RTC 实时时钟实验

本章，我们将介绍STM32F103 的内部实时时钟（RTC）。我们将使用LCD 模块来显示日期
和时间，实现一个简单的实时时钟，并可以设置闹铃，另外还将介绍BKP 的使用。

RTC 时钟简介

STM32F103 的实时时钟（RTC）是一个独立的定时器。STM32 的RTC 模块拥有一组连续
计数的计数器，在相对应的软件配置下，可提供时钟日历的功能。修改计数器的值可以重新设
置系统的当前时间和日期。
RTC 模块和时钟配置系统（RCC_BDCR 寄存器）是在后备区域，即在系统复位或从待机模
式唤醒后RTC 的设置和时间维持不变，只要后备区域供电(纽扣电池)正常，那么RTC 将可以一直运行。
但是在系统复位后，会自动禁止访问后备寄存器和RTC，以防止对后备区域(BKP)的意外写操
作。所以在要设置时间之前，先要取消备份区域（BKP）写保护。

RTC 框图

下面先来学习RTC 框图，通过学习RTC 框图会有一个很好的整体掌握，同时对之后的编
程也会有一个清晰的思路。RTC 的框图，如图27.1.1 所示：

我们在讲解RTC 架构之前，说明一下框图中浅灰色的部分，他们是属于备份域的，在VDD
掉电时可在VBAT的驱动下继续工作，这部分包括RTC 的分频器，计数器以及闹钟控制器。在
寄存器部分才展开解释一下备用域。下面把RTC 框图分成以下2 个部分讲解：
①APB1 接口: 用来和APB1 总线相连。通过APB1 总线可以访问RTC 相关的寄存器，对
其进行读写操作。
②RTC 核心: 由一组可编程计数器组成，主要分成两个模块。第一个模块是RTC 的预分
频模块，它可编程产生1 秒的RTC 时间基准TR_CLK。RTC 的预分频模块包括了一个20 位的
可编程分频器(RTC 预分频器)。如果在RTC_CR 寄存器中设置相对应的允许位，则在每个
TR_CLK 周期中RTC 产生一个中断(秒中断)。第二个模块是一个32 位的可编程计数器，可被
初始化为当前的系统时间，一个32 位的时钟计数器，按秒钟计算，可以记录4294967296 秒，
约合136 年左右，作为一般应用足够了。
RTC 还有一个闹钟寄存器RTC_ALR，用于产生闹钟。系统时间按TR_CLK 周期累加并与
存储在RTC_ALR 寄存器中的可编程时间相比较，如果RTC_CR 控制寄存器中设置了相应允许
位，比较匹配时将产生一个闹钟中断。
由于备份域的存在，所以RTC 内核可以完全独立于RTC APB1 接口。而软件是通过APB1
接口访问RTC 的预分频值、计数器值和闹钟值的。但是相关可读寄存器只在RTC APB1 时钟
进行重新同步的RTC 时钟的上升沿被更新，RTC 标志也是如此。这就意味着，如果APB1 接
口刚刚被开启之后，在第一次的内部寄存器更新之前，从APB1 上读取的RTC 寄存器值可能
被破坏了（通常读到0）。因此，若在读取RTC 寄存器曾经被禁止的RTC APB1 接口，软件
首先必须等待RTC_CRL 寄存器的RSF 位（寄存器同步标志位，bit3）被硬件置1。

RTC 寄存器

接下来，我们介绍本实验我们要用到的RTC 寄存器。
⚫ RTC 控制寄存器（RTC_CRH/CRL）
RTC 控制寄存器共有两个控制寄存器RTC_CRH 和RTC_CRL，两个都是16 位的。
RTC 控制寄存器高位RTC_CRH，描述如图27.1.2.1 所示：

该寄存器是RTC 控制寄存器高位，本章将用到秒钟中断，所以在该寄存器必须设置最低位
为1，以允许秒钟中断。
RTC 控制寄存器低位RTC_CRL，描述如图27.1.2.2 所示：

该寄存器是RTC 控制寄存器低位，本章我们用到的是该寄存器的0，3~5 这几个位，第0
位是秒钟标志位，我们在进入闹钟中断的时候，通过判断这位来决定是不是发生了秒钟中断。
然后必须通过软件将该位清零（写零）。第3 位为寄存器同步标志位，我们在修改控制寄存器
RTC_CRH/RTC_CRL 之前，必须先判断该位，是否已经同步了，如果没有则需要等待同步，在
没同步的情况下修改RTC_CRH/RTC_CRL 的值是不行的。第4 位为配置标志位，在软件修改
RTC_CNT/RTC_PRL 的值的时候，必须先软件置位该位，以允许进入配置模式。第5 位为RTC
操作位，该位由硬件操作，软件只读。通过该位可以判断上次对RTC 寄存器的操作是否完成，
如果没有，我们必须等待上一次操作结束才能开始下一次操作。
⚫ RTC 预分频装载寄存器（RTC_PRLH/RTC_PRLL）
RTC 预分频装载寄存器也是有两个寄存器组成，RTC_PRLH 和RTC_PRLL。这两个寄存器
用来配置RTC 时钟的分频数的，比如我们使用外部32.768K 的晶振作为时钟的输入频率，那么
我们要设置这两个寄存器的值为32767，得到一秒钟的计数频率。
RTC 预分频装载寄存器高位描述如图27.1.2.3 所示：

该寄存器是RTC 预分频装载寄存器高位，低四位有效用来存放PRL 的19~16 位。关于PRL
的其余位存放在RTC_PRLL 寄存器。
RTC 预分频装载寄存器低位描述如图27.1.2.4 所示：

