简介基于STM32与HAL库的多通道数据采集与存储工程源码面向毕业设计、课程设计及嵌入式项目开发重点解决1、3通道ADC同步采集、DMA搬运、SPI读取加速度计、Flash断电存储等联动问题。工程以定时器触发固定3.2kHz采样频率适合对数据采集实时性有要求的运动监测与振动分析场景。资源包共184个文件整体9.72MB以C/H源码、Keil工程文件uvprojx/uvoptx、HAL库驱动以及编译生成的axf/hex/map等为主也有IOC配置文件便于在CubeMX中复现引脚与时钟配置。目前已吸引347人学习下载代码经过严格测试可直接参考并在其基础上做功能扩展。从内容预览看工程内包含定时器、串口、SPI、ADC、Flash等HAL驱动模块读者可借此熟悉HAL库下外设组合与中断/DMA联动逻辑层次较为清晰便于按需查阅与二次开发对于需要快速搭建多通道采集链路的开发者是一份可运行、可验证的完整示例。1. 定时器触发3.2kHz采样ADC、DMA、SPI、Flash怎么协同3.2kHz固定采样率、3路ADC同时采集、DMA零中断搬运、SPI挂加速度计、Flash掉电存储五件事拆开都不算难合在同一颗STM32F103里跑稳定才是关键。这个工程把采样链路从CPU中剥了出来TIM3更新事件触发ADC启动转换DMA自动把三通道结果搬进内存主循环只负责SPI读加速度计和Flash落盘采样节奏严格锁在3.2kHz。这个组合在振动监测、姿态采集、便携式数据记录仪里是标准形态源码包经过完整测试课程设计或毕业设计拿来做底子很合适。下面按数据流方向拆解ADCDMA链路、SPI加速度计读取、Flash存储三块最后给实测验证方法。2. ADC三通道DMA循环搬运的时序链路2.1 定时器触发为什么优于连续转换ADC的ContinuousConvMode置ENABLE时ADC会自己一轮接一轮转换不需要外部干预。这种自走模式的短板是采样时刻不受控软件拿到数据时距离实际采样时刻已经过去了不确定的时间。对3.2kHz采样率来说一个采样周期只有312.5us时间误差到了20usFFT分析就会出现明显频谱泄漏振动特征频率会被噪声淹没。定时器触发方案把ADC的启动信号和TIM3更新事件绑定在一起。TIM3溢出一次ADC就完成一轮三通道转换转换完成相对溢出时刻的偏差由采样时间和转换周期决定是一个固定值。这样相邻采样点的时间间隔高度均匀3.2kHz标称频率可以做到接近晶振精度。代价是ADC不能连续自走两次触发之间必须留够转换时间。F103在72MHz下三个通道一轮转换约3.5us相对于312.5us的触发间隔余量非常充分不存在来不及转完的问题。2.2 TIM3溢出频率与TRGO触发配置定时器触发ADC走的是TRGO事件而不是中断这在HAL库里的配置路径和普通定时器中断完全不同。TIM3计数溢出时更新事件同步映射到TRGO引脚ADC的外部触发输入端接收该信号。CubeMX生成工程时建议只用来配置时钟树和引脚复用ADC与定时器的触发关系手动填写更可控。先初始化定时器TIM_HandleTypeDef htim3 {0}; htim3.Instance TIM3; htim3.Init.Prescaler 225 - 1; // 72MHz / 225 320kHz htim3.Init.Period 100 - 1; // 320kHz / 100 3.2kHz htim3.Init.CounterMode TIM_COUNTERMODE_UP; htim3.Init.ClockDivision TIM_CLOCKDIVISION_DIV1; HAL_TIM_Base_Init(htim3); TIM_MasterConfigTypeDef sMasterConfig {0}; sMasterConfig.MasterOutputTrigger TIM_TRGO_UPDATE; // 更新事件映射到TRGO sMasterConfig.MasterSlaveMode TIM_MASTERSLAVEMODE_DISABLE; HAL_TIMEx_MasterConfigSynchronization(htim3, sMasterConfig); HAL_TIM_Base_Start(htim3);Prescaler是分频系数72MHz主频先除以225得到320kHz的计数时钟Period是自动重载值计数器从0递增到99共100个计数两者相除正好得到3.2kHz。