【嵌入式】HC32F07X ADC采样及软件滤波

一背景说明

二原理分析

三电压采样

四软件滤波

一背景说明

使用小华（华大）的MCU HC32F07X实现四个通道的 0-5V 电压采样，并对采样结果进行滤波处理。

二原理分析

【1】ADC原理说明：

单片机是数字芯片，只认识由0和1组成的逻辑序列。但实际情况下，生活中还有许多非0和1的模拟物理量存在，例如温度，湿度等。这时候往往需要使用到AD转换，AD转换的英文就是Analog(模拟) to Digital(数字) ，由模拟量转化为数字量；同理DA，则为Digital to Analog，数字量转化为模拟量。
ADC，Analog to Digital Converter 的缩写，中文名称模数转换器。它可以将外部的模拟信号转化成数字信号。使用它去读取IO口上的数值将不再是简单的0或1，而是连续可变的数值。ADC采样就是把随时间连续变化的模拟量转换为时间离散的模拟量。

ADC几个比较重要的参数：

（1）测量范围：测量范围对于 ADC 来说就好比尺子的量程，ADC 测量范围决定了你外接的设备其信号输出电压范围，不能超过 ADC 的测量范围（比如，STM32系列的 ADC 正常就不能超过3.3V，HC32F07X的ADC可以支持5V范围内的采样）。

（2）分辨率：假如 ADC 的测量范围为 0-5V，分辨率设置为12位，那么我们能测出来的最小电压就是 5V除以 2 的 12 次方，也就是 5/4096=0.00122V。很明显，分辨率越高，采集到的信号越精确，所以分辨率是衡量 ADC 的一个重要指标。

（3）采样时间：当 ADC 在某时刻采集外部电压信号的时候，此时外部的信号应该保持不变，但实际上外部的信号是不停变化的。所以在 ADC 内部有一个保持电路，保持某一时刻的外部信号，这样 ADC 就可以稳定采集了，保持这个信号的时间就是采样时间。

（4）采样率：也就是在一秒的时间内采集多少次。很明显，采样率越高越好，当采样率不够的时候可能会丢失部分信息，所以 ADC 采样率是衡量 ADC 性能的另一个重要指标（详细参考信号处理方向书籍）。

【2】HC32F07X的ADC外设：

HC32F07X内部集成了一个 12 位高精度、高转换速率的逐次逼近型模数转换器(SAR ADC)模块。具有以下特性：

■ 12 位转换精度；
■ 1M SPS 转换速度；
■ 41 个输入通道，包括 36 路外部管脚输入、 1 路内部温度传感器电压、 1 路 1/3 AVCC 电压、
1 路内建 BGR 1.2V 电压、 2 路 DAC 输出；
■ 4 种参考源： AVCC 电压、 ExRef 引脚、内置 1.5v 参考电压、内置 2.5v 参考电压；
■ ADC 的电压输入范围： 0~Vref；
■ 4 种转换模式：单次转换、顺序扫描连续转换、插队扫描连续转换、连续转换累加；
■ 输入通道电压阈值监测；
■ 软件可配置 ADC 的转换速率；
■ 内置信号跟随器，可转换高阻信号；
■ 支持片内外设自动触发 ADC 转换，有效降低芯片功耗并提高转换的实时性

ADC框图如下：

转换时序和转换速度如下所示：一次完整的 ADC 转换由转换过程及逐次比较过程组成。其中转换过程需要 4~12 个 ADCCLK，由 ADC_CR0.SAM 配置；逐次比较过程需要 16 个 ADCCLK。所以，一次 ADC转换共需要 20~28 个 ADCCLK。

ADC 转换速度的单位为 SPS，即每秒进行多少次 ADC 转换。 ADC 转换速度的计算方法为： ADCCLK的频率 / 一次 ADC 转换所需要的 ADCCLK 的个数。

