# STM32 教學系列 第 5 節：ADC（多種轉換方式與如何調用 Channel） ## 🎯 學習目標 1. **理解 ADC 工作原理** - 掌握模數轉換的概念 2. **學會配置不同轉換模式** - 單次、掃描、連續轉換 3. **實現多通道採樣** - 透過 UART 輸出感測器數值 --- ## 🎓 ADC 基礎概念 ### ADC 是什麼？ ADC (Analog-to-Digital Converter) 將類比電壓信號轉換為數位值。STM32F446 內建 **3 個 ADC**，共 **16 個通道**。 ### STM32F446 ADC 特性 | 特性 | 規格 | |------|------| | **分辨率** | 12 位（0-4095） | | **轉換時間** | ~3.5 微秒 | | **採樣率** | 最高 2.4 MSPS（百萬次/秒） | | **通道數** | 19 個（16 外部 + 3 內部） | | **參考電壓** | 3.3V（VREF+） | ### ADC 通道定義 | 通道 | GPIO 接腳 | 用途 | |------|----------|------| | ADC1_IN0 | PA0 | 外部感測器輸入 1 | | ADC1_IN1 | PA1 | 外部感測器輸入 2 | | ADC1_IN2 | PA2 | 外部感測器輸入 3 | | ADC1_IN3 | PA3 | 外部感測器輸入 4 | | ADC1_IN16 | - | 溫度感測器（內部） | | ADC1_IN17 | - | VREF+ 參考電壓 | | ADC1_IN18 | - | VBAT（電池電壓） | ### 類比電壓與數位值轉換 ``` 類比電壓 (V) 數位值 (12-bit) ↑ ↑ 3.3V ├───────────────── 4095 2.5V ├───────────────── 3077 (約 2.5V/3.3V * 4095) 1.65V├───────────────── 2048 0.0V ├───────────────── 0 └────────────────── └──────── ``` **計算公式：** ``` ADC_Value = (V_input / V_ref) × 2^Resolution - 1 = (V_input / 3.3) × 4095 反推： V_input = (ADC_Value / 4095) × 3.3 ``` ### ADC 轉換模式 | 模式 | 說明 | 應用 | |------|------|------| | **Single** | 單次轉換一個通道 | 偶發採樣 | | **Continuous** | 連續自動轉換 | 實時監測 | | **Scan** | 依序轉換多個通道 | 多感測器 | | **DMA** | 直接記憶體存取 | 高速大量採樣 | --- ## 🛠️ 硬體接線 ### 所需元件 | 元件 | 數量 | 說明 | |------|------|------| | 可變電阻（10kΩ） | 1 | 提供類比電壓輸入 | | 鱷魚夾 | 3 | 接線用 | | 跳線 | 適量 | 麵包板接線 | ### 接線圖 | 組件 | 接腳 | 說明 | |------|------|------| | 可變電阻中心腳 | PA1 (ADC1_IN1) | 類比輸入 | | 可變電阻一端 | 3.3V | 電源 | | 可變電阻另一端 | GND | 地線 | ``` 3.3V ──┬──────────────┐ │ 可變電阻 │ ├──────────────┼────── PA1 (ADC) │ │ GND─────────────┘ ``` --- ## ⚙️ CubeMX 配置步驟 ### 步驟 1：啟用 ADC1 1. 開啟 CubeMX 2. 點擊 **Analog** → **ADC1** 3. 在 Pinout 圖中選擇 **PA1** 配置為 **ADC1_IN1** ### 步驟 2：配置 ADC 參數 1. 在左側選擇 **Analog** → **ADC1** 2. 在 **Parameter Settings** 中設定： - **Resolution**: 12 Bits - **Data Alignment**: Right Alignment - **Scan Conversion Mode**: Disable（單通道） - **Continuous Conversion Mode**: Enable（連續轉換） - **EOC Selection**: End of conversion flag 3. 在 **Rank** 區域添加通道： - 點擊 **Add** 或 **Rank 1** - 選擇 **Channel**: ADC_CHANNEL_1 - **Sampling Time**: 144 Cycles（較穩定） ### 步驟 3：配置 ADC 中斷 1. 點擊 **NVIC Settings** 標籤 2. 勾選 **ADC1 global interrupt** 3. 設定優先級： - **Preemption Priority**: 2 - **Sub Priority**: 0 ### 步驟 4：配置計時器觸發（選配） 若要定時採樣，可配置 Timer 觸發 ADC： 1. 選擇 **Timers** → **TIM2** 2. 設定 **Trigger Output Event**: Update Event 3. 返回 ADC1，設置： - **Trigger**: Timer2 Trigger Out Event - **External Trigger Conversion Edge**: Rising Edge ### 步驟 5：生成程式碼 點擊 **Generate Code** --- ## 💻 完整程式碼 ### main.c - ADC 單通道採樣與連續轉換 ```c /* STM32 Lesson 05 - ADC Continuous Sampling * 功能：連續採樣類比輸入，透過 UART 輸出結果 * 難度：中級 */ #include "main.h" #include "adc.h" #include "usart.h" #include "gpio.h" #include #include /* 私有定義 */ #define ADC_SAMPLE_SIZE 10 /* 每次平均取樣數 */ /* 函數宣告 */ void SystemClock_Config(void); static void MX_GPIO_Init(void); static void MX_ADC1_Init(void); static void MX_USART1_UART_Init(void); void UART_Print(const char *format, ...); uint16_t ADC_Get_Average(void); float ADC_To_Voltage(uint16_t adc_value); /* 全域變數 */ ADC_HandleTypeDef hadc1; UART_HandleTypeDef huart1; volatile uint16_t adc_value = 0; volatile uint8_t adc_conversion_complete = 0; int main(void) { HAL_Init(); SystemClock_Config(); MX_GPIO_Init(); MX_USART1_UART_Init(); MX_ADC1_Init(); UART_Print("\r\n======= ADC Sampling Test =======\r\n"); UART_Print("ADC Value | Voltage (V)\r\n"); UART_Print("==================================\r\n"); /* 啟動 ADC 連續轉換 */ HAL_ADC_Start_IT(&hadc1); while (1) { if (adc_conversion_complete) { /* 讀取 ADC 值 */ uint16_t adc_raw = HAL_ADC_GetValue(&hadc1); /* 轉換為電壓 */ float voltage = ADC_To_Voltage(adc_raw); /* 透過 UART 輸出 */ UART_Print("%-9d | %.2f\r\n", adc_raw, voltage); adc_conversion_complete = 0; HAL_Delay(100); /* 每 100ms 輸出一次 */ } } } /** * @brief 將 ADC 原始值轉換為電壓 * @param adc_value: 12-bit ADC 原始值 (0-4095) * @return 電壓值（V） */ float ADC_To_Voltage(uint16_t adc_value) { /* 參考電壓 3.3V，12-bit 分辨率 4095 */ return (adc_value / 4095.0f) * 3.3f; } /** * @brief 獲取多次採樣的平均值 */ uint16_t ADC_Get_Average(void) { uint32_t sum = 0; for (uint8_t i = 0; i < ADC_SAMPLE_SIZE; i++) { sum += HAL_ADC_GetValue(&hadc1); HAL_Delay(1); } return sum / ADC_SAMPLE_SIZE; } /** * @brief ADC 轉換完成中斷回調 */ void HAL_ADC_ConvCpltCallback(ADC_HandleTypeDef* hadc) { if (hadc->Instance == ADC1) { adc_conversion_complete = 1; } } /** * @brief UART 列印函數 */ void UART_Print(const char *format, ...) { char buffer[100]; va_list args; va_start(args, format); vsnprintf(buffer, sizeof(buffer), format, args); va_end(args); HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)buffer, strlen(buffer), HAL_MAX_DELAY); } /** * @brief 系統時脈配置 */ void SystemClock_Config(void) { RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct = {0}; RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct = {0}; __HAL_RCC_PWR_CLK_ENABLE(); __HAL_PWR_VOLTAGESCALING_CONFIG(PWR_REGULATOR_VOLTAGE_SCALE1); RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSE; RCC_OscInitStruct.HSEState = RCC_HSE_ON; RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_ON; RCC_OscInitStruct.PLL.PLLSource = RCC_PLLSOURCE_HSE; RCC_OscInitStruct.PLL.PLLM = 8; RCC_OscInitStruct.PLL.PLLN = 336; RCC_OscInitStruct.PLL.PLLP = 2; RCC_OscInitStruct.PLL.PLLQ = 7; if (HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct) != HAL_OK) { Error_Handler(); } RCC_ClkInitStruct.ClockType = RCC_CLOCKTYPE_HCLK | RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK | RCC_CLOCKTYPE_PCLK1 | RCC_CLOCKTYPE_PCLK2; RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_PLLCLK; RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1; RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV4; RCC_ClkInitStruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV2; if (HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_5) != HAL_OK) { Error_Handler(); } } /** * @brief GPIO 初始化 */ static void MX_GPIO_Init(void) { GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0}; __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE(); GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_5; GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP; GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL; GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH; HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct); } /** * @brief ADC1 初始化 */ static void MX_ADC1_Init(void) { ADC_ChannelConfTypeDef sConfig = {0}; hadc1.Instance = ADC1; hadc1.Init.ClockPrescaler = ADC_CLOCK_SYNC_PCLK_DIV4; hadc1.Init.Resolution = ADC_RESOLUTION_12B; hadc1.Init.ScanConvMode = DISABLE; hadc1.Init.ContinuousConvMode = ENABLE; hadc1.Init.DiscontinuousConvMode = DISABLE; hadc1.Init.ExternalTrigConv = ADC_SOFTWARE_START; hadc1.Init.DataAlign = ADC_DATAALIGN_RIGHT; hadc1.Init.NbrOfConversion = 1; hadc1.Init.DMAContinuousRequests = DISABLE; hadc1.Init.EOCSelection = ADC_EOC_SINGLE_CONV; hadc1.Init.LowPowerAutoWait = DISABLE; hadc1.Init.LowPowerAutoPowerOff = DISABLE; if (HAL_ADC_Init(&hadc1) != HAL_OK) { Error_Handler(); } sConfig.Channel = ADC_CHANNEL_1; sConfig.Rank = 1; sConfig.SamplingTime = ADC_SAMPLETIME_144CYCLES; if (HAL_ADC_ConfigChannel(&hadc1, &sConfig) != HAL_OK) { Error_Handler(); } } /** * @brief ADC MSP 初始化 */ void HAL_ADC_MspInit(ADC_HandleTypeDef* hadc) { GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0}; if(hadc->Instance == ADC1) { __HAL_RCC_ADC1_CLK_ENABLE(); __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE(); GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_1; GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_ANALOG; GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL; HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct); HAL_NVIC_SetPriority(ADC_IRQn, 2, 0); HAL_NVIC_EnableIRQ(ADC_IRQn); } } /** * @brief USART1 初始化 */ static void MX_USART1_UART_Init(void) { huart1.Instance = USART1; huart1.Init.BaudRate = 115200; huart1.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B; huart1.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1; huart1.Init.Parity = UART_PARITY_NONE; huart1.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX; huart1.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE; huart1.Init.OverSampling = UART_OVERSAMPLING_16; if (HAL_UART_Init(&huart1) != HAL_OK) { Error_Handler(); } } /** * @brief UART MSP 初始化 */ void HAL_UART_MspInit(UART_HandleTypeDef* huart) { GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0}; if(huart->Instance == USART1) { __HAL_RCC_USART1_CLK_ENABLE(); __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE(); GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_9 | GPIO_PIN_10; GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP; GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL; GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_VERY_HIGH; GPIO_InitStruct.Alternate = GPIO_AF7_USART1; HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct); HAL_NVIC_SetPriority(USART1_IRQn, 1, 0); HAL_NVIC_EnableIRQ(USART1_IRQn); } } /** * @brief ADC 中斷處理 */ void ADC_IRQHandler(void) { HAL_ADC_IRQHandler(&hadc1); } /** * @brief USART1 中斷處理 */ void USART1_IRQHandler(void) { HAL_UART_IRQHandler(&huart1); } void Error_Handler(void) { while(1); } ``` --- ## 🔍 測試與除錯 ### 預期結果 ✅ **ADC 輸出示例：** ``` ======= ADC Sampling Test ======= ADC Value | Voltage (V) ================================== 2048 | 1.65 3072 | 2.47 1024 | 0.82 4095 | 3.30 ``` 轉動可變電阻，ADC 值應隨之變化，電壓範圍應為 0.0V ~ 3.3V ### 常見問題 | 問題 | 原因 | 解決方案 | |------|------|--------| | **ADC 值不變** | 未啟動連續轉換 | 確認 `HAL_ADC_Start_IT()` 已調用 | | **數值抖動大** | 採樣時間過短或雜訊干擾 | 增加 `SamplingTime` 至 144 Cycles | | **電壓計算不准** | 參考電壓設定錯誤 | 確認公式中 V_ref 為 3.3V | | **無 UART 輸出** | UART 未初始化 | 檢查 USART1 初始化函數 | --- ## 📚 高階應用 ### 多通道掃描配置 ```c /* CubeMX 設定 */ hadc1.Init.ScanConvMode = ENABLE; /* 啟用掃描模式 */ hadc1.Init.NbrOfConversion = 3; /* 3 個通道 */ /* 配置多個通道 */ sConfig.Channel = ADC_CHANNEL_0; sConfig.Rank = 1; HAL_ADC_ConfigChannel(&hadc1, &sConfig); sConfig.Channel = ADC_CHANNEL_1; sConfig.Rank = 2; HAL_ADC_ConfigChannel(&hadc1, &sConfig); sConfig.Channel = ADC_CHANNEL_2; sConfig.Rank = 3; HAL_ADC_ConfigChannel(&hadc1, &sConfig); ``` ### 使用 DMA 進行高速採樣 後續課程（第 7 節 DMA）將深入講解透過 DMA 進行高效率的 ADC 採樣 --- ## 🔗 延伸學習 ### 下節預覽 - 第 6 節：定時器 Timer + PWM 第 6 節將實現： - **定時器基本配置與中斷** - **PWM 信號產生** - **呼吸燈效果實現** --- **✨ ADC 採樣掌握完成！🚀**