2025-07-17 DMA读取ADC

需求

当前呼吸机采用外挂AD7689用于比例阀AD反馈、氧电池、压力监测，需要每个通道1ms更新一次。AD7689共8个通道，因而整体采样率需8KHz。传统实现HAL_SPI_TransmitReceive为阻塞式，8KHz采样率下对MCU占用较高，考虑DMA方式。

实现方法

STM32F429 外挂 AD7689 ADC 芯片，使用 DMA 方式采集 ADC 数据，这里的 DMA 并不是直接对 AD7689 的模拟输入进行DMA采集，而是用于 SPI 通信中搬运 AD7689 转换结果。

STM32 作为 SPI 主机
AD7689 作为 SPI 从机
每次转换通过 SPI 收发16位数据，获取ADC结果
STM32 使用 DMA 自动收发 SPI 数据，减轻 CPU 负担

DMA 在这个系统中是如何使用的？

步骤	功能	说明
1	STM32 启动 CNV	控制 GPIO 产生上升沿，触发 AD7689 转换
2	启动 SPI DMA 传输	使用`HAL_SPI_TransmitReceive_DMA()`向 AD7689 发送配置字并接收数据
3	DMA 完成后中断回调处理	在`HAL_SPI_TxRxCpltCallback()`中保存 ADC 数据，并准备下一通道
4	重复上述操作，轮询通道	每125μs采集一个通道，8个通道合计1ms，满足每通道1kHz采样率

DMA用法说明

STM32 HAL中，可以使用以下API实现：

HAL_SPI_TransmitReceive_DMA(&hspi1, tx_buf, rx_buf, 2); // 每次2字节

其中：

tx_buf：存储配置字（控制 AD7689 通道、工作模式）
rx_buf：接收AD7689输出的采样值

DMA传输完成后，回调函数 HAL_SPI_TxRxCpltCallback 会被调用。

工作流程图（简略）

         STM32（主机）                    AD7689（从机）
        ----------------                -----------------
   定时器中断/软件触发
           ↓
   CNV 拉低      
           ↓
   SPI_DMA发送配置字 + 接收         <=>   SPI回应采样数据
           ↓
   DMA中断完成 => 存储数据 => CNV拉高
           ↓
   准备下一个通道配置（轮询）

✅ DMA方式采集AD7689的优势

方式	优点
SPI + DMA	低CPU占用，传输快，易于扩展
轮询方式	简单，但CPU频繁处理中断开销大

❗ 注意事项

DMA一次传输16位（2字节）：AD7689输出的是16位数据
转换前必须设置CNV脉冲，CNV时序必须满足 datasheet
每次转换都需发送 配置字，选择通道
AD7689不是自动轮询通道的，需由主控 MCU 切换配置字

实现细节

定时器TIM7

定时器需要满足8KHz，选择TIM6或TIM7. 这两个定时器对应APB1，时钟频率为84MHz。

Prescaler: (SystemCoreClock / 1000000) - 1（设成1μs节拍）
ARR（Period） : 124（每125μs触发一次）
Update Event中断 Enable

具体配置如下图

NVIC Settings中使能TIM7 global interrupt

注意，生成代码中需要手动添加HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim7);

完整初始化代码如下

static void MX_TIM7_Init(void)
{

  /* USER CODE BEGIN TIM7_Init 0 */

  /* USER CODE END TIM7_Init 0 */

  TIM_MasterConfigTypeDef sMasterConfig = {0};

  /* USER CODE BEGIN TIM7_Init 1 */

  /* USER CODE END TIM7_Init 1 */
  htim7.Instance = TIM7;
  htim7.Init.Prescaler = 84-1;
  htim7.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
  htim7.Init.Period = 125-1;
  htim7.Init.AutoReloadPreload = TIM_AUTORELOAD_PRELOAD_ENABLE;
  if (HAL_TIM_Base_Init(&htim7) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
  sMasterConfig.MasterOutputTrigger = TIM_TRGO_UPDATE;
  sMasterConfig.MasterSlaveMode = TIM_MASTERSLAVEMODE_DISABLE;
  if (HAL_TIMEx_MasterConfigSynchronization(&htim7, &sMasterConfig) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
  /* USER CODE BEGIN TIM7_Init 2 */
  HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim7);
  /* USER CODE END TIM7_Init 2 */

