【动手学STM32G4】（13）STM32G431之 TIM+ADC

【动手学STM32G4】（1）STM32G431之导入和创建项目
 【动手学STM32G4】（2）STM32G431之外部中断
 【动手学STM32G4】（13）STM32G431之 TIM+ADC

【动手学STM32G4】（13）STM32G431之 TIM+ADC

- [1. 项目简介](#1. 项目简介)
- - [1.1 定时触发采样的重要性](#1.1 定时触发采样的重要性)
  - [1.2 定时器触发ADC的原理](#1.2 定时器触发ADC的原理)
- [2. CubeMX工程配置](#2. CubeMX工程配置)
- - [2.1 CubeMX 工程配置](#2.1 CubeMX 工程配置)
  - [2.2 ADC 配置](#2.2 ADC 配置)
  - [2.3 TIM 配置](#2.3 TIM 配置)
  - [2.4 工程配置](#2.4 工程配置)
- [3. CubeIDE 编程与调试](#3. CubeIDE 编程与调试)
- - [2.1 CubeIDE编程](#2.1 CubeIDE编程)
  - [2.2 编译与调试](#2.2 编译与调试)
- [4. 小结](#4. 小结)

1. 项目简介

在前文【动手学STM32G4】（5）STM32G431之ADC采样中，我们介绍了STM32G4的ADC采样系统构建，实现了电位器电压的采集。

本文介绍使用定时器触发 ADC 转换，并使用 DMA 进行数据传输。通过设置定时器的触发间隔，就能实现 ADC 定时采样转换功能。

1.1 定时触发采样的重要性

在嵌入式数据采集系统中，时序精度往往决定了整个系统的性能上限。软件触发 ADC 采样方式存在诸多局限：CPU需要频繁响应中断，采样间隔受限于中断延迟，多任务环境下难以保证时间一致性。

定时触发采样通过硬件机制确保了数据采集的时间精度，实现了纳秒级的时间一致性，这对于需要严格时序控制的电机控制、音频处理等应用至关重要；同时，它将CPU从频繁的中断处理中解放出来，配合DMA大幅提升了系统效率；更重要的是，定时器能够精确协调ADC、PWM、DAC等多个外设的协同工作，为复杂嵌入式系统提供了硬件级的同步保障；在抗干扰方面，硬件触发独立于CPU执行，有效避免了软件调度带来的时序抖动，增强了系统的稳定性。

1.2 定时器触发ADC的原理

STM32G431的TIM1作为高级定时器，具备独立的时钟源和可配置的触发输出功能，能够产生精确的时间基准。当TIM1配置为触发ADC时，其工作原理如下：

定时器在计数达到预设定值后产生更新事件（UEV），这个硬件事件通过TIM1的TRGO（Trigger Output）输出，直接连接到ADC的外部触发输入。ADC检测到这个触发信号后，立即启动转换过程，无需CPU干预。这种硬件级联动确保了采样时刻的精确性和可重复性，将时间抖动控制在纳秒级别。

关键时序关系可表示为：

bash 复制代码

定时器配置：
  时钟源 → PSC分频 → 计数器 → ARR重载 → 更新事件
                        ↓
                触发中断 & 触发ADC检测
                        ↓
                  ADC启动转换 → 开始转换

触发延迟主要包括ADC的采样时间和转换时间，这些参数在CubeMX中可配置，为系统设计提供了灵活性和可预测性。

2. CubeMX工程配置

2.1 CubeMX 工程配置

新建工程。
启动 STM32CubeMX，点击 "Start New Project" （或Ctrl-N快捷键）新建工程，进入 New Project 界面。
选择MCU为 STM32G431RBT6（参考开发板的 MCU 型号选择）。
选择开发板为 NUCLEO-G431RB 开发板。
点击右上角 "Start Project" 创建项目。
配置系统时钟树。
（1）点击顶部 "Clock Configuration" 选项卡，进入时钟树配置。
（2）设置输入频率 Input frequency=24 MHz，SysCLK frequency=160 MHz。
配置完成后，System Clock 显示为160MHz，HCLK、PCLK1、PCLK2 均为160MHz。

bash 复制代码

Input frequency: 24 MHz (HSE)
SysCLK frequency: 160 MHz (HSE)
System Clock Mux: PLLCLK
AHB Prescaler: 1 (不分频)
APB1 Prescaler: 1
APB2 Prescaler: 1

