【GD32F303红枫派开发板使用手册】第十二讲 ADC-双轴按键摇杆多通道循环采样实验

聚沃科技 2024-06-11 224

描述

12.1 实验内容

本实验是通过ADC规则组多通道循环采样方式实现双轴按键摇杆传感器x和y轴电压值的读取，通过本实验主要学习以下内容：

双轴按键摇杆传感器工作原理
DMA原理
规则组多通道循环采样

12.2 实验原理

12.2.1 双轴按键摇杆传感器工作原理

摇杆一般在航模中的无人机、电玩、遥控车、云台等设备上应用广泛，很多带有屏幕的设备也经常使用摇杆作为菜单选择的输入控制。

双轴按键摇杆主要由两个电位器和一个按键开关组成，两个电位器随着摇杆扭转角度分别输出X、Y轴上对应的电压值，在Z轴方向上按下摇杆可触发轻触按键，在配套机械结构的作用下，无外力扭动的摇杆初始状态下，两个电位器都处在量程的中间位置。

12.2.2 DMA原理

本实验中ADC通道有两个，分别为摇杆传感器x轴和y轴电压，所以我们用规则组多通道采样实现双轴的电压读取，从上一章内容中可以知道，ADC规则组实现多通道转换时，必须要用到DMA。下面我们介绍下DMA原理。

DMA（直接存储器访问控制器）是一个非常好用的外设，它提供了一种硬件的方式在外设和存储器之间或者存储器和存储器之间传输数据，而无需 CPU 的介入，从而使 CPU 可以专注在处理其他系统功能上。GD32F303有两个DMA，其中DMA0有7个通道，DMA1有5个通道。DMA的特性如下：

传输数据长度可编程配置，最大到 65536；
12 个通道，并且每个通道都可配置（DMA0 有 7 个通道， DMA1 有 5 个通道）；
AHB 和 APB 外设，片上闪存和 SRAM 都可以作为访问的源端和目的端；
每个通道连接固定的硬件 DMA 请求；
支持软件优先级（低、中、高、极高）和硬件优先级（通道号越低，优先级越高）；
存储器和外设的数据传输宽度可配置：字节，半字，字；
存储器和外设的数据传输支持固定寻址和增量式寻址；
支持循环传输模式；
支持外设到存储器，存储器到外设，存储器到存储器的数据传输；
每个通道有 3 种类型的事件标志和独立的中断；
支持中断的使能和清除。

DMA实现很简单，只要配置好以下几要素即可。

源地址和目标地址：DMA进行数据搬运过程为从源地址读取到数据，再搬运到目标地址。本实验中，需要把ADC转换结果搬运到自定义的buffer中，所以源地址就要设置为ADCx_RDATA寄存器地址，目标地址为buffer地址。
源和目标的地址增量方式：地址增量方式有固定模式和增量模式两种，固定模式是指进行一次DMA搬运后，下次搬运的源地址或目标地址保持不变；增量模式指进行一次DMA搬运后，下次搬运的源地址或目标地址会加1。本实验中，源地址始终都应该为ADCx_RDATA地址，所以源地址增量方式需要设置为固定模式，而目标地址为自定义buffer，我们需要用buffer[0]存储x轴数据，buffer[1]存储y轴数据，所以目标地址增量方式需要设置为增量模式。
DMA传输方向：DMA传输方向有三种，分别为外设地址->存储器地址、存储器地址->外设地址以及存储器->存储器。本实验中源地址是外设地址，目标地址为自定义buffer地址即存储器地址，故传输方向需设置为外设地址->存储器地址。
源和目标数据位宽：源和目标数据位宽表示每次搬运的数据长度，可以设置为8bit、16bit和32bit。本实验中ADC的数据只占用ADCx_RDATA寄存器的低半字即16bit，所以源和目标位宽选择16bit即可。
DMA传输个数和循环模式：传输个数表示一轮DMA传输可以搬运的次数。循环模式表示当一轮DMA传输结束后，是否直接进行下一轮搬运，当开启循环模式后，当上一轮DMA传输结束后，源地址和目标地址会恢复到最开始的状态。本实验中，需要转换2个通道ADC，故DMA传输个数设置为2，循环模式开启。
DMA通道优先级：DMA的每个通道都有一个软件优先级，当DMA控制器在同一时间接收到多个外设请求时，仲裁器将根据外设请求的优先级来决定响应哪一个外设请求。优先级包括软件优先级和硬件优先级，优先级规则如下：
软件优先级：分为4级，低，中，高和极高。可以通过寄存器DMA_CHxCTL的PRIO位域来配置。
硬件优先级：当通道具有相同的软件优先级时，编号低的通道优先级高。例：通道0和通道2配置为相同的软件优先级时，通道0的优先级高于通道2。

