STM32 LibOpenCM3：ADC Timer 觸發

前言

ADC（Analog to Digital Converter）顧名思義是將類比訊號轉換成數位訊號的元件，現今多數 MCU 都會內建 ADC，而這也是相當基本且常用的功能。

之前的文章已經介紹過 3 中不同的 ADC 使用環境，這次要再介紹以 Timer 定期觸發 ADC 進行轉換的寫法，且一樣會啓用 ADC 的轉換完成（EOC）中斷。

正文

首先一樣以 Nucleo-F446RE 做示範。

首先建立一個 PIO 的專案，選擇 Framework 為「libopencm3」，並在 src/ 資料夾中新增並開啓 main.c 與 main.h。

完整程式

/**
 * @file   main.c
 * @brief  ADC external trigger by timer example for
 *         STM32 Nucleo-F446RE.
 */

#include "main.h"

int main(void)
{
  rcc_setup();
  usart_setup();
  adc_setup();
  timer_setup();

  while (1)
  { }
  return 0;
}

static void rcc_setup(void)
{
  rcc_clock_setup_pll(&rcc_hse_8mhz_3v3[RCC_CLOCK_3V3_84MHZ]);

  rcc_periph_clock_enable(RCC_USART_TX_GPIO);
  rcc_periph_clock_enable(RCC_USART2);
  rcc_periph_clock_enable(RCC_ADC_GPIO);
  rcc_periph_clock_enable(RCC_ADC1);
  rcc_periph_clock_enable(RCC_TIM3);
  rcc_periph_reset_pulse(RST_TIM3);
}

static void adc_setup(void)
{
/* Set to input analog. */
  gpio_mode_setup(GPIO_ADC_PORT,
                  GPIO_MODE_ANALOG,
                  GPIO_PUPD_NONE,
                  GPIO_ADC_IN0_PIN);

  uint32_t adc = ADC1;

  /* Setup ADC. */
  adc_power_off(adc);

  adc_disable_scan_mode(adc);
  adc_set_single_conversion_mode(adc);
  adc_set_right_aligned(adc);
  adc_set_sample_time_on_all_channels(adc, ADC_SIMPLE_TIME);

  adc_enable_external_trigger_regular(adc,
                                      ADC_CR2_EXTSEL_TIM3_TRGO,
                                      ADC_CR2_EXTEN_RISING_EDGE);

  /* Setup interrupt. */
  adc_enable_eoc_interrupt(adc);
  nvic_enable_irq(ADC_IRQ);

  uint8_t channels[16];
  channels[0] = 0;
  adc_set_regular_sequence(adc, 1, channels);

  adc_power_on(adc);
  delay(800000); /* Wait a bit. */
}

static void timer_setup(void)
{
  uint32_t timer = TIM3;

  timer_set_mode(timer,
                 TIM_CR1_CKD_CK_INT,
                 TIM_CR1_CMS_EDGE,
                 TIM_CR1_DIR_UP);
  timer_set_prescaler(timer, TIMER_PRESCALER); /* PSC. */
  timer_set_period(timer, TIMER_PERIOD);       /* ARR. */

  /* The update event is selected as trigger output (TRGO). */
  timer_set_master_mode(timer, TIM_CR2_MMS_UPDATE);

  timer_enable_counter(timer);
}

static void usart_setup(void)
{
  /* Set USART-Tx pin to alternate function. */
  gpio_mode_setup(GPIO_USART_TX_PORT, GPIO_MODE_AF, GPIO_PUPD_NONE, GPIO_USART_TX_PIN);
  gpio_set_af(GPIO_USART_TX_PORT, GPIO_USART_AF, GPIO_USART_TX_PIN);

