STM32中采用DMA實現(xiàn)方波的產(chǎn)生和捕獲

1 STM32微控制器介紹
    STM32系列微控制器是ST公司基于Cortex-M3內(nèi)核的高集成度的微控制器。它在性能、價格、功耗和實時性方面樹立了一個新的標桿，集成了Cortex-M3內(nèi)核，以及雙ADC、多用途的通用時鐘TIMx、RTC、I2C、SPI、UART、CAN、DMA、USB等豐富的外設(shè)。其功耗在全速72MHz所有模塊都打開時也僅僅為36 mA，在低功耗模式下其功耗僅為2μA。

2 DMA和TIMx簡介
    STM32系列微控制器均含有DMA和通用時鐘TIMx模塊。其低端型號中僅包含DMA1，支持7個通道；高端型號還包括DMA2，支持5個通道。它的每個通道可任意指定工作模式，如內(nèi)存到內(nèi)存、內(nèi)存到外設(shè)或外設(shè)到內(nèi)存等。當涉及到外設(shè)時，一般是由外設(shè)來觸發(fā)DMA的一次傳輸，如串口收到數(shù)據(jù)的標志位可觸發(fā)DMA。
    DMA的每次傳輸都分為4個階段：申請仲裁、地址計算、總線存取和應(yīng)答。除總線存取階段，其他3個階段都只需要一個系統(tǒng)周期，并且不占用總線，可在DMA控制器內(nèi)部并發(fā)地執(zhí)行。總線存取階段，每個字(4字節(jié))的傳輸需要3個系統(tǒng)周期。DMA和CPU工作在交替方式下，不會相互阻塞。DMA各個通道可獨立設(shè)置優(yōu)先級，當訪問同一資源時高優(yōu)先級通道先獲得資源。
    DMA的使用比較簡單，每路DMA僅包括4個寄存器，用于指定DMA的工作模式、源地址、目標地址和傳輸次數(shù)。ST公司提供了很好的驅(qū)動庫，簡化了外設(shè)的使用，方便閱讀和移植。本文采用庫函數(shù)來展示功能。
    其通用時鐘是很有特色的外圍模塊，可實現(xiàn)多種復雜的功能。時鐘模塊內(nèi)部主要包含一個計數(shù)器和4個通道的比較／捕獲寄存器。時鐘可工作在捕獲或比較模式。在捕獲模式下，若有對應(yīng)的觸發(fā)信號，計數(shù)器的值會保存到比較／捕獲寄存器，并觸發(fā)中斷或DMA；在比較模式下，若計數(shù)器的值與比較／捕獲寄存器的值相等，則對外輸出預選設(shè)定好的信號，如高電平、低電平或電平反轉(zhuǎn)等。

3 采用DMA+TIMx實現(xiàn)多路方波的產(chǎn)生
    采用時鐘的4個比較／捕獲通道加DMA可以產(chǎn)生出4路不同頻率和占空比的方波。這里為簡化篇幅，只列出了產(chǎn)生一路方波的代碼?；驹硎牵簩r鐘的4個通道設(shè)置為反轉(zhuǎn)模式(即計數(shù)器與比較捕獲寄存器相等時，其對應(yīng)的CPU引腳電平發(fā)生反轉(zhuǎn))，設(shè)置計數(shù)器為向上計數(shù)到0xFFFF的模式；然后預先計算好需要引腳反轉(zhuǎn)的時刻，并使能對應(yīng)通道的DMA請求。這樣，當計數(shù)器與比較／捕獲寄存器的值相等時，由DMA將下一個需要引腳電平反轉(zhuǎn)的時刻送入到比較／捕獲寄存器。
    這里將DMA設(shè)置為從內(nèi)存到外設(shè)的半字(2個字節(jié))環(huán)形傳輸。開啟DMA全滿和半滿中斷，在中斷處理函數(shù)中不斷填充新的時刻值，即可保證產(chǎn)生的波形不間斷。假設(shè)存放時刻值的緩沖長度為N，則每N／2個點才中斷一次，這樣CPU就不需要頻繁進入中斷，執(zhí)行效率比較高。由此也可以看出，緩沖越大，對中斷響應(yīng)的實時性要求也越低，當然這時中斷的處理時間也越長。以下為示例代碼：
   
