用了兩年多STM32和GD32最煩的一件事就是ADC通道不夠用。尤其做些多路傳感器采集的小項(xiàng)目動(dòng)不動(dòng)就是八個(gè)十個(gè)采樣點(diǎn)MCU自帶ADC根本接不過來。加外置ADC芯片吧成本高還得寫IIC或者SPI驅(qū)動(dòng)換大封裝MCU吧成本也扛不住。后來在項(xiàng)目里用CD74HC4067做通道擴(kuò)展一塊幾毛錢的芯片就能把16路模擬信號(hào)并到同一路ADC上折騰完發(fā)現(xiàn)整套方案非常穩(wěn)。這期調(diào)試筆記就把完整的接線、驅(qū)動(dòng)邏輯、還有我在實(shí)測(cè)里踩過的兩個(gè)大坑一并寫清楚。1. 為什么選CD74HC4067做ADC擴(kuò)展1.1 項(xiàng)目里的實(shí)際需求我手頭這個(gè)項(xiàng)目是一臺(tái)小型環(huán)境監(jiān)測(cè)裝置一個(gè)板上就需要同時(shí)采集8路溫度NTC熱敏電阻分壓、4路0-3.3V的模擬電壓信號(hào)、2路光敏電阻信號(hào)再加上電池電壓監(jiān)測(cè)一共超過了15路模擬量。用的主控MCU是STM32F103C8T6它只有10個(gè)ADC輸入通道典型應(yīng)用下還得留幾個(gè)做別的功能怎么排都排不滿足需求。當(dāng)時(shí)有兩條路可走一是換成STM32F103ZET6這種大封裝芯片ADC通道倒是多了但整個(gè)PCB板子都要重新設(shè)計(jì)成本直接翻倍二是加一顆ADS1115這類16位外置ADCIIC接口讀起來倒是簡(jiǎn)單但一顆芯片都要七八塊錢多路同步采集還得忙等轉(zhuǎn)換結(jié)果實(shí)際體驗(yàn)并不好。最后選定了CD74HC4067這種模擬多路復(fù)用器來做擴(kuò)展核心思路就是“用數(shù)字引腳換模擬通道”MCU只需要給4067的4個(gè)通道選擇引腳S0-S3輸出不同的高低電平組合就能把16路輸入中任意一路接到唯一的公共端上再由MCU的單一ADC引腳完成采樣。一塊芯片不到兩塊錢能省出一個(gè)大工程量級(jí)的通道資源屬于性價(jià)比極高的方案。1.2 CD74HC4067和CD4051、ADG726怎么選很多人第一反應(yīng)是CD4051因?yàn)樗趯W(xué)校實(shí)驗(yàn)里特別常見。CD4051是8選1的模擬開關(guān)想擴(kuò)展成16路得用兩片級(jí)聯(lián)控制邏輯復(fù)雜還得用額外的引腳做片選。CD74HC4067是16選1單芯片方案4個(gè)引腳就能管16路布線省一半掃描邏輯也更直觀。有人會(huì)問為什么不用ADG726這類低導(dǎo)通電阻的芯片。ADG726的導(dǎo)通電阻確實(shí)低典型值4歐姆左右但價(jià)格是4067的十倍以上。CD74HC4067的導(dǎo)通電阻雖然高一些工作電壓3.3V下典型值70歐姆左右但接NTC分壓電路或者電壓信號(hào)源這類高阻抗信號(hào)完全夠用。只要信號(hào)源的輸出阻抗別太高建議低于10k歐姆ADC輸入的電壓誤差是可以算清楚并修正的。我的建議是實(shí)驗(yàn)室原型驗(yàn)證、小批量產(chǎn)品、采集速率要求不高的場(chǎng)景閉眼選CD74HC4067就行。需要用高速開關(guān)做同步解調(diào)或者信號(hào)帶寬要求超過幾十kHz的場(chǎng)合再按需升級(jí)成低導(dǎo)通電阻型號(hào)。2. 硬件接線與布線細(xì)節(jié)2.1 引腳功能梳理CD74HC4067引腳邏輯非常清晰一根電源腳、一根地線、一根使能腳、四個(gè)通道選擇腳、十六個(gè)輸入腳外加一個(gè)公共輸出腳。3.3V供電時(shí)芯片工作狀態(tài)完全穩(wěn)定。