STM32 ADC DMA転送：高速・効率的なデータ取得の実現

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STM32 ADC DMA転送：高速・効率的なデータ取得の実現

組み込みシステムにおいて、アナログ信号をデジタルデータに変換するADC（Analog-to-Digital Converter）は非常に重要な役割を担っています。センサーからの情報や、アナログ制御に必要な信号をデジタル処理できるようにするためには、高速かつ効率的なデータ取得が不可欠です。STM32マイコンは、高性能なADCとDMA（Direct Memory Access）コントローラを内蔵しており、これらを組み合わせることで、CPUの負荷を最小限に抑えながら、高速かつ連続的なデータ取得を実現できます。

本稿では、STM32マイコンにおけるADC DMA転送の基本概念、設定方法、応用例、そしてトラブルシューティングまでを網羅的に解説します。高速・効率的なデータ取得を実現するための知識とノウハウを提供し、読者の皆様がSTM32マイコンを活用した組み込みシステムの開発を円滑に進められるよう支援することを目的としています。

1. はじめに：STM32 ADCとDMAの重要性

組み込みシステムにおけるデータ取得は、システムの性能と応答性に大きく影響します。例えば、高速な制御システムでは、センサーからのデータをリアルタイムに処理する必要がありますし、データロガーのようなアプリケーションでは、長期間にわたって大量のデータを保存する必要があります。

従来のCPUによるポーリング方式では、ADC変換完了ごとにCPUが割り込み処理を実行し、データを読み出す必要がありました。この方式では、CPUがADCの処理に専念しなければならず、他のタスクの実行を妨げてしまうという問題点があります。特に、高速なデータ取得が必要な場合や、CPUの負荷が高い場合には、システム全体の性能が著しく低下する可能性があります。

STM32マイコンのADCとDMAコントローラを組み合わせることで、これらの問題を解決することができます。DMAコントローラは、CPUを介さずに、ADCのデータレジスタからメモリへ直接データを転送することができます。これにより、CPUは他のタスクに専念することができ、システム全体の性能を向上させることができます。

2. STM32 ADCの基本

STM32マイコンは、多様な性能と機能を備えたADCを内蔵しています。主な特徴として、以下が挙げられます。

  • 高分解能: 12ビットの分解能を持つADCが一般的ですが、一部のSTM32マイコンでは、16ビットの分解能を持つADCも搭載されています。
  • 高速変換: 変換速度は、サンプルレートとして表され、最大数MHzまで対応可能な機種も存在します。
  • 複数の入力チャンネル: 複数のアナログ信号を同時に測定するために、複数の入力チャンネルを備えています。
  • 様々なトリガーモード: ソフトウェアトリガー、ハードウェアトリガー（タイマーなど）など、様々なトリガーモードに対応しており、柔軟なデータ取得が可能です。
  • 様々な動作モード: シングル変換モード、連続変換モード、スキャンモードなど、様々な動作モードに対応しており、アプリケーションに合わせて最適なモードを選択できます。
  • 豊富な設定オプション: サンプル時間、オフセット補正、校正機能など、様々な設定オプションがあり、精度を向上させることができます。

2.1 ADCの動作モード

STM32 ADCには、主に以下の3つの動作モードがあります。

  • シングル変換モード: 1回のトリガーで1回の変換を行います。
  • 連続変換モード: トリガーがかかるたびに連続して変換を行います。
  • スキャンモード: 複数の入力チャンネルを順番に変換します。

2.2 ADCのトリガーモード

ADCの変換を開始するトリガーには、ソフトウェアトリガーとハードウェアトリガーがあります。

  • ソフトウェアトリガー: ソフトウェアからレジスタを操作することで変換を開始します。
  • ハードウェアトリガー: タイマーの出力や外部ピンからの信号など、ハードウェアイベントによって変換を開始します。

2.3 ADCの分解能とサンプル時間

ADCの分解能は、アナログ信号をデジタル値に変換する際の精度を表します。分解能が高いほど、より細かいレベルでアナログ信号をデジタル化できます。

サンプル時間は、ADCがアナログ信号をサンプリングする時間です。サンプル時間が長いほど、ノイズの影響を受けにくくなりますが、変換速度が遅くなります。逆に、サンプル時間が短いほど、変換速度は速くなりますが、ノイズの影響を受けやすくなります。

