ESP32 ADC2_GET_RAW采样速度提升及FM4替代可行性咨询

我使用ESP32（WiFi Kit 32 V3）搭配两个间距1米的麦克风进行声速测量，期望实现至少35次/毫秒的采样率，但目前仅能达到25.34次/毫秒，相关代码如下。现咨询如何提升采样速度，以及更换为FM4 Starter Kit微控制器是否更合适？

#include <stdio.h>
#include <freertos/FreeRTOS.h>
#include <freertos/task.h>
#include <driver/adc.h>
#include <esp_system.h>

#define MEASUREMENTS 30000
int measurements1[MEASUREMENTS]; // 全局数组
int measurements2[MEASUREMENTS]; // 全局数组

class Stereomic {
  public:
    Stereomic(adc1_channel_t ad1, adc2_channel_t ad2) {
      adc1_config_width(ADC_WIDTH_BIT_12);
      adc1_config_channel_atten(ad1, ADC_ATTEN_DB_11); 
      adc2_config_channel_atten(ad2, ADC_ATTEN_DB_11); 
    }

    void runMeasurement() {
      unsigned long start_time = millis();

      for (int i = 0; i < MEASUREMENTS; ++i) {
        measurements1[i] = adc1_get_raw(ADC1_CHANNEL_6);
        adc2_get_raw(ADC2_CHANNEL_3,ADC_WIDTH_BIT_12, &measurements2[i]);
      }

      unsigned long end_time = millis();
      unsigned long elapsed_time_ms = end_time - start_time;
      Serial.printf("测量耗时: %lu 毫秒\n", elapsed_time_ms);
      Serial.printf("采样率: %f 次/毫秒。目标：35次/毫秒（当前最优25.34次/毫秒）\n", ((float)MEASUREMENTS / (float)elapsed_time_ms));
    }
};

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  setCpuFrequencyMhz(240);
}

void loop() {
  if (Serial.available()) {
    Serial.println("开始");
    Serial.println("按下回车键开始测量...");
    Serial.read();

    Stereomic mic(ADC1_CHANNEL_6, ADC2_CHANNEL_3);
    mic.runMeasurement();
  }
  delay(10);
}

一、提升ESP32采样速度的优化方案 #

当前代码采用单次手动调用ADC采样函数的方式，开销较大，可从以下几点优化：

• 复用ADC配置，避免重复初始化
  目前每次创建Stereomic对象都会重新配置ADC，产生额外开销。将ADC配置代码移到setup()中，只初始化一次：

  void setup() {
    Serial.begin(115200);
    setCpuFrequencyMhz(240);
    // 提前配置ADC
    adc1_config_width(ADC_WIDTH_BIT_12);
    adc1_config_channel_atten(ADC1_CHANNEL_6, ADC_ATTEN_DB_11); 
    adc2_config_channel_atten(ADC2_CHANNEL_3, ADC_ATTEN_DB_11); 
  }
  

  同时修改Stereomic构造函数，移除重复的配置代码。

• 使用ADC DMA连续采样模式
  ESP32的ADC1支持DMA驱动的连续采样，相比单次调用adc1_get_raw能大幅降低CPU开销。可配置ADC1扫描多个通道（若两个麦克风都接ADC1），或使用DMA双缓冲实现连续采样；优先使用ADC1，避免ADC2受WiFi/蓝牙占用的限制。

• 关闭无关外设，释放总线带宽
  关闭未使用的WiFi、蓝牙模块，这些外设会占用系统总线和CPU资源，影响ADC采样效率。在setup()中添加：

  esp_wifi_stop();
  esp_bt_controller_disable();
  

• 优化循环与内存访问

  • 展开循环体（比如每次处理2-4组采样），减少循环判断开销；
  • 确保采样数组在DRAM中（全局变量默认已满足），避免内存访问延迟；
  • 采样循环中仅保留核心采样操作，避免额外逻辑干扰。

• 提升采样任务优先级
  创建高优先级FreeRTOS任务执行采样，避免被低优先级任务抢占：

  SemaphoreHandle_t samplingSemaphore;
  
  void samplingTask(void *pvParameters) {
    while(1) {
      if(xSemaphoreTake(samplingSemaphore, portMAX_DELAY) == pdTRUE) {
        // 执行采样逻辑
        Stereomic mic(ADC1_CHANNEL_6, ADC2_CHANNEL_3);
        mic.runMeasurement();
      }
    }
  }
  
  void setup() {
    // ... 其他配置
    samplingSemaphore = xSemaphoreCreateBinary();
    xTaskCreatePinnedToCore(samplingTask, "SamplingTask", 4096, NULL, 10, NULL, 0); // 绑定核心0，优先级10
  }
  

• 调整ADC时钟
  参考ESP32规格书，适当提高ADC时钟（不超过硬件限制），通过修改寄存器或ESP-IDF配置调整，提升采样速率。

二、是否更换为FM4 Starter Kit？ #

FM4 Starter Kit（瑞萨FM4系列MCU）更适合你的场景，理由如下：

• 采样率达标轻松：FM4系列ADC普遍支持1MSPS甚至更高采样率，远超35次/毫秒的需求；
• 同步采样更精准：部分FM4型号支持多ADC通道同步采样，能保证两个麦克风的采样数据严格同步，这对声速测量的时间差计算至关重要——而ESP32的ADC1和ADC2无法实现真正的同步采样；
• 采样开销更低：FM4的ADC硬件设计偏向高速模拟采集，CPU开销远低于ESP32的手动单次采样模式。

若项目对采样同步性和速率要求较高，更换FM4 Starter Kit是更优选择，但需注意其开发环境（瑞萨e2studio）与ESP32不同，需重新适配代码。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者JB_