] %4.2fV, ",adc.value[2]);
usart4.printf("[3.3V] %4.2fV, ",adc.value[3] * 2);
usart4.printf("[2.5V] %4.2fV\r",adc.value[4] * 2);
}
}

復(fù)制代碼

2．ADC參數(shù)配置

/*
* Name : initialize
* Description : ---
* Author : ysloveivy.
*
* History
* --------------------
* Rev : 0.00
* Date : 11/21/2015
*
* create.
* --------------------
*/
static int initialize(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
ADC_CommonInitTypeDef ADC_CommonInitStructure;
ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure;
RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOC,ENABLE);
RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOF,ENABLE);
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1, ENABLE); //使能ADC1時鐘
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC3, ENABLE); //使能ADC3時鐘
//ADC1_PC4<----->通道14, ADC1_PC5<----->通道15
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_4 | GPIO_Pin_5;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AN; //模擬輸入
GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL;
GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStructure);
//ADC3_PF5<----->通道15, ADC3_PF6<----->通道4, ADC3_PF7<----->通道5
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5 | GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AN; //模擬輸入
GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL;
GPIO_Init(GPIOF, &GPIO_InitStructure);
ADC_CommonInitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent; //ADC為獨立模式
ADC_CommonInitStructure.ADC_TwoSamplingDelay = ADC_TwoSamplingDelay_5Cycles; //設(shè)置兩個采樣階段之間的延遲周期數(shù)為5個周期
ADC_CommonInitStructure.ADC_DMAAccessMode = ADC_DMAAccessMode_Disabled; //禁止DMA
ADC_CommonInitStructure.ADC_Prescaler = ADC_Prescaler_Div6; //設(shè)置分頻系數(shù)為6分頻
ADC_CommonInit(&ADC_CommonInitStructure);
//初始化ADC
ADC_InitStructure.ADC_Resolution = ADC_Resolution_12b; //ADC轉(zhuǎn)換分辨率12位
ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE; //非掃描模式
ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE; //關(guān)閉連續(xù)轉(zhuǎn)換模式
ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConvEdge = ADC_ExternalTrigConvEdge_None; //禁止觸發(fā)檢測
ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right; //右對齊方式
ADC_InitStructure.ADC_NbrOfConversion = 1; //1個轉(zhuǎn)換在規(guī)則序列中
ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure);
ADC_Init(ADC3, &ADC_InitStructure); //使能ADC
ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);
ADC_Cmd(ADC3, ENABLE);
return 0;
}
/*
* Name : sort
* Description : ---
* Author : XiaomaGee.
*
* History
* ----------------------
* Rev : 0.00
* Date : 11/21/2015
*
* create.
* ----------------------
*/
void sort(unsigned short int a[], int n)
{
int i, j, t;
//元素從小到大排列
for (i = 0; i < n - 1; i++) {
for (j = 0; j < n - i - 1; j++) {
if (a[j] > a[j + 1]) {
t = a[j];
a[j] = a[j + 1];
a[j + 1] = t;
}
}
}
}
/*
* Name : read_adc
* Description : ---
* Author : ysloveivy.
*
* History
* ----------------------
* Rev : 0.00
* Date : 11/21/2015
*
* create.
* ----------------------
*/
static int read_adc(int channel)
{
int i,k;
unsigned long int temp[20] = {0};
unsigned long int value;
unsigned short int data[100];
unsigned char channel_remap[5] = {ADC_Channel_14,ADC_Channel_15,ADC_Channel_15,ADC_Channel_4,ADC_Channel_5};
//取得到的100個轉(zhuǎn)換值的中間20個的平均值作為結(jié)果
//連續(xù)取20次這樣的平均值，再求平均值作為最終結(jié)果
for(k = 0;k < 20;k++){
for(i = 0;i < 100;i++){
if(channel == 0 || channel == 1){
ADC_RegularChannelConfig(ADC1, channel_remap[channel], 1, ADC_SampleTime_480Cycles); //ADC1規(guī)則通道為通道14，15，一個序列，采樣時間為480個周期
ADC_SoftwareStartConv(ADC1); //使能指定的ADC1的軟件轉(zhuǎn)換啟動功能
while(!ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_EOC)); //等待轉(zhuǎn)換結(jié)束
data[i] = ADC_GetConversionValue(ADC1); //將結(jié)果保存
}else {
ADC_RegularChannelConfig(ADC3, channel_remap[channel], 1, ADC_SampleTime_480Cycles); //ADC3規(guī)則通道為通道15，4，5，一個序列，采樣時間為480個周期
ADC_SoftwareStartConv(ADC3);
while(!ADC_GetFlagStatus(ADC3,
ADC_FLAG_EOC));
data[i] = ADC_GetConversionValue(ADC3);
}
}
sort(data,100);
for(i = 40;i < 60;i++){
temp[k] += data[i];
}
temp[k] = temp[k] / 20;
}
value = 0;
for(k = 0;k < 20;k++){
value += temp[k];
}
value /= 20;
adc.value[channel] = value * ADC_REF / 4096;
return value;
}