3. STM32 DMAの基本

DMAコントローラは、CPUを介さずに、メモリと周辺機器の間でデータを転送するためのハードウェアです。DMAコントローラを使用することで、CPUは他のタスクに専念することができ、システム全体の性能を向上させることができます。

3.1 DMAの動作原理

DMAコントローラは、CPUの指示に基づいて、メモリと周辺機器の間でデータの転送を行います。転送が完了すると、DMAコントローラはCPUに割り込みを通知します。

DMA転送には、以下の主要な要素が含まれます。

  • ソースアドレス: 転送元のデータアドレス（通常はADCデータレジスタ）。
  • デスティネーションアドレス: 転送先のデータアドレス（通常はメモリ上のバッファ）。
  • 転送サイズ: 転送するデータ量。
  • 転送モード: シングル転送モード、連続転送モードなど。
  • 優先度: 複数のDMAリクエストがある場合の優先度。

3.2 DMAの転送モード

DMAコントローラには、主に以下の転送モードがあります。

  • シングル転送モード: 指定された転送サイズのデータを1回だけ転送します。
  • 連続転送モード: 指定された転送サイズのデータを連続して転送します。
  • 循環バッファモード: 指定されたバッファサイズにデータを繰り返し書き込みます。これは、連続的なデータ収集に非常に適しています。

3.3 DMAの優先度

複数のDMAリクエストが同時に発生した場合、DMAコントローラは優先度に基づいて転送を処理します。優先度の高いDMAリクエストが先に処理されます。

4. ADC DMA転送の設定方法

STM32マイコンでADC DMA転送を設定するには、以下の手順が必要です。

4.1 ADCの初期化

  1. クロックの設定: ADCに必要なクロックを有効にします。
  2. GPIOの設定: ADCの入力ピンをアナログ入力として設定します。
  3. ADCの設定: 分解能、サンプル時間、変換モード、トリガーモードなどを設定します。
  4. 割り込みの設定: 必要に応じて、ADCの割り込みを設定します。

4.2 DMAの初期化

  1. クロックの設定: DMAに必要なクロックを有効にします。
  2. DMAチャンネルの設定: DMAチャンネルを選択し、ソースアドレス、デスティネーションアドレス、転送サイズ、転送モードなどを設定します。
  3. 割り込みの設定: DMAの割り込みを設定します。

4.3 ADC DMA転送の開始

  1. DMAを有効にする: DMAコントローラを有効にします。
  2. ADC DMAリクエストを有効にする: ADCがDMAリクエストを発行するように設定します。
  3. ADC変換を開始する: ソフトウェアトリガーまたはハードウェアトリガーでADC変換を開始します。

4.4 サンプルコード（HALライブラリを使用）

以下は、STM32 HALライブラリを使用してADC DMA転送を設定するサンプルコードです。

“`c

include “stm32f4xx_hal.h”

// ADCハンドル
ADC_HandleTypeDef hadc1;

// DMAハンドル
DMA_HandleTypeDef hdma_adc1;

// データバッファ

define BUFFER_SIZE 1024

uint16_t adc_data[BUFFER_SIZE];

// ADC初期化関数
void MX_ADC1_Init(void)
{
ADC_ChannelConfTypeDef sConfig = {0};

hadc1.Instance = ADC1;
hadc1.Init.ClockPrescaler = ADC_CLOCK_SYNC_PCLK_DIV4;
hadc1.Init.Resolution = ADC_RESOLUTION_12B;
hadc1.Init.ScanConvMode = ENABLE; // スキャンモードを有効にする
hadc1.Init.ContinuousConvMode = ENABLE; // 連続変換モードを有効にする
hadc1.Init.DiscontinuousConvMode = DISABLE;
hadc1.Init.ExternalTrigConvEdge = ADC_EXTERNALTRIGCONVEDGE_NONE;
hadc1.Init.ExternalTrigConv = ADC_SOFTWARE_START;
hadc1.Init.DataAlign = ADC_DATAALIGN_RIGHT;
hadc1.Init.NbrOfConversion = 1; // スキャンするチャンネル数
hadc1.Init.DMAContinuousRequests = ENABLE; // DMA連続リクエストを有効にする
hadc1.Init.EOCSelection = ADC_EOC_SINGLE_CONV;
if (HAL_ADC_Init(&hadc1) != HAL_OK)
{
Error_Handler();
}