  /* Config USART params. */
  usart_set_baudrate(USART2, USART_BAUDRATE);
  usart_set_databits(USART2, 8);
  usart_set_stopbits(USART2, USART_STOPBITS_1);
  usart_set_parity(USART2, USART_PARITY_NONE);
  usart_set_flow_control(USART2, USART_FLOWCONTROL_NONE);
  usart_set_mode(USART2, USART_MODE_TX);

  usart_enable(USART2);
}

static void delay(uint32_t value)
{
  for (uint32_t i = 0; i < value; i++)
  {
    __asm__("nop"); /* Do nothing. */
  }
}

/* For printf(). */
int _write(int file, char *ptr, int len)
{
  int i;

  if (file == 1)
  {
    for (i = 0; i < len; i++)
    {
      usart_send_blocking(USART2, ptr[i]);
    }
    return i;
  }

  errno = EIO;
  return -1;
}

/**
 * @brief ADC Interrupt service routine.
 */
void adc_isr(void)
{
  /* Clear regular end of conversion flag. */
  ADC_SR(ADC1) &= ~ADC_SR_EOC;

  uint16_t value = adc_read_regular(ADC1);
  printf("%4d\r\n", value);
}

/**
 * @file main.h
 */

#ifndef MAIN_H
#define MAIN_H

#include <stdio.h> /* For printf(). */
#include <errno.h> /* For printf(). */
#include <libopencm3/stm32/rcc.h>
#include <libopencm3/stm32/gpio.h>
#include <libopencm3/stm32/adc.h>
#include <libopencm3/stm32/usart.h>
#include <libopencm3/stm32/timer.h>
#include <libopencm3/cm3/nvic.h>

#define USART_BAUDRATE (9600)

#define GOAL_FREQUENCY (1) /* in Hz. */
#define TIMER_CLOCK (rcc_apb1_frequency * 2)
#define COUNTER_CLOCK (10000)

/* PSC. */
#define TIMER_PRESCALER (TIMER_CLOCK / COUNTER_CLOCK - 1)

/* ARR. */
#define TIMER_PERIOD (((TIMER_CLOCK) / ((TIMER_PRESCALER + 1) * GOAL_FREQUENCY)) - 1)

#define ADC_SIMPLE_TIME (ADC_SMPR_SMP_56CYC)
#define RCC_ADC_GPIO (RCC_GPIOA)
#define GPIO_ADC_PORT (GPIOA)
#define GPIO_ADC_IN0_PIN (GPIO0) /* Arduino-A0. */
#define ADC_IRQ (NVIC_ADC_IRQ)

#define RCC_USART_TX_GPIO (RCC_GPIOA)
#define GPIO_USART_TX_PORT (GPIOA)
#define GPIO_USART_TX_PIN (GPIO2) /* ST-Link (Arduino-D1). */
#define GPIO_USART_AF (GPIO_AF7)  /* Ref: Table-11 in DS10693. */

static void rcc_setup(void);
static void usart_setup(void);
static void adc_setup(void);
static void timer_setup(void);
static void delay(uint32_t value);

#endif /* MAIN_H. */

分段說明

Include

#include <stdio.h> /* For printf(). */
#include <errno.h> /* For printf(). */
#include <libopencm3/stm32/rcc.h>
#include <libopencm3/stm32/gpio.h>
#include <libopencm3/stm32/adc.h>
#include <libopencm3/stm32/usart.h>
#include <libopencm3/stm32/timer.h>
#include <libopencm3/cm3/nvic.h>

除了基本的 rcc.h 和 gpio.h 及必要的 adc.h 外，因為我要使用 USART 和 printf()，所以還會需要 usart.h、stdio.h 與 errno.h。

另外就是因為要使用中斷及 Timer，所以 nvic.h 和 timer.h 也是必要的。

USART 和 printf() 的詳細用法請看之前的文章。

設定 ADC

static void adc_setup(void)
{
/* Set to input analog. */
  gpio_mode_setup(GPIO_ADC_PORT,
                  GPIO_MODE_ANALOG,
                  GPIO_PUPD_NONE,
                  GPIO_ADC_IN0_PIN);

  uint32_t adc = ADC1;