MasterOutputTrigger选TIM_TRGO_UPDATE含义是每次计数器上溢更新都输出一个触发脉冲这个脉冲直接进ADC的外部触发通道。MasterSlaveMode保持DISABLE避免定时器被其他主设备同步。HAL_TIM_Base_Start只负责让TIM3跑起来ADC那边的触发映射在ADC初始化里做关联。这里有个常见错误把Prescaler和Period按配置串口波特率的思路去套忽略了触发其实发生在更新时间上结果算出的频率和预期差一倍。建议先用示波器量TIM3_CH1对应的PA6复用输出确认3.2kHz再接ADC链路否则两层配置叠加在一起时很难定位是哪边出了问题。2.3 ADC扫描模式与DMA缓冲区初始化三路模拟信号接到ADC1的IN0、IN1、IN2上。开启扫描模式后一次外部触发会依次完成三个通道的转换全部转完才回到空闲状态等待下一次触发。关键配置如下ADC_HandleTypeDef hadc1 {0}; hadc1.Instance ADC1; hadc1.Init.ScanConvMode ADC_SCAN_ENABLE; // 扫描模式逐通道转换 hadc1.Init.ContinuousConvMode DISABLE; // 由TIM3触发不自走 hadc1.Init.DiscontinuousConvMode DISABLE; hadc1.Init.ExternalTrigConv ADC_EXTERNALTRIGCONV_T3_TRGO; // 绑定TIM3的TRGO hadc1.Init.DataAlign ADC_DATAALIGN_RIGHT; // 12位结果右对齐 hadc1.Init.NbrOfConversion 3; // 转换3个通道 HAL_ADC_Init(hadc1); ADC_ChannelConfTypeDef sConfig {0}; sConfig.Channel ADC_CHANNEL_0; // PA0 sConfig.Rank 1; // 第1个转换的通道 sConfig.SamplingTime ADC_SAMPLETIME_239CYCLES_5; // 采样周期239.5个ADC时钟 HAL_ADC_ConfigChannel(hadc1, sConfig); // IN1(PA1, Rank2)与IN2(PA2, Rank3)只改Channel字段为 // ADC_CHANNEL_1、ADC_CHANNEL_2其余保持一致ScanConvMode必须置ENABLE否则只有Rank1那一路会被转换其他通道配置等于白设。ExternalTrigConv选的是TIM3的TRGO意味着一轮三通道转换完全由定时器节奏驱动。采样时间用239.5周期在72MHz ADC时钟下约3.3us对常规电压信号足够如果信号源内阻偏大调大SampleTime能提高精度代价是单轮转换时间变长。采样周期直接决定ADC内部采样电容的充电时间取值过小时高阻抗源采出来的值会偏低这是量电压不准时第一个要检查的点。DMA部分需要特别注意F103的ADC1固定挂在DMA1的通道1上这个映射由硬件写死换到DMA1的其他通道无效DMA_HandleTypeDef hdma_adc1 {0}; hdma_adc1.Instance DMA1_Channel1; hdma_adc1.Init.Direction DMA_PERIPH_TO_MEMORY; hdma_adc1.Init.PeriphInc DMA_PINC_DISABLE; hdma_adc1.Init.MemInc DMA_MINC_ENABLE; hdma_adc1.Init.PeriphDataAlignment DMA_PDATAALIGN_HALFWORD; hdma_adc1.Init.MemDataAlignment DMA_MDATAALIGN_HALFWORD; hdma_adc1.Init.Mode DMA_CIRCULAR; // 循环模式 hdma_adc1.Init.Priority DMA_PRIORITY_HIGH; HAL_DMA_Init(hdma_adc1); __HAL_LINKDMA(hadc1, DMA_Handle, hdma_adc1); uint16_t adc_buf[6]; HAL_ADC_Start_DMA(hadc1, (uint32_t *)adc_buf, 6);Direction选PERIPH_TO_MEMORY数据从ADC的数据寄存器流向RAMPeriphInc必须关因为源地址始终是同一个寄存器MemInc必须开让DMA依次写入adc_buf[0]到adc_buf[5]。