NUCLEO-F410RB 测评第二周之ADC, I2S

cruelfox

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一直还没用过STM32系列的ADC, 这次拿Nucleo上面的ADC采一下看看结果怎么样。F410的ADC最快可以到2Msps的采样率，我这次暂且只用100k的采样率来测试。100ksps对于单片机来说也够快的了，也没有什么处理工作做，仅把数据从I2S传出而已。

F410的ADC可以一次启动做连续的选定若干个通道转换，可以用定时器来触发启动，对多通道数据采集是有好处的。不过我就用一个通道了，开始是按Timer1 CC2事件触发来写的程序，实验到最后又改为软件触发了(原因后面说)。用Timer触发不需要额外的中断，只要把比较模式输出(当作PWM那么去做)，但不用配置GPIO，就可以了。AD转换完成后可以使用中断来处理结果，也可以程序自由安排什么时候处理数据。F410 ADC的通道是映射到固定的IO pin上的，要把该GPIO pin设置成Analog功能(MODER寄存器中)。我先以每秒4次转换的速度把ADC结果读出来，从串口输出，发现数值跳动很大。以前用AVR的10位ADC，是可以做到跳动1个字的，呃……

继续做高采样速度的吧。串口的传输速度是不够用的了，所以用SPI/I2S口来做。STM32系列的I2S功能是和SPI共享硬件的，用起来就发现有些限制不是很爽：一是时钟问题，MCLK必须从I2SCLK分频出来，至少要4分频，而I2SCLK除非片用外时钟源，否则实现通用的采样率误差大；二是每次访问都只有固定的16-bit字长，一个采样周期要读或写4次，还要自个判断读写的是哪部分；三是只有一条串行数据线，半双工。我用I2S来传输是想利用现有的音频硬件工具，采集和传输到PC上方便。因为I2S有固定的时钟，ADC采样严格同步的话就形成音频流数据了。在Nucleo上面ADC, I2S都用一个主时钟，同步不成问题。

事先的设计是Timer触发ADC，然后ADC用DMA传输数据给I2S输出，做到最后需要操作DAC了我才发现DMA并没有设备到设备的模式，必须是设备和内存之间交换。F410的DMA操作和F0xx系列还不一样，今天没时间折腾了就放弃吧。100kHz采样率还好，16MHz的CPU频率就用中断来搞定应该问题不大。于是程序又简化了，ADC在SPI/I2S的中断中去软件启动，Timer也不用了。12-bit的结果用I2S左声道的前16位传输，后面3个WORD都写0。

照片上右边那块PCB是我的FPGA板，解析I2S数据并通过高速USB传输至PC。查看结果就用我惯用的CoolEdit了

这是ADC输入接了一节旧碱性电池的：

跳动范围有5个bit了。用CoolEdit的统计功能看，噪声水平还是很高的了

-79.4dB 是当作 16-bit 满幅度来看的，实际上ADC只有12-bit, 所以噪声是 -79.4+24=-55.4dB

再看看1kHz正弦波转换的结果

看时域波形很不光滑，DFT结果看下呢：

DFT结果看起来还行。看来就是ADC噪声比较大了，不知道单独设计PCB会不会好点。

程序在这里

1. #include<string.h>
   
2. 
   
3. #include "stm32f4xx.h"
   
4. 
   
5. void setup_adc(void);
   
6. void setup_i2s(void);
   
7. 
   
8. 
   
9. int main(void)
   
10. {
    
11. 
    
12.     RCC->PLLCFGR = 0x2F001010;  // VCO = HSI/16*64, sys=VCO/2
    
13.     RCC->CR |= RCC_CR_PLLON;
    
14.     while(!(RCC->CR & RCC_CR_PLLRDY));
    
15. 
    
16. //  FLASH->ACR = FLASH_ACR_ICEN|FLASH_ACR_DCEN; // no significance
    
17. 
    
18.     RCC->AHB1ENR |= RCC_AHB1ENR_GPIOAEN|RCC_AHB1ENR_GPIOBEN;    // enable GPIO ports clock
    
19.     __NOP();
    
20. 
    
