普冉（PUYA）单片机开发笔记(8): ADC-DMA多路采样

news2024/11/18 1:36:48

概述

上一个实验完成了基于轮询的多路 ADC 采样，现在尝试跑一下使用 DMA 的 ADC 多路采样。厂家例程中有使用 DMA 完成单路采样的，根据这个例程提供的模板，再加上在 STM32 开发同样功能的基础，摸索着尝试。

经过多次修改和测试，最终完成了在开发板上使用 DMA 的 三路 ADC 采样的功能，和各位码神分享。

实现代码

在 main.h 中增加和 ADC_DMA 相关的函数声明

利用 Keil 实现一个功能，无怪乎就是 xxx_init 进行初始化，然后在主循环中用 xxx_start， xxx_stop， xxx_action 这一类的函数实现预定功能。老套路，在 main.h 中增加

  • ADC_DMA_Init(void); // 初始化利用 DMA 的 ADC
  • ADC_DMA_Start(void); // 开始采样和搬运
  • ADC_DM_Sample(char *sampleResult); // 获取采样的当前值

的声明，至于如何实现的，main.h 中不用考虑，也不用做更多的 #define 和全局变量定义，代码解耦不是么，把这些函数用得到的（即使是全局变量）都放到各自的 .c 文件中去就好了。

/** ----------------------------------------------------------------------------
* @name   : void ADC_DMA_Init(void)
* @brief  : 使用 DMA 进行 ADC 的初始化
* @param  : [in] None
* @retval : [out] void
* @remark :
*** ----------------------------------------------------------------------------
*/
void ADC_DMA_Init(void);

/** ----------------------------------------------------------------------------
* @name   : HAL_StatusTypeDef ADC_DMA_Sample(char * sampleResult)
* @brief  : 从 DMA 获取 ADC 的采样结果，结果存放在 sampleResult 字符串中
* @param  : [in] None
* @retval : [out] HAL_HandleTypeDef. 操作成功返回 HAL_OK, 错误返回错误码。
* @remark : sampleResult 是格式化的字符串，需要解析
*** ----------------------------------------------------------------------------
*/
HAL_StatusTypeDef ADC_DMA_Sample(char* sampleResult);

/** ----------------------------------------------------------------------------
* @name   : HAL_StatusTypeDef ADC_DMA_Start(void);
* @brief  : 启动 ADC DMA 采样
* @param  : [in] None
* @retval : [out] HAL_HandleTypeDef. 操作成功返回 HAL_OK, 错误返回错误码。
* @remark : 
*** ----------------------------------------------------------------------------
*/
HAL_StatusTypeDef ADC_DMA_Start(void);

修改 py32_f0xx_hal_msp.c

重写（类似于 C++ 的 override）HAL_ADC_MspInit 函数。如果要用到定时器，中断，定时器，比较器等，都要在这个文件中加入（或者修改 HAL_xxx_MspInit 函数）。

/**
 * -----------------------------------------------------------------------
 * @name   : void HAL_ADC_MspInit(ADC_HandleTypeDef *hadc)
 * @brief  : 初始化 ADC 相关 MSP
 * @param  : [in] *hadc, ADC handler pointer
 * @retval : void
 * @remark :
 * -----------------------------------------------------------------------
*/
void HAL_ADC_MspInit(ADC_HandleTypeDef *hadc)
{
    if (hadc->Instance != ADC1) return;

    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};

    __HAL_RCC_SYSCFG_CLK_ENABLE(); // SYSCFG 时钟使能
    __HAL_RCC_DMA_CLK_ENABLE();    // DMA 时钟使能
    __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();  // GPIOA 时钟使能 
    __HAL_RCC_ADC_CLK_ENABLE();    // ADC 时钟使能

    /* ----------------
       ADC通道配置PA0/1/4
       ---------------- */
    GPIO_InitStruct.Pin  = GPIO_PIN_0 | GPIO_PIN_1 | GPIO_PIN_4;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_ANALOG;
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLDOWN;
    HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