上面描述了DMA配置的一些要素，那么DMA是如何被触发的呢，我们来看下DMA请求映射表：

DMA0各通道请求表：

DMA1各通道请求表：

本实验中是ADC配合DMA来使用，如果使用DMA去搬运ADC0的数据，从上表查询得知需要使用DMA0的通道0，如果是搬运ADC2的数据，则要用到DMA1的通道4。如现在设置DMA1的通道4去搬运ADC2的数据，当ADC2每转换一个通道，ADC2_RDATA会更新一次数据，此时ADC2会自动向DMA1的通道4发出一次搬运请求，DMA收到请求后会进行一次数据搬运。DMA的请求和应答方式见下图：

12.3 硬件设计

本实验的原理图如下：

从原理图中可以看出，摇杆的x、y轴分别接到了PF7和PF8，从Datasheet中可以查到PF7对应ADC2_CH5，PF8对应ADC2_CH6。

12.4 代码解析

本实验用到两个ADC2通道，使用ADC2规则组搭配DMA1通道4进行数据转换和搬运，ADC2规则组和DMA1通道4都开启循环模式，一旦开始ADC2规则组转换，会持续对摇杆x、y轴电压进行转换和数据搬运。

12.4.1 DMA和ADC初始化

在driver_adc.c中定义driver_adc_regular_ch_dma_config函数，该函数实现DMA和ADC的初始化。

C
void driver_adc_regular_ch_dma_config(typdef_adc_ch_general *ADC, typdef_adc_ch_parameter *ADC_CH,void *buffer)
{
    dma_parameter_struct dma_data_parameter;
    /*DMA时钟开启*/
    rcu_periph_clock_enable(ADC->dma_parameter.rcu_dma);
    /*DMA通道参数复位*/
    dma_deinit(ADC->dma_parameter.dma_periph, ADC->dma_parameter.dma_channel);
    /*DMA源地址、目标地址、增量方式、传输位宽、传输方向、传输个数、优先级设置*/
    dma_data_parameter.periph_addr = (uint32_t)(&ADC_RDATA(ADC->adc_port));
    dma_data_parameter.periph_inc = DMA_PERIPH_INCREASE_DISABLE;
    dma_data_parameter.memory_addr = (uint32_t)(buffer);
    dma_data_parameter.memory_inc = DMA_MEMORY_INCREASE_ENABLE;
    if(ADC->adc_mode == ADC_DAUL_REGULAL_PARALLEL)
    {
        dma_data_parameter.periph_width = DMA_PERIPHERAL_WIDTH_32BIT;
        dma_data_parameter.memory_width = DMA_MEMORY_WIDTH_32BIT;
    }
    else
    {
        dma_data_parameter.periph_width = DMA_PERIPHERAL_WIDTH_16BIT;
        dma_data_parameter.memory_width = DMA_MEMORY_WIDTH_16BIT;
    }
    dma_data_parameter.direction    = DMA_PERIPHERAL_TO_MEMORY;
    dma_data_parameter.number       = ADC->dma_parameter.dma_number;
    dma_data_parameter.priority     = ADC->dma_parameter.dma_priority;
    dma_init(ADC->dma_parameter.dma_periph, ADC->dma_parameter.dma_channel, &dma_data_parameter);
    /*DMA循环模式设置*/
    if(ADC->dma_parameter.dma_circulation_mode == ENABLE)
    {
        dma_circulation_enable(ADC->dma_parameter.dma_periph, ADC->dma_parameter.dma_channel);
    }
    else
    {
        dma_circulation_disable(ADC->dma_parameter.dma_periph, ADC->dma_parameter.dma_channel);
    }
    /*使能DMA*/
    dma_channel_enable(ADC->dma_parameter.dma_periph, ADC->dma_parameter.dma_channel);
    /*ADC初始化*/
    driver_adc_config(ADC,ADC_CH);
}

