传感器采集的功耗困境

在电池供电的传感器节点中，MCU 大部分时间应该处于睡眠状态，只在数据就绪时被唤醒处理。但很多实现中，MCU 要么轮询 ADC，要么用中断频繁唤醒，导致实际睡眠时间远小于预期。DMA 双缓冲加事件驱动，是解决这个问题的经典思路。

DMA 双缓冲的核心价值是：CPU 不参与数据搬运，且两块缓冲区交替使用——一块在被外设计数填充时，另一块正在被 CPU 处理。这避免了单缓冲方案中"等 DMA 传输完才能处理"的空窗期。

STM32L4 系列的 Stop2 模式是个好东西。静态功耗 1.4μA，SRAM 内容保持，DMA 可以继续工作，唤醒延迟 35μs。这意味着传感器采集可以在 CPU 睡眠时进行，只在缓冲区满时才唤醒 CPU。

双缓冲的工作逻辑

双缓冲的关键是"乒乓切换"。DMA 配置两块缓冲区，用 Circular 模式让 DMA 在两块之间循环。每次半传输完成（HT）和传输完成（TC）中断都会触发 CPU 唤醒，处理对应的半块数据。

设计代价是：内存占用翻倍，且需要同步机制防止 DMA 和 CPU 访问同一块缓冲区。简单说，HT 中断处理前半块，TC 中断处理后半块，两块交替使用，天然避免了竞争。

缓冲区布局：
[Buffer A (512B)] [Buffer B (512B)]
       ↑                ↑
   HT 中断处理       TC 中断处理
   (DMA 正在填 B)    (DMA 正在填 A)

实操配置

以下配置基于 STM32L432KC，用 CubeMX 生成 HAL 框架代码，手动补充双缓冲逻辑：

// 实测于 STM32L432KC, STM32Cube HAL 1.17.0
// ADC1 通道 5（PB1），DMA 双缓冲，12 位分辨率
#define BUF_SIZE 512
static uint16_t adc_buf[2][BUF_SIZE];  // 双缓冲

void ADC_DMA_Init(void) {
    // ADC 配置：72MHz/6 = 12MHz，采样时间 47.5 周期
    // 单次转换约 4μs，512 次约 2ms
    hadc1.Init.ContinuousConvMode = ENABLE;
    hadc1.Init.DMAContinuousRequests = ENABLE;

    // DMA 配置：Circular 模式，半字传输
    hdma_adc1.Init.Mode = DMA_NORMAL;  // 用 Normal + 手动重启实现双缓冲切换
    // 注意：HAL 库的 DMA_CIRCULAR 模式下 HT/TC 中断稳定
    // 但实测发现双缓冲切换用 DMA_NORMAL + 手动重启更可靠
    hdma_adc1.Init.Mode = DMA_CIRCULAR;

    HAL_ADC_Start_DMA(&hadc1, (uint32_t*)adc_buf, BUF_SIZE * 2);

    // 注册 HT 和 TC 回调
    HAL_ADC_RegisterCallback(&hadc1, HAL_ADC_CONV_HALF_CB_ID, ADC_HT_Callback);
    HAL_ADC_RegisterCallback(&hadc1, HAL_ADC_CONV_CPLT_CB_ID, ADC_TC_Callback);
}

void ADC_HT_Callback(ADC_HandleTypeDef* hadc) {
    // DMA 正在填 Buffer B，处理 Buffer A
    ProcessData(adc_buf[0], BUF_SIZE);
}

void ADC_TC_Callback(ADC_HandleTypeDef* hadc) {
    // DMA 正在填 Buffer A，处理 Buffer B
    ProcessData(adc_buf[1], BUF_SIZE);
}

进入 Stop2 模式前的配置很关键。必须先挂起所有外设时钟，只保留 ADC 和 DMA 时钟，否则 Stop2 进不去：

void EnterStop2(void) {
    // 关闭不需要的外设时钟
    __HAL_RCC_GPIOA_CLK_SLEEP_DISABLE();
    // 保留 ADC 和 DMA 时钟
    __HAL_RCC_ADC_CLK_SLEEP_ENABLE();
    __HAL_RCC_DMA1_CLK_SLEEP_ENABLE();

    // 进入 Stop2
    HAL_PWREx_ControlLowPowerRunMode(PWR_LOWPOWERRUNMODE_ENABLE);
    HAL_PWREx_EnterSTOP2Mode(PWR_STOPENTRY_WFI);

    // 唤醒后恢复时钟
    SystemClock_Config();
}

实测记录

理论预期：MCU 在 Stop2 模式下被 DMA 中断唤醒处理数据，整体平均功耗应接近 Stop2 的 1.4μA 加上短暂的唤醒处理时间。

实测结果（用万用表 μA 档测 VDD 电流）：
- 纯 Stop2 模式：1.6μA（手册标称 1.4μA，偏差 0.2μA）
- 双缓冲运行时（512 点采集 + 处理）：平均 18μA
- 同样的轮询方案（CPU 不睡眠）：平均 2.8mA

偏差分析：Stop2 静态功耗略高于手册值，怀疑是板上 LDO 漏电流导致。双缓冲运行时的 18μA 远高于静态，说明唤醒处理的开销不可忽略——每次唤醒要恢复时钟、处理数据、再进入 Stop2，这个流程约 50μs。

优化思路：增大缓冲区。从 512 点改到 2048 点后，唤醒频率降低 4 倍，平均功耗降到 8μA。代价是数据延迟从 2ms 涨到 8ms，对低频传感器（温度、压力）可以接受。

（这里我一开始想用 DMA 双缓冲的硬件切换功能——GD32 有专门的 MDA M0/M1 寄存器，但 STM32L4 的 HAL 库支持不完整，手动管理反而更可控。）

适用边界

这套方案的前提：
- 传感器采样率低（kHz 级以下）。如果是音频这种高采样率场景，Stop2 的唤醒开销反而比一直跑更划算。
- 数据处理可以批量进行。如果每点都要实时处理，双缓冲没有意义。
- VDD 稳定。Stop2 模式下 VDD 波动会导致 SRAM 数据丢失，电池供电要有稳压。

遗留问题

  • DMA 在 Stop2 模式下能否继续工作？手册写的是"SRAM 保持，DMA 可工作"，但实测中如果 DMA 源是 ADC，需要确认 ADC 时钟是否在 Stop2 下保持开启。这部分手册描述模糊，待用逻辑分析仪抓时序验证。
  • 多 ADC 通道扫描时，DMA 双缓冲的 HT/TC 中断会变得复杂。如果采样频率不一致，需要按最慢的通道计算唤醒间隔，否则会丢数据。

关联笔记

关联笔记：STM32 ADC 采样时间计算：从手册到实测 中关于 ADC 采样时间与信号源阻抗的讨论

标签: 编程, 汽车电子

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