解码模数转换器（ADC）

news/2026/1/25 22:08:42/文章来源:https://www.cnblogs.com/YouEmbedded/p/19497397

模数转换核心概念

模拟信号与数字信号

模拟信号：时间和幅度均连续变化的信号，可直接反映物理量（声音、温度、光强等）的自然变化，理论上有无限多取值，波形平滑连续。

数字信号：时间和幅度均离散的信号，仅用有限个离散数值（如二进制“0”“1”）表示信息，波形表现为高低电平组成的脉冲或方波。

转换必要性：计算机、MCU等数字系统仅能处理离散数字信号，需通过模数转换器（ADC）将模拟信号转换为数字信号，才能实现对物理量的采集与处理。

模数转换器（ADC）定义

ADC是一种电子元件，核心功能是将连续的模拟电压信号（如电位器、光敏电阻输出电压）转换为离散的数字量，转换过程需遵循“取样-量化-编码”三步流程，转换精度与速度是核心性能指标。

ADC转换原理（取样-量化-编码）

取样（Sampling）

对连续变化的模拟信号，按固定时间间隔抽取瞬时值，将时间上连续的信号变为时间上离散的脉冲信号。

量化（Quantization）编码（Encoding）

将取样得到的离散电压值，映射为某个固定最小单位（量化单位△）的整数倍，实现幅度上的离散化。

将量化后的整数倍数值，转换为二进制（或其他进制）代码，作为ADC的最终输出。12位ADC输出范围为0~4095（二进制0000 0000 0000~1111 1111 1111），8位ADC输出范围为0~255。

ADC核心性能指标

分辨率

ADC能区分的最小模拟电压变化量，通常用二进制位数表示（8位、10位、12位、16位、24位），位数越高，分辨率越高，量化误差越小。

例：8位ADC分辨率=3.3V/255≈12.94mV，12位ADC分辨率≈0.805mV，后者对微小电压变化更敏感。

转换精度

实际转换结果与理想值的偏差，包含量化误差、偏移误差、增益误差等，通常用LSB（最低有效位）表示，如±1LSB。

转换速率

ADC完成一次转换的时间，单位为μs或kHz（转换频率），转换速率越高，越适合采集快速变化的信号（如音频信号）。

参考电压（VREF）

ADC转换的电压基准，决定输入模拟电压的量程（通常为0~VREF+），VREF精度直接影响ADC转换精度，需选用稳定的电压源。

STM32 ADC外设

核心特性

时钟配置

STM32 ADC挂载于APB2总线，APB2时钟频率最高84MHz，ADC时钟（ADCCLK）需通过预分频器分频得到，分频系数可选2、4、6、8，确保ADCCLK≤36MHz（最大值）。例：预分频系数4时，ADCCLK=84MHz/4=21MHz。

