STM32驱动ADS1118：SPI接口实现多路ADC与热电偶测温完整教程

简介：基于STM32F103与STM32F407的ADS1118完整驱动方案，主要面向嵌入式开发者、电子竞赛学生以及从事高精度数据采集的工程师。程序覆盖4路单端、2路双差分和片内温度传感器三种采集模式，实现从寄存器初始化、SPI读写时序到多通道数据转换与错误处理的全流程封装。代码结构清晰，关键函数均附带注释，便于直接移植到实际项目，适合用于温度监测、压力采集或工业模拟量输入等场景。资源同时提供对应的实验测试数据，包含不同输入模式下的转换结果与温度读数，可借此校验驱动正确性，并了解芯片实际精度与噪声表现。配套的ADS1118技术手册与应用说明，能帮助读者深入理解16位ADC的配置逻辑、增益选择和采样率设定，是一份上手与进阶兼顾的实用资料。整套资源以RAR压缩包发布，大小约11.82MB，已吸引318人学习参考，对于希望快速掌握ADS1118开发的工程师和学生而言，具有较高的学习和参考价值。 做多路模拟量采集或者热电偶测温的时候，ADS1118 算是一颗绕不开的片子：16 位分辨率、内置 PGA、自带温度传感器，还通过 SPI 接口和 MCU 通信。但真开始写驱动才发现，网上能找到的例程大多是 ADS1115 的 I2C 版本，SPI 的 ADS1118 要么是寄存器片段，要么只支持单通道，连 STM32F103 和 STM32F407 的初始化差异都要自己慢慢试。前段时间我把这套驱动完整整理了一遍，覆盖 4 路单端、2 路差分和内部温度传感器三种模式，顺手把两代 STM32 的移植差异也理清了。这篇就按我的实际工程顺序讲一遍——哪些地方必须设置对、哪些坑我踩过之后不会再踩，照着抄基本能一次点亮。

1. 先从硬件说起：为什么 ADS1118 值得单独写一份驱动

ADS1118 是 TI 的 16 位 ΔΣ ADC，和更常见的 ADS1115 最大的区别是接口：ADS1115 走 I2C，ADS1118 走 SPI。很多人一开始会疑惑，同样是 16 位 ADC，为什么不用 I2C 版本？答案很简单，SPI 没有设备地址限制、速率更高，而且 ADS1118 的数据率最高能到 860SPS，做多通道轮询时比 I2C 舒服很多。更重要的是，ADS1118 内部集成了一个温度传感器，这颗传感器是专门为热电偶冷端补偿设计的。也就是说，一路差分接热电偶，同时读内部温度做冷端补偿，一颗芯片全干完了。

硬件接线不复杂，核心引脚就是标准的 SPI 四线：

有两个硬件细节我建议一开始就处理好。第一，ADS1118 的输入绝对电压范围不能超过 VDD + 0.3V，即使 PGA 配置成 ±6.144V 满量程，输入引脚也扛不住 6V。如果你要测 5V 或者更高的电压，必须用电阻分压，把信号按比例降到 3.3V 以内。第二，DOUT/DRDY 这个引脚比较特殊，它既是数据输出，又是转换完成标志。有的板子 DOUT 悬空时电平不稳定，建议在 DOUT 上接一个 10kΩ 上拉到 3.3V，这样查询 DRDY 低电平时更可靠，也不会影响 SPI 时序。

至于电源去耦，ADS1118 的 AVDD 和 DVDD 可以接在一起，但芯片旁边至少要放一个 0.1µF 陶瓷电容，最好再并一个 10µF 钽电容。模拟输入如果来自高阻抗源，比如热电偶，信号线上加一个 RC 低通滤波会稳很多，后面实测部分我再细说。

2. 移植前必须先搞清楚的 SPI 初始化差异（F103 vs F407）

ADS1118 对 SPI 的时序要求很明确：CPOL=1、CPHA=1，也就是常说的 SPI Mode 3，数据帧必须是 16 位，高位在前，SCLK 最高 4MHz。这几个参数只要有一个不对，读回来的数据就是乱的。

