stm32cubemx配置差分adc

<think>我们基于STM32F103C8T6（蓝桥杯开发板常用型号）来实现频率计功能。主要步骤包括： 1. 使用TIM3定时器产生固定频率的触发信号，触发ADC采样。 2. 配置ADC使用DMA进行数据传输，将采样数据存储到数组中。 3. 使用FFT算法（如ARM的CMSIS-DSP库）对采样数据进行变换。 4. 从FFT结果中计算信号频率。 以下是详细步骤： ### 1. STM32CubeMX配置 打开STM32CubeMX，选择STM32F103C8T6芯片。 #### 1.1 时钟配置 - 设置外部高速晶振（HSE）为时钟源。 - 配置系统时钟为72MHz（STM32F103C8T6的最大系统时钟）。 #### 1.2 ADC配置 - 选择ADC1，开启一个通道（例如通道0，对应PA0）。 - 设置ADC为“Regular Conversion”模式。 - 触发源选择“Timer 3 Trigger Out Event”。 - 设置采样时间（根据信号频率调整，例如1.5个周期）。 - 开启DMA：选择“Circular”模式（循环模式），数据宽度为半字（16位）。 #### 1.3 TIM3配置 - 定时器时钟为72MHz（APB1总线时钟为72MHz）。 - 设置预分频器（PSC）和自动重载值（ARR）以产生所需的采样频率。 例如，要得到10kHz的采样频率（即每100us采样一次）： - 定时器时钟频率 = 72MHz - 定时器计数频率 = 72MHz / (PSC+1) = 72000000/(71+1)=1MHz（即1us计数一次） - 自动重载值ARR = 100-1（因为计数从0开始） -> 99 - 因此，定时器周期为100us，触发频率为10kHz。 - 触发输出选择：使能“Update Event”作为触发输出（TRGO）。 #### 1.4 DMA配置 - 在DMA设置中，为ADC1添加一个DMA请求。 - 模式：循环模式（Circular） - 数据宽度：半字（Half Word）到半字 - 内存地址自增，外设地址不变 #### 1.5 生成代码 - 设置好工程名称和路径，选择IDE（如Keil）。 - 生成代码。 ### 2. 代码实现 在生成的代码基础上，添加以下内容： #### 2.1 添加DSP库（用于FFT） - 如果没有安装CMSIS-DSP库，需要从ARM官网下载或通过Keil的包管理器安装。 - 在工程中添加DSP库，并包含头文件`#include "arm_math.h"`（注意：需要启用FPU，但STM32F103没有FPU，所以使用定点数运算）。 #### 2.2 定义变量 ```c #define FFT_LENGTH 1024 // FFT点数，必须是2的整数次幂 __IO uint16_t adc_buf[FFT_LENGTH]; // ADC采样数据缓冲区 float32_t fft_inputbuf[FFT_LENGTH]; // FFT输入数组（实数） float32_t fft_outputbuf[FFT_LENGTH]; // FFT输出数组（实数） float32_t fft_mag[FFT_LENGTH/2]; // 幅度谱 arm_rfft_fast_instance_f32 rfft; // FFT实例 ``` #### 2.3 初始化FFT 在main函数中初始化FFT： ```c // 初始化实数FFT if (arm_rfft_fast_init_f32(&rfft, FFT_LENGTH) != ARM_MATH_SUCCESS) { // 初始化失败处理 Error_Handler(); } ``` #### 2.4 启动ADC和定时器 在main函数中启动DMA、ADC和定时器： ```c HAL_ADC_Start_DMA(&hadc1, (uint32_t*)adc_buf, FFT_LENGTH); // 启动ADC的DMA传输 HAL_TIM_Base_Start(&htim3); // 启动定时器3 ``` #### 2.5 处理ADC数据 当DMA传输完成一半或全部完成时，会产生中断。但我们这里使用循环模式，DMA会一直传输。我们可以设置一个标志，当采集满一帧数据（FFT_LENGTH个点）后进行处理。 由于DMA是循环模式，我们可以通过定时查询或者使用DMA半传输完成和传输完成中断来获取数据。这里我们使用传输完成中断。 在CubeMX中，开启DMA传输完成中断（在DMA配置中勾选“Transfer Complete Interrupt”）。 