电机驱动开发学习5. 电源电压与温度读取

一、电源电压采样
- [1. 电源电压采样电路](#1. 电源电压采样电路)
- [2. 分压原理](#2. 分压原理)
- [3. 差分转单端与 1.24 V 偏置](#3. 差分转单端与 1.24 V 偏置)
- [4. 硬件连接](#4. 硬件连接)
- [5. STM32 ADC 采集实现](#5. STM32 ADC 采集实现)
- - [5.1 编程要点](#5.1 编程要点)
  - [5.2 GPIO、ADC 与 DMA 配置](#5.2 GPIO、ADC 与 DMA 配置)
  - [5.3 DMA 数据采集与滤波](#5.3 DMA 数据采集与滤波)
  - [5.4 电压值换算](#5.4 电压值换算)
  - [5.5 过压/欠压保护（扩展）](#5.5 过压/欠压保护（扩展）)
- [6. 测量精度与常见问题](#6. 测量精度与常见问题)
[二、NTC 温度采样](#二、NTC 温度采样)
- [1. 温度采样电路](#1. 温度采样电路)
- [2. NTC 热敏电阻原理](#2. NTC 热敏电阻原理)
- [3. 由 ADC 电压求 NTC 电阻](#3. 由 ADC 电压求 NTC 电阻)
- [4. 硬件连接](#4. 硬件连接)
- [5. STM32 温度换算](#5. STM32 温度换算)
- - [5.1 电阻与温度换算](#5.1 电阻与温度换算)
  - [5.2 温度保护（扩展）](#5.2 温度保护（扩展）)
三、主函数与程序流程
四、十六进制波形输出与串口助手
- [1. 帧格式](#1. 帧格式)
- [2. 串口助手「三通道字段解析-波形」配置](#2. 串口助手「三通道字段解析-波形」配置)
五、电机控制与串口指令
- [1. 串口指令](#1. 串口指令)
- [2. 按键控制](#2. 按键控制)
[六、堵转保护与 D12 指示](#六、堵转保护与 D12 指示)
七、测试

本实验在 lesson4 无刷电机控制基础上，增加 电源电压 与 NTC 温度 的 ADC 采集，并通过串口以 十六进制波形帧 输出；同时保留按键与串口电机控制、堵转保护等功能。

模块	源文件	说明
ADC 采集	`User/adc/bsp_adc.c`	ADC3 + DMA，双通道滤波
波形输出	`adc_send_waveform_frame()`	每 50 ms 发 6 字节帧
电机控制	`User/bldcm_control/`	串口指令 + 按键
堵转保护	`User/tim/bsp_motor_tim.c`	D12（LED2）指示

一、电源电压采样

在电机驱动系统中，实时监测母线（电源）电压是一项基础功能：可用于显示工作状态、判断供电是否稳定，并为后续的过压/欠压保护提供依据。野火直流无刷驱动板支持 12 V～70 V 宽电压输入，MCU 侧 ADC 只能采集 0～3.3 V 的模拟量，因此驱动板上设计了 电阻分压 + 隔离运放 + 差分转单端 的采样电路，将高压母线安全地送到 STM32。

1. 电源电压采样电路

电路从左到右可分为四段：

阶段	作用	关键器件
电阻分压	将母线高压按比例缩小	R53、R54 等分压电阻
隔离放大	实现强弱电隔离，保护 MCU	AMC1200SDUBR 隔离运放
差分转单端	将差分信号转为 ADC 可采的单端电压	普通运放（负反馈）
ADC 采样	MCU 读取模拟电压	STM32 ADC（PF9）

与电流采样通道不同，电压检测部分的隔离运放不做额外放大 ，仅完成隔离与传递；因此 ADC 端电压与母线电压之间是 固定的 1/37 分压关系 ，再叠加 1.24 V 偏置。

野火驱动板对控制信号使用光耦隔离，对 ADC 采样电路使用 AMC1200 隔离运放，实现了信号的完全电气隔离。官方说明见：直流无刷驱动板温度电压采集。

2. 分压原理

在母线电压（记为 VBUS）上并联 R53、R54 等串联电阻，取 R54 两端电压作为隔离运放输入 Vi。

根据分压定律：

复制代码

Vi / R54 = VBUS / (R53 + R54 + ...)

