STM32F4多通道DMA ADC详解

原创于 2025-11-04 15:04:00 发布 · 379 阅读

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#STM32F4 #ADC #DMA #多通道采样 #定时器触发 #HAL库

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STM32F4 多通道 DMA ADC 技术深度解析

在工业自动化、电机控制乃至医疗监测设备中，常常需要同时采集多个模拟信号——温度、压力、电流、电压……这些传感器输出的模拟量必须被高速、精确地转换为数字数据，并以最小的 CPU 开销完成处理。如果每个采样都依赖中断或轮询，系统很快就会陷入频繁的上下文切换泥潭，实时性荡然无存。

这时候，一个经典而强大的组合浮出水面： STM32F4 的多通道 ADC 配合 DMA 与定时器触发 。这套机制让整个数据采集过程几乎完全脱离 CPU 干预，真正实现了“启动之后，自动运行”。

以 STM32F4 系列为例，它基于 ARM Cortex-M4 内核，不仅具备浮点运算能力，其 ADC 和 DMA 外设的协同设计更是为高性能数据采集提供了硬件级支持。当我们将 ADC 设置为扫描模式，由定时器周期性触发，再通过 DMA 自动将结果搬运到内存缓冲区时，就构建了一个高效、稳定、低延迟的采集流水线。

这不仅仅是“节省几个中断”的小优化，而是从架构层面重构了数据流路径——从“CPU 主动抓取”变为“外设主动推送”，从而释放出宝贵的 CPU 资源用于算法处理、通信协议或用户交互。

STM32F4 内置最多三个独立的 12 位逐次逼近型（SAR）ADC 模块（ADC1/2/3），每个模块支持多达 19 个输入通道，其中包括 16 个外部引脚通道以及内部通道如 Vrefint 、 Vbat 和 Temperature Sensor 。这种灵活性使得单颗芯片即可胜任多种传感器融合的应用场景。

关键在于如何组织这些通道的采集顺序。通过配置 规则组序列（Regular Group Sequence） ，我们可以定义一个多通道扫描流程。比如：

第1个采样：PA0（通道0）
第2个采样：PA1（通道1）
第3个采样：PA2（通道2）
第4个采样：PA3（通道3）

一旦启动连续扫描模式（Scan Mode + Continuous Conversion），ADC 就会按照这个预设顺序依次完成一轮转换。每完成一个通道的转换，就会产生一个“转换结束”（EOC）标志；而整轮所有通道完成后，则标志着一次完整的“序列结束”（EOS）。

但重点来了：如果我们不使用 DMA，就必须在每次 EOC 或 EOS 发生后通过中断或轮询读取 ADC_DR 寄存器，这不仅耗费 CPU 时间，还容易因响应延迟导致数据丢失或抖动。

解决之道就是启用 DMA 请求 。只要在 ADC 初始化中开启 DMAContinuousRequests ，每当有新的转换结果写入 ADC_DR ，硬件就会自动向 DMA 控制器发出传输请求。整个过程无需软件参与，连中断都不必触发——除非你希望在缓冲区满时得到通知。

当然，这一切的前提是正确配置 ADC 时钟。STM32F4 的 ADC 时钟来源于 APB2 总线（通常为 84MHz），需经过分频器降频至安全范围。官方手册明确规定，ADCCLK 不得超过 30MHz（具体限制视供电电压而定）。因此常见配置为：

hadc1.Init.ClockPrescaler = ADC_CLOCK_SYNC_PCLK_DIV4; // 84MHz / 4 = 21MHz

过高的 ADC 时钟会导致采样精度下降甚至转换失败，尤其是在高分辨率模式下更为敏感。此外，不同通道之间的切换也需要足够的 采样时间（Sampling Time） 来确保前一通道的残留电荷充分放电，避免串扰。对于高阻抗信号源（如某些温感探头），建议设置更长的采样周期，例如 ADC_SAMPLETIME_480CYCLES 。