STM32 ADC实操案例

案例1：电位器ADC采集（PA5引脚，单次/连续转换）

硬件：STM32F4xx、电位器（接PA5，对应ADC1/2_IN5）、串口（USART1）用于输出数据。

代码

/* Includes ------------------------------------------------------------------*/
#include "stm32f4xx.h"
#include <string.h>
#include <stdio.h>
#include <stdbool.h>/* 重定向fputc函数，实现printf通过USART1输出 */
int fputc(int ch, FILE *f)
{/* 等待USART1发送数据寄存器为空（TXE位为1） */while( USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET );/* 发送字符：ch为要发送的ASCII码，USART_SendData无返回值 */USART_SendData(USART1, (uint16_t)ch);return ch; /* 返回发送的字符，符合fputc函数规范 */
}/* Private variables ---------------------------------------------------------*/
uint16_t adc_val = 0; // 存储ADC转换结果（12位，范围0~4095）/* Private function prototypes -----------------------------------------------*/
void delay_us(u32 nus);       // 微秒延时
void delay_ms(u32 nms);       // 毫秒延时
static void PC_Config(u32 baud); // USART1初始化（串口配置）
void PA5_Config(void);        // PA5引脚及ADC1初始化/*** @brief  微秒延时函数* @param  nus: 待延时时间，单位微秒（μs）* @retval None* @note   Systick时钟源为21MHz（AHB时钟84MHz，默认8分频，此处已调整为21MHz）*         重载值计算：nus*21 - 1（每个时钟周期1/21μs，nus需21*nus个时钟周期）*/
void delay_us(u32 nus)
{SysTick->CTRL = 0;              // 关闭SysTick定时器SysTick->LOAD = nus * 21 - 1;   // 设置重载寄存器值，控制延时时间SysTick->VAL  = 0;              // 清除当前计数值，避免残留影响SysTick->CTRL = 1;              // 启动SysTick，使用处理器时钟源/* 等待COUNTFLAG位（bit16）置1，标识延时结束 */while ((SysTick->CTRL & 0x00010000) == 0);SysTick->CTRL = 0;              // 关闭SysTick，结束延时
}/*** @brief  毫秒延时函数* @param  nms: 待延时时间，单位毫秒（ms）* @retval None* @note   基于SysTick实现，存在微小误差，适合普通延时场景*         1ms需21000个时钟周期（21MHz时钟源）*/
void delay_ms(u32 nms)
{while(nms--){SysTick->CTRL = 0;              // 关闭SysTick定时器SysTick->LOAD = 21 * 1000 - 1;  // 重载值=21MHz*1ms -1 = 20999SysTick->VAL  = 0;              // 清除当前计数值SysTick->CTRL = 1;              // 启动SysTickwhile ((SysTick->CTRL & 0x00010000) == 0); // 等待延时结束SysTick->CTRL = 0;              // 关闭SysTick}
}/*** @brief  USART1初始化函数（配置串口参数，用于数据输出）* @param  baud: 串口波特率（如115200、9600等）* @retval None* @note   引脚映射：PA9（TX）、PA10（RX），复用为USART1功能*/
static void PC_Config(u32 baud)
{USART_InitTypeDef USART_InitStructure; // USART配置结构体NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;   // NVIC中断配置结构体GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;   // GPIO配置结构体/* 1. 使能GPIOA和USART1时钟 */RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA, ENABLE); // GPIOA时钟（AHB1总线）RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1, ENABLE); // USART1时钟（APB2总线）/* 2. 配置GPIO引脚复用功能（PA9=USART1_TX，PA10=USART1_RX） */GPIO_PinAFConfig(GPIOA, GPIO_PinSource9, GPIO_AF_USART1);  // PA9复用为USART1_TXGPIO_PinAFConfig(GPIOA, GPIO_PinSource10, GPIO_AF_USART1); // PA10复用为USART1_RX/* 3. 配置GPIO引脚参数 */GPIO_InitStructure.GPIO_Mode  = GPIO_Mode_AF;         // 复用模式GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz;    // 引脚速率100MHzGPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;        // 推挽输出（TX引脚）GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd  = GPIO_PuPd_UP;         // 上拉电阻（RX引脚防干扰）GPIO_InitStructure.GPIO_Pin   = GPIO_Pin_9 | GPIO_Pin_10; // PA9和PA10GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);                // 初始化GPIOA/* 4. 配置USART1参数 */USART_InitStructure.USART_BaudRate    = baud;                     // 波特率，由参数传入USART_InitStructure.USART_WordLength  = USART_WordLength_8b;      // 数据位：8位USART_InitStructure.USART_StopBits    = USART_StopBits_1;         // 停止位：1位USART_InitStructure.USART_Parity      = USART_Parity_No;          // 校验位：无校验USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None; // 无硬件流控USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;   // 模式：收发全双工USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);                         // 初始化USART1/* 5. 配置USART1中断（接收中断） */NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn;                // 中断通道：USART1_IRQnNVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;        // 抢占优先级：0（最高）NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;               // 子优先级：0NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;                  // 使能中断通道NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);                                  // 初始化NVIC/* 6. 使能USART1接收中断（接收到数据触发中断） */USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE);/* 7. 等待发送寄存器为空，清空初始状态 */while( USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET );/* 8. 清除接收中断挂起位，避免初始中断误触发 */USART_ClearITPendingBit(USART1, USART_IT_RXNE);/* 9. 使能USART1外设 */USART_Cmd(USART1, ENABLE);