代入驱动板实际阻值，可化简为：

复制代码

Vi = VBUS / 37

即隔离运放输入端电压约为母线电压的 1/37。

3. 差分转单端与 1.24 V 偏置

隔离运放输出为差分信号，后级运放将其转换为单端电压 VBUS_ADC 送入 STM32。该级为负反馈同相放大结构，反馈电阻 R51、R52、R55、R56 均为 10 kΩ，根据虚短、虚断可得：

复制代码

VBUS_ADC = Vi + 1.24 V

将 Vi = VBUS / 37 代入：

复制代码

VBUS_ADC = VBUS / 37 + 1.24

反解母线电压：

复制代码

VBUS = (VBUS_ADC - 1.24) × 37

注意： 硬件并不是以 0 V 作为零点，而是加了 1.24 V 偏置 。程序中必须先用 ADC 原始值换算出 VBUS_ADC，再减去 1.24 V 后乘以 37，才能得到真实母线电压。

4. 硬件连接

无刷驱动板与 F407 骄阳开发板（无刷电机驱动接口 2）的相关连接如下：

无刷驱动板	主控板	说明
VBUS	PF9	电源电压 ADC 采样
TEMP	PF10	温度采样
5V_IN	5V	驱动板辅助电源
GND	GND	共地

ADC 配置（与官方例程一致，务必使用 ADC3）：

项目	配置
ADC 外设	ADC3（PF9/PF10 挂在 ADC3 上，非 ADC1）
电压通道	PF9 → `ADC_CHANNEL_7`，扫描 Rank 2
温度通道	PF10 → `ADC_CHANNEL_8`，扫描 Rank 1
DMA	DMA2 Stream0，Channel 2
分辨率	12 位（0～4095）

官方使用配套牛角排线连接，用万用表测量 PF9 对地电压，应约为 VBUS/37 + 1.24 V；若偏差较大，优先排查驱动板分压与供电。

5. STM32 ADC 采集实现

5.1 编程要点

初始化 PF9、PF10 为模拟输入，配置 ADC3 + DMA2 Stream0 Channel2 循环采集。
双通道扫描：Rank 1 温度（PF10），Rank 2 电压（PF9）。
DMA 缓冲区长度 ADC_NUM_MAX = 128，满后在中断回调中对两路数据 累加求平均。
先 HAL_ADC_Stop_DMA 处理数据，再 Start_DMA，避免处理期间缓冲区被覆盖。
DMA 完成中断入口为 DMA2_Stream0_IRQHandler（在 bsp_adc.h 中通过宏 ADC_DMA_IRQ_Handler 映射）。

5.2 GPIO、ADC 与 DMA 配置

bsp_adc.h 关键宏：

c 复制代码

#define TEMP_ADC              ADC3
#define ADC_NUM_MAX           128

#define TEMP_ADC_CHANNEL      ADC_CHANNEL_8   /* PF10 */
#define VBUS_ADC_CHANNEL      ADC_CHANNEL_7   /* PF9  */

#define TEMP_ADC_DMA_STREAM   DMA2_Stream0
#define TEMP_ADC_DMA_CHANNEL  DMA_CHANNEL_2

GPIO 配置为模拟模式、无上下拉：

c 复制代码

static void ADC_GPIO_Config(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

    TEMP_ADC_GPIO_CLK_ENABLE();
    VBUS_GPIO_CLK_ENABLE();

    GPIO_InitStructure.Mode = GPIO_MODE_ANALOG;
    GPIO_InitStructure.Pull = GPIO_NOPULL;

    GPIO_InitStructure.Pin = TEMP_ADC_GPIO_PIN;   /* PF10 */
    HAL_GPIO_Init(TEMP_ADC_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);

    GPIO_InitStructure.Pin = VBUS_GPIO_PIN;       /* PF9 */
    HAL_GPIO_Init(VBUS_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);
}

ADC 关键参数：

参数	配置	说明
`ScanConvMode`	ENABLE	多通道扫描
`ContinuousConvMode`	ENABLE	连续转换
`NbrOfConversion`	2	温度 + 电压
`Resolution`	12B	12 位精度
`DMAContinuousRequests`	ENABLE	DMA 循环搬运

