基于STM32微控制器的過采樣技術研究與實現

王文海

摘要：本文通過對該微控制器數字轉換器（ADC）的精度的基本原理進行研究，并對STM32微控制器內核進行可行性分析，同時通過研究數據來對過采樣技術能否通過STM32微控制器技術實驗，從而得出，過采樣技術的使用能夠有效地減少STM32微控制器中處理器的負擔，大大提高其自帶模擬數字轉換器的精度。

關鍵詞：STM32微控制器；過采樣技術；模擬數字轉換器（ADC）

中圖分類號：TP335 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）10-0005-01

1 過采樣技術的原理分析

1.1 量化噪聲探究

模擬數字轉換器的采樣過程就是通過吧連續的模擬信號通過轉換成為有限的數字，在這個過程中每一個數字代表了以此采樣所獲取的信息。在進行量化的過程中，要根據數據的位置劃定合適的量化分析，比如12位數據就代表212個量化級，如果是14位數據就代表214個量化級，可以將同一級別的樣本的值歸為一種類型，同時給定一種量化值。轉換器的模擬信號是連續不間斷的，其量化的結果和實際模擬量之間的差值叫做誤差（eq），或者稱為量化噪聲。

1.2 過采樣率與精度的關系

假設量化噪聲為白噪聲，就能夠同歸對量化誤差的計算獲得平均噪聲的功率。

E（e）=σ2de=Δ2/12

1.3 過采樣數據的計算

通過4p的過采樣率得來的采樣值再通過求和運算、平均計算等方法進行處理，但是卻不能簡單的把4p的采樣值進行簡單的加法和除法的運算，這種運算方法的濾波作用很低，比如R位的采樣值通過精度的平均后仍然是R位，并不能提高過采樣的精度。在進行過采樣數據的提取時可以將4p個采樣數據值進行相加得到R+2p位的數值，通過數值右移p個單位，就能夠得到R+P位的數值，此時的數字是提高了p位后精度的采樣最后結果。

1.4 過采樣能夠進行的前提

過采樣技術的順利施行是有前提條件的，并不能在隨時的情況下就能發生很好的作用，一般利用過采樣技術來提高采樣的精度通常是要滿足下面的兩個條件：一是控制器輸入的信號必須存在一些白噪音，而功率的平均分配要在采樣技術有用的頻率帶內；二是白噪音的幅度要能夠對輸入的噪音或者信號產生足夠的影響范圍，讓ADC的轉換信號能夠隨機的轉換以為，如果不能則輸入的信號轉出的值就會相同，這樣的抽取結果不能提高過采樣的數據精度。如果不能反轉1位就需要人為在傳入的信號中輸入一定的噪聲，噪聲的頻率不能和輸入的信號有線性相關的關系，同時還要保證自帶ADC的轉換結果能夠在杏林的量化值之間進行隨機的翻轉。

2 基于STM321微控制器的過采樣技術

2.1 STM32微控制器自帶ADC的特征

STM32微控制器的內部自帶著有十二位的ADC，這種ADC具有十六位的輸入信號的通道，通過采樣序列寄存器的存在，ADC的這些通道能夠通過任何的順序進行采樣。自帶ADC通常完成每一次的采樣就能又一次DMA的請求，若是相對應的DMA通道已被占用，過采樣值能夠直接通過DMA傳送大SRAM，同時不用經過CPU的干擾就能夠到達。STM32微控制器內部鑲嵌了具有八個十六位的定時器，這些定時器具有以下模式：獲得比較、輸入與輸出的比較、PWN或者是單脈沖等的工作方式。在進行定時器的安排時可以將其設置為與CPU相同的時鐘大小，從而能夠準確的進行定時。

2.2 基于STM32微控制器過采樣的條件檢查

為了過采樣技術能夠順利得進行使用，要對其STM32微控制器系統進行設計軟件代碼的監測，觀察該系統是否符合過采樣條件的需要。在進行條件檢驗的過程中，要輸入頻率為五十赫茲的信號，同時根據Nyquist定律將采樣率控制到至少為一百赫茲。在這樣的采樣頻率下向微控制器的自帶ADC0.0000V、1.7000V、3.4000V的輸入信號，同時降采樣值直接輸送到計算機上不用經過處理，再用Excel軟件之間觀察得到的數據，系統中的噪聲傳入信號若能翻轉一到兩位，將噪聲的分布看作是隨機的，也可以將其任作為白噪聲，這個結果已經滿足了過采樣技術所需的條件，不用人為的創造信號進行輸送，進而引起白噪聲。

2.3 STM32微控制器的軟件設計

STM32微控制器的軟件系統設計主要包括系統功能的初始化和中斷處理兩個方面。在進行系統初始化方面的設計時主要是針對STM32的ADC、CPU時鐘、DMA定時器等進行初始化管理，為了將它們的精度提高到四位，就要經傳入的信號至少控制在25.6kHz的過采樣頻率。將STM32微控制器的CPU時鐘設定為56M Hz、ADC的時鐘要設置為系數為八的的地方，同時還要經時間的轉換設置為242個ADC時鐘周期，以ADC的采樣率能夠達到29kHz，一個能夠滿足過采樣技術頻率的要求，有效避免了占用微控制器CPU的時間。將微控制器的定時器設置為每個10ms產生以此中斷，在中斷的同時能夠啟動DMA傳輸，將傳輸的源設備設置為模擬數字轉換器的寄存器。在代碼的傳輸完成后，通過中斷處理程序對該過程中的256采樣值進行求和的運算，將得到的和進行右移八位的處理，就能夠得到一個12的過采樣值，過采樣值是經過均值濾波后得到的結果，該值用于過采樣結果的參照。若是右移4位，能夠得到一個16位的過采樣值，這個采樣值是采樣的最終結果，可以將這兩種數據通過計算機進行顯示。

3 結語

基于STM32的過采樣技術能夠有效地解決STM32微控制器自帶ADC精度低的問題，提高過采樣結果的精度，減少了外部昂貴ADC控制器的使用，提高了工作效率。但是這種過采樣技術的進行是有一定的條件限制的，對CPU也有一定的影響，但是總的效果卻很理想。

參考文獻

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