代码收藏家 STM32定时器、ADC、DMA和FFT应用注意要点
总结：利用stm32上的定时器Timer来触发ADC采样，利用DMA搬运采样得到的AD值，最后用DSP库里的有关FFT运算的函数进行各次谐波幅值的获取。
一、设定数据
被采信号频率：f
被采信号周期：T = 1/f
采样频率：fs
采样周期：Ts = 1/fs
采样总点数：NPT
采样总时间：t = NPT * Ts
频谱图频率分辨率：f0 = fs/NPT
采到的被采信号周期数：NT = t/T
一个被采信号周期的采样点数：fs/f
二、代入数据
假设我们要采集的信号频率为1kHZ，我们以32kHz的采样频率进行采集，一共采集256个点。
被采信号频率：f = 1000Hz
被采信号周期：T = 1/f = 0.001s
采样频率：fs = 32 000Hz
采样周期：Ts = 1/fs =0.000 031 25s
采样总点数：NPT = 256
采样总时间：t = NPT * Ts = 0.008s
频谱图频率分辨率：f0 = fs/NPT = 32 000Hz/256 = 125Hz
采到的被采信号周期数：NT = t/T = 0.008s/0.001s = 8
一个被采信号周期的被采到的点数：fs/f = 32 000Hz/1000Hz = 32
如何确定采样频率和采样点数？
分辨率就是我们后面fft运算后，出现在频谱图上，横轴是频率，然后以分辨率倍数的方式出现，分辨率f0=125hz。假设输入信号里存在125hz的倍数的频率（比如600hz），那再频谱图上横轴为600hz的点就会有幅值，不过因为有正负半轴，所以真正的幅值应该是频谱图上显示幅值的两倍。
频谱图解析：
FFT后的幅度谱的横坐标是频率，并且是离散的。是以频率f0的n倍展开的。
故横坐标为… , -nf0, …-2f0, -f0, 0, f0, 2f0, … ,nf0, …
纵坐标为对应频点的幅值信息。
本次是设定的f0 = 125Hz, 理想情况下FFT后的幅度谱看起来应该会是下面这个样子：
其中横坐标0刻度的地方即频率为0的点，为直流分量 。如果被采信号没有偏置的话这一点幅度应该为0。而横坐标其它点皆为125Hz的倍数。
由于被采信号的频率为1000Hz，故横坐标的正半轴和负半轴的1000Hz处都会有“擎天柱”。但在运用中我们只会取正半轴部分，毕竟正半轴知道了也就知道了负半轴，所以负半轴可以说是没什么用的。
值得注意的是：对于直流分量来说，纵坐标对应的值就是直流分量的幅度，而其他频率对应的纵坐标值只是其实际幅值的1/2
关于这一点有一个简单的理解方式，就是它的幅度平均分到了正负半轴，导致只有一半。
代码
注意！
| ADC+DMA部分： ADC注意配置成外部时钟触发，不连续转换，单通道不扫描。 DMA需要外设不自增，内存自增的方式来存储采到的连续的256个点，非循环模式。 |
ADC配置
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外部时钟触发（External Clock Trigger）：
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意义：使用外部时钟触发ADC开始采样。这通常用于同步采样，确保ADC在特定的时间点采样信号。
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原因：这样可以与其他系统时序保持一致，避免由于内部时钟的漂移引起的误差。
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举例：使用定时器生成触发信号，因为采样周期为32khz，那么我们可以配置定时器产生相应的周期性中断或者触发信号。32khz——0.00003125s，一个周期出发一次中断。然后将定时器的输出配置为ADC的出发源。
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// 配置定时器，使其每31.25微秒产生一次中断（对应32kHz） TIM_HandleTypeDef htim; htim.Init.Period = (SystemCoreClock / 32000) - 1; htim.Init.Prescaler = 0; HAL_TIM_Base_Init(&htim); HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim); 公式推导： 1.目标中断频率： 需要每31.25微秒产生一次中断。 31.25微秒 = 1 / 32000 秒。 // 配置ADC，使其被定时器触发 ADC_HandleTypeDef hadc; hadc.Init.ExternalTrigConv = ADC_EXTERNALTRIGCONV_Tx_TRGO; // 根据具体定时器选择触发源 HAL_ADC_Init(&hadc);// 定时器配置（假设使用TIM2） void Timer2_Init(void) { __HAL_RCC_TIM2_CLK_ENABLE(); TIM_HandleTypeDef htim2; //定时器句柄 htim2.Instance = TIM2; htim2.Init.Prescaler = 0; //预分频器，这里是不分频的意思，即定时器时钟频率=系统时钟频率 htim2.