模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC與直接內(nèi)存存取技術(shù)DMA

工業(yè)檢測系統(tǒng)和日常生活中有許多物理量都是模擬量，比如溫度、長度、壓力、速度等等，這些物理模擬量可以通過傳感器變成與之對應(yīng)的電壓、電流等電模擬量。由于單片機系統(tǒng)是一個典型的數(shù)字系統(tǒng)，為了實現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)對這些電模擬量的檢測、運算和控制，就需要模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊ADC。

110.1 模數(shù)轉(zhuǎn)換器件—ADC

10.1.1 ADC的基本概念

模數(shù)轉(zhuǎn)換器（Analog To Digital Converter）簡稱ADC（也可以寫成A/D），是指將連續(xù)變化的模擬信號轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號的器件。ADC分為積分型、逐次逼近型、并行/串行比較型、Σ-Δ型等多種類型，STM32F103自帶的ADC屬于逐次逼近型。

逐次逼近型ADC與天平稱物重非常相似，從高位到低位逐位比較。首先從最重的砝碼開始試放，與被稱物體行進比較，若物體重于砝碼，則該砝碼保留，否則移去，然后用次重砝碼繼續(xù)比較，照此一直到最小一個砝碼為止，將所有留下的砝碼重量相加，就得此物體的重量。逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，就是將輸入模擬信號與不同的參考電壓作多次比較，使轉(zhuǎn)換所得的數(shù)字量在數(shù)值上逐次逼近輸入模擬量對應(yīng)值。

10.1.2 ADC的功能描述

STM32F103ZE系列擁有3路12位ADC，每一路ADC都有18個輸入通道，為了方便理解，將ADC功能框圖進行分塊，然后針對每個功能塊進行講解，如圖10-1所示。

圖10-1 ADC結(jié)構(gòu)圖

1、電源和基準(zhǔn)源

模擬電源VDDA和VSSA是ADC的供電引腳，輸入范圍為2.4V到3.6V，通常情況是和數(shù)字電源的電壓一致。為了防止電源噪聲影響，將3.3V數(shù)字電源通過簡易濾波處理接到模擬電源VDDA，比如加一個磁珠；VSSA在不同應(yīng)用場景和數(shù)字VSS連接方法也不完全一致，簡易處理方式是直接接數(shù)字VSS，ST官方的DEMO板采用的是單點接地方式。

基準(zhǔn)源，也叫基準(zhǔn)電壓或參考電壓，是ADC的一個重要指標(biāo)，基準(zhǔn)源的偏差會直接影響轉(zhuǎn)換結(jié)果的準(zhǔn)確度。STM32F103系列只有100及以上引腳的型號才具備外部參考電壓引腳V REF+ 和V REF- ，其他型號參考電壓引腳在內(nèi)部默認連接到ADC的電源引腳VDDA和VSSA。

Kingst-32F1開發(fā)板直接將V REF+ 與VDDA相連，V REF- 與VSSA相連，這兩個引腳決定了ADC的電壓輸入范圍，即：V REF- ≤VIN ≤V REF+ ，ADC的電源和基準(zhǔn)源電路如圖10-2所示。

圖10-2 ADC電源和基準(zhǔn)源電路

2、ADC時鐘和轉(zhuǎn)換時間

ADC外設(shè)掛載在APB2總線上，其輸入時鐘由掛載在APB2時鐘（PCLK2）上的ADC預(yù)分頻器經(jīng)分頻后產(chǎn)生，最高不超過14MHz。由于APB2總線上通常有多個外設(shè)同時工作時，為了保證運行速率，設(shè)置APB2為最大速率72Mhz，此時只能通過ADC預(yù)分頻器設(shè)置ADC的輸入時鐘頻率，并且還要保證其不超過最大14Mhz，ADC時鐘結(jié)構(gòu)如圖10-3所示。

圖10-3 ADC時鐘結(jié)構(gòu)示意圖

ADC的預(yù)分頻器位于RCC時鐘配置寄存器中的[15:14] 2個寄存器位。ADC預(yù)分頻器控制位為00時表示最低2分頻，最高可設(shè)置8分頻，具體配置庫函數(shù)如下，設(shè)置參數(shù)如表10-1所示。

ADC總轉(zhuǎn)換時間如下計算：轉(zhuǎn)換時間 T ~conv ~ =采樣時間+ 12.5周期

通過配置ADC采樣時間寄存器ADC_SMPR1和ADC_SMPR2中的SMPx[2:0]位（x為0到17，管理ADC的18個通道）可以獨立選擇每個通道的采樣時間，分別是1.5周期、7.5周期、13.5周期、28.5周期、41.5周期、55.5周期、71.5周期和239.5周期，所以總轉(zhuǎn)換時間最短14個周期，最長252個周期。

