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STM32F4XX的12位ADC采集数值超过4096&右对齐模式设置失败

2024-01-10

一、前言

最近在学习STM32的ADC功能，遇到了一个奇怪的问题。
使用芯片：STM32F407ZGT6
使用函数：库函数
使用代码：正点原子的例程《实验16 ADC实验》
串口工具：VOFA

二、问题1：数值超过4096

博主直接使用了正点原子的程序，如下面所示，使用的 12位的ADC1，端口是PA5 

//初始化ADC															   
void  Adc_Init(void)
{    
  GPIO_InitTypeDef  GPIO_InitStructure;
  ADC_CommonInitTypeDef ADC_CommonInitStructure;
  ADC_InitTypeDef       ADC_InitStructure;
	
  RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA, ENABLE);//使能GPIOA时钟
  RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1, ENABLE); //使能ADC1时钟

  //先初始化ADC1通道5 IO口
  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5;//PA5 通道5
  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AN;//模拟输入
  GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL ;//不带上下拉
  GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);//初始化  
 
  RCC_APB2PeriphResetCmd(RCC_APB2Periph_ADC1,ENABLE);	  //ADC1复位
  RCC_APB2PeriphResetCmd(RCC_APB2Periph_ADC1,DISABLE);	//复位结束	 

  ADC_CommonInitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;//独立模式
  ADC_CommonInitStructure.ADC_TwoSamplingDelay = ADC_TwoSamplingDelay_5Cycles;//两个采样阶段之间的延迟5个时钟
  ADC_CommonInitStructure.ADC_DMAAccessMode = ADC_DMAAccessMode_Disabled; //DMA失能
  ADC_CommonInitStructure.ADC_Prescaler = ADC_Prescaler_Div4;//预分频4分频。ADCCLK=PCLK2/4=84/4=21Mhz,ADC时钟最好不要超过36Mhz 
  ADC_CommonInit(&ADC_CommonInitStructure);//初始化
	
  ADC_InitStructure.ADC_Resolution = ADC_Resolution_12b;//12位模式
  ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE;//非扫描模式	
  ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE;//关闭连续转换
  ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConvEdge = ADC_ExternalTrigConvEdge_None;//禁止触发检测，使用软件触发
  ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;//右对齐	
  ADC_InitStructure.ADC_NbrOfConversion = 1;//1个转换在规则序列中 也就是只转换规则序列1 
  ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure);//ADC初始化
  ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);//开启AD转换器	
}

为了容易查看数值，博主将adc.h和adc.c移植到了串口打印的程序之中，这样子可以在电脑的串口工具查看相对于的数值。
主函数的代码如下，将ADC采集到的原始数值和转化为电压之后的数值用串口打印出来 

adcx=Get_Adc_Average(ADC_Channel_5,20);//获取通道5的转换值，20次取平均
temp=(float)adcx*(3.3/4096);          //获取计算后的带小数的实际电压值，比如3.1111
printf("%d,%f\n",adcx,temp);

从下面的结果可以看出超过我们的12位ADC的最大值4096（2^12=4096）。

在这里插入图片描述

三、问题1的排错过程

首先，博主将ADC检测引脚接到3.3V，出现了下面的状况：ADC采集到的数值很大，接近于65535，也就是2^16。

在这里插入图片描述
这让博主想到应该是ADC设置模型的时候设置为左对齐模型，查看了代码（如下）后发现设置的是 右对齐模式 啊 

ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;//右对齐

根据《STM32F407参考手册》P255可以得到下面结论：

  • 右对齐：将采集到的数据放在低12位
  • 左对齐：将采集到的数据放在高12位

在这里插入图片描述

为了验证是否真的是左对齐，博主先假设其位左对齐，根据上面的知识可以知道，想要实现右对齐，只需要将采集到的数值 向右移动四位 即可，因此，博主将主函数改为如下的代码： 

adcx=Get_Adc_Average(ADC_Channel_5,20);//获取通道5的转换值，20次取平均
adcx = adcx >> 4;
temp=(float)adcx*(3.3/4096);          //获取计算后的带小数的实际电压值，比如3.1111
printf("%d,%f\n",adcx,temp);

