STM32定时器触发3.2kHz ADC采样与DMA/SPI/Flash协同设计

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ADC+DMA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20us，FFT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, Rank=2)与IN2(PA2, Rank=3)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Rank=1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RAM；PeriphInc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HALFWORD，F103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。

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; // CPOL=1 hspi2.Init.CLKPhase = SPI_PHASE_2EDGE; // CPHA=1 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);

CPOL=1表示空闲时CLK保持高电平，CPHA=1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。NSS=SPI_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MSB，SPI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0，az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/s，115200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。

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