电压通道配置示例：

c 复制代码

ADC_Config.Channel      = VBUS_ADC_CHANNEL;   /* ADC_CHANNEL_7，PF9 */
ADC_Config.Rank         = 2;
ADC_Config.SamplingTime = ADC_SAMPLETIME_3CYCLES;
HAL_ADC_ConfigChannel(&ADC_Handle, &ADC_Config);

HAL_ADC_Start_DMA(&ADC_Handle, (uint32_t *)&adc_buff, ADC_NUM_MAX);

5.3 DMA 数据采集与滤波

adc_buff 中按 [温度, 电压, 温度, 电压, ...] 交替存放两路结果。DMA 搬运 128 个半字后触发完成回调：

c 复制代码

void HAL_ADC_ConvCpltCallback(ADC_HandleTypeDef *hadc)
{
    int32_t adc_mean;

    HAL_ADC_Stop_DMA(hadc);

    /* 温度：偶数下标 */
    adc_mean = 0;
    for (uint32_t count = 0; count < ADC_NUM_MAX; count += 2)
        adc_mean += (int32_t)adc_buff[count];
    adc_mean_t = (uint32_t)(adc_mean / (ADC_NUM_MAX / 2));

    /* 电压：奇数下标 */
    adc_mean = 0;
    for (uint32_t count = 1; count < ADC_NUM_MAX; count += 2)
        adc_mean += (int32_t)adc_buff[count];
    vbus_adc_mean = (int16_t)(adc_mean / (ADC_NUM_MAX / 2));

    HAL_ADC_Start_DMA(&ADC_Handle, (uint32_t *)&adc_buff, ADC_NUM_MAX);
}

5.4 电压值换算

c 复制代码

#define VREF                3.3f    /* 理论 3.3 V，实测可标定为 3.258 V 等 */

#define GET_ADC_VDC_VAL(val)  ((float)(val) / 4096.0f * VREF)
#define GET_VBUS_VAL(val)     (((float)(val) - 1.24f) * 37.0f)

float get_vbus_val(void)
{
    float vdc = GET_ADC_VDC_VAL(vbus_adc_mean);
    return GET_VBUS_VAL(vdc);
}

换算链路：

复制代码

ADC 原始值 ──GET_ADC_VDC_VAL──► VBUS_ADC (V) ──GET_VBUS_VAL──► VBUS (V)

5.5 过压/欠压保护（扩展）

在保护例程中，可配置 ADC 模拟看门狗 监测电压通道。将期望的电压上下限换算为 ADC 阈值：

c 复制代码

#define VBUS_MAX     15    /* 过压阈值 (V) */
#define VBUS_MIN     10    /* 欠压阈值 (V) */

#define VBUS_HEX_MAX  ((VBUS_MAX / 37.0f + 1.24f) / VREF * 4096.0f)
#define VBUS_HEX_MIN  ((VBUS_MIN / 37.0f + 1.24f) / VREF * 4096.0f)

超出窗口时进入 HAL_ADC_LevelOutOfWindowCallback，可关断电机并提示用户。

6. 测量精度与常见问题

提高精度的建议：

标定 VREF： 用万用表实测开发板 VREF+ 对地电压，替换宏中的 VREF（官方例程实测约 3.258 V）。
确认偏置： 上电未启动电机时，PF9 电压应接近 1.24 V（仅偏置、无分压分量时）；若母线有电，则约为 VBUS/37 + 1.24 V。

二、NTC 温度采样

电机长时间运行后绕组与轴承会发热，过高温度会加速绝缘老化甚至烧毁电机。野火驱动板预留 NTC 温度采样接口，外接 NTC 热敏电阻并贴于电机表面，即可通过 STM32 ADC 实时读取温度。

1. 温度采样电路

如上图所示，驱动板温度采样电路由 NTC 分压网络 + 电压跟随器 组成：

复制代码

3.3 V ── NTC(Rt) ──┬── Temperature_ADC ──► PF10 (ADC)
                   │
                 4.7 kΩ
                   │
                  GND

后级运放接成 电压跟随器 （运放同相端与输出端电压相等），将分压点电压 Temperature_ADC 隔离缓冲后送入 MCU，输入阻抗高，对分压网络影响可忽略。

元件	参数	说明
NTC 热敏电阻	10 kΩ @ 25 ℃，B = 3950	需外接，贴于电机表面
下拉电阻	4.7 kΩ	驱动板板载，与 NTC 构成分压
采样引脚	PF10	对应 TEMP 信号

