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一、引言
在很多嵌入式系统应用中，需要对多路模拟信号进行周期性采样，例如在工业控制、环境监测等领域。STM32F407 是一款高性能的微控制器，其丰富的外设资源可以方便地实现这样的功能。通过结合 ADC（模拟 - 数字转换器）、TIM（定时器）和 DMA（直接内存访问），可以高效、稳定地完成多路模拟信号的周期性采样。
二、硬件连接
在使用 STM32F407 进行 ADC 采样时，需要将外部模拟信号连接到对应的 ADC 通道引脚。以下是一个常见的硬件连接示例：
| 信号 | STM32F407 引脚 | ADC 通道 |
|---|---|---|
| 模拟信号 1 | PA0 | ADC1 通道 0 |
| 模拟信号 2 | PA1 | ADC1 通道 1 |
| 模拟信号 3 | PA2 | ADC1 通道 2 |
三、原理分析
1. ADC（模拟 - 数字转换器）
ADC 的作用是将模拟信号转换为数字信号。STM32F407 的 ADC 具有 12 位分辨率，可对输入的模拟电压进行转换，转换结果范围为 0 - 4095（2^12 - 1）。在本应用中，我们使用 ADC1 来对 3 路模拟信号进行采样。
2. TIM（定时器）
定时器用于产生周期性的触发信号，控制 ADC 的采样频率。在本应用中，我们希望每 1S 采样一次，因此需要配置定时器的周期为 1S。
3. DMA（直接内存访问）
DMA 可以在不占用 CPU 的情况下，将 ADC 转换结果直接传输到内存中。这样可以提高系统的效率，避免 CPU 频繁参与数据传输。
四、代码实现
1. 初始化代码
#include "stm32f4xx_hal.h"// 定义全局变量
// hadc1 用于存储 ADC1 的句柄，通过这个句柄可以操作 ADC1 外设
ADC_HandleTypeDef hadc1;
// hdma_adc1 用于存储 DMA2 流 0 的句柄，用于控制 ADC1 数据的 DMA 传输
DMA_HandleTypeDef hdma_adc1;
// htim2 用于存储定时器 2 的句柄，用于产生 ADC 转换的触发信号
TIM_HandleTypeDef htim2;// 采样数据数组，用于存储 ADC 转换后的 3 路数据
uint16_t adc_values[3];// 定时器初始化函数，用于配置定时器 2 产生 1S 的定时信号
void TIM2_Init(void)
{// 定义定时器时钟源配置结构体，用于配置定时器的时钟源TIM_ClockConfigTypeDef sClockSourceConfig = {0};// 定义定时器主模式配置结构体，用于配置定时器的主模式输出触发等TIM_MasterConfigTypeDef sMasterConfig = {0};// 指定定时器 2 作为操作对象htim2.Instance = TIM2;// 定时器预分频器，将定时器时钟频率进行分频// 8400 - 1 表示将定时器时钟频率分频为原来的 1/8400htim2.Init.Prescaler = 8400 - 1; // 定时器计数模式设置为向上计数，即从 0 开始递增计数htim2.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;// 定时器周期，当计数器计数到这个值时产生更新事件// 10000 - 1 结合预分频器实现 1S 的定时htim2.Init.Period = 10000 - 1; // 定时器时钟分频，这里设置为不分频htim2.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;// 自动重载预装载功能禁用htim2.Init.AutoReloadPreload = TIM_AUTORELOAD_PRELOAD_DISABLE;// 调用 HAL 库函数初始化定时器 2，如果初始化失败则调用错误处理函数if (HAL_TIM_Base_Init(&htim2) != HAL_OK){Error_Handler();}// 配置定时器的时钟源为内部时钟sClockSourceConfig.ClockSource = TIM_CLOCKSOURCE_INTERNAL;// 应用时钟源配置，如果配置失败则调用错误处理函数if (HAL_TIM_ConfigClockSource(&htim2, &sClockSourceConfig) != HAL_OK){Error_Handler();}// 配置定时器的主模式输出触发为更新事件，即定时器更新时产生触发信号sMasterConfig.MasterOutputTrigger = TIM_TRGO_UPDATE;// 禁用主从模式sMasterConfig.MasterSlaveMode = TIM_MASTERSLAVEMODE_DISABLE;// 应用主模式配置，如果配置失败则调用错误处理函数if (HAL_TIMEx_MasterConfigSynchronization(&htim2, &sMasterConfig) != HAL_OK){Error_Handler();}
