【嵌入式电机控制#16】电流环（三）：过采样提高采集精度&看门狗监测总线电压

一、香农采样定律

为不失真的复现信号的变化，采样频率至少应大于等于连续信号最高频率分量的二倍。

采样定律只能确定采样周期的上限（采样频率的下限），实际采样周期的选择受多方面影响。

一般情况下：

对于响应快波动大、易受干扰（压力、流量）的过程，应该选较高的采样频率
对于过程响应慢，滞后大（温度、化学成分等）选取较低采样频率

当过程的纯滞后时间较长时，选取采样周期为纯滞后时间的1/4到1/8

STM32的ADC分辨率为12bit，假设PWM脉冲频率为20KHz，则理论上讲采样频率达到40Khz就能正确采集波形。

二、代码改进

注意看写的注释，不然干看代码是看不懂的：

（1）adc.h修改配置

VoltageResolution = ADC(Hex) * 3.3 / 2^n *1000 mV

根据香农采样定律，采样频率选取的最小值应该为PWM的两倍

再由过采样理论，实际采样率 > 两倍PWM频率 * 4^2

所以采样频率能够拉到14bit，公式中应该改为除以2^14也就是16384

cpp 复制代码

#define VOLT_RESOLUTION     ((float)((VOLT_REF/(float)(16384))*(float)1000))
#define VOLTBUS_RESOLUTION  ((float)( 3.3f/(float)4096) * (42.4f+2.0f) / 2.0f)

（2）adc.c 采样DMA

cpp 复制代码

void HAL_ADC_ConvCpltCallback(ADC_HandleTypeDef* hadc)  
{
  uint16_t ConvCnt = 0;
  int32_t ADConv = 0 ; 
//定义采样次数计数器，定义采样结果寄存器（注意，这次移到中断里成动态量了）
//这里注意防止采样次数AverCnt溢出
  HAL_ADC_Stop_DMA(hadc);
//先停止DMA，目的是不干扰时序
  SetChannelAsRank1(hadc,ADC_VOLT_CHANNEL);
//设置电压采样优先，为电压提供专属的数据采集时机，为电流保留了数据处理的机会
//此时DMA只采集电压，电流DMA被维护
  HAL_ADC_Start(hadc);
//ADC重新开启，此时正式开始采集电压，与此同时处理电流
  for(ConvCnt = 0; ConvCnt < (ADC_BUFFER ); ConvCnt++)
  {
    ADConv += ((int32_t)ADC_ConvValueHex[ConvCnt]);
  }
//进行电流采集量累加，一共1024次
  ADConv >>= ADC_Base;
//进行取平均，注意这里只移动了8位，也就是256，故意少除以2^2，为12bit->14bit的过采样处理
  AverSum += ADConv;
//进行采样结果累加
  AverCnt++;
//采样次数自增 
  HAL_ADC_Stop(hadc);
//停止ADC，并把ADC权限留给电流，电压后续在窗口看门狗中进行总线电压监测
  SetChannelAsRank1(hadc,ADC_CURRENT_CHANNEL);
  
  HAL_ADC_Start_DMA(hadc,(uint32_t*)ADC_ConvValueHex,ADC_BUFFER);
//这句话不仅有重新开始DMA的含义，也有重启ADC的意思
}

(3) 定时器中断采样数据进一步处理

cpp 复制代码

void HAL_SYSTICK_Callback(void)
{
  __IO int32_t ADC_Resul= 0;
  __IO float Volt_Result = 0;
  __IO float ADC_CurrentValue;
 //定义ADC结果寄存器，电流采样电压结果寄存器，最终实际电流值寄存器
  if((uwTick % 50) == 0)
  {
    ADC_Resul = AverSum/AverCnt ;
//每一次中断，进行动态窗口滤波，窗口长度根据此前DMA次数调整
    OffsetCnt_Flag++;
    if(OffsetCnt_Flag >= 16)
    {
    //经过实际测试，17次进入定时器中断时，电流波形才稳定
    //那么我们就把前一次的值当作零漂
      if(OffsetCnt_Flag == 16)
      {
        OffSetHex = ADC_Resul;
      }
    //标准的状态机写法，以固定的32代表电流采样进入正常状态，每次进来都会被赋为32
    //那么我们如果需要在控制日志中导出电流数据，就可以在这个大判断后print它的flag
      OffsetCnt_Flag = 32;
    //adc结果减去偏差才是真正的采样值
      ADC_Resul -= OffSetHex;
    }
//计算进入单片机的电压模拟量
    Volt_Result = ( (float)( (float)(ADC_Resul) * VOLT_RESOLUTION) );
//计算电机端实际的电流
    ADC_CurrentValue = (float)( (Volt_Result / GAIN) / SAMPLING_RES);
//对动态窗口的计数值、累加值清零
    AverCnt = 0;
    AverSum = 0;
   
      printf("Volt: %.1f mV -- Curr: %d mA\n",Volt_Result,(int32_t(ADC_CurrentValue+10));
  }
}

(4) 窗口看门狗实现总线电压监测

这段代码实现了一个逻辑：如果电压异常被WD连续检测出六次，则强制关闭电机，然后关闭定时器PWM输出。

cpp 复制代码

void HAL_ADC_LevelOutOfWindowCallback(ADC_HandleTypeDef* hadc)
{
  //给一个计数值i，并定义为静态量
  //注意这种用法，下一次触发看门狗时，i的值还保留，效果类似全局静态
  static uint8_t i = 0;
  i++;
  //这里直接自增了 ，说明一切从i==1开始
  if(ADC_VoltBus > VOLT_LIMIT_MIN  && ADC_VoltBus < VOLT_LIMIT_MAX)
    //如果总线电压大于最小供电，并小于最大电压限制
    i = 0 ;
  else if(i>=6)
  {
    SHUTDOWN_MOTOR();
    //禁用驱动
    HAL_TIM_PWM_Stop(&htimx_BDCMOTOR,TIM_CHANNEL_1);
    HAL_TIMEx_PWMN_Stop(&htimx_BDCMOTOR,TIM_CHANNEL_1);
    //关闭输出
    PWM_Duty = 0;
    //这里可以直接做PID清理
//    ADC_VoltBus = (float)ADC_VoltBus * VOLTBUS_RESOLUTION;
     //如果需要在控制日志中查看危险电压到底是多少，可以算一下ADC
    printf("Bus Voltage is out of range!!\n");
    //汇报控制日志
    printf("Please Reset the Target!\n");
    //死循环，等待用户reset
    while(1);
  }
}

（5）以上三个中断的优先级配置建议

为了安全起见，看门狗的中断优先级必须是三个中最高的。这样单片机才能在安全环境下稳定工作。

其次，ADC采样速率要求较快，并且是定时器数据处理的基础，所以我们安排次高优先级。

最后，当ADC数据处理完毕后，再将数据送给数据处理中断，所以它安排最低。

总结：

最高：窗口看门狗中断

适中：ADC的DMA中断

最低：数据处理的定时器中断