sConfig.Channel = ADC_CHANNEL_0; // ADCチャネルを設定
sConfig.Rank = 1;
sConfig.SamplingTime = ADC_SAMPLETIME_480CYCLES;
if (HAL_ADC_ConfigChannel(&hadc1, &sConfig) != HAL_OK)
{
Error_Handler();
}
}

// DMA初期化関数
void MX_DMA_Init(void)
{
/ DMA controller clock enable /
__HAL_RCC_DMA2_CLK_ENABLE();

/ DMA interrupt init /
/ DMA2_Stream0_IRQn interrupt configuration /
HAL_NVIC_SetPriority(DMA2_Stream0_IRQn, 0, 0);
HAL_NVIC_EnableIRQ(DMA2_Stream0_IRQn);
}

// ADC DMA初期化関数
void HAL_ADC_MspInit(ADC_HandleTypeDef* adcHandle)
{

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
if(adcHandle->Instance==ADC1)
{
/ Peripheral clock enable /
__HAL_RCC_ADC1_CLK_ENABLE();

__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
/*ADC1 GPIO Configuration
PA0 ——> ADC1_IN0
/
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_ANALOG;
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

/* ADC1 DMA Init */
hdma_adc1.Instance = DMA2_Stream0;
hdma_adc1.Init.Channel = DMA_CHANNEL_0;
hdma_adc1.Init.Direction = DMA_PERIPH_TO_MEMORY;
hdma_adc1.Init.PeriphInc = DMA_PINC_DISABLE;
hdma_adc1.Init.MemInc = DMA_MINC_ENABLE;
hdma_adc1.Init.PeriphDataAlignment = DMA_PDATAALIGN_HALFWORD;
hdma_adc1.Init.MemDataAlignment = DMA_MDATAALIGN_HALFWORD;
hdma_adc1.Init.Mode = DMA_CIRCULAR; // 循環バッファモード
hdma_adc1.Init.Priority = DMA_PRIORITY_LOW;
hdma_adc1.Init.FIFOMode = DMA_FIFOMODE_DISABLE;
if (HAL_DMA_Init(&hdma_adc1) != HAL_OK)
{
  Error_Handler();
}

__HAL_LINKDMA(adcHandle,DMA_Handle,hdma_adc1);

}
}

// ADC DMA転送開始関数
void start_adc_dma(void) {
HAL_ADC_Start_DMA(&hadc1, (uint32_t*)adc_data, BUFFER_SIZE);
}

// DMA割り込みハンドラ
void DMA2_Stream0_IRQHandler(void)
{
HAL_DMA_IRQHandler(&hdma_adc1);
}

// HAL_ADC_ConvCpltCallback関数 (DMA転送完了時に呼ばれる)
void HAL_ADC_ConvCpltCallback(ADC_HandleTypeDef* hadc)
{
// バッファがいっぱいになった場合の処理
// 例：データを処理する関数を呼び出す
process_data(adc_data, BUFFER_SIZE);
}

// エラーハンドラ
void Error_Handler(void)
{
// エラー処理
while(1);
}

// データ処理関数 (例)
void process_data(uint16_t *data, uint32_t size) {
// データを処理する
// 例：データをUARTで送信する、SDカードに保存する、など
for (uint32_t i = 0; i < size; i++) {
// データの処理を行う
// 例：
// printf(“ADC Data[%d]: %d\r\n”, i, data[i]);
}
}

int main(void)
{
HAL_Init();
SystemClock_Config();