结果如下图所示，左边是浮空状态下的数值，右边是将ADC检测引脚接到3.3V的数值，可以看出结果小于4096。

在这里插入图片描述
综上可得： 虽然代码设置了右对齐，但是实际上是左对齐。

四、问题2：右对齐模式设置失败

为了探究对齐模式设置失败的问题，博主先学习了ADC的寄存器，在《STM32F407参考手册》P276里面找到对齐模式的设置存在于 寄存器ADC_CR2里面的第11位 ，名称是 ALIGN 。
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

打开Keil的调试模式，查看到代码运行过ADC的初始化ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure)之后， 低11位的ALIGN居然是打勾的，也就是1，代表就是 左对齐！！！

在这里插入图片描述

为了进一步研究问题所在，博主进入函数ADC_Init()，查看到给CR2（就是前面学习到设置对齐模式的寄存器）赋值的是 tmpreg1 ，可以看到tmpreg1和四个值进行了 或操作 ，根据之前的博客 《STM32需要的基本知识——位运算》 可知，如果这四个值的第11位是1的话，那么或操作之后整个CR2的第11位就是1。 

  tmpreg1 |= (uint32_t)(ADC_InitStruct->ADC_DataAlign | \
                        ADC_InitStruct->ADC_ExternalTrigConv | 
                        ADC_InitStruct->ADC_ExternalTrigConvEdge | \
                        ((uint32_t)ADC_InitStruct->ADC_ContinuousConvMode << 1));
                        
  /* Write to ADCx CR2 */
  ADCx->CR2 = tmpreg1;

接下来便进一步调试查看这四个值的数值，查看对应的二进制：

  • ADC_DataAlign：0x00000000
  • ADC_ExternalTrigConv： 0x0501BD00
  • ADC_ExternalTrigConvEdge ：0x00000000
  • ADC_ContinuousConvMode：0x00

在这里插入图片描述
ADC_ContinuousConvMode << 1 = 0x00 << 1 = 0x00
ADC_ExternalTrigConv：0x0501BD00= 0101 0001 0000 1011 1 101 0000 0000
可以看到第11位是1，那么根据上面的结论可以知道tmpreg1的第11位也是1，即整个CR2的第11位就是1。
也就是说是因为ADC_ExternalTrigConv导致我们设置的对齐模式位左对齐。
进一步回顾正点原子的ADC初始化代码（如下）可以发现，确实没有对这一项进行初始化。
至于为什么他没有初始化，这个博主就不得而知了。 

  ADC_CommonInitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;//独立模式
  ADC_CommonInitStructure.ADC_TwoSamplingDelay = ADC_TwoSamplingDelay_5Cycles;//两个采样阶段之间的延迟5个时钟
  ADC_CommonInitStructure.ADC_DMAAccessMode = ADC_DMAAccessMode_Disabled; //DMA失能
  ADC_CommonInitStructure.ADC_Prescaler = ADC_Prescaler_Div4;//预分频4分频。ADCCLK=PCLK2/4=84/4=21Mhz,ADC时钟最好不要超过36Mhz 
  ADC_CommonInit(&ADC_CommonInitStructure);//初始化
	
  ADC_InitStructure.ADC_Resolution = ADC_Resolution_12b;//12位模式
  ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE;//非扫描模式	
  ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE;//关闭连续转换
  ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConvEdge = ADC_ExternalTrigConvEdge_None;//禁止触发检测，使用软件触发
  ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;//右对齐	
  ADC_InitStructure.ADC_NbrOfConversion = 1;//1个转换在规则序列中 也就是只转换规则序列1 
  ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure);//ADC初始化

综上可得： 右对齐模式设置失败的原因是没对ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv进行初始化设置。

五、问题2的解决方法

知道了问题所在，博主目前研究两种解决方法：
第一种：将ADC_ExternalTrigConv设置为0；
第二种：使用ADC_StructInit(ADC_InitTypeDef* ADC_InitStruct);初始化ADC_ExternalTrigConv；