}/*** @brief  PA5引脚及ADC1初始化（电位器采集通道配置）* @param  None* @retval None* @note   PA5配置为模拟输入，ADC1独立模式，12位分辨率，连续转换模式*/
void PA5_Config(void)
{ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure;       // ADC配置结构体ADC_CommonInitTypeDef ADC_CommonInitStructure; // ADC公共配置结构体GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;     // GPIO配置结构体/* 1. 使能时钟（GPIOA、ADC1） */RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA, ENABLE); // GPIOA时钟RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1, ENABLE);  // ADC1时钟（APB2总线）/* 2. 配置PA5为模拟输入 */GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5;              // 引脚：PA5GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AN;           // 模式：模拟输入GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL;       // 无上下拉（模拟输入默认配置）GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);                 // 初始化GPIOA/* 3. 配置ADC公共参数（多ADC共用，此处仅用ADC1，独立模式） */ADC_CommonInitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent; // 模式：独立模式（单ADC工作）ADC_CommonInitStructure.ADC_Prescaler = ADC_Prescaler_Div4; // 预分频：4分频（84MHz/4=21MHz）ADC_CommonInitStructure.ADC_DMAAccessMode = ADC_DMAAccessMode_Disabled; // 禁用DMAADC_CommonInitStructure.ADC_TwoSamplingDelay = ADC_TwoSamplingDelay_5Cycles; // 两次采样间隔5个时钟周期ADC_CommonInit(&ADC_CommonInitStructure);               // 初始化ADC公共配置/* 4. 配置ADC1核心参数 */ADC_InitStructure.ADC_Resolution = ADC_Resolution_12b;  // 分辨率：12位（0~4095）ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE;           // 禁用扫描模式（单通道采集）ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = ENABLE;      // 使能连续转换模式（一次触发持续转换）ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConvEdge = ADC_ExternalTrigConvEdge_None; // 禁用外部触发（软件触发）ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_T1_CC1; // 外部触发源（禁用时无影响，保留默认）ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;  // 数据对齐：右对齐（高位补0，便于计算）ADC_InitStructure.ADC_NbrOfConversion = 1;              // 转换通道数量：1个（仅PA5对应通道5）ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure);                     // 初始化ADC1/* 5. 配置ADC1规则通道（通道5，优先级1，采样时间3个时钟周期） */ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_5, 1, ADC_SampleTime_3Cycles);// 参数说明：ADCx=ADC1，Channel=ADC_Channel_5（PA5对应通道），Rank=1（转换优先级1），SampleTime=3Cycles（采样时间）/* 6. 使能ADC1外设 */ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);/* 7. 软件触发ADC1规则转换（连续模式下一次触发即可持续转换） */ADC_SoftwareStartConv(ADC1);
}/*** @brief  USART1中断服务函数（接收中断处理）* @param  None* @retval None* @note   接收到数据后原样回发，用于测试串口通信*/
void USART1_IRQHandler(void)
{uint8_t data = 0;/* 判断是否为USART1接收中断（RXNE位置1） */if (USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) == SET){data = (uint8_t)USART_ReceiveData(USART1); // 读取接收数据（8位）USART_SendData(USART1, data);              // 回发接收的数据}
}/*** @brief  主函数（程序入口）* @param  None* @retval None* @note   初始化外设后，循环采集ADC数据，通过串口输出*/
int main(void)
{/* 1. NVIC优先级分组（分组4：抢占优先级4位，子优先级0位，范围0~15） */NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_4);/* 2. 硬件初始化（串口115200波特率，PA5及ADC1） */PC_Config(115200);PA5_Config();/* 无限循环，持续采集并输出数据 */while (1){/* 等待ADC转换结束（EOC位置1，标识一次转换完成） */while( ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_EOC) == RESET );/* 读取ADC转换结果（12位数据，范围0~4095） */adc_val = ADC_GetConversionValue(ADC1);/* 串口输出ADC值，格式：adc val = XXXX */printf("adc val = %d\r\n", adc_val);delay_ms(500); // 延时500ms，控制输出频率}
}