为什么必须是 Mode 3？简单说，ADS1118 在 SCLK 的下降沿更新输出数据，主机在上升沿采样。SPI Mode 3 空闲时时钟为高，第一个边沿是下降沿，正好用来更新数据，第二个边沿是上升沿，主机采样。如果你配置成 Mode 0，采样沿和更新沿完全反过来，数据就错位了。这个错位不是每一次都错，偶尔能读出看似正常的数据，但会时不时跳变，非常难排查。

时钟分频也要算一下。ADS1118 的 SCLK 上限是 4MHz，STM32F103 的 SPI1 挂在 APB2 上，72MHz 主频下 16 分频是 4.5MHz，超了；STM32F407 的 SPI1 同样在 APB2，如果按 168MHz 主频、APB2 取 84MHz，16 分频是 5.25MHz，同样超了。所以两边我都用 32 分频，F103 实际 2.25MHz，F407 实际 2.625MHz，都落在安全范围内。实测下来这个速度对 ADS1118 完全够用，16 位数据一次事务也就几微秒。

初始化代码我用标准外设库写，F103 和 F407 的差异点主要在两处：RCC 使能时钟的写法相同，但 F407 需要额外调用 GPIO_PinAFConfig 把引脚复用成 SPI1 功能。SPI 外设本身的初始化参数，两套平台完全一致：

/* F103 与 F407 通用：SPI1 初始化 */ void ADS1118_SPI_Init(void) { SPI_InitTypeDef SPI_InitStructure; SPI_I2S_DeInit(SPI1); SPI_InitStructure.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex; SPI_InitStructure.SPI_Mode = SPI_Mode_Master; SPI_InitStructure.SPI_DataSize = SPI_DataSize_16b; SPI_InitStructure.SPI_CPOL = SPI_CPOL_High; /* Mode 3 */ SPI_InitStructure.SPI_CPHA = SPI_CPHA_2Edge; /* Mode 3 */ SPI_InitStructure.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft; SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_32; SPI_InitStructure.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB; SPI_Init(SPI1, &SPI_InitStructure); SPI_Cmd(SPI1, ENABLE); }

GPIO 部分 F103 这样写：

void ADS1118_GPIO_Init_F103(void) { GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_SPI1, ENABLE); /* SCK PA5, MOSI PA7 复用推挽输出 */ GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5 | GPIO_Pin_7; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP; GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure); /* MISO PA6 浮空输入 */ GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING; GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure); /* CS PA4 普通推挽输出，默认拉高 */ GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_4; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP; GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure); GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_4); }

F407 的差别就是复用映射：

void ADS1118_GPIO_Init_F407(void) { GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA, ENABLE); RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_SPI1, ENABLE); GPIO_PinAFConfig(GPIOA, GPIO_PinSource5, GPIO_AF_SPI1); GPIO_PinAFConfig(GPIOA, GPIO_PinSource6, GPIO_AF_SPI1); GPIO_PinAFConfig(GPIOA, GPIO_PinSource7, GPIO_AF_SPI1); GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5 | GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF; GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP; GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL; GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure); /* CS 仍然普通 GPIO */ GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_4; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT; GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure); GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_4); }

CS 用普通 GPIO 控制，别用 SPI 的硬件 NSS。ADS1118 要求在每次 SPI 事务之间有完整的 CS 高电平恢复时间，软件手动控制最灵活，硬件 NSS 在多字节传递时会自动翻转电平，容易出问题。

3. ADS1118 的核心交互逻辑：写一次配置，读回上一轮数据

ADS1118 的配置寄存器一共 16 位，每次 SPI 事务，主机在 MOSI 上发送 16 位命令字，ADS1118 同时在 MISO 上把上一次的转换结果移出来。这个"边写边读旧值"的机制是所有驱动的关键，不理解它，代码写出来就是乱的。

配置寄存器各位的定义如下：

单次模式下的完整转换流程应该是：

1. CS 拉低，发送带 SS=1 的配置字，启动一次转换。此时 MISO 移出的是上电默认值或者上一次转换的结果，这个数据不能要。
2. CS 拉高，等待转换完成。等待时间由数据率决定，也可以用 DOUT/DRDY 引脚查询。
3. CS 再次拉低，发送不带 SS 位的相同配置字，MISO 返回的就是本次转换结果。
4. CS 拉高，解析数据。

