39. DAC—输出正弦波¶
本章参考资料：《STM32F10X-中文参考手册》DAC章节。
学习本章时，配合《STM32F10X-中文参考手册》DAC章节一起阅读，效果会更佳，特别是涉及到寄存器说明的部分。
39.1. DAC简介¶
DAC为数字/模拟转换模块，故名思议，它的作用就是把输入的数字编码，转换成对应的模拟电压输出，它的功能与ADC相反。 在常见的数字信号系统中，大部分传感器信号被化成电压信号，而ADC把电压模拟信号转换成易于计算机存储、处理的数字编码， 由计算机处理完成后，再由DAC输出电压模拟信号，该电压模拟信号常常用来驱动某些执行器件，使人类易于感知。如音频信号的采集及还原就是这样一个过程。
STM32具有片上DAC外设，它的分辨率可配置为8位或12位的数字输入信号，具有两个DAC输出通道，这两个通道互不影响， 每个通道都可以使用DMA功能，都具有出错检测能力，可外部触发。
39.2. DAC功能框图剖析¶
STM32的DAC模块框图见图 DAC功能框图。
整个DAC模块围绕框图下方的“数字至模拟转换器x”展开，它的左边分别是参考电源的引脚：\(V_{\text{DDA}}\)、 \(V_{\text{SSA}}\)及\(V_{ref +}\)， 其中STM32的DAC规定了它的参考电压:math:V_{ref +}输入范围为2.4——3.3V。 “数字至模拟转换器x”的输入为DAC的数据寄存器“DORx”的数字编码，经过它转换得的模拟信号由图中右侧的“DAC_OUTx”输出。 而数据寄存器“DORx”又受“控制逻辑”支配，它可以控制数据寄存器加入一些伪噪声信号或配置产生三角波信号。图中的左上角为DAC的触发源， DAC根据触发源的信号来进行DAC转换，其作用就相当于DAC转换器的开关，它可以配置的触发源为外部中断源触发、定时器触发或软件控制触发。 如本章实验中需要控制正弦波的频率，就需要定时器定时触发DAC进行数据转换。
39.2.1. 参考电压¶
与ADC外设类似，DAC也使用VREF+引脚作为参考电压， 在设计原理图的时候一般把VSSA接地，把VREF+和VDDA 接3.3V， 可得到DAC的输出电压范围为：0~3.3V。
如果想让输出的电压范围变宽，可以在外部加一个电压调理电路，把0~3.3V的DAC输出抬升到特定的范围即可。
39.2.2. 数模转换及输出通道¶
框图中的“数字至模拟转换器x”是核心部件，整个DAC外设都围绕它而展开。它以左边的VREF+作为参考电源， 以DAC的数据寄存器“DORx”的数字编码作为输入，经过它转换得的模拟信号由右侧的“DAC_OUTx”通道输出。其中各个部件中的“x”是指设备的标号， 在STM32中具有2个这样的DAC部件，每个DAC有1个对应的输出通道连接到特定的引脚，即：PA4-通道1，PA5-通道2，为避免干扰，使用DAC功能时， DAC通道引脚需要被配置成模拟输入功能（AIN）。
39.2.3. 触发源及DHRx寄存器¶
在使用DAC时，不能直接对上述DORx寄存器写入数据，任何输出到DAC通道x的数据都必须写入到DHRx寄存器中（其中包含DHR8Rx、DHR12Lx等， 根据数据对齐方向和分辨率的情况写入到对应的寄存器中）。
数据被写入到DHRx寄存器后，DAC会根据触发配置进行处理，若使用硬件触发，则DHRx中的数据会在3个APB1时钟周期后传输至DORx， DORx随之输出相应的模拟电压到输出通道；若DAC设置为外部事件触发，可以使用定时器（TIMx_TRGO）、 EXTI_9信号或软件触发（SWTRIGx）这几种方式控制数据DAC转换的时机，例如使用定时器触发，配合不同时刻的DHRx数据，可实现DAC输出正弦波的功能。
39.3. DAC初始化结构体详解¶
在ST的标准库中，把控制DAC相关的各种配置封装到了结构体DAC_InitTypeDef中， 它主要包含了DAC_CR控制寄存器的各寄存器位的配置，见 代码清单:DAC-1。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 | typedef struct {
/*DAC触发方式 */
uint32_t DAC_Trigger;
/*是否自动输出噪声或三角波 */