復(fù)制代碼

3.ADC參數(shù)配置說明

typedef struct
{
uint32_t ADC_Mode;
uint32_t ADC_Prescaler;
uint32_t ADC_DMAAccessMode;
uint32_t ADC_TwoSamplingDelay;
}ADC_CommonInitTypeDeftypedef ;
typedef struct
{
uint32_t ADC_Resolution;
FunctionalState ADC_ScanConvMode;
FunctionalState ADC_ContinuousConvMode;
uint32_t ADC_ExternalTrigConvEdge;
uint32_t ADC_ExternalTrigConv;
uint32_t ADC_DataAlign;
uint8_t ADC_NbrOfConversion;
}ADC_InitTypeDef;;

復(fù)制代碼

ADC_Mode：工作模式，分為獨立模式和混合模式，混合模式中包含了多種工作模式。

ADC_Prescaler：分頻值，用于配置ADC時鐘，有2、4、6、8四種分頻方式。

ADC_DMAAccessMode：DMX通道模式，分為：不使能、模式1、模式2、模式3。

ADC_TwoSamplingDelay：兩個采樣之間的延遲周期。

ADC_Resolution：分辨率，12、10、8、6位可設(shè)置。

FunctionalState ADC_ScanConvMode：用于是否開啟轉(zhuǎn)換模式。

FunctionalState ADC_ContinuousConvMode：用于是否開啟連續(xù)轉(zhuǎn)換模式。

ADC_ExternalTrigConvEdge：用來設(shè)置啟動規(guī)則轉(zhuǎn)換組轉(zhuǎn)換的外部事件。

ADC_ExternalTrigConv：色孩子數(shù)據(jù)觸發(fā)檢測。

ADC_DataAlign：用于設(shè)置數(shù)據(jù)對齊方式是左對齊還是右對齊。

ADC_NbrOfConversion：用來設(shè)置規(guī)則序列的長度。

五、實驗現(xiàn)象

iCore3 雙核心板紅色 LED 常亮，串口一直向終端輸出電源監(jiān)控的數(shù)據(jù)。

圖9_3實驗效果圖
六、代碼包下載

網(wǎng)盤：http：//pan.baidu.com/s/1o7wSE06

ID:289667 · 發(fā)表于 2018-3-16 19:34

寫的太好了，十分詳細(xì)，值得我們學(xué)習(xí)

ID:229981 · 發(fā)表于 2018-3-16 20:41

有目錄嗎？

ID:1 · 發(fā)表于 2018-3-17 01:22

heron 發(fā)表于 2018-3-16 20:41
有目錄嗎？

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ID:289512 · 發(fā)表于 2018-3-31 09:23

太好了，謝謝分享。

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