如何選擇合適的采樣時間？這是一個特別重要，并且容易被初學(xué)者忽略的問題。如果選取的采樣時間不合理，就有可能出現(xiàn)較大的采樣誤差。

ADC采樣的過程要對內(nèi)部一個容值很小的電容進行充電，當(dāng)外部阻抗（輸入到ADC引腳的信號調(diào)理電路的輸出阻抗）較大時，電流比較小，充電時間就比較長。在這種情況下，如果采樣時間較短，可能電容還沒被充滿，這樣便會出現(xiàn)采樣誤差，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)也會有誤差。因此采樣時間需要與輸入阻抗相匹配，通常ADC輸入阻抗越大，采樣時間越長。

ADC最大輸入阻抗與采樣時間計算公式如下所示：（公式僅供了解，重點是后面結(jié)論）

R AIN ：最大輸入阻抗；

T S ：采樣周期；

f ADC ：ADC時鐘頻率；

C ADC ：內(nèi)部采樣并保持電容器，最大為8pF；

In(2 ^N+2^ ):Log以e為底數(shù)的對數(shù)，N表示ADC位數(shù)（N=12），其值約為9.704；

R ADC ：內(nèi)部采樣開關(guān)電阻，最大為1K；

假設(shè)外部輸入阻抗為10K，ADC時鐘頻率為14Mhz，由公式（1）得：

經(jīng)過計算可得Ts > 11.96，因此當(dāng)外部輸入阻抗為10K時，ADC時鐘頻率為14Mhz時，采樣時間應(yīng)該為11.96個周期，但是ADC采樣周期中并無該值，因此可以選擇相近的13.5個周期，注意：采樣時間寧長勿短。

當(dāng)f ~ADC ~ =14Mhz時，理論上最大輸入阻抗與采樣時間關(guān)系如表10-2所示。

在實際應(yīng)用中，大多數(shù)模擬信號是通過運算放大器再進入ADC通道，運算放大器的阻抗通常是幾十歐，在這種情況下根據(jù)表10-2，采樣周期就可以用到最短1.5個周期。在一些輸入阻抗比較大的場合，可以在線路中加入一個較大的電容（達到內(nèi)部采樣保持電容的千倍以上），可以實現(xiàn)用這個大電容快速給內(nèi)部采樣保持電容充電的效果，大幅降低采樣所需時間，Kingst-32F1開發(fā)板的電壓采集電路中的C89電容就是這樣一個作用，10.3小節(jié)會講到。

3、ADC輸入通道

STM32F103ZE的3個ADC模塊，其中ADC1提供給用戶可用通道16個，其余2個通道一個接STM32內(nèi)部溫度傳感器，另外一個接內(nèi)部參考電壓V REFINT ；ADC2提供給用戶可用通道16個，其余兩個通道接VSS；ADC3提供給用戶可用通道13個，其余5個通道接VSS。3個ADC模塊共用了部分通道，不同ADC應(yīng)用不同通道時，可以同時進行采樣和轉(zhuǎn)換，但不可以對相同通道同時采樣，ADC輸入通道引腳如表10-3所示。

在使用ADC外部通道時，可以設(shè)定為規(guī)則組和注入組。規(guī)則組就是設(shè)定好轉(zhuǎn)換順序后，按照規(guī)則正常轉(zhuǎn)換；注入組類似于中斷，可以插隊，當(dāng)觸發(fā)信號觸發(fā)注入組通道時，優(yōu)先轉(zhuǎn)換注入組，轉(zhuǎn)換完后再繼續(xù)轉(zhuǎn)換規(guī)則組；如果正在轉(zhuǎn)換規(guī)則通道期間，注入通道被觸發(fā)，當(dāng)前規(guī)則組轉(zhuǎn)換被復(fù)位，注入通道序列被以單次掃描方式轉(zhuǎn)換，完成轉(zhuǎn)換后恢復(fù)上次被中斷的規(guī)則通道轉(zhuǎn)換。規(guī)則組最多可以使用16個通道，注入組最多可以使用4個通道，其工作模式如圖10-4所示。

圖10-4 規(guī)則組與注入組工作方式示意圖

4、ADC通道轉(zhuǎn)換順序

規(guī)則通道的轉(zhuǎn)換順序由ADC的規(guī)則序列ADC_SQR3、ADC_SQR2、ADC_SQR1這三個寄存器控制，使用規(guī)則組轉(zhuǎn)換時，將要轉(zhuǎn)換的通道序號寫入到對應(yīng)寄存器相應(yīng)的位，并設(shè)置規(guī)則通道轉(zhuǎn)換序列的通道數(shù)目。對應(yīng)關(guān)系如表10-4所示。

注入通道的轉(zhuǎn)換順序由序列寄存器ADC_JSQR這個寄存器控制，特別注意的是，如果設(shè)置了4個注入通道并且轉(zhuǎn)換的通道數(shù)目是4，則轉(zhuǎn)換順序是：JSQR1→JSQR2→JSQR3

