STM32H7 HAL库CubeMX 双重ADC模式同步采样详细配置+FFT计算相位差

前言

在电赛备赛期间琢磨了一下ADC同步采样的实现方式，本来是打算直接用AD7606来着，但是搞了半天也没把驱动整出来...考虑到AD7606本身采样率也拉不到太高，于是就花了几天时间把片上ADC配出来了。查资料的时候我发现关于STM32双重ADC模式的资料是真的少，用FFT算两路信号相位差的实例代码也半天没找到，于是干脆自己整理了一套。不过到了最后连ADC都没用上就是了，毕竟今年压根没出仪器仪表题(什么，你说B题？TI的垃圾板卡狗都不用)

一、片上同步采样的两种实现方案 对比

1. 软件同步

将两个ADC配置为独立模式(Independent mode)，两个ADC的触发源设置为同一个定时器，这样一来不出意外的话两个ADC就能同步采样了，采样频率由定时器的频率决定。但是我在实际测试的时候发现，这样每一轮采样中总会有几个不连续的采样点，得到的波形都是间断的，原因我还没搞清楚。总之我最后没有采用这种方案。

2. 硬件同步

STM32H7的ADC1和ADC2可以配置为双重ADC模式(Dual ADC modes)，在[RM0433_STM32H7x3和STM32H750单片机参考手册]的第983页可以看到详细介绍：

简单来说，ADC1和ADC2可以被配置成双ADC模式，在这种情况下ADC1处于主的地位，ADC2则处于从的地位。此时，两个ADC的转换的开始可以在硬件上配置为交替/同步进行。有四种基础模式：

1. 注入同步模式(Injected simultaneous mode)
2. 规则同步模式(Regular simultaneous mode)
3. 交错模式(Interleaved mode)
4. 交替触发模式(Alternate trigger mode)

这四种模式还能被结合成其他的模式，这里用不到，就不说了。比较有用的有两种模式：规则同步模式和交错模式。
先说规则同步模式，在该模式下，当主ADC(ADC1)的触发到来时，从ADC（ADC2）会收到一个同步的触发，于是两个ADC就会同步开始采样，整个过程是由硬件保证的。具体转换过程如下：

注意，在这张图中，两个ADC的转换时间(conversion段)未必是相等的。按照手册中的描述，对于序列的每次同时转换，从ADC的转换长度小于主ADC的转换长度。
还有一个问题没有解决：ADC转换完成后的数据储存到哪里了？如果使用DMA的话，见下图的介绍：

这里给出了两种使用DMA读取数据的方式。第一种：分别为两个ADC配置DMA通道，然后从两个ADC各自的数据寄存器里读取数据。第二种：仅使用一个DMA通道（两个stream），使用一个32位公用数据寄存器ADCx_CDR。数据转换完成后，从ADC的数据将被存放在ADCx_CDR的高半字，主ADC的数据将被存放在ADCx_CDR的低半字，处理数据时只要位移16位把各自的数据取出来即可。
然后简单说一下交错模式。交错模式一般不用来同步采样，而是用来提高采样率。STM32ADC属于逐次逼近型ADC，每得到一个数据都要经过采样-转换这两个过程。交错模式使用了两个ADC，如果在一个ADC处于转换过程的间隙里启动另一个ADC对同一个通道采样，就相当于提高了时间的利用率，达到采样率翻倍的效果。具体过程如下图：

二、双ADC规则同步模式配置

单片机型号：STM32H743VIT6 rev.V
CubeMX版本:6.9.2
关闭MPU和DCache，开启ICache
ADC1配置：

ADC1的DMA配置：注意将数据宽度改为word，因为之后要将数据放到公共寄存器里面

ADC2配置：

ADC2的DMA配置：

双ADC的外部触发源选为TIM8，这样采样频率就由TIM8的定时频率决定。TIM8的配置如下：

为了方便调试最好再开个串口。所有东西配置完毕之后就生成代码。

三、Keil代码

3.1 ADC同步采样

基本逻辑：双ADC模式下，两个ADC采样的数据存入同一个32位数组ADC_Raw_Data，其中低16位存储主ADC，高16位存储从ADC。每次采样完毕后，在ADC传输完成中断里将标志位置1，在while循环里判断标志位，清零标志位，将存储的数据取出进一步处理(单精度)。
串口重定向

int fputc(int ch, FILE *f)
{HAL_UART_Transmit(&huart6, (uint8_t *)&ch, 1, 0xffff);return ch;
}

定义一些后面会用到的变量

uint8_t ADC_FLAG=0;//采样完成标志位
uint32_t ADC_Raw_Data[1024];//接收双ADC的数据
uint16_t ADC_1_Value_DMA[1024];//存放ADC1的采样值,点的个数与FFT的点数相同
uint16_t ADC_2_Value_DMA[1024];//存放ADC2的采样值，点的个数与FFT的点数相同