对齐方式用HALFWORDF103的ADC结果宽度12位存在16位数据寄存器里按半字搬运最合适用BYTE会丢掉高4位。DMA_CIRCULAR是循环模式的核心搬完6个半字后DMA的计数寄存器自动重载为6全程不需要CPU重新发起传输。启动函数第三个参数是传输次数6对应6个半字。启动DMA前务必先调用HAL_ADCEx_Calibration_Start(hadc1)做一次校准。F103的ADC内部有校准电路不校准直接转换会有固定偏移严重时输入接地读到的不是0。校准必须放在ADC使能之后、首次转换之前。2.4 双缓冲与DMA计数器判断DMA循环模式下adc_buf[6]被DMA以6个半字为一轮持续覆盖。如果CPU无脑去读很可能读到DMA正写到一半的数据。常见做法是把缓冲区开成两组再利用__HAL_DMA_GET_COUNTER查看剩余传输量来判断该读哪一段uint16_t remain __HAL_DMA_GET_COUNTER(hdma_adc1); if (remain 3) { process_sample(adc_buf[0]); // 前3个半字是完整的最新数据 } else { process_sample(adc_buf[3]); // 后3个半字是完整的最新数据 }__HAL_DMA_GET_COUNTER返回的是还没搬完的半字数。当remain大于等于3时第二组传输还没结束数组前半段的3个半字属于已完成的一轮可以安全读取反之后半段安全。严格说在remain恰好等于3的边界会有一点竞争对3.2kHz采样加轻量浮点处理来说影响很小如果做高可靠性设计把缓冲区扩成三组或直接在DMA传输完成中断里做数据镜像更稳妥。HAL库源文件模块关键接口stm32f1xx_hal_adc.c / stm32f1xx_hal_adc_ex.cADC采集与校准HAL_ADC_Start_DMA, HAL_ADCEx_Calibration_Startstm32f1xx_hal_tim.c / stm32f1xx_hal_tim_ex.c定时器触发源HAL_TIMEx_MasterConfigSynchronizationstm32f1xx_hal_spi.cSPI加速度计HAL_SPI_TransmitReceivestm32f1xx_hal_flash_ex.cFlash存储HAL_FLASHEx_Erase, HAL_FLASH_Programstm32f1xx_hal_uart.c调试输出串口DMA发送3. SPI读取加速度计的HAL库实现3.1 时钟极性和相位怎么定SPI相比I2C的优势是速率和协议简单没有地址应答和时钟拉伸适合加速度计这种需要连续快速读三轴数据的场景。SPI是全双工同步串口主从双方必须在时钟沿的定义上达成一致这个一致就是CPOL和CPHA。绝大多数加速度计芯片支持模式3或模式0对应CLK空闲电平和数据采样沿的差异。这里按模式3配置SPI_HandleTypeDef hspi2 {0}; hspi2.Instance SPI2; hspi2.Init.Mode SPI_MODE_MASTER; hspi2.Init.Direction SPI_DIRECTION_2LINES; hspi2.Init.DataSize SPI_DATASIZE_8BIT; hspi2.Init.CLKPolarity SPI_POLARITY_HIGH; // CPOL1 hspi2.Init.CLKPhase SPI_PHASE_2EDGE; // CPHA1 hspi2.Init.NSS SPI_NSS_SOFT; // 软件片选 hspi2.Init.BaudRatePrescaler SPI_BAUDRATEPRESCALER_8; // 9MHz hspi2.Init.FirstBit SPI_FIRSTBIT_MSB; HAL_SPI_Init(hspi2);CPOL1表示空闲时CLK保持高电平CPHA1表示数据在第二个时钟沿被采样也就是下降沿锁存数据。模式3和模式0在读取流程上没有本质区别只是沿的定义反过来。NSSSPI_NSS_SOFT最容易忽略硬件NSS由SPI外设自动控制片选总线上挂多个设备时会出现竞争工程里用普通GPIO做软件片选每个设备的CS独立控制时序也更好排查。