雖然數(shù)據(jù)手冊(cè)上寫著可以3V到16V寬電壓供電但我實(shí)測(cè)下來3.3V下導(dǎo)通電阻和切換速度都能接受直接和STM32共用一組電源最省事。關(guān)鍵引腳關(guān)系如下S0pin10、S1pin11、S2pin14、S3pin13通道選擇地址線組合出0x0-0xF共16個(gè)地址。COMMONpin1公共輸入/輸出端接MCU的ADC輸入引腳。Epin15使能端低電平有效必須接GND才能正常工作。VEEpin7負(fù)電源輸入處理單極性0-3.3V信號(hào)時(shí)直接接地即可。I0-I15pin2-5、pin9、pin12、pin6、pin7旁邊那一排16路模擬輸入通道。注意CD74HC4067的VEE是否接地是一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。理論上VEE可以接負(fù)電壓處理雙極性信號(hào)但單片機(jī)場(chǎng)景下用不到負(fù)壓VEE直接連GND即可。如果你把VEE懸空芯片會(huì)工作在異常狀態(tài)各個(gè)通道之間會(huì)出現(xiàn)明顯的串?dāng)_這是很多新手會(huì)上當(dāng)?shù)牡胤健?.2 布線時(shí)的三個(gè)習(xí)慣第一個(gè)習(xí)慣是模擬地和數(shù)字地單點(diǎn)相連。大批量采集板布線時(shí)ADC信號(hào)回路、分壓電阻網(wǎng)絡(luò)、通道開關(guān)的地線如果全部混在一起會(huì)導(dǎo)致同一個(gè)通道在不同時(shí)刻讀出來值都有跳動(dòng)。我在這個(gè)項(xiàng)目里把4067下方的區(qū)域劃為模擬地孤島分別接回主電源地平面實(shí)測(cè)采樣值穩(wěn)定性明顯提升。第二個(gè)習(xí)慣是公共端走線要短。CD74HC4067的COMMON端直接連著MCU的ADC引腳這段走線越短越好最好控制在2cm以內(nèi)。因?yàn)檫@段信號(hào)本身是高阻抗的走線一長(zhǎng)更容易耦合到板子上的開關(guān)噪聲和PWM輻射噪聲直接影響采樣精度。第三個(gè)習(xí)慣是未用通道必須做固定電平處理不能懸空。這個(gè)問題不只在PCB設(shè)計(jì)階段存在面包板搭電路同樣需要注意。16個(gè)通道不是每個(gè)都用那些懸空的輸入引腳在不同電壓條件下會(huì)表現(xiàn)出類似天線的作用強(qiáng)行耦合周圍電場(chǎng)通過開關(guān)漏電流滲入到正在采集的通道上。最穩(wěn)妥的辦法是把未用的通道直接接GND或者預(yù)留一個(gè)10k歐姆電阻的焊盤位置調(diào)試時(shí)可以很靈活地決定接GND還是接一個(gè)固定電平。3. 軟件驅(qū)動(dòng)與采樣邏輯實(shí)現(xiàn)3.1 通道切換的核心邏輯CD74HC4067并沒有任何復(fù)雜的通信協(xié)議本質(zhì)上就是給S0-S3輸出對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制地址選中哪一條輸入通道芯片就把這一路的信號(hào)“接通”到公共端上。ADC采集前先做地址切換等待一段時(shí)間保證信號(hào)穩(wěn)定再啟動(dòng)ADC采樣。寫代碼時(shí)我習(xí)慣用直接寄存器操作來控制這幾個(gè)引腳比HAL庫(kù)里一次一次的GPIO_WritePin更干脆。