STM32笔记：ADC的采样（软件/TIM+DMA）
STM32笔记：ADC的采样（软件/TIM+DMA）
STM32系列微控制器是意法半导体（STMicroelectronics）推出的一款高性能、低成本的32位微控制器，广泛应用于各种嵌入式系统中。其中，ADC（模数转换器）是STM32的重要外设之一，用于将模拟信号转换为数字信号，是实现各种测量和控制功能的基础。本文将详细介绍STM32F407系列微控制器的ADC采样技术，包括软件触发、定时器触发和DMA模式的配置和使用。
ADC采样速率最大化
ADC主频介绍
STM32F407的ADC连接在APB2总线上的PCLK线上，支持的最大时钟为36 MHz。PCLK时钟是由HCLK固定的二分频得到，因此如果总线频率设置为168 MHz，APB2只能得到84 MHz，这会导致ADC内部再分频时无法得到36 MHz。因此，需要将HCLK设置为144 MHz，这样可以得到72 MHz，进而ADC二分频得到36 MHz。
此时，如果设置ADC的转换周期为15个时钟周期，就可以得到理论最大采样率为：
$$
\frac{36}{15} = 2.4 \text{ MHz}
$$
2.4 MHz极限采样率
要实现2.4 MHz的极限采样率，需要使用定时器+DMA的方式。定时器用于使采样间隔一致可控，DMA则用于数据搬运，避免CPU参与。
参数设置
ADC
时钟频率：36 MHz
分辨率：8位（11个ADC时钟周期）
采样时间：3个时钟周期
采一个点最快需要11个时钟周期，理论最大采样率为：
$$
\frac{36}{11} \approx 3.27 \text{ MHz}
$$定时器
时钟频率：72 MHz（APB1）
预分频器：3
计数器周期：8
实际速率为：
$$
\frac{72}{4 \times 9} = 2 \text{ MHz}
$$
实际测试
实际测试发现，测得的数据确实为2 MHz。输入100 kHz的信号时，一个周期可以测得20个点。
软件触发转换
ADC设置
选择了ADC2的Channel 7，这个可以随意选择。将External Trigger Conversion Source设置为by software（软件触发）。
代码部分
- MX_ADC2_Init：CubeMX会自动帮我们生成ADC的Init函数。
- HAL_ADC_Start(&hadc2)：手动启动ADC的转换，启动时会有校准的时间，所以第一次启动时所需要的时间会长一些。如果只测一次，则使用完后用HAL_ADC_Stop(&hadc2)来关闭，否则不用关闭，它会一直转换。
- HAL_ADC_PollForConversion(&hadc2, 200)：这个函数用来检测ADC转换是否完成，如果完成就返回HAL_OK，之后就可以用HAL_ADC_GetValue(&hadc2)读出ADC内部寄存器dr的值了。其中第二个参数是允许等待ADC转换完成的时间，即超时时间。
用软件触发读取多数据的代码编写思路
for (i = 0; i < FFT_LENGTH; i++) /* 生成信号序列 */
{
dac_value = dac_vol * 4095 / 3.3;
HAL_ADC_Start(&hadc2);
while (HAL_ADC_PollForConversion(&hadc2, 200) != HAL_OK)
{
}
uint32_t adc_value = HAL_ADC_GetValue(&hadc2);
uint32_t Volt = 3300 * adc_value >> 12;
printf("%d\r\n",Volt);
fft_inputbuf[2 * i] =Volt; /* 生成输入信号实部 */
fft_inputbuf[2 * i + 1] = 0; /* 虚部全部0 */
}
arm_cfft_radix4_f32(&scfft, fft_inputbuf); /* FFT计算（基4） */
arm_cmplx_mag_f32(fft_inputbuf, fft_outputbuf, FFT_LENGTH); /* 把运算结果复数求模得幅 */
for (i = 0; i < FFT_LENGTH; i++)
{
printf("fft_outputbuf[%d]:%f\r\n", i, fft_outputbuf[i]);
}
重点是这一句：
while (HAL_ADC_PollForConversion(&hadc2, 200) != HAL_OK)
{
}
即如果没转换完成，就一直卡在while里。
软件触发的问题
似乎用软件触发会使得采样率提不上来。如果想要较高采样率，可以用TIM触发，如果想要极限采样率，则用DMA搬运数据。
定时器TRGO信号触发转换
定时器设置
- Clock Source设置为internal Clock
- Prescaler和Counter Period根据时钟频率和定时器期望周期计算得到
- auto-reload preload关闭，否则更新不能及时生效
- TriggerOutput(TRGO) Parameters设置
- 主从模式关闭（我也不知道这是干嘛的）
- Trigger Event Selection
- 这个是设置什么东西会产生TRGO信号
- 设置为UEV事件的产生会产生TRGO信号，这样就使得计数器记满一个周期后，就有一个TRGO信号传给ADC进行转换
- TRGO是一个短的脉冲信号
- TIM3的全局中断不打开
ADC设置