波特率预分频8对应9MHz时钟接近大多数MEMS加速度计的SPI上限信号质量差时降到DIV16即可。FirstBit固定MSBSPI协议规定从最高位开始传。3.2 单字节与多字节寄存器读取加速度计的物理寄存器地址通常7位最高位是读写标志。读操作把命令字节最高位置1。过程分两步先拉低片选发命令字节此时MISO上是无效数据再发一个哑字节提供时钟寄存器内容从MISO上移出来。两次传输出现在同一次片选低电平期间中间不能释放片选uint8_t spi_read_reg(SPI_HandleTypeDef *hspi, uint8_t reg, uint8_t *val) { uint8_t cmd 0x80 | reg; uint8_t dummy 0x00; HAL_GPIO_WritePin(CS_GPIO_Port, CS_Pin, GPIO_PIN_RESET); // 第一步发读命令MISO上是无效数据 if (HAL_SPI_TransmitReceive(hspi, cmd, dummy, 1, 100) ! HAL_OK) { HAL_GPIO_WritePin(CS_GPIO_Port, CS_Pin, GPIO_PIN_SET); return 1; } // 第二步发哑字节真正的寄存器值从MISO移出 if (HAL_SPI_TransmitReceive(hspi, dummy, val, 1, 100) ! HAL_OK) { HAL_GPIO_WritePin(CS_GPIO_Port, CS_Pin, GPIO_PIN_SET); return 1; } HAL_GPIO_WritePin(CS_GPIO_Port, CS_Pin, GPIO_PIN_SET); return 0; }HAL_SPI_TransmitReceive是同时收发发送缓冲和接收缓冲各指向一个地址。为什么读一个字节要发两次SPI没有独立的读时钟或写时钟读操作必须靠主机持续提供时钟从机的移位寄存器内容才会一位一位倒出来。第一次调用完成命令锁存第二次调用完成数据搬移两次合起来才是一次完整的单字节读。超时返回值HAL_TIMEOUT在9MHz时钟下几乎不可能出现如果报错优先查SPI引脚复用和GPIO速度等级而不是加超时时间。读三轴数据时加速度计通常支持地址自增。把X轴低字节寄存器作为起始地址片选保持拉低连续读6个字节。每次提供时钟后芯片内部地址自动加一读出相邻寄存器uint8_t spi_read_multi(SPI_HandleTypeDef *hspi, uint8_t reg, uint8_t *buf, uint8_t len) { uint8_t cmd 0x80 | reg; uint8_t dummy 0x00; HAL_GPIO_WritePin(CS_GPIO_Port, CS_Pin, GPIO_PIN_RESET); HAL_SPI_TransmitReceive(hspi, cmd, dummy, 1, 100); // 命令锁存 for (uint8_t i 0; i len; i) { // 片选不释放地址指针自动1持续输出时钟 HAL_SPI_TransmitReceive(hspi, dummy, buf[i], 1, 100); } HAL_GPIO_WritePin(CS_GPIO_Port, CS_Pin, GPIO_PIN_SET); return 0; }这段代码里for循环每轮都调用TransmitReceive虽然发送内容是同一个哑字节但从机端收到的是持续不断的SCK脉冲MISO在每一个字节的8个时钟里依次位移出数据。当前循环少了对返回值的检查如果总线被干扰可能拿回全0xFF的数据开发阶段为了调试方便可以保留这个简化写法做产品时建议在循环里加一次错误判断。6个字节加1个命令共7次SPI传输每次不到1us对312.5us的采样周期开销很小。3.3 拼装原始数据并换算成物理量三轴加速度的原始输出一般是16位有符号数寄存器排列多数为低字节在前。