→JSQR4；如果設(shè)置轉(zhuǎn)換通道數(shù)目為3，但是實際配置的轉(zhuǎn)換通道數(shù)目為4，則轉(zhuǎn)換順序是JSQR2→JSQR3→JSQR4，而不是從JSQR1→JSQR2→JSQR3，注入序列寄存器JSQR與通道的對應(yīng)關(guān)系如表10-5所示。

當(dāng)“轉(zhuǎn)換組”只有一個通道轉(zhuǎn)換時稱之為單通道模式，當(dāng)有多個通道按順序轉(zhuǎn)換時稱之為多通道模式或者掃描模式。當(dāng)規(guī)則組或注入組的通道按照設(shè)定順序執(zhí)行一次采轉(zhuǎn)換后即停止工作，這種模式稱之為單次轉(zhuǎn)換模式；如果執(zhí)行完一次轉(zhuǎn)換后，ADC沒有停止，而是立即啟動新一輪轉(zhuǎn)換，這種模式稱之為連續(xù)轉(zhuǎn)換模式。

5、觸發(fā)源

觸發(fā)啟動轉(zhuǎn)換：觸發(fā)啟動轉(zhuǎn)換分為兩種方式，分別是軟件觸發(fā)和外部事件觸發(fā)（外部是相對于ADC外設(shè)來講），其中外部事件觸發(fā)又分為定時器觸發(fā)和外部觸發(fā)（這里的外部指的是芯片外部信號）。是否啟用觸發(fā)轉(zhuǎn)換，由寄存器ADC_CR2的EXTTRIG位（規(guī)則組）和JEXTTRIG位（注入組）決定。選用何種觸發(fā)方式，是由寄存器ADC_CR2的EXTSEL[2:0]位（規(guī)則組）和 JEXTSEL[2:0]位（注入組）來控制。具體的觸發(fā)方式可以通過查閱手冊的ADC_CR2寄存器詳細了解。

6、數(shù)據(jù)寄存器

（ 1 ）規(guī)則組數(shù)據(jù)寄存器：

在獨立ADC模式下，規(guī)則組通道轉(zhuǎn)換完成后，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)被存儲在對應(yīng)的ADC規(guī)則數(shù)據(jù)寄存器ADC_DR的低16位。

雙ADC模式是ADC1和ADC2同時采集某些參數(shù)，比如要獲取瞬時功率需要同時采集電壓和電流參數(shù)才能準(zhǔn)確計算結(jié)果，這種場合就必須使用雙ADC模式。這種模式下ADC1所對應(yīng)的ADC_DR的高16位存儲ADC2的規(guī)則數(shù)據(jù)，低16位存儲ADC1的規(guī)則數(shù)據(jù)。

由于ADC的精度是12位，因此在將ADC的12位數(shù)據(jù)存入16位的數(shù)據(jù)寄存器中時，可以通過ADC_CR2寄存器的ALIGN位來選擇數(shù)據(jù)是左對齊還是右對齊。

規(guī)則通道最多有16個通道，但規(guī)則數(shù)據(jù)寄存器只有一個，因此當(dāng)使用多通道轉(zhuǎn)換時，前一個轉(zhuǎn)換的通道數(shù)據(jù)，會被后一個通道轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)覆蓋掉，因此理論上必須在后一個通道轉(zhuǎn)換完畢之前就把數(shù)據(jù)取走。為了確保不產(chǎn)生丟失數(shù)據(jù)的情況，開啟DMA傳輸模式，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絻?nèi)存中是一個好辦法，這部分相關(guān)內(nèi)容后續(xù)介紹。

（ 2 ）注入組數(shù)據(jù)寄存器：

ADC注入組最多有4個通道，每個通道都有對應(yīng)的數(shù)據(jù)寄存器ADC_JDRx（x=1..4），ADC_JDRx是32位的，高16位保留，低16位用來保存數(shù)據(jù)，選擇數(shù)據(jù)是左對齊還是右對齊都由ALIGN決定。

6、中斷處理

如果打開相應(yīng)的中斷，有三種情況可以進入中斷。

（1）規(guī)則通道轉(zhuǎn)換完成中斷

1. 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)被存儲在16位的ADC_DR寄存器中。
2. EOC（轉(zhuǎn)換結(jié)束）標(biāo)志被置位。
3. 如果設(shè)置了EOCIE位，則產(chǎn)生中斷。

（ 2 ）注入通道轉(zhuǎn)換完成中斷

1. 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)被存儲在16位的ADC_DRJx寄存器中。
2. JEOC（注入轉(zhuǎn)換結(jié)束）標(biāo)志被置位。
3. 如果設(shè)置了JEOCIE位，則產(chǎn)生中斷。