ADC 转换速度与 ADC 参考电压及 AVCC 电压相关，最高转换速度如下表所示：

更多详细的内容可以参考HC32F07X芯片的DATASHEET。

三电压采样

选用引脚 PA00、PA01、PA02、PA03进行四路的电压采样，采样形式为顺序扫描，参考电压为AVCC（5V）。

【1】ADC初始化GPIO：

//模拟量输入引脚定义
#define SPL_AIN0_PORT       (GpioPortA)
#define SPL_AIN0_PIN        (GpioPin0)
#define SPL_AIN1_PORT       (GpioPortA)
#define SPL_AIN1_PIN        (GpioPin1)
#define SPL_AIN2_PORT       (GpioPortA)
#define SPL_AIN2_PIN        (GpioPin2)
#define SPL_AIN3_PORT       (GpioPortA)
#define SPL_AIN3_PIN        (GpioPin3)

/**************************************************************************
* 函数名称： ADC_Init
* 功能描述： ADC初始化GPIO
**************************************************************************/
void ADC_Init(void)
{
    Sysctrl_SetPeripheralGate(SysctrlPeripheralGpio, TRUE);
    Gpio_SetAnalogMode(SPL_AIN0_PORT, SPL_AIN0_PIN);        //PA00 (AIN0)
    Gpio_SetAnalogMode(SPL_AIN1_PORT, SPL_AIN1_PIN);        //PA01 (AIN1)
    Gpio_SetAnalogMode(SPL_AIN2_PORT, SPL_AIN2_PIN);        //PA02 (AIN2)
    Gpio_SetAnalogMode(SPL_AIN3_PORT, SPL_AIN3_PIN);        //PA03 (AIN3)
}

【2】ADC初始化配置：

/**************************************************************************
* 函数名称： ADC_Cfg
* 功能描述： ADC初始化配置
**************************************************************************/
void ADC_Cfg(void)
{
    stc_adc_cfg_t              stcAdcCfg;

    DDL_ZERO_STRUCT(stcAdcCfg);
    Sysctrl_SetPeripheralGate(SysctrlPeripheralAdcBgr, TRUE); 
    Bgr_BgrEnable();        ///< 开启BGR
    ///< ADC 初始化配置
    stcAdcCfg.enAdcMode         = AdcScanMode;              ///<采样模式-扫描
    stcAdcCfg.enAdcClkDiv       = AdcMskClkDiv1;            ///<采样分频-1
    stcAdcCfg.enAdcSampCycleSel = AdcMskSampCycle8Clk;      ///<采样周期数-8
    stcAdcCfg.enAdcRefVolSel    = AdcMskRefVolSelAVDD;      ///<参考电压选择-VCC
    stcAdcCfg.enAdcOpBuf        = AdcMskBufEnable;          ///<放大器BUF配置-开
    stcAdcCfg.enInRef           = AdcMskInRefDisable;       ///<内部参考电压使能-关
    stcAdcCfg.enAdcAlign        = AdcAlignRight;            ///<转换结果对齐方式-右
    Adc_Init(&stcAdcCfg);
}

【3】ADC顺序扫描功能配置：

/**************************************************************************
* 函数名称： ADC_SqrCfg
* 功能描述： ADC顺序扫描功能配置
**************************************************************************/
void ADC_SqrCfg(void)
{
    stc_adc_sqr_cfg_t          stcAdcSqrCfg;
    
    DDL_ZERO_STRUCT(stcAdcSqrCfg);
        
    ///< 顺序扫描模式功能及通道配置
    ///< 注意：扫描模式下，当配置转换次数为n时，转换通道的配置范围必须为[SQRCH(0)MUX,SQRCH(n-1)MUX]
    stcAdcSqrCfg.bSqrDmaTrig = FALSE;
    stcAdcSqrCfg.u8SqrCnt    = 4;
    Adc_SqrModeCfg(&stcAdcSqrCfg);

    Adc_CfgSqrChannel(AdcSQRCH0MUX, AdcExInputCH0);
    Adc_CfgSqrChannel(AdcSQRCH1MUX, AdcExInputCH1);
    Adc_CfgSqrChannel(AdcSQRCH2MUX, AdcExInputCH2);
    Adc_CfgSqrChannel(AdcSQRCH3MUX, AdcExInputCH3);
    
    ///< ADC 中断使能
    Adc_EnableIrq();
    EnableNvic(ADC_DAC_IRQn, IrqLevel3, TRUE);
    
    ///< 启动顺序扫描采样
    Adc_SQR_Start();
}

【4】ADC中断服务子程序：

uint32_t spl_buff[4];

