12.2.2. Выбор канала

В зависимости от семейства STM32 и используемого корпуса, АЦП в микроконтроллерах STM32 могут преобразовывать сигналы от различного количества каналов. В семействах F0 и L0 расположение каналов фиксировано: первым всегда является IN0, вторым – IN1 и так далее. Пользователь может только решить, использовать тот или иной канал или нет. Это означает, что в режиме сканирования первым выбранным каналом всегда будет IN0, вторым – IN1 и так далее. Вместо этого в других микроконтроллерах STM32 предлагается понятие группы. Группа состоит из последовательности преобразований, которые могут быть выполнены любыми каналами и в любой очередности. Хотя входные каналы фиксированы и привязаны к определенным выводам микроконтроллера (то есть IN0 – первый канал, IN1 – второй и т. д.), они могут быть логически переупорядочены для формирования пользовательских последовательностей выборки. Изменение порядка каналов осуществляется путем присвоения им индекса в диапазоне от 1 до 16. Этот индекс называется рангом (rank) в CubeHAL.

Рисунок 10: Как можно переупорядочить входные каналы с помощью рангов

На рисунке 10 показана данная концепция. Хотя канал IN4 является фиксированным (например, он связан с выводом PA4 в микроконтроллере STM32F401RE), ему может быть логически назначен ранг 1, так что это будет первый канал, с которого будет браться выборка. Те микроконтроллеры, которые предоставляют такую возможность, также позволяют выбирать частоту дискретизации каждого канала индивидуально, в отличие от микроконтроллеров F0/L0, где конфигурация распространяется на все каналы АЦП.

Конфигурация канал/ранг выполняется с использованием экземпляра структуры Си ADC_ChannelConfTypeDef, которая определена следующим образом:

•Channel: задает идентификатор канала. Может принимать значение ADC_CHANNEL_0, ADC_CHANNEL_1…ADC_CHANNEL_N, в зависимости от фактического количества доступ-

ных каналов.

•Rank: соответствует рангу, связанному с каналом. Может принимать значение от 1

до 16, являющимся максимальным числом определяемых пользователем рангов.

•SamplingTime: задает значение времени одной выборки, которое будет установ-

лено для выбранного канала, и оно соответствует числу или тактам АЦП. Это число не может быть произвольным, и оно является частью списка конкретных значений. Как мы увидим позже, CubeMX очень помогает, предлагая список допустимых значений для конкретного микроконтроллера, который вы рассматриваете.

Для каждого АЦП существуют две группы:

•Регулярная группа (regular group), включающая в себя до 16 каналов, которая соответствует последовательности периодически сканируемых каналов во время преобразования.

•Инжектированная группа (injected group), включающая в себя до 4 каналов, которая соответствует последовательности инжектированных каналов, если выполняется преобразование инжектированных каналов.

12.2.3. Разрядность АЦП и скорость преобразования

Преобразования можно выполнять быстрее, уменьшив разрядность АЦП7. На самом деле время выборки определяется фиксированным количеством тактов (обычно 3) плюс переменное количество тактов в зависимости от разрядности АЦП. Минимальное время преобразования для каждой из разрядностей будет следующим:

•12 бит: 3 + 12 = 15 тактовых циклов ADCCLK

•10 бит: 3 + 10 = 13 тактовых циклов ADCCLK

•8 бит: 3 + 8 = 11 тактовых циклов ADCCLK

•6 бит: 3 + 6 = 9 тактовых циклов ADCCLK

Уменьшением разрядности можно увеличить максимальное число выборок в секунду, достигая даже более 15 Мвыборок/с в некоторых микроконтроллерах STM32. Помните, что ADCCLK получается от тактового сигнала периферии: это означает, что частоты SYSCLK и PCLK влияют на максимальное число выборок в секунду.

12.2.4. Аналого-цифровые преобразования в режиме опроса

Как и большинство периферийных устройств STM32, АЦП может работать в трех режимах: в режиме опроса, прерываний и DMA. Как мы увидим позже, последним режимом в конечном итоге может управлять таймер так, чтобы аналого-цифровые преобразования происходили через регулярные промежутки времени. Это чрезвычайно полезно, когда нам нужно получать выборки сигналов на заданной частоте, как это происходит в приложениях, обрабатывающих звук.

Когда контроллер АЦП сконфигурирован с использованием экземпляра структуры ADC_InitTypeDef, переданного в процедуру HAL_ADC_Init(), мы можем запустить периферийное устройство с помощью функции HAL_ADC_Start(). В зависимости от выбранного режима преобразования, АЦП будет преобразовывать каждый выбранный вход непрерывно или однократно: в последнем случае, чтобы снова преобразовать выбранные входы, нам нужно вызвать функцию HAL_ADC_Stop(), прежде чем снова вызывать функ-

цию HAL_ADC_Start().