该寄存器是RTC 预分频装载寄存器低位，存放RTC 预分频装载值低位。如果输入时钟是
32.768kHz，这个预分频寄存器中写入0x7FFF 可获得周期1 秒钟的信号。
⚫ RTC 预分频余数寄存器（RTC_DIVH/RTC_DIVL）
RTC 预分频余数寄存器是用来获得比秒钟更加准确的时钟，比如可以得到0.1 秒，甚至0.01
秒等，该寄存器的值自减的，用于保存还需要多少时钟周期获得一个秒信号。在一次秒钟更新
后，由硬件重新装载。这两个寄存器和RTC 预分频装载寄存器的各位是一样的，这里我们就
不列出来了。
⚫ RTC 计数器寄存器（RTC_CNTH/RTC_CNTL）
RTC 计数器寄存器RTC_CNT，由2 个16 位寄存器组成RTC_CNTH 和RTC_CNTL，总共
32 位，用来记录秒钟值。注意的是，修改这两个寄存器的时候要先进入配置模式。RTC_CNT 描
述如图27.1.2.5 所示：

⚫ RTC 闹钟寄存器（RTC_ALRH/RTC_ALRL）
RTC 闹钟寄存器，该寄存器也是由2 个16 位的寄存器组成RTC_ALRH 和RTC_ALRL。总
共32 位，用来标记闹钟产生的时间（以秒为单元）。对于STM32F1 系列的芯片来说，RTC 外
设没有专门的年用日寄存器来分别存放这些信息，全部日期信息以秒的格式存储在这两个寄存器中，后面编程时会对时间进行特殊处理。如果RTC_CNT 的值与RTC_ALR 的值相等，并使
能了中断的话，会产生一个闹钟中断。注意：该寄存器的修改也是要进入配置模式才能进行。
RTC 闹钟寄存器描述如图27.1.2.6 所示：

⚫ 备份数据寄存器（BKP_DRx）
备份数据寄存器描述如图27.1.2.6 所示。

该寄存器是一个16 位寄存器，可以用来存储用户数据，可在VDD 电源关闭时，通过VBAT
保持上电状态。备份数据寄存器不会在系统复位、电源复位、从待机模式唤醒时复位。
那么在MCU 复位后，对RTC 和备份数据寄存器的写访问就被禁止，需要执行一下操作才
可以对RTC 及备份数据寄存器进行写访问：

1. 通过设置寄存器RCC_APB1ENR 的PWREN 和BKPEN 位来打开电源和后备接口时钟
2. 电源控制寄存器(PWR_CR)的DBP 位来使能对后备寄存器和RTC 访问
   ⚫ 备份区域控制寄存器（RCC_BDCR）
   备份区域控制寄存器描述如图25.1.2.7 所示。

RTC 的时钟源选择及使能设置都是通过这个寄存器来实现的，所以我们在RTC 操作之前
先要通过这个寄存器选择RTC 的时钟源，然后才能开始其他的操作。

硬件设计

1. 例程功能
   本实验通过LCD 显示RTC 时间，并可以通过usmart 设置RTC 时间，从而调节时间，或设
   置RTC 闹钟，还可以写入或者读取RTC 后备区域SRAM。LED0 闪烁，提示程序运行。

2. 硬件资源
   1）LED 灯
   LED0 – PE5
   LED1 – PB5
   2）串口1(PA9/PA10 连接在板载USB 转串口芯片CH340 上面)
   3）RTC(实时时钟)
   4）正点原子2.8/3.5/4.3/7/10 寸TFTLCD 模块(仅限MCU 屏，16 位8080 并口驱动)

3. 原理图
   RTC 属于STM32F103 内部资源，通过软件设置好就可以了。不过RTC 不能断电，否则数
   据就丢失了，我们如果想让时间在断电后还可以继续走，那么必须确保开发板的电池有电。

低功耗实验

本章，我们将介绍STM32F103 的电源控制（PWR），并实现低功耗模式相关功能。我们将
通过四个实验来学习并实现低功耗相关功能，分别是PVD 电压监控实验、睡眠模式实验、停止
模式实验和待机模式实验。

电源控制（PWR）简介

电源控制部分（PWR）概述了不同电源域的电源架构以及电源配置控制器。PWR 的内容比
较多，我们把它们的主要特性概括为以下3 点：
电源系统：VDDA供电区域、VDD供电区域、1.8V 供电区域、后备供电区域。
电源监控：POR/PDR 监控器、PVD 监控器。
电源管理：低功耗模式。
下面将分别对这3 个特性进行简单介绍。

电源系统

为了方便对电源系统进行管理，设计者把STM32 的内核和外设等器件跟据功能划分了不
同的电源区域，具体如图28.1.1.1 所示。

在电源概述框图中我们划分了3 个区域①②③，分别是独立的A/D 转换器供电和参考电
压、电压调节器、电池备份区域。下面分别进行简单介绍：
①独立的A/D 转换器供电和参考电压（VDDA供电区域）
VDDA供电区域，主要是ADC 电源以及参考电压，STM32 的ADC 模块配备独立的供电方
式，使用了VDDA引脚作为输入，使用VSSA引脚作为独立地连接，VREF引脚为提供给ADC 的
参考电压。
②电压调节器（VDD /1.8V 供电区域）
电压调节器是STM32 的电源系统中最核心部分，连接VDD供电区域和1.8 供电区域。VDD
供电来自于VSS和VDD，给I/O 电路以及待机电路供电，电压调节器主要为备份域以及待机电
路以外的所有数字电路供电，其中包括内核、数字外设以及RAM，调节器的输出电压约为1.8V，
因此由调压器供电的区域称为1.8V 供电区域。
电压调节器根据应用方式不同有三种不同的工作模式。在运行模式下，调节器以正常工作
模式为内核、内存和外设提供1.8V；在停止模式下，调节器以低功耗模式提供1.8V 电源，以
保存寄存器和SRAM 的内容。在待机模式下，调节器停止供电，除了备用电路和备份域外，寄
存器和SRAM 的内容全部丢失。
③电池备份区域（后备供电区域）
电池备份区域也就是后备供电区域，使用电池或者其他电源连接到VBAT脚上，当VDD断电
时，可以保存备份寄存器的内容和维持RTC 的功能。同时VBAT 引脚也为RTC 和LSE 振荡器
供电，这保证了当主要电源被切断时，RTC 能够继续工作。切换到VBAT供电由复位模块中的掉
电复位功能控制。