/**************************************************************************
* 函数名称： Adc_IRQHandler
* 功能描述： ADC中断服务函数
**************************************************************************/
void Adc_IRQHandler(void)
{
    if(TRUE == Adc_GetIrqStatus(AdcMskIrqSqr))
    {
        Adc_ClrIrqStatus(AdcMskIrqSqr);
        
        spl_buff[0] = Adc_GetSqrResult(AdcSQRCH0MUX);
        spl_buff[1] = Adc_GetSqrResult(AdcSQRCH1MUX);
        spl_buff[2] = Adc_GetSqrResult(AdcSQRCH2MUX);
        spl_buff[3] = Adc_GetSqrResult(AdcSQRCH3MUX);
        
        Adc_SQR_Stop();
    }
}

【5】主函数调用：

int32_t main(void)
{
    //采样模块
    ADC_Init();
    ADC_Cfg();
    ADC_SqrCfg();
    
    //调试模块
    Dbg_Init();
    Dbg_Cfg();
    Dbg_Printf("Hello World!\n");
    
    while(1)
    {
        //采样
        Adc_SQR_Start();
        Dbg_Printf("Ch1:%d\n", spl_buff[0]);  //FireWater协议
        
        delay1ms(10);
    }
}

【6】实际测试：

使用 VOFA+ 软件（【注1】：VOFA+的下载地址为VOFA+官网）（【注2】：VOFA+的使用方法参考博文VOFA+的使用），分析串口传送过来的采样电压值，我现在给定 PA00（AIN0）脚的电压为2V，根据参考电压5V可以计算得到采样值约为 2V * 4095 / 5V = 1638（实际输入的参考电压AVCC比5V小，采样值实际在1690左右）：

由实际测试可以发现，采样到的电压数据存在振荡的情况，需要考虑硬件滤波或者软件滤波的方法来处理数据。

四软件滤波

【1】增加软件滤波（滑动平均滤波）：

方法：把连续取N个采样值看成一个队列，队列的长度固定为N。每次采样到一个新数据放入队尾，并扔掉原来队首的一次数据(先进先出原则)。把队列中的N个数据进行算术平均运算,就可获得新的滤波结果。
N值的选取：流量，N=12；压力：N=4；液面，N=4~12；温度，N=1~4
优点：对周期性干扰有良好的抑制作用，平滑度高；试用于高频振荡的系统
缺点：灵敏度低；对偶然出现的脉冲性干扰的抑制作用较差，不适于脉冲干扰较严重的场合
比较浪费RAM（改进方法，减去的不是队首的值，而是上一次得到的平均值）

方法参考这一篇博文，其中详细列举了不少ADC采样滤波的算法（ADC采样滤波算法）。我这边考虑的是滑动平均滤波，对博文中的算法做了一些改动：

/**************************************************************************
* 函数名称： analogAvgFilter
* 功能描述： 模拟量输入滑动滤波处理
**************************************************************************/
#define CACHE_LEN 5

uint32_t analogAvgFilter(uint32_t in_data)
{
    static uint32_t in_buf[CACHE_LEN];
	uint32_t sum = 0;
    uint8_t  i = 0;
    
	for(i = 0; i < (CACHE_LEN-1); i ++)
	{
		in_buf[i] = in_buf[i + 1];
		sum = sum + in_buf[i];
	}
	in_buf[CACHE_LEN-1] = in_data;
	sum = sum + in_buf[CACHE_LEN-1];
	
	return (sum / CACHE_LEN);
}

【2】主函数调用：

uint32_t result_spl;

int32_t main(void)
{
    //采样模块
    ADC_Init();
    ADC_Cfg();
    ADC_SqrCfg();
    
    //调试模块
    Dbg_Init();
    Dbg_Cfg();
    Dbg_Printf("Hello World!\n");
    
    while(1)
    {
        //采样
        Adc_SQR_Start();
        result_spl = analogAvgFilter(spl_buff[0]);
        Dbg_Printf("Ch1:%d,%d\n", spl_buff[0], result_spl);  //FireWater协议
        
        delay1ms(10);
    }
}

【3】实际测试：

滤波前后效果对比如下，效果还是比较明显的：