（ 3 ）模擬看門狗中斷

如果開啟了模擬看門狗中斷，并且設(shè)置ADC低閾值A(chǔ)DC_LTR和高閾值A(chǔ)DC_HTR，當(dāng)采集到的電壓高于高閾值或者低于低閾值時，就會產(chǎn)生模擬看門狗中斷。

210.2 ADC 配置流程

10.2.1 初始化結(jié)構(gòu)體

初始化結(jié)構(gòu)體中包含了ADC模塊的主要配置內(nèi)容，分別是ADC模式、通道模式、轉(zhuǎn)換模式、觸發(fā)條件、通道數(shù)目，下面通過代碼對結(jié)構(gòu)體每個成員介紹：

1、 ADC_Mode —— ADC模式

ADC分為ADC獨立模式和雙ADC模式，獨立模式只有一種情況，而雙ADC模式有多種情況，本小節(jié)先介紹獨立ADC模式，因此直接選擇ADC_Mode_Independent，如表10-6所示。

2、ADC_ScanConvMode——通道模式

ADC_ScanConvMode 設(shè)置了ADC通道工作在多通道模式還是單通道模式，如表10-7所示。

3、 ADC_ContinuousConvMode —— 轉(zhuǎn)換模式

ADC_ContinuousConvMode 設(shè)置了ADC采用連續(xù)轉(zhuǎn)換還是單次轉(zhuǎn)換模式，如表10-8所示。

4、 ADC_ExternalTrigConv —— 觸發(fā)轉(zhuǎn)換方式

ADC_ExternalTrigConv定義了規(guī)則組使用何種觸發(fā)方式如表10-9所示。

注入組需要通過專門的ADCx 外部觸發(fā)啟動注入組轉(zhuǎn)換函數(shù)來設(shè)置注入組觸發(fā)方式，該函數(shù)如下：

其中ADCx外設(shè)，ADC_ExternalTrigConv為注入組觸發(fā)方式，注意注入組觸發(fā)方式與規(guī)則組有所不同，具體如表10-10所示。

5、 ADC_DataAlign —— 數(shù)據(jù)格式

ADC_DataAlign規(guī)定了ADC數(shù)據(jù)向左邊對齊還是向右邊對齊，存儲格式如圖10-5所示。圖中SEXT位是擴展的符號位，因為注入組通道轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)值已經(jīng)減去了在“注入通道數(shù)據(jù)偏移寄存器”中定義的偏移量，所以結(jié)果可以是一個負值。

圖10-5數(shù)據(jù)對齊方式

6、 ADC_NbrOfChannel —— 通道數(shù)目

ADC_NbreOfChannel 規(guī)定了規(guī)則轉(zhuǎn)換的 ADC 通道的數(shù)目，取值范圍是1到16。而注入組是通過專門的函數(shù)實現(xiàn)的，如下所示。

ADCx表示ADC外設(shè)，Length表示注入組通道數(shù)目，取值范圍為1~4。

10.2.2 設(shè)置轉(zhuǎn)換組的通道順序及采樣時間

1、規(guī)則組通道配置函數(shù)：

2、注入組通道配置函數(shù)：

其中ADCx表示選擇使用哪個ADC，x可以是1，2或3；ADC_Channel表示配置的通道號，詳情參考表10-8中ADC_Channel的值；Rank表示規(guī)則組采樣順序，規(guī)則組取值范圍 1 到 16，注入組范圍是1到4；ADC_SampleTime表示ADC通道的采樣時間，詳情參考表10-12中ADC_SampleTime的值。

10.2.3 使能ADC外設(shè)

ADC_CR2寄存器的第0位ADON負責(zé)控制ADC的喚醒、掉電以及軟件啟動轉(zhuǎn)換功能。ADON位上電默認為‘0’，即默認ADC模塊是不工作的，當(dāng)ADON為從‘0’寫入‘1’以后，ADC從斷電模式下喚醒工作，這個喚醒需要1個穩(wěn)定時間tSTAB，如圖所示10-6所示。除了前邊講的通過觸發(fā)源啟動ADC外，當(dāng)ADON從‘1’再次寫入‘1’時，也可以啟動ADC轉(zhuǎn)換，這種方式大多情況下不使用。

圖10-6 ADC時序圖

通過清除ADON位可以停止轉(zhuǎn)換，并將ADC置于斷電模式，在這個模式下，ADC幾乎不耗電（僅幾個uA）。

ADCx標(biāo)志ADC外設(shè)，x為1、2、3；NewState 可以為ENABLE或DISABLE，分別對應(yīng)使能和失能。

10.2.4 ADC校準(zhǔn)

ADC有一個內(nèi)置自校準(zhǔn)模式，可以大幅減小由于內(nèi)部電容的變化而造成的精準(zhǔn)度誤差。通過設(shè)置ADC_CR2寄存器的CAL位啟動校準(zhǔn)，一旦校準(zhǔn)結(jié)束，CAL位被硬件復(fù)位。建議在每次上電時執(zhí)行一次ADC校準(zhǔn)，啟動校準(zhǔn)前，ADC必須處于上電狀態(tài)（ADON=‘1’）至少超過兩個ADC時鐘周期，校準(zhǔn)代碼如下所示：