电源监控

电源监控的部分我们主要关注PVD 监控器，此外还需要知道上电复位(POR)/掉电复位
(PDR)。其他部分的内容请大家查看《STM32F10xxx 参考手册_V10（中文版）.pdf》第4.2 节
（38 页）。
⚫ 上电复位(POR)/掉电复位(PDR)
上电时，当VDD低于指定VPOR阈值时，系统无需外部复位电路便会保持复位模式。一旦
VDD电源电压高于VPOR阈值，系统便会退出复位状态，芯片正常工作。掉电时，当VDD低于指
定VPDR阈值时，系统就会保持复位模式。如图28.1.2.1 所示，RESET 为上电复位信号。
注意：POR 与PDR 的复位电压阈值是固定的，VPOR阈值（典型值）为1.92V，VPDR阈值
（典型值）为1.88V。

⚫ 可编程电压检测器(PVD)
上面介绍的POR、PDR 功能都是设置电压阈值与外部供电电压VDD比较，当VDD低于设
置的电压阈值时，就会直接进入复位状态，防止电压不足导致的误操作。
下面介绍可编程电压检测器（PVD），它可以实时监视VDD的电压，方法是将VDD与PWR

控制寄存器（PWR_CR）中的PLS[2:0]位所选的VPVD阈值进行比较。其中PWR_CSR 寄存器中
的PVDO 位决定了VDD是高于VPVD还是低于VPVD，本实验中配置的是VDD低于VPVD阈值这
个条件。当检测到电压低于VPVD阈值时，如果使能EXTI16 线中断，即使能PVD 中断，可以
产生PVD 中断，具体取决于EXTI16 线配置为检测上升还是下降沿，然后在复位前，在中断服
务程序中执行紧急关闭系统等任务。PVD 阀值检测波形，如图28.1.2.2 所示。

PVD 阀值有8 个等级，有上升沿和下降沿的区别，具体由PWR_CSR 寄存器中的PVDO 位
决定。PVD 阈值等级表具体如表28.1.2.1 所示。

电源管理

电源管理的部分我们要关注低功耗模式，在STM32 的正常工作中，具有四种工作模式，运
行、睡眠、停止以及待机。在上电复位后，STM32 处于运行状态时，当内核不需要继续运行，
就可以选择进入后面的三种模式降低功耗。这三种低功耗模式电源消耗不同、唤醒时间不同和
唤醒源不同，我们要根据自身的需要选择合适的低功耗模式。
下面是低功耗模式汇总介绍，如下表所示。

下面对睡眠模式、停止模式和待机模式，分开介绍。
1、睡眠模式
进入睡眠模式，Cortex_M3 内核停止，所有外设包括Cortex_M3 核心的外设，如NVIC、系
统时钟（SysTick）等仍在运行，有两种进入睡眠模式的模式WFI 和WFE。WFI(Wait for interrupt)
和WFE(Wait for event)是内核指令，会调用一些汇编指令，我们会使用即可，更详细的描述可
以查看《CM3 权威指南》。睡眠后唤醒的方式即由等待“中断”唤醒和“事件”唤醒。

2、停止模式
进入停止模式，所有的时钟都关闭，所有的外设也就停止了工作。但是VDD电源是没有关
闭的，所以内核的寄存器和内存信息都保留下来，等待重新开启时钟就可以从上次停止的地方
继续执行程序。
值得注意的是：当电压调节器处于低功耗模式下，当系统从停止模式退出时，将会有一段
额外的启动延时。如果在停止模式期间保持内部调节器开启，则退出启动时间会缩短，但相应
的功耗会增加。

3、待机模式
待机模式可实现最低功耗。该模式是在CM3 深睡眠模式时关闭电压调节器，整个1.8V 供
电区域被断电。PLL、HSI 和HSE 振荡器也被断电。除备份域（RTC 寄存器、RTC 备份寄存器
和备份SRAM）和待机电路中的寄存器外，SRAM 和其他寄存器内容都将丢失。不过如果我
们使能了备份区域（备份SRAM、RTC、LSE），那么待机模式下的功耗，将达到3.8uA 左右。
那么我们如何进入待机模式呢？其实很简单，只要按表28.1.3.3 所示的步骤执行就可以了：

PVD 电压监控实验

本小节我们来学习PVD 电压监控实验，该部分的知识点内容请回顾28.1.2 电源监控。我们
直接从寄存器介绍开始。

PWR 寄存器

本实验用到PWR 的部分寄存器，在《STM32F10XXX 参考手册(中文版)》的4.4 小节可以
找到PWR 寄存器描述。这里我们只介绍PVD 电压监控实验用到的PWR 控制寄存器（PWR_CR），
还有就是我们要用到EXTI16 线中断，所以还要配置EXTI 相关的寄存器，具体如下：
⚫ PWR 控制寄存器（PWR_CR）
PWR 控制寄存器描述如图28.2.1.1 所示：

位[7:5] PLS 用于设置PVD 检测的电压阀值，即前面我们介绍PVD 的8 个等级阀值选择。
位4 PVDE 位，用于使能或者禁止PVD 检测，显然我们要使能PVD 检测，该位置1。
这个寄存器还有其它的位我们没有列出来，也是跟电源相关的，如待机，掉电等，我们后
面的实验再讲解这些功能，这里先跳过。
⚫ EXTI 中断屏蔽寄存器（EXTI_IMR）
EXTI 中断屏蔽寄存器描述如图28.2.1.2 所示：

