第二周：移动平均与连续 DMA（Day4–Day5）

info
与第一周的关系

第一周已经得到 centered_buf[]，证明 TIM、ADC、DMA、HT/TC 和块均值去直流能够工作。第二周不重新搭采样链路，而是继续回答两个问题：怎样让信号更平滑，以及怎样证明处理确实有效。

本周主线

第一周输出：centered_buf[]
        ↓
Day4：3 点移动平均 → filtered_buf[]
        ↓
Day5：Circular DMA 连续交付半块
        ↓
mean / Vpp / RMS → USART1 CSV

两天的分工：

Day4：先在一帧数据上看懂“邻域平均”
Day5：再把一帧实验改成连续流，并用指标量化

延续不变的采样条件

项目 Day4 Day5
MCU STM32F407ZG STM32F407ZG
采样触发 TIM2 TRGO TIM2 TRGO
采样率 10 kHz 10 kHz
ADC ADC1_IN0 / PA0，12 位 ADC1_IN0 / PA0，12 位
Buffer 256 点，分成两个 128 点半块 256 点，分成两个 128 点半块
DMA Normal Circular
处理链 去直流 → 3 点平均 去直流 → 3/9 点平均 → 统计 → CSV

每个 128 点半块覆盖：

$$ T_{half}=\frac{128}{10000}=12.8\,\text{ms} $$

这 12.8 ms 不只是时间换算。Day5 进入连续模式后，它也是 CPU 处理一个安全半块的大致时间预算。

第二周的 CubeMX 配置逻辑

第二周不应该重新点击一遍第一周所有选项。正确做法是复制上一天已验证的工程，只修改当天真正变化的部分：

Day3 工程
  ↓ 复制为 Day4
保持 TIM2 / ADC1 / DMA Normal 不变，只加入滤波代码
  ↓ 复制为 Day5
DMA 改 Circular，再加入 USART1 TX 和量化输出代码

这样做的逻辑是控制变量：Day4 出错时优先怀疑滤波代码，Day5 出错时优先检查 Circular DMA、处理速度或串口，而不是把所有外设重新排查一遍。

Day4：CubeMX 不需要新增滤波外设

移动平均是 CPU 对数组做运算，不是 STM32 的某个外设。因此 Day4 在 CubeMX 中应保持：

TIM2：PSC=15，ARR=99，TRGO=Update Event
ADC1：PA0 / Channel 0，TIM2 TRGO Rising Edge，12 bit
DMA2 Stream0 Channel0：Peripheral to Memory，Half Word
DMA Mode：Normal
DMA2 Stream0 global interrupt：Enabled

操作步骤：

  1. 复制已验证的 Day3 STM32F407 工程目录为 Day4。
  2. 打开 .ioc，逐项核对上表，不改变采样链路。
  3. 生成代码并先编译一次，确认复制后的基础工程仍正常。
  4. 在 USER CODE 区域增加 filtered_buf[]、滤波函数和统计字段。
  5. 再编译、下载和观察数组。

如果一开始就同时改采样率、DMA 模式和滤波算法，出现错误时无法判断是哪一层造成的。

Day5：把 DMA 从 Normal 改为 Circular

在 Day5 的 CubeMX 中：

  1. 打开 ADC1 → DMA Settings。
  2. 选中 ADC1 对应的 DMA 行。
  3. 把 Mode 从 Normal 改为 Circular。
  4. 保持下列项目不变：
Stream                = DMA2 Stream0
Channel               = Channel 0
Direction             = Peripheral to Memory
Peripheral Increment  = Disable
Memory Increment      = Enable
Peripheral Width      = Half Word
Memory Width          = Half Word
Priority              = Medium
FIFO                   = Disable

为什么只改 Mode？Normal 在 256 点后停止；Circular 在 TC 后把目标位置回到 adc_buf[0]，从而继续下一帧。地址方向、位宽和递增规则没有改变。

