基于32单片机的16通道ADC的数据采集

Posted 2021-09-09 皇甫春云

基于32单片机的16通道ADC的数据采集

这个部分的内容，是作为外部模拟量部分的采集工作，按照任务要求，所设计的方案，需要完成以下指标：

• ADC必须能采集16通道的模拟量
• ADC的分辨率是16bit
• 采样率不小于20khz

由此分析可以得出，完成这个任务，对于H7系的MCU而言，性能 是绰绰有余的，可以保证上述指标的完美实现，但奈何手头的这个H7板子是借来的，所有只能花短暂的时间进行这个H7的ADC模块的调试。而长远考虑是要将数据的采集放在F4上来完成，所以这里提出了两种MCU类型的ADC多通道的数据采集方案的对比设计。

对于F4而言：

必须选择使用规则组的形式，进行多通道的模拟量采集，但是采集的精度只有12bit的分辨率，分辨率越高，则每个通道转换所需要的时间就越长。对于实验设计而言，需要先完成三个通道的数据正确采集后，再扩展更多通道的数据采集。即分为分辨率扩展和通道数目的扩展两个部分完成。

• ADC 主要特性

  这是F4的芯片手册的介绍
  ● 可配置 12 位、10 位、8 位或 6 位分辨率
  ● 在转换结束、注入转换结束以及发生模拟看门狗或溢出事件时产生中断
  ● 单次和连续转换模式
  ● 用于自动将通道 0 转换为通道“n”的扫描模式
  ● 数据对齐以保持内置数据一致性
  ● 可独立设置各通道采样时间
  ● 外部触发器选项，可为规则转换和注入转换配置极性
  ● 不连续采样模式
  ● 双重/三重模式（具有 2 个或更多 ADC 的器件提供）
  ● 双重/三重 ADC 模式下可配置的 DMA 数据存储
  ● 双重/三重交替模式下可配置的转换间延迟
  ● ADC 转换类型（参见数据手册）
  ● ADC 电源要求：全速运行时为 2.4 V 到 3.6 V，慢速运行时为 1.8 V
  ● ADC 输入范围：VREF- <VIN < VREF+
  ● 规则通道转换期间可产生 DMA 请求

通过阅读正点原子的开发教程和官方的芯片手册，按照任务指标的要求和自己开发的习惯上的考虑，我总结出了这些需要注意的问题：

1. F4内置的ADC的多通道模拟量数据采集中规则组的通道数最多是16个
2. 采集的分辨率最大是12bit
3. ADC1和ADC2均可
4. 触发方式是硬件边沿触发或者软件的逐次触发均可，用来启动ADC的转换
5. 扫描模式适用于多通道，单通道禁用
6. 连续转换，可以在启动ADC转换后，自动完成多次的数据采集
7. 初始化时的规则序列的长度这个参数指的是规则组中的通道数
8. ADC完成一组转换后，可以触发外部事件，形成中断等。
9. ADC的最大工作频率是36MHz
10. 单通道的数据转换时间是 Tconv= 采样时间 + 12个周期
11. 12bit的分辨率，故转换后的数值是3.3/2^12=3.3/4096=0.0008056640625
12. 此时钟来自于经可编程预分频器分频的 APB2 时钟
13. 如果转换过程足够慢，则可使用软件来处理转换序列。在这种情况下，必须将 ADC_CR2 寄 存器中的 EOCS 位置 1，才能使 EOC 状态位在每次转换结束时置 1，而不仅是在序列结束 时置 1。当 EOCS = 1 时，会自动使能溢出检测。因此，每当转换结束时，EOC 都会置 1，并且可以读取ADC_DR 寄存器。溢出管理与使用 DMA 时的管理相同。
14. 当转换的通道数目过多时，需要借助DMA来及时转移采集完成的数据，保证数据连续快速的采集。

F4中ADC引脚分布

对于H7而言：

也必须采用规则通道的形式进行模拟量的采集，它的分辨率支持16bit，规则组最多也只能是16通道。

• ADC的特性
  • 高性能特性
    – 多达 2 个 ADC，可在双重模式下运行
    – 可配置 16 位、14 位、12 位、10 位或 8 位分辨率
    – ADC 转换时间与 AHB 总线时钟频率无关
    – 可通过降低分辨率来缩短转换时间
    – 可管理单端输入或差分输入（可按通道进行编程）
    – AHB 从总线接口，可实现快速数据处理
    – 自校准（偏移校准和线性度校准）
    – 可独立设置各通道采样时间
    – 多达四条注入通道（对常规通道或注入通道的模拟输入分配完全可配置）
    – 硬件辅助准备注入通道的上下文，从而实现快速上下文切换
    – 数据对齐以保持内置数据一致性
    – 数据可由 GP-DMA 管理，基于 FIFO 实现常规通道转换
    – 数据可连接到 DFSDM 进行后期处理
    – 4 个专用数据寄存器供注入通道使用
  • 可通过以下方式启动转换过程：
    – 通过软件启动常规转换和注入转换
    – 通过极性可配置的硬件触发器（内部定时器事件或 GPIO 输入事件）启动常规转换
    和注入转换
  • 转换模式
    – 每个 ADC 均可转换单条通道，也可扫描一系列通道
    – 单次模式会在每次触发时对选定的输入执行一次转换
    – 连续模式可连续转换选定的输入
    – 不连续采样模式

