STM32 定時(shí)器觸發(fā) ADC 多通道采集，DMA搬運(yùn)至內(nèi)存

引言

ADC 的功能是將模擬信號(hào)采樣得到數(shù)字信號(hào)，而有些時(shí)候，我們需要使用到定時(shí)采樣，比如在計(jì)算一個(gè)采集的波形的頻率的時(shí)候，我們需要精確的知道采樣頻率，也就是 1 s 內(nèi)采集的點(diǎn)數(shù)，這個(gè)時(shí)候，就需要使用到定時(shí)采集。定時(shí)采樣有如下三種方法：

• 使用定時(shí)器中斷，每隔一段時(shí)間進(jìn)行 ADC 轉(zhuǎn)換，但是這樣每次都必須讀 ADC 的數(shù)據(jù)寄存器，非常浪費(fèi)時(shí)間。

• 把 ADC 設(shè)置成連續(xù)轉(zhuǎn)換模式，同時(shí)對(duì)應(yīng)的 DMA 通道開(kāi)啟循環(huán)模式，這樣 ADC 就一直在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集然后通過(guò) DMA 把數(shù)據(jù)搬運(yùn)至內(nèi)存。這樣進(jìn)行處理的話，需要加一個(gè)定時(shí)中斷，用來(lái)讀取內(nèi)存中的數(shù)據(jù)。

• 使用 ADC 的定時(shí)器觸發(fā) ADC 轉(zhuǎn)換的功能，然后使用 DMA 進(jìn)行數(shù)據(jù)的搬運(yùn)。這樣就只要設(shè)置好定時(shí)器的觸發(fā)間隔，就能實(shí)現(xiàn) ADC 定時(shí)采樣轉(zhuǎn)換的功能，然后使能 DMA 轉(zhuǎn)換完成中斷，這樣每次轉(zhuǎn)換完就會(huì)產(chǎn)生中斷。

本文，筆者將采用第三種方法進(jìn)行 AD 采集，使用 TIM 定時(shí)器觸發(fā) AD 采集，然后 DMA 搬運(yùn)至內(nèi)存。

ADC 簡(jiǎn)介

首先來(lái)看一下 ADC 的框圖：

在本文中，我們使用的是規(guī)則通道進(jìn)行轉(zhuǎn)換，這里要指出的一點(diǎn)是規(guī)則通道和注入通道兩者的區(qū)別，以下是關(guān)于兩種通道的說(shuō)明：

• 規(guī)則通道：我們平時(shí)使用的就是這個(gè)通道，就是規(guī)規(guī)矩矩的按照我們?cè)O(shè)定的轉(zhuǎn)換順序就行轉(zhuǎn)換的通道。

• 注入通道：注入通道可以理解為是插入，也就是插隊(duì)的意思，它是一種不安分的通道。它是一種在規(guī)則通道轉(zhuǎn)換的時(shí)候強(qiáng)行插入要進(jìn)行轉(zhuǎn)換的一種，它的存在就像是程序中的中斷一樣，換個(gè)角度說(shuō)，也就是注入通道只有在規(guī)則通道存在的情況下才會(huì)存在。

說(shuō)了規(guī)則通道和注入通道的區(qū)別之后，我們來(lái)看我們?cè)诒疚闹兴玫降囊?guī)則通道的觸發(fā)方式。我們最為常用的一種就是軟件觸發(fā)，即配置到 ADC 之后，就會(huì)自動(dòng)地進(jìn)行轉(zhuǎn)換，然后去讀 ADC 的數(shù)據(jù)寄存器就可以得到 ad 轉(zhuǎn)換得到的數(shù)值。還有一種方法就是外部觸發(fā)，而外部觸發(fā)又包括定時(shí)器觸發(fā)和外部 IO 觸發(fā)，在本文中，我們使用的是定時(shí)器觸發(fā)，通過(guò)上述的 ADC 功能框圖，我們可以知道 ADC 的定時(shí)器觸發(fā)又有如下幾種類型：

• TIM1_CH1 :定時(shí)器 1 的通道 1 的 PWM 觸發(fā)