Day5：配置 USART1 只发送 CSV

  1. 在 Connectivity → USART1 中选择 Asynchronous。
  2. 在 Pinout 中确认 PA9 = USART1_TX。
  3. 本练习只发送数据，不接收命令；使用 TX 即可。
  4. 在 Parameter Settings 中设置：
Baud Rate       = 115200
Word Length     = 8 Bits
Parity          = None
Stop Bits       = 1
Hardware Flow Control = None
Mode            = Transmit
Oversampling    = 16
  1. 生成代码后确认初始化顺序中出现：
MX_DMA_Init();
MX_ADC1_Init();
MX_TIM2_Init();
MX_USART1_UART_Init();

USART1 只负责把已经算好的统计量送到电脑，它不参与采样触发。即使串口接线错误，ADC/DMA 仍可能正常；所以排错时要把“采样失败”和“看不到输出”分开。

当前 Day5 .ioc 与源码不一致

warning
重新生成前必须注意

当前 E:\embedded\TIM-ADC-DMA\Day5\Day3.ioc 仍记录 DMA_NORMAL，也没有记录 USART1；但当前 main.c 与 stm32f4xx_hal_msp.c 已经手工实现 DMA_CIRCULAR、USART1 TX=PA9。也就是说，当前 .ioc 不能完整复现当前 Day5 源码。

如果直接用这个 .ioc 重新生成，CubeMX 可能覆盖现有配置。可靠做法是：

  1. 先备份或提交当前工程；
  2. 在 CubeMX 中按上面步骤补上 Circular DMA 和 USART1；
  3. 再生成代码；
  4. 对照生成后的初始化函数；
  5. 最后把算法代码保留在 USER CODE 区域。

生成后至少核对：

stm32f4xx_hal_msp.c
  hdma_adc1.Init.Mode = DMA_CIRCULAR
  PA9 Alternate Function = GPIO_AF7_USART1

main.c
  MX_USART1_UART_Init()
  BaudRate = 115200
  Mode = UART_MODE_TX

Day5 上电后的正确观察顺序

  1. 先不接串口，确认 half_dma_callbacks、full_dma_callbacks 持续增长。
  2. 确认 half_blocks_processed、full_blocks_processed 跟得上回调。
  3. 确认 dma_event_overruns == 0。
  4. 再接 USB-TTL，检查串口表头和数据行。
  5. 最后才比较 3 点、9 点窗口的 RMS。

顺序的逻辑是：

先证明连续采样
→ 再证明 CPU 能及时处理
→ 再证明串口能输出
→ 最后讨论滤波效果

第二周常见问题怎么定位

现象 优先检查 原因判断
Day5 仍只处理一次 DMA Mode 是否真为 Circular 代码或 .ioc 仍可能是 Normal
回调增长但 processed 落后 阻塞串口、算法时间、断点 CPU 没在 12.8 ms 内消费半块
dma_event_overruns 增长 长断点、UART 超时、处理过慢 新事件到来时旧事件尚未处理
串口完全没有文字 PA9、共地、COM 口、115200 输出链路与 ADC 链路是两件事
只有乱码 波特率或串口格式 两端必须都是 115200、8-N-1
数组正常但滤波没区别 输入过于稳定或观察尺度不合适 常量经过平均仍是常量
半块边缘出现异常 滤波循环范围 可能访问了 i-1 或 i+1 的越界位置
重新生成后 Circular/USART 消失 .ioc 未同步 手工源码与 CubeMX 配置不一致

Day4：第一次做邻域滤波

工程：E:\embedded\TIM-ADC-DMA\Day4

Day4 从 STM32F407 版 Day3 复制而来，保留原来的 TIM2、ADC1、DMA 和去直流，只增加第三个 Buffer：

uint16_t adc_buf[256];
int16_t  centered_buf[256];
int16_t  filtered_buf[256];

数据关系是：

adc_buf[]
  ↓ 块均值去直流
centered_buf[]
  ↓ 3 点移动平均
filtered_buf[]

3 点移动平均

对内部样点：

$$ y[i]=\frac{x[i-1]+x[i]+x[i+1]}{3} $$

实际代码使用 int32_t 保存中间和：

int32_t neighbor_sum = (int32_t)centered_dst[i - 1U]
                     + (int32_t)centered_dst[i]
                     + (int32_t)centered_dst[i + 1U];
filtered_dst[i] = (int16_t)(neighbor_sum / 3);

