基于STM32F407的数据采集系统设计
基于STM32F407的数据采集系统的软件设计。STM32F407凭借其高性能Cortex-M4内核、丰富的外设（特别是双ADC模块）和DMA控制器，非常适合于高效能数据采集任务。
基于STM32F407的数据采集系统设计
摘要
本设计方案围绕STM32F407单片机，构建一个高效、可靠的数据采集系统。方案采用分层架构，涵盖外设驱动层、应用程序层及数据处理与通信层。核心实现基于ADC（模数转换器） 与 DMA（直接存储器访问） 的无阻塞数据搬运，确保实时性。同时，方案集成了定时器触发、环形缓冲区、数据处理算法（如校准、滤波）以及多种通信接口（如UART、SPI、USB、以太网）用于数据传输，并提供详细的代码示例以供参考。
1. 系统架构与软件层次
一个健壮的数据采集系统软件通常采用分层设计，便于维护和扩展：
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| 应用层 (Application Layer) | <-> 主循环、状态机、业务逻辑
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| 数据处理层 (Data Processing Layer) | <-> 滤波、校准、变换、协议封装
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| 硬件抽象层 (HAL) / 外设驱动层 (Driver Layer) | <-> STM32Cube HAL库或LL库/寄存器操作
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| 硬件 (Hardware) | <-> STM32F407 MCU、传感器、外设
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2. 核心模块设计与实现
2.1 ADC模块配置 (以双ADC交替采样为例)
这是数据采集的核心。STM32F407拥有多达3个ADC模块，支持极其强大的采样模式。
目标：利用TIM定时器触发ADC，配合DMA实现高速、自动、不间断的数据采集。
配置步骤：
- 时钟配置：确保ADC、DMA、TIM时钟已使能。
- GPIO配置：将模拟输入引脚（如
PA0，PA1）配置为模拟模式。 - ADC通用配置：
- 分辨率：12位
- 扫描模式：
Enable - 连续转换模式：
Enable - 外部触发转换源：
Timer 2/3/4... Trigger Out event
- ADC规则通道配置：
- 为每个ADC配置要转换的通道序列和采样时间。
- DMA配置：
- 模式：
Circular（循环模式，实现环形缓冲区） - 数据长度：
Word（若ADC为12位，也可用HalfWord） - 内存地址自增：
Enable - 外设地址不自增：
Disable
- 模式：
- 定时器配置：
- 配置TIM为PWM输出模式或更新事件，以产生固定频率的触发信号。
- 采样频率
Fs = Timer_Clock / ((PSC + 1) * (ARR + 1))
代码 (使用STM32CubeMX HAL库)：
// main.c
ADC_HandleTypeDef hadc1;
DMA_HandleTypeDef hdma_adc1;
TIM_HandleTypeDef htim3;
// 定义ADC DMA目标缓冲区（双缓冲之一）
#define ADC_BUFFER_SIZE 1024
volatile uint32_t adc_buffer[ADC_BUFFER_SIZE];
int main(void) {
HAL_Init();
SystemClock_Config();
MX_GPIO_Init();
MX_DMA_Init();
MX_ADC1_Init();
MX_TIM3_Init();
// 启动DMA，将ADC转换结果直接搬运到内存
HAL_ADC_Start_DMA(&hadc1, (uint32_t*)adc_buffer, ADC_BUFFER_SIZE);
// 启动定时器，开始产生触发脉冲
HAL_TIM_Base_Start(&htim3);
while (1) {
// 主循环处理数据
// ...
}
}
// ADC1初始化函数（由CubeMX生成，需检查关键配置）
static void MX_ADC1_Init(void) {
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.DiscontinuousConvMode = DISABLE;
hadc1.Init.ExternalTrigConvEdge = ADC_EXTERNALTRIGCONVEDGE_RISING;
hadc1.Init.ExternalTrigConv = ADC_EXTERNALTRIGCONV_T3_TRGO; // 使用TIM3触发
hadc1.Init.DataAlign = ADC_DATAALIGN_RIGHT;
hadc1.Init.NbrOfConversion = 2; // 2个通道
hadc1.Init.DMAContinuousRequests = ENABLE;
hadc1.Init.EOCSelection = ADC_EOC_SEQ_CONV;
HAL_ADC_Init(&hadc1);
// 配置通道转换序列
ADC_ChannelConfTypeDef sConfig = {0};
sConfig.Channel = ADC_CHANNEL_0; // PA0
sConfig.Rank = 1;
sConfig.SamplingTime = ADC_SAMPLETIME_84CYCLES;
HAL_ADC_ConfigChannel(&hadc1, &sConfig);
sConfig.Channel = ADC_CHANNEL_1; // PA1
sConfig.Rank = 2;
HAL_ADC_ConfigChannel(&hadc1, &sConfig);
}
2.2 数据缓冲区管理
DMA在后台持续搬运数据，而主程序需要读取和处理这些数据，二者存在速度差异。
解决方案：实现双缓冲（乒乓缓冲） 或环形缓冲区机制。
- 双缓冲：DMA填满缓冲区A时，产生中断，程序处理A，同时DMA开始填充缓冲区B。
- 环形缓冲区：DMA在循环模式下工作，指向一个大的环形内存。程序通过维护
head（DMA当前位置）和tail（已处理位置）指针来安全地读取数据。
代码(环形缓冲区思路)：