這里以STM32的HAL庫(kù)為例地址引腳總共占用PA0-PA3四個(gè)引腳// 選擇CD74HC4067通道ch 取值范圍 0~15 void Mux_SelectChannel(uint8_t ch) { ch 0x0F; HAL_GPIO_WritePin(MUX_S0_GPIO_Port, MUX_S0_Pin, (ch 0x01) ? GPIO_PIN_SET : GPIO_PIN_RESET); HAL_GPIO_WritePin(MUX_S1_GPIO_Port, MUX_S1_Pin, (ch 0x02) ? GPIO_PIN_SET : GPIO_PIN_RESET); HAL_GPIO_WritePin(MUX_S2_GPIO_Port, MUX_S2_Pin, (ch 0x04) ? GPIO_PIN_SET : GPIO_PIN_RESET); HAL_GPIO_WritePin(MUX_S3_GPIO_Port, MUX_S3_Pin, (ch 0x08) ? GPIO_PIN_SET : GPIO_PIN_RESET); }這塊代碼的邏輯非常直白把通道號(hào)0-15看成四位二進(jìn)制數(shù)每一位控制一個(gè)引腳的電平。實(shí)際運(yùn)行中MCU還需要等待一段引腳電平穩(wěn)定時(shí)間通常我給50到200微秒的延時(shí)然后才去讀ADC。延時(shí)本質(zhì)上是為了等電平轉(zhuǎn)換完成和模擬電壓建立穩(wěn)定CD74HC4067的切換速度非?？鞌?shù)據(jù)手冊(cè)典型值幾十納秒級(jí)別但這只是芯片內(nèi)部通道切換的時(shí)間后面連接的傳感器信號(hào)源和走線電容會(huì)讓電壓“緩一緩”才能穩(wěn)定。3.2 完整讀取16路電壓值通道選擇和ADC采樣協(xié)調(diào)工作主流程寫成一個(gè)封裝函數(shù)最順手uint16_t Mux_ReadChannel(uint8_t ch) { Mux_SelectChannel(ch); delay_us(100); // 等通道切換穩(wěn)定 HAL_ADC_Start(hadc1); HAL_ADC_PollForConversion(hadc1, 10); uint16_t val HAL_ADC_GetValue(hadc1); HAL_ADC_Stop(hadc1); return val; } // 依次讀取16路 void Mux_ScanAllChannels(uint16_t *buf, uint8_t len) { for (uint8_t i 0; i len; i) { buf[i] Mux_ReadChannel(i); } }好多人在這個(gè)函數(shù)里犯過一個(gè)錯(cuò)誤在for循環(huán)里不停重新初始化ADC導(dǎo)致程序卡死或者采樣速度極慢。ADC的轉(zhuǎn)換時(shí)鐘、采樣周期、通道配置在系統(tǒng)初始化時(shí)一次性配置好實(shí)際運(yùn)行中只需要調(diào)用ADC轉(zhuǎn)換和讀取結(jié)果的接口即可。上面那段代碼每次只做啟動(dòng)、等待、取值三個(gè)動(dòng)作不重復(fù)初始化。關(guān)于ADC參數(shù)配置有一點(diǎn)要特別注意ADC的采樣周期至少要設(shè)置到239.5個(gè)周期以上。多路開關(guān)導(dǎo)通會(huì)引入額外的RC充放電時(shí)間快速采樣周期如1.5-7.5個(gè)周期對(duì)低阻抗源才比較保險(xiǎn)而傳感器分壓網(wǎng)絡(luò)的等效阻抗通常都在幾千歐姆以上采樣太快會(huì)導(dǎo)致采樣電容充不滿采出來的值普遍偏小。我實(shí)測(cè)過用71.5周期時(shí)誤差在1%以內(nèi)用7.5周期時(shí)誤差最大能到5%因此直接選最慢的239.5周期保證電壓獲取準(zhǔn)確。4. 兩個(gè)差點(diǎn)讓人砸鍵盤的調(diào)試坑4.1 坑一切換通道后首采值殘留舊通道數(shù)據(jù)這個(gè)問題出現(xiàn)得非常隱蔽。一開始我寫循環(huán)掃描代碼每條通道要讀兩次才得到正確值而每次都只有第一次讀到的值是錯(cuò)的。