代码关键说明

模拟输入引脚配置：必须设为GPIO_Mode_AN（模拟输入），且无上下拉，避免影响模拟信号采集。
ADC时钟：预分频系数需确保ADCCLK≤36MHz，本案例APB2时钟84MHz，分频4后为21MHz，符合要求。
连续转换模式：开启后ADC一次触发持续转换，无需重复软件触发，适合连续采集场景，节省CPU资源。
数据计算：12位ADC采集值（0~4095）转换为实际电压公式：V=adc_val×3.3V/4095。

案例2：PS2摇杆模块ADC采集（DMA模式）

硬件：PS2双轴摇杆模块（X轴接PA6/ADC1_IN6，Y轴接PA4/ADC1_IN4，Z轴为按键），使用DMA传输ADC数据，减少CPU占用。

代码

/* Includes ------------------------------------------------------------------*/
#include "stm32f4xx.h"
#include <string.h>
#include <stdio.h>
#include <stdbool.h>/* 存储摇杆X、Y轴ADC值（全局变量，DMA直接写入） */
uint16_t pos[2] = {0}; // pos[0]=X轴值，pos[1]=Y轴值/*** @brief  PS2摇杆模块初始化（ADC1+DMA配置）* @param  None* @retval None* @note   ADC1扫描模式+连续转换，DMA循环传输，无需CPU干预数据读取*/
void PS2_Config(void)
{ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure;       // ADC配置结构体ADC_CommonInitTypeDef ADC_CommonInitStructure; // ADC公共配置结构体GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;     // GPIO配置结构体DMA_InitTypeDef DMA_InitStructure;       // DMA配置结构体/* 1. 使能时钟（GPIOA、GPIOB、ADC1、DMA2） */RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA | RCC_AHB1Periph_GPIOB, ENABLE);RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1, ENABLE);RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_DMA2, ENABLE); // DMA2时钟（AHB1总线）/* 2. 配置DMA2_Stream0（ADC1数据传输） */DMA_DeInit(DMA2_Stream0); // 复位DMA2_Stream0，清除默认配置DMA_InitStructure.DMA_Channel = DMA_Channel_0;     // 通道：DMA_Channel_0（ADC1对应通道）DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr = (uint32_t)&(ADC1->DR); // 外设地址：ADC1数据寄存器DRDMA_InitStructure.DMA_Memory0BaseAddr = (uint32_t)pos; // 内存地址：pos数组（存储X、Y轴数据）DMA_InitStructure.DMA_DIR = DMA_DIR_PeripheralToMemory; // 方向：外设到内存（ADC→RAM）DMA_InitStructure.DMA_BufferSize = 2;                // 缓冲区大小：2个数据（X、Y轴各1个）DMA_InitStructure.DMA_PeripheralInc = DMA_PeripheralInc_Disable; // 外设地址不递增（固定DR寄存器）DMA_InitStructure.DMA_MemoryInc = DMA_MemoryInc_Enable; // 内存地址递增（依次存pos[0]、pos[1]）DMA_InitStructure.DMA_PeripheralDataSize = DMA_PeripheralDataSize_HalfWord; // 外设数据宽度：半字（16位，ADC12位数据）DMA_InitStructure.DMA_MemoryDataSize = DMA_MemoryDataSize_HalfWord; // 内存数据宽度：半字（16位）DMA_InitStructure.DMA_Mode = DMA_Mode_Circular;      // 模式：循环模式（持续传输，覆盖旧数据）DMA_InitStructure.DMA_Priority = DMA_Priority_High;  // 优先级：高（避免数据丢失）DMA_InitStructure.DMA_FIFOMode = DMA_FIFOMode_Disable;   // 缓冲区 (FIFO)禁用FIFO模式（直接传输）DMA_InitStructure.DMA_FIFOThreshold = DMA_FIFOThreshold_HalfFull; // FIFO阈值（禁用FIFO时无影响）/********************************************************** DMA 突发传输配置说明（基于 RM0090 手册）* 1. 突发大小定义：MBURST/PBURST 配置的是"节拍数"而非字节数，1个节拍的字节数由 MSIZE/PSIZE 决定：*    - MSIZE/PSIZE=00(8位)：1节拍=1字节；01(16位)：1节拍=2字节；10(32位)：1节拍=4字节*    - 突发类型：00=单次传输 | 01=4节拍 | 10=8节拍 | 11=16节拍* 2. 核心约束：*    - 突发传输不可分割：AHB总线会锁定DMA授权，保证数据一致性*    - 仅指针递增模式（MINC/PINC=1）允许配置突发：若MINC=0则MBURST必须清00，PINC=0则PBURST必须清00*    - 地址对齐：突发块内所有传输需按数据宽度对齐（8位无要求，16位2字节对齐，32位4字节对齐）*    - 边界限制：突发传输不可跨越1KB地址边界，否则触发AHB错误且无寄存器上报*    - 直接模式（DMDIS=0）下强制为单次传输，MBURST/PBURST由硬件配置* 3. NDT（传输项数）限制：需满足PSIZE与MSIZE的倍数要求（8位→16位需2的倍数，8位→32位需4的倍数等）* 4. 