晓宇姐姐带你软硬结合，感受下ADC DMA采集多路电压电流的最佳姿势

原创芯片之家 2021-10-25 12:15

【应用手册】TI 全新MCU及C29内核的电动汽车应用方案 构建AI未来，Arm计算平台无处不在

作者：晓宇，排版：晓宇

微信公众号：芯片之家（ID：chiphome-dy）

在我们的电子设计中，经常需要对外部的模拟量进行采集，如一些传感器的输出量，电位器的旋转量等等，特别是电压电流的采集可以说是家常便饭，这些都离不开MCU最常用的外设，ADC，它可以将模拟量转换为数字量，量化后给MCU进行处理，稍微复杂一点的产品，往往需要多路模拟量采集，今天晓宇姐姐结合实际案例，跟大家一起分享一个我经常用的方案之一，通过定时器自动触发多路ADC进行电压电流的采集，并通过DMA传送数据到内存，在需要的时候，去内存读取数据并进行处理即可，小伙伴们，搞起来吧！

本次我们采集3路AD信号，一路电压，一路电流，还有一个电位器，方便观察数据。

硬件电路分析

图1：AD多路采集

1、首先来看电压采集跟电位器（模拟传感器信号）的采集，24V的电源电压需要分压，这两个电压都足够高，所以直接送到MCU的AD引脚即可，这里记得要并一个100nF的电容，作用是存储电荷的，ADC在快速充放电的时候，这个电容可以起到补给的作用，另外也有滤波的作用，所以这个一定要加。

2、电流的采集，这里用了一个经典的差分放大电路，放大原理就不细说了，大概就是经过运放的虚短，虚断等特性，这里方便计算，一般取R4+R5=R8+R9，R6=R10，最终的传递函数位Vout=（CURR_I - GND）* R6/（R4+R5），这里的放大倍数为10倍。

一般情况下，在将运算放大器的输入端连接到放大器，使用“反相”或“非反相”输入端放大单个输入信号，而另一个输入端接地，也是可以的，只是只能放大一个电平，这里用差分电路展示，上图的反向输入可以接其它电压，有时候我们需要放大的电压两端电势没有一个接地的，比如我们在母线电压输入端串联一个小电阻，分别将电阻两边的电压送到差分放大器，就可以实现母线电流的采集了。

软件分析

这里以STM32F051来举例说明，STM32F051包含一个分辨率为12位的ADC模块，所以采样精度能达到Vref/4096，同时具有19个ADC通道，其中16个外部采样通道和3个内部信号源。

我们一般需要配置引脚，分辨率，数据对齐，触发方式，采样方式，扫描方式等等，这里有一个规则通道跟注入通道之分，注入就是可以插队的意思，有一些时序精度要求很高的场合会用，一般场合用规则通道即可。

关于通道组，这里有一个点需要注意的是，一个通道组转换完才会进入中断，并不是单个通道，又因为MCU内部只有一个ADC_DR，所以有部分同学在开始配置多通道后发现采集的数据都不对，其实我们这样记就行了，如果是只采样一个通道，分单次转换模式跟连续转换模式（重复启动ADC），如果是规则多通道的采集，我们必须要使用扫描模式，而且，这里一定要开启DMA功能，DMA会在每个通道转换完之后，自动的把结果传到内存中。

图2：DMA简易示图

关于DMA，大家应该都有过了解了，DMA控制器依赖于处理器内核，但DMA不影响总线传输，因为DMA控制器总是在系统总线空闲的时候使用总线。该总线实现处理器和DMA控制器之间最优化设计，使两者之间的冲突降到最低，因此传输性能得到提高。如上图所示，我们配置完DMA之后，每次数据采集完毕，DMA会自动的帮MCU把数据运送到我们指定的内存空间，这个搬运不依赖于CPU时钟，所以也算是实现了并行操作，相比在主程序中开启采集，我们的MCU可以有更多的时间去计算运行别的东西。

关于触发，我们可以选择手动触发一次ADC采集，也可以通过定时器的中断去触发，这里强调一点，如果只是利用定时器的更新事件去触发ADC，我们也没必要开启更新中断，定时器会源源不断的产生更新事件。如果选择开启，可以在中断中执行一些操作，例如通过某些参数变化情况去改变AD采集的间隔时间。

我们采集3个通道的值，分别是通道4（VOL_AD）、通道11（CURR_O）、通道14（POT_AD)

下面上代码：

1、ADC IO 配置，配置为模拟输入

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;DMA_InitTypeDef DMA_InitStructure;ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure; NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure; 
/*-------ADC GPIO配置---------*/GPIO_InitStructure.GPIO_Pin  = CURR_O | POT_AD;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AN; //模拟输入GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL;GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStructure); GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = VOL_AD;GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

