BGR与TempSensor：MCU性能挖掘及应用案例解析-开发者社区

一、BGR 与 TempSensor 核心特性

1.1 BGR（带隙基准源）

1.2 TempSensor（内部温度传感器）

1.3 核心驱动接口解析

二、性能挖掘关键技巧

2.1 BGR 性能优化

2.2 TempSensor 精度与响应速度优化

2.3 低功耗场景下的功耗平衡

三、典型应用案例解析

案例 1：基于 BGR 的 ADC 高精度电压采集

关键代码实现

案例 2：片内温度实时监测与过热保护

关键代码实现

案例 3：温度补偿型电池电量监测

核心逻辑

案例 4：低功耗模式下的温度巡检

关键代码片段

四、常见问题与解决方案

五、总结

STM32 微控制器集成的 **BGR（带隙基准源）和TempSensor（内部温度传感器）** 是提升模拟外设精度、实现片上环境监测的核心资源。本文将从核心特性、性能优化技巧、典型应用案例三方面，结合你提供的驱动接口函数，深入解析这两个模块的工程化应用方法。

一、BGR 与 TempSensor 核心特性

1.1 BGR（带隙基准源）

BGR 是基于半导体物理特性的电压基准源，输出电压不受电源电压、温度、工艺偏差的显著影响，是 STM32 模拟外设（ADC/DAC/ 比较器）的 “精度基石”。

核心参数：输出电压典型值为 1.2V（不同 STM32 系列略有差异，如 STM32L4 为 1.24V），温漂系数约 ±10ppm/°C，精度等级分工业级 / 汽车级。
依赖关系：内部温度传感器的工作必须依赖 BGR 使能（TempSensor 是 BGR 的附属模块）。
功耗特性：使能时电流约数微安至数十微安，低功耗场景下可按需关闭。

1.2 TempSensor（内部温度传感器）

TempSensor 是集成在芯片内部的热敏二极管型温度传感器，通过 ADC 采样其输出电压换算芯片核心温度，主要用于片上温度监测、过热保护或模拟信号的温度补偿。

测量范围：-40°C ~ +125°C（部分系列支持至 150°C），精度典型值 ±1.5°C（校准后）。
采样方式：需通过 ADC 的专用通道采样（如 STM32F1/F4 为 ADC_IN16，STM32L4 为 ADC_IN18）。
校准机制：芯片出厂时在 30°C 和 110°C（典型值）下的校准值存储在 Flash 的TS_CAL1/TS_CAL2地址，可通过公式换算实际温度。

1.3 核心驱动接口解析

你提供的 4 个接口函数是对硬件寄存器的封装，其底层操作对应 STM32 的 BGR/TempSensor 使能位（不同系列寄存器略有差异，如 STM32F4 的ADC_CCR寄存器、STM32L4 的PWR_CR2寄存器）：

///< 内部温度传感器使能/关闭：本质是置位/清零ADC控制寄存器的TSVREFE位 void Bgr_TempSensorEnable(void); void Bgr_TempSensorDisable(void); ///< BGR使能/关闭：本质是置位/清零BGR控制位（如VREFEN），同时为TempSensor供电 void Bgr_BgrEnable(void); void Bgr_BgrDisable(void);

关键注意点：启用 TempSensor 前必须先使能 BGR，否则温度传感器无供电，采样结果无效。

二、性能挖掘关键技巧

要充分发挥 BGR 和 TempSensor 的性能，需从精度优化、功耗平衡、时序控制三方面入手：

2.1 BGR 性能优化

确保 BGR 稳定时间BGR 使能后需要数十微秒的稳定时间（如 STM32F4 约 10μs），需在Bgr_BgrEnable()后延迟再启动 ADC 采样，否则会导致基准电压波动。
```
Bgr_BgrEnable(); delay_us(20); // 等待BGR稳定
```
电源与布线优化
- BGR 的参考电压输出端（若引出）需外接 0.1μF 陶瓷电容滤波，降低电源噪声；
- 模拟地与数字地单点连接，减少地弹噪声对 BGR 的干扰。
ADC 与 BGR 的匹配配置选择 ADC 的BGR 作为参考电压（而非 VDD），可大幅提升 ADC 采样精度。以 STM32F4 为例，需配置 ADC 的CR2寄存器的REFS位选择内部基准源。