  /* Setup ADC. */
  adc_power_off(adc);

  adc_disable_scan_mode(adc);
  adc_set_single_conversion_mode(adc);
  adc_set_right_aligned(adc);
  adc_set_sample_time_on_all_channels(adc, ADC_SIMPLE_TIME);

  adc_enable_external_trigger_regular(adc,
                                      ADC_CR2_EXTSEL_TIM3_TRGO,
                                      ADC_CR2_EXTEN_RISING_EDGE);

  /* Setup interrupt. */
  adc_enable_eoc_interrupt(adc);
  nvic_enable_irq(ADC_IRQ);

  uint8_t channels[16];
  channels[0] = 0;
  adc_set_regular_sequence(adc, 1, channels);

  adc_power_on(adc);
  delay(800000); /* Wait a bit. */
}

要使用 ADC 功能，首先要知道 ADC 的通道在哪些 GPIO 上，並將其設定為類比輸入。

接下來就是要設定 ADC。

adc_disable_scan_mode() 禁能多通道掃描模式，因為本範例只需要讀取一個通道而已。
adc_set_single_conversion_mode() 設定成單一轉換模式，不連續轉換。
adc_set_right_aligned() 讓資料的對齊方式為靠右對齊。
adc_set_sample_time_on_all_channels() 設定所有通道的取樣時間，這裡使用 56 個 Cycle。
adc_enable_external_trigger_regular() 啓用 ADC 的外部觸發，並指定觸發源為 Timer3 的 TRGO（Tregger output）。
adc_enable_eoc_interrupt() 啓用 ADC 的轉換完成（EOC）中斷。
nvic_enable_irq() 啓用 NVIC 的 ADC IRQ。
adc_set_regular_sequence() 設定 Regular 的通道序列。這裡只有 Ch0。

ADC ISQ

/**
 * @brief ADC Interrupt service routine.
 */
void adc_isr(void)
{
  /* Clear regular end of conversion flag. */
  ADC_SR(ADC1) &= ~ADC_SR_EOC;

  uint16_t value = adc_read_regular(ADC1);
  printf("%4d\r\n", value);
}

這是 ADC 的 ISQ。

首先先清除 ADC 的轉換完成位元（EOC），再使用 adc_read_regular() 讀取 ADC 轉換完成的數值。

Timer 設定

static void timer_setup(void)
{
  uint32_t timer = TIM3;

  timer_set_mode(timer,
                 TIM_CR1_CKD_CK_INT,
                 TIM_CR1_CMS_EDGE,
                 TIM_CR1_DIR_UP);
  timer_set_prescaler(timer, TIMER_PRESCALER); /* PSC. */
  timer_set_period(timer, TIMER_PERIOD);       /* ARR. */

  /* The update event is selected as trigger output (TRGO). */
  timer_set_master_mode(timer, TIM_CR2_MMS_UPDATE);

  timer_enable_counter(timer);
}

先設定好 Timer 的頻率（PSC 與 ARR）。

使用 timer_set_master_mode() 設定 Timer 在每次的 Update 事件都會產生 TRGO 訊號，以觸發 ADC。

Timer 的頻率設定請看之前的文章。

多環境程式（F446RE + F103RB）

由於 STM32F1 的部分函式不同，所以 F103RB 沒辦法直接使用上面的 F446RE 的程式。

由於本例的差異比較大，為了不佔版面這裡就不列出的，完整的程式請看 GitHub repo。

小結

若需要定期進行 ADC 轉換的話，使用 Timer 進行觸發是一個不錯的做法。本次範例使用 Timer 3 的 TRGO 訊號定期觸發 ADC 進行轉換，並且也有啓用 ADC 本身的轉換完成中斷，是一種比較有效率的寫法。

參考資料

本文的程式也有放在 GitHub 上。本文同步發表於iT 邦幫忙-2022 iThome 鐵人賽。