Note10STM32H7+HAL+CubeMX+DMA+SPI+串口断+定时器+RTC的多传感器数据采集系统2*ADXL355和ADXL375通过Sync时序同步

本文的初衷一方面是将我的一些关于STM32开发方面浅显的个人经验分享给初学者、并期望得到大佬的批评指正，另一方面是记录自己的实验过程便于回顾。

我预感应该要写很多，不过鉴于之前的数篇笔迹中，对于SPI/DMA/ADXL3XX系列加表的使用已经详细描述过了，所以这篇博客只记录系统构建的整体流程。

摘要：

通过STM32H743VIT6驱动两片adxl355和1片adxl375，采用SYNC信号同步控制方式实现3个传感器的数据，采用FIFO流模式，采用3组SPI DMA实现数据的同步采集，采用串口1 DMA进行数据传输，采用串口2 中断 构建指令系统，具体指令及对应的功能如下图。通过 定时器 计数 实现了频率可调的方波信号和周期可调的中断，通过RTC产生的秒中断实现定时采样、实际采样率检测 的功能，此外还可以自定义帧标记、获取温度 等功能。

0 硬件电路介绍

本文基于紫色的板子进行介绍，原理图和细节就不放了，需要用到的时候会指明，总体用到的外设有哪些呢？见下面cubeMX的引脚分配图

1 实现3组SPI DMA，并进行数据采集

3组SPI DMA的基本配置都很简单（且相同），前面的文章都详细介绍过，因此直接上图,

由于SPI DMA的传输是非阻塞的，意思就是，如果我写了“SPI接收”，然后“片选拉高”，程序执行完SPI接收后，不管DMA是否传输完毕，都会继续执行“片选拉高”，这是不科学的，一种常见的解决方案是增加延时，但是这样做就失去了DMA的意义，既然有时间延时，为啥要用DMA?而且这种方式无法实现3组SPI同时接收（会差数个机器周期，忽略不计吧）

我的解决方案是：采用标志位的思想，如下，当spix（指spi1或2或3）在发送或接收的时候，将对应的标志位置位，3组spi在同时工作，这个时候，我不断查询标志位，如果3个标志位都回到 0 ，就可以继续使用SPI了，否则等待。

1.  
   volatile uint8_t DMA_FLAG=0x7f;
2.  
   //Reserved | usart | spi1TX | spi2TX | spi3TX | spi1RX | spi2RX | spi3RX

因此，3个传感器的数据同步采集函数如下，具体细节：SAMPLE_START;SAMPLE_ADDRESS;...这些抽象的东西是宏定义，即 拉高3个片选， 分别对3片传感器发送数据读取的地址，...，Delay_us是微秒延时函数，在前面的文章有介绍。

1.  
   void data_sample(){
2.  
   SAMPLE_START;
3.  
   Delay_us(5);
4.  
   DMA_FLAG&=0xc7;//spi send busy ,bit 0 is busy
5.  
   SAMPLE_ADDRESS;
6.  
   while((DMA_FLAG&0x38)!=0x38){Delay_us(5);}// wait until address is sent
7.  
   DMA_FLAG&=0xf8;//spi receive busy
8.  
   SAMPLE_RECEIVE;
9.  
   while((DMA_FLAG&0x07)!=0x07){Delay_us(5);}// wait until data is received
10.  
    SAMPLE_END;
11.  
    while((DMA_FLAG&0x40)!=0x40){Delay_us(5);} // wait until uasrt1 is ready
12.  
    DMA_FLAG&=0xbf; //usart1 set busy
13.  
    HAL_UART_Transmit_DMA(&huart1,SPI_RX_Buffer, 29);
14.  
    Delay_us(80);
15.  
    }

为了怕难以理解，宏定义如下：

1.  
   #define SAMPLE_START HAL_GPIO_WritePin(XL355_CS_GPIO_Port, XL355_CS_Pin, GPIO_PIN_RESET);\
2.  
   HAL_GPIO_WritePin(XL355_2_CS_GPIO_Port, XL355_2_CS_Pin, GPIO_PIN_RESET);\
3.  
   HAL_GPIO_WritePin(XL357_CS_GPIO_Port, XL357_CS_Pin, GPIO_PIN_RESET)
4.  
   #define SAMPLE_END HAL_GPIO_WritePin(XL355_CS_GPIO_Port, XL355_CS_Pin, GPIO_PIN_SET);\
5.  
   HAL_GPIO_WritePin(XL355_2_CS_GPIO_Port, XL355_2_CS_Pin, GPIO_PIN_SET);\
6.  
   HAL_GPIO_WritePin(XL357_CS_GPIO_Port, XL357_CS_Pin, GPIO_PIN_SET)
7.  
   #define SAMPLE_ADDRESS HAL_SPI_Transmit_DMA(&hspi1, &SPI_READ_DATA_Address, 1);\
8.  
   HAL_SPI_Transmit_DMA(&hspi2, &SPI_READ_DATA_Address, 1);\
9.  
   HAL_SPI_Transmit_DMA(&hspi3, &SPI_READ_DATA_Address, 1)
10.  
    #define SAMPLE_RECEIVE HAL_SPI_Receive_DMA(&hspi1, &SPI_RX_Buffer[0], 9);\
11.  
    HAL_SPI_Receive_DMA(&hspi2, &SPI_RX_Buffer[9], 9);\
12.  
    HAL_SPI_Receive_DMA(&hspi3, &SPI_RX_Buffer[18], 9)

