STM32 系列 ADC校準(zhǔn)問(wèn)題說(shuō)明

前言

最近是有一個(gè)產(chǎn)品用到了ADC，使用的是STM32L051 芯片，使用 STM32CubeMX 生成的代碼，本來(lái)以為簡(jiǎn)簡(jiǎn)單單，但是在調(diào)用 HAL ADC校準(zhǔn)函數(shù)的時(shí)候遇到一個(gè)問(wèn)題有點(diǎn)疑問(wèn)，度娘一下也沒有找到解答，還是經(jīng)過(guò)翻閱了一些資料才得到答案，特此來(lái)記錄一下。

我是矜辰所致，全網(wǎng)同名，盡量用心寫好每一系列文章，不浮夸，不將就，認(rèn)真對(duì)待學(xué)知識(shí)的我們，矜辰所致，金石為開！

一、ADC 配置說(shuō)明

詳細(xì)的 STM32 ADC 的使用，本文不做過(guò)多說(shuō)明，這個(gè)網(wǎng)上一搜一大把。

本文使用的是 HAL 庫(kù)，直接用 STM32CubeMX 生成的代碼，ADC 的配置步驟在我的另外一篇博文：

[STM32L051測(cè)試 （一、使用CubeMX生成工程文件 — ST系列芯片通用）] 中有過(guò)介紹（發(fā)燒友小伙伴需我還沒發(fā)表過(guò)來(lái)）：

對(duì)于其他不同型號(hào)，F(xiàn)1，F(xiàn)4 等，配置大同小異。

1.1 ADC 采樣步驟

使用 CubeMX 可以大大簡(jiǎn)化工程師的使用步驟，這里直接說(shuō)明一下對(duì)于使用 CubeMX 來(lái)說(shuō)的 ADC 采樣步驟。

ADC 采樣使用步驟簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)如下幾步（以單次采樣為例說(shuō)明） ：

1. 配置 ADC 工作參數(shù)：包括基本配置，和通道相關(guān)參數(shù)；

   （STM32BubeMX 自動(dòng)生成代碼 MX_ADC_Init()）

2. ADC_MSP 初始化：包括初始化 ADC 的時(shí)鐘、GPIO 引腳、 DMA 和 NVIC 相關(guān)的設(shè)置；（STM32BubeMX 自動(dòng)生成代碼HAL_ADC_MspInit()）

3. 校準(zhǔn)！使用前務(wù)必校準(zhǔn)??；

   （大部分型號(hào)需要我們?cè)诔绦蛑凶约赫{(diào)用代碼，某些型號(hào)不需要校準(zhǔn)，后面會(huì)說(shuō)明HAL_ADCEx_Calibration_Start()）

4. 啟動(dòng) ADC 轉(zhuǎn)換；

   （我們?cè)诔绦蛑凶约簩懘a，調(diào)用庫(kù)函數(shù)HAL_ADC_Start()）

5. 等待轉(zhuǎn)換完成；

   （我們?cè)诔绦蛑凶约簩懘a，調(diào)用庫(kù)函數(shù)HAL_ADC_PollForConversion()）

6. 獲取結(jié)果；

   （我們?cè)诔绦蛑凶约簩懘a，調(diào)用庫(kù)函數(shù)HAL_ADC_GetValue()）

二、ADC 校準(zhǔn)

在上面的步驟中，我把校準(zhǔn)用了紅色字體強(qiáng)調(diào)說(shuō)明，因?yàn)樵?ADC 的使用中必須進(jìn)行校準(zhǔn) ，否者自己設(shè)計(jì)的電路得到的結(jié)果可能與實(shí)際的會(huì)有不同的偏差。

2.1 什么是ADC校準(zhǔn)？

STM32 的 ADC 校準(zhǔn)一般有 參考電壓校準(zhǔn) 和 增益校準(zhǔn)。

參考電壓校準(zhǔn)：

先測(cè)量 ADC 參考電壓的實(shí)際值，然后將該值與預(yù)設(shè)的參考電壓進(jìn)行比較，得到參考電壓的偏差，最終通過(guò)校準(zhǔn)將其校正的方式叫做 參考電壓校準(zhǔn) ，其目的是為了準(zhǔn)確測(cè)量 ADC 的輸入信號(hào)。

