STM32 HAL库实战:高效整合DMA与ADC开发指南

news2025/3/16 12:47:19

STM32 HAL库实战:高效整合DMA与ADC开发指南

一、DMA与ADC基础介绍

1. DMA:解放CPU的“数据搬运工”

DMA(Direct Memory Access) 是STM32中用于在外设与内存之间直接传输数据的硬件模块。其核心优势在于无需CPU干预,可显著提升系统效率。

  • 功能特点:

    • 支持存储器↔外设、存储器↔存储器的数据传输。

    • 多通道管理,每个通道独立控制一个外设的数据传输。

    • 传输完成后触发中断通知CPU。

  • 典型应用场景:

    • ADC多通道连续采样数据的自动存储。

    • 串口大数据收发、SPI/I2C通信等。

2. ADC:模拟世界的“数字翻译器”

ADC(Analog-to-Digital Converter) 负责将模拟信号(如电压、温度)转换为数字信号。STM32的ADC模块支持多通道、高精度采样。

  • 关键参数:

    • 分辨率:12位(0~4095)。

    • 采样速率:最高1MHz(STM32F1系列)。

    • 输入通道:16个外部通道 + 2个内部通道(温度传感器、VREF)。

  • 工作模式:

    • 单次转换、连续转换、扫描模式(多通道轮询)。

二、DMA+ADC整合开发步骤

1. 硬件与工程配置

硬件连接示例
  • ADC通道:PA1(通道1)接模拟输入(如MQ2烟雾传感器、电位器等)。
  • DMA通道:ADC1使用DMA1通道1(见STM32参考手册)。
    在这里插入图片描述
硬件代码配置
ADC基础配置
void adc_config(void)
{
    adc_handle.Instance = ADC1;
    adc_handle.Init.DataAlign = ADC_DATAALIGN_RIGHT;
    adc_handle.Init.ScanConvMode = ADC_SCAN_DISABLE;
    adc_handle.Init.ContinuousConvMode = ENABLE;
    adc_handle.Init.NbrOfConversion = 1;
    adc_handle.Init.DiscontinuousConvMode = DISABLE;
    adc_handle.Init.NbrOfDiscConversion = 0;
    adc_handle.Init.ExternalTrigConv = ADC_SOFTWARE_START;
    HAL_ADC_Init(&adc_handle);
    
    HAL_ADCEx_Calibration_Start(&adc_handle);
}
ADC硬件配置
void HAL_ADC_MspInit(ADC_HandleTypeDef* hadc)
{
    if(hadc->Instance == ADC1)
    {
        RCC_PeriphCLKInitTypeDef adc_clk_init = {0};
        GPIO_InitTypeDef gpio_init_struct = {0};
        
        __HAL_RCC_ADC1_CLK_ENABLE();
        __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
        
        gpio_init_struct.Pin = GPIO_PIN_1;
        gpio_init_struct.Mode = GPIO_MODE_ANALOG;
        HAL_GPIO_Init(GPIOA, &gpio_init_struct);
        
        adc_clk_init.PeriphClockSelection = RCC_PERIPHCLK_ADC;
        adc_clk_init.AdcClockSelection = RCC_ADCPCLK2_DIV6;
        HAL_RCCEx_PeriphCLKConfig(&adc_clk_init);
    }
}
ADC通道配置

void adc_channel_config(ADC_HandleTypeDef* hadc, uint32_t ch, uint32_t rank, uint32_t stime)
{
    ADC_ChannelConfTypeDef adc_ch_config = {0};
    
    adc_ch_config.Channel = ch;
    adc_ch_config.Rank = rank;
    adc_ch_config.SamplingTime = stime;
    HAL_ADC_ConfigChannel(hadc, &adc_ch_config);
}

DMA配置:
void dma_config(void)
{
    __HAL_RCC_DMA1_CLK_ENABLE();
    dma_handle.Instance = DMA1_Channel1;
    dma_handle.Init.Direction = DMA_PERIPH_TO_MEMORY;
    
    //内存相关配置
    dma_handle.Init.MemDataAlignment = DMA_MDATAALIGN_HALFWORD;
    dma_handle.Init.MemInc = DMA_MINC_ENABLE;
    
    //外设相关配置
    dma_handle.Init.PeriphDataAlignment = DMA_PDATAALIGN_HALFWORD;
    dma_handle.Init.PeriphInc = DMA_PINC_DISABLE;
    
    dma_handle.Init.Priority = DMA_PRIORITY_MEDIUM;
    dma_handle.Init.Mode = DMA_CIRCULAR;
    HAL_DMA_Init(&dma_handle);
    
    __HAL_LINKDMA(&adc_handle, DMA_Handle, dma_handle);
}

2. 关键代码实现

初始化并启动DMA
void adc_dma_init(uint32_t *mar)
{
    adc_config();
    adc_channel_config(&adc_handle, ADC_CHANNEL_1, ADC_REGULAR_RANK_1, ADC_SAMPLETIME_239CYCLES_5);
    dma_config();
    
    HAL_ADC_Start_DMA(&adc_handle, mar, 1);
}

在主函数中,调用该函数,DMA将会一直将值存放在mar所指的内存上。

3. 优化技巧与常见问题

提升ADC精度
  • 硬件优化:

    • 添加0.1μF滤波电容到ADC输入引脚。

    • 单独为VDDA和VSSA供电。

  • 软件优化:

    • 丢弃前几次采样值(避免电源不稳定)。
常见问题排查
  • 数据错位:检查DMA数据宽度(需与ADC对齐方式一致)。

  • 采样值跳动:增加采样时间或添加软件滤波(如滑动平均)。

  • DMA不触发:确认DMA通道与ADC的映射关系(参考数据手册)。

三、项目实战:DMA单通道采集(烟雾)

功能需求

  • 使用PA1烟雾报警模拟输入。
  • 每3秒计算一次并通过串口输出。

核心代码片段

#include "sys.h"
#include "delay.h"
#include "led.h"
#include "uart1.h"
#include "adc.h"


#define CAL_PPM  10  // 校准环境中PPM值
#define RL	     10  // RL阻值
#define R0	     97  // R0阻值

uint16_t adc_result = 0;
int main(void)
{
	 float RS ;
	 float ppm;
    HAL_Init();                         /* 初始化HAL库 */
    stm32_clock_init(RCC_PLL_MUL9);     /* 设置时钟, 72Mhz */
    led_init();                         /* 初始化LED灯 */
    uart1_init(115200);
    adc_dma_init((uint32_t  *)&adc_result);
    printf("hello world!\r\n");

    while(1)
    { 
//        printf("adc result: %f\r\n", (float)adc_result / 4096 * 3.3);
	  RS = (3.3f - (float)adc_result / 4096 * 3.3) / (float)adc_result / 4096 * 3.3 * RL;
	  ppm = 98.322f * pow(RS/R0, -1.458f);
		printf("adc result: %f\r\n", ppm);
        delay_ms(3000);
    }
}

四、总结

通过DMA+ADC的高效整合,开发者可以实现低CPU占用率的模拟信号采集系统。关键点在于:

  1. 合理配置ADC的扫描模式与DMA循环传输。
  2. 利用HAL库的中断回调机制处理数据。
  3. 通过硬件与软件优化提升信号质量。

掌握这一技术后,可轻松应对传感器数据采集、工业控制等高实时性场景的需求。

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