读回X、Y、Z的低高字节后拼装uint8_t raw[6]; spi_read_multi(hspi2, ACCEL_OUT_X_L, raw, 6); int16_t acc_x (int16_t)((raw[1] 8) | raw[0]); int16_t acc_y (int16_t)((raw[3] 8) | raw[2]); int16_t acc_z (int16_t)((raw[5] 8) | raw[4]); float ax acc_x / 16384.0f; // ±2g量程灵敏度16384 LSB/g float ay acc_y / 16384.0f; float az acc_z / 16384.0f;字节拼装的类型坑值得单独说。raw是uint8_t数组raw[1] 8在C语言里先提升为int若raw[1]最高位为1左移8位后Bit15为1按位或raw[0]得到的是无符号语义的中间值最后强转int16_t才得到期望的负数。如果反过来把raw定义成int8_t移位前就符号扩展到高8位结果全乱。保持raw为uint8_t、最后一步强转这个顺序是验证过的。灵敏度16384来自数据手册±2g量程定义1g对应16384个LSB改±4g量程时换成8192。判定数据是否正常有个快捷方法芯片水平静止时ax、ay接近0az接近1g三轴模长约等于1g。提示读回的加速度值如果始终是固定值比如0x7FFF或0x8000先查SPI时钟频率是否超过芯片上限再用示波器看MISO线上有没有实际数据翻转。很多所谓传感器坏了其实只是CPOL或CPHA与从机期望不一致。4. Flash掉电存储与数据落盘4.1 F1系列Flash的页结构与地址规划STM32F103的Flash按页管理中容量产品每页1KB大容量每页2KB。写入前必须擦除擦除以页为最小单位无法只清单个字节。这个硬件限制决定了存储方案的思路一切以页为基本操作单元数据先攒够一页再一次写入。工程实践中在头文件里预留专用地址段。以256KB Flash为例最后一页从0x0803F800开始共1KB。数据页不要放在代码起始区域避免一次越界写入把中断向量表覆盖掉。选最后一页还有一个实际好处地址固定调试时看程序跑飞的PC指针能快速判断异常是否发生在Flash写入前后。规划地址时让数据页和代码页隔开中间留出一页余量方便以后扩展Bootloader或固件升级逻辑。4.2 擦除-编程流程的HAL实现擦除和编程前必须解锁操作结束后上锁。HAL库的接口成对出现#define DATA_PAGE_ADDR 0x0803F800UL #define DATA_END_ADDR (DATA_PAGE_ADDR 1024) FLASH_EraseInitTypeDef erase {0}; uint32_t page_err 0; HAL_FLASH_Unlock(); erase.TypeErase FLASH_TYPEERASE_PAGES; erase.PageAddress DATA_PAGE_ADDR; erase.NbPages 1; // 只擦1页 if (HAL_FLASHEx_Erase(erase, page_err) ! HAL_OK) { /* page_err记录擦除失败的页地址 */ } uint16_t *src (uint16_t *)sample_buffer; for (uint16_t i 0; i 512; i) { // 1KB页共512个半字 if (HAL_FLASH_Program(FLASH_TYPEPROGRAM_HALFWORD, DATA_PAGE_ADDR i * 2, src[i]) ! HAL_OK) { break; } } HAL_FLASH_Lock();TypeErase选PAGES表示按页擦除PageAddress必须页对齐NbPages为1只操作一页。HAL_FLASHEx_Erase第二个参数是输出型返回出错页地址。编程用HALFWORD方式F1的Flash编程最小宽度是16位半字地址必须2字节对齐循环里i*2保证了每个写地址都是偶数。为什么不用字节编程F1系列的Flash编程宽度在硬件上就是半字HAL_FLASH_Program在F1上只能传FLASH_TYPEPROGRAM_HALFWORD写其他值会触发编程错误。数据来源是SRAM里的采样缓冲先在内存里组装好再一次性搬入Flash。擦一页耗时几十毫秒写512个半字累计也接近百毫秒级期间CPU取指和中断全部阻塞。这个时间长到足以漏掉几十轮3.2kHz的DMA中断所以Flash写入绝不能出现在采样主循环里必须靠缓冲区把写频率降下来。4.3 页轮换、掉电标志与SRAM缓冲固定写同一页几千次擦写后Flash寿命耗尽。3.2kHz采样即使攒够一页再写如果每秒触发一次页写入一天就是86400次擦写几天就废掉一页。