为什么第二次发送配置字要不带 SS？因为 ADS1118 在单次模式下，SS=1 会再触发一次新转换。你只是想读当前结果，结果又启动了一次转换，逻辑就乱了。不带 SS 只是把相同配置重新写一遍，不触发转换，MISO 移出的正好是刚转换完的数据。

第一次读回的数据为什么不能要？很多人上电后第一次读，发现读回一个 0xFFFF 或者奇怪的固定值，以为是硬件问题。其实就是因为 MISO 移出的是旧数据，和当前输入信号一点关系都没有。这个不是故障，是芯片的设计行为。

转换等待时间直接查数据率：

延时是最简单的方案，适合绝大多数项目。如果想更精确，可以查询 DOUT/DRDY 引脚。这个引脚在转换完成时会输出低电平，检测到低电平再读数据，不需要留那么多裕量。但要注意，DOUT 就是 SPI 的 MISO 引脚，查询低电平时要把引脚从 SPI 复用模式切回普通输入模式，读完再切回去，代码会麻烦不少。我的经验是，除非对采样间隔有严格实时性要求，否则直接延时反而更省心。

4. 四路单端、两路差分和温度传感器的全部驱动代码

驱动文件我拆成 ads1118.h 和 ads1118.c 两部分，全部代码可以直接搬进工程。先看头文件，配置宏都定义在这里：

/* ads1118.h */ #ifndef __ADS1118_H #define __ADS1118_H #include "stm32f10x.h" /* 如果用 F407，改成 stm32f4xx.h */ /* 配置寄存器位定义 */ #define ADS1118_CFG_SS 0x8000u #define ADS1118_CFG_MUX_MASK 0x7000u #define ADS1118_CFG_MUX_DIFF_0_1 0x0000u #define ADS1118_CFG_MUX_DIFF_0_3 0x1000u #define ADS1118_CFG_MUX_DIFF_1_3 0x2000u #define ADS1118_CFG_MUX_DIFF_2_3 0x3000u #define ADS1118_CFG_MUX_AIN0 0x4000u #define ADS1118_CFG_MUX_AIN1 0x5000u #define ADS1118_CFG_MUX_AIN2 0x6000u #define ADS1118_CFG_MUX_AIN3 0x7000u #define ADS1118_CFG_PGA_6144 0x0000u #define ADS1118_CFG_PGA_4096 0x0200u #define ADS1118_CFG_PGA_2048 0x0400u #define ADS1118_CFG_PGA_1024 0x0600u #define ADS1118_CFG_PGA_512 0x0800u #define ADS1118_CFG_PGA_256 0x0A00u #define ADS1118_CFG_MODE_CONT 0x0000u #define ADS1118_CFG_MODE_SINGLE 0x0100u #define ADS1118_CFG_DR_8SPS 0x0000u #define ADS1118_CFG_DR_16SPS 0x0020u #define ADS1118_CFG_DR_32SPS 0x0040u #define ADS1118_CFG_DR_64SPS 0x0060u #define ADS1118_CFG_DR_128SPS 0x0080u #define ADS1118_CFG_DR_250SPS 0x00A0u #define ADS1118_CFG_DR_475SPS 0x00C0u #define ADS1118_CFG_DR_860SPS 0x00E0u #define ADS1118_CFG_TS 0x0010u /* 默认基础配置：PGA=2048，单次模式，128SPS */ #define ADS1118_BASE_CFG (ADS1118_CFG_PGA_2048 | ADS1118_CFG_MODE_SINGLE | ADS1118_CFG_DR_128SPS) #define ADS1118_CS_LOW() GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_4) #define ADS1118_CS_HIGH() GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_4) void ADS1118_Init(void); uint16_t ADS1118_Transfer(uint16_t cmd); uint16_t ADS1118_ReadADC(uint16_t mux_cfg); int16_t ADS1118_ReadDiff(uint16_t mux_cfg); float ADS1118_ReadTemp(void); #endif