ADC初始化部分，校准、开启ADC2、开启Multi-DMA。

HAL_ADCEx_Calibration_Start(&hadc1,ADC_CALIB_OFFSET_LINEARITY, ADC_SINGLE_ENDED);
HAL_ADCEx_Calibration_Start(&hadc2,ADC_CALIB_OFFSET_LINEARITY, ADC_SINGLE_ENDED);
HAL_ADC_Start(&hadc2);
HAL_ADCEx_MultiModeStart_DMA(&hadc1, (uint32_t *)ADC_Raw_Data, 1024);

要开启ADC采样，只需开启TIM8即可：

HAL_TIM_Base_Start(&htim8);

ADC每次传输完成都会进入一次回调中断函数，在中断里边写太多东西的话可能会导致ADC采样出现故障。。。所以我只写了关闭定时器和给标志位置1的代码，复杂点的计算就放到while循环里

void HAL_ADC_ConvCpltCallback(ADC_HandleTypeDef* hadc)
{HAL_TIM_Base_Stop(&htim8);//停止采样DMA_FLAGG = 1;//标志位置1
}

在while循环里判断按钮是否按下和采样是否完成。按钮只是为了方便调试。采样完成后就进行移位操作，放到两个数组里，单位换算后再发给串口。

  while (1){/* USER CODE END WHILE *//* USER CODE BEGIN 3 */if(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOE,GPIO_PIN_1)==GPIO_PIN_RESET){HAL_Delay(10);if(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOE,GPIO_PIN_1)==GPIO_PIN_RESET){HAL_GPIO_TogglePin(GPIOE,GPIO_PIN_3);while(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOE,GPIO_PIN_1)==GPIO_PIN_RESET);HAL_TIM_Base_Start(&htim8);}}if(DMA_FLAGG==1)//ADC传输完成后。。。。。。。。。{DMA_FLAGG=0;//清空标志位for(i=0;i<1024;i++)//取出两个通道的采样值{ADC_1_Value_DMA[i]=ADC_Raw_Data[i] & 0xffff;ADC_Raw_Data[i] >>= 16;ADC_2_Value_DMA[i]=ADC_Raw_Data[i] & 0xffff;}for(i=0;i<1024;i++)//去掉直流偏置后将采样值发送给串口{printf("%f,%f\n",(double)(ADC_1_Value_DMA[i]-32768),(double)(ADC_2_Value_DMA[i]-32768));}	  }}

最后采到的波形长这个样子：

通过这个方法，采样率就算取到1MSPS也没有任何问题，不会出现间断的波形。

3.2 FFT测相位差的实现

得到两路采样数据之后，要得到相位差，只需要对两组采样数据分别进行FFT计算即可。先用FFT计算出幅频，遍历找到基波对应的下标，然后分别计算这两个点上的相位，作差即可。下面用MATLAB仿真1MSPS采样率下对两路10kHz，相位差60度的正弦波的FFT结果：

MATLAB代码贴在下面：

clear 
close allFs = 1000000;              % 采样率取1MSPS
N  = 1024;             % 采样点数1024点
n  = 0:N-1;            % 采样序列
t  = 0:1/Fs:1-1/Fs;     % 时间序列
f = n * Fs / N;          %真实的频率
fs = 100*1000;         %待测信号频率x1 = 1*cos(2*pi*(fs)*t);   
x2= 1*cos(2*pi*(fs)*t+pi/3);y1 = fft(x1, N);    %对原始信号做FFT变换
Mag1 = abs(y1);    %求FFT转换结果的模值
subplot(4,1,1);
plot(f, Mag1);       %绘制幅频相应曲线
title('幅频相应1');
xlabel('频率/Hz');
ylabel('幅度');subplot(4,1,2);
plot(f,  angle(y1)*180/pi.*(Mag1 > 300)); %绘制相频响应曲线，注意这将弧度转换成了角度
title('相频响应1');
xlabel('频率/Hz');
ylabel('相角');y2 = fft(x2, N);    %对原始信号做FFT变换
Mag2 = abs(y2);    %求FFT转换结果的模值
subplot(4,1,3);
plot(f, Mag1);       %绘制幅频相应曲线
title('幅频相应2');
xlabel('频率/Hz');
ylabel('幅度');subplot(4,1,4);
plot(f,  angle(y2)*180/pi.*(Mag2 > 300)); %绘制相频响应曲线，注意这将弧度转换成了角度
title('相频响应2');
xlabel('频率/Hz');
ylabel('相角');

算出幅频特性之后，只取幅值大于300的点（其实就是基波）计算相位。两路信号的相位差为132.019-71.8157=60.2033，没有问题。
下面基于ARM DSP库的FFT函数在STM32上实现这一过程。

uint8_t ifftFlag=0;
uint8_t doBitReverse=1;
float DOUBLE[FFT_LENGTH];     //采样数据经过单位换算，加窗操作后存放在这里
arm_cfft_radix4_instance_f32 scfft;//定义scfft结构体
float FFT_InputBuf[FFT_LENGTH*2];	//FFT输入数组，大小为点数的两倍
float FFT_OutputBuf[FFT_LENGTH];	//FFT输出数组，大小等于点数