21.     GPIOA->MODER = GPIO_MODER_MODER14_1|GPIO_MODER_MODER13_1   // PA14, PA13 AF (SWD pins)
    
22.                 |GPIO_MODER_MODER15_1|GPIO_MODER_MODER9_1   // PA15 (UART1-TX), PA9 (TIM1_CH2) AF
    
23.                 |GPIO_MODER_MODER5_0    // PA5 as general output (LED)
    
24.                 |GPIO_MODER_MODER0|GPIO_MODER_MODER1;   // analog function PA0, PA1
    
25.     GPIOA->AFR[1] = 0x70000010; // AF1 for PA9, AF7 for PA15; AF0 for others
    
26. 
    
27.     GPIOB->MODER = GPIO_MODER_MODER15_1|GPIO_MODER_MODER13_1|GPIO_MODER_MODER12_1;  // AF for I2S2
    
28.     GPIOB->AFR[1] = 0x50550000; // AF5 for PB12,13,15 (I2S2 DAT, BCK, LRCK)
    
29. 
    
30.     uart_setup();
    
31.     uart_wstr("Hello from F410\r\n");
    
32.     setup_i2s();
    
33.     NVIC_EnableIRQ(SPI2_IRQn);
    
34. 
    
35.     setup_adc();
    
36. 
    
37.     while(1)
    
38.     {
    
39.         __WFI();
    
40. /*      GPIOA->BSRRL = (1<<5);
    
41.         __WFE();
    
42.         GPIOA->BSRRH = (1<<5);  */
    
43.     }
    
44. }
    
45. 
    
46. void setup_adc(void)
    
47. {
    
48.     RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_ADC1EN;
    
49.     __NOP();
    
50.     ADC->CCR = 0; // default: ADCPRE=0, ADC clock = PCLK/2
    
51.     ADC1->CR1 = ADC_CR1_DISCEN; // discontinuous mode enable
    
52.     ADC1->SQR3 = ADC_SQR3_SQ1&1;                    // only 1st conversion in sequence, Ch 1
    
53.     ADC1->CR2 = ADC_CR2_ADON;               // enable
    
54. //  ADC1->CR2 = ADC_CR2_ALIGN|ADC_CR2_ADON;             // enable
    
55. }
    
56. 
    
57. void setup_i2s(void)
    
58. {
    
59.     RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_SPI2EN; // enable SPI2 (I2S) clock
    
60.     __NOP();
    
61.     SPI2->I2SCFGR = SPI_I2SCFGR_I2SMOD|SPI_I2SCFGR_I2SCFG_1|SPI_I2SCFGR_CHLEN; // I2S 16-bit master TX
    
62.     SPI2->I2SPR = SPI_I2SPR_ODD|2;  // I2S prescaler, 32MHz/5=6.4MHz BCK, 100kHz FS
    
63.     SPI2->CR2 = SPI_CR2_TXEIE;
    
64.     SPI2->I2SCFGR |= SPI_I2SCFGR_I2SE;  // enable I2S
    
65. }
    
66. 
    
67. void SPI2_IRQHandler(void)
    
68. {
    
69.     static char p_side;
    
70.     char side;
    
71.     side=((SPI2->SR & SPI_SR_CHSIDE)!=0);
    
72.     if(side==0 && p_side==1)
    
73.     {
    
74.         SPI2->DR = ADC1->DR;        // ^0x8000; // unsigned conversion
    
75.         ADC1->CR2 |= ADC_CR2_SWSTART;   // start conversion
    
76.     }
    
77.     else
    
78.         SPI2->DR = 0;
    
79.     p_side=side;
    
80. }

复制代码

补充说一下，STM32F410 的 I2S 时钟源。在F0系列里面，I2SCLK是系统的主时钟，要改频率就得主时钟一起切换，局限很大。F410中有改进了，可以从外部提供时钟单独给I2S使用，也可以把PLL时钟的一路给I2S，总之是可以和系统的时钟分开。对Codec接口这样无疑是友好不少。

在我上面贴的代码里面，I2S模块使用的是32MHz的PLL时钟，所以才能产生6.4MHz的CK及100kHz的LRCK。系统运行仍然是默认的16MHz的HSI时钟。

caizhiwei

赞一个，很专业研究很深入！

dcexpert

很专业。

5525

楼主，看你DIY了好多ADC采集卡，
你可以反过来搞，DAC,再接换上power IC(也有直接数字输入的), 加上电路
直接一小型功放出来了。