本來懷疑是硬件接觸不良拿示波器去量公共端波形卻看到通道切換后波形已經(jīng)從舊值跳到了新值看起來完全正常。問題其實(shí)出在HAL_ADC_GetValue()調(diào)用之前。MCU有兩個(gè)ADC模塊我這里用的是ADC1的規(guī)則組。在多路復(fù)用器通道切換后立刻觸發(fā)ADC轉(zhuǎn)換一開始以為100us的延時(shí)足夠但實(shí)測(cè)在接通瞬間仍有較大毛刺。進(jìn)一步分析后發(fā)現(xiàn)問題根源有兩層第一層是4067內(nèi)部的開關(guān)結(jié)構(gòu)存在導(dǎo)通電阻和寄生電容相當(dāng)于一個(gè)低通濾波器。當(dāng)輸入信號(hào)變化時(shí)公共端電壓是按RC曲線趨于穩(wěn)定的。受信號(hào)源內(nèi)阻、走線寄生電容影響,實(shí)際穩(wěn)定時(shí)間遠(yuǎn)高于預(yù)期。第二層是ADC內(nèi)部的采樣保持電容同樣需要充電時(shí)間。MCU的ADC采樣原理是“采樣-保持-量化”,采樣階段時(shí)內(nèi)部電容要和外部信號(hào)源完成電荷交換。如果外部等效阻抗太高,一個(gè)很短得采樣周期根本不夠電容充滿,采到的電壓部分是上一通道的殘留電荷。知道了原因,處理辦法就很簡(jiǎn)單:通道切換后加一個(gè)可配置的延時(shí)(具體值取決于信號(hào)源阻抗,100us到1ms之間通常都能覆蓋絕大多數(shù)場(chǎng)景),同時(shí)在軟件上丟棄切換后的第一次采樣值,第二次讀取才算有效。代碼調(diào)整為:uint16_t Mux_ReadChannel(uint8_t ch) { Mux_SelectChannel(ch); delay_us(500); // 延長(zhǎng)穩(wěn)定時(shí)間 // 丟棄第一次采樣 (void)SingleAdcRead(); delay_us(10); // 正式采樣 return SingleAdcRead(); }實(shí)際用這個(gè)版本的函數(shù)16路通道的采集一致性肉眼可見地變好。不同通道之間的數(shù)值再也不會(huì)出現(xiàn)互相“串門”的情況。這個(gè)經(jīng)驗(yàn)本質(zhì)就是模擬系統(tǒng)中切換信號(hào)源后必須給RC回路留夠建立時(shí)間——單一參數(shù)延時(shí)把問題解決干凈了。4.2 坑二未用通道懸空導(dǎo)致的數(shù)據(jù)漂移第二個(gè)坑更隱蔽排查時(shí)花了一下午。我在焊接第一版測(cè)試板的時(shí)候只焊了6路通道對(duì)應(yīng)的分壓電阻網(wǎng)絡(luò)剩下10個(gè)通道的輸入引腳直接懸空。按道理說只要程序不選中那些懸空引腳它們就不應(yīng)該影響正常采集。但實(shí)測(cè)結(jié)果完全反直覺我采集0號(hào)通道時(shí)用手靠近1號(hào)通道對(duì)應(yīng)的引腳附近0號(hào)通道的采樣值立刻發(fā)生波動(dòng)。這就是典型的懸空引腳串?dāng)_。CD74HC4067本質(zhì)上是一排模擬開關(guān)所有輸入引腳和公共端之間都存在寄生電容。雖然未選通的開關(guān)處于關(guān)斷狀態(tài)但引腳上的感應(yīng)電荷還是可以通過寄生電容耦合到公共端特別是信號(hào)源阻抗高的時(shí)候這種耦合效應(yīng)會(huì)放大到肉眼可辨的數(shù)值漂移。解決起來倒是簡(jiǎn)單兩板斧第一把沒有接傳感器的通道輸入引腳全部接到GND讓它們固定在一個(gè)穩(wěn)定電平上芯片內(nèi)部寄生電容自然沒有波動(dòng)電荷可傳。第二如果有些通道確實(shí)需要懸浮待用比如后期要外接插頭記得在軟件層面對(duì)采樣值做限幅濾波比如兩次采樣差值超過50就取平均值剔除跳變數(shù)據(jù)。