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STM32 DMA实战：ADC连续采样与UART发送的完整配置指南
2026/8/4 11:59:37 网站建设 项目流程

最近在嵌入式开发中，经常需要处理大量数据在内存与外设（如ADC、DAC、UART）之间的搬运。如果全靠CPU搬运，会严重消耗其算力，导致系统响应变慢。DMA（直接存储器访问）技术就是为了解决这个痛点而生的，它允许外设与内存之间直接进行数据传输，无需CPU干预，从而解放CPU去处理更复杂的任务。

本文将以STM32系列微控制器为例，深入讲解DMA的工作原理、配置流程，并提供一个从零开始的完整实战案例：使用DMA实现ADC连续采样并通过串口DMA发送数据。无论你是刚接触STM32的新手，还是希望优化现有项目性能的开发者，都能通过本文掌握DMA的核心配置技巧和避坑指南。

1. DMA核心概念与工作原理

1.1 什么是DMA？

DMA，全称Direct Memory Access，即直接存储器访问。它是一种允许特定硬件子系统（外设）独立于中央处理器（CPU）直接读写系统内存的技术。你可以把它想象成一个高效的“数据搬运工”。

在没有DMA的情况下，当ADC转换完成一个数据，CPU需要执行一系列指令：从ADC数据寄存器读取值 -> 将这个值存入某个内存变量 -> 判断是否发送 -> 将变量值写入UART数据寄存器。这个过程每一步都占用CPU周期。

而启用DMA后，你只需要告诉DMA控制器：“请把ADC数据寄存器（源地址）的数据，自动搬运到内存中的数组（目标地址），每搬运完一个就告诉我一声”。之后，ADC每转换一次，DMA就自动完成一次搬运，CPU完全不用管，可以继续执行主循环或其他中断服务程序。

1.2 DMA在STM32中的架构与通道

在STM32中，DMA控制器是一个独立的外设。以STM32F1系列为例，它通常有1-2个DMA控制器（DMA1， DMA2），每个控制器有多个通道（Channel）。

  • 通道（Channel）：每个通道关联到一个或多个特定的外设（如ADC1、USART1_TX、TIM2_CH1等）。通道是DMA传输的执行单元，一次传输只能使用一个通道。
  • 仲裁器（Arbiter）：当多个通道同时请求DMA传输时，仲裁器根据优先级（软件可配置）来决定哪个通道先执行。
  • 数据流（Stream）：在更高级的系列（如STM32F4/F7/H7）中，引入了“数据流（Stream）”的概念，一个数据流可以映射到多个通道，提供了更灵活的配置。

一次DMA传输涉及三个关键地址：

  1. 外设地址：数据来源或去向的外设数据寄存器地址（如&ADC1->DR）。
  2. 存储器地址：数据在内存中的地址（如一个数组adc_buffer的地址）。
  3. 传输数量（NDTR）：需要传输的数据项数量。

1.3 DMA传输模式与方向

DMA传输主要有以下几种模式，理解它们对正确配置至关重要：

  • 传输方向：

    • 外设到存储器：例如，ADC采样数据存入内存数组。
    • 存储器到外设：例如，从内存数组发送数据到UART。
    • 存储器到存储器：例如，在两个内存区域（如数组间）快速拷贝数据。注意，不是所有型号的DMA都支持此模式。

  • 传输模式：

    • 单次传输（Single）：DMA在传输完指定数量的数据后自动停止，需要重新使能才能进行下一次传输。
    • 循环传输（Circular）：DMA在传输完指定数量的数据后，自动重置传输计数器并重新开始，形成一个“乒乓”缓冲区，非常适合连续数据流（如音频采集、持续ADC采样）。

  • 数据宽度与对齐：需要配置外设和存储器的数据宽度（8位、16位、32位），两者可以不同，DMA会自动处理数据打包/解包，但需注意地址对齐问题。

  • 增量模式：决定每次传输后，外设地址和/或存储器地址是否自动增加。例如，从ADC读数据，外设地址（ADC数据寄存器地址）通常固定；而写入内存数组时，存储器地址需要递增。

2. 开发环境与硬件准备

2.1 硬件平台与软件工具

  • 主控芯片：本文以STM32F103C8T6（蓝桥杯常用核心板）为例，其DMA1有7个通道。原理同样适用于其他STM32系列，但寄存器或HAL库函数名可能略有不同。
  • 开发环境：
    • IDE：Keil MDK-ARM (uVision5) 或 STM32CubeIDE。
    • 开发库：本文采用STM32CubeMX图形化配置工具结合HAL库进行开发，这种方式直观且可移植性强。
    • 调试工具：ST-LINK V2 或 J-Link。
  • 外设使用：
    • ADC1：用于模拟信号采样，使用通道0（PA0）。
    • USART1：用于打印采样数据，TX引脚为PA9，RX引脚为PA10。
    • DMA1：使用通道1服务于ADC1，通道4服务于USART1_TX。