系统配置：在引脚配置（Pinout & Configuration）中，选择 "System Core -- SYS" 。

（1）设置调试器类型，将 Debug 模式设为 "Serial Wire"。

（2）设置基础时钟源（Timebase Source），可以选择默认设置 "SysTick"。

（3）时钟配置：在引脚配置（Pinout & Configuration）中，选择 "System Core -- RCC" 配置时钟模式。

设置高速时钟为外部晶振，将 High Speed Clock (HSE) 设为 "Crystal/Ceramic Resonator"。

Low Speed Clock (LSE) 设为 "Disable"（本实验不需要）。
GPIO 配置。

（1）将 LD2（PA5）配置为输出模式 "GPIO_Output"。

（2）将用户按键（PC13）配置为外部中断 "GPIO_EXTI13"。
配置设置虚拟串口（LPUART）

使用串口发送 ADC/DAC 数据到 PC 来显示波形：

启用 LPUART1，模式设为 Asynchronous；波特率设置为 115200；引脚使用默认的 PA2（TX）/PA3（RX），连接到 Nucleo 板上的 ST-LINK 虚拟串口。

用于高频率发送数据到上位机或更新波形时，可以考虑为 LPUART1_TX 分配 DMA 通道。

2.2 ADC 配置

Nucleo-G431RB 开发板上没有板载旋钮，堆叠插接 X-NUCLEO-IHM16M1 电机驱动扩展板后，PC2 引脚连接到 NUCLEO-IHM16M1 驱动板上的板载旋钮电位器。

启用并配置 ADC 通道
（1）选择 "引脚配置（Pinout & Configuration）"，从左侧下拉列表中选择 "Analog -- ADC1" ，使用 IN8（PC2）作为模拟输入通道，将 IN8 设置为 "IN8 Singel-ended"。
（2）开启独立通道 IN8，设置为 "IN1 Single-ended"。
（3）在 Pinout view 视图中，将 PC2 引脚配置为 "ADC1_IN8"。PC2 引脚颜色变为绿色，表示已配置为模拟输入模式。
（4）在 NVIC 设置中为 ADC1 启用中断，以便在回调函数中 ADC 转换结束时可以切换 GPIO。

（5）配置 ADC 工作模式和参数，注意触发源配置为 Timer 1 定时器触发。

bash 复制代码

ADCs_Common_Settings
   Mode: Independent mode
ADC_Settings
   Clock Prescaler: Asynchronous clock mode divided by 4
   Resolution: ADC 12-bit resolution
   Data Alignment: Right alignment（右对齐）
   Gain Compensation: 0
   Scan Conversion Mode：Disable
   End of Conversion Selection：End of single of conversion
   Continuous Conversion Mode: Disable（单次转换）
   DMA Continuous Requests: Disabled
ADC_Regular_ConversionMode:
   Number of Conversion: 1
   External Trigger Conversion Source: Timer 1 Trigger Out event
   External Trigger Conversion Edge: Trigger detection on the rising edge
Rank 1: 
   Channel: Channel 8
   Smapling Time: 24.5 Cycles
   Offset Number: No offset   
youcans@qq.com

2.3 TIM 配置

配置定时器 TIM1 中断频率为 1kHz。

计算预分频器(PSC)

TIM1 挂载在APB1总线，时钟频率 = 160MHz。

所需中断频率 = 10kHz。考虑ARR通常设为较小值以获得高分辨率，选择 PSC = 159，分频后频率 = 160MHz / (159+1) = 160MHz / 160 = 1000kHz。

计算自动重载值(ARR)：

中断频率 = 分频后频率 / (ARR+1)

ARR = (分频后频率 / 中断频率) - 1 = (1000kHz / 1kHz) - 1 = 1000 - 1 = 999

参数	设置值	说明
Clock Source	Internal Clock	使用内部时钟源
Prescaler (PSC)	159	预分频值
Counter Mode	Up	向上计数模式
Counter Period (ARR)	999	自动重载值
auto-reload preload	Disabled	禁用自动重载预装载
Trigger Event Selection	Update Event	选择更新事件作为触发输出

启用并配置TIM1 ：
（1）选择 "引脚配置（Pinout & Configuration）"，从左侧下拉列表中选择 "Timers -- TIM1 -- TIM1 Mode and Configuration " ，将通道1 配置为生成但不输出 PWM： "PWM Generation No Output"，用于定时器内部触发 ADC。

2.4 工程配置

工程管理配置。
（1）点击 "Project Manager"→ "Project"，输入项目名称 "STM32G431_ADC02"。。
（2）点击 "Project Manager"→ "Code Generator"，设置如下。

bash 复制代码

Project:
  - Project Name: STM32G431_ADC02
  - Toolchain/IDE: STM32CubeIDE

Code Generator:
  √ Generate peripheral initialization as a pair of '.c/.h'
  √ Keep User Code when re-generating
  √ Backup previously generated files
youcans@qq.com

生成代码。
（1）点击右上角"GENERATE CODE"按钮，将自动由工程文件 "STM32G431_ADC02.ioc" 生成初始代码。
（2）生成初始代码完成后，弹出代码生成提示窗口，点击 "Open Project" 直接进入 STM32CubeIDE 并打开代码。