我们要使用到EXTI16 线中断，所以MR16 位要置1，即开放来自EXTI16 线的中断请求。
⚫ EXTI 上升沿触发选择寄存器（EXTI_RTSR）
EXTI 上升沿触发选择寄存器描述如图28.2.1.3 所示：

我们要使用到EXTI16 线中断，所以TR16 位要置1，即允许EXTI16 线的上升沿触发。
⚫ EXTI 下降沿触发选择寄存器（EXTI_FTSR）
EXTI 下降沿触发选择寄存器描述如图28.2.1.4 所示：

我们要使用到EXTI16 线中断，所以TR16 位要置1，即允许EXTI16 线上的下降沿触发。
⚫ EXTI 挂起寄存器（EXTI_PR）
EXTI 挂起寄存器描述如图28.2.1.5 所示：

EXTI 挂起寄存器EXTI_PR 管理的是EXTI0 线到EXTI19 线的中断标志位。在PVD 中断
服务函数里面，我们记得要对PR16 位写1，来清除EXTI16 线的中断标志。

硬件设计

1. 例程功能
   开发板供电正常的话，LCD 屏会显示"PVD Voltage OK!"。当供电电压过低，则会通过PVD
   中断服务函数将LED1 点亮；当供电电压正常后，会在PVD 中断服务函数将LED1 熄灭。LED0
   闪烁，提示程序运行。
2. 硬件资源
   1）LED 灯
   LED0 –PB5
   LED1 –PE5
   2）PVD(可编程电压监测器)
   3）正点原子2.8/3.5/4.3/7/10 寸TFTLCD 模块(仅限MCU 屏，16 位8080 并口驱动)
3. 原理图
   PVD 属于STM32F103 的内部资源，只需要软件设置好即可正常工作。我们通过LED0 和
   LCD 来指示进入PVD 中断的情况。

睡眠模式实验

本小节我们来学习睡眠模式实验，该部分的知识点内容请回顾28.1.2.3 电源管理。我们直
接从寄存器介绍开始。
28.3.1 EXTI 寄存器
本实验我们用到外部中断来唤醒睡眠模式。进入睡眠模式很简单，直接调用内核指令WFI
（参考28.1.3 电源管理对这个指令的讲解）即可进入。用外部中断唤醒，就要在进入睡眠模式
前，先对外部中断进行配置。例如，使能中断线（EXTI_IMR ），使用何种触发模式
（EXTI_FTSR/EXTI_RTSR）。当中断触发（即EXTI_PR 中某位能查询到1），跳转到中断服务
函数里，最后还得手动清除该标记即（EXTI_PR 中对某位进行置1 处理）。
⚫ EXTI 中断屏蔽寄存器（EXTI_IMR）
EXTI 中断屏蔽寄存器描述如图28.3.1.1 所示：

本实验使用WK_UP（PA0）唤醒，即EXTI0 线中断，所以在外部中断服务函数要把MR0
位置1。
⚫ EXTI 上升沿触发选择寄存器（EXTI_RTSR）
EXTI 上升沿触发选择寄存器描述如图28.3.1.2 所示：

我们要使用到EXTI0 线中断，所以TR0 位要置1，即EXTI0 使用的是上升沿进行触发。
⚫ EXTI 挂起寄存器（EXTI_PR）
EXTI 挂起寄存器描述如图28.3.1.3 所示：

在EXTI0 中断服务函数里面，需要清除EXTI0 中断标记，即对PR0 位写1。

硬件设计

1. 例程功能
   LED0 闪烁，表明代码正在运行。按下按键KEY0 后，LED1 点亮，提示进入睡眠模式，此
   时LED0 不再闪烁，说明已经进入睡眠模式。按下按键WK_UP 后，LED1 熄灭，提示退出睡眠
   模式，此时LED0 继续闪烁，说明已经退出睡眠模式。
2. 硬件资源
   1）LED 灯
   LED0 –PB5 LED1 –PE5
   2）独立按键
   KEY0 –PE4 WK_UP - PA0
   3）电源管理(低功耗模式- 睡眠模式)
   4）正点原子2.8/3.5/4.3/7/10 寸TFTLCD 模块(仅限MCU 屏，16 位8080 并口驱动)
3. 原理图
   PWR 属于STM32F103 的内部资源，只需要软件设置好即可正常工作。我们通过KEY0 让
   CPU 进入睡眠模式，再通过WK_UP 触发EXTI 中断来唤醒CPU。LED0 指示程序是否执行，
   LED1 指示CPU 是否进入睡眠模式。

停止模式实验

本小节我们来学习停止模式实验，该部分的知识点内容请回顾28.1.2.3 电源管理。我们直
接从寄存器介绍开始。

PWR 寄存器

本实验我们用到外部中断来唤醒停止模式。我们用到WFI 指令进入停止模式，这个后面会讲，进入停止模式后，使用外部中断唤醒。外部中断部分内容参照睡眠模式即可，都是共用同
样的配置。
下面主要介绍PWR_CR 寄存器相关位。
⚫ PWR 控制寄存器（PWR_CR）
PWR 的控制寄存器描述如图28.4.1.1 所示：

通过PDDS 位选择进入停止模式还是待机模式，停止模式即对PDDS 位置0 即可。在停止
模式下，电压调节器有两种模式：开启或者低功耗，选择低功耗模式，即LPDS 置1。
⚫ 系统控制寄存器（SCB_SCR）
系统控制寄存器描述如图28.4.1.2 所示：

该寄存器存在于ARM 内核中，详细描述可查阅《Cortex-M3 权威指南》，在本实验中，我
们需要把SLEEPDEEP 位置1，这样子后面调用WFI 命令时，进入的就是停止模式了。在唤醒
后，需要清除SLEEPDEEP 位，进行置0。