5.1 将ADC_ExternalTrigConv设置为0

既然是ADC_ExternalTrigConv不为零导致的，那直接将其设置为0，即添加代码 

  ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = 0;//添加这一行

ADC的完整代码如下： 

//初始化ADC															   
void  Adc_Init(void)
{    
  GPIO_InitTypeDef  GPIO_InitStructure;
  ADC_CommonInitTypeDef ADC_CommonInitStructure;
  ADC_InitTypeDef       ADC_InitStructure;
	
  RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA, ENABLE);//使能GPIOA时钟
  RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1, ENABLE); //使能ADC1时钟

  //先初始化ADC1通道5 IO口
  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5;//PA5 通道5
  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AN;//模拟输入
  GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL ;//不带上下拉
  GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);//初始化  
 
  RCC_APB2PeriphResetCmd(RCC_APB2Periph_ADC1,ENABLE);	  //ADC1复位
  RCC_APB2PeriphResetCmd(RCC_APB2Periph_ADC1,DISABLE);	//复位结束	 

  ADC_CommonInitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;//独立模式
  ADC_CommonInitStructure.ADC_TwoSamplingDelay = ADC_TwoSamplingDelay_5Cycles;//两个采样阶段之间的延迟5个时钟
  ADC_CommonInitStructure.ADC_DMAAccessMode = ADC_DMAAccessMode_Disabled; //DMA失能
  ADC_CommonInitStructure.ADC_Prescaler = ADC_Prescaler_Div4;//预分频4分频。ADCCLK=PCLK2/4=84/4=21Mhz,ADC时钟最好不要超过36Mhz 
  ADC_CommonInit(&ADC_CommonInitStructure);//初始化
	
  ADC_InitStructure.ADC_Resolution = ADC_Resolution_12b;//12位模式
  ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE;//非扫描模式	
  ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE;//关闭连续转换
  ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConvEdge = ADC_ExternalTrigConvEdge_None;//禁止触发检测，使用软件触发
  ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;//右对齐	
  ADC_InitStructure.ADC_NbrOfConversion = 1;//1个转换在规则序列中 也就是只转换规则序列1 
  //====================================================//
  ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = 0;//添加这一行
  //====================================================//
  ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure);//ADC初始化
  ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);//开启AD转换器	
}

5.2 使用ADC_StructInit()函数

从上面的代码可以看出 ADC_ExternalTrigConv 是结构 ADC_InitTypeDef 的一个成员，那看看有没有官方自带的初始化函数。 

ADC_InitTypeDef       ADC_InitStructure;
ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = 0

在 stm32f4xx_adc.h 里面看到有对结构体进行初始化的函数，且有对 ADC_InitTypeDef 进行初始化的。 

/* Initialization and Configuration functions *********************************/
void ADC_Init(ADC_TypeDef* ADCx, ADC_InitTypeDef* ADC_InitStruct);
void ADC_StructInit(ADC_InitTypeDef* ADC_InitStruct);
void ADC_CommonInit(ADC_CommonInitTypeDef* ADC_CommonInitStruct);
void ADC_CommonStructInit(ADC_CommonInitTypeDef* ADC_CommonInitStruct);
void ADC_Cmd(ADC_TypeDef* ADCx, FunctionalState NewState);

在 stm32f4xx_adc.c 进一步研究该函数的代码： 

/**
  * @brief  Fills each ADC_InitStruct member with its default value.
  * @note   This function is used to initialize the global features of the ADC ( 
  *         Resolution and Data Alignment), however, the rest of the configuration
  *         parameters are specific to the regular channels group (scan mode 
  *         activation, continuous mode activation, External trigger source and 
  *         edge, number of conversion in the regular channels group sequencer).  
  * @param  ADC_InitStruct: pointer to an ADC_InitTypeDef structure which will 
  *         be initialized.
  * @retval None
  */
void ADC_StructInit(ADC_InitTypeDef* ADC_InitStruct)
{
  /* Initialize the ADC_Mode member */
  ADC_InitStruct->ADC_Resolution = ADC_Resolution_12b;

  /* initialize the ADC_ScanConvMode member */
  ADC_InitStruct->ADC_ScanConvMode = DISABLE;

  /* Initialize the ADC_ContinuousConvMode member */
  ADC_InitStruct->ADC_ContinuousConvMode = DISABLE;