2.2 使用STM32CubeMX创建工程

  1. 新建项目：打开STM32CubeMX，选择MCU型号STM32F103C8Tx。
  2. 配置时钟：在RCC配置中，将高速外部时钟（HSE）设置为Crystal/Ceramic Resonator。然后在Clock Configuration标签页，将系统时钟（SYSCLK）配置为72MHz（这是F103的最高主频）。
  3. 配置ADC：
    • 在Analog下拉菜单中，找到ADC1。
    • 启用IN0通道（对应PA0）。
    • 在右侧参数设置中：
      • Scan Conversion Mode:Enabled(扫描模式，为多通道预留)。
      • Continuous Conversion Mode:Enabled(连续转换模式)。
      • DMA Continuous Requests:Enabled(使能DMA连续请求)。
      • End of Conversion Selection:EOC flag at the end of single conversion。
    • 在Rank中设置采样时间，例如Cycles 55.5以获得较好精度。
  4. 配置DMA for ADC：
    • 点击DMA Settings->Add。
    • 选择ADC1。
    • 配置模式：
      • Mode:Circular(循环模式，实现连续采样)。
      • Direction:Peripheral To Memory。
      • Increment Address:Memory选Yes(内存地址递增)，Peripheral选No(外设地址固定)。
      • Data Width:Peripheral和Memory都选Word(32位，因为ADC是12位，HAL库用32位变量存储)。
  5. 配置USART：
    • 在Connectivity中选择USART1。
    • 模式选择Asynchronous(异步通信)。
    • 参数默认（波特率115200， 8位数据，无校验，1停止位）。
  6. 配置DMA for USART_TX：
    • 再次进入DMA Settings->Add。
    • 选择USART1_TX。
    • 配置模式：
      • Mode:Normal(单次模式，发送完指定数量数据后停止)。
      • Direction:Memory To Peripheral。
      • Increment Address:Memory选Yes，Peripheral选No。
      • Data Width:Byte(UART通常按字节发送)。
  7. 生成代码：
    • 在Project Manager标签页设置项目名称、路径、IDE（MDK-ARM V5）。
    • 在Code Generator中，选择“为每个外设生成独立的.c/.h文件”。
    • 点击GENERATE CODE生成工程。

3. HAL库DMA关键函数与配置解析

生成的代码基于HAL库，它封装了底层寄存器操作。以下是几个核心的DMA相关HAL函数：

3.1 启动DMA传输的函数

// 启动ADC的DMA传输 // hadc: ADC句柄指针 // pData: 目标内存缓冲区地址 // Length: 传输数据长度（单位取决于数据宽度） HAL_StatusTypeDef HAL_ADC_Start_DMA(ADC_HandleTypeDef* hadc, uint32_t* pData, uint32_t Length); // 启动UART的DMA发送 // huart: UART句柄指针 // pData: 源内存缓冲区地址 // Size: 发送数据长度（字节） HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Transmit_DMA(UART_HandleTypeDef* huart, uint8_t* pData, uint16_t Size);

3.2 DMA传输回调函数

DMA传输完成、半传输完成或发生错误时，会触发中断，并调用相应的回调函数。我们需要在用户代码中重写（Weak）这些函数以添加自己的处理逻辑。

// DMA传输完成回调（在stm32f1xx_hal_adc.c中已定义为__weak） void HAL_ADC_ConvCpltCallback(ADC_HandleTypeDef* hadc); void HAL_ADC_ConvHalfCpltCallback(ADC_HandleTypeDef* hadc); // 半传输完成 // UART DMA发送完成回调（在stm32f1xx_hal_uart.c中） void HAL_UART_TxCpltCallback(UART_HandleTypeDef* huart);

循环模式下的缓冲区管理：当ADC DMA配置为循环模式时，HAL_ADC_ConvHalfCpltCallback和HAL_ADC_ConvCpltCallback会交替被调用。这是一种高效的“乒乓缓冲区”策略。例如，你定义一个大小为N的数组adc_buf[N]。

  • 当DMA填满前半部分（adc_buf[0]到adc_buf[N/2-1]）时，触发半传输完成中断，你可以安全地处理这前半部分数据。
  • 当DMA继续填满后半部分（adc_buf[N/2]到adc_buf[N-1]）时，触发传输完成中断，你可以处理后半部分数据。
  • 与此同时，DMA会自动回到数组开头重新开始填充，如此循环。这保证了数据处理和数据采集的并发进行，没有数据丢失。