底层的 SPI 传输函数就是一次完整的 16 位收发，CS 包住整个事务：

/* ads1118.c */ #include "ads1118.h" void ADS1118_Init(void) { /* 调用前面写的 GPIO 和 SPI 初始化函数 */ ADS1118_GPIO_Init_F103(); /* 或 F407 */ ADS1118_SPI_Init(); } uint16_t ADS1118_Transfer(uint16_t cmd) { uint16_t rx = 0; ADS1118_CS_LOW(); while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_FLAG_TXE) == RESET); SPI_I2S_SendData(SPI1, cmd); while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_FLAG_RXNE) == RESET); rx = SPI_I2S_ReceiveData(SPI1); ADS1118_CS_HIGH(); return rx; } static void ADS1118_WaitConvert(uint16_t cfg) { /* DR 编码对应数据率：8/16/32/64/128/250/475/860 SPS */ static const uint32_t wait_ms[8] = {130, 70, 40, 20, 10, 6, 4, 2}; uint8_t dr = (uint8_t)((cfg >> 5) & 0x07); delay_ms(wait_ms[dr]); }

单端和差分共用一个底层，区别只是 MUX 配置不同。读单端时原始值按无符号解析，读差分时按有符号二进制补码解析：

uint16_t ADS1118_ReadADC(uint16_t mux_cfg) { uint16_t cfg = ADS1118_BASE_CFG | (mux_cfg & ADS1118_CFG_MUX_MASK); /* 写配置并启动转换，此时读回的是旧数据，丢弃 */ ADS1118_Transfer(cfg | ADS1118_CFG_SS); /* 等待转换完成 */ ADS1118_WaitConvert(cfg); /* 重新写入相同配置，但不带 SS，读回本次转换结果 */ return ADS1118_Transfer(cfg); } int16_t ADS1118_ReadDiff(uint16_t mux_cfg) { uint16_t cfg = ADS1118_BASE_CFG | (mux_cfg & ADS1118_CFG_MUX_MASK); ADS1118_Transfer(cfg | ADS1118_CFG_SS); ADS1118_WaitConvert(cfg); return (int16_t)ADS1118_Transfer(cfg); }

温度读取更简单，关键是把配置里的 TS 位置 1，然后读回来的原始值除以 128.0 就是摄氏度：

float ADS1118_ReadTemp(void) { uint16_t cfg = (ADS1118_BASE_CFG & ~ADS1118_CFG_MUX_MASK) | ADS1118_CFG_TS; ADS1118_Transfer(cfg | ADS1118_CFG_SS); ADS1118_WaitConvert(cfg); return (float)((int16_t)ADS1118_Transfer(cfg)) / 128.0f; }

主程序里把三组数据全跑一遍，可以直观看到整个驱动的调用方式：

/* main.c 示例 */ const uint16_t mux_single[4] = { ADS1118_CFG_MUX_AIN0, ADS1118_CFG_MUX_AIN1, ADS1118_CFG_MUX_AIN2, ADS1118_CFG_MUX_AIN3 }; int main(void) { uint16_t single_raw[4]; int16_t diff_raw[2]; float temp; float voltage[4]; const float fsr = 2.048f; /* 和 BASE_CFG 里的 PGA_2048 对应 */ SystemInit(); ADS1118_Init(); while (1) { /* 4 路单端 */ for (int i = 0; i < 4; i++) { single_raw[i] = ADS1118_ReadADC(mux_single[i]); voltage[i] = (float)single_raw[i] * fsr / 32768.0f; } /* 2 路差分：AIN0-AIN1 和 AIN2-AIN3 */ diff_raw[0] = ADS1118_ReadDiff(ADS1118_CFG_MUX_DIFF_0_1); diff_raw[1] = ADS1118_ReadDiff(ADS1118_CFG_MUX_DIFF_2_3); /* 内部温度 */ temp = ADS1118_ReadTemp(); delay_ms(50); } }

电压换算公式就是电压 = 原始值 × 满量程 / 32768。PGA=2048 时满量程是 ±2.048V，所以 1 LSB 对应 62.5µV。差分通道的满量程和单端一样，只是原始值要按 int16 处理，负电压对应负值。

温度换算为什么除以 128？ADS1118 内部温度传感器实际是 14 位有效数据，左对齐到 16 位寄存器，最后两位固定为 0。14 位数据每个 LSB 是 0.03125°C，左对齐后相当于 16 位数据每个 LSB 是 0.0078125°C，也就是除以 128。这个细节网上很多代码都没讲清楚，直接给一个 magic number，现在知道原理就不用怕了。