  /* Initialize the ADC_ExternalTrigConvEdge member */
  ADC_InitStruct->ADC_ExternalTrigConvEdge = ADC_ExternalTrigConvEdge_None;

  /* Initialize the ADC_ExternalTrigConv member */
  ADC_InitStruct->ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_T1_CC1;

  /* Initialize the ADC_DataAlign member */
  ADC_InitStruct->ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;

  /* Initialize the ADC_NbrOfConversion member */
  ADC_InitStruct->ADC_NbrOfConversion = 1;
}

其中的 ADC_ExternalTrigConv_T1_CC1 确实设置的是0。 

#define ADC_ExternalTrigConv_T1_CC1                ((uint32_t)0x00000000)
#define ADC_ExternalTrigConv_T1_CC2                ((uint32_t)0x01000000)
#define ADC_ExternalTrigConv_T1_CC3                ((uint32_t)0x02000000)
#define ADC_ExternalTrigConv_T2_CC2                ((uint32_t)0x03000000)
#define ADC_ExternalTrigConv_T2_CC3                ((uint32_t)0x04000000)
#define ADC_ExternalTrigConv_T2_CC4                ((uint32_t)0x05000000)
#define ADC_ExternalTrigConv_T2_TRGO               ((uint32_t)0x06000000)
#define ADC_ExternalTrigConv_T3_CC1                ((uint32_t)0x07000000)
#define ADC_ExternalTrigConv_T3_TRGO               ((uint32_t)0x08000000)
#define ADC_ExternalTrigConv_T4_CC4                ((uint32_t)0x09000000)
#define ADC_ExternalTrigConv_T5_CC1                ((uint32_t)0x0A000000)
#define ADC_ExternalTrigConv_T5_CC2                ((uint32_t)0x0B000000)
#define ADC_ExternalTrigConv_T5_CC3                ((uint32_t)0x0C000000)
#define ADC_ExternalTrigConv_T8_CC1                ((uint32_t)0x0D000000)
#define ADC_ExternalTrigConv_T8_TRGO               ((uint32_t)0x0E000000)
#define ADC_ExternalTrigConv_Ext_IT11              ((uint32_t)0x0F000000)

所以加一行对结构体的初始化即可： 

ADC_StructInit(&ADC_InitStructure);

完整代码如下： 

//初始化ADC															   
void  Adc_Init(void)
{    
  GPIO_InitTypeDef  GPIO_InitStructure;
  ADC_CommonInitTypeDef ADC_CommonInitStructure;
  ADC_InitTypeDef       ADC_InitStructure;
	
  RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA, ENABLE);//使能GPIOA时钟
  RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1, ENABLE); //使能ADC1时钟

  //先初始化ADC1通道5 IO口
  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5;//PA5 通道5
  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AN;//模拟输入
  GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL ;//不带上下拉
  GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);//初始化  
   
  ADC_DeInit();//ADC复位
 
  ADC_CommonInitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;//独立模式
  ADC_CommonInitStructure.ADC_TwoSamplingDelay = ADC_TwoSamplingDelay_5Cycles;//两个采样阶段之间的延迟5个时钟
  ADC_CommonInitStructure.ADC_DMAAccessMode = ADC_DMAAccessMode_Disabled; //DMA失能
  ADC_CommonInitStructure.ADC_Prescaler = ADC_Prescaler_Div4;//预分频4分频。ADCCLK=PCLK2/4=84/4=21Mhz,ADC时钟最好不要超过36Mhz 
  ADC_CommonInit(&ADC_CommonInitStructure);//初始化
	
  ADC_StructInit(&ADC_InitStructure);
  ADC_InitStructure.ADC_Resolution = ADC_Resolution_12b;//12位模式
  ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE;//非扫描模式	
  ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE;//关闭连续转换
  ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConvEdge = ADC_ExternalTrigConvEdge_None;//禁止触发检测，使用软件触发
  ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;//右对齐	
  ADC_InitStructure.ADC_NbrOfConversion = 1;//1个转换在规则序列中 也就是只转换规则序列1 
  ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure);//ADC初始化
  
  ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);//开启AD转换器	
}
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