下面是DMA回调函数的写法，一共6个，只给出两个，其他的同理。这些回调函数在stm32h7xx_it.c里，只有 DMA_FLAG|=0x04;是我写进去的，写在处理中断前/后 都可以，目的就是给标志位置位。

1.  
   void DMA1_Stream0_IRQHandler(void)
2.  
   {
3.  
   /* USER CODE BEGIN DMA1_Stream0_IRQn 0 */
4.  
   //for SPI1-RX
5.  
   DMA_FLAG|=0x04;
6.  
   /* USER CODE END DMA1_Stream0_IRQn 0 */
7.  
   HAL_DMA_IRQHandler(&hdma_spi1_rx);
8.  
   /* USER CODE BEGIN DMA1_Stream0_IRQn 1 */
9.  
    
10.  
    /* USER CODE END DMA1_Stream0_IRQn 1 */
11.  
    }
12.  
     
13.  
    /**
14.  
    * @brief This function handles DMA1 stream1 global interrupt.
15.  
    */
16.  
    void DMA1_Stream1_IRQHandler(void)
17.  
    {
18.  
    /* USER CODE BEGIN DMA1_Stream1_IRQn 0 */
19.  
    //for SPI1-TX
20.  
    DMA_FLAG|=0x20;
21.  
    /* USER CODE END DMA1_Stream1_IRQn 0 */
22.  
    HAL_DMA_IRQHandler(&hdma_spi1_tx);
23.  
    /* USER CODE BEGIN DMA1_Stream1_IRQn 1 */
24.  
     
25.  
    /* USER CODE END DMA1_Stream1_IRQn 1 */
26.  
    }

2 实现usart DMA/中断，进行数据传输和菜单设置

开了两路usart，其中usart1用DMA方式来传输数据 1500000波特率（用镀银的杜邦线，极度奢侈），usart2用中断方式来接收指令，并用常规方式来打印信息，配置极为简单（只改波特率，其余默认）不上图了，需要注意的是，usart2用中断方式来接收指令因此中断的优先级可以高一点，比SPI DMA（优先级3）略高，暂时设定为2，然后更高的优先级1 留给定时器和RTC的秒中断。

usart1用DMA方式来传输数据在上一部分的sample函数里，一行代码。

usart2的中断函数是这样的，几点细节：switch语句的查表方式比多个if连用的效率更高，串口接收一次之后，要重新执行接收函数才能再次接收。下面的代码应该是浅显易懂的

1.  
   void USART2_IRQHandler(void)
2.  
   {
3.  
   /* USER CODE BEGIN USART2_IRQn 0 */
4.  
    
5.  
   /* USER CODE END USART2_IRQn 0 */
6.  
   HAL_UART_IRQHandler(&huart2);
7.  
   /* USER CODE BEGIN USART2_IRQn 1 */
8.  
    
9.  
   switch(UART_RX){
10.  
    case 0x00:{
11.  
    SAMPLE_FLAG^=0x80;
12.  
    if(SAMPLE_FLAG&0x80)
13.  
    puts("Sampling...");
14.  
    else
15.  
    puts("Pause...");
16.  
    break;
17.  
    }
18.  
    case 0x01:SR_Counter_RES=800;puts("Set SR = 5Hz");break;
19.  
    case 0x02:SR_Counter_RES=80;puts("Set SR = 50Hz");break;
20.  
    case 0x03:SR_Counter_RES=40;puts("Set SR = 100Hz");break;
21.  
    case 0x04:SR_Counter_RES=20;puts("Set SR = 200Hz");break;
22.  
    case 0x05:SR_Counter_RES=8;puts("Set SR = 500Hz");break;
23.  
    case 0x06:SR_Counter_RES=5;puts("Set SR = 800Hz");break;
24.  
    case 0x07:SR_Counter_RES=4;puts("Set SR = 1000Hz");break;
25.  
    case 0x08:SR_Counter_RES=2;puts("Set SR = 2000Hz");break;
26.  
    case 0x0a:{
27.  
    SAMPLE_FLAG^=0x40;
28.  
    if(SAMPLE_FLAG&0x40)
29.  
    puts("Time_Count mark : ON");
30.  
    else{
31.  
    puts("Time_Count mark : OFF");
32.  
    SAMPLES=0;
33.  
    }
34.  
    break;
35.  
    }
36.  
     