    HAL_SYSCFG_DMA_Req(0);                                      // DMA1_MAP 选择为 ADC
    /* ------------
        DMA配置
       ------------ */
                    HdmaCh1.Instance = DMA1_Channel1;          // 选择DMA通道1
              HdmaCh1.Init.Direction = DMA_PERIPH_TO_MEMORY;   // 方向为从外设到存储器
              HdmaCh1.Init.PeriphInc = DMA_PINC_DISABLE;       // 禁止外设地址增量
                 HdmaCh1.Init.MemInc = DMA_MINC_ENABLE;        // 使能存储器地址增量
    HdmaCh1.Init.PeriphDataAlignment = DMA_PDATAALIGN_WORD;    // 外设数据宽度为16位
       HdmaCh1.Init.MemDataAlignment = DMA_MDATAALIGN_WORD;    // 存储器数据宽度位16位
                   HdmaCh1.Init.Mode = DMA_CIRCULAR;           // 循环模式
               HdmaCh1.Init.Priority = DMA_PRIORITY_MEDIUM;    // 通道优先级为很高
               
    HAL_DMA_DeInit(&HdmaCh1);                                  // DMA 清除初始化
    HAL_DMA_Init(&HdmaCh1);                                    // 初始化 DMA 通道1
    __HAL_LINKDMA(hadc, DMA_Handle, HdmaCh1);                  // 连接 DMA 句柄
}

以上代码中，

  1. 首先使能相关的时钟，DMA_CLK 不说了；用到了 ADC，那肯定要使能 ADC_CLK 的啦；还要用到模拟信号的输入管脚，ADC1 的 CH0/1/5 分别是 PA0/1/4，那么 GPIOA_CLK 也要使能。
  2. 然后把 PA0/1/4 初始化成模拟输入管脚，内部拉低。拉高和拉低对采样结果的影响还是蛮大的，“踩坑记”中有说明。
  3. 使用 HAL_SYSCFG_DMA_Req(0) 把 DMA1 映射成“为 ADC 做数据搬运”。这是厂家例程里的一条语句，但是这句话什么意思，厂家 HAL 库中没找到完整的说明，暂且不动它。
  4. 再下一步就是对 DMA1 的通道1进行初始化，代码先放到这里，“踩坑记”中对这些参数有说明的。
  5. 最后一步是使用 __HAL_LINKDMA() 将 ADC1 和 DMA1 的通道1关联起来。这句话挺特别的，挺底层的（两个下划线开始的函数呢）。

修改 py32_f0xx_hal_it.c

在 DMA1_Channel1_IRQHandler 中直接调用 HAL_DMA_IRQHandler；在 ADC_COMP_IRQHandler 中直接调用 HAL_ADC_IRQHandler。为什么要这么做呢？这里简短节说：顺着 HAL_Init，HAL_ADC_Init 和 HAL_ADC_Start_DMA 几个函数一路嵌套地 F12 下去，就能定位到上面的这两个函数。

void DMA1_Channel1_IRQHandler(void)
{
    HAL_DMA_IRQHandler(hadcdma.DMA_Handle);
}

void DMA1_Channel2_3_IRQHandler(void)
{
}

void ADC_COMP_IRQHandler(void)
{
    HAL_ADC_IRQHandler(&hadcdma);
}

在 app_adc.c 中实现相关函数

  1. 首先在文件的开头部分，增加几个全局变量
  2. 然后实现 ADC_DMA_Init() 函数、ADC_DMA_Start() 函数和 ADC_DMA_Sample() 函数。

对 ADCDMA handler 的参数说明，在“踩坑记”里。

/**
 * Variables for ADC loop sample with DMA
*/
#define DMA_SAMP_COUNT 3
ADC_HandleTypeDef hadcdma;
uint32_t adc_dma_value[DMA_SAMP_COUNT] = {0};
void ADC_DMA_Init(void)
{
    ADC_ChannelConfTypeDef adConfig = {0};
    
    __HAL_RCC_ADC_FORCE_RESET();
    __HAL_RCC_ADC_RELEASE_RESET();
    __HAL_RCC_ADC_CLK_ENABLE();    //ADC时钟使能

    hadcdma.Instance = ADC1;
    if (HAL_ADCEx_Calibration_Start(&hadcdma) != HAL_OK)                // ADC 校准
        Error_Handler();
    