10.2.5 使能通道觸發(fā)轉(zhuǎn)換

規(guī)則組和注入組觸發(fā)方式方式分為軟件觸發(fā)和外部觸發(fā)，其中外部觸發(fā)包括定時器觸發(fā)和外部信號觸發(fā)。如果設(shè)置了規(guī)則組或注入組觸發(fā)方式，還需要使能相應(yīng)觸發(fā)，保證在觸發(fā)到來時啟動轉(zhuǎn)換。規(guī)則組和注入組通道觸發(fā)方式使能函數(shù)如下所示;

1、規(guī)則組通道觸發(fā)使能

軟件觸發(fā)使能：

外部觸發(fā)使能：

2、注入組通道觸發(fā)使能

軟件觸發(fā)使能：

外部觸發(fā)使能：

其中ADCx標(biāo)志ADC外設(shè)，x為1、2、3；NewState 可以為ENABLE或DISABLE，分別對應(yīng)使能和失能。

310.3 ADC獨立模式單通道軟件觸發(fā)轉(zhuǎn)換

本小節(jié)通過ADC1規(guī)則組單通道模式測量KST-32開發(fā)板的USB電源輸入電壓，測量電路如圖10-7所示。已知該電路的輸入阻抗為10K，根據(jù)輸入阻抗與采樣時間關(guān)系，應(yīng)該選擇采樣時間最短為13.5個周期，再短就會產(chǎn)生較大誤差。但是如果在電路上加入了C89這個0.1uF的電容后，就可以起到快速給ADC內(nèi)部采樣保持電容充電的效果，因此即使使用最短采樣時間1.5個周期，也可以保證測量精度。

圖10-7 電壓測量電路

該實驗通過軟件啟動ADC轉(zhuǎn)換，主循環(huán)中并不是實時顯示ADC的轉(zhuǎn)換結(jié)果，為了降低ADC的功耗，只有在讀取測量結(jié)果時再啟動一次轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完畢后停止轉(zhuǎn)換。具體配置流程如下：

1、初始化ADC1通道引腳（內(nèi)部溫度傳感器和參照電壓通道不需要進行引腳初始化）

2、配置ADC1中斷優(yōu)先級（如果使用ADC中斷，本節(jié)未使用）

3、使能 ADC1外設(shè)時鐘

4、設(shè)置ADC1預(yù)分頻系數(shù)

5、復(fù)位ADC1

6、配置ADC1初始化結(jié)構(gòu)體

7、設(shè)置規(guī)則組轉(zhuǎn)換順序和采樣時間

8、使能ADC1中斷（本節(jié)未使用）

9、使能ADC1外設(shè)

10、校準(zhǔn)ADC1

11、使能ADC1軟件觸發(fā)或外部觸發(fā)轉(zhuǎn)換

12、編寫中斷服務(wù)函數(shù)（如果使用ADC中斷，本節(jié)未使用）

具體代碼如下：

410.4 ADC獨立模式規(guī)則組單通道外部觸發(fā)轉(zhuǎn)換

本節(jié)依舊是通過ADC1規(guī)則組單通道模式測量KST-32開發(fā)板的USB電源輸入電壓，但是觸發(fā)方式由軟件觸發(fā)，改為定時器觸發(fā)，這里選擇使用ADC_ExternalTrigConv_T2_CC2（定時器2輸出比較觸發(fā)），通過設(shè)置定時器每隔20ms觸發(fā)一次ADC采樣及轉(zhuǎn)換，此時ADC的采樣頻率為50Hz。實驗中對十次轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)求平均，以此減少參考電源不穩(wěn)定帶來的影響。

由于ADC間隔20ms保存一次數(shù)據(jù)，為了防止數(shù)據(jù)被覆蓋，為此開辟一個緩沖區(qū)用于存儲轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，每轉(zhuǎn)換一次就保存一次數(shù)據(jù)到緩沖區(qū)，當(dāng)轉(zhuǎn)換完十次后就讀取前十次的數(shù)據(jù)進行處理；此時ADC繼續(xù)轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)繼續(xù)向后存儲，當(dāng)轉(zhuǎn)換完二十次后，再讀取后十次的數(shù)據(jù)處理，然后下一次轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)從緩沖區(qū)起始位置存儲，以此循環(huán)，這樣可以有效的解決數(shù)據(jù)丟失以及覆蓋的問題，具體代碼如下：