2、DMA配置，配置3个通道，所以内存中定义一个结构体存储DMA搬运过来的值

adc_sample_t adc_data;
DMA_InitTypeDef DMA_InitStructure;RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_DMA1,ENABLE);  //DMA时钟开启
/*-------DMA配置AD采集---------*/DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr = (uint32_t)&ADC1->DR;//外设基地，DMA搬运数据的地址 DMA_InitStructure.DMA_MemoryBaseAddr = (uint32_t)&adc_data;//内存基地址，DMA搬运数据放到内存的地址DMA_InitStructure.DMA_DIR = DMA_DIR_PeripheralSRC;//外设到内存，源是外设DMA_InitStructure.DMA_BufferSize = 3;//3个通道DMA_InitStructure.DMA_PeripheralInc = DMA_PeripheralInc_Disable;//外设地址不变，不自增DMA_InitStructure.DMA_MemoryInc = DMA_MemoryInc_Enable;//不同通道的数据，内存要自增DMA_InitStructure.DMA_PeripheralDataSize = DMA_PeripheralDataSize_HalfWord;//外设数据16位DMA_InitStructure.DMA_MemoryDataSize = DMA_MemoryDataSize_HalfWord;//内存数据16位DMA_InitStructure.DMA_Mode = DMA_Mode_Circular;//DMA循环模式DMA_InitStructure.DMA_Priority = DMA_Priority_Medium;//DMA优先级为中DMA_InitStructure.DMA_M2M = DMA_M2M_Disable;//内存到内存失能   DMA_Init(DMA1_Channel1,&DMA_InitStructure);
/*--------------DMA中断配置-----------------*/NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = DMA1_Channel1_IRQn;NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPriority = 1;NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);   DMA_ClearFlag(DMA1_FLAG_TC1);//清除传送完成中断标志DMA_ITConfig(DMA1_Channel1,DMA_IT_TC,DISABLE);//中断先不打开DMA_Cmd(DMA1_Channel1,ENABLE);

3、ADC配置，配置各项参数

/*-------ADC配置，用于采样电流，电压，电位器---------*/ADC_JitterCmd(ADC1,ADC_JitterOff_PCLKDiv4,ENABLE);//移除时钟为PCLKDiv4时在触发到启动转换延迟中产生的抖动RCC_ADCCLKConfig(RCC_ADCCLK_PCLK_Div4);//ADC时钟为PLCK的4分频。也就是12MHz       ADC_InitStructure.ADC_Resolution = ADC_Resolution_12b;//ADC的位数。这里选择12位ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE;//连续转换模式禁能ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConvEdge = ADC_ExternalTrigConvEdge_Falling;//触发沿为下降沿触发   ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv =  ADC_ExternalTrigConv_T1_CC4;//ADC的触发源为定时器1的第四通道ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;//数据对齐为右对齐ADC_InitStructure.ADC_ScanDirection = ADC_ScanDirection_Upward;//通道的扫描方向，由小到大扫描ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure);/*-------ADC通道及采样时间配置---------*/    ADC_ChannelConfig(ADC1,Vbus_VOLTAGE_CHANNEL, ADC_SampleTime_7_5Cycles);ADC_ChannelConfig(ADC1,Bridge_CURRENT_CHANNEL, ADC_SampleTime_7_5Cycles);ADC_ChannelConfig(ADC1,ELE_GUN_CHANNEL, ADC_SampleTime_7_5Cycles); /*-------使用ADC前需要先校准---------*/ADC_GetCalibrationFactor(ADC1);ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);/*-------------等待ADC准备好--------------*/while(!ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_ADRDY));/*-------------使能ADC的DMA传输功能--------------*/ADC_DMACmd(ADC1,ENABLE);/*-------------ADC的DMA模式配置--------------*/ADC_DMARequestModeConfig(ADC1,ADC_DMAMode_Circular);    ADC_StartOfConversion(ADC1);//开始转换