本配置为单次传输（Single）：每个DMA请求仅触发1个节拍的传输，无突发********************************************************/DMA_InitStructure.DMA_MemoryBurst = DMA_MemoryBurst_Single; // 存储器端口：单次传输（1个节拍）DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBurst = DMA_PeripheralBurst_Single; // 外设端口：单次传输（1个节拍）DMA_Init(DMA2_Stream0, &DMA_InitStructure); // 初始化DMA2_Stream0DMA_Cmd(DMA2_Stream0, ENABLE); // 使能DMA2_Stream0/* 3. 配置GPIO（摇杆X、Y轴模拟输入，Z轴数字输入） */// X轴（PA6）、Y轴（PA4）：模拟输入GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_4 | GPIO_Pin_6;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AN;          // 模拟输入GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL;      // 无上下拉GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);// Z轴（PB7）：数字输入（按键）GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_7;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN;          // 输入模式GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP;          // 上拉（按键未按下时为高电平）GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);/* 4. 配置ADC公共参数 */ADC_CommonInitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent; // 独立模式ADC_CommonInitStructure.ADC_Prescaler = ADC_Prescaler_Div4; // 预分频4，ADCCLK=21MHzADC_CommonInitStructure.ADC_DMAAccessMode = ADC_DMAAccessMode_1; // DMA访问模式1（支持多通道传输）ADC_CommonInitStructure.ADC_TwoSamplingDelay = ADC_TwoSamplingDelay_5Cycles; // 两次采样间隔5周期ADC_CommonInit(&ADC_CommonInitStructure);/* 5. 配置ADC1参数（扫描+连续转换，适配双通道） */ADC_InitStructure.ADC_Resolution = ADC_Resolution_12b;  // 12位分辨率ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = ENABLE;            // 使能扫描模式（多通道采集）ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = ENABLE;      // 使能连续转换ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConvEdge = ADC_ExternalTrigConvEdge_None; // 禁用外部触发ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_T1_CC1; // 触发源（默认）ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;  // 右对齐ADC_InitStructure.ADC_NbrOfConversion = 2;              // 转换通道数：2个（X、Y轴）ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure);/* 6. 配置ADC1规则通道（X轴IN6优先级1，Y轴IN4优先级2） */ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_6, 1, ADC_SampleTime_3Cycles); // X轴：通道6，优先级1ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_4, 2, ADC_SampleTime_3Cycles); // Y轴：通道4，优先级2/* 7. 使能ADC DMA功能 */ADC_DMARequestAfterLastTransferCmd(ADC1, ENABLE); // 最后一次转换后触发DMA请求ADC_DMACmd(ADC1, ENABLE); // 使能ADC1 DMA功能/* 8. 使能ADC1并启动转换 */ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);ADC_SoftwareStartConv(ADC1); // 软件触发转换
}/*** @brief  主函数* @param  None* @retval None* @note   DMA自动传输ADC数据，主函数仅需读取pos数组并输出*/
int main(void)
{/* 1. NVIC优先级分组 */NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_4);/* 2. 硬件初始化（串口、PS2摇杆） */PC_Config(115200); // 串口初始化（115200波特率）PS2_Config();      // PS2摇杆及ADC+DMA初始化/* 无限循环，读取并输出摇杆数据 */while (1){/* 输出X、Y轴ADC值，DMA已自动更新pos数组 */printf("x=%d,y=%d\r\n", pos[0], pos[1]);delay_ms(500); // 延时500ms，控制输出频率}
}