- 打开任意一个ADC的任意一个通道，我这里打开ADC2-IN7
- Mode模式设置为独立模式
- Continuous Conversion Mode
- 开启了之后，ADC无需Start，ADC会自动连续转换
- 问题：此时ADC转换的速率是不是可以拉到最快？也就是2.4M极限不用tim触发，用这个模式配合dma
- HAL ADC连续转换模式
- End Of Conversion Selection
- 有两个选项
- 一个通道转换完成就发出转换完成信号（HAL_OK）
- 所有通道转换完成才发出转换完成信号
- 这里设置为一个通道就发出，因为我只开了一个通道
- External Trigger Conversion Source
- 这个是用来设置触发ADC转换的方式的
- 常用的有软件触发
- 我们这里使用Timer3的TRGO信号触发
- External Trigger Conversion Edge
- TRGO信号是一个短时的正脉冲
- 我们这里设置脉冲的上升沿触发转换
- 打开ADC的全局中断
- 注意：ADC1-2-3共用一个全局中断，即一个中断号ISR
NVIC设置
最后来到NVIC，设置ADC和滴答定时器的中断优先级。
代码流程
- HAL_ADC_GetValue(&hadc2)：这个函数是在adc转换完成之后，将adc的值读出来
- HAL_ADC_Start_IT(&hadc2)：将ADC以中断方式启动，即ADC开始测量
- HAL_TIM_Base_Start(&htim3)：开启定时器的函数，执行后定时器就开始计时了
- HAL_ADC_IRQHandler：ADC的中断函数，即ADC采集转换完成后，执行这个中断函数
- __weak void HAL_ADC_ConvCpltCallback(ADC_HandleTypeDef * hadc)：这个函数在HAL_ADC_IRQHandler里，是ADC转换完成的回调函数，用户在需要编写在ADC转换完成后需要执行什么操作
由于多个ADC共用一个中断号，所以他们的中断回调函数也是相同的，我们在编写这个函数的时候需要首先判断传入的hadc是哪个，再在if里执行对应的操作
这个函数有时候编写的时候在main函数里会识别不出来，然后编译就报错，点击报错会跳转到一个error handler的函数，这个时候没有别的办法，只能把整个工程删除重开，就会好了（这个bug浪费了我一整天事件，不过似乎也有可能是因为我确实漏看了某个括号）
ADC的DMA模式
CubeMX配置
Timer
Timer部分很熟悉了，就不再详细说了
ADC
这里着重介绍一下DMA Continuous Requests和Continuous Conversion Mode
- DMA Continuous Requests（这个理解好像不对）
- 例如，HAL_ADC_START_DMA (&hadc 1, (uint 32_t *) buf, 200) 这个语句，使用ADC1和DMA，数据放入buf数组内，放200个数据。如果DMA连续请求去能的话，这个语句传完200个数据后自动关闭ADC1和DMA。反之，使能后，语句执行完后会又会连续从头开始传输数据，实际为buf数组中的值一直在更新
- Continuous Conversion Mode
- 开了这个会连续触发采样，一般在软件触发里常用；但是开了定时器就不需要了
- 如果开了软件，开了这个，那么start一次后ADC还会一直采样；如果开了软件，没开这个，那么start一次以后ADC不会采样，需要手动start（换句话说，采样一次完成后ADC会自动stop）
- ADC还需要
- 开启NVIC，从而在DMA的buffer满了以后，触发ADC的中断回调函数
- 开启DMA，设置ADC传输数据的DMA通道
NVIC与DMA
- 开启ADC的NVIC
- 创建一个DMA通道
- 添加一个通道
- 添加完成
- 模式
- 分为normal和circular
- normal指buffer满了以后，就停止DMA传输了，即只传一次；circular指循环传输，即满了以后从头开始再传输，覆盖以前的内容
- 地址自增
- 第一个是外设地址自增，本次ADC的数据寄存器只有dr一个，即采集到的电压，所以不需要自增，始终读取该值即可
- 第二个是内存地址自增，即DMA传输到的地址是否自增，我们进行fft，这里需要传入1024个数据，即buffer的大小是1024，所以肯定要地址自增，才能让数据一个一个的按顺序传入buffer
- 传输的数据宽度
- 数据宽度和传入的内存地址的类型有关，我们这里是uint32_t，所以就选word（一个字）；如果是uint16_t或者uint8_t之类的，就选half word或者byte就行
具体流程的理解（ADC的DMA模式流程图）
我先hal_adc_start_dma，然后hal_time_base_start，然后定时器产生trgo信号后就会自动adc采集，adc采集完成就会自动把数据搬运到缓冲区，缓冲区满了以后adc就自动停止了，进到adc的中断处理函数void HAL_ADC_ConvCpltCallback (ADC_HandleTypeDef* hadc)了，这个也是我们需要重写的回调函数
- 如果我不想让DMAcircular采集，而是DMA模式手动控制采集了一轮以后继续采集的话，调整成normal之后再把hal_adc_start_dma重新开启，不过可能需要先手动stop一下？（HAL_ADC_Stop_DMA）（待定）