硬件设计

1. 例程功能
   LED0 闪烁，表明代码正在运行。按下按键KEY0 后，LED1 点亮，提示进入停止模式，此
   时LED0 不再闪烁，说明已经进入停止模式。按下按键WK_UP 后，LED1 熄灭，提示退出停止
   模式，此时LED0 继续闪烁，说明已经退出停止模式。
2. 硬件资源
   1）LED 灯
   LED0 –PB5
   LED1 –PE5
   2）独立按键
   KEY0 –PE4
   WK_UP - PA0
   3）电源管理(低功耗模式–停止模式)
   4）正点原子2.8/3.5/4.3/7/10 寸TFTLCD 模块(仅限MCU 屏，16 位8080 并口驱动)
3. 原理图
   PWR 属于STM32F103 的内部资源，只需要软件设置好即可正常工作。我们通过KEY0 让
   CPU 进入停止模式，再通过WK_UP 触发EXTI 中断来唤醒CPU。LED0 指示程序是否执行，
   LED1 指示CPU 是否进入停止模式。

待机模式实验

本小节我们来学习待机模式实验，该部分的知识点内容请回顾28.1.2.3 电源管理。我们直
接从寄存器介绍开始。

PWR 寄存器

本实验是先对相关的电源控制寄存器配置待机模式的参数，然后通过WFI 指令进入待机模
式，使用WKUP 引脚的上升沿来唤醒（这是特定的唤醒源）。
下面主要介绍本实验用到的寄存器，系统控制寄存器的部分与上一实验一致，就不介绍了
⚫ PWR 控制寄存器（PWR_CR）
PWR 的控制寄存器描述如图28.5.1.1 所示：

这里我们通过设置PDDS 位，使CPU 进入深度睡眠时进入待机模式，同时，我们需要通过
CWUF 位清除之前的唤醒位。
⚫ 电源控制/状态寄存器（PWR_CSR）
电源控制/状态寄存器描述如图28.5.1.2 所示：

该寄存器我们只关心EWUP 位，设置EWUP 为1，即WKUP 引脚作为待机模式的唤醒源。

硬件设计

1. 例程功能
   LED0 闪烁，表明代码正在运行。按下按键KEY0 后，进入待机模式，待机模式下大部分
   引脚处于高阻态，所以说这时候LED0 会熄灭，TFTLCD 也会熄灭。按下WK_UP 按键后，退出待机模式（相当于复位操作），程序重新执行，LED0 继续闪烁，TFTLCD 屏点亮。
2. 硬件资源
   1）LED 灯
   LED0 –PB5
   2）独立按键
   KEY0 –PE4
   WK_UP - PA0
   3）电源管理(低功耗模式–待机模式)
   4）正点原子2.8/3.5/4.3/7/10 寸TFTLCD 模块(仅限MCU 屏，16 位8080 并口驱动)
3. 原理图
   PWR 属于STM32F103 的内部资源，只需要软件设置好即可正常工作。我们通过KEY0 让
   CPU 进入待机模式，再通过WK_UP 上升沿来唤醒CPU。LED0 指示程序是否执行。

ADC 实验

本章，我们将介绍STM32F103 的ADC（Analog-to-digital converters，模数转换器）功能。
我们通过四个实验来学习ADC，分别是单通道ADC 采集实验、单通道ADC 采集（DMA 读取）
实验、多通道ADC 采集（DMA 读取）实验和单通道ADC 过采样（16 位分辨率）实验。

ADC 简介

ADC 即模拟数字转换器，英文详称Analog-to-digital converter，可以将外部的模拟信号转换
为数字信号。
STM32F103 系列芯片拥有3 个ADC（C8T6 只有2 个），这些ADC 可以独立使用，其中
ADC1 和ADC2 还可以组成双重模式（提高采样率）。STM32 的ADC 是12 位逐次逼近型的模
拟数字转换器。它有18 个通道，可测量16 个外部和2 个内部信号源，其中ADC3 根据CPU 引
脚的不同其通道数也不同，一般有8 个外部通道。ADC 中的各个通道的A/D 转换可以单次、
连续、扫描或间断模式执行。ADC 的结果可以以左对齐或者右对齐存储在16 位数据寄存器中。
STM32F103 的ADC 主要特性我们可以总结为以下几条：
1、12 位分辨率；
2、转换结束、注入转换结束和发生模拟看门狗事件时产生中断
3、单次和连续转换模式
4、自校准
5、带内嵌数据一致性的数据对齐
6、采样间隔可以按通道分别编程
7、规则转换和注入转换均有外部触发选项
8、间断模式
9、双重模式（带2 个或以上ADC 的器件）
10、ADC 转换时间：时钟为72MHz 为1.17us
11、ADC 供电要求：2.4V 到3.6V
12、ADC 输入范围：VREF–≤VIN≤VREF+
13、规则通道转换期间有DMA 请求产生
下面来介绍ADC 的框图：

图中，我们按照ADC 的配置流程标记了七处位置，分别如下：
①输入电压
在前面ADC 的主要特性也对输入电压有所提及，ADC 输入范围VREF–≤VIN≤VREF+，最终
还是由VREF–、VREF+、VDDA和VSSA决定的。下面看一下这几个参数的关系，如图30.1.2 所示：

从上图可以知道，VDDA和VREF+接VCC3.3，而VSSA和VREF-是接地，所以ADC 的输入范
围即0~3.3V。
②输入通道
在确定好了ADC 输入电压后，如何把外部输入的电压输送到ADC 转换器中呢，在这里引
入了ADC 的输入通道，在前面也提及到了ADC1 和ADC2 都有16 个外部通道和2 个内部通
道；而ADC3 就有8 个外部通道。外部通道对应的是上图中的ADCx_IN0、ADCx_IN1…
ADCx_IN15。ADC1 的通道16 就是内部通道，连接到芯片内部的温度传感器，通道17 连接到
Vrefint。而ADC2 的通道16 和17 连接到内部的VSS。ADC3 的通道9、14、15、16 和17 连接
到的是内部的VSS。具体的ADC 通道表见表30.1.1 所示：