DMA模式优势与关键配置

优势：ADC转换完成后，数据通过DMA直接传输到内存数组，无需CPU中断或轮询读取，降低CPU占用率，适合多通道、高频采集场景。

关键配置：

DMA通道：ADC1对应DMA2_Stream0，通道0；
传输模式：循环模式（DMA_Mode_Circular），持续覆盖旧数据，无需重复配置；
内存递增：开启（DMA_MemoryInc_Enable），依次存储多通道数据；
ADC扫描模式：开启（ADC_ScanConvMode = ENABLE），支持多通道循环采集。

ADC数据滤波算法

摇杆、光敏电阻等传感器采集的ADC数据易受干扰，需通过滤波算法平滑数据，常用算法如下：

滤波算法	原理	优点	缺点	适用场景
均值滤波	连续采集 N 次数据，取算术平均值	算法简单，计算量小，平滑噪声效果好	对快速变化信号响应滞后，动态特性差	缓慢变化信号（如温度、液位）
中值滤波	连续采集 N 次数据，取中间值	有效抑制脉冲干扰（如突发噪声）	对快速变化信号响应慢，数据量较小时效果差	含脉冲噪声的场景（如压力传感器）
加权平均滤波	对不同时刻采样值赋予不同权重后求平均	可调节响应速度，兼顾平滑与动态性	权重系数需经验调试，计算量略大	需平衡噪声抑制与响应速度的场景
滑动平均滤波	保留最近 N 个数据，新数据加入后剔除最早数据	实时性较好，内存占用固定	对周期性干扰抑制效果有限	实时性要求较高的动态系统
卡尔曼滤波	基于状态方程和观测模型的递归最优估计	动态性能优异，适用于非线性、多噪声场景	算法复杂，需建立精确数学模型	高精度动态系统（如运动控制、导航）
限幅滤波	设定阈值，仅保留与前次差值在阈值内的数据	快速剔除异常值，计算量极小	阈值设置依赖经验，无法处理连续异常	传感器偶尔跳变的场景（如光照传感器）