5. 实测最容易踩的四个坑

5.1 重新配置量程后，第一笔数据到底能不能要

这个问题也是很多人问过的：如果我重新配置量程，需要等待多少时间？答案是：不仅要等转换完成，还要丢掉切换后的第一笔转换结果。ADS1118 内部有可编程增益放大器，切换 PGA 增益后，放大器建立需要时间。你写完新配置立刻启动转换，虽然 DRDY 也正常拉低，转换时序也完整，但增益切换瞬间引入的建立误差还没消失，这笔数据往往偏大或偏小，看起来像毛刺。

工程上的做法是切换量程或通道后，先做一次完整转换并丢弃，再采集有效值。写成一个函数就是：

uint16_t ADS1118_ReadADC_Stable(uint16_t mux_cfg) { ADS1118_ReadADC(mux_cfg); /* 第一次结果丢弃 */ return ADS1118_ReadADC(mux_cfg); /* 第二次结果作为有效值 */ }

如果你的采样循环一直在同一通道上跑，不需要每次都丢弃，只有切换配置的那一次需要处理。如果 4 路通道轮流采集，MUX 一直在切换，建议每路都按这个方式读，代价是采样周期变长，但数据可信度明显更高。

5.2 SPI Mode 用错后的症状

ADS1118 必须工作在 SPI Mode 3，也就是 CPOL=1、CPHA=1。我曾经为了在某个工程里和另一片 Flash 共用 SPI 总线，图省事把 CPOL 改成了 0，结果读出来的数据表现为：低位偶尔跳变、整数值偏差固定倍数、数据率和实际对不上。当时一度怀疑是 PCB 飞线太长干扰，后来单独用逻辑分析仪抓时序才发现是 SPI 模式不匹配。

判断 SPI 模式是否搞对，最直接的方法是切到 8 SPS 低速，读温度传感器。温度是缓慢变化的，如果连续读 20 次数值稳定、室温在合理范围，基本可以确认时序没问题。如果每次读出来数据乱跳，先查 Mode，别怀疑芯片。

5.3 DOUT 读不到数据的排查方向

读数据一直读到 0xFFFF 或者每次都一样，先检查三件事。第一，CS 拉低后有没有足够的建立时间，CS 下降沿到第一个 SCLK 上升沿之间至少要留出一个 SCLK 周期的时间，用软件控制时一般没问题，但如果 CS 引脚速度配置太慢，要留意。第二，DOUT 引脚是否浮空，ADS1118 的 DOUT/DRDY 在一些配置下需要上拉电阻，加了 10kΩ 上拉基本能解决。第三，确认 SPI 配置真的是 16 位数据帧末尾采样，如果错配成 8 位模式，一次事务只传输半个命令字，芯片根本不响应，读回的全是垃圾。

还有一个容易忽略的点：ADS1118 的 DOUT 在 CS 拉高时处于高阻态，如果 MISO 线上只有一个设备，问题不大；如果 MISO 上挂了多个 SPI 设备，务必确保其他设备的 CS 是拉高的，否则总线冲突会把数据拉坏。

5.4 采样稳定性与滤波建议

ADS1118 虽然分辨率高，但数据率越高，噪声越大。860SPS 下的有效分辨率明显不如 8SPS。实测 128SPS 是性价比最高的档位，响应速度和噪声控制都比较均衡。如果测的是温度这类缓变信号，建议降到 32SPS 或 16SPS，数据会稳很多。

硬件的 RC 滤波对抑制共模噪声很有用。输入引脚对地各接一个 100Ω 到 1kΩ 的串联电阻，再对地接 0.1µF 电容，能明显减少长线引入的毛刺。软件上做多次平均也有效，比如连续读 16 次取平均，代价是采样周期变长，但 128SPS 下 16 次平均仍然能保持每秒 7~8 次的更新率，绝大多数传感器场景都够用。我自己的项目里，128SPS 加 16 次平均，测 0~2V 的传感器信号，稳定度能做到最后一位基本不动，这个组合你们可以直接参考。

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