2.2 TempSensor 精度与响应速度优化

利用出厂校准值校准温度换算的核心公式（以 STM32F4 为例）：\(T(°C) = \frac{(V_{TS} - V_{TS_CAL1}) \times (110 - 30)}{V_{TS_CAL2} - V_{TS_CAL1}} + 30\)其中，V_TS为 ADC 采样得到的温度传感器电压，V_TS_CAL1/V_TS_CAL2为 Flash 中存储的校准电压（对应 30°C 和 110°C）。
ADC 采样参数优化
- 增大 ADC 采样时间（如 STM32F4 设置为 239.5 个 ADC 时钟周期），减少采样噪声；
- 采用多次采样平均（如 16 次 / 32 次平均），降低随机误差；
- 选择 ADC 的 12 位高精度模式（而非快速模式）。
消除自热误差芯片持续高负载（如 CPU 满速运行、外设高功耗）会导致核心温度高于环境温度，若需测量环境温度，应在低功耗模式下短时间唤醒采样，采样后立即关闭 TempSensor 和 BGR。

2.3 低功耗场景下的功耗平衡

按需使能：仅在需要采样时调用Bgr_BgrEnable()和Bgr_TempSensorEnable()，采样完成后立即关闭，降低静态功耗；
低功耗模式配合：在 STOP 模式下，可关闭 BGR 和 TempSensor，仅保留 RTC 唤醒，唤醒后快速使能并采样，单次采样功耗可控制在微安级。

三、典型应用案例解析

结合实际工程需求，以下 4 个案例覆盖 BGR 和 TempSensor 的核心应用场景，并附关键代码实现。

案例 1：基于 BGR 的 ADC 高精度电压采集

场景：工业现场的模拟电压采集（如 0~5V 传感器信号），要求精度 ±1mV。核心思路：使用 BGR 作为 ADC 的参考电压，替代受电源波动影响的 VDD，提升采样精度。

关键代码实现

#include "stm32f4xx_adc.h" #include "bgr.h" // 包含你提供的BGR/TempSensor接口 #define ADC_CHANNEL_VIN ADC_Channel_0 // 模拟输入通道 #define BGR_VOLTAGE 1200 // BGR输出1.2V（单位：mV） #define ADC_RESOLUTION 4096 // 12位ADC分辨率 // 初始化ADC（以BGR为参考源） void ADC_Init_Voltage(void) { ADC_InitTypeDef ADC_InitStruct; ADC_CommonInitTypeDef ADC_CommonInitStruct; // 1. 使能BGR（必须先于ADC初始化） Bgr_BgrEnable(); delay_us(20); // 等待BGR稳定 // 2. ADC通用配置：选择内部BGR为参考源 ADC_CommonInitStruct.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent; ADC_CommonInitStruct.ADC_Prescaler = ADC_Prescaler_Div4; ADC_CommonInitStruct.ADC_DMAAccessMode = ADC_DMAAccessMode_Disabled; ADC_CommonInitStruct.ADC_TwoSamplingDelay = ADC_TwoSamplingDelay_5Cycles; ADC_CommonInit(&ADC_CommonInitStruct); // 3. ADC配置：12位精度，单次转换 ADC_InitStruct.ADC_Resolution = ADC_Resolution_12b; ADC_InitStruct.ADC_ScanConvMode = DISABLE; ADC_InitStruct.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE; ADC_InitStruct.ADC_ExternalTrigConvEdge = ADC_ExternalTrigConvEdge_None; ADC_InitStruct.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right; ADC_InitStruct.ADC_NbrOfConversion = 1; ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStruct); // 4. 配置输入通道 ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_CHANNEL_VIN, 1, ADC_SampleTime_239Cycles5); // 5. 使能ADC ADC_Cmd(ADC1, ENABLE); } // 读取输入电压（单位：mV） uint16_t ADC_Read_Voltage(void) { ADC_SoftwareStartConv(ADC1); // 启动软件触发转换 while(!ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_EOC)); // 等待转换完成 uint16_t adc_val = ADC_GetConversionValue(ADC1); // 换算实际电压：V_in = (adc_val * BGR_VOLTAGE) / ADC_RESOLUTION * 分压比 uint16_t voltage = (adc_val * BGR_VOLTAGE) / ADC_RESOLUTION * 5; // 假设分压比为1:5 return voltage; }