叫做增益校準(zhǔn):

通過(guò)測(cè)量?jī)?nèi)部基準(zhǔn)電壓和 ADC 輸入信號(hào)的幅值之間的比例關(guān)系，校準(zhǔn) ADC 增益的方式 叫做增益校準(zhǔn)，其目的是確保 ADC 輸出的數(shù)值與輸入信號(hào)的幅值之間具有良好的線性關(guān)系，為了準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)換 ADC 輸入信號(hào)。

ADC 校準(zhǔn)的目的是為了消除 ADC 的偏移誤差和增益誤差，從而提高測(cè)量精度。

2.2 為什么 ADC 使用需要校準(zhǔn)？

這個(gè)為什么要用 ADC 校準(zhǔn)，我這里也只能簡(jiǎn)單的說(shuō)明一下。

這個(gè)就像芯片生產(chǎn)過(guò)程制造中的差異化一樣，ADC部分也存在一些差異化（雖然很小），其參考電壓、偏置電壓、增益等參數(shù)可能存在一些不確定性和漂移，這些參數(shù)的變化會(huì)導(dǎo)致 ADC 的測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生誤差。

就想上面介紹什么是 ADC 校準(zhǔn)最后說(shuō)的，為了提高測(cè)量精度，消除 ADC 的偏移誤差和增益誤差，所以在使用 ADC 采樣的時(shí)候都需要進(jìn)行 ADC 校準(zhǔn)。

2.2 什么時(shí)候使用 ADC 校準(zhǔn)？

在我們使用 CubeMX 軟件的時(shí)候，ADC 的配置，初始化等大部分程序都是由軟件給我們生成的，我們都無(wú)需過(guò)多干預(yù)，但是校準(zhǔn)是不會(huì)給我們自動(dòng)加入程序的，這就需要我們 手動(dòng)的添加。

在程序中，我們只需要保證在 ADC 開始使用前（ADC 轉(zhuǎn)換函數(shù)調(diào)用前），ADC 初始化后，進(jìn)行校準(zhǔn)即可。

2.3 ADC 采樣每次都需要校準(zhǔn)嗎？

這個(gè)問(wèn)題并不能直接回答，我們先來(lái)了解一下 調(diào)用了 HAL 校準(zhǔn)函數(shù)以后，STM32 是怎么處理的。

調(diào)用 STM32 校準(zhǔn)函數(shù)以后， 校準(zhǔn)的結(jié)果會(huì)被保存在相應(yīng)的寄存器中，以供后續(xù)的ADC測(cè)量使用。

由上面這句話可以知道，校準(zhǔn)過(guò)后的結(jié)果會(huì)被保存起來(lái)，每次 ADC 使用的時(shí)候會(huì)從該寄存器中取校準(zhǔn)數(shù)值，所以說(shuō)一般來(lái)說(shuō)，只要你上電校準(zhǔn)過(guò)一次，就行了。

但是！注意，校準(zhǔn)過(guò)后不用再校準(zhǔn)是基于你的 ADC 設(shè)置沒有改變，產(chǎn)品的工作環(huán)境穩(wěn)定的前提下！

如果采樣過(guò)程中你改變了 ADC 的環(huán)境，比如參考電壓，采樣時(shí)間等一些配置，或者一些低功耗產(chǎn)品，需要進(jìn)行休眠，那么還是需要進(jìn)行再次校準(zhǔn)的。

還有一點(diǎn)，就是產(chǎn)品的工作環(huán)境，比如產(chǎn)品的環(huán)境比較惡劣，溫度啊，干擾啊之類的，那么還是有必要在 ADC 的使用過(guò)程中進(jìn)行定期校準(zhǔn)的。

當(dāng)然，如果我們本著嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖黠L(fēng)，在產(chǎn)品上直接使用定期校準(zhǔn)那也是沒問(wèn)題的。

三、HAL 庫(kù)校準(zhǔn)函數(shù)

上面理論的東西介紹完了，那么我們就來(lái)簡(jiǎn)單做個(gè)測(cè)試，其實(shí)我使用過(guò)程中的小疑問(wèn)也是在使用過(guò)程中遇到的。

我們都知道 ADC 的校準(zhǔn)函數(shù)為：HAL_ADCEx_Calibration_Start()