MX_GPIO_Init();
MX_DMA_Init();
MX_ADC1_Init();

start_adc_dma();

while (1)
{
// メインループで他のタスクを実行
}
}
“`

このサンプルコードでは、ADC1をDMAモードで初期化し、DMA2のStream0を使用して、ADCのデータを adc_data バッファに転送しています。BUFFER_SIZE で定義されたサイズのバッファがいっぱいになると、HAL_ADC_ConvCpltCallback 関数が呼ばれ、バッファ内のデータを処理できます。 DMA_CIRCULARモードを使用しているため、データは連続的にバッファに書き込まれ、バッファがいっぱいになると最初から上書きされます。

5. ADC DMA転送の応用例

ADC DMA転送は、様々な組み込みシステムで活用できます。以下に、代表的な応用例をいくつか紹介します。

  • データロガー: センサーからのデータを長期間にわたって記録するために使用できます。DMAコントローラを使用することで、CPUはデータの記録処理に専念する必要がなくなり、他のタスクを実行することができます。
  • 高速制御システム: リアルタイムでセンサーからのデータを処理し、アクチュエータを制御するために使用できます。DMAコントローラを使用することで、高速なデータ取得と処理が可能になり、制御システムの応答性を向上させることができます。
  • オーディオ処理: マイクからのオーディオ信号をデジタルデータに変換し、処理するために使用できます。DMAコントローラを使用することで、連続的なオーディオデータの取得が可能になり、高品質なオーディオ処理を実現できます。
  • 画像処理: カメラからの画像データをデジタルデータに変換し、処理するために使用できます。DMAコントローラを使用することで、高速な画像データの取得が可能になり、リアルタイムな画像処理を実現できます。

6. ADC DMA転送のトラブルシューティング

ADC DMA転送を設定する際には、様々な問題が発生する可能性があります。以下に、よくある問題とその解決策をいくつか紹介します。

  • DMA転送が開始されない: クロックの設定、DMAチャンネルの設定、ADC DMAリクエストの設定などが正しく行われているか確認してください。
  • DMA転送が途中で停止する: DMAコントローラの割り込み処理が正しく設定されているか確認してください。
  • データが正しく転送されない: ソースアドレス、デスティネーションアドレス、転送サイズ、転送モードなどが正しく設定されているか確認してください。
  • ノイズが多い: サンプル時間の設定、配線、電源などを確認してください。

7. まとめ：ADC DMA転送による組み込みシステムの性能向上

STM32マイコンのADCとDMAコントローラを組み合わせることで、CPUの負荷を最小限に抑えながら、高速かつ連続的なデータ取得を実現できます。これは、データロガー、高速制御システム、オーディオ処理、画像処理など、様々な組み込みシステムにおいて、性能向上に大きく貢献します。

本稿では、STM32マイコンにおけるADC DMA転送の基本概念、設定方法、応用例、そしてトラブルシューティングについて解説しました。この知識を活用することで、読者の皆様がSTM32マイコンを用いた組み込みシステムの開発をより効率的に進められるようになることを願っています。

8. 付録：参考資料

  • STM32マイコンのリファレンスマニュアル
  • STM32 HALライブラリのドキュメント
  • STMicroelectronicsのウェブサイト (www.st.com)
  • STM32コミュニティフォーラム

9. さらなる学習

  • CMSIS-DSPライブラリ: 取得したデータを高速フーリエ変換（FFT）などで処理するために、CMSIS-DSPライブラリを活用できます。
  • FreeRTOS: リアルタイムOSであるFreeRTOSと組み合わせることで、ADC DMA転送をバックグラウンドタスクとして実行し、他のタスクと並行して処理することができます。
  • STM32CubeMX: STMicroelectronicsが提供するGUIベースの設定ツールであるSTM32CubeMXを使用すると、ADCやDMAの設定を視覚的に行うことができ、初期設定を効率化できます。

10. 今後の展望

STM32マイコンの進化とともに、ADCとDMAの機能もさらに高度化していくことが予想されます。例えば、より高分解能なADCや、より高速なDMAコントローラ、さらにはAI技術を活用したノイズ除去機能などが搭載される可能性があります。これらの技術を活用することで、より高性能な組み込みシステムの開発が可能になるでしょう。

結論

STM32のADC DMA転送は、組み込みシステムの性能を向上させるための強力なツールです。本稿で解説した内容を参考に、ぜひADC DMA転送を積極的に活用し、より高度な組み込みシステム開発に挑戦してください。

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