510.5 直接內(nèi)存存取技術(shù)——DMA

10.5.1 什么是DMA

當(dāng)處理單片機外設(shè)數(shù)據(jù)時，通常的流程是CPU先將外設(shè)產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)加載到存儲器中，然后CPU再從存儲器中讀取并處理數(shù)據(jù)。按照這種處理方式，外設(shè)和存儲器之間的數(shù)據(jù)傳輸是通過CPU執(zhí)行一段程序來實現(xiàn)的，但是當(dāng)外設(shè)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量比較大的時候，就會大幅降低CPU的執(zhí)行效率。為了解決這個問題，工程師們設(shè)計出一項不需要CPU執(zhí)行，便可以直接控制數(shù)據(jù)在外設(shè)和存儲器之間或者存儲器和存儲器之間傳輸?shù)募夹g(shù)，稱之為直接存儲器存取技術(shù)（Direct Memory Access，簡稱DMA）。

DMA用來提供在外設(shè)和存儲器之間或者存儲器和存儲器之間的高速數(shù)據(jù)傳輸。無須CPU干預(yù)，數(shù)據(jù)可以通過DMA快速地移動，這就節(jié)省CPU的資源可以做其他操作。DMA傳輸?shù)谋举|(zhì)是地址到地址的操作，可以把DMA理解為CPU的“秘書”。之所以稱之為“秘書”是因為它只聽從CPU的支配，并且它的能力也是有限的，只能幫助CPU傳遞數(shù)據(jù)，并不能發(fā)號施令。

10.5.2 DMA工作流程

STM32F103ZE系列具有2個DMA控制器，其中DMA1擁有7個通道，DMA2擁有5個通道。DMA的每個通道都直接連接專用的硬件DMA請求，每個通道也都支持軟件觸發(fā)，并且也可以設(shè)置優(yōu)先權(quán)。每個通道都有3個事件標(biāo)志（DMA半傳輸、DAM傳輸完成、DMA傳輸出錯）可以請求中斷。通道傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量是可編程的，最大65535個字節(jié)，DMA功能框圖如圖10-8所示。

圖10-8 DMA結(jié)構(gòu)圖

1 、 DMA請求

當(dāng)外設(shè)需要傳輸數(shù)據(jù)時，外設(shè)向DMA發(fā)送DMA請求，DMA控制器會先回應(yīng)一個應(yīng)答信號。當(dāng)獲取到DMA的應(yīng)答信號時，外設(shè)立即釋放它的請求，如果有更多請求時，外設(shè)可以啟動下一個周期。

DMA傳輸通常作用在數(shù)據(jù)量較大的外設(shè)到存儲器、存儲器到外設(shè)以及存儲器到存儲器中，比如ADC、SPI、外部SRAM、定時器等設(shè)備，每個外設(shè)都有對應(yīng)的DMA傳輸通道，具體DMA請求映像如表10-13和10-14所示，這兩張表的內(nèi)容即用即查。

2 、 DMA****仲裁

多個DMA通道出現(xiàn)請求時，就要有處理先后的順序問題，這和中斷優(yōu)先級處理是類似的。DMA請求可以通過軟件編程設(shè)置優(yōu)先級（很高、高、中等和低），高優(yōu)先級的優(yōu)先執(zhí)行；如果多個DMA請求的優(yōu)先級一樣，則通道號小的優(yōu)先執(zhí)行，比如通道0優(yōu)先于通道1，注意DMA通道不存在嵌套問題，只有當(dāng)前通道傳輸執(zhí)行完畢，才會執(zhí)行下一個優(yōu)先級較高的通道。

3 、 DMA數(shù)據(jù)傳輸

每個通道都可以在有固定地址的外設(shè)寄存器和存儲器地址之間執(zhí)行DMA傳輸。在啟動DMA數(shù)據(jù)傳輸之前需要設(shè)定數(shù)據(jù)源地址和目標(biāo)地址，以及傳輸?shù)臄?shù)據(jù)寬度和數(shù)據(jù)對齊方式，這樣才能保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

當(dāng)傳輸一半的數(shù)據(jù)后，半傳輸標(biāo)志位(HTIF)被置1，如果設(shè)置了允許半傳輸中斷位（HTIE），將產(chǎn)生一個中斷請求；當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束后，傳輸完成標(biāo)志位（TCIF）被置1，如果設(shè)置了允許傳輸完成中斷位（TCIE），將產(chǎn)生一個中斷請求。

4、 DMA****傳輸模式

DMA擁有兩種工作模式，一種是非循環(huán)模式，一種是循環(huán)模式。

非循環(huán)模式下，結(jié)束傳輸后將不再產(chǎn)生DMA操作。要重新開始新的DMA傳輸，需要在關(guān)閉DMA通道的情況下，重新在傳輸數(shù)量寄存器DMA_CNDTRx中寫入傳輸數(shù)目。

在循環(huán)模式下，數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)目DMA_CNDTRx寄存器變0以后，會自動被重新加載為初始值。