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP; //计数模式为向上计数 htim2.Init.Period = (SystemCoreClock / 32000) - 1; // 初始化定时器周期 htim2.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1; HAL_TIM_Base_Init(&htim2); //初始化定时器 HAL_TIM_Base_Start(&htim2); //启用定时器中断模式，达到设定的周期值时，出发中断 } // ADC配置 void ADC1_Init(void) { __HAL_RCC_ADC1_CLK_ENABLE(); ADC_HandleTypeDef hadc1; hadc1.Instance = ADC1; hadc1.Init.ExternalTrigConv = ADC_EXTERNALTRIGCONV_T2_TRGO; // 使用TIM2触发 hadc1.Init.ContinuousConvMode = DISABLE; //禁用ADC的连续转换模式 hadc1.Init.DiscontinuousConvMode = DISABLE; //禁用ADC的不连续转换模式 hadc1.Init.NbrOfDiscConversion = 0; //设置不连续转换的次数为0 hadc1.Init.DataAlign = ADC_DATAALIGN_RIGHT; //ADC数据右对齐 hadc1.Init.ScanConvMode = ADC_SCAN_DISABLE; //只对一个通道扫描 hadc1.Init.NbrOfConversion = 1; //值进行单通道转换 HAL_ADC_Init(&hadc1); //初始化 ADC_ChannelConfTypeDef sConfig = {0}; sConfig.Channel = ADC_CHANNEL_0; // 选择ADC通道 sConfig.Rank = 1; sConfig.SamplingTime = ADC_SAMPLETIME_3CYCLES; //对输入信号进行3个时钟周期的采样 HAL_ADC_ConfigChannel(&hadc1, &sConfig); } // DMA配置 void DMA_Init(void) { __HAL_RCC_DMA1_CLK_ENABLE(); //使能DMA1的时钟 DMA_HandleTypeDef hdma_adc1; hdma_adc1.Instance = DMA1_Channel1; //声明一个DMA句柄，选通道1 hdma_adc1.Init.Direction = DMA_PERIPH_TO_MEMORY; //DMA从ADC外设读取数据并传输到内存中 hdma_adc1.Init.PeriphInc = DMA_PINC_DISABLE; //禁止外设地址自增，ADC的数据寄存器地址是固定的，不需要自增 hdma_adc1.Init.MemInc = DMA_MINC_ENABLE; //内存地址自增，以便连续存储多个ADC转换结果 hdma_adc1.Init.PeriphDataAlignment = DMA_PDATAALIGN_HALFWORD; hdma_adc1.Init.MemDataAlignment = DMA_MDATAALIGN_HALFWORD; hdma_adc1.Init.Mode = DMA_NORMAL; //正常模式下，DMA传输完成指定数量的数据后停止 hdma_adc1.Init.Priority = DMA_PRIORITY_LOW; //DMA优先级低，节省系统资源 HAL_DMA_Init(&hdma_adc1); //初始化 __HAL_LINKDMA(&hadc1, DMA_Handle, hdma_adc1); //将DMA句柄链接到ADC，第一个参数&hadc，通过这个指针可以访问和修改ADC句柄中的各个成员。第二个参数DMA_Handle用于存储关联的DMA句柄，第三个通过这个指针可以访问和修改DMA通道的配置. //这个宏将 hdma_adc1 这个 DMA 句柄链接到 hadc1 这个 ADC 句柄的 DMA_Handle 成员中。具体来说，__HAL_LINKDMA 宏将 hdma_adc1 的地址赋值给 hadc1.DMA_Handle，使得 ADC1 句柄知道与其关联的 DMA 配置。 1.hadc1.DMA_Handle 将指向 hdma_adc1，表示 ADC1 使用 hdma_adc1 进行 DMA 传输。 2.hdma_adc1.Parent 将指向 hadc1，表示 hdma_adc1 是为 hadc1 服务的 DMA 句柄。 } // 主函数 int main(void) { HAL_Init(); SystemClock_Config(); Timer2_Init(); ADC1_Init(); DMA_Init(); //初始化系统和外设 uint16_t adc_buffer[256]; //缓冲区，用于存储结果 HAL_ADC_Start_DMA(&hadc1, (uint32_t*)adc_buffer, 256); //启用ADC并配置DMA传输，将结果存储到adc_buffer中 while (1) { // 主循环 } }T=Ts*系统时钟频率，所以T=31.25微秒*系统时钟频率，但是定时器计数从0开始，所以算出来还要-1.