4. 完整实战：ADC DMA采样与UART DMA发送

接下来，我们实现一个经典场景：使用DMA循环采集ADC数据，并在主循环中定时通过DMA将一批数据发送到串口助手显示。

4.1 定义全局变量与缓冲区

在main.c文件开始处，用户代码区域添加以下定义：

/* USER CODE BEGIN PV */ #define ADC_BUFFER_SIZE 100 // ADC DMA缓冲区大小 uint32_t adc_dma_buffer[ADC_BUFFER_SIZE]; // ADC DMA目标缓冲区 uint8_t uart_tx_buffer[ADC_BUFFER_SIZE * 5]; // UART发送缓冲区，需要将数值转换为字符串 volatile uint8_t adc_data_ready = 0; // 数据就绪标志 uint32_t adc_data_index = 0; // 用于标记已处理的数据位置 /* USER CODE END PV */

4.2 启动ADC DMA采集

在main函数的/* USER CODE BEGIN 2 */区域，启动ADC的DMA采集：

/* USER CODE BEGIN 2 */ // 启动ADC，并指定DMA传输的目标地址和长度 if (HAL_ADC_Start_DMA(&hadc1, (uint32_t*)adc_dma_buffer, ADC_BUFFER_SIZE) != HAL_OK) { Error_Handler(); // 启动失败，进入错误处理 } /* USER CODE END 2 */

4.3 实现ADC DMA传输完成回调

在main.c文件中找到/* USER CODE BEGIN 4 */区域，添加回调函数。这里我们使用传输完成回调来设置标志位。

/* USER CODE BEGIN 4 */ /** * @brief ADC转换完成回调函数（DMA模式） * @param hadc: ADC句柄 * @retval None */ void HAL_ADC_ConvCpltCallback(ADC_HandleTypeDef* hadc) { if(hadc->Instance == ADC1) { adc_data_ready = 1; // 设置数据就绪标志 // 注意：在循环模式下，这个回调会在缓冲区被完全填满时调用。 // 此时DMA已经回到缓冲区开头继续填充，所以我们需要尽快处理数据或拷贝数据。 } } /* USER CODE END 4 */

4.4 主循环处理与UART DMA发送

在main函数的while (1)循环中，我们检查标志位，处理数据并发送。

/* USER CODE BEGIN WHILE */ while (1) { /* USER CODE END WHILE */ /* USER CODE BEGIN 3 */ if(adc_data_ready) { adc_data_ready = 0; // 清除标志 // 1. 将ADC原始值（0-4095）转换为电压值字符串（假设Vref=3.3V） // 为了演示，我们只处理前10个数据并发送 int offset = 0; for(int i = 0; i < 10 && i < ADC_BUFFER_SIZE; i++) { float voltage = (adc_dma_buffer[i] * 3.3f) / 4095.0f; offset += sprintf((char*)&uart_tx_buffer[offset], "ADC[%d]: %.3fV\r\n", i, voltage); } offset += sprintf((char*)&uart_tx_buffer[offset], "----\r\n"); // 2. 通过DMA发送字符串到UART // 注意：HAL_UART_Transmit_DMA是非阻塞的，函数调用后立即返回。 // 在上一次DMA发送完成前，不能再次调用此函数发送同一个huart实例，否则会导致错误。 // 这里我们简单处理，在实际项目中需要更严谨的状态管理。 if(HAL_UART_GetState(&huart1) == HAL_UART_STATE_READY) { HAL_UART_Transmit_DMA(&huart1, uart_tx_buffer, offset); } // 3. 添加一个简单延时，避免发送过于频繁 HAL_Delay(1000); // 延时1秒 } // 其他任务... } /* USER CODE END 3 */

4.5 编译、下载与验证

  1. 编译工程：点击IDE中的编译按钮，确保0错误，0警告。
  2. 连接硬件：将STM32核心板的PA0（ADC输入）连接到一个可调电位器的中间引脚，电位器两端接3.3V和GND。将PA9（UART_TX）连接到USB转TTL模块的RX，共地。
  3. 下载程序：使用ST-LINK将程序下载到芯片。
  4. 观察结果：打开串口助手（如XCOM， Putty），设置波特率115200。旋转电位器，你应该能看到串口每秒打印一次10个ADC通道的电压值。