• TIM1_CH2 : 定時(shí)器 2 的通道 2 的 PWM 觸發(fā)

• TIM1_CH3: 定時(shí)器 1 的通道 3 的 PWM 觸發(fā)

• TIM2_CH2 : 定時(shí)器 2 的通道 2 的 PWM 觸發(fā)

• TIM3_TRGO: 定時(shí)器 3 觸發(fā)，TRGO屬于內(nèi)部觸發(fā),不需要配置對(duì)應(yīng)的輸出IO腳.相當(dāng)于是TIM3的定時(shí)器內(nèi)部計(jì)數(shù)一樣,只是到了一定時(shí)間就觸發(fā)ADC轉(zhuǎn)換,而這個(gè)觸發(fā)的實(shí)現(xiàn),不依賴IO口的配置.

• TIM4_CH4 : 定時(shí)器 4 的通道 4 的 PWM 觸發(fā)

定時(shí)器配置

在進(jìn)行了上述簡(jiǎn)單的介紹之后，我們來(lái)具體到代碼的細(xì)節(jié)來(lái)看，本文采用的是 TIM4_CH4 進(jìn)行外部觸發(fā) ADC 采樣。首先來(lái)看 TIM 的配置，代碼如下：

void ADC1_External_T4_CC4_Init(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);

    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
    GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);

    TIM_TimeBaseInitTypeDef   TIM_TimeBaseStructure;
    TIM_OCInitTypeDef         TIM_OCInitStructure;

    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM4, ENABLE);

    /* Time Base configuration */
    TIM_TimeBaseStructInit(&TIM_TimeBaseStructure); 
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 72 - 1;          
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = sample_psc;       
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0x00;    
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;  
    TIM_TimeBaseInit(TIM4, &TIM_TimeBaseStructure);

    /* TIM1 channel1 configuration in PWM mode */
    TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1; 
    TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;                
    TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 60; 
    TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_Low;         
    TIM_OC4Init(TIM4, &TIM_OCInitStructure);

    TIM_CtrlPWMOutputs(TIM4, ENABLE);
    TIM_Cmd(TIM4, DISABLE);
}

在這里需要注意的是 和 sample_psc 是個(gè)變量，而這個(gè)變量可以通過(guò)調(diào)用庫(kù)函數(shù) TIM_SetIC4Prescaler(TIM_TypeDef* TIMx, uint16_t TIM_ICPSC) 重新配置 TIM 所產(chǎn)生的 pwm 的頻率，詳細(xì)的原理不在這里進(jìn)行贅述了，既然都能夠改變 TIM 產(chǎn)生的 PWM 的原理，那么也就能夠動(dòng)態(tài)地改變 ADC 的采樣頻率，也就是決定 ADC 在 1 s 中能夠采樣多少個(gè)點(diǎn)，具體的原理在后續(xù)指出。還有一個(gè)需要注意的地方是 TIM_Cmd(TIM4,DISABLE)，這里配置的是禁止 TIM 定時(shí)器使能，因?yàn)檫€有 ADC 和 DMA 還沒(méi)有進(jìn)行配置，因此，我們需要在 ADC 和 DMA 都配置好之后，再將 TIM4 進(jìn)行使能。

DMA 配置

因?yàn)楣P者所涉及到的 ADC 的具體應(yīng)用是這樣的，也就是通過(guò)定時(shí)器觸發(fā) ADC 采集，然后采集一定數(shù)量的點(diǎn)數(shù)之后，在這里筆者每個(gè) ADC 的通道是采集了 256 個(gè)點(diǎn)，然后對(duì)這 256 個(gè)點(diǎn)進(jìn)行處理，處理完畢之后，再以一定時(shí)間間隔再采集 256 個(gè)點(diǎn)，周而復(fù)始地進(jìn)行采集和處理。并且，這里需要的是同時(shí)采集 2 個(gè)通道的數(shù)據(jù)，每個(gè)通道采集 256 個(gè)點(diǎn)，也就是說(shuō)，我們一次性處理的是 256 * 2 = 512 個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，采集完成之后，再通過(guò) DMA 將數(shù)據(jù)其搬運(yùn)至內(nèi)存，因此，也就有了如下所示的 DMA 配置：

static void ADC1_DMA1_Init(void)
{
    DMA_InitTypeDef DMA_InitStructure;
    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;

    RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_DMA1, ENABLE);

    NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_1);

    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = DMA1_Channel1_IRQn;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
    NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);

    /* DMA1 Channel1 Configuration ----------------------------------------------*/
    DMA_DeInit(DMA1_Channel1);
    DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr = ADC1_DR_Address;
    DMA_InitStructure.DMA_MemoryBaseAddr = (uint32_t)ADC_ConvertedValue;
    DMA_InitStructure.DMA_DIR = DMA_DIR_PeripheralSRC;
    DMA_InitStructure.DMA_BufferSize = ADC_BUFF_LEN*2;
    DMA_InitStructure.DMA_PeripheralInc = DMA_PeripheralInc_Disable;
    DMA_InitStructure.DMA_MemoryInc = DMA_MemoryInc_Enable;
    DMA_InitStructure.DMA_PeripheralDataSize = DMA_PeripheralDataSize_HalfWord;
    DMA_InitStructure.DMA_MemoryDataSize = DMA_MemoryDataSize_HalfWord;
    DMA_InitStructure.DMA_Mode = DMA_Mode_Circular;
    DMA_InitStructure.DMA_Priority = DMA_Priority_High;
    DMA_InitStructure.DMA_M2M = DMA_M2M_Disable;
    DMA_Init(DMA1_Channel1, &DMA_InitStructure);

    DMA_ITConfig(DMA1_Channel1, DMA_IT_TC, ENABLE);

    /* Enable DMA1 channel1 */
    DMA_Cmd(DMA1_Channel1, ENABLE);
}

代碼比較直觀，都是一些相關(guān)的配置，這里所要指出的一點(diǎn)是在第五行配置了中斷服務(wù)函數(shù) DMA1_Channel1_IRQn,具體的思路就是當(dāng)采集的點(diǎn)數(shù)滿足設(shè)定的點(diǎn)數(shù)時(shí)，就進(jìn)入中斷服務(wù)函數(shù)進(jìn)行處理，在這里需要注意的是我們是從 ADC 外設(shè)將數(shù)據(jù)搬運(yùn)至內(nèi)存，所以DMA外設(shè)的地址是 ADC1 數(shù)據(jù)寄存器的地址，可以使用宏定義的方式定義如下：

#define ADC1_DR_Address    ((uint32_t)0x4001244C)

也可以直接取地址的方式設(shè)置，設(shè)置方式如下所示：

DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr = ( u32 ) ( & ( ADC_x->DR ) );

設(shè)置好外設(shè)的地址之后，我們就需要設(shè)置內(nèi)存的地址，在這里，因?yàn)槲覀円杉瘍蓚€(gè)通道的數(shù)據(jù)，并且每個(gè)通道要采集 256 個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，所以在這里定義了一個(gè)如下所示的二維數(shù)組：

uint16_t ADC_ConvertedValue[ADC_BUFF_LEN][2] = {0};

上述中的 ADC_BUFF_LEN 就是一個(gè)通道要采集的點(diǎn)數(shù)，也就是 256 個(gè)，2所代表的就是有兩個(gè)通道。在這里需要稍微思考的一下是二維數(shù)組的定義方式，為什么定義成的是 256 行 2 列 的二維數(shù)組，而不是 2 行 256 列的二維數(shù)組，我們來(lái)看一下 256 行 2 列的數(shù)組的布局如下：

根據(jù)二維數(shù)組的大小也解釋了 DMA 的 Buffer_size 是 ADC_BUFF_LEN * 2 ,同時(shí)，由于在下面設(shè)置了 內(nèi)存地址是遞增的，而又有兩個(gè)通道，那么他的轉(zhuǎn)換順序是這樣的，也就是先轉(zhuǎn)換通道 1 的值存入數(shù)組，然后再轉(zhuǎn)換通道 2 的數(shù)據(jù)存入數(shù)組，然后，以一定時(shí)間間隔地轉(zhuǎn)換 512 次，然后發(fā)生 DMA 中斷，這樣也就能夠說(shuō)明數(shù)組為什么是定義成 256 行 2 列了。