這第二個(gè)坑讓我意識(shí)到一個(gè)原則模擬通道擴(kuò)展芯片的“未用通道”必須先處理不能光在程序里不調(diào)用就完事。硬件上多花兩個(gè)接地焊盤的成本比軟件上追著飄數(shù)調(diào)半天要?jiǎng)澦愕枚唷?. 采樣穩(wěn)定性優(yōu)化與外部校準(zhǔn)5.1 軟件濾波組合拳硬件層面的坑填完之后通道擴(kuò)展方案基本就能正常工作了但原始ADC值依然有一定程度的噪聲波動(dòng)。這種波動(dòng)主要來自電源紋波、走線上的電磁干擾以及4067本身導(dǎo)通電阻的微小變化。解決手段一般有三種中值濾波連續(xù)采樣5次去掉最大值最小值求中間三個(gè)值的平均適合抑制偶發(fā)毛刺?；瑒?dòng)平均濾波維護(hù)一個(gè)長(zhǎng)度為N的環(huán)形采樣隊(duì)列每次采完新數(shù)據(jù)算整個(gè)隊(duì)列的平均值。N越大越平滑但響應(yīng)速度變慢建議取8也就是調(diào)用8次取均值噪聲抑制效果不錯(cuò)且實(shí)時(shí)性可控。限幅濾波判斷本次采樣值和上次采樣值的差值如果超過設(shè)定閾值比如ADC值50就舍去本次值用于剔除明顯的異常跳變。我用的組合方案是限幅濾波在前去掉粗大誤差緊跟一次8點(diǎn)滑動(dòng)平均抑制隨機(jī)噪聲最后再用中值濾波去除剩余毛刺。這套組合在STM32F103上消耗的CPU時(shí)間在幾百微秒級(jí)別完全不影響系統(tǒng)主循環(huán)的其他工作。以12位ADC0-4095為例直接原始讀取時(shí)同一通道同一電壓下數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差在8到15個(gè)LSB之間加上這套濾波組合后標(biāo)準(zhǔn)偏差可以壓到2到3個(gè)LSB以內(nèi)。換算成電壓誤差就是不到2.5mV對(duì)這個(gè)項(xiàng)目來說完全夠用了。5.2 外部ADC三點(diǎn)校準(zhǔn)思路CD74HC4067的導(dǎo)通電阻不是不變的線性值它隨輸入電壓和供電電壓的變化會(huì)有微小改變這會(huì)導(dǎo)致通道擴(kuò)展后每個(gè)通道的實(shí)際增益都有一丁點(diǎn)偏差。對(duì)精度要求不那么苛刻的場(chǎng)景完全可以忽略因?yàn)閷?dǎo)通電阻的偏差折算成電壓誤差通常不超過10mV級(jí)別。如果做的是儀表類產(chǎn)品離散性就必須被校準(zhǔn)掉。常見做法是三點(diǎn)校準(zhǔn)法。選三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電壓點(diǎn)比如0.5V、1.8V、3.0V用高精度萬用表實(shí)測(cè)進(jìn)入CD74HC4067輸入引腳前的實(shí)際電壓同時(shí)記錄下MCU采樣得到的原始ADC值。對(duì)每個(gè)通道建立一條“實(shí)際電壓 k × ADC值 b”的直線方程得到一對(duì)和偏移參數(shù)。理論上一組兩點(diǎn)數(shù)據(jù)就可以標(biāo)定一條直線但多取一個(gè)中間點(diǎn)能檢查通道響應(yīng)的線性度。如果三個(gè)點(diǎn)的擬合殘差很大說明這個(gè)通道在某個(gè)電壓區(qū)間存在明顯非線性就得回到硬件上檢查分壓電阻是否虛焊或者傳感器型號(hào)是否匹配。