37.  
    case 0x10:{
38.  
    SAMPLE_FLAG&=0x7e;
39.  
    Timing=0;
40.  
    puts("Timing sample is OFF ");
41.  
    break;
42.  
    }
43.  
    case 0x11:{
44.  
    SAMPLE_FLAG|=0x01;
45.  
    SAMPLE_FLAG&=0x7f;
46.  
    Timing=30;
47.  
    puts("Timing sample : 30s, enter 0x00 to start.");
48.  
    break;
49.  
    }
50.  
    case 0x12:{
51.  
    SAMPLE_FLAG|=0x01;
52.  
    SAMPLE_FLAG&=0x7f;
53.  
    Timing=60;
54.  
    puts("Timing sample : 60s, enter 0x00 to start.");
55.  
    break;
56.  
    }
57.  
    case 0x13:{
58.  
    SAMPLE_FLAG|=0x01;
59.  
    SAMPLE_FLAG&=0x7f;
60.  
    Timing=180;
61.  
    puts("Timing sample : 180s, enter 0x00 to start.");
62.  
    break;
63.  
    }
64.  
    case 0x14:{
65.  
    SAMPLE_FLAG|=0x01;
66.  
    SAMPLE_FLAG&=0x7f;
67.  
    Timing=300;
68.  
    puts("Timing sample : 300s, enter 0x00 to start.");
69.  
    break;
70.  
    }
71.  
     
72.  
    case 0x20:{
73.  
    SAMPLE_START;
74.  
    HAL_SPI_Transmit(&hspi1, &SPI_Temp_Address, 1,0xffff);
75.  
    HAL_SPI_Transmit(&hspi2, &SPI_Temp_Address, 1,0xffff);
76.  
    HAL_SPI_Transmit(&hspi3, &SPI_Temp_Address, 1,0xffff);
77.  
    HAL_SPI_Receive(&hspi1, Temperture, 2,0xffff);
78.  
    HAL_SPI_Receive(&hspi2, &Temperture[2], 2,0xffff);
79.  
    HAL_SPI_Receive(&hspi3, &Temperture[4], 2,0xffff);
80.  
    SAMPLE_END;
81.  
    puts("Temperture in HEX(2Bytes*3):");
82.  
    printf("%x %x %x %x %x %x\n\n",Temperture[0],Temperture[1],Temperture[2],Temperture[3],Temperture[4],Temperture[5]);
83.  
    break;
84.  
    }
85.  
     
86.  
    case 0x30:{
87.  
    puts("Enter User-Mark(1 Byte in HEX, must be confined in 0xE0~0xFF): ");
88.  
    HAL_UART_Receive(&huart2,&SPI_RX_Buffer[28],1,0xffff);
89.  
    SPI_RX_Buffer[28]=SPI_RX_Buffer[28]<0xE0? 0x55:SPI_RX_Buffer[28];
90.  
    printf("User-Mark is %x\n",SPI_RX_Buffer[28]);
91.  
    break;
92.  
    }
93.  
    default:puts("Don't have this Commond!");break;
94.  
    }
95.  
    HAL_UART_Receive_IT(&huart2,&UART_RX,1);
96.  
    /* USER CODE END USART2_IRQn 1 */
97.  
    }

3 实现定时器产生固定频率的SYNC信号，并进一步实现可调的采样率

关于定时器，我也是在博客上现学的，首先时钟树如下：

可见 右边写着：to APB2 Timer clocks 是240MHz，我将用到的Timer3就是在这个时钟域。Tim3的配置如下，开启通道1输出 作为SYNC信号，Tooggle on match 就是每次计数器溢出时翻转输出电平，根据图中的参数来计算，Tim3的溢出频率=240Mhz/（预分频系数 1）/（计数周期 1）=240M/(59 1)/(999 1)=4Khz。因此CH1输出的SYNC信号为2Khz的方波信号。Tim3中断函数的调用频率为4kHz。

开启Tim3的中断，

在用MX_TIM3_Init函数初始化完成后，用下面两行代码分别开启TIM3基本定时器和TIM3的CH1，如果没有第一行，CH1依然有输出，但是中断函数不会被调用。

1.  
   HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim3);
2.  
   HAL_TIM_OC_Start(&htim3,TIM_CHANNEL_1);

Tim3的中断函数这样写（只有8-13行，其余是自动生成的），每次中断SR_Counter减一，当重装时，置为SAMPLE_FLAG中的采样标志位，程序查询到该标志位时进行采样。这样，就可以通过改变SR_Counter_RES的值，动态修改采样率了，而不需要重新配置TIM3，因为重新配置TIM3也势必会影响SYNC信号，再开一个定时器也没必要。