在驱动板 NTC 接口 插入配套 NTC 探头，将感温头用导热胶带固定在电机外壳或绕组附近，尽量贴近热源。

2. NTC 热敏电阻原理

NTC（Negative Temperature Coefficient）电阻值随温度升高而减小。其阻值与温度的关系可用 B 参数方程描述：

复制代码

Rt = R25 × exp[B × (1/T - 1/T25)]

符号	含义
`Rt`	当前温度 T（K）下的电阻值
`R25`	25 ℃ 时的标称电阻，配套 NTC 为 10 kΩ
`T25`	25 ℃ 对应的开尔文温度，298.15 K
`B`	材料常数，配套 NTC 为 3950

由 B 参数方程反解温度（开尔文），再换算为摄氏度：

复制代码

T(℃) = B × T25 / [B + ln(Rt/R25) × T25] - 273.15

C 语言中 log() 为自然对数，对应公式中的 ln。

3. 由 ADC 电压求 NTC 电阻

分压点电压 Temperature_ADC（记为 Vadc）与 NTC 电阻 Rt 的关系：

复制代码

Vadc / Rt = (VREF - Vadc) / 4700

整理得：

复制代码

Rt = (VREF - Vadc) × 4700 / Vadc

其中 VREF 为 ADC 参考电压（理论 3.3 V，建议实测标定）。Vadc 由 ADC 原始值经 GET_ADC_VDC_VAL 宏换算得到。

温度越高 → Rt 越小 → Vadc 越低，与 NTC 负温度系数特性一致。

4. 硬件连接

温度采样与电源电压共用同一组 ADC3 + DMA 采集，相关连接见第一章第 4 节。

ADC 通道： PF10 → ADC_CHANNEL_8，扫描 Rank 1（先于电压）
缓冲区布局： 偶数下标为温度，奇数下标为电压

5. STM32 温度换算

温度与电压在同一套 ADC_Init() 中完成，DMA 回调见第一章 5.3 节。

5.1 电阻与温度换算

c 复制代码

float get_ntc_r_val(void)
{
    float vdc = GET_ADC_VDC_VAL(adc_mean_t);
    return (VREF - vdc) / (vdc / 4700.0f);
}

float get_ntc_t_val(void)
{
    float Rt  = get_ntc_r_val();
    float Ka  = 273.15f;
    float T25 = Ka + 25.0f;
    float B   = 3950.0f;

    if (Rt <= 0.0f)
        return 0.0f;

    return B * T25 / (B + log(Rt / 10000.0f) * T25) - Ka;
}

换算链路：

复制代码

ADC 原始值 ──GET_ADC_VDC_VAL──► Vadc (V) ──分压公式──► Rt (Ω) ──B 参数方程──► T (℃)

5.2 温度保护（扩展）

在保护例程中，可在主循环判断温度是否超出安全范围：

c 复制代码

#define TEMP_MAX  80    /* 过温阈值 (℃) */

float temp = get_ntc_t_val();
if (temp > TEMP_MAX)
{
    t_max_count++;
    if (t_max_count > 10)
    {
        set_bldcm_disable();
        printf("温度超过限制！\r\n");
    }
}
else
{
    t_max_count = 0;
}

连续多次超限才触发停机，可避免偶发干扰引起误动作。

三、主函数与程序流程

本工程在 lesson4 基础上增加 ADC 初始化与波形输出，主循环同时处理电机控制：

c 复制代码

int main(void)
{
    static uint8_t print_flag = 0;

    SystemClock_Config();
    HAL_Init();

    LED_GPIO_Config();
    Key_GPIO_Config();
    DEBUG_USART_Config();
    ADC_Init();

    bldcm_init();
    set_bldcm_disable();    /* 上电默认关断电机 */

    while (1)
    {
        deal_key_input();       /* 按键调速/换向 */
        deal_serial_data();     /* 串口指令 */
        motor_stall_poll();     /* 堵转保护处理 */

        /* 每 50 ms 发送一帧电压+温度波形 */
        if (HAL_GetTick() % 50 == 0 && print_flag == 0)
        {
            print_flag = 1;
            adc_send_waveform_frame();
        }
        else if (HAL_GetTick() % 50 != 0 && print_flag == 1)
        {
            print_flag = 0;
        }
    }
}