案例 2：片内温度实时监测与过热保护

场景：电机控制、电源管理等场景中，需监测 MCU 核心温度，当温度超过阈值时触发降频 / 关机保护。核心思路：通过 ADC 采样 TempSensor，结合出厂校准值计算温度，实现阈值判断和保护逻辑。

关键代码实现

#include "stm32f4xx_adc.h" #include "bgr.h" // Flash中校准值地址（STM32F4为例） #define TS_CAL1_ADDR ((uint16_t*)0x1FFF7A2C) // 30°C时的校准值 #define TS_CAL2_ADDR ((uint16_t*)0x1FFF7A2E) // 110°C时的校准值 #define TEMP_THRESHOLD 85 // 过热阈值：85°C // 初始化ADC采样温度传感器 void ADC_Init_TempSensor(void) { ADC_InitTypeDef ADC_InitStruct; ADC_CommonInitTypeDef ADC_CommonInitStruct; // 1. 使能BGR和温度传感器 Bgr_BgrEnable(); Bgr_TempSensorEnable(); delay_us(20); // 等待BGR和TempSensor稳定 // 2. ADC通用配置 ADC_CommonInitStruct.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent; ADC_CommonInitStruct.ADC_Prescaler = ADC_Prescaler_Div4; ADC_CommonInitStruct.ADC_DMAAccessMode = ADC_DMAAccessMode_Disabled; ADC_CommonInitStruct.ADC_TwoSamplingDelay = ADC_TwoSamplingDelay_5Cycles; ADC_CommonInit(&ADC_CommonInitStruct); // 3. ADC配置 ADC_InitStruct.ADC_Resolution = ADC_Resolution_12b; ADC_InitStruct.ADC_ScanConvMode = DISABLE; ADC_InitStruct.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE; ADC_InitStruct.ADC_ExternalTrigConvEdge = ADC_ExternalTrigConvEdge_None; ADC_InitStruct.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right; ADC_InitStruct.ADC_NbrOfConversion = 1; ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStruct); // 4. 配置温度传感器专用通道（ADC_IN16） ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_16, 1, ADC_SampleTime_239Cycles5); // 5. 使能ADC ADC_Cmd(ADC1, ENABLE); } // 读取MCU核心温度（单位：°C） int16_t TempSensor_Read_Temp(void) { ADC_SoftwareStartConv(ADC1); while(!ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_EOC)); uint16_t adc_ts = ADC_GetConversionValue(ADC1); // 读取出厂校准值 uint16_t ts_cal1 = *TS_CAL1_ADDR; uint16_t ts_cal2 = *TS_CAL2_ADDR; // 温度换算公式 int16_t temp = ((adc_ts - ts_cal1) * (110 - 30)) / (ts_cal2 - ts_cal1) + 30; return temp; } // 过热保护逻辑 void TempSensor_OverHeat_Protect(void) { int16_t temp = TempSensor_Read_Temp(); if(temp > TEMP_THRESHOLD) { // 触发保护：如降频、关闭外设、启动风扇等 RCC_PCLK1Config(RCC_HCLK_Div8); // CPU降频 LED_On(LED_ALARM); // 点亮报警灯 } else { LED_Off(LED_ALARM); } // 采样完成后关闭传感器，降低功耗 Bgr_TempSensorDisable(); Bgr_BgrDisable(); }