程序以200khz的频率查询，因此查询和标志位产生之间的误差可以忽略，如果需要进一步增加采样率精度，是否可以把采样函数写在该中断函数里？如果我中断间隔为250us，中断里写的程序需要运行50us，那我的中断间隔会被改变吗？我还没验证，不过采用我目前的实现方式，TIM3中断中的代码量极小，因此不用考虑这样的情况。

注意：我在两次采样间无延时的情况下，全速运行10秒，大约得到了7万个数据，这说明我完成一次3个传感器的采样和传输所需要的时间小于0.2ms，因此我通过上述的方式实现最大采样率为2000Hz是完全OK的。

1.  
   void TIM3_IRQHandler(void)
2.  
   {
3.  
   /* USER CODE BEGIN TIM3_IRQn 0 */
4.  
    
5.  
   /* USER CODE END TIM3_IRQn 0 */
6.  
   HAL_TIM_IRQHandler(&htim3);
7.  
   /* USER CODE BEGIN TIM3_IRQn 1 */
8.  
   if(SR_Counter)
9.  
   SR_Counter--;
10.  
    else{
11.  
    SR_Counter=SR_Counter_RES-1;
12.  
    SAMPLE_FLAG|=0x08;
13.  
    }
14.  
     
15.  
    /* USER CODE END TIM3_IRQn 1 */
16.  
    }

主函数的主循环中，采样的部分这样写：

1.  
   if(SAMPLE_FLAG&0x80){
2.  
   while((SAMPLE_FLAG&0x08)!=0x08){Delay_us(5);}
3.  
   SAMPLE_FLAG&=0xf7;
4.  
   data_sample();
5.  
   SAMPLES=SAMPLE_FLAG&0x40?SAMPLES 1:SAMPLES;
6.  
   if ((SAMPLE_FLAG&0x01)&& !Timing){
7.  
   SAMPLE_FLAG&=0x7e;
8.  
   puts("Timing sample is done!");
9.  
   }

其中的SAMPLE_FLAG是采样标志位，具体分配如下：（除去保留位，从左到右分别为：采样启停、时间-采样数的水印开关、采样标志位、定时采样标志位）

1.  
   volatile uint8_t SAMPLE_FLAG=0;
2.  
   //RUN | Time_Count_MARK | Reserved | Reserved | Sample | Reserved | Reserved | Timing

4 实现RTC产生秒中断，并进一步实现定时采样和实际采样率检测

RTC这地方我调了很久，因为经常RTC调着调着就不工作了，原因是： 我的板子没有复位按键，是上电自动复位，程序下载之后，如果板子不重新上电，32.768k的晶振就很有可能无法起振。

RTC产生秒中断，配置如下，internal wakeup意思是内部中断（不输出），wakeup clock 1hz很方便，自动产生秒信号。

中断函数如下，RTC_Second是我用来计秒的（从上电到现在的秒数），RTC应该有专门的秒寄存器，但是我懒得找了。LED0_Toggle是宏定义，翻转LED灯的；如果设置了定时采样，采样会暂停，当采样开始的时候，每过一秒Timing（定时的秒数）减一；如果开启了时间-采样数水印，会打印当前的秒数和当前累计采集到的样本SAMPLES，这样就可以看到实际的采样率，例如下下面的图，采样率设置为800hz，实际大约是779.5hz，当然这个误差是可以通过优化代码来进一步缩小的。

1.  
   void RTC_WKUP_IRQHandler(void)
2.  
   {
3.  
   /* USER CODE BEGIN RTC_WKUP_IRQn 0 */
4.  
    
5.  
   /* USER CODE END RTC_WKUP_IRQn 0 */
6.  
   HAL_RTCEx_WakeUpTimerIRQHandler(&hrtc);
7.  
   /* USER CODE BEGIN RTC_WKUP_IRQn 1 */
8.  
   LED0_Toggle;
9.  
   RTC_Second ;
10.  
    if((SAMPLE_FLAG&0x81)==0x81){
11.  
    Timing--;
12.  
    printf("Timing rest seconds : M\n",Timing);
13.  
    }
14.  
    if(SAMPLE_FLAG&0x40)
15.  
    printf("SAMPLES : d, Power-seconds ]\n",SAMPLES,RTC_Second);
16.  
     
17.  
    /* USER CODE END RTC_WKUP_IRQn 1 */
18.  
    }

ok，到此为止了，下面展示一下开机界面

代码多逻辑复杂，贴不尽。如果需要进一步讨论该工程的完整代码请私信或评论留言。欢迎讨论！