然后，在中断回调函数中处理数据： ```c void HAL_ADC_ConvCpltCallback(ADC_HandleTypeDef* hadc) { // 当DMA传输完成时，这个回调函数会被调用 // 此时adc_buf中已经填满了一帧数据 // 设置一个标志，通知主循环进行处理 } ``` 但是，为了避免在中断中做大量运算，我们通常设置一个标志，然后在主循环中处理。 定义全局变量： ```c volatile uint8_t adc_ready = 0; ``` 在回调函数中： ```c void HAL_ADC_ConvCpltCallback(ADC_HandleTypeDef* hadc) { adc_ready = 1; } ``` 然后在main的while循环中： ```c while (1) { if (adc_ready) { adc_ready = 0; // 将ADC数据转换为浮点数（并减去直流分量，可选） float32_t sum = 0; for (int i=0; i<FFT_LENGTH; i++) { fft_inputbuf[i] = (float32_t)adc_buf[i]; sum += fft_inputbuf[i]; } float32_t dc = sum / FFT_LENGTH; // 计算直流分量 for (int i=0; i<FFT_LENGTH; i++) { fft_inputbuf[i] -= dc; // 减去直流分量 } // 执行FFT arm_rfft_fast_f32(&rfft, fft_inputbuf, fft_outputbuf, 0); // 计算幅度谱（复数模） // 注意：FFT输出是复数，排列为[实部0, 虚部0, 实部1, 虚部1, ...] // 我们只需要前FFT_LENGTH/2个点（因为实信号的FFT对称） for (int i=0; i<FFT_LENGTH/2; i++) { float32_t real = fft_outputbuf[2*i]; float32_t imag = fft_outputbuf[2*i+1]; fft_mag[i] = sqrtf(real*real + imag*imag); } // 寻找幅度谱中的最大值（忽略直流0点） float32_t max_mag = 0; uint32_t max_index = 0; for (int i=1; i<FFT_LENGTH/2; i++) { // 从1开始，跳过直流 if (fft_mag[i] > max_mag) { max_mag = fft_mag[i]; max_index = i; } } // 计算频率 // 采样频率为Fs，则频率分辨率为Fs/FFT_LENGTH // 实际频率 = max_index * (Fs / FFT_LENGTH) float32_t Fs = 10000; // 这里根据实际定时器触发频率设置，例如10kHz float32_t freq = max_index * (Fs / FFT_LENGTH); // 现在freq就是计算出的信号频率，可以输出到串口或显示 printf("频率: %.2f Hz\n", freq); } } ``` #### 2.6 串口输出 需要初始化串口，并在上面使用printf。如果使用printf，需要重定向fputc。 ### 3. 注意事项 - 采样频率Fs必须满足奈奎斯特采样定理（大于信号最高频率的2倍）。 - FFT点数越多，频率分辨率越高，但计算量越大。 - 如果信号频率不是频率分辨率的整数倍，可能会发生频谱泄露，可以通过加窗来缓解。 - 由于STM32F103没有FPU，使用浮点FFT计算速度较慢。如果对速度要求高，可以考虑使用定点FFT（如arm_rfft_q15）。 ### 4. 优化 - 使用实数FFT（rfft）比复数FFT效率高。 - 使用查表法计算平方根和除法，或者使用Q格式定点数运算加速。 以上代码实现了基于STM32F103的频率计核心功能。实际应用中可能需要根据具体硬件调整ADC通道、定时器参数等。 如果需要更精确的频率测量，可以考虑使用过零检测结合FFT，或者使用相位差法等。 由于篇幅限制，这里没有提供完整的工程代码，但给出了关键步骤和代码片段。如果需要完整工程，请参考相关资源[^2][^4]。 注意：以上代码仅供参考，实际使用时请根据具体硬件和需求调整。 §§相关问题§§ 1. 如何提高FFT频率测量的精度？ 2. 在STM32F103上如何优化FFT的计算速度？ 3. 除了FFT，还有哪些方法可以在嵌入式系统中测量信号频率？</think>### 基于STM32F103的FFT频率计实现 #### 系统设计思路 本方案使用STM32F103的TIM3定时器触发ADC采样，通过DMA传输数据，再经FFT处理计算信号频率。