由于循環(huán)模式會自動重新開啟傳輸，就有可能造成剛剛存入的數(shù)據(jù)還未被取走，新的數(shù)據(jù)進入。在實際工程中如何解決這類問題呢？這個時候過半傳輸標(biāo)志位就要發(fā)揮作用了。

假如要傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)是10個，那么可以將數(shù)目寄存器設(shè)定為20，然后開辟20個字節(jié)的緩沖空間。當(dāng)傳輸完10個字節(jié)的后，過半傳輸標(biāo)志位置1，進入中斷，將數(shù)據(jù)取出；同時在這個過程中，如果有新的數(shù)據(jù)進入，會直接繼續(xù)往緩沖區(qū)后半段送，當(dāng)數(shù)目寄存器變0，緩沖區(qū)存滿，傳輸完成標(biāo)志位置1，進入中斷，將后半段取出。此時由于在循環(huán)模式下，DMA數(shù)目寄存器被復(fù)位成為20，進入下一輪循環(huán)。

10.5.3 配置DMA

1、初始化DMA

DMA初始化結(jié)構(gòu)體的相關(guān)內(nèi)容如下所示：

（1）DMA_PeripheralBaseAddr——DMA傳輸?shù)耐庠O(shè)基地址，一般該地址為外設(shè)的數(shù)據(jù)寄存器地址，如果使用存儲器到存儲器傳輸，則為其中一個存儲器的基地址。

（2）DMA_MemoryBaseAddr——DMA傳輸?shù)拇鎯ζ骰刂?，通常是程序開辟的一段內(nèi)存的起始地址。

（3）DMA_DIR——DMA傳輸方向，可以設(shè)定外設(shè)到存儲器，存儲器到外設(shè)，配置參數(shù)如表10-15所示。

（4）DMA_BufferSize——DMA數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)量，其數(shù)據(jù)單位與結(jié)構(gòu)體中的外設(shè)數(shù)據(jù)寬度和存儲器數(shù)據(jù)寬度單位一致，有三種類型：Byte（8位）、HalfWord（16位）、word（32位）。DMA_BufferSize設(shè)置的是DMA_CNDTRx寄存器的值，范圍為0至65535。

（5）DMA_PeripheralInc——外設(shè)地址寄存器是否遞增，配置參數(shù)如表10-16所示。

（6）DMA_MemoryInc——內(nèi)存地址是否遞增，配置參數(shù)如表10-17所示。

（7）DMA_PeripheralDataSize——外設(shè)數(shù)據(jù)寬度，根據(jù)外設(shè)數(shù)據(jù)寄存器的寬度可以選擇8位、16位、32位數(shù)據(jù)長度，配置參數(shù)如表10-18所示。

（8）DMA_MemoryDataSize——存儲器數(shù)據(jù)寬度，可以選擇8位、16位、32位數(shù)據(jù)長度，如果沒有特殊要求，應(yīng)與外設(shè)數(shù)據(jù)寬度保持一致，配置參數(shù)如表10-19所示。

（9）DMA_Mode ——DMA工作模式，可以設(shè)置為循環(huán)模式和非循環(huán)模式，配置參數(shù)如表10-20所示。

（10）DMA_Priority——DMA通道的優(yōu)先級，配置參數(shù)如表10-21所示。

（11）DMA_M2M——使能DMA通道的存儲器到存儲器傳輸，配置參數(shù)如表10-22所示。

2、使能DMA通道

根據(jù)所使用的外設(shè)，選擇使能對應(yīng)的DMA通道，代碼如下：

DMAy_Channelx：表示DMAx的通道號；NewState：表示使能或使能，ENABLE-使能，DISABLE-失能。比如使能DMA1通道1，代碼如下：

3、DMA中斷初始化

DMA的每個通道都有3個事件標(biāo)志分別為DMA半傳輸、 DMA傳輸完成和DMA傳輸出錯，通過檢測這三個標(biāo)志位可以判斷當(dāng)前DMA的傳輸狀態(tài)。

DMA通道中斷初始化函數(shù)如下，對應(yīng)中斷標(biāo)志位參數(shù)如表10-23。

DMAy_Channelx：表示DMAx的通道號；DMA_IT：表示使能的中斷類型；NewState：表示使能或使能，ENABLE-使能，DISABLE-失能。比如使能DMA1通道1的傳輸完成中斷和傳輸錯誤中斷，代碼如下：

4、中斷服務(wù)函數(shù)

DMA控制器的每個通道都有一個中斷服務(wù)函數(shù)，以STM32F103ZE系列為例，一共有12通道，對應(yīng)著12個DMA通道服務(wù)函數(shù)。DMA通道服務(wù)函數(shù)名稱如下:

進入中斷函數(shù)后需要檢測中斷類型，DMA通道中斷標(biāo)志位如表10-24所示。如果檢測到DMA傳輸完成后邊可以處理數(shù)據(jù)，如果檢測到傳輸錯誤標(biāo)志位，則需要舍棄數(shù)據(jù)或者重新開始傳輸。中斷標(biāo)志位檢測函數(shù)如下：