上面定义了几个基本变量。为了方便求出相位，我又写了两个函数，只需要输入要处理的数组地址就能返回基波的相位：

/*
* 函数名：Find_nMax
* 功能说明：求出幅频中的极大值
* 形参： ARR：要遍历的数组
*        N  FFT点数
*返 回 值: 极大值的下标
*/
uint32_t Find_nMax(float *ARR,uint32_t N)
{uint32_t i;float aMax=0;uint32_t nMax=0;for ( i = 1; i < N/2; i++)//i必须是1，是0的话，会把直流分量加进去！！！！{if (ARR[i]>aMax){aMax = ARR[i];nMax=i;}}return nMax;
}
/*
* 函 数 名: Find_PhaseAngle
* 功能说明: 求出该数组中幅值最大的位置对应的相位角
* 形 参: ARR  ADC采样数组
*        N    遍历的总数量的一半
* 返 回 值: 相位角，单位：度
*/
float32_t Find_PhaseAngle(float32_t *ARR,float32_t N)
{uint16_t n; /*按实部、虚部的顺序存储数据*/for(n=0;n<LENGTH_SAMPLES;n++){FFT_InputBuf[2*n]=ARR[n];//实部记为ARRFFT_InputBuf[2*n+1]=0;   //虚部记为0}/*FFT变换*/     /***记得更换对应点数****/arm_cfft_f32(&arm_cfft_sR_f32_len1024,FFT_InputBuf,ifftFlag,doBitReverse);/*求解模值，求解模值的结果储存在FFT_OutputBuf[i]中*/arm_cmplx_mag_f32(FFT_InputBuf,FFT_OutputBuf,LENGTH_SAMPLES);n_Max_Temp = Find_nMax(FFT_OutputBuf,N);//找出幅值的最大值下标float32_t phase_TEMP=atan2f(FFT_InputBuf[2*n_Max_Temp+1],FFT_InputBuf[2*n_Max_Temp])* 180.0f/3.1415926f;//计算相位角return phase_TEMP;
}

有了上边这个函数，在原来的while循环里添加几行代码，将两路信号的相位计算出来，并发给串口：

while (1){/* USER CODE END WHILE *//* USER CODE BEGIN 3 */if(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOE,GPIO_PIN_1)==GPIO_PIN_RESET){HAL_Delay(10);if(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOE,GPIO_PIN_1)==GPIO_PIN_RESET){HAL_GPIO_TogglePin(GPIOE,GPIO_PIN_3);while(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOE,GPIO_PIN_1)==GPIO_PIN_RESET);HAL_TIM_Base_Start(&htim8);}}if(DMA_FLAGG==1)//ADC传输完成后。。。。。。。。。{DMA_FLAGG=0;for(i=0;i<1024;i++)//取出两个通道的采样值{ADC_1_Value_DMA[i]=ADC_Raw_Data[i] & 0xffff;ADC_Raw_Data[i] >>= 16;ADC_2_Value_DMA[i]=ADC_Raw_Data[i] & 0xffff;}for(i=0;i<1024;i++)//单位换算,顺便加窗{ADC_1_Real_Value[i] = (ADC_1_Value_DMA[i]-32768)*Reference_Voltage/65536;//换算为VADC_2_Real_Value[i] = (ADC_2_Value_DMA[i]-32768)*Reference_Voltage/65536;//换算为V}float32_t phase1 = Find_PhaseAngle(ADC_1_Real_Value,1024);//计算ADC1采样的相位printf("n1:%f\n",(double)(n_Max_Temp*1000000/1024));//发送频率值float32_t phase2 = Find_PhaseAngle(ADC_2_Real_Value,1024);//计算ADC2采样的相位printf("n2:%f\n",(double)(n_Max_Temp*1000000/1024));//发送频率值printf("phase1:%f\n",phase1);//发送相位printf("phase2:%f\n",phase2);//发送相位}}

四、相位计算实例

使用函数发生器生成两路完全相同的正弦信号：
CH1:2Vpp,10kHz,phase=0°
CH2:2Vpp,10kHz,phase=0°
**采样率：1MSPS **
在矩形窗和Hamming窗下，计算结果如下表所示：

相位差结果符合预期，十分接近零。而且，从表中可以看出加不加窗对相位差计算并没有太大的影响，虽然都说加窗可以减小频谱泄露，但是目前为止，除了能让频谱图好看一些以外，我暂时还没有体会到对FFT加窗有什么很显著的优点...事实上不加窗的频谱泄露也有对应的修正手段，详见这篇博客：浅谈信号处理加窗修正
为了验证相位计算的精度，我又测了几组数据，这次两路信号的配置如下：
CH1:2Vpp,10kHz,phase=90°
CH2:2Vpp,10kHz,phase=0°
采样率：1MSPS，加Hamming窗

将所有数据打到Excel里边：

需要注意的是，表中有两个数据相位差达到了-270°，这种情况下手动加上360°，不过误差也会大一些。除了这两个数据以外，相位测量误差基本稳定在0.2%。