    hadcdma.Instance                   = ADC1;
    hadcdma.Init.ClockPrescaler        = ADC_CLOCK_SYNC_PCLK_DIV1;      // 模拟ADC时钟源为PCLK，无分频
    hadcdma.Init.Resolution            = ADC_RESOLUTION_12B;            // 转换分辨率12bit
    hadcdma.Init.DataAlign             = ADC_DATAALIGN_RIGHT;           // 右对齐
    hadcdma.Init.ScanConvMode          = ADC_SCAN_DIRECTION_FORWARD;    // 扫描序列方向：0-12
    hadcdma.Init.LowPowerAutoWait      = ENABLE;                        // 等待转换模式开启
    hadcdma.Init.ContinuousConvMode    = ENABLE;                        // 连续转换
    hadcdma.Init.DiscontinuousConvMode = DISABLE;                       // 使能连续模式
    hadcdma.Init.ExternalTrigConv      = ADC_SOFTWARE_START;            // ADC 无外部事件
    hadcdma.Init.ExternalTrigConvEdge  = ADC_EXTERNALTRIGCONVEDGE_NONE; // 无硬件驱动检测
    hadcdma.Init.DMAContinuousRequests = ENABLE;                        // DMA 连续传输
    hadcdma.Init.Overrun               = ADC_OVR_DATA_OVERWRITTEN;      // 当过载发生时，ADC_DR 新值覆盖
    hadcdma.Init.SamplingTimeCommon    = ADC_SAMPLETIME_239CYCLES_5;    // 采样时间
    
    if (HAL_ADC_Init(&hadcdma) != HAL_OK)                               // ADC初始化
        Error_Handler();
    
    adConfig.Channel = ADC_CHANNEL_0; /* 配置 ADC 通道0 */
    adConfig.Rank    = ADC_RANK_CHANNEL_NUMBER;
    if (HAL_ADC_ConfigChannel(&hadcdma, &adConfig) != HAL_OK) Error_Handler();
    
    adConfig.Channel = ADC_CHANNEL_1; /* 配置 ADC 通道1 */
    adConfig.Rank    = ADC_RANK_CHANNEL_NUMBER;
    if (HAL_ADC_ConfigChannel(&hadcdma, &adConfig) != HAL_OK) Error_Handler();

    adConfig.Channel = ADC_CHANNEL_4; /* 配置 ADC 通道4 */
    adConfig.Rank    = ADC_RANK_CHANNEL_NUMBER;
    if (HAL_ADC_ConfigChannel(&hadcdma, &adConfig) != HAL_OK) Error_Handler();
    
    ADC_DMA_Start();
}

HAL_StatusTypeDef ADC_DMA_Start(void)
{
    for( uint8_t i = 0; i < DMA_SAMP_COUNT; i++) 
        adc_dma_value[i] = 0;
    
    if (HAL_ADC_Start_DMA(&hadcdma, &(adc_dma_value[0]), DMA_SAMP_COUNT) != HAL_OK)
        Error_Handler();
    
    return HAL_OK;
}

HAL_StatusTypeDef ADC_DMA_Sample(char* sampleResult)
{
    uint8_t i = 0;
    char res_part[20]={0};
    if(__HAL_DMA_GET_FLAG(DMA1->ISR, DMA_ISR_TCIF1))
    {
        sprintf(sampleResult, "[");
        for(i = 0; i< DMA_SAMP_COUNT; i++)
        {
            if(i > 0) strcat(sampleResult, ",");
            sprintf(res_part, "{\"C\":%d,\"D\":%4u}", i, adc_dma_value[i]);
            strcat(sampleResult, res_part);
        }
        strcat(sampleResult, "]");
        
        __HAL_DMA_CLEAR_FLAG(DMA1->ISR, DMA_IFCR_CTCIF1); 
    }
    
    return HAL_OK;
}

在 main.c 中调用

int main(void)
{
    HAL_Init();             // systick初始化
    SystemClock_Config();   // 配置系统时钟
    GPIO_Config();
    
    if(USART_Config() != HAL_OK) Error_Handler();         
    printf("[SYS_INIT] Debug port initilaized.\r\n");

    ADC_DMA_Init();
    printf("[SYS_INIT] ADC DMA initilaized.\r\n");
    
    printf("\r\n+---------------------------------------+"
           "\r\n|        PY32F003 MCU is ready.         |"
           "\r\n+---------------------------------------+"
           "\r\n         10 digits sent to you!          "
           "\r\n+---------------------------------------+"
           "\r\n");
           
    if (DBG_UART_Start() != HAL_OK) Error_Handler();

    char sres[64]={0};
    uint8_t sIndex = 0;
    while (1)
    { 
        BSP_LED_Toggle(LED3);
        
        if(sIndex % 2 == 0)
        {
            if(ADC_DMA_Sample(sres) == HAL_OK)
            {
                printf("%s\r\n", sres);
            }
        }
        
        sIndex ++;
        