實(shí)際操作時(shí)先在程序里給每個(gè)通道開一個(gè)校準(zhǔn)參數(shù)結(jié)構(gòu)體typedef struct { float k; // 增益 float b; // 偏移 } CalibParam; float GetRealVoltage(uint8_t ch, uint16_t raw) { return calibParams[ch].k * raw calibParams[ch].b; }校準(zhǔn)是離線完成的工廠生產(chǎn)時(shí)可以利用精密電壓源自動(dòng)掃三個(gè)電壓點(diǎn)把對(duì)應(yīng)的k、b值寫進(jìn)Flash。使用時(shí)的思路是把“讀取ADC”和“換算工程值”變成兩步在工程值換算這里插入通道系數(shù)即可。這正好契合標(biāo)題里提到的外部ADC校準(zhǔn)場(chǎng)景實(shí)測(cè)經(jīng)過三點(diǎn)校準(zhǔn)后每個(gè)通道的滿量程誤差可以控制在0.3%以內(nèi)。6. 常見問題與排查速查表調(diào)試過程中肯定會(huì)遇到一些重復(fù)出現(xiàn)的問題我把最典型的幾條整理一下方便后面排查?，F(xiàn)象可能原因排查和解決所有通道讀數(shù)都偏大或偏小參考電壓不準(zhǔn)、ADC采樣周期太短、信號(hào)源阻抗過高用萬用表測(cè)MCU參考電壓把采樣周期調(diào)到239.5周期降低信號(hào)源輸出阻抗讀取速度和實(shí)際掃描周期不匹配切換通道后延時(shí)太長(zhǎng)或太短先用示波器量波形確定電壓建立時(shí)間再設(shè)置延時(shí)以200us起步逐步微調(diào)某個(gè)特定通道讀數(shù)一直為0該通道引腳虛焊、S0-S3地址線某一位控制異常、外部輸入直接短路到地萬用表量引腳通斷查S0-S3對(duì)應(yīng)的GPIO配置檢查傳感器接線相鄰?fù)ǖ乐g明顯串?dāng)_VEE懸空、未用通道懸空、布線間距太近VEE確認(rèn)接地把未用通道直接接GND模擬走線包地處理數(shù)據(jù)波動(dòng)大且無規(guī)律電源紋波大、ADC參考噪聲、濾波未做好電源端加10410uF去耦軟件組合濾波換到某個(gè)通道后整個(gè)采集卡死ADC在切換通道后未正確停止或重新開始檢查HAL_ADC_Stop調(diào)用時(shí)序確保轉(zhuǎn)換完成后進(jìn)入空閑狀態(tài)7. 再多提一嘴的調(diào)試心得整個(gè)項(xiàng)目跑下來CD74HC4067最大的優(yōu)勢(shì)在于把硬件設(shè)計(jì)成本壓得非常低、驅(qū)動(dòng)邏輯又足夠簡(jiǎn)單。尤其是對(duì)STM32這種ADC資源不富裕的芯片用這顆芯片擴(kuò)展出來的16個(gè)通道實(shí)際精度完全能覆蓋傳感器采集應(yīng)用的需求。我給還在用4067做項(xiàng)目的朋友提三個(gè)建議一是硬件上永遠(yuǎn)記住“未用通道接地”這個(gè)習(xí)慣能幫你躲掉后期一大堆軟文調(diào)試時(shí)間二是軟件上不要吝嗇那幾百微秒的通道切換延時(shí)寧可多等一會(huì)兒也不能讓電荷殘留影響數(shù)據(jù)真實(shí)性實(shí)際運(yùn)行響應(yīng)大家都是毫秒級(jí)掃描一遍16通道差10微秒的延時(shí)根本不影響總吞吐三是盡快建立一套以通道號(hào)為索引的濾波和校準(zhǔn)框架把代碼寫成模塊多個(gè)項(xiàng)目復(fù)用起來會(huì)特別順手。這套方案后續(xù)還能擴(kuò)展的方向也不少比如把16通道分成幾組不同量程的通道通過配置不同的外部分壓比實(shí)現(xiàn)寬量程采集或者把兩個(gè)4067并聯(lián)用8個(gè)引腳擴(kuò)展出32通道只要軟件層的索引抽象做到位擴(kuò)展成本幾乎為零。實(shí)際測(cè)試中這套組合運(yùn)行了一個(gè)多月沒有出現(xiàn)任何卡死或數(shù)據(jù)異常作為長(zhǎng)期方案完全經(jīng)得住考驗(yàn)。