3、单片机数据采集入门：以STM32为例，GPIO配置、ADC采集、定时器触发采样

好，咱们今天聊聊单片机数据采集。说实话，这是嵌入式开发里最基础、也最核心的一块。你想想看，不管做什么智能硬件，第一步都是把物理世界的信号变成数字量，让芯片能读懂。

我选STM32来讲，因为这东西太常见了。从学生做毕设到工程师做产品，十有八九都在用。我个人习惯用STM32F103系列，性价比高，资料也多。今天咱们就围绕三个点展开：GPIO怎么配、ADC怎么采、定时器怎么触发。

3.1 GPIO配置——别小看这第一步

很多人觉得GPIO配置就是点个灯，太简单了。嗯，确实简单，但坑也不少。我在项目中遇到过因为GPIO模式选错，导致ADC采样值一直飘的情况。

STM32的GPIO有好几种模式：推挽输出、开漏输出、浮空输入、上拉输入、下拉输入、模拟输入。做ADC采集时，对应的引脚必须配成模拟输入模式。这个千万别搞错。

来看一段初始化代码，我习惯用HAL库，比较直观：

// 使能GPIO时钟
__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
// 配置PA0为模拟输入
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_ANALOG;
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

这里要注意，模拟输入模式下，上下拉电阻是无效的。我曾经犯过这个错，配了个上拉，结果采样值整体偏高了0.3V，排查了半天才发现。

3.2 ADC采集——把电压变成数字

ADC，全称模数转换器。说白了就是把连续的电压值，变成离散的数字量。STM32F103内置的是12位ADC，分辨率是4096。什么意思？就是0-3.3V的电压，会被分成4096份，每份大约0.8mV。

计算公式很简单：

实际电压 = (ADC采样值 / 4096) × 3.3V

举个例子，如果ADC读回来是2048，那电压就是1.65V。这个大家应该都能理解。

配置ADC的时候，有几个参数要设：

• 分辨率：12位，精度够用
• 采样周期：这个很关键，决定了采样速度
• 触发方式：软件触发或硬件触发
• 连续转换：是否一直采

来看ADC初始化代码：

// 使能ADC时钟
__HAL_RCC_ADC1_CLK_ENABLE();

ADC_HandleTypeDef hadc1;
hadc1.Instance = ADC1;
hadc1.Init.ScanConvMode = DISABLE;           // 单通道模式
hadc1.Init.ContinuousConvMode = DISABLE;     // 不连续转换
hadc1.Init.DiscontinuousConvMode = DISABLE;
hadc1.Init.ExternalTrigConv = ADC_SOFTWARE_START;  // 软件触发
hadc1.Init.DataAlign = ADC_DATAALIGN_RIGHT;  // 右对齐
hadc1.Init.NbrOfConversion = 1;              // 1个通道
HAL_ADC_Init(&hadc1);

// 配置ADC通道
ADC_ChannelConfTypeDef sConfig = {0};
sConfig.Channel = ADC_CHANNEL_0;             // PA0对应通道0
sConfig.Rank = 1;
sConfig.SamplingTime = ADC_SAMPLETIME_55CYCLES_5;  // 55.5个周期
HAL_ADC_ConfigChannel(&hadc1, &sConfig);

启动一次采集也很简单：

HAL_ADC_Start(&hadc1);                    // 启动ADC
HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, 100);   // 等待转换完成
uint16_t adc_value = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);  // 读取结果
HAL_ADC_Stop(&hadc1);                     // 停止ADC

3.3 定时器触发采样——让采集自动化

软件触发虽然简单，但有个问题：你得手动调用。如果要做周期性采集，比如每1ms采一次，总不能写个死循环在那轮询吧？这时候就要用定时器触发了。

定时器触发ADC的原理很简单：定时器产生一个更新事件，这个事件直接连到ADC的触发引脚，ADC自动开始转换。整个过程不需要CPU干预，效率高得多。

我一般用TIM3来做触发源，配置如下：

// 使能定时器时钟
__HAL_RCC_TIM3_CLK_ENABLE();

TIM_HandleTypeDef htim3;
htim3.Instance = TIM3;
htim3.Init.Prescaler = 72 - 1;             // 72MHz / 72 = 1MHz
htim3.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
htim3.Init.Period = 1000 - 1;              // 1MHz / 1000 = 1kHz, 即1ms
htim3.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
HAL_TIM_Base_Init(&htim3);

// 启动定时器
HAL_TIM_Base_Start(&htim3);

然后修改ADC的触发方式：

hadc1.Init.ExternalTrigConv = ADC_EXTERNALTRIGCONV_T3_TRGO;  // TIM3触发
HAL_ADC_Init(&hadc1);

// 启动ADC，开启连续转换
HAL_ADC_Start_DMA(&hadc1, (uint32_t*)adc_buffer, BUFFER_SIZE);

为什么要用DMA？因为如果每次转换完都进中断，CPU会被频繁打断。用DMA的话，ADC转换完数据自动存到内存里，CPU该干嘛干嘛，等数据存够了再一次性处理。

我曾经做过一个项目，要同时采集3路传感器信号，每路1kHz采样率。如果不用DMA，CPU几乎全花在中断处理上了。用了DMA之后，CPU占用率从85%降到了5%。

3.4 完整示例——温湿度传感器采集

咱们来个完整的例子。假设我要采集一个模拟输出的温湿度传感器，接在PA0上，每10ms采一次。

整体流程：

1. 配置PA0为模拟输入
2. 配置ADC1，通道0，定时器TIM3触发
3. 配置TIM3，10ms周期
4. 启动ADC的DMA传输
5. 在主循环中处理数据

代码框架如下：

// 全局变量
uint16_t adc_value = 0;
float voltage = 0.0f;
float temperature = 0.0f;

int main(void)
{
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    
    // 1. GPIO配置
    MX_GPIO_Init();
    
    // 2. ADC配置
    MX_ADC1_Init();
    
    // 3. 定时器配置
    MX_TIM3_Init();
    
    // 4. 启动ADC DMA
    HAL_ADC_Start_DMA(&hadc1, (uint32_t*)&adc_value, 1);
    
    // 5. 启动定时器
    HAL_TIM_Base_Start(&htim3);
    
    while (1)
    {
        // 每10ms处理一次数据
        HAL_Delay(10);
        
        // 计算电压
        voltage = (adc_value / 4096.0f) * 3.3f;
        
        // 假设传感器输出0-3.3V对应-20-80°C
        temperature = (voltage / 3.3f) * 100.0f - 20.0f;
        
        // 这里可以打印或上传数据
        printf("温度: %.2f °C\n", temperature);
    }
}

3.5 小结

好了，今天的内容就这些。总结一下：

• GPIO配成模拟输入，别选错模式
• ADC采样周期别太短，55.5个周期起步
• 定时器触发+DMA，是高效采集的标配
• 实际电压 = (ADC值 / 4096) × 参考电压

下一章咱们会讲怎么把采集到的数据通过串口发出去，以及怎么用上位机实时显示波形。到时候会用到Python和PyQt5，感兴趣的话可以先预习一下。

有什么问题欢迎在评论区交流。咱们下期见。