值得一提的是，STM32F4 还支持 双重或三重 ADC 模式 ，允许两个甚至三个 ADC 并行工作，进一步提升吞吐率。例如，在交替模式下，ADC1 和 ADC2 可轮流执行转换，理论上可将总采样率提高到 7.2 MSPS。不过这类高级用法对 PCB 布局和电源噪声控制提出了更高要求，适合追求极致性能的专业应用。

DMA 在这里扮演的角色，就像是一个不知疲倦的数据搬运工。STM32F4 配备了两个 DMA 控制器（DMA1 和 DMA2），共 16 个通道，能够管理包括 ADC、UART、SPI 等在内的多种外设数据流。

针对 ADC 场景，我们通常将 DMA 配置为以下特性：

传输方向 ：外设到内存（Peripheral to Memory）
外设地址 ：固定（指向 ADC1->DR ）
内存地址 ：递增（指向用户定义的缓冲区数组）
数据宽度 ：半字（Half Word，即 16 位，匹配 12 位 ADC 输出左/右对齐格式）
工作模式 ：循环模式（Circular Mode）

其中最核心的一点是 循环模式（Circular Mode） 。这意味着当 DMA 完成预设数量的数据传输后，并不会停止，而是自动回到缓冲区起始位置重新开始覆盖旧数据。这对于持续不断的流式采集非常理想，开发者只需关注何时读取有效数据，而不必担心缓冲区溢出或重启传输。

举个例子，假设我们定义了一个大小为 1024 的 uint16_t 缓冲区：

#define SAMPLE_BUFFER_SIZE  1024
uint16_t adc_buffer[SAMPLE_BUFFER_SIZE];

并启动 DMA：

HAL_ADC_Start_DMA(&hadc1, (uint32_t*)adc_buffer, SAMPLE_BUFFER_SIZE);

此时，DMA 会在后台持续接收来自 ADC 的转换结果，并依次填入 adc_buffer[0] 到 adc_buffer[1023] 。一旦填满，立即从 adc_buffer[0] 继续写入——整个过程全自动。

更进一步，为了实现边采集边处理，可以启用 DMA 半传输中断（HTIF） 和 全传输中断（TCIF） 。这样，当缓冲区一半被写满时（即第 512 个样本完成），触发 HT 中断；全部写满时触发 TC 中断。利用这两个事件，主程序可以分段读取数据进行滤波、FFT 或上传上位机，形成典型的双缓冲流水线结构。

下面是实际开发中常见的初始化代码片段（基于 HAL 库）：

// ADC 初始化
hadc1.Instance = ADC1;
hadc1.Init.ClockPrescaler        = ADC_CLOCK_SYNC_PCLK_DIV4;
hadc1.Init.Resolution            = ADC_RESOLUTION_12B;
hadc1.Init.ScanConvMode          = ENABLE;
hadc1.Init.ContinuousConvMode    = ENABLE;
hadc1.Init.ExternalTrigConvEdge  = ADC_EXTERNALTRIGCONVEDGE_RISING;
hadc1.Init.ExternalTrigConv      = ADC_EXTERNALTRIGCONV_T2_TRGO;
hadc1.Init.DataAlign             = ADC_DATAALIGN_RIGHT;
hadc1.Init.NbrOfConversion       = 4;
hadc1.Init.DMAContinuousRequests = ENABLE;

HAL_ADC_Init(&hadc1);

// 配置四个通道
ADC_ChannelConfTypeDef sConfig = {0};
sConfig.SamplingTime = ADC_SAMPLETIME_15CYCLES;

sConfig.Channel = ADC_CHANNEL_0; sConfig.Rank = 1; HAL_ADC_ConfigChannel(&hadc1, &sConfig);
sConfig.Channel = ADC_CHANNEL_1; sConfig.Rank = 2; HAL_ADC_ConfigChannel(&hadc1, &sConfig);
sConfig.Channel = ADC_CHANNEL_2; sConfig.Rank = 3; HAL_ADC_ConfigChannel(&hadc1, &sConfig);
sConfig.Channel = ADC_CHANNEL_3; sConfig.Rank = 4; HAL_ADC_ConfigChannel(&hadc1, &sConfig);