关键设计如下： 1. **TIM3**：配置为定时触发模式，产生精确的采样时钟 2. **ADC1**：工作在TIM3触发模式，12位分辨率 3. **DMA**：实现ADC数据到内存的无CPU干预传输 4. **FFT算法**：使用ARM CMSIS-DSP库进行快速傅里叶变换 5. **频率计算**：通过频谱峰值检测确定信号频率 #### STM32CubeMX配置步骤 1. **时钟配置** - 系统时钟：72MHz - APB1定时器时钟：72MHz - ADC时钟：14MHz（不超过14MHz） 2. **TIM3配置** - 模式：内部时钟 - 预分频器(PSC)：71（72MHz/(71+1)=1MHz） - 自动重载值(ARR)：根据采样率设置（例：ARR=99 → 10kHz采样率） - 触发输出：使能更新事件(TRGO) 3. **ADC1配置** - 转换模式：定时器触发 - 外部触发源：TIM3 TRGO - 采样通道：选择所需ADC通道（如PA0） - 采样时间：1.5周期 - DMA设置：添加DMA请求，循环模式，数据宽度半字 4. **DMA配置** - 模式：循环模式 - 方向：外设到内存 - 数据宽度：半字（16位） - 内存地址自增，外设地址不变 5. **生成代码** - 生成Keil工程文件 - 启用ARM CMSIS-DSP库（需手动添加） #### 代码实现 ```c #include "stm32f1xx_hal.h" #include "arm_math.h" #define FFT_LENGTH 1024 // FFT点数 ADC_HandleTypeDef hadc1; DMA_HandleTypeDef hdma_adc1; TIM_HandleTypeDef htim3; volatile uint8_t adc_ready = 0; uint16_t adc_buffer[FFT_LENGTH]; float32_t fft_input[FFT_LENGTH]; float32_t fft_output[FFT_LENGTH]; arm_rfft_fast_instance_f32 fft_handler; // ADC完成回调函数 void HAL_ADC_ConvCpltCallback(ADC_HandleTypeDef* hadc) { adc_ready = 1; // 设置数据就绪标志 } // FFT初始化 void FFT_Init() { arm_rfft_fast_init_f32(&fft_handler, FFT_LENGTH); } // 频率计算函数 float Calculate_Frequency(float sampling_freq) { // 寻找频谱峰值 uint32_t max_index = 0; float32_t max_value = 0; // 仅分析前一半频谱（实信号对称） for (int i = 1; i < FFT_LENGTH / 2; i++) { float32_t mag = sqrtf(fft_output[2*i]*fft_output[2*i] + fft_output[2*i+1]*fft_output[2*i+1]); if (mag > max_value) { max_value = mag; max_index = i; } } // 计算对应频率 return (max_index * sampling_freq) / FFT_LENGTH; } int main(void) { HAL_Init(); SystemClock_Config(); MX_ADC1_Init(); MX_DMA_Init(); MX_TIM3_Init(); FFT_Init(); // 启动定时器和ADC HAL_TIM_Base_Start(&htim3); HAL_ADC_Start_DMA(&hadc1, (uint32_t*)adc_buffer, FFT_LENGTH); while (1) { if (adc_ready) { adc_ready = 0; // 转换ADC数据为浮点数 for (int i = 0; i < FFT_LENGTH; i++) { fft_input[i] = (float32_t)(adc_buffer[i] - 2048) / 2048.0f; // 转换为±1.0范围 } // 执行FFT arm_rfft_fast_f32(&fft_handler, fft_input, fft_output, 0); // 计算频率（采样率10kHz） float freq = Calculate_Frequency(10000.0); // 此处可添加频率输出（串口/LCD等） // printf("频率: %.2f