在driver_adc.h中声明了ADC DMA的结构体：

C
typedef struct __typdef_adc_dma_parameter
{
    rcu_periph_enum rcu_dma;//DMA时钟
    uint32_t dma_periph;//DMA号
    dma_channel_enum dma_channel;//DMA通道号
    uint32_t dma_number;//DMA传输个数
    uint32_t dma_priority;//DMA通道优先级
    EventStatus dma_circulation_mode;//循环模式
}typdef_adc_dma_parameter;

这段代码比较简单，请读者按照前面介绍的DMA原理进行解析。

12.4.2 摇杆ADC设置所需要的参数及IO口结构体定义

在bsp_adc.c中，对摇杆ADC设置所需要的参数及IO扩结构体数组进行了定义：

C
typdef_adc_ch_general Rocker_ADC= {
    .rcu_adc = RCU_ADC2,//ADC2的时钟
    .adc_psc = RCU_CKADC_CKAPB2_DIV6,//ADC2设置为APB2 6分频
    .adc_port = ADC2,//ADC口为ADC2
    .adc_mode = ADC_MODE_FREE,//ADC模式为独立模式
    .adc_channel_group = ADC_REGULAR_CHANNEL,//使用规则组
    .adc_scan_function = ENABLE,//开启扫描模式
    .adc_continuous_function = ENABLE,//开启循环模式
    .ch_count = 2,//转换长度为2
    .dma_parameter =
    {
        .rcu_dma = RCU_DMA1,//DMA1的时钟
        .dma_periph = DMA1,//使用DMA1
        .dma_channel = DMA_CH4,//使用通道4
        .dma_number = 2,//DMA传输长度为2
        .dma_priority = DMA_PRIORITY_HIGH,//DMA通道优先级
        .dma_circulation_mode = ENABLE//DMA循环模式打开
    },
    .trigger_source = ADC0_1_2_EXTTRIG_REGULAR_NONE,//ADC触发源选择为软件触发
    .DMA_mode = ENABLE//使用DMA
};

typdef_adc_ch_parameter Rocker_ch[2] =
{
    {
        .rcu_port = RCU_GPIOF,//GPIOF时钟
        .port = GPIOF,//GPIO port
        .pin = GPIO_PIN_7,//PF7
        .gpio_speed = GPIO_OSPEED_10MHZ,//PF7速度设置为10MHz
        .adc_channel = ADC_CHANNEL_5,//PF7是ADC2的通道5
        .sample_time = ADC_SAMPLETIME_55POINT5//设置采样周期为55.5
    }
    ,
    {
        .rcu_port = RCU_GPIOF,//GPIOF时钟
        .port = GPIOF,//GPIO port
        .pin = GPIO_PIN_8,//PF8
        .gpio_speed = GPIO_OSPEED_10MHZ,//PF8速度设置为10MHz
        .adc_channel = ADC_CHANNEL_6,//PF8是ADC2的通道6
        .sample_time = ADC_SAMPLETIME_55POINT5//设置采样周期为55.5
    }
};//ADC通道参数配置，包括IO口，和对应通道以及采样周期

12.4.3 摇杆 ADC初始化和触发ADC转换的具体实现函数

在bsp_adc.c中定义了摇杆 DMA和ADC初始化和触发ADC转换的函数：

C
uint16_t Rocker_data[2] ;
void bsp_Rocker_ADC_config()
{
driver_adc_regular_ch_dma_config(&Rocker_ADC,Rocker_ch,(uint16_t*)Rocker_data);
driver_adc_software_trigger_enable(&Rocker_ADC);
}

12.4.4 main函数实现

C
int main(void)
{
    delay_init();//延时函数初始化
    bsp_uart_init(&BOARD_UART);//BOARD_UART串口初始化
    bsp_Rocker_ADC_config();//摇杆ADC配置
    while (1)
    {
        delay_ms(100);//延时100ms
        printf(" the Rocker x and y axis data is %d,%d \r\n", Rocker_data[0],Rocker_data[1]);//打印摇杆数据
    }
}

本例程main函数首先进行了延时函数初始化，为了演示实验结果，这里初始化了BOARD_UART串口，关于串口的使用，请读者参考串口章节，然后是摇杆ADC配置。在主循环中，每100ms打印一次摇杆x、y轴的ADC转换数据。

12.5 实验结果

使用USB-TypeC线，连接电脑和板上USB to UART口后，配置好串口调试助手，即可看到摇杆打印数据了，摇动摇杆可以看到x、y轴ADC转换数据的变化。

本教程由GD32 MCU方案商聚沃科技原创发布，了解更多GD32 MCU教程，关注聚沃科技官网

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