   
    需要注意的是，比較／捕獲寄存器的預加載功能必須禁止掉。我們需要的是寫入比較／捕獲寄存器的值立即與計數(shù)器相比較輸出，而無需等待一個更新事件。

4 采用DMA+TIMx實現(xiàn)多路方波的捕獲
    假設(shè)有一個方波需要記錄并分析。一種方案是設(shè)置CPU引腳在上升沿和下降沿中斷，然后在中斷中記錄該時刻。這種處理方式的實時性和效率會差一些，因為進出中斷本身就需要一定的指令周期(Cortex-M3為12+12或6+12個系統(tǒng)周期)，而且需要考慮多個中斷同時發(fā)生的最壞情況，對可檢測方波的最大頻率有一定的限制。另一種方案是采用輪詢的方式不斷查詢該引腳的狀態(tài)并記錄上升沿和下降沿的時刻，這種方式下系統(tǒng)幾乎不能處理其他的任務(wù)了。
    采用DMA+TIMx的方式來捕獲上升沿和下降沿時刻，有利于提高系統(tǒng)的實時性和執(zhí)行效率。通過TIMx的捕獲功能將方波的電平跳變時刻記錄在比較／捕獲寄存器中，然后DMA將該值自動傳輸?shù)絻?nèi)存，只有當DMA觸發(fā)半滿或全滿事件時CPU才需要進入中斷處理數(shù)據(jù)。通過記錄方波的上升沿和下降沿時刻，然后將兩個時刻相減，進而就能得到所有低沿和高沿的寬度，最后進行后續(xù)的分析處理。這種方式下中斷頻率僅為方波頻率的4／N(N為緩沖區(qū)大小)。
    圖1為TIMx工作在捕獲模式下一個通道的示意圖。

    其中TI1為CPU引腳的輸入，經(jīng)過濾波(新的電平必須保持一定時間才認為有效，以防止高頻噪聲的干擾)后進入后繼的邊沿極性選擇，最后經(jīng)過分頻作為捕獲信號的輸入。這里TI2F為相鄰通道經(jīng)過濾波后的信號，也就是說一個引腳的信號可作為TIMx兩個通道的輸入捕獲信號，這樣信號只需要接一個CPU引腳就可以觸發(fā)兩個時鐘通道了。
    將輸入方波接到CPU一個引腳上，假設(shè)該引腳對應(yīng)于圖上的TI1，設(shè)定其在下降沿觸發(fā)通道1的捕獲事件，而其在上升沿觸發(fā)通道2的捕獲事件，事件發(fā)生后申請DMA將捕獲的比較／捕獲寄存器的值保存起來。示例代碼如下：
   
    其他部分與第3節(jié)中比較輸出的代碼基本一致。

5 總結(jié)
    測試中STM32系列微控制器工作在36 MHz，可產(chǎn)生出1路最高1．5 MHz的方波，可捕獲1 MHz的方波，而此時CPU的執(zhí)行幾乎不受影響。這里采用DMA來實現(xiàn)方波的產(chǎn)生和捕獲，極大地提高了系統(tǒng)的實時性和執(zhí)行效率，減少了中斷次數(shù)，節(jié)省了寶貴的資源。這種方案也可以用來實現(xiàn)高效的模擬串口。
    DMA的傳輸需要多個系統(tǒng)周期的，例如采用DMA實現(xiàn)內(nèi)存到內(nèi)存的搬移，每次傳輸需要5個系統(tǒng)周期，而內(nèi)存到外圍的一次傳輸需要2個APB周期+5個AHB周期。這樣用上述方法產(chǎn)生的方波最小沿(低沿或高沿)為14個周期(包括比較／捕獲寄存器到內(nèi)部影子寄存器的傳輸?shù)?。若有更高的需求，應(yīng)考慮其他的實現(xiàn)方案。另外，若有多個DMA同時工作，應(yīng)考慮最壞情況下DMA的響應(yīng)時間，以避免錯誤發(fā)生。