与官方 demo 的区别：官方 demo 使用 printf 文本打印电压/温度；本工程改为 二进制波形帧，便于串口助手绘制曲线，同时保留电机控制功能。

四、十六进制波形输出与串口助手

1. 帧格式

程序每 50 ms 调用 adc_send_waveform_frame()，发送 6 字节 二进制数据：

字节序号	内容	说明
0	`0xAA`	帧头 1
1	`0x55`	帧头 2
2~3	uint16 小端	通道1：电源电压 × 100（2400 → 24.00 V）
4~5	uint16 小端	通道2：温度 × 10（255 → 25.5 ℃）

示例：AA 55 60 09 FA 00 → VBUS = 24.00 V，T = 25.0 ℃。

发送实现：

c 复制代码

void adc_send_waveform_frame(void)
{
    uint8_t frame[6];
    uint16_t vbus_x100 = (uint16_t)(get_vbus_val() * 100.0f + 0.5f);
    uint16_t temp_x10  = (uint16_t)(get_ntc_t_val() * 10.0f + 0.5f);

    frame[0] = 0xAA;
    frame[1] = 0x55;
    frame[2] = (uint8_t)(vbus_x100 & 0xFF);
    frame[3] = (uint8_t)(vbus_x100 >> 8);
    frame[4] = (uint8_t)(temp_x10 & 0xFF);
    frame[5] = (uint8_t)(temp_x10 >> 8);

    Usart_SendBytes(frame, 6);
}

2. 串口助手「三通道字段解析-波形」配置

串口参数：115200、8N1。
接收区勾选「十六进制显示」。
切换到 「三通道字段解析-波形」 ，只启用字段1、字段2：

配置项	字段1（电压）	字段2（温度）
勾选启用	✓	✓
过滤帧头	✓，填入 `AA 55`	同左
相对帧头起始位置	2	4
字段总长度字节数	2	2
字段大小端	小端	小端

波形 Y 轴换算：通道1 ÷ 100 → 电压 (V)；通道2 ÷ 10 → 温度 (℃)。
常见配置错误 ：字段长度填 1、起始位置填 2/4/6 会导致只读到 uint16 低字节，波形乱跳；起始位置应分别为 2 和 4（跳过帧头后的两个 uint16）。

五、电机控制与串口指令

1. 串口指令

指令	示例	说明
`v [speed]`	`v 1000`	设置 PWM 占空（0～5500），>0 时自动使能电机
`d [dir]`	`d 0` / `d 1`	0=正转，1=反转
`?`	`?`	打印帮助

每条指令以 回车（\r） 结束。
在串口助手 「串口调试」 发送区输入，不要勾选「十六进制发送」。
MCU 已 关闭字符回显 ，避免 ASCII 混入 AA 55 二进制流。
指令执行结果仍以 printf 文本输出；查看回复时可暂时关闭「十六进制显示」。
串口 RX 已过滤非 ASCII 噪声，仅 \r 触发命令解析。

2. 按键控制

按键	功能
K1	占空 +550（约 10% 步进）
K2	占空 -550
K3	正转
K4	反转

按键每次只加一档占空，从停转启动更平稳；串口一次给高占空（如 v 3000）在停转状态下更容易触发堵转保护。

六、堵转保护与 D12 指示

程序在 TIM8 PWM 更新中断中检测 Hall 换相：若连续 8000 个 PWM 周期 （约 533 ms）Hall 位置未变，判定堵转并自动关断电机，D12（LED2）点亮。

为保护串口大占空启动，使能后 1.5 s 内 （MOTOR_STALL_STARTUP_MS）不计入堵转计时；运行中改速会重置计时器。

现象	含义	处理
D12 亮	堵转保护触发，电机已关断	发 `v 0` 清状态，再 `v 550` 逐步加，或用 K1
串口偶发失败、按键正常	串口一次给高占空易误触发堵转	从 `v 550` 起步，或多次按 K1
再次启动时 D12 先灭再亮	仍立即堵转	占空过高或机械卡阻，降低速度

七、测试

猫猫串口调试助手设置如下：

可以查看输出波形图：

打开串口 115200，勾选十六进制显示，配置波形解析（第四章）。
确认通道1 约 2400 （24 V 母线）、通道2 约 250（25 ℃ 室温）。
在「串口调试」发 v 550 + 回车，观察电机转动；或按 K1 逐步加速。