因为H7的性能是要高于F4的ADC的，所以在寄存器的初始化上也就要比F4要复杂一点；而且使用的是HAL库，开发上也要比最开始的标准库函数要更简洁和容易。现总结如下：

1. 分辨率是16bit
2. 每个ADC的20个通道中分为4个快速通道，16个慢速通道
3. 分辨率不同对应的通道的转换时间不同

ADC的转换时序图：

经过查阅相关的数据手册，可以发现，对于多通道的数据采集，采用连续序列转换，转换效率会更高，而STM32又提供了硬件和软件两种触发方式，分别如下图所示：

针对这两种方式，需要仔细的品味其时序转换之间的关系，才能将ADC转换利用好，遂下面是详细的分析过程：

ADSTART和ADSTP是整个ADC运行过程中的使能使能信号，用来启动和停止ADC的运行；而EOC和EOS是转换指示信号，用来指示每个通道和每个序列转换是否完成；而ADC状态是当前ADC运行到哪一步了；最后是ADC_DR是数据寄存器，用来存放转换完成后的数据。

故通过软件使能ADC后，立刻开始转换，当EOC拉高后，证明当前的一个通道转换完成，可以借助软件启动第二次转换了。当EOS拉高后，说明当前的一个序列已经转换完成了。通过拉高ADSTP可以停止当前序列的转换，前提是必须等待到该序列的最后一个通道转换完成后，才可以拉高。

通过对比分析，可以发现和软件触发基本一致，只是多了一个TRGx信号，借助硬件边沿信号来启动ADC的转换。图中设置的是下降沿触发ADC。

首先借助软件初始化，使能ADC，即拉高ADCSTART信号，只有当ADSTP拉高时，才会失能ADC这个外设，停止一切通道的数据转换。EOC和EOS同上，用来指示当前通道和当前序列是否抓换完成。而在使能ADC后，只有TRGx的触发信号有效时，才会启动ADC序列的转换，转换完成后的数据被存储到 32 位 ADC_DR 寄存器中。故转换后，需要将数据及时的读出到缓存中，以防数据被覆盖。

在不使用 DMA 的情况下管理转换序列：
如果转换过程足够慢，则可使用软件来处理转换序列。在这种情况下，软件必须使用 EOC 标 志及其相关中断来处理各个数据。每当转换结束时，EOC 都会置 1，并且可以读取 ADCx_DR 寄存器。OVRMOD 应配置为 0，以便将溢出事件作为错误进行管理。

在使用 DMA 的情况下管理转换序列：

由于转换得出的通道值会存储到唯一的数据寄存器中，因此，对于多个通道的转换，使用DMA 非常有帮助。这样可以避免丢失在下一次写入之前还未被读出的 ADCx_DR 寄存器中 的数据。

使用DMA来完成转换后数据的传送和存储

使用 DMA 管理转换
由于转换得出的通道值会存储到唯一的数据寄存器中，因此，对于多个通道的转换，使用DMA 非常有帮助。这样可以避免丢失在下一次写入之前还未被读出的 ADCx_DR 寄存器中 的数据。
DMA 模式使能时（单 ADC 模式下 ADCx_CFGR 寄存器中的 DMNGT 位 = 01 或 11，或者 双重 ADC 模式下 MDMA 不为 0b00），会在每次通道转换后生成 DMA 请求。这样便可将转 换的数据从 ADCx_DR 寄存器传输到用软件选择的目标位置。
尽管如此，如果因 DMA 无法及时处理 DMA 传输请求而发生溢出 (OVR=1)，ADC 会停止生 成 DMA 请求，新转换对应的数据不会通过 DMA 进行传输。这意味着可将传输到 RAM 的所 有数据都视为有效数据。
根据 OVRMOD 位的配置，可保留或覆盖数据。
DMA 传输请求会禁止，直至软件将 OVR 位清零。
根据应用用途的不同，推荐使用两种不同的 DMA 模式（在单 ADC 模式下，使用 ADCx_CFGR 寄存器中的 DMNGT 位配置；在双重 ADC 模式下，使用 ADCx_CCR 寄存器中的 DAMDF 位配置）：
DMA 单次模式（DMNGT 位 = 01）。
如果通过编程将 DMA 设置为传输固定数目的数据，应选择此模式。
DMA 循环模式（DMNGT 位 = 11）
如果在循环模式下对 DMA 进行编程，应选择此模式。
DMA 单次模式 (DMNGT=01)
在该模式下，每次出现新的转换数据时，ADC 都会生成 DMA 传输请求，DMA 到达最后一 个 DMA 传输操作时（发生 DMA_EOT 中断，请参见 DMA 一段），即使转换已再次开始， ADC 也会停止生成 DMA 请求。
DMA 传输完成后（在 DMA 控制器中配置的所有传输操作均已完成后）：
ADC 数据寄存器的内容会冻结。
~ 任何正在进行的转换都会中止，其部分结果会被丢弃。
~ 不会将任何新的 DMA 请求发送到 DMA 控制器。如果仍存在已开始的转换，这样可避
免生成溢出错误。
~ 扫描序列会停止并复位。
~ DMA 会停止。
DMA 循环模式 (DMNGT=11)
在该模式下，每次数据寄存器中出现新的转换数据时，ADC 都会生成 DMA 传输请求，即使 DMA 已到达最后一次 DMA 传输操作也不例外。这样可将处于循环模式的 DMA 配置为处理 连续的模拟输入数据流。