但是當(dāng)我使用這個(gè)函數(shù)時(shí)候，居然出錯(cuò)了，如下圖：

提示調(diào)用的參數(shù)太少了（確定出錯(cuò)是我編譯過(guò)后發(fā)現(xiàn)的），提示函數(shù)調(diào)用參數(shù)太少了，這就奇怪了，于是我進(jìn)入看看函數(shù)原型：

這里可以看到，怎么多了一個(gè)參數(shù)（上面確實(shí)有解釋說(shuō)明，應(yīng)該填寫什么），但是當(dāng)時(shí)我第一反應(yīng)是看一下這個(gè)參數(shù)在函數(shù)中是怎么用的，于是搜索了一下SingleDiff 這個(gè)參數(shù)，發(fā)現(xiàn)在HAL_ADCEx_Calibration_Start 這個(gè)函數(shù)中根本沒用到這個(gè)參數(shù)？

為了搞清楚，我還去度娘問(wèn)了下，發(fā)現(xiàn)根本沒有關(guān)于這個(gè)參數(shù)的說(shuō)明，所有的 STM32 ADC 有關(guān)的帖子文章，都是一樣的， ADC 是啥啥啥，什么模式，解釋一下，怎么用等等巴拉巴拉的……

3.1 單端校準(zhǔn)和差分校準(zhǔn)

其實(shí)上面的注釋說(shuō)明就是，這個(gè)參數(shù)就是用來(lái)選擇使用哪種校準(zhǔn)方式：?jiǎn)味诵?zhǔn)ADC_SINGLE_ENDED 和 差分校準(zhǔn)ADC_DIFFERENTIAL_ENDED。

后來(lái)就去翻閱手冊(cè)資料，下面是查到的說(shuō)明，這里給大家參考一下：

單端校準(zhǔn)：

單端校準(zhǔn)是指對(duì) ADC 的單個(gè)輸入通道進(jìn)行校準(zhǔn)，主要校準(zhǔn)項(xiàng)包括偏移誤差和增益誤差。

單端校準(zhǔn)主要針對(duì)單端輸入的情況，通過(guò)比較參考電壓和輸入信號(hào)之間的誤差，校準(zhǔn)ADC的增益和偏置電壓。在單端輸入的情況下，參考電壓和輸入信號(hào)之間存在可能的偏差，這會(huì)導(dǎo)致ADC采樣結(jié)果的偏移和誤差。為了解決這個(gè)問(wèn)題，可以使用單端校準(zhǔn)來(lái)校正 ADC 的增益和偏置電壓。單端校準(zhǔn)的過(guò)程是使用一個(gè)已知的模擬信號(hào)來(lái)輸入 ADC，然后比較采樣結(jié)果與該模擬信號(hào)的期望值，得到增益和偏置電壓的偏差值，然后通過(guò)校準(zhǔn)將其校正。

單端校準(zhǔn)時(shí)，ADC將使用內(nèi)部參考電壓作為參考電壓，對(duì)每個(gè)輸入通道進(jìn)行測(cè)量，計(jì)算出偏移誤差和增益誤差，并將這些誤差保存在相應(yīng)的寄存器中。

差分校準(zhǔn)：

差分校準(zhǔn)是指對(duì) ADC 的差分輸入通道進(jìn)行校準(zhǔn)，主要校準(zhǔn)項(xiàng)也包括偏移誤差和增益誤差。

差分校準(zhǔn)主要針對(duì)差分輸入的情況，通過(guò)比較參考電壓和輸入信號(hào)之間的誤差，校準(zhǔn) ADC 的差分增益和偏置電壓。在差分輸入的情況下，差分增益和偏置電壓的偏差也會(huì)導(dǎo)致 ADC 采樣結(jié)果的偏移和誤差。為了解決這個(gè)問(wèn)題，可以使用差分校準(zhǔn)來(lái)校正 ADC 的差分增益和偏置電壓。差分校準(zhǔn)的過(guò)程是使用一個(gè)已知的差分輸入信號(hào)來(lái)輸入 ADC，然后比較采樣結(jié)果與該差分輸入信號(hào)的期望值，得到差分增益和偏置電壓的偏差值，然后通過(guò)校準(zhǔn)將其校正。