7 Это невозможно в микроконтроллерах STM32F1.

В режиме опроса мы используем функцию

HAL_StatusTypeDef HAL_ADC_PollForConversion(ADC_HandleTypeDef* hadc, uint32_t Timeout);

для определения, когда аналого-цифровое преобразование завершено и результат доступен в регистре данных АЦП. Функция принимает указатель на дескриптор АЦП ADC_HandleTypeDef и значение Timeout, которое представляет собой максимальное время, выраженное в миллисекундах, которое мы готовы ждать. В качестве альтернативы, мы можем передать HAL_MAX_DELAY, чтобы ждать бесконечно долго.

Чтобы получить результат, мы можем воспользоваться функцией:

uint32_t HAL_ADC_GetValue(ADC_HandleTypeDef* hadc);

Теперь мы наконец готовы проанализировать полный пример. Мы начнем с просмотра API-интерфейсов, используемых для выполнения преобразований в режиме опроса. Как вы увидите, нет ничего нового по сравнению с тем, что мы видели до сих пор с другими периферийными устройствами.

Пример, который мы собираемся изучить, делает простую вещь: он использует внутренний датчик температуры, доступный во всех микроконтроллерах STM32, в качестве источника для АЦП. Датчик температуры подключен к внутреннему входу АЦП. Точный номер входа зависит от конкретного семейства микроконтроллера и корпуса. Например, в микроконтроллере STM32F401RE датчик температуры подключен к IN18 периферийного устройства ADC1. Тем не менее, HAL предназначен для абстрагирования этого конкретного аспекта. Прежде чем мы проанализируем реальный код, лучше взглянуть на электрические характеристики датчика температуры, которые указаны в техническом описании рассматриваемого вами микроконтроллера.

В таблице 3 приведены характеристики датчика температуры в микроконтроллере STM32F401RE. Он обладает типовыми точностью до 1°C8 и средним наклоном линейной характеристики (average slope) 2,5 мВ/°C. Кроме того, известно, что при 25°C падение напряжения составляет 760 мВ. Это означает, что для расчета обнаруженной температуры мы можем использовать формулу:

8 Внутренние датчики температуры STM32 откалиброваны на заводе во время производства ИС. Обычно отбираются две температуры при 30°C и 110°C. Они называются TS_CAL1 и TS_CAL2 соответственно. Обнаруженные температуры сохраняются в энергонезависимой системной памяти. Точный адрес памяти указывается в техническом описании на конкретный микроконтроллер. Используя эти данные, можно выполнить линеаризацию обнаруженных температур, чтобы погрешность сводилась к типовому значению 1°C точности. ST предоставляет руководство по применению, посвященное этой теме: AN3964 (http://www.st.com/content/ccc/resource/technical/document/application_note/b9/21/44/4e/cf/6f/46/fa/DM000359 57.pdf/files/DM00035957.pdf/jcr:content/translations/en.DM00035957.pdf). Однако имейте в виду, что внутрен-

ний датчик температуры измеряет температуру микросхемы (и, следовательно, платы). В соответствии с конкретным семейством STM32, рабочей частотой микроконтроллера, выполняемыми операциями, включенными периферийными устройствами, доменом питания и т. д. Снятая температура может быть намного выше, чем действующая температура окружающей среды. Например, автор книги подтвердил, что микроконтроллер STM32F7, работающий на частоте 200 МГц, имеет рабочую температуру ~45°C при комнатной температуре 20°C.

Таблица 3: Электрические характеристики датчика температуры в микроконтроллере

STM32F401RE

В следующем коде показано, как выполнить аналого-цифровое преобразование выходного сигнала внутреннего датчика температуры в микроконтроллере STM32F401RE.

Имя файла: src/main-ex1.c

6/* Переменные ----------------------------------------------------------------*/

7extern UART_HandleTypeDef huart2;

8ADC_HandleTypeDef hadc1;

9

10/* Прототипы функций ---------------------------------------------------------*/

11static void MX_ADC1_Init(void);

12

13 int main(void) {

14

15HAL_Init();

16Nucleo_BSP_Init();

18/* Инициализация всей сконфигурированной периферии */

23while (1) {

24char msg[20];

25uint16_t rawValue;

26float temp;

27

28 HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, HAL_MAX_DELAY); 29

30rawValue = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);

31temp = ((float)rawValue) / 4095 * 3300;

32temp = ((temp - 760.0) / 2.5) + 25;

33

34sprintf(msg, "rawValue: %hu\r\n", rawValue);

35HAL_UART_Transmit(&huart2, (uint8_t*) msg, strlen(msg), HAL_MAX_DELAY);

37sprintf(msg, "Temperature: %f\r\n", temp);

38HAL_UART_Transmit(&huart2, (uint8_t*) msg, strlen(msg), HAL_MAX_DELAY);

39}

40}

41