#define BUFFER_SIZE 4096
volatile uint32_t adc_ring_buffer[BUFFER_SIZE];
volatile uint32_t dma_last_index = 0; // 记录DMA上一次的位置
void ProcessADCData() {
// 1. 获取DMA当前写入位置
uint32_t current_index = BUFFER_SIZE - __HAL_DMA_GET_COUNTER(&hdma_adc1);
// 2. 计算自上次处理以来，新增加了多少数据
uint32_t data_to_process = (current_index - dma_last_index + BUFFER_SIZE) % BUFFER_SIZE;
if(data_to_process > 0) {
// 3. 处理从 dma_last_index 到 current_index 之间的数据
for(uint32_t i = 0; i < data_to_process; i++) {
uint32_t index = (dma_last_index + i) % BUFFER_SIZE;
uint16_t adc_value = adc_ring_buffer[index] & 0xFFFF; // 获取12位ADC值
// 进行数据处理（校准、滤波等）
ProcessSample(adc_value);
}
// 4. 更新最后一次处理的位置
dma_last_index = current_index;
}
}
// 在主循环中调用 ProcessADCData()
2.3 数据处理算法
在MCU能力允许的范围内，对原始ADC数据进行处理。
-
校准：
- 偏移校准：
Value_calibrated = Value_raw - Offset - 增益校准：
Value_calibrated = (Value_raw - Offset) * Gain
- 偏移校准：
-
数字滤波（在MCU上实现）：
-
移动平均滤波：简单有效，适合消除随机噪声。
#define FILTER_WINDOW_SIZE 10 uint16_t moving_avg_filter(uint16_t new_sample) { static uint16_t buffer[FILTER_WINDOW_SIZE] = {0}; static uint32_t sum = 0; static uint8_t index = 0; sum = sum - buffer[index] + new_sample; buffer[index] = new_sample; index = (index + 1) % FILTER_WINDOW_SIZE; return (sum + FILTER_WINDOW_SIZE / 2) / FILTER_WINDOW_SIZE; // 四舍五入 } -
IIR低通滤波：计算量小，实时性好。
// 一阶IIR低通: Yn = α * Xn + (1-α) * Yn-1 float alpha = 0.1; // 平滑系数，越小越平滑，滞后越大 float filtered_value = 0; float iir_lowpass_filter(float new_sample) { filtered_value = alpha * new_sample + (1 - alpha) * filtered_value; return filtered_value; }
-
2.4 数据传输接口
代码 (通过USB Virtual COM Port传输)：
// 集成USB CDC库后，可以使用printf重定向
#include <stdio.h>
#ifdef __GNUC__
#define PUTCHAR_PROTOTYPE int __io_putchar(int ch)
#else
#define PUTCHAR_PROTOTYPE int fputc(int ch, FILE *f)
#endif
PUTCHAR_PROTOTYPE {
// 通过USB CDC发送一个字符
CDC_Transmit_FS((uint8_t *)&ch, 1);
return ch;
}
// 在主程序中，可以方便地发送数据
void SendDataToPC(uint16_t *data, uint32_t length) {
for(uint32_t i = 0; i < length; i++) {
// 发送原始二进制数据（更高效）
// CDC_Transmit_FS((uint8_t*)&data[i], 2);
// 或者发送格式化的字符串（更易读）
printf("%d,%.3f\n", i, (data[i] / 4095.0) * 3.3); // 假设Vref=3.3V
}
}
3. 程序流程设计
3.1 初始化流程
- 初始化系统时钟（配置PLL，最大化系统性能）。
- 初始化GPIO（LED、按键、ADC输入引脚等）。
- 初始化调试用UART（可选）。
- 初始化DMA。
- 初始化ADC并配置通道。
- 初始化触发用的定时器。
- 初始化其他通信外设（USB、SPI等）。
- 启用中断（如果需要）。
- 启动ADC DMA。
- 启动定时器。
3.2 主循环流程
int main(void) {
// 硬件初始化
System_Init();
while (1) {
// 1. 检查并处理ADC数据（非阻塞方式）
ProcessADCData();
// 2. 检查是否有命令从通信接口（如UART）传来
HandleUARTCommand();
// 3. 处理其他任务（如按键扫描、状态指示灯控制）
Key_Scan();
LED_Blink();
// 4. 必要时进入低功耗模式（如果采样间隔很长）
// __WFI();
}
}
参考代码 基于STM32F407单片机的数据采集系统的软件设计 www.youwenfan.com/contentcne/111862.html
总结
本设计方案为STM32F407数据采集系统提供了一个从底层驱动到上层应用的完整软件框架。核心在于利用 DMA+Timer+ADC 实现高效、自动的数据采集，通过环形缓冲区解决数据生产者与消费者的速度矛盾，并集成了必要的数据处理和数据传输模块。
实际开发中，强烈建议使用STM32CubeMX工具进行图形化引脚和外设配置，生成初始化代码，从而大大提高开发效率和减少配置错误。开发者可以在此基础上，根据具体的传感器类型、采样速率和通信需求进行进一步的定制和优化。
浙公网安备 33010602011771号