// DMA 初始化
__HAL_RCC_DMA2_CLK_ENABLE();

hdma_adc1.Instance                 = DMA2_Stream0;
hdma_adc1.Init.Channel             = DMA_CHANNEL_0;
hdma_adc1.Init.Direction           = DMA_PERIPH_TO_MEMORY;
hdma_adc1.Init.PeriphInc           = DMA_PINC_DISABLE;
hdma_adc1.Init.MemInc              = DMA_MINC_ENABLE;
hdma_adc1.Init.PeriphDataAlignment = DMA_PDATAALIGN_HALFWORD;
hdma_adc1.Init.MemDataAlignment    = DMA_MDATAALIGN_HALFWORD;
hdma_adc1.Init.Mode                = DMA_CIRCULAR;
hdma_adc1.Init.Priority            = DMA_PRIORITY_HIGH;
hdma_adc1.Init.FIFOMode            = DMA_FIFOMODE_DISABLE;

HAL_DMA_Init(&hdma_adc1);
__HAL_LINKDMA(&hadc1, DMA_Handle, hdma_adc1);

这段代码背后隐藏着许多工程经验。比如为什么选择 DMA2_Stream0 ？因为 ADC1 的默认 DMA 请求映射到了 DMA2 的 Stream0 Channel 0。若选错流或通道，会导致传输失败。又如为何优先级设为 HIGH ？因为在高采样率下，若 DMA 被其他外设抢占而导致延迟，可能造成数据覆盖或丢失。

真正让这套系统“活起来”的，是 定时器的精准触发机制 。虽然软件可以通过调用 HAL_ADC_Start() 手动启动一次转换，但这无法保证严格的等间隔采样，尤其在复杂任务调度环境中极易产生抖动。

理想的方案是使用通用定时器（如 TIM2、TIM3）作为 ADC 的外部触发源。将定时器配置为“更新事件”模式，并启用 TRGO（Trigger Output）功能：

htim2.Instance = TIM2;
htim2.Init.Prescaler = 84 - 1;        // 1MHz 计数频率（84MHz / 84）
htim2.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
htim2.Init.Period = 1000 - 1;         // 1kHz 触发频率（1ms 间隔）
htim2.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;

HAL_TIM_Base_Start(&htim2);

然后在 ADC 配置中指定：

hadc1.Init.ExternalTrigConv = ADC_EXTERNALTRIGCONV_T2_TRGO;

这样一来，TIM2 每隔 1ms 产生一次更新事件，通过 TRGO 引脚通知 ADC 启动新一轮扫描。无论主程序正在执行什么任务，只要定时器运行正常，采样时刻就是确定的。

这满足了奈奎斯特采样定理的基本前提—— 等时间隔采样 ，为后续的频域分析（如 FFT）、数字滤波或谐波检测打下坚实基础。试想一下，如果你要分析一个 50Hz 的交流信号，却因为采样时间不均匀引入了虚假频率成分，那再多的算法补偿也无济于事。

在实际项目中，这套架构已被广泛应用于多个领域：

电机控制系统 ：三相电流 + 直流母线电压四通道同步采集，配合 Clarke/Park 变换实现实时 FOC 控制。
环境监测终端 ：温湿度、光照、CO₂ 浓度等多传感器轮询采集，通过 LoRa 或 NB-IoT 上报云端。
音频前置采集 ：麦克风阵列信号数字化，送入 DSP 模块做降噪、声源定位等处理。
医疗设备 ：ECG 心电信号多导联采集，要求极低噪声和高时间一致性。

但也要注意一些容易忽视的设计细节：

设计项	实践建议
ADC 时钟分频	推荐 PCLK2 / 4 或 / 6，确保 ≤30MHz，兼顾速度与精度
采样时间设置	对高阻抗源（>10kΩ）应延长至 ≥15 cycles，否则误差显著增加
DMA 缓冲大小	至少容纳数百至上千个样本，避免处理线程来不及消费
数据处理策略	使用半满中断 + 双缓冲机制，实现无缝流水线处理
电源去耦	VDDA 必须单独供电并加磁珠隔离，AVSS 接地平面要完整