4、定时器配置，这里只开启通道4的下降沿触发ADC执行一次采集，想要更改采集的时间间隔更改通道4的占空比TIM1->CCR4即可。

/*------------------结构体变量---------------------*/GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;TIM_TimeBaseInitTypeDef  TIM_TimeBaseStructure;TIM_OCInitTypeDef  TIM_OCInitStructure;NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;/*------------定时器时钟开启---------------------*/RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_TIM1, ENABLE);   /*-------PWM GPIO配置---------*/GPIO_InitStructure.GPIO_Pin   = GPIO_Pin_11;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode  = GPIO_Mode_AF;GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd  = GPIO_PuPd_NOPULL;GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure); /*---------PWM复用引脚---------*/  GPIO_PinAFConfig(GPIOA, GPIO_PinSource11, GPIO_AF_2); /*-------PWM时基配置---------*/TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler= 0;TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode= TIM_CounterMode_Up;  TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period= 3199;//频率为15K，TIM1_Period = (SystemCoreClock / Frequnecy) - 1                       TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision= 0;TIM_TimeBaseStructure.TIM_RepetitionCounter= 0;TIM_TimeBaseInit(TIM1, &TIM_TimeBaseStructure);    /*-------PWM配置---------*/TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;//PWM模式一TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;//输出使能，可以在通道4引脚看到占空比波形    TIM_OCInitStructure.TIM_OutputNState = TIM_OutputNState_Disable;//互补通道输出禁能TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;//有效电平为高      TIM_OCInitStructure.TIM_OCNPolarity = TIM_OCNPolarity_High;//互补通道有效电平为高 TIM_OCInitStructure.TIM_OCIdleState = TIM_OCIdleState_Set;//空闲时输出高      TIM_OCInitStructure.TIM_OCNIdleState = TIM_OCNIdleState_Set;//互补通道空闲时输出高
/*---------初始化触发AD采样的时间---------*/    TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 100; //占空比TIM_OC4Init(TIM1, &TIM_OCInitStructure);/*------------通道4触发中断使能---------------*/    TIM_ITConfig(TIM1,TIM_IT_CC4,ENABLE);                              NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM1_CC_IRQn;          NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPriority = 2;                NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;                  NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);    
/*--------初始化先关闭定时器------------*/    TIM_Cmd(TIM1,DISABLE);/*--------使能PWM输出------------*/TIM_CtrlPWMOutputs(TIM1,ENABLE);

5、DMA中断，AD采集完一组数据，进入DMA中断

void DMA1_Channel1_IRQHandler(void){    uint32_t adc_value;    adc_value= adc_data.vol;    Flag.voltage = adc_value;//电压值    adc_value= adc_data.curr_o;    Flag.current = adc_value;//电流值    adc_value= adc_data.pot;    Flag.pot = adc_value;//电位器值    DMA_ClearFlag(DMA1_FLAG_TC1);}

6、定时器中断，可以不加，这里展示一下

void TIM1_CC_IRQHandler(void){    if(TIM_GetITStatus(TIM1, TIM_IT_CC4) != RESET)    {        TIM_ClearITPendingBit(TIM1, TIM_IT_CC4);        TIM1->CCR4 = 500; //这里可以更改ADC的采集间隔    }   }

7、头文件

#ifndef __ADC_H#define  __ADC_H
#include "stm32f0xx.h"
/*-----------ADC宏定义---------------*/#define ADC_POARTC      GPIOC#define CURR_O         GPIO_Pin_1      #define POT_AD         GPIO_Pin_4      
#define ADC_POARTA      GPIOA#define VOL_AD          GPIO_Pin_4      
#define CURR_O_CHANNEL ADC_Channel_11#define POT_CHANNEL    ADC_Channel_14#define VOL_CHANNEL    ADC_Channel_4
/*---------结构体定义-----------*/typedef struct {    uint16_t vol;     uint16_t curr_o;    uint16_t pot;    }adc_sample_t;
extern adc_sample_t adc_data;void ADC_DMA_Init(void);
#endif /* __ADC_H */

8、主程序中，全部初始化并且开启后，只需要从内存中读取三个值就可以了，想要更改采样的间隔时间就更改定时器1中通道4的占空比值。

/* * main.c * *      Created on: 20171229   *      @Author:  *      @version V1.0.0  *                        ,%%%%%%%%, *                      ,%%/\%%%%/\%% *                     ,%%%\c''''J/%%% *           %.        %%%%/ o  o \%%% *           `%%.      %%%%       |%%% *            `%%      `%%%%(__Y__)%%' *            //        ;%%%%`\-/%%%' *            ((      /   `%%%%%%%' *             \\     .'           | *              \\   /        \  | | *               \\/          ) | | *                \          /_ | |__ *                (____________))))))) ¹¥³ÇÊ¨ * */ float voltage, current; int main(void){       //一系列初始化后    //.....     //DMA中断使能    DMA_ITConfig(DMA1_Channel1,DMA_IT_TC,ENABLE);       //定时器1使能    TIM_Cmd(TIM1,ENABLE);    printf("HELLO ADC\r\n");    while (1)    {        voltage = Flag.voltage / 112.84f;  // (Flag.voltage*3.3*51.7)/(4096*4.7)        current = Flag.current / 4965;  //Flag.motor_current*((3.3/4096)/10)/0.4        pot = Flag.pot / 1241; //Flag.pot*3.3/4096                //数据处理        //...    }}

到这里，我们在配置好之后，基本上就不用管了，需要的时候就读取内存中数据的值就可以了，一切基本都是自动完成的，我们的主程序可以干更重要的事情。关于数据，这里只是展示一下，计算出的都是单次采集一组的值，大家可以根据自己的实际场景进行一些算法处理，如平均值采样法、递推平均值采样法等等，这里由于篇幅问题这里就不一一展开说了，关于ADC其实还有很多学问，下次再跟大家分享！

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