移动平均的直观作用是让三个相邻样点共同决定当前输出：

  • 单点快速抖动更容易被摊薄；
  • 输出通常比原始零中心数据平滑；
  • 窗口也会把真实的快速变化和边沿变钝。

因此“更平滑”不是没有代价，平滑程度和动态响应必须一起看。

半块边界怎么处理

Day4 对两个 128 点半块分别处理，首尾样点没有完整的左右邻居。当前代码采用复制边界：

filtered_dst[0] = centered_dst[0];
filtered_dst[length - 1U] = centered_dst[length - 1U];

只对 1..126 做 3 点平均。这样不会访问半块外数据，也不会在 HT 时误读仍被 DMA 写入的后半块。

代价是两个半块的交界处没有跨块连续滤波：

前半块：0 ........ 127
后半块：128 ...... 255
         ↑ 各自处理，边界不互借样点

这是简单、安全的第一版边界策略。以后追求严格连续滤波时，再保存前一块尾部状态或使用流式 FIR。

Day4 统计量

BlockStats 同时保存去直流和滤波后的结果：

raw_mean
centered_mean / centered_min / centered_max / centered_peak_to_peak
filtered_mean / filtered_min / filtered_max / filtered_peak_to_peak

峰峰值为：

$$ V_{pp}=x_{max}-x_{min} $$

它能快速反映摆幅范围，但可能被单个异常点主导。因此不能把“滤波后 Vpp 每一块都必须下降”当成验收标准。

Day4 仍然是单帧实验

hdma_adc1.Init.Mode = DMA_NORMAL;

Day4 的 HT 处理前 128 点，TC 处理后 128 点；采满 256 点后 DMA 停止。它先让滤波算法和数组边界变得可观察，不负责长期连续采样。

Day5：从单帧处理变成连续数据流

工程：E:\embedded\TIM-ADC-DMA\Day5

Day5 最关键的系统变化不是多算了一个指标，而是：

hdma_adc1.Init.Mode = DMA_CIRCULAR;

此时 256 点 Buffer 会循环写入：

DMA 写 0..127
  → HT：低半块安全，DMA 转去写高半块
DMA 写 128..255
  → TC：高半块安全，DMA 回到低半块

CPU 必须在 DMA 再次覆盖同一半块前完成处理。于是 HT/TC 从“单帧内的两个通知”变成持续交替的数据交付节拍。

回调只置标志并统计事件

void HAL_ADC_ConvHalfCpltCallback(ADC_HandleTypeDef *hadc)
{
    if (hadc->Instance == ADC1) {
        half_dma_callbacks++;
        if (half_dma_callbacks > (half_blocks_processed + 1U)) {
            dma_event_overruns++;
        }
        adc_half_done = 1U;
    }
}

TC 回调对高半块做同样的事。dma_event_overruns 用来发现回调数量已经明显领先于处理数量，即主循环可能没有及时消费半块。

warning
布尔标志的边界

当前 adc_half_done / adc_done 只是布尔标志。如果 CPU 连续错过两个同类事件，多个事件可能合并成一次 true。dma_event_overruns 能提示风险，但更严格的长期系统应使用事件计数、队列、多缓冲或 RTOS 同步机制。

Day5：通用移动平均窗口

Day5 把固定 3 点写法推广为可配置奇数窗口：

#define FILTER_WINDOW  3U
#define FILTER_RADIUS  ((FILTER_WINDOW - 1U) / 2U)

核心循环：

for (uint16_t i = FILTER_RADIUS;
     i < (length - FILTER_RADIUS);
     ++i) {
    int32_t window_sum = 0;
    for (uint16_t k = 0U; k < FILTER_WINDOW; ++k) {
        window_sum += centered_dst[i + k - FILTER_RADIUS];
    }
    filtered_dst[i] =
        (int16_t)(window_sum / (int32_t)FILTER_WINDOW);
}