}

SPI1

SPI参数配置与普通模式一致，只需额外使能SPI中断与DMA，如下图

关键代码

关键在两个回调函数，HAL_TIM_PeriodElapsedCallback定时器回调，每125us触发一次，在该回调中通过HAL_SPI_TransmitReceive_DMA启动DMA传输；DMA传输完成后，触发HAL_SPI_TxRxCpltCallback回调，在此处处理接收到的数据。

HAL_TIM_PeriodElapsedCallback

void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
  /* USER CODE BEGIN Callback 0 */

  /* USER CODE END Callback 0 */
  if (htim->Instance == TIM6) {
    HAL_IncTick();
  }
  /* USER CODE BEGIN Callback 1 */
  if (htim->Instance == TIM7) {
    ad7689_read_raw_dma();
  }
  /* USER CODE END Callback 1 */
}

uint8_t g_ad_channel_index = 0;
uint8_t g_tx_buf[2] = {0};
uint8_t g_rx_buf[8][2] = {0};
int ad7689_read_raw_dma()
{
    HAL_GPIO_WritePin(ADC_SPI_CS_GPIO_Port, ADC_SPI_CS_Pin, GPIO_PIN_RESET);
    uint16_t reg = (1 << 13) | (7 << 10) | (g_ad_channel_index << 7) | (0 << 6) | (1 << 3) | (0 << 1) | (0 << 0);
    reg <<= 2;
    g_tx_buf[0] = (uint8_t)(reg >> 8);
    g_tx_buf[1] = (uint8_t)(reg & 0xFF);
    
    int ret = HAL_SPI_TransmitReceive_DMA(&hspi1, g_tx_buf, g_rx_buf[g_ad_channel_index], 2);
    if (ret != 0)
    {
        ++g_ad_read_err_count[g_ad_channel_index];
    }
    return ret;
}

‍

HAL_SPI_TxRxCpltCallback

void HAL_SPI_TxRxCpltCallback(SPI_HandleTypeDef *hspi)
{
    if (hspi->Instance == SPI1)
    {
        uint16_t result = (g_rx_buf[g_ad_channel_index][0] << 8) | g_rx_buf[g_ad_channel_index][1];

        int value_index = (g_ad_channel_index + E_AD_AD_CHNNEL_NUM_MAX - 2) % E_AD_AD_CHNNEL_NUM_MAX;

        g_ad_raw_ad_value[value_index][g_ad_value_index[value_index]] = result;

        ++g_ad_value_index[value_index];
        if (g_ad_value_index[value_index] >= AD_RAW_DATA_BUFFER_COUNT)
        {
            g_ad_value_index[value_index] = 0;
        }

        ++g_ad_channel_index;
        if (g_ad_channel_index >= E_AD_AD_CHNNEL_NUM_MAX)
        {
            g_ad_channel_index = 0;
        }
        HAL_GPIO_WritePin(ADC_SPI_CS_GPIO_Port, ADC_SPI_CS_Pin, GPIO_PIN_SET);
    }
}

重点

ad7689原先实现如下

    HAL_GPIO_WritePin(ADC_SPI_CS_GPIO_Port, ADC_SPI_CS_Pin, GPIO_PIN_RESET);
    ret = HAL_SPI_TransmitReceive(&hspi1, txbuf, rxbuf, sizeof(txbuf), 20);
    HAL_GPIO_WritePin(ADC_SPI_CS_GPIO_Port, ADC_SPI_CS_Pin, GPIO_PIN_SET);

在该实现中，HAL_SPI_TransmitReceive为阻塞接口，本身有耗时。而HAL_SPI_TransmitReceive_DMA为非阻塞接口，AD7689 CNV引脚拉低与拉高之间需要10ns延时，若直接使用__NOP()等增加延时则得不偿失。经古希腊掌管嵌入式の神季总点拨，将拉高操作放在接收回调中，以工代赈，两难自解。

posted @ 2025-07-17 20:31 thatdor 阅读(66) 评论(0) 收藏举报

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