ADC 与传感器驱动

本文性质声明：本机无开发板，全部内容未实测，为手册级框架。站内对照：dbg-data-layout（数据布局与缓存的本机实测）、emb-bus（DMA 环形缓冲）、emb-gpio-timer（定时器与 DMA 联动）。

一、ADC 的三个约束：采样率、分辨率、参考电压

ADC 的本质是”用 Vref 量输入”，三个参数互相锁死：

分辨率（8/10/12/16 位）：数字量的满量程 = Vref。“12 位 ADC”的输出 4095 只意味着”输入 ≈ Vref”，不是”4.095V”——Vref 用 3.3V 还是内部 1.2V 基准，同一物理量读出的数差一倍。内部基准省事但精度差（温漂），精密测量用外部基准。
采样率：每秒多少次转换。约束来自源阻抗和采样保持电容（源阻抗大，电容充电慢，读数偏低——手册会给”最大源阻抗”）和每次转换的时钟周期。
噪声与有效分辨率：标称 12 位不等于 12 位可用——电源纹波、参考漂移、数字噪声让最低几位乱跳。判断标准是”多次采样同一稳定输入的抖动幅度”，不是数据手册的位数。

工程换算（最常用的一条）：物理值 = 读数 × Vref / 2^N，再减去零点误差、乘增益系数——这两个系数来自校准（短接时的读数、标准源时的读数），出厂校一次写进 Flash。不校准的 ADC 通道之间能差 5%。

软件轮询采样在高采样率下把 CPU 拖死；中断 + DMA 是标准解：

uint16_t adc_buf[256];
HAL_ADC_Start_DMA(&hadc, (uint32_t*)adc_buf, 256);   // DMA 循环填满 256 个半字
// 半传输/全传输中断里置标志，主循环按标志取"新的一半"处理

双缓冲（半中断）模式：DMA 填前一半时主循环处理后一半，反之亦然——零丢失 + 处理时间与采集重叠。这是 emb-bus 的 DMA 环形在 ADC 上的应用。

滤波四件套按复杂度排序：

算术平均：N 次求和除 N——简单，但毛刺被平均进去而不是剔除。
滑动平均（FIR）：保留最近 N 个值滚动平均——延迟 = N/2 个采样周期，实现是环形缓冲 + 累加减。
中值滤波：取窗口内中位数——剔除脉冲毛刺的首选（ADC 偶发尖刺、传感器偶发野值），代价是排序开销。
一阶低通（IIR）：y = y + α(x - y)，α = 采样周期/(时间常数+周期)——一个乘法一个加法， smoothest 的信噪比/复杂度比，嵌入式滤波的默认选择。

别在中断里做重滤波：滤波放主循环/任务，中断只负责”把数据 DMA 走”——本站 dbg-log 量过”级别短路放在格式化前后差 900 倍”，同族思想：中断里越轻越好。

数字传感器（I2C/SPI 接口）的驱动不是”读个数”，是三段状态机：

上电 → [等稳定期 t_startup] → 软复位/自检 → 读 WHO_AM_I/ID 校验
     → 写配置（量程/速率/滤波器）→ 回读校验 → [等首次转换 t_conv]
     → 稳态量测循环（读-换算-滤波-发布）

四段各自的坑：

上电稳定期：手册给的是最小值，实际板子上电和传感器上电有时序差——没等够就通信，表现是 ID 偶发读错。
ID 校验：读芯片标识寄存器比对——不校验的驱动在传感器型号变更/通信故障时静默返回垃圾。校验失败要能上报（状态机进 fault，不是继续读数）。
配置回读：写进去的配置寄存器读回来比对——SPI/I2C 的位错、拉伸期的时钟毛刺在这一步现形。
转换等待：连续转换模式读结果寄存器的节奏要和 t_conv 匹配——读太快要嘛拿到旧值要嘛触发时钟拉伸（I2C）。

量测循环的节拍用定时器驱动（emb-gpio-timer 的时基），任务式结构：定时器置”该采样了”标志 → 任务里读 + 滤波 + 发布。发布 = 更新一个带时间戳的结构体 + 置版本号，消费者无锁读快照（conc-patterns 的 COW 快照思想）。

层	做法	优点	代价
寄存器直写	`GPIOA->ODR = ...`	无隐藏、最快、最好调	换芯片 = 重写
厂商 HAL（STM32 HAL 等）	`HAL_ADC_Start_DMA(...)`	换芯片改动小、外设初始化省事	黑盒、开销、版本坑（HAL 的 bug 和 API 变迁是日常）
自建薄 HAL	自己包一层 `adc_read_channel()` 底下 HAL 或寄存器	业务代码不碰硬件	要维护

实践的混合：启动/时钟/中断向量这些”一锤子”代码用厂商库省事；数据通路（ADC 批量读、SPI 高频传输）用寄存器+DMA 自己写——热点路径的每一微秒都值钱，冷路径的可移植性值钱。业务代码只依赖自己那层：换 MCU 时重写的是薄 HAL 的底部，不是全部。

症状	入口
ADC 读数偏低且随源阻抗变	采样时间不够（第一节）；加大采样周期或加运放缓冲
最低几位乱跳	有效分辨率问题（第一节）；参考源和地线的处理
DMA 采集丢数据	半中断处理太慢；缓冲区太小；DMA 与 CPU 访存冲突
传感器 ID 偶发读错	上电稳定期不够；I2C 拉伸没处理（emb-bus）
读数有规律毛刺	和 PWM/继电器同步 → 采样时机避开开关动作；中值滤波
换芯片移植痛苦	业务代码漏到了 HAL 层；检查依赖方向（engineering-arch 的依赖方向）