摇杆模块可以采用前后级实现（前级：死区+限幅滤波后级：滑动平均滤波）
死区指的是系统对信号的不进行响应的范围，需要对死区进行判断，防止误触，提高可靠性。

/* Includes ------------------------------------------------------------------*/
#include "stm32f4xx.h"
#include <string.h>
#include <stdio.h>
#include <stdbool.h>
#include <math.h>/* 常量定义 ------------------------------------------------------------------*/
#define ADC_RESOLUTION     4096     // 12位ADC分辨率
#define DEAD_ZONE_RANGE    100      // 死区范围 (±50)
#define MIDDLE_VALUE       2048     // ADC中间值
#define CLAMP_THRESHOLD    100      // 限幅阈值 (最大允许变化)
#define MOVING_AVG_SIZE    5        // 滑动平均窗口大小/* 存储原始和滤波后的摇杆数据 */
uint16_t pos[2] = {0};              // DMA写入的原始数据
uint16_t filtered_pos[2] = {0};     // 滤波后的数据/* 滑动平均滤波相关结构体 */
typedef struct {uint16_t buffer[MOVING_AVG_SIZE];  // 数据缓冲区uint8_t index;                     // 当前索引uint16_t sum;                      // 数据总和uint8_t count;                     // 有效数据计数
} MovingAverage_t;/* X轴和Y轴的滑动平均滤波器 */
MovingAverage_t avg_filter_x = {0};
MovingAverage_t avg_filter_y = {0};/* 前一次滤波后的值（用于限幅滤波） */
uint16_t last_filtered_x = MIDDLE_VALUE;
uint16_t last_filtered_y = MIDDLE_VALUE;/*** @brief  死区滤波* @param  raw_value: 原始ADC值* @param  center: 中心值* @param  dead_zone: 死区范围* @retval 死区滤波后的值*/
uint16_t DeadZone_Filter(uint16_t raw_value, uint16_t center, uint16_t dead_zone)
{if (abs((int)raw_value - (int)center) <= dead_zone / 2) {return center;  // 在死区内，返回中心值}return raw_value;   // 超出死区，返回原始值
}/*** @brief  限幅滤波* @param  current_value: 当前值* @param  last_value: 上一次的值* @param  threshold: 最大允许变化量* @retval 限幅滤波后的值*/
uint16_t Clamp_Filter(uint16_t current_value, uint16_t last_value, uint16_t threshold)
{int16_t diff = (int16_t)current_value - (int16_t)last_value;if (diff > threshold) {return last_value + threshold;  // 正向变化过大，限制增幅} else if (diff < -threshold) {return last_value - threshold;  // 负向变化过大，限制减幅}return current_value;  // 变化在允许范围内
}/*** @brief  初始化滑动平均滤波器* @param  filter: 滤波器结构体指针* @retval None*/
void MovingAverage_Init(MovingAverage_t* filter)
{memset(filter->buffer, 0, sizeof(filter->buffer));filter->index = 0;filter->sum = 0;filter->count = 0;
}/*** @brief  滑动平均滤波* @param  filter: 滤波器结构体指针* @param  new_value: 新采样值* @retval 滤波后的平均值*/
uint16_t MovingAverage_Filter(MovingAverage_t* filter, uint16_t new_value)
{/* 更新总和：减去最旧值，加上最新值 */if (filter->count >= MOVING_AVG_SIZE) {filter->sum -= filter->buffer[filter->index];} else {filter->count++;}/* 存储新值到缓冲区 */filter->buffer[filter->index] = new_value;filter->sum += new_value;/* 更新索引 */filter->index = (filter->index + 1) % MOVING_AVG_SIZE;/* 计算并返回平均值 */return filter->sum / filter->count;
}/*** @brief  两级滤波处理（死区+限幅 → 滑动平均）* @param  raw_x: 原始X轴值* @param  raw_y: 原始Y轴值* @retval None*/
void DualStage_Filter(uint16_t raw_x, uint16_t raw_y)
{static uint8_t filter_initialized = 0;/* 首次调用时初始化滤波器 */if (!filter_initialized) {MovingAverage_Init(&avg_filter_x);MovingAverage_Init(&avg_filter_y);filter_initialized = 1;}/* 前级滤波：死区滤波 + 限幅滤波 */uint16_t stage1_x = DeadZone_Filter(raw_x, MIDDLE_VALUE, DEAD_ZONE_RANGE);uint16_t stage1_y = DeadZone_Filter(raw_y, MIDDLE_VALUE, DEAD_ZONE_RANGE);stage1_x = Clamp_Filter(stage1_x, last_filtered_x, CLAMP_THRESHOLD);stage1_y = Clamp_Filter(stage1_y, last_filtered_y, CLAMP_THRESHOLD);/* 更新上一次的值（用于下一次限幅滤波） */last_filtered_x = stage1_x;last_filtered_y = stage1_y;/* 后级滤波：滑动平均滤波 */filtered_pos[0] = MovingAverage_Filter(&avg_filter_x, stage1_x);filtered_pos[1] = MovingAverage_Filter(&avg_filter_y, stage1_y);
}/*** @brief  PS2摇杆模块初始化（ADC1+DMA配置）* @param  None* @retval None*/
void PS2_Config(void)
{ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure;ADC_CommonInitTypeDef ADC_CommonInitStructure;GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;DMA_InitTypeDef DMA_InitStructure;/* 1. 使能时钟 */RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA | RCC_AHB1Periph_GPIOB, ENABLE);RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1, ENABLE);RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_DMA2, ENABLE);/* 2. 配置DMA2_Stream0 */DMA_DeInit(DMA2_Stream0);DMA_InitStructure.DMA_Channel = DMA_Channel_0;DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr = (uint32_t)&(ADC1->DR);DMA_InitStructure.DMA_Memory0BaseAddr = (uint32_t)pos;DMA_InitStructure.DMA_DIR = DMA_DIR_PeripheralToMemory;DMA_InitStructure.DMA_BufferSize = 2;DMA_InitStructure.DMA_PeripheralInc = DMA_PeripheralInc_Disable;DMA_InitStructure.DMA_MemoryInc = DMA_MemoryInc_Enable;DMA_InitStructure.DMA_PeripheralDataSize = DMA_PeripheralDataSize_HalfWord;DMA_InitStructure.DMA_MemoryDataSize = DMA_MemoryDataSize_HalfWord;DMA_InitStructure.DMA_Mode = DMA_Mode_Circular;DMA_InitStructure.DMA_Priority = DMA_Priority_High;DMA_InitStructure.DMA_FIFOMode = DMA_FIFOMode_Disable;DMA_InitStructure.DMA_FIFOThreshold = DMA_FIFOThreshold_HalfFull;DMA_InitStructure.DMA_MemoryBurst = DMA_MemoryBurst_Single;DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBurst = DMA_PeripheralBurst_Single;DMA_Init(DMA2_Stream0, &DMA_InitStructure);DMA_Cmd(DMA2_Stream0, ENABLE);/* 3. 配置GPIO */GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_4 | GPIO_Pin_6;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AN;GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL;GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_7;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN;GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP;GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);/* 4. 配置ADC公共参数 */ADC_CommonInitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;ADC_CommonInitStructure.ADC_Prescaler = ADC_Prescaler_Div4;ADC_CommonInitStructure.ADC_DMAAccessMode = ADC_DMAAccessMode_1;ADC_CommonInitStructure.ADC_TwoSamplingDelay = ADC_TwoSamplingDelay_5Cycles;ADC_CommonInit(&ADC_CommonInitStructure);/* 5. 配置ADC1参数 */ADC_InitStructure.ADC_Resolution = ADC_Resolution_12b;ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = ENABLE;ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = ENABLE;ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConvEdge = ADC_ExternalTrigConvEdge_None;ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_T1_CC1;ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;ADC_InitStructure.ADC_NbrOfConversion = 2;ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure);/* 6. 配置ADC1规则通道 */ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_6, 1, ADC_SampleTime_3Cycles);ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_4, 2, ADC_SampleTime_3Cycles);/* 7. 使能ADC DMA功能 */ADC_DMARequestAfterLastTransferCmd(ADC1, ENABLE);ADC_DMACmd(ADC1, ENABLE);/* 8. 使能ADC1并启动转换 */ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);ADC_SoftwareStartConv(ADC1);
}/*** @brief  主函数* @param  None* @retval None*/
int main(void)
{/* 1. NVIC优先级分组 */NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_4);/* 2. 硬件初始化 */PC_Config(115200); // 串口初始化（假设已实现）PS2_Config();      // PS2摇杆初始化printf("PS2 Joystick with Dual-Stage Filtering\r\n");printf("Dead Zone: ±%d, Clamp Threshold: %d, Moving Avg Size: %d\r\n", DEAD_ZONE_RANGE/2, CLAMP_THRESHOLD, MOVING_AVG_SIZE);/* 3. 主循环 */while (1){/* 应用两级滤波 */DualStage_Filter(pos[0], pos[1]);/* 输出原始和滤波后的数据（便于对比） */printf("Raw: x=%4d, y=%4d | Filtered: x=%4d, y=%4d\r\n", pos[0], pos[1], filtered_pos[0], filtered_pos[1]);delay_ms(10); // 减少延迟，提高采样率（可选）}
}