案例 3：温度补偿型电池电量监测

场景：锂电池供电设备中，电池电压随温度变化，需结合 TempSensor 实现温度补偿，提升电量估算精度。核心思路：采样电池电压（ADC）和芯片温度（TempSensor），通过锂电池的温度 - 电压曲线修正电量百分比。

核心逻辑

采样电池电压V_bat和芯片温度T；
根据锂电池特性，不同温度下的满电电压（4.2V）和欠压电压（2.8V）存在偏移，如低温（-20°C）时满电电压降至 4.1V；
基于温度补偿后的电压范围，计算实际电量百分比。

案例 4：低功耗模式下的温度巡检

场景：物联网传感器节点（如温湿度采集器），需在 STOP 模式下周期性唤醒，采集温度后再次休眠，要求平均功耗 < 10μA。核心思路：利用 RTC 定时唤醒，短时间使能 BGR/TempSensor 完成采样，随后立即关闭并进入 STOP 模式。

关键代码片段

#include "stm32f4xx_pwr.h" #include "stm32f4xx_rtc.h" // RTC定时唤醒初始化（每10秒唤醒一次） void RTC_WakeUp_Init(void) { // 省略RTC初始化代码，配置唤醒定时器为10秒 RTC_SetWakeUpCounter(RTC_WakeUpClock_CK_SPRE_16bits, 32768/10); RTC_WakeUpCmd(ENABLE); } // 低功耗温度采样主逻辑 void LowPower_Temp_Sample(void) { while(1) { // 1. 进入STOP模式，等待RTC唤醒 PWR_EnterSTOPMode(PWR_Regulator_LowPower, PWR_STOPEntry_WFI); // 2. 唤醒后，使能BGR和TempSensor Bgr_BgrEnable(); Bgr_TempSensorEnable(); delay_us(20); // 3. 采样温度 int16_t temp = TempSensor_Read_Temp(); // 4. 发送温度数据（如通过LoRa/蓝牙） LoRa_Send_Data(temp); // 5. 关闭BGR和TempSensor，降低功耗 Bgr_TempSensorDisable(); Bgr_BgrDisable(); } }

四、常见问题与解决方案

TempSensor 采样值偏差大
- 未使能 BGR：需确保Bgr_BgrEnable()先于Bgr_TempSensorEnable()调用；
- 未使用校准值：必须读取 Flash 中的TS_CAL1/TS_CAL2进行温度换算；
- ADC 采样时间不足：需设置至少 100 个 ADC 时钟周期的采样时间。
BGR 使能后 ADC 精度仍低
- 电源噪声干扰：在 VDD 和 GND 之间添加 10μF+0.1μF 滤波电容；
- ADC 参考源配置错误：确认 ADC 选择内部 BGR 而非 VDD 作为参考；
- 布线不合理：模拟信号走线远离数字高频线（如 SPI/USART）。
低功耗模式下功耗过高
- 未关闭 BGR/TempSensor：采样完成后必须调用Bgr_BgrDisable()和Bgr_TempSensorDisable()；
- 其他外设未关闭：采样时仅使能必要外设（ADC/BGR/TempSensor），其余外设（如 USART/SPI）全部关闭。

五、总结

STM32 的 BGR 和 TempSensor 是提升系统模拟精度、实现片上环境监测的关键资源，通过精准的校准、按需的使能控制和低功耗优化，可充分挖掘其性能潜力。在工业测控、物联网、电池管理等场景中，结合 BGR 的高精度基准和 TempSensor 的温度监测能力，能显著提升系统的可靠性和智能化水平。实际开发中需根据 STM32 具体系列（如 F1/F4/L4/G4）的硬件特性，调整校准公式和寄存器配置，确保模块性能最大化。