3. CubeIDE 编程与调试

2.1 CubeIDE编程

在 STM32CubeIDE 打开代码文件 main.c。

代码生成后，已经自动进入 STM32CubeIDE，并打开创建的 STM32G431_DAC01 项目。在 "Core\Src" 目录中，已经生成了 dac.c 和 main.c 等基础程序。
程序 main.c 的架构如下：

c 复制代码

main.c
├── 系统初始化
│   ├── 系统时钟配置（160MHz）
│   ├── GPIO初始化
│   ├── TIM1初始化
│   └── ADC1初始化
├── 主程序
│   ├── ADC校准
│   ├── 启动ADC中断模式
│   ├── 启动TIM1 PWM输出
│   ├── 配置TIM1 主从模式
│   └── 主循环
│       └── 串口输出 ADC 数据（可选）
└── 中断服务
    └── HAL_ADC_ConvCpltCallback()
        ├── 读取ADC转换值
        ├── 更新转换计数器
        └── 每10次转换切换LED（可选）
youcans@qq.com

生成代码并添加变量：

c 复制代码

/* USER CODE BEGIN PV */
// 用户变量
volatile uint16_t adc_raw = 0;          // ADC 转换原值
volatile uint16_t adc_count = 0;        // ADC 转换计数/
* USER CODE END PV */

主函数初始化后添加代码：

c 复制代码

  /* USER CODE BEGIN 2 */
  // 校准ADC（youcans@qq.com）
  if(HAL_ADCEx_Calibration_Start(&hadc1, ADC_SINGLE_ENDED) != HAL_OK)
                Error_Handler();
  // 使能 ADC 中断
  if(HAL_ADC_Start_IT(&hadc1) != HAL_OK)
                Error_Handler();

  // 启动 TIM1 CH1 的 PWM 输出（用于触发ADC）
  if(HAL_TIM_PWM_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_1) != HAL_OK)
                Error_Handler();

添加ADC转换完成回调函数：

c 复制代码

void HAL_ADC_ConvCpltCallback(ADC_HandleTypeDef *hadc)
{
	if (hadc->Instance == ADC1)
	{
		// 获取ADC转换值（youcans@qq.com）
    	adc_raw = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);
    	adc_count++;
    // 每10次转换切换一次LED（便于观察）
    if (adc_count == 10)
    {
        HAL_GPIO_TogglePin(GPIOA, GPIO_PIN_5);
        adc_count = 0;
    }
  }
}

添加串口调试功能：

c 复制代码

  /* Infinite loop youcans@qq.com*/
  /* USER CODE BEGIN WHILE */
  while (1)
  {
	  // Update the transmission
  	  float Vch1 = adc_raw * 3.3f / 4095.0f;
  	  float Vch2 = 0;  // low level
  	  float Vch3 = 3.3;  // high level

  	  // New DMA transmission can only be initiated after the previous one is completed
  	  if (txReady)
  	  {
  		  txReady = 0;
  		  frame[0].f = Vch1;      // VOFA+CH1
  		  frame[1].f = Vch2;      // VOFA+CH2
  		  frame[2].f = Vch3;      // VOFA+CH3
  		  // The frame tail at frame[3] is a fixed value
  		  // A total of 4 floats (3 channels of data + 1 frame tail), 16 bytes in total.
  		  HAL_UART_Transmit_DMA(&hlpuart1, (uint8_t *)frame, 4*sizeof(float));
  	  }
  	  HAL_Delay(1);  // 1ms
  }

2.2 编译与调试

程序编辑、编译与调试：

点击工具栏中 "Build Debug" 按键对程序代码进行编译。

点击工具栏中 "Debug" 按键，将程序下载烧录到目标板 NUCLEO-G431RB 。

点击工具栏中 "Resume" 按键或 F8 快捷键，运行程序。
频率验证：用示波器测量PA5（LD2）引脚，看到 50Hz方波，如下图所示。

TIM1 中断频率为 1kHz，LED 每10次转换（10ms）切换一次，因此 LED 的闪烁周期为 50Hz。这说明采样频率精确控制为1kHz。

采样结果验证：
板载电位器连接到PA0（ADC1_IN8），提供0-3.3V模拟电压。旋转板载电位器，通过串口查看 ADC 值变化，如下图所示。
AD 转换的最小值为 0 ，最大值为 3.3，输出波形随电位器而变化，说明 AD 采样正常。

4. 小结

本实验成功实现了基于STM32G431的定时器触发ADC周期性采样系统。通过配置TIM2定时器产生精确的10kHz触发信号，驱动ADC1对板载电位器电压进行周期性采样，并在每次转换完成后通过中断回调函数处理数据，同时利用LED的50Hz方波输出直观验证系统运行状态。

本实验不仅实现了基本的ADC采样功能，更重要的是构建了一个可扩展、可验证、高可靠性的数据采集框架。通过严格的时序控制和中断管理，为后续更复杂的嵌入式应用开发奠定了坚实基础。

【动手学电机驱动】是 youcans@qq 原创作品，转载必须标注原文链接：【动手学STM32G4】（13）STM32G431之 TIM+ADC (https://blog.csdn.net/youcans/article/details/157174163)

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