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信号特性：
- 确定采样时间点时，需要考虑信号的频率和相位。确保在信号的关键点进行采样（如信号周期的特定相位），以获得代表性的样本。
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系统时序：
- 如果采样需要与其他系统时序同步（例如与PWM信号同步采样电流），需要根据系统的时序关系配置采样时间。
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处理延迟：
- 考虑ADC和DMA配置及数据传输的延迟，确保采样时间点不会因延迟导致数据不准确。
-
不连续转换（Non-Continuous Conversion）：
- 意义：每次触发仅进行一次转换，而不是连续地进行多次转换。
- 原因：适合需要精确控制每次采样时间的应用，避免连续转换可能引起的过载和错误数据。
-
单通道不扫描（Single Channel, Non-Scanning）：
- 意义：ADC仅对一个通道进行采样，而不是多个通道。
- 原因：如果只对一个信号源感兴趣，单通道配置可以简化设置，减少数据处理的复杂性。
DMA配置
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外设不自增（Peripheral Non-Incremental）：
- 意义：DMA从ADC读取数据时，不会增加外设地址。
- 原因：ADC的转换结果寄存器地址是固定的，所以不需要地址自增。
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内存自增（Memory Incremental）：
- 意义：DMA将数据存储到内存时，内存地址会递增。
- 原因：确保连续的ADC数据被存储到内存中的不同位置，形成一个连续的数据块。
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非循环模式（Non-Circular Mode）：
- 意义：DMA在传输完指定数量的数据后停止。
- 原因：你提到需要采集256个点进行FFT计算，非循环模式确保采集到预定数量的数据后停止，有助于避免数据覆盖。
具体代码
#include "ADCDMA.h"
//PF3 ADC3:IN9
uint16_t AD3_Value[AD3_Value_Length];
void AD3_Init(){
//结构体
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; //GPIO结构体
DMA_InitTypeDef DMA_InitStructure; //DMA结构体
ADC_CommonInitTypeDef ADC_CommonInitStructure; //ADCcommon结构体
ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure; //ADC结构体
//时钟开启
RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOF, ENABLE); //使能GPIOF时钟
RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_DMA2,ENABLE); //使能DMA2时钟
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC3, ENABLE); //使能ADC3时钟
//GPIO配置
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_3;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AN; //模拟模式
// GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP; //推挽输出
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz; //100MHz
GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL; //浮空
GPIO_Init(GPIOF, &GPIO_InitStructure); //GPIO初始化
//ADCcommon配置
ADC_CommonInitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent; //独立模式
ADC_CommonInitStructure.ADC_DMAAccessMode = ADC_DMAAccessMode_Disabled; //非多重模式，多重模式下才开启此配置的DMA
ADC_CommonInitStructure.ADC_Prescaler = ADC_Prescaler_Div4; //采样频率4分频 84MHz/4 = 21MHz
ADC_CommonInitStructure.ADC_TwoSamplingDelay = ADC_TwoSamplingDelay_5Cycles;
ADC_CommonInit(&ADC_CommonInitStructure); //ADCcommon结构体初始化
//ADC配置
ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE; //是否连续转换
ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right; //数据对齐：右对齐
ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_T2_TRGO;//
ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConvEdge = ADC_ExternalTrigConvEdge_RisingFalling ; //
ADC_InitStructure.ADC_NbrOfConversion = AD3_Value_Length; //转换数量：一波采集采集的AD值个数,多通道时一般为通道数量
ADC_InitStructure.ADC_Resolution = ADC_Resolution_12b; //12bit
ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE; //是否扫描：多通道需扫描
ADC_Init(ADC3, &ADC_InitStructure); //ADC3初始化
//ADC序列 转换顺序
ADC_RegularChannelConfig(ADC3,ADC_Channel_9, 1,ADC_SampleTime_84Cycles);
//DMA配置
DMA_InitStructure.DMA_Channel = DMA_Channel_2; //DMA_CH2
DMA_InitStructure.DMA_Mode = DMA_Mode_Normal; //非循环
DMA_InitStructure.DMA_DIR = DMA_DIR_PeripheralToMemory; //外设到内存
DMA_InitStructure.DMA_BufferSize = AD3_Value_Length; //传输次数，数组长度
DMA_InitStructure.DMA_Priority = DMA_Priority_Medium; //优先级
//DMA_FIFO
DMA_InitStructure.DMA_FIFOMode = DMA_FIFOMode_Disable;
DMA_InitStructure.DMA_FIFOThreshold = DMA_FIFOThreshold_HalfFull;
DMA_InitStructure.DMA_Memory0BaseAddr = (uint32_t)AD3_Value; //内存地址：收集AD值得数组
DMA_InitStructure.DMA_MemoryBurst = DMA_MemoryBurst_Single;