③转换顺序
当ADC 的多个通道以任意顺序进行转换就诞生了成组转换，这里有两种成组转换类型：
规则组和注入组。规则组就是图中的规则通道，注入组就是图中的注入通道。为了避免大家对
输入通道，以及规则通道和注入通道的理解混淆，后面规则通道以规则组来代称，注入通道以
注入组来代称。
规则组最多允许16 个输入通道进行转换，而注入组最多允许4 个输入通道进行转换。这里
讲解一下规则组和注入组。
规则组（规则通道）
规则组，按字面理解，“规则”就是按照一定的顺序，相当于正常运行的程序，平常用到最
多也是规则组。
注入组（注入通道）

注入组，按字面理解，“注入”就是打破原来的状态，相当于中断。当程序执行的时候，中
断是可以打断程序的执行。同这个类似，注入组转换可以打断规则组的转换。假如在规则组转
换过程中，注入组启动，那么注入组被转换完成之后，规则组才得以继续转换。
为了便于理解，下面看一下规则组和注入组的执行优先级对比图，如图30.1.3 所示：

了解了规则组和注入组的概念后，下面来看看它们的转换顺序，即转换序列。转换序列可
以分为规则序列和注入序列。下面分别来介绍它们。
规则序列
规则组最多允许16 个输入通道进行转换，那么就需要设置通道转换的顺序，即规则序列。
规则序列寄存器有3 个，分别为SQR1、SQR2 和SQR3。SQR3 控制规则序列中的第1 个到第
6 个转换；SQR2 控制规则序列中第7 个到第12 个转换；SQR1 控制规则序列中第13 个到第16
个转换。规则序列寄存器控制关系汇总如表30.1.2 所示：

从上表可以知道，当我们想设置ADC 的某个输入通道在规则序列的第1 个转换，只需要
把相应的输入通道号的值写入SQR3 寄存器中的SQ1[4:0]位即可。例如想让输入通道5 先进行转换，那么就可以把5 这个数值写入SQ1[4:0]位。如果还想让输入通道8 在第2 个转换，那么
就可以把8 这个数值写入SQ2[4:0]位。最后还要设置你的这个规则序列的输入通道个数，只需
把输入通道个数写入SQR1 的SQL[3:0]位。注意：写入0 到SQL[3:0]位，表示这个规则序列有
1 个输入通道的意思，而不是0 个输入通道。
注入序列
注入序列，跟规则序列差不多，决定的是注入组的顺序。注入组最大允许4 个通道输入，
它的注入序列由JSQR 寄存器配置。注入序列寄存器JSQR 控制关系如表30.1.3 所示：

注入序列有多少个输入通道，只需要把输入通道个数写入到JL [ 1 : 0 ]位，范围是0~3。注
意：写入0 表示这个注入序列有一个输入通道，而不是0 个输入通道。这个内容很简单。编程
时容易犯错的是注入序列的转换顺序问题，下面给大家讲解一下。
如果JL[ 1 : 0 ]位的值小于3，即设置注入序列要转换的通道个数小于4，则注入序列的转
换顺序是从JSQx[ 4 : 0 ]（x=4-JL[1:0]）开始。例如：JL [ 1 : 0 ]=10、JSQ4 [ 4 : 0 ]= 00100、JSQ3 [ 4 : 0 ]= 00011、JSQ2 [ 4 : 0 ]= 00111、JSQ1 [ 4 : 0 ]= 00010，意味着这个注入序列的转换顺序
是：7、3、4，而不是2、7、3。如果JL[ 1 : 0 ]=00，那么转换顺序是从JSQ4 [ 4 : 0 ]开始。
④触发源
在配置好输入通道以及转换顺序后，就可以进行触发转换了。ADC 的触发转换有两种方法：
分别是通过ADON 位或外部事件触发转换。
（1）ADON 位触发转换
当ADC_CR2 寄存器的ADON 位为1 时，再独立给ADON 位写1（其它位不能一起改变，
这是为了防止误触发），这时会启动转换。这种控制ADC 启动转换的方式非常简单。
（2）外部触发转换
另一种方法是通过外部事件触发转换，例如定时器捕获、EXTI 线和软件触发，可以分为规
则组外部触发和注入组外部触发。
规则组外部触发使用方法是将EXTTRIG 位置1，并且通过EXTSET[2:0]位选择规则组启动
转换的触发源。如果EXTSET[2:0]位设置为111，那么可以通过SWSTART 为启动ADC 转换，
相当于软件触发。
注入组外部触发使用方法是将JEXTTRIG 位置1，并且通过JEXTSET[2:0]位选择注入组启
动转换的触发源。如果JEXTSET[2:0]位设置为111，那么可以通过JSWSTART 为启动ADC 转
换，相当于软件触发。
ADC1 和ADC2 的触发源是一样的，ADC3 的触发源和ADC1/2 有所不同，这个需要注意。
⑤转换时间
（1）ADC 时钟
在学习转换时间之前，我们先来了解ADC 时钟。从标号⑤框出来部分可以看到ADC 时钟是
要经过ADC 预分频器的，那么ADC 的时钟源是什么？ADC 预分频器的分频系数可以设置的
范围又是多少？以及ADC 时钟频率的最大值又是多少？下面将为大家解答。
ADC 的输入时钟是由PCLK2 经过分频产生的，分频系数是由RCC_CFGR 寄存器的
ADCPRE[1:0]位设置的，可选择2/4/8/16 分频。需要注意的是，ADC 的输入时钟频率最大值是
14MHz，如果超过这个值将会导致ADC 的转换结果准确度下降。
一般我们设置PCLK2 为72MHz。为了不超过ADC 的最大输入时钟频率14MHz，我们设
置ADC 的预分频器分频系数为6，就可以得到ADC 的输入时钟频率为72MHz/6，即12MHz。
例程中，我们也是如此设置的。