窗口必须是奇数，才能以当前样点为中心对称取邻域。边界处仍然复制输入值，不访问半块之外。

3 点与 9 点怎么比较

3 点：平滑较弱，响应较快
9 点：平滑通常更强，响应更慢，边沿更钝

对比时必须保持相同输入、采样率和块长度。否则 RMS 或 Vpp 的变化不能只归因于窗口大小。

为什么还要增加 RMS

Vpp 只看一块中的最大值和最小值：

$$ V_{pp}=x_{max}-x_{min} $$

如果只有一个尖峰，Vpp 就可能明显变大。RMS 使用全部样点，更适合观察一块数据的整体波动：

$$ x_{rms}=\sqrt{\frac{1}{N}\sum_{i=0}^{N-1}(x_i-\bar{x})^2} $$

Day5 会分别减去 centered_mean 和 filtered_mean 后再平方，因此这里的 RMS 关注交流/噪声变化，而不是直流偏移。

数值范围

平方和使用 int64_t：

int64_t centered_square_sum = 0;
int64_t filtered_square_sum = 0;

随后使用整数平方根，输出 0.1 ADC count 精度：

centered_rms_x10 = 123  →  12.3 counts

这样既避免平方累加溢出，也不依赖串口浮点格式化。

UART CSV 输出

Day5 使用 USART1 TX：

PA9 / USART1_TX
115200 baud
8 data bits, no parity, 1 stop bit
无硬件流控

输出表头：

seq,half,raw_mean,centered_mean,filtered_mean,centered_vpp,filtered_vpp,centered_rms,filtered_rms
  • seq：输出序号；
  • half=0：HT 交付的低半块；
  • half=1：TC 交付的高半块；
  • raw_mean：输入直流中心；
  • centered_mean / filtered_mean：处理后均值；
  • 两组 Vpp：观察范围；
  • 两组 RMS：比较整体波动强度。

串口发送当前使用阻塞式 HAL_UART_Transmit()。调试时不要长期停在断点上，否则 DMA 仍在运行而 CPU 停止消费，dma_event_overruns 会增加。

接线

STM32 PA9 / TX → USB-TTL RX
STM32 GND      → USB-TTL GND
电平           → 3.3 V TTL

不要把 RS-232 电平直接接入 MCU。设备管理器中出现 COM 口，也不代表该串口已经物理连接到 PA9；仍需根据开发板原理图确认。

第二周验收清单

Day4：算法正确性

adc_error_code == 0
HT / TC 均完成一次
half_blocks_processed / full_blocks_processed 均增加
centered_mean 接近 0
filtered_mean 接近 0
filtered_buf[] 比 centered_buf[] 更平滑
边界没有越界访问

Day5：连续性与定量结果

adc_start_status == HAL_OK
tim2_start_status == HAL_OK
uart_tx_status == HAL_OK
half_dma_callbacks / full_dma_callbacks 持续增长
half_blocks_processed / full_blocks_processed 持续增长
dma_event_overruns 保持 0
串口 CSV 连续输出
稳定输入下 filtered_rms 通常低于 centered_rms

不要要求每一块的 filtered_vpp 都下降；Vpp 对单个异常点敏感。应在相同输入下结合多行 RMS、Vpp 和均值一起判断。

当前已验证到哪里

本地构建日志显示：

Day4：0 Error(s), 0 Warning(s)
Day5：0 Error(s), 0 Warning(s)
Day5 的 9 点窗口对比版本：0 Error(s), 0 Warning(s)

这证明工程能够编译链接，也证明 FILTER_WINDOW=9 的代码路径能通过构建；它还不能替代板上验收。以下内容仍需实物验证：

  • USART1 PA9 的实际接线与 CSV 输出；
  • Circular DMA 长时间运行时是否丢块；
  • dma_event_overruns 是否始终为 0；
  • 相同输入下 3 点、9 点窗口的 RMS 与动态响应差异。

第二周复盘

天数 核心问题 新增理解
Day4 如何把零中心 ADC 数据变得更平滑？ 3 点移动平均、半块边界、filtered Buffer、滤波前后 mean/Vpp
Day5 如何连续处理并证明滤波有效？ Circular DMA、处理时限、3/9 点窗口、RMS、UART CSV、overrun 监测

本周主线可以压缩成：

ADC 原始数据
→ 块均值去直流
→ centered_buf[]
→ 奇数窗口移动平均
→ filtered_buf[]
→ mean / Vpp / RMS
→ UART CSV 连续观察

第一周解决“数据能不能正确到达并变成有符号信号”，第二周解决“处理结果是否更平滑、能否连续运行、如何定量证明”。