對應(yīng)清除中斷標(biāo)志位函數(shù)如下：

610.6 ADC獨立模式規(guī)則組多通道轉(zhuǎn)換—DMA模式

由于ADC規(guī)則組多通道轉(zhuǎn)換時，只能讀取到最后一個通道的數(shù)據(jù)，因此ADC的多通道轉(zhuǎn)換天生適合DMA模式，當(dāng)每個通達轉(zhuǎn)換完畢后，發(fā)送DMA請求，通過DMA直接傳輸?shù)皆O(shè)定的內(nèi)存緩存區(qū)中，從而解決了ADC多通道轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)被覆蓋的問題，同時CPU不需要頻繁讀取ADC的數(shù)據(jù)，大幅提高執(zhí)行效率。

單ADC模式下，只有ADC1和ADC3擁有DMA功能。而雙ADC模式下ADC2轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)通過ADC1的DMA功能傳輸。

STM32F103內(nèi)部溫度傳感器可以檢測芯片周圍的溫度，支持的溫度范圍為：-40~125度，精度為±1.5℃左右。計算公式為：T（℃） ={（V25-Vsense）/ Avg_Slope}+25，式中：V25表示：Vsense 在25度時的數(shù)值（典型值為1.43），Vsense為測得的通道16的電壓值；Avg_Slope表示：溫度與 Vsense 曲線的平均斜率（單位： mv/℃或 uv/℃）（典型值： 4.3mv/℃）。

STM32F103內(nèi)部還有一個標(biāo)準(zhǔn)電壓測量點V REFINT ，這個電壓不隨外部供電電壓的波動而變化，因此有相對較高的精度。因此在外部參考電壓V REF+ 精確度不高時，可以用內(nèi)部參考電壓來校正。

校準(zhǔn)方式如下：

首先讀出ADC1通道1轉(zhuǎn)換結(jié)果，記為ADch1；然后讀取內(nèi)部參照電壓VREFINT所在通道17的轉(zhuǎn)換結(jié)果，記為ADch17；記通道1被測量的模擬信號電壓為Uch1，則有：

注：VREFINT的典型值是1.20V，最小值是1.16V，最大值是1.24V。一般取V ~REFINT ~ = 1.2V。

通過公式（2）和（3）得出

V REF+ 由于容易受外界干擾，并不是標(biāo)準(zhǔn)的3.3V，而VREFINT是相對準(zhǔn)確的，因此通過內(nèi)部參考電壓校準(zhǔn)后，既可以測量通道電壓，又可以提高測量精度。

如果使用ADC1的內(nèi)部溫度傳感器（通道16）和參照電壓功能（通道17）需要使能這兩個功能。具體函數(shù)如下：

本節(jié)通過TIM3更新事件觸發(fā)ADC規(guī)則組3路通道轉(zhuǎn)換，分別用來測量板載電壓、內(nèi)部溫度傳感器、以及參照電壓的值，同時通過參照電壓計算板載電壓值，以此減少由于參考電壓V REF+ 不準(zhǔn)確導(dǎo)致的測量誤差。

首先ADC轉(zhuǎn)換時要避免因循環(huán)工作造成資源浪費，本節(jié)依舊采用外部觸發(fā)ADC規(guī)則組轉(zhuǎn)換，采用定時器3更新事件作為觸發(fā)源，間隔500ms觸發(fā)一次轉(zhuǎn)換。

其次，由于DMA工作在循環(huán)模式，如果讀取數(shù)據(jù)不及時，容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)讀取時被覆蓋。為此，將DMA緩沖區(qū)設(shè)置為被測數(shù)據(jù)的2倍大小，當(dāng)?shù)谝淮我?guī)則組3通道依次轉(zhuǎn)換完畢后，DMA將數(shù)據(jù)依次傳輸?shù)骄彌_區(qū)的前半?yún)^(qū)，同時設(shè)置DMA傳輸過半標(biāo)志位，此時可以讀取當(dāng)前3通道轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。同時規(guī)則組繼續(xù)轉(zhuǎn)換，當(dāng)?shù)诙?個通道依次轉(zhuǎn)換完畢時，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)被存儲到緩沖區(qū)的后半?yún)^(qū)，同時設(shè)置DMA傳輸完成標(biāo)志位，此時可以讀取第二次轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。

具體代碼如下：

710.7 練習(xí)

熟悉規(guī)則組與注入組混合轉(zhuǎn)換，通過TIM3_TRGO觸發(fā)規(guī)則組測量板載電壓和內(nèi)部溫度傳感器，通過TIM2_CCR1觸發(fā)注入組測量參照電壓值，并且通過內(nèi)部參照電壓的測量值，校準(zhǔn)板載電壓和內(nèi)部溫度傳感器。