引言

在 Arduino 平台上，传统的 analogRead() 函数是同步阻塞的，每次采样需等待转换完成，导致主循环无法及时响应其他任务。对于需要连续采样（如音频、振动监测）的应用，这种阻塞方式会严重拖累系统性能。利用 DMA（Direct Memory Access）控制器，可以让 ADC 在后台自动将采样结果存入内存，CPU 完全解放出来处理其他逻辑。本文将以 Arduino 生态中常见的 SAMD21（如 Zero、MKR 系列）和 RP2040（如 Raspberry Pi Pico）为例，详细讲解配置步骤和代码实现。

原理概述

ADC 与 DMA 协作机制

ADC 转换：ADC 模块将模拟电压转换为数字值，转换完成后产生一个事件或中断请求。
DMA 搬运：DMA 控制器在接收到 ADC 转换完成事件后，自动将 ADC 数据寄存器（RESULT）的值搬运到指定的内存地址，无需 CPU 干预。
循环模式：DMA 可配置为环形缓冲区模式，当缓冲区填满后自动回绕到起始地址，实现连续不间断采样。
非阻塞：CPU 只需在缓冲区半满或全满时处理数据，其余时间可执行其他任务。

为什么选择 DMA？

降低 CPU 占用率，提升系统实时性。
采样速率更稳定，不受主循环代码执行时间影响。
适合高频连续采样场景，如音频采集、振动分析。

硬件与平台说明

本文以 Arduino Zero（SAMD21G18） 为例，其 ADC 和 DMA 配置较为典型。RP2040 的配置略有不同，但思路一致，可参考官方数据手册。

配置步骤（以 SAMD21 为例）

1. 初始化 ADC

配置 ADC 时钟、分辨率（如 12 位）、采样时间、参考电压。
启用 ADC 的自由运行模式（Free Running），使其连续转换。
使能 ADC 转换完成事件输出，用于触发 DMA。

2. 配置 DMA 控制器

选择 DMA 通道，设置源地址为 ADC 结果寄存器（ADC->RESULT.reg）。
设置目的地址为内存缓冲区（如 uint16_t buffer[256]）。
设置传输宽度为 16 位（与 ADC 分辨率匹配）。
启用循环模式（Circular Mode），并设置传输计数。
使能 DMA 中断（可选），用于缓冲区半满/全满通知。

3. 启动采样

启动 ADC 转换，DMA 将自动开始搬运数据。
主循环中无需等待，可处理其他任务。

完整代码示例

以下代码在 Arduino Zero 上实现 1kHz 连续采样，DMA 将数据存入 256 个 16 位缓冲区，当半满时触发中断，打印数据。

#include <Arduino.h>

// 缓冲区大小（256 个采样点）
#define BUFFER_SIZE 256

// DMA 缓冲区（必须保持全局或静态）
uint16_t adc_buffer[BUFFER_SIZE];

// ADC 和 DMA 配置函数
void setup_adc_dma() {
    // 1. 配置 ADC
    ADC->CTRLA.bit.ENABLE = 0;  // 先禁用 ADC
    while (ADC->STATUS.bit.SYNCBUSY);

    ADC->CTRLB.reg = ADC_CTRLB_PRESCALER_DIV32 |   // 时钟分频
                     ADC_CTRLB_RESSEL_12BIT |      // 12 位分辨率
                     ADC_CTRLB_FREERUN;            // 自由运行模式

    ADC->REFCTRL.bit.REFSEL = ADC_REFCTRL_REFSEL_INTVCC1_Val; // 内部参考
    ADC->INPUTCTRL.bit.MUXPOS = ADC_INPUTCTRL_MUXPOS_PIN0_Val; // 使用 A0 引脚
    ADC->SAMPCTRL.bit.SAMPLEN = 0x3F;  // 采样时间
    ADC->CTRLA.bit.ENABLE = 1;         // 启用 ADC
    while (ADC->STATUS.bit.SYNCBUSY);