（2）转换时间
STM32F103 的ADC 总转换时间的计算公式如下：

⑥数据寄存器
ADC 转换完成后的数据输出寄存器。根据转换组的不同，规则组的完成转换的数据输出到
ADC_DR 寄存器，注入组的完成转换的数据输出到ADC_JDRx 寄存器。假如是使用双重模式，
规则组的数据也是存放在ADC_DR 寄存器。下面给大家简单介绍一下这两个寄存器。
（1）ADC 规则数据寄存器（ADC_DR）
ADC 规则组数据寄存器ADC_DR 是一个32 位的寄存器，独立模式时只使用到该寄存器低
16 位保存ADC1/2/3 的规则转换数据。在双ADC 模式下，高16 位用于保存ADC2 转换的数
据，低16 位用于保存ADC1 转换的数据。
因为ADC 的精度是12 位的，ADC_DR 寄存器无论高16 位还是低16，存放数据的位宽都
是16 位的，所以允许选择数据对齐方式。由ADC_CR2 寄存器的ALIGN 位设置数据对齐方式，
可选择：右对齐或者左对齐。
细心的朋友可能发现，规则组最多有16 个输入通道，而ADC 规则数据寄存器只有一个，
如果一个规则组用到好几个通道，数据怎么读取？如果使用多通道转换，那么这些通道的数据
也会存放在DR 里面，按照规则组的顺序，上一个通道转换的数据，会被下一个通道转换的数
据覆盖掉，所以当通道转换完成后要及时把数据取走。比较常用的方法是使用DMA 模式。当
规则组的通道转换结束时，就会产生DMA 请求，这样就可以及时把转换的数据搬运到用户指
定的目的地址存放。注意：只有ADC1 和ADC3 可以产生DAM 请求，而由ADC2 转换的数据
可以通过双ADC 模式，利用ADC1 的DMA 功能传输。
（2）ADC 注入数据寄存器x（ADC_JDRx）（x=1~4）
ADC 注入数据寄存器有4 个，注入组最多有4 个输入通道，刚好每个通道都有自己对应的
数据寄存器。ADC_JDRx 寄存器是32 位的，低16 位有效，高16 位保留，数据也同样需要选
择对齐方式。也是由ADC_CR2 寄存器的ALIGN 位设置数据对齐方式，可选择：右对齐或者左
对齐。
⑦中断
ADC 中断可分为三种：规则组转换结束中断、注入组转换结束中断、设置了模拟看门狗状
态位中断。它们都有独立的中断使能位，分别由ADC_CR 寄存器的EOCIE、JEOCIE、AWDIE
位设置，对应的标志位分别是EOC、JEOC、AWD。
模拟看门狗中断

模拟看门狗中断发生条件：首先通过ADC_LTR 和ADC_HTR 寄存器设置低阈值和高阈值，
然后开启了模拟看门狗中断后，当被ADC 转换的模拟电压低于低阈值或者高于高阈值时，就
会产生中断。例如我们设置高阈值是3.0V，那么模拟电压超过3.0V 的时候，就会产生模拟看
门狗中断，低阈值的情况类似。
DMA 请求
规则组和注入组的转换结束后，除了可以产生中断外，还可以产生DMA 请求，我们利用
DMA 及时把转换好的数据传输到指定的内存里，防止数据被覆盖。
注意：只有ADC1 和ADC3 可以产生DAM 请求，DMA 相关的知识请回顾DMA 实验。
⑧单次转换模式和连续转换模式
单次转换模式和连续转换模式在框图中是没有标号，为了更好地学习后续的内容，这里简
单给大家讲讲。
（1）单次转换模式
通过将ADC_CR2 寄存器的CONT 位置0 选择单次转换模式。该模式下，ADC 只执行一
次转换，由ADC_CR2 寄存器的ADON 位启动（只适用于规则组），也可以通过外部触发启动
（适用于规则组或注入组）。
如果规则组的一个输入通道被转换，那么转换的数据被储存在16 位ADC_DR 寄存器中、
EOC（转换结束）标志位被置1、如果设置了EOCIE 位，则产生中断，然后ADC 停止。
如果注入组的一个输入通道被转换，那么转换的数据被储存在16 位ADC_DRJx 寄存器中、
JEOC（转换结束）标志位被置1、如果设置了JEOCIE 位，则产生中断，然后ADC 停止。
（2）连续转换模式
通过将ADC_CR2 寄存器的CONT 位置1 选择连续转换模式。该模式下，ADC 完成上一
个通道的转换后会马上自动地启动下一个通道的转换，由ADC_CR2 寄存器的ADON 位启动，
也可以通过外部触发启动。
如果规则组的一个输入通道被转换，那么转换的数据被储存在16 位ADC_DR 寄存器中、
EOC（转换结束）标志位被置1、如果设置了EOCIE 位，则产生中断。
如果注入组的一个输入通道被转换，那么转换的数据被储存在16 位ADC_DRJx 寄存器中、
JEOC（转换结束）标志位被置1、如果设置了JEOCIE 位，则产生中断。
⑨扫描模式
扫描模式在框图中是没有标号，为了更好地学习后续的内容，这里简单给大家讲讲。
可以通过ADC_CR1 寄存器的SCAN 位配置是否使用扫描模式。如果选择扫描模式，ADC
会扫描所有被ADC_SQRx 寄存器或ADC_JSQR 选中的所有通道，并对规则组或者注入组的每
个通道执行单次转换，然后停止转换。但如果还设置了CONT 位，即选择连续转换模式，那么
转换不会在选择组的最后一个通道上停止，而是再次从选择组的第一个通道继续转换。
如果设置了DMA 位，在每次EOC 后，DMA 控制器把规则组通道的转换数据传输到SRAM
中。而注入通道转换的数据总是存储在ADC_JDRx 寄存器中。
到这里，我们基本上介绍了ADC 的大多数基础的知识点，其它知识后面用到会继续补充，
如果还有不懂的内容，请参考《STM32F10xxx 参考手册_V10（中文版）.pdf》的第11 章。