应对办法是页轮换划出8页作为存储区按顺序写入写满一页索引加一末尾回绕到首页。上电时扫描每页头部的标志字段确定当前写到哪一页。标志同时承担掉电保护职责#define STATE_READY 0xA5A5 // 开始写入前写入 #define STATE_DONE 0x5A5A // 整页写完后再写入 uint16_t state *(volatile uint16_t *)(page_addr); if (state STATE_DONE) { /* 完整页读出数据 */ } else if (state STATE_READY) { /* 写一半断电整页丢弃复用 */ erase_page(page_addr); }写入顺序固定为擦除整页页首写STATE_READY顺序写数据最后一个半字位置写STATE_DONE。上电发现STATE_READY说明上次写入没走完数据不完整按垃圾页处理看到STATE_DONE才认定完整。这个双标志机制成本极低但能防止掉电恢复时拿到半截数据。SRAM缓冲的作用是把Flash写入频率进一步压低。3.2kHz采样下每轮有效数据为三路ADC加三轴加速度共12字节SRAM里开2KB缓冲能存约170轮写入间隔拉到50ms以上DMA中断被阻塞的概率大幅下降。缓冲采用双缓冲切换一个在攒当前数据另一个在上一次Flash写入中被消费软件上用一个标志位轮转角色。最终效果是高频采样链路和低频Flash写入解耦各跑各的节奏。5. 3.2kHz采样率的实测验证与调试排错5.1 GPIO翻转法验证采样节奏先把业务处理逻辑清空只在DMA传输完成回调里翻转一个调试GPIO用示波器量这个引脚的波形频率。一个采样周期内GPIO翻转两次所以示波器看到的方波频率是1.6kHz对应采样周期312.5us。如果量到800Hz说明回调函数执行时间超过了采样周期DMA中断来不及响应导致漏采如果频率不稳定或带毛刺先检查TIM3的Prescaler和Period是否被后续代码意外改写。void HAL_ADC_ConvCpltCallback(ADC_HandleTypeDef *hadc) { HAL_GPIO_TogglePin(DEBUG_GPIO_Port, DEBUG_Pin); }5.2 中断优先级与Flash写入阻塞整条采样链路从TIM3触发到ADC转换完成再到DMA搬运结束CPU只在DMA中断回调的瞬间介入。这个回调里不要做SPI读取更不要做Flash写入。SPI的TransmitReceive是阻塞调用放在回调里等MISO数据会拖死后续DMA中断Flash写入直接暂停CPU后果更严重。正确分工是回调里只置一个数据就绪标志主循环轮询到标志后再做SPI和Flash处理。中断优先级上保证DMA中断高于其他外设即可TIM3不需要开中断它的角色只是产生硬件触发信号。5.3 通过UART-DMA导出数据核对源码包工程名DMA-UART说明调试通道走串口加DMA。把ADC三通道和加速度计六字节封装成结构体每轮采样通过UART-DMA发送。这里有个吞吐量问题3.2kHz每轮12字节等效38.4KB/s115200波特率实际有效载荷只有约11.5KB/s根本发不完。两个选择把波特率提到460800或者每N轮抽样发一帧。推荐抽样发送对验证链路足够也能留出带宽给其他调试信息。typedef struct { uint16_t ch0, ch1, ch2; // ADC三通道 int16_t ax, ay, az; // 加速度计三轴 } sample_t; sample_t s; /* 主循环从DMA双缓冲取数填充s */ if (HAL_UART_GetState(huart1) HAL_UART_STATE_READY) { HAL_UART_Transmit_DMA(huart1, (uint8_t *)s, sizeof(s)); } else { /* 上一次DMA发送未完成丢弃当前帧 */ }发送前检查串口状态这个细节很重要。HAL_UART_Transmit_DMA在DMA正忙时返回HAL_BUSY直接调用会丢掉数据。加GetState判断后发送过程是完全非阻塞的主循环立刻回到采样流程。核对数据时看三点ADC三通道值是否随输入电压线性变化加速度计静止时三轴模长是否稳定在16384附近即1g两路数据在串口助手里能否按结构体正确对齐。三点都满足3.2kHz采样链路就是通的。本文还有配套的精品资源点击获取