ADC 配置

在配置了定時(shí)器和 DMA 之后，我們接下來(lái)來(lái)進(jìn)行 ADC 的配置，上文中，我們配置的是使用 TIM4 的 4 通道產(chǎn)生 PWM 來(lái)觸發(fā) ADC 進(jìn)行采集，然后設(shè)置了 DMA 來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的搬運(yùn)，因此， ADC 模塊的配置如下所示：

void ADC_init(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);

    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1 | GPIO_Pin_2;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

    ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure;

    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1, ENABLE);

    /* ADC1 configuration ------------------------------------------------------*/
    ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;
    ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = ENABLE;
    ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE;
    ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_T4_CC4;
    ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;
    ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 2;
    ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure);

    RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div6); 
    ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_1, 1, ADC_SampleTime_239Cycles5); 
    ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_2, 2, ADC_SampleTime_239Cycles5);  

    ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);

    //外部觸發(fā)
    ADC_ExternalTrigConvCmd(ADC1, ENABLE);

    //使用DMA
    ADC_DMACmd(ADC1, ENABLE);

    //校準(zhǔn)ADC
    ADC_ResetCalibration(ADC1);
    while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1));

    ADC_StartCalibration(ADC1);
    while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC1));  

}

配置過(guò)程比較簡(jiǎn)單，沒(méi)有什么邏輯性可言，不在這里進(jìn)行贅述，這里需要指出的一點(diǎn)是因?yàn)槲覀冊(cè)O(shè)置的是 2 個(gè)通道的采集，所以，在這里應(yīng)該使能 ADC 的掃描模式，另一方面，我們采用的是 TIM 產(chǎn)生 pwm 觸發(fā) adc 進(jìn)行采集，所以要禁止 ADC 的連續(xù)轉(zhuǎn)換模式，這就是兩個(gè)需要注意的地方。

DMA 中斷服務(wù)函數(shù)

在前文我們說(shuō)了，我們通過(guò) pwm 觸發(fā) ADC 采集，當(dāng)采集了規(guī)定的點(diǎn)數(shù)之后，就會(huì)產(chǎn)生 DMA 中斷，然后在 DMA 中斷里面去處理數(shù)據(jù)，但是由于中斷服務(wù)函數(shù)的要求是執(zhí)行時(shí)間盡可能短，所以，我們可以在中斷服務(wù)函數(shù)里置位數(shù)據(jù)采集完成標(biāo)志位的方式來(lái)使得主程序進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，程序代碼如下所示：

void ADC1_DMA1_IT_Hander(void)
{    
    if (DMA_GetFlagStatus(DMA1_FLAG_TC1))
    {
        DMA_ClearITPendingBit(DMA1_FLAG_TC1);
        //rt_sem_release(adc_complete_sem);
        adc_complete_flag = 1;
    }
}

上述代碼中，被注釋掉的部分是釋放信號(hào)量，這個(gè)是使用 RTOS 是用來(lái)同步線程的一個(gè)操作，其功能與裸機(jī)的標(biāo)志位是相同的。

總結(jié)

上述便是本次分享的內(nèi)容，其實(shí)現(xiàn)的一個(gè)功能便是使用 PWM 觸發(fā) ADC 多通道采集，并使用 DMA 進(jìn)行搬運(yùn)，通過(guò)這樣子就可以精確地控制 ADC 的采樣頻率，也就是控制 1 s 鐘可以采集多少個(gè)點(diǎn)。最后，而這個(gè)采樣頻率就是 pwm 的頻率，但是為了更加精確的計(jì)算其真實(shí)的采樣頻率還應(yīng)該加上 ADC 通道的轉(zhuǎn)換一個(gè)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換時(shí)間，這樣才是最為精確的采樣頻率。在下一篇文章中，筆者將繼續(xù)介紹基于這篇文章的應(yīng)用，也就是根據(jù)采樣得到的點(diǎn)，計(jì)算波形的頻譜，計(jì)算波形的頻率。