单通道ADC 采集实验

本实验我们来学习单通道ADC 采集实验。本实验使用规则组单通道的单次转换模式，并
且通过软件触发，即由ADC_CR2 寄存器的SWSTART 位启动。下面先带大家来了解本实验要
配置的寄存器。

ADC 寄存器

这里，我们只介绍本实验用到的寄存器的关键位，其它寄存器后续用到会继续介绍。
⚫ ADC 控制寄存器1（ADC_CR1）
ADC 控制寄存器1 描述如图30.2.1.1 所示：

SCAN 位用于选择是否使用扫描模式。本实验我们使用单通道采集，所以没必要选择扫描
模式，该位置0 即可。
DUALMOD[3:0]位用来设置ADC 的操作模式，我们的例程中ADC 相关的实验都是使用独
立模式，所以设置为0000 即可。
⚫ ADC 控制寄存器2（ADC_CR2）
ADC 控制寄存器2 描述如图30.2.1.2 所示：

该寄存器我们针对性的介绍一些位：ADON 位用于打开或关闭AD 转换器，还可以用于触
发ADC 转换。CONT 位用于设置单次转换模式还是连续转换模式，本实验我们使用单次转换
模式，所以CONT 位置0 即可。CAL 位用于开启AD 校准。RSTCAL 位用于判断校准寄存器是
否已初始化。ALIGN 用于设置数据对齐，我们使用右对齐，所以该位置0。EXTSEL[2:0]位用
于选择规则组启动转换的外部事件触发源，本实验使用的是软件触发（SWSTART），所以这三
个位置为111。EXTTRIG 位必须置1，EXTSEL[2:0]位才能选择软件触发（SWSTART），别漏了
这步，否则设置软件触发会不成功。SWSTART 位用于启动一次规则组通道的转换，即软件触发转换。
⚫ ADC 采样事件寄存器1（ADC_SMPR1）
ADC 采样事件寄存器1 描述如图30.2.1.3 所示：

⚫ ADC 采样事件寄存器2（ADC_SMPR2）
ADC 采样事件寄存器2 描述如图30.2.1.4 所示：

ADC 采样时间设置需要由两个寄存器设置，ADC_SMPR1 和ADC_SMPR1，分别设置通道
10~17 和通道0~9 的采样时间，每个通道用3 个位设置。可以看出ADC 的每个通道的采样时间
是支持单独设置的。
一般每个要转换的通道，采样时间建议尽量长一点，以获得较高的准确度，但是这样会降
低ADC 的转换速率，看大家怎么衡量选择了。本实验中，我们设置采样时间是239.5 个周期。
结合前面介绍过的转换时间公式：

⚫ ADC 规则序列寄存器1
ADC 规则序列寄存器共有3 个，这几个寄存器的功能都差不多，这里我们仅介绍一下ADC
规则序列寄存器1（ADC_SQR1），描述如图30.2.1.5 所示：

L[3:0]用于设置规则组序列的长度，取值范围：0_{15，表示规则组的长度是1}16。本实验
只用了1 个输入通道，所以L[3:0]位设置为0000 即可。
SQ13[4:0]_{SQ16[4:0]位设置规则组序列的第13}16 个转换编号，第1~12 个转换编号的设
置请查看ADC_SQR2 和ADC_SQR3 寄存器。设置过程非常简单，忘记了请参考前面给大家整
理出来的规则序列寄存器控制关系汇总表。
本实验我们使用单通道，ADC1 通道14，所以规则组序列里只有一个输入通道，我们将
ADC_SQR3 寄存器的SQ1[4:0]位的值设置为14 即可。
⚫ ADC 规则数据寄存器（ADC_DR）
ADC 规则数据寄存器描述如图30.2.1.6 所示：

在规则序列中AD 转换结果都将被存在这个寄存器里面，而注入通道的转换结果被保存在
ADC_JDRx 里面。该寄存器的数据可以通过ADC_CR2 的ALIGN 位设置左对齐还是右对齐。
在读取数据的时候要注意。
⚫ ADC 状态寄存器（ADC_SR）
ADC 状态寄存器描述如图30.2.1.7 所示：

该寄存器保存了ADC 转换时的各种状态。本实验我们通过EOC 位的状态来判断ADC 转
换是否完成，如果查询到EOC 位被硬件置1，就可以从ADC_DR 寄存器中读取转换结果，否
则需要等待转换完成。
至此，本实验要用到的ADC 关键寄存器全部介绍完了，对于未介绍的部分，请大家参考
《STM32F10xxx 参考手册_V10（中文版）.pdf》第11 章相关内容。
30.2.2 硬件设计

1. 例程功能
   采集ADC1 通道1（PA1）上面的电压，并在LCD 模块上面显示ADC 规则数据寄存器12
   位的转换值以及将该值换算成电压后的电压值。使用杜邦线将ADC 和RV1 排针连接，使得PA1
   连接到电位器上，然后将ADC 采集到的数据和转换后的电压值在TFTLCD 屏中显示。用户可
   以通过调节电位器的旋钮改变电压值。LED0 闪烁，提示程序运行。
2. 硬件资源
   1）LED 灯
   LED0 – PB5
   2）串口1(PA9/PA10 连接在板载USB 转串口芯片CH340 上面)
   3）正点原子2.8/3.5/4.3/7/10 寸TFTLCD 模块(仅限MCU 屏，16 位8080 并口驱动)
   4）ADC1 ：
   通道1 –PA1

内部温度传感器实验

光敏传感器实验

DAC 实验