DMA_InitStructure.DMA_MemoryDataSize = DMA_MemoryDataSize_HalfWord; //16 bit
DMA_InitStructure.DMA_MemoryInc = DMA_MemoryInc_Enable; //内存自增
DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr = (uint32_t)&(ADC3->DR); //外设地址，ADC3地址，多通道但仅有一个寄存器
DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBurst = DMA_PeripheralBurst_Single;
DMA_InitStructure.DMA_PeripheralDataSize = DMA_PeripheralDataSize_HalfWord; //16 bit
DMA_InitStructure.DMA_PeripheralInc = DMA_PeripheralInc_Disable; //外设不自增，始终为ADC3地址
DMA_Init(DMA2_Stream0,&DMA_InitStructure); //DMA2_Stream0 初始化
DMA_Cmd(DMA2_Stream0,ENABLE); //DMA2_Stream0 使能
ADC_DMARequestAfterLastTransferCmd(ADC3, ENABLE); //源数据变化时开启DMA传输
ADC_DMACmd(ADC3, ENABLE); //ADC3_DMA使能
ADC_Cmd(ADC3, ENABLE); //ADC3 使能
// ADC_SoftwareStartConv(ADC3); //软件触发ADC转换
}
//******清空ADC与DMA的中断标志位，起到再次触发ADC与DMA的作用，否则ADC只会采集一波数据然后DMA搬运，若需多次采集必须使用次函数，可在数据处理完成后再次使用***//
void ADC_DMA_Trigger(){
DMA_Cmd(DMA2_Stream0,DISABLE);//若用循环模式就可不用disable再enable，关掉再重启主要起重装NDTR和保护数据的作用
// DMA_SetCurrDataCounter(DMA2_Stream0,AD3_Value_Length);
// DMA_ClearITPendingBit( DMA2_Stream0 ,DMA_IT_TCIF0|DMA_IT_DMEIF0|DMA_IT_TEIF0|DMA_IT_HTIF0|DMA_IT_TCIF0 );
DMA_ClearITPendingBit( DMA2_Stream0 ,DMA_IT_TCIF0);
ADC_ClearITPendingBit(ADC3,ADC_IT_OVR);//ADC3->SR = 0;
DMA_Cmd(DMA2_Stream0,ENABLE);
}
#ifndef __ADCDMA_H__
#define __ADCDMA_H__
#include "stm32f4xx.h"
#define AD3_Value_Length 256 //因为采样点数是256，故需要长度为256的数组
extern uint16_t AD3_Value[AD3_Value_Length];
void AD3_Init();
void ADC_DMA_Trigger();
#endif
Timer部分
#include "Timer.h"
//主频84M
//TIM2 32bit
void TIM2_Init(uint16_t arr, uint16_t psc){
RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2,ENABLE); //TIM2 时钟使能
TIM_InternalClockConfig(TIM2);
TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStructure; //时基结构体
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period = arr; //设置自动重装载值
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler =psc; //设置预分频值
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1; //设置时钟分割
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; //向上计数模式
TIM_SelectOutputTrigger(TIM2,TIM_TRGOSource_Update); //更新溢出向外触发
TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseInitStructure); //时基初始化
TIM_Cmd(TIM2, ENABLE); //定时器使能
}
#ifndef __TIMER_H__
#define __TIMER_H__
#include "stm32f4xx.h" // Device header
void TIM2_Init(uint16_t arr, uint16_t psc);
#endif
main部分
#include "stm32f4xx.h" // Device header
#include "delay.h"
#include "usart.h"
#include "fft_calculate.h"
#include "math.h"
#include "Timer.h"
#include "ADCDMA.h"
/********************************************工程介绍***********************************************************
此FFT工程，利用Timer定时触发ADC3_IN9触发AD采集并利用DMA2_Stream0搬运至AD3_Value[256] 即采样256个点
/***********************************FFT相关理论计算介绍********************************************************
设：
被采目标信号频率：f
被采目标信号周期：T = 1/f
采样频率：fs
采样周期：Ts = 1/fs
采样点数:NPT
采样总时间：t = NPT*Ts
频谱图频率分辨率：f0 = fs/NPT
采到的被采信号周期数：NT = t/T
一个被采信号周期的采样点数：fs/f
*************************************************************************************************************/
u16 i;
int main(){
delay_init(168);
uart_init(9600);
printf("Start !\r\n");
TIM2_Init(5-1, 525-1);//fs=32KHz fs=84MHz/(arr*psc)
AD3_Init();
delay_ms(10);
while(1){
ADC_DMA_Trigger(); //每次都要重新触发，否则只采样一波数据(NPT个AD值)便停止了
for(i=0; i<NPT; i++){
InBufArray[i] = ((signed short)(AD3_Value[i])) << 16; //将AD值移至实部
printf("%d\r\n",AD3_Value[i]); //打印AD值（片内12位AD：0~4095）
}
cr4_fft_256_stm32(OutBufArray, InBufArray, NPT); //FFT运算
GetPowerMag(); //获取信号各次谐波分量的幅值
for(i=0; i<NPT/2; i++){
printf("%d:%d\r\n",i,MagBufArray[i]); //打印幅值
}
delay_ms(5000);
}
}
作者：ljyprincess