5. 常见问题与排查思路

DMA配置相对复杂，容易遇到问题。下表列出了常见现象、原因及解决方法：

问题现象可能原因排查思路与解决方案
ADC DMA不启动，数据不变1. DMA或ADC时钟未使能。
2. DMA通道映射错误。
3.HAL_ADC_Start_DMA调用失败未检查。
4. 缓冲区地址或长度参数错误。		1. 在CubeMX中检查RCC配置，确保DMA和对应外设时钟已开启。
2. 核对数据手册，确认ADC1是否对应DMA1 Channel1（F1系列）。
3. 检查函数返回值，并进入Error_Handler调试。
4. 确保缓冲区是全局变量或静态变量，地址有效。
UART DMA发送一次后卡死1. 在上一次DMA发送完成前，再次调用了HAL_UART_Transmit_DMA。
2. UART或DMA发生错误未清除。		1. 在发送前检查UART状态：if(HAL_UART_GetState(&huart1) == HAL_UART_STATE_READY)。
2. 实现HAL_UART_ErrorCallback回调函数，打印或处理错误。考虑使用发送完成标志位或队列管理发送请求。
ADC采样数据错乱或偏移1. 数据宽度配置不一致。
2. 内存地址增量模式错误。
3. 缓冲区大小太小，DMA覆盖了未处理的数据。		1. 在CubeMX中确认ADC侧和Memory侧的数据宽度（通常都是Word）。
2. 确认ADC的DMA配置：Memory Increment = Yes, Peripheral Increment = No。
3. 增大缓冲区，或使用“乒乓缓冲区”策略（半传输中断），确保处理速度大于采集速度。
DMA传输完成中断不触发1. DMA传输完成中断未使能。
2. 中断优先级配置过低，被其他中断阻塞。
3. 回调函数未重写（名字拼写错误）。		1. 在CubeMX的DMA配置中，确认Transfer Complete Interrupt已勾选。
2. 在NVIC配置中调整DMA通道中断的优先级。
3. 确保回调函数名完全正确，且放在USER CODE BEGIN 4区域。
存储器到存储器DMA失败1. 芯片不支持此模式（如某些F1型号）。
2. 源或目标地址不是内存地址（如外设寄存器）。
3. 数据缓存（Cache）一致性问题（在带Cache的M7等内核上）。		1. 查阅芯片参考手册的DMA章节。
2. 确保地址是SRAM地址。
3. 对于M7，使用SCB_CleanDCache_by_Addr等函数维护Cache一致性。

6. 最佳实践与工程建议

掌握了基础操作后，以下建议能帮助你在实际项目中更稳健、高效地使用DMA。

  1. 精心设计缓冲区

    • 大小：缓冲区大小需权衡。太小会导致溢出或频繁中断，消耗CPU；太大会增加内存占用和数据处理延迟。根据采样率、处理速度和系统内存综合决定。
    • 对齐：对于高性能MCU（如STM32H7），考虑将DMA缓冲区进行字节对齐（如使用__attribute__((aligned(32)))），这有助于发挥DMA或Cache的最佳性能。
    • 多缓冲区：对于连续高速数据流，强烈建议使用双缓冲区甚至多缓冲区（乒乓缓冲区），配合半传输和全传输中断，实现无锁、无丢失的数据生产和消费。

  2. 妥善管理DMA状态

    • 避免重入：对于Normal模式的DMA传输（如UART发送），一定要在本次传输完成（回调函数被调用）后，才能启动下一次传输。使用状态标志位或队列来管理发送请求。
    • 错误处理：务必实现DMA和对应外设的错误回调函数（如HAL_UART_ErrorCallback），并在其中进行错误标志清除、日志记录或系统复位，提高系统健壮性。

  3. 优化中断与优先级

    • DMA中断频率可能很高。如果数据处理逻辑复杂，不要在DMA传输完成中断回调中执行耗时操作，应仅设置标志位，在主循环或更低优先级的任务中处理数据。
    • 合理配置NVIC中断优先级。确保关键DMA通道（如用于高速ADC或DAC）的中断优先级高于其他非实时性任务的中断。

  4. 注意数据一致性

    • 在启用数据缓存（D-Cache）的Cortex-M7等内核上，如果CPU和DMA会访问同一块内存区域，必须手动维护缓存一致性。DMA写入后，CPU读取前需无效化（Invalidate）对应缓存行；CPU写入后，DMA读取前需清理（Clean）对应缓存行。

  5. 混合使用查询与中断

    • 不是所有场景都需要DMA中断。对于低速、非连续的数据，可以使用查询方式检查DMA传输是否完成（通过HAL_DMA_GetState或__HAL_DMA_GET_FLAG），减少中断开销。

  6. 调试技巧

    • 在复杂DMA应用中，使用调试器的“实时变量”窗口观察DMA缓冲区的数据变化，非常直观。
    • 可以利用GPIO引脚在DMA中断开始和结束时拉高/拉低，用示波器测量中断处理时间，评估系统负载。

DMA是提升嵌入式系统性能的利器，但也引入了额外的复杂性。从简单的单外设DMA传输开始，逐步理解其机制，再应用到多外设、高并发的场景中。本文的ADC+UART案例是一个经典的起点，你可以在此基础上尝试更复杂的组合，如DAC波形生成、SPI全双工通信、SD卡读写等。

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