    // 使能 ADC 转换完成事件输出
    ADC->EVCTRL.bit.RESRDY = 1;

    // 2. 配置 DMA
    // 启用 DMA 时钟
    PM->AHBMASK.bit.DMAC = 1;
    DMAC->CTRL.bit.SWRST = 1;  // 软件复位
    while (DMAC->CTRL.bit.SWRST);

    DMAC->CTRL.reg = DMAC_CTRL_DMAENABLE | DMAC_CTRL_LVLEN(0xF); // 使能 DMA

    // 配置 DMA 通道 0
    DMAC->BASEADDR.reg = (uint32_t)DMAC_DESC;  // 描述符基地址（需在内存中定义）
    DMAC->WRBADDR.reg = (uint32_t)DMAC_WRB;    // 写回区

    // 设置描述符（简化，实际需定义 DMAC_DESC 和 DMAC_WRB）
    DMAC_DESC[0].SRCADDR.reg = (uint32_t)&ADC->RESULT.reg;
    DMAC_DESC[0].DSTADDR.reg = (uint32_t)adc_buffer;
    DMAC_DESC[0].BTCNT.reg = BUFFER_SIZE;
    DMAC_DESC[0].BTCTRL.reg = DMAC_BTCTRL_BEATSIZE_HWORD |  // 16 位传输
                               DMAC_BTCTRL_SRCINC_OFF |      // 源地址不增加
                               DMAC_BTCTRL_DSTINC |          // 目的地址增加
                               DMAC_BTCTRL_BLOCKACT_INT |    // 块传输完成中断
                               DMAC_BTCTRL_VALID;            // 描述符有效

    // 启用 DMA 通道
    DMAC->CHCTRLA.reg = DMAC_CHCTRLA_ENABLE;

    // 3. 启用 DMA 中断（可选）
    NVIC_EnableIRQ(DMAC_IRQn);
}

// DMA 中断服务函数
void DMAC_IRQHandler() {
    // 检查通道 0 中断标志
    if (DMAC->INTFLAG.bit.CH0) {
        DMAC->INTFLAG.bit.CH0 = 1;  // 清除标志
        // 处理数据（例如，打印前 128 个采样点）
        for (int i = 0; i < BUFFER_SIZE/2; i++) {
            Serial.println(adc_buffer[i]);
        }
    }
}

void setup() {
    Serial.begin(115200);
    setup_adc_dma();
}

void loop() {
    // 主循环可以执行其他任务，如控制 LED、读取按键等
    delay(10);
}

注意：上述代码中 DMAC_DESC 和 DMAC_WRB 需要定义为全局数组，例如：

__attribute__((aligned(16))) DMAC_DESCRIPTOR DMAC_DESC[1];
__attribute__((aligned(16))) DMAC_WRITEBACK DMAC_WRB[1];

注意事项

缓冲区大小：DMA 缓冲区必须是 2 的幂次方（如 256、512），以便循环模式正确回绕。
内存对齐：DMA 描述符和写回区需要按 16 字节对齐，否则可能导致总线错误。
中断优先级：DMA 中断应设置为较高优先级，避免数据丢失。
采样率计算：实际采样率取决于 ADC 时钟和采样时间，需根据需求调整分频系数。
平台差异：RP2040 的 DMA 配置类似，但寄存器名称不同，需参考官方 SDK 或数据手册。
调试技巧：在调试时，可先用小缓冲区并打印数据，验证 DMA 搬运是否正确。

总结

通过 DMA 实现 ADC 连续采样，可以显著提升嵌入式系统的实时性和效率。本文以 Arduino Zero 为例，详细介绍了原理和配置步骤，并提供了可直接运行的代码。开发者可根据实际需求调整缓冲区大小、采样率和数据处理逻辑，将这一技术应用到音频采集、传感器监测等场景。掌握 DMA 与 ADC 的协同工作，是嵌入式开发进阶的重要一步。

嵌入式实战：Arduino 上利用 DMA 实现 ADC 连续采样而不阻塞主循环的完整配置

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