}// DMA 初始化函数，用于配置 DMA2 流 0 进行 ADC 数据的传输
void DMA_Init(void)
{// 使能 DMA2 时钟，为 DMA2 外设提供时钟信号__HAL_RCC_DMA2_CLK_ENABLE();// 指定 DMA2 流 0 作为操作对象hdma_adc1.Instance = DMA2_Stream0;// 指定 DMA 通道为通道 0hdma_adc1.Init.Channel = DMA_CHANNEL_0;// 设置 DMA 传输方向为从外设（ADC）到内存hdma_adc1.Init.Direction = DMA_PERIPH_TO_MEMORY;// 外设地址不递增，因为 ADC 数据寄存器地址固定hdma_adc1.Init.PeriphInc = DMA_PINC_DISABLE;// 内存地址递增，因为要将数据依次存储到数组中hdma_adc1.Init.MemInc = DMA_MINC_ENABLE;// 外设数据对齐方式为半字（16 位）hdma_adc1.Init.PeriphDataAlignment = DMA_PDATAALIGN_HALFWORD;// 内存数据对齐方式为半字（16 位）hdma_adc1.Init.MemDataAlignment = DMA_MDATAALIGN_HALFWORD;// 设置 DMA 工作模式为循环模式，数据传输完成后自动重新开始hdma_adc1.Init.Mode = DMA_CIRCULAR;// 设置 DMA 传输优先级为低hdma_adc1.Init.Priority = DMA_PRIORITY_LOW;// 禁用 DMA FIFO 模式hdma_adc1.Init.FIFOMode = DMA_FIFOMODE_DISABLE;// 调用 HAL 库函数初始化 DMA，如果初始化失败则调用错误处理函数if (HAL_DMA_Init(&hdma_adc1) != HAL_OK){Error_Handler();}// 将 DMA 句柄与 ADC 句柄关联起来，使 DMA 可以为 ADC 服务__HAL_LINKDMA(&hadc1, DMA_Handle, hdma_adc1);
}// ADC 初始化函数，用于配置 ADC1 进行 3 路模拟信号的转换
void ADC1_Init(void)
{// 定义 ADC 通道配置结构体，用于配置 ADC 通道的参数ADC_ChannelConfTypeDef sConfig = {0};// 使能 ADC1 时钟，为 ADC1 外设提供时钟信号__HAL_RCC_ADC1_CLK_ENABLE();// 指定 ADC1 作为操作对象hadc1.Instance = ADC1;// ADC 时钟预分频，将 ADC 时钟频率进行分频hadc1.Init.ClockPrescaler = ADC_CLOCK_SYNC_PCLK_DIV4;// 设置 ADC 分辨率为 12 位hadc1.Init.Resolution = ADC_RESOLUTION_12B;// 使能 ADC 扫描模式，用于多通道转换hadc1.Init.ScanConvMode = ENABLE;// 禁用连续转换模式，每次转换完成后等待下一次触发hadc1.Init.ContinuousConvMode = DISABLE;// 禁用不连续转换模式hadc1.Init.DiscontinuousConvMode = DISABLE;// 设置外部触发转换的边沿为上升沿hadc1.Init.ExternalTrigConvEdge = ADC_EXTERNALTRIGCONVEDGE_RISING;// 设置外部触发源为定时器 2 的 TRGO 信号hadc1.Init.ExternalTrigConv = ADC_EXTERNALTRIGCONV_T2_TRGO;// 设置 ADC 数据对齐方式为右对齐hadc1.Init.DataAlign = ADC_DATAALIGN_RIGHT;// 设置要转换的通道数量为 3hadc1.Init.NbrOfConversion = 3;// 使能 DMA 连续请求模式，确保 DMA 可以持续传输数据hadc1.Init.DMAContinuousRequests = ENABLE;// 设置 EOC 选择为序列转换结束标志hadc1.Init.EOCSelection = ADC_EOC_SEQ_CONV;// 调用 HAL 库函数初始化 ADC1，如果初始化失败则调用错误处理函数if (HAL_ADC_Init(&hadc1) != HAL_OK){Error_Handler();}// 配置 ADC 通道 0sConfig.Channel = ADC_CHANNEL_0;// 设置通道 0 的转换顺序为第 1 个sConfig.Rank = 1;// 设置通道 0 的采样时间为 3 个 ADC 时钟周期sConfig.SamplingTime = ADC_SAMPLETIME_3CYCLES;// 应用通道 0 的配置，如果配置失败则调用错误处理函数if (HAL_ADC_ConfigChannel(&hadc1, &sConfig) != HAL_OK){Error_Handler();}// 配置 ADC 通道 1sConfig.Channel = ADC_CHANNEL_1;// 设置通道 1 的转换顺序为第 2 个sConfig.Rank = 2;// 应用通道 1 的配置，如果配置失败则调用错误处理函数if (HAL_ADC_ConfigChannel(&hadc1, &sConfig) != HAL_OK){Error_Handler();}// 配置 ADC 通道 2sConfig.Channel = ADC_CHANNEL_2;// 设置通道 2 的转换顺序为第 3 个sConfig.Rank = 3;// 应用通道 2 的配置，如果配置失败则调用错误处理函数if (HAL_ADC_ConfigChannel(&hadc1, &sConfig) != HAL_OK){Error_Handler();}
}// GPIO 初始化函数，用于配置 GPIO 引脚作为 ADC 的模拟输入引脚
void GPIO_Init(void)
{// 使能 GPIOA 时钟，为 GPIOA 外设提供时钟信号__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();// 定义 GPIO 初始化结构体，用于配置 GPIO 引脚的参数GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};// 指定要配置的引脚为 PA0、PA1 和 PA2GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0 | GPIO_PIN_1 | GPIO_PIN_2;// 设置引脚模式为模拟输入模式GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_ANALOG;// 不使用上拉或下拉电阻GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;// 应用 GPIO 引脚配置HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
}// 系统初始化函数，用于初始化整个系统的外设
void System_Init(void)
{// 初始化 HAL 库HAL_Init();// 初始化 GPIO 引脚GPIO_Init();// 初始化定时器 2TIM2_Init();// 初始化 DMA2 流 0DMA_Init();// 初始化 ADC1ADC1_Init();
}2. 主函数
int main(void)
{System_Init();// 启动定时器HAL_TIM_Base_Start(&htim2);// 启动ADC DMA传输HAL_ADC_Start_DMA(&hadc1, (uint32_t *)adc_values, 3);while (1){// 可以在这里处理采样数据// 例如将采样数据通过串口发送出去}
}
3. 错误处理函数
void Error_Handler(void)
{while (1){// 可以在这里添加错误处理代码，例如点亮LED灯提示错误}
}
五、代码解释
1. 定时器初始化
在TIM2_Init函数中，我们配置了定时器 2 的预分频器和周期，使其产生 1S 的定时信号。定时器的更新事件（TRGO）将作为 ADC 的外部触发信号。
2. DMA 初始化
在DMA_Init函数中，我们配置了 DMA2 的 Stream0，使其将 ADC 的转换结果从外设（ADC）传输到内存（adc_values数组）。使用循环模式可以实现连续的数据传输。
3. ADC 初始化
在ADC1_Init函数中，我们配置了 ADC1 的时钟、分辨率、扫描模式等参数。使用外部触发模式，由定时器 2 的 TRGO 信号触发 ADC 转换。配置了 3 个转换通道，分别对应 PA0、PA1 和 PA2 引脚。
4. GPIO 初始化
在GPIO_Init函数中，我们将 PA0、PA1 和 PA2 引脚配置为模拟输入模式，用于连接外部模拟信号。
5. 主函数
在main函数中，我们首先调用System_Init函数进行系统初始化。然后启动定时器和 ADC 的 DMA 传输。在主循环中，可以对采样数据进行处理，例如将数据通过串口发送出去。
六、调试与测试
在完成代码编写后，可以使用调试工具（如 ST-Link）对程序进行调试。可以在主循环中添加打印语句，将采样数据通过串口输出到电脑上，观察采样结果是否正确。
七、注意事项
- 时钟配置：确保系统时钟和外设时钟配置正确，否则定时器和 ADC 可能无法正常工作。
- DMA 配置：DMA 的配置需要与 ADC 的配置相匹配，例如数据对齐方式、传输方向等。
- 电源和接地：确保模拟信号的电源和接地良好，避免引入噪声干扰。
八、总结
通过结合 STM32F407 的 ADC、TIM 和 DMA 外设，我们可以高效、稳定地实现 3 路模拟信号的周期性采样。定时器用于控制采样频率，DMA 用于数据传输，提高了系统的效率。在实际应用中，可以根据需要对采样频率、通道数量等参数进行调整。