Hz\n", freq); } } } ``` #### 关键代码说明 1. **DMA传输**：`HAL_ADC_Start_DMA`启动ADC的DMA传输 2. **FFT处理**：使用ARM CMSIS-DSP库的实数FFT函数 3. **频率计算**：通过检测频谱峰值位置计算信号频率 4. **数据归一化**：ADC数据转换为-1.0~+1.0范围提高FFT精度 #### 性能优化建议 1. **采样率选择**：遵循奈奎斯特定律（$f_s > 2f_{max}$） 2. **加窗处理**：添加汉宁窗减少频谱泄漏 ```c // 汉宁窗应用示例 for (int i = 0; i < FFT_LENGTH; i++) { float32_t window = 0.5f - 0.5f * arm_cos_f32(2*PI*i/(FFT_LENGTH-1)); fft_input[i] *= window; } ``` 3. **多周期平均**：多次测量取平均提高精度 4. **定点数优化**：使用`arm_rfft_q15`替代浮点FFT提升速度 #### 注意事项 1. ADC参考电压需稳定（建议使用外部参考） 2. 输入信号幅度应在0-3.3V范围内 3. FFT长度需为2的整数次幂 4. 高频信号需考虑ADC采样时间（最小1.5周期） > 本实现基于STM32F103的硬件特性，通过合理配置外设协同工作，实现了高效准确的频率测量功能[^1][^2]。实际应用中可根据需求调整采样率和FFT点数，在测量精度和处理速度间取得平衡[^4]。

### STM32F103 使用 CubeMX 配置 ADC 时无法选择分辨率的原因及解决方案 STM32F103 的 ADC 是基于 Cortex-M3 架构设计的，其内部硬件特性决定了它并不具备可选分辨率的功能。具体来说，STM32F103 的 ADC 默认提供 **12位分辨率** 输出[^3]，这是由芯片本身的硬件架构决定的，并非软件层面能够调整。 #### 原因分析 在 STM32CubeMX 中，ADC 的配置选项主要围绕以下几个方面展开： - 输入通道的选择（单端模式或差分模式） - 转换顺序设置 - DMA 或中断触发方式 然而，在 STM32F103 上，由于硬件限制，ADC 并未提供类似于某些高端系列 MCU（如 H7 系列）中的动态分辨率调节功能[^2]。因此，在 CubeMX 的图形化界面中不会显示分辨率相关的选项。 #### 解决方案 尽管无法通过 CubeMX 图形化界面直接更改 ADC 分辨率，但仍可以通过以下方法间接实现需求： ##### 方法一：利用右移操作降低有效位数 如果需要低于 12 位的有效精度，可以在采集到的数据基础上执行简单的算术运算来减少有效位数。例如，假设希望获得 8 位分辨率，则可通过如下代码完成处理： ```c uint16_t adc_raw_value; // 存储原始 ADC 数据 (12-bit) adc_raw_value >>= 4; // 右移 4 位，保留高 8 位作为最终结果 ``` 这种方法本质上并未改变硬件行为，而是通过对数据后期加工的方式实现了低分辨率效果[^3]。 ##### 方法二：借助外部电路提高输入信号范围利用率 为了充分利用现有 12 位 ADC 提供的最大可能精确度，应确保待测电压覆盖整个 Vref+ 和 GND 所定义区间。这样即使保持默认 12 位输出也能达到最佳性能表现[^1]。 ##### 方法三：升级至更高性能微控制器 对于确实存在对不同分辨率灵活切换需求的应用场合，考虑迁移到更先进的产品线可能是更为彻底的办法之一；比如选用具有内置过采样机制从而支持多种实际等效分辨率设定能力的新一代处理器型号——这类设备往往允许开发者经由固件参数指定期望得到的具体数值宽度。 --- ### 示例代码片段展示如何手动调整分辨率 下面给出一段 C 语言程序示范怎样把来自标准库函数获取的标准 12bits 数字量转换成其他形式表示出来: ```c #include "stm32f1xx_hal.h" // Assume HAL_ADC_PollForConversion has been called and result stored here. uint16_t raw_adc_result; void process_adc_data(uint16_t *raw){ uint8_t reduced_resolution; // Convert to 8 bits by shifting down reduced_resolution = (*raw >> 4); } ``` 以上例子展示了基本原理即简单地向右侧移动四位即可丢弃最低四比特进而形成新的八比特整型变量`reduced_resolution`. ---