        HAL_Delay(500);
    }
}

main() 函数中，只需要准备好一个足够长的字符串（也不能太长，要知道 RAM 总共就 8K字节）容纳采样结果就行了。本次实验中使用 JSON 串表示采样结果，64个字节了。MCU 编程中往往需要根据预期结果仔细地分配形参的尺寸，只要考虑完整，够用就行。本例中组装的 JSON 串，最大长度是 52 个字符，那么分配 53 个字节就行了（别忘记了末尾的那个 '\0'）。

运行结果

用杜邦线吧 PA0 和 PA1 都接 3.3V，PA4 悬空。编译烧录程序，在 XCOM 上观察打印的信息，截图如下：

运行结果符合设计预期，但明显有一个缺点就是上一轮运行“剩下”的部分字符串会遗留下来，采样结果字符串的第一行是无法用 JSON 解析的。（我先放自己一马 ;)

根据运行结果，得到 PA0/1 采样 VCC（3.3V）的电压平均值为

                 4085 * 3.3 /4096 = 3.291V

PA4 悬空，实测电压平均值为

                17 * 3.3 / 4096 = 0.014V = 14 mV

这个精度对于毫伏级测量还是不够的，实用中还是要加电压跟随器才好。

踩坑记

厂家例程完成单路采样，不少参数都需要修改，要不的话，结果不是错误，就是颠倒，甚至莫名其妙。

  • GPIO_InitStructure.Pull 属性设置为 PULLDOWN 更符合实用场景，悬空时为一个接近于 0 的采样值，这一点在上一个实验中也说明了。
  • 多路采样时，adc_dma_value（在 app_adc.c 中定义的全局变量） 要设置为和采样通道数相同维数的数组，uint32_t 类型的。
  • HdmaCh1.Init.MemInc （在 HAL_ADC_MspInit 函数中）设置成了 DMA_MINC_DISABLE，在多路采样时，要改为 DMA_MINC_ENABLE。如果不 ENABLE，第二次的采样值将总会把 adc_dma_value[0] 的值覆盖掉，而 adc_dma_value[1] 和 adc_dma_value[2] 中没有值。
  • 和 adc_dma_value 的字长对应，HdmaCh1.Init.PeriphDataAlignment（在 HAL_ADC_MspInit 函数中）要设置成 DMA_PDATAALIGN_WORD，即外设数据宽度为32位，酱紫的设置在采样程序中不需要对 adc_dma_value 进行 16 位的分割。同样地，HdmaCh1.Init.MemDataAlignment 也要设置成 DMA_MDATAALIGN_WORD。厂家例程是 HALFWORD，如果用在多路采样当中，每一个 adc_dma_value[x] 中高16位和地16位分别存放一个通道的采样值，需要用“位与”操作和 16 移位操作把这两个数取出来。
  • 在 ADC_DMA_Init 函数中完成的 hadcdma 的初始化参数中，以下设置是多路采样可以正确运行的唯一组合：
hadcdma.Init.ScanConvMode          = ADC_SCAN_DIRECTION_FORWARD;
hadcdma.Init.LowPowerAutoWait      = ENABLE;
hadcdma.Init.ContinuousConvMode    = ENABLE;
hadcdma.Init.DiscontinuousConvMode = DISABLE;
  1. hadcdma.Init.ScanConvMode 设置成 FORWARD 才能保证采样的数据搬运顺序和 adc_dma_value 数组的下标顺序相同，要是设置成 BACKWORD，adc_dma_value 的存放顺序就是 2，1，0了。
  2. ContinuousConvMode 必须 ENABLE，DiscontinuousCovMode 必须 DISABLE。
  • 必须按照本文的描述修改 py32f0xx_hal_it.c，不改不行，少改也不行，放错了地方更不行。如果不照文件写，程序不会卡死，但无法得到正确的结果——我在这个地方白白耗费了 N 多的时间。

改好以后，main.c 的主循环只管在需要的时候，判断是否转换完成。在转换完成时直接读取 adc_mda_value[i] （i=0，1，2）就可以了，这就是利用 DMA 的好处。本例每半秒钟读取一次 DMA 的更新结果，而采样时间只有

                Tsample = (239.5+12.5)/24 = 10.5 us

DMA 搬运三个 uint32_t 的数更是不在话下。运行了近半个小时，没有遇到读不出来的情况。回头再试试把采样前的 if 改为 while 看看会等待多长时间。

初次试用，谬误之处，欢迎评论，指正。

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