差分校準(zhǔn)時(shí)，ADC 將使用內(nèi)部參考電壓作為參考電壓，并將兩個(gè)輸入通道的差值作為輸入信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，計(jì)算出偏移誤差和增益誤差，并將這些誤差保存在相應(yīng)的寄存器中。

3.2 不同系列的校準(zhǔn)函數(shù)

所以在我們使用不同的系列的 HAL 庫(kù)的時(shí)候，雖然校準(zhǔn)函數(shù)都是HAL_ADCEx_Calibration_Start ，但是也有著一些參數(shù)的區(qū)別。

對(duì)于我目前使用的 STM32L051 來(lái)說(shuō)，HAL校準(zhǔn)函數(shù)使用的示例如下：

HAL_ADCEx_Calibration_Start(&hadc1,ADC_SINGLE_ENDED);

大部分情況下直接選擇單端校準(zhǔn)ADC_SINGLE_ENDED就行了，差分校準(zhǔn)還需要外部電路的支持。

對(duì)于 STM32F 系列的來(lái)說(shuō)，HAL校準(zhǔn)函數(shù)使用的示例如下：

HAL_ADCEx_Calibration_Start(&hadc1);

......

3.3 更多的校準(zhǔn)模式

對(duì)于更多的系列，因?yàn)樽约耗壳皼]有用到，我也沒有一個(gè)一個(gè)去找，但是通過(guò)資料了解到，對(duì)于有些型號(hào)，比如 STM32F4 系列的，ADC的校準(zhǔn)由硬件自動(dòng)執(zhí)行，不需要額外的調(diào)用 ADC 校準(zhǔn)函數(shù)。

雖然我沒有去試，但是這個(gè)硬件自動(dòng)執(zhí)行校準(zhǔn)在 STM32CubeMX 中應(yīng)該可以選擇，因?yàn)樗枰鼓?，在程序中的體現(xiàn)為：

hadc1.Init.AutoCalibration = ENABLE;

而且在 STM32 系列中，還有支持額外校準(zhǔn)模式（共模校準(zhǔn)、差分共模校準(zhǔn)）的MCU，具體哪個(gè)我也不知道，這樣的MCU，在使用校準(zhǔn)函數(shù)HAL_ADCEx_Calibration_Start的時(shí)候又多一個(gè)參數(shù)。但是這里可以告訴大家在遇到的時(shí)候不要慌張，這里給出示例。

共模校準(zhǔn)：

/* 
使能共模校準(zhǔn) 
*/
HAL_ADCEx_Calibration_Start(&hadc, ADC_CALIB_OFFSET, ADC_SINGLE_ENDED);

/* 等待共模校準(zhǔn)完成 */
while (HAL_ADCEx_Calibration_GetState(&hadc) != HAL_ADC_CALIBRATION_STATE_COMPLETED);

差分共模校準(zhǔn)：

/*
使能差分共模校準(zhǔn) 
*/
HAL_ADCEx_Calibration_Start(&hadc, ADC_CALIB_OFFSET, ADC_DIFFERENTIAL_ENDED);

/* 
等待差分共模校準(zhǔn)完成 
*/
while (HAL_ADCEx_Calibration_GetState(&hadc) != HAL_ADC_CALIBRATION_STATE_COMPLETED);

上面的 ADC_CALIB_OFFSET 是指定進(jìn)行偏置校準(zhǔn)。

結(jié)語(yǔ)

好了，本文是自己在使用過(guò)程中遇到的一個(gè)小問(wèn)題，但確實(shí)直接度娘找不到我需要的答案，所以自己花費(fèi)了些功夫查了一下，當(dāng)然也記錄說(shuō)明一下，希望對(duì)大家能夠有幫助！

插一句題外話，我已經(jīng)停了幾個(gè)月沒寫博文了，我也發(fā)過(guò) Blink 告訴大家我最近狀態(tài)很差，現(xiàn)實(shí)事情太多了，到現(xiàn)在為止，我還是深受影響，但是我自己也知道不能繼續(xù)沉淪下去，人往高處走，總是要向前看的，這也是受打擊過(guò)后的第一篇博文，找找感覺，加油！

好了，本文就到這里，謝謝大家！
審核編輯：湯梓紅