uint32_t DAC_WaveGeneration;
/*选择噪声生成器的低通滤波或三角波的幅值 */
uint32_t DAC_LFSRUnmask_TriangleAmplitude;
/*选择是否使能输出缓冲器 */
uint32_t DAC_OutputBuffer;
} DAC_InitTypeDef;
|
各个结构体成员的介绍如下，解说中各模式后括号内的英文为该模式在标准库中使用宏：
(1) DAC_Trigger
本成员用于配置DAC的触发模式，当DAC产生相应的触发事件时，才会把DHRx寄存器的值转移到DORx寄存器中进行转换。 本结构体成员可以选择的触发模式如下：硬件触发模式（DAC_Trigger_None），DHRx寄存器内的数据会在3个APB1时钟周期内自动转换至DORx进行转换； 定时器触发模式（DAC_Trigger_T2/4/5/6/7_TRGO），使用定时器2、4、5、6、7控制DHRx寄存器的数据按时间转移到DORx中进行转换， 利用这种方式可以输出特定的波形；EXTI_9触发方式（DAC_Trigger_Ext_IT9），当产生EXTI_9事件时（如GPIO中断事件）， 触发转换；软件触发模式（DAC_Trigger_Software），在本模式下，向DAC_SWTRIGR寄存器写入配置即可触发信号进行转换。
(2) DAC_WaveGeneration
本成员用于设置是否使用DAC输出伪噪声或三角波（DAC_WaveGeneration_None/Noise/Triangle），使用伪噪声和三角波输出时， DAC都会把LFSR寄存器的值叠加到DHRx数值上，产生伪噪声和三角波，若希望产生自定义的输出时，直接配置为DAC_WaveGeneration_None即可。
(3) DAC_LFSRUnmask_TriangleAmplitude
本成员通过控制DAC_CR的MAMP2位设置LFSR寄存器位的数据，即当使用伪噪声或三角波输出时要叠加到DHRx的值，非噪声或三角波输出模式下， 本配置无效。使用伪噪声输出时LFSR=0xAAA，MAMP2寄存器位可以屏蔽LFSR的某些位， 这时把本结构体成员赋值为DAC_LFSRUnmask_Bit0~DAC_LFSRUnmask_Bit11_0等宏即可；使用三角波输出时，本结构体设置三角波的最大幅值， 可选择为DAC_TriangleAmplitude_1~ DAC_TriangleAmplitude_4096等宏，见图 DAC输出三角波 ， DAC在DHRx值的基础上升，幅值达到MAMPx设置的最大幅度时下降，形成三角波的输出。
(4) DAC_OutputBuffer
本结构体成员用于控制是否使能DAC的输出缓冲（DAC_OutputBuffer_Enable/Disable）， 使能了DAC的输出缓冲后可以减小输出阻抗，适合直接驱动一些外部负载。
39.4. DAC输出正弦波实验¶
利用STM32的DAC配合TIM定时器，可以输出随时间变化的电压，本章的实验以输出正弦波为例，演示如何控制输出电压波形。
39.4.1. 硬件设计¶
STM32的DAC外设有固定的输出通道，分别为PA4和PA5，不过，霸道开发板已经在板载SPI-FLASH芯片中使用了这两个引脚， 所以用作DAC通道输出电压时会受到干扰，影响实验，见图 SPIFLASH占用了DAC使用的输出通道。
警告
PA4引脚在上述SPI-FLASH的电路中已通过上拉电阻接到3.3V，PA5引脚则连接到FLASH芯片的CLK引脚中， 这些都会干扰DAC实验输出的电压信号，导致得不到正确的波形。在实验时，需要把开发板中SPI-FLASH附近的上拉电阻R6拆掉， 拆掉R6后，本实验中的PA4、PA5的波形输出正常，且不会影响后续SPI-FLASH的使用（只要DAC和SPI-FLASH不在同一个实验中使用即可）。
注解
在设计DAC专门的实际应用时，DAC的输出通道应独占，不与其它设备共用。本开发板的设计是考虑到各种资源分配，才不得不占用DAC通道的。
拆掉相应的元件后，实验时直接使用示波器测量PA4和PA5引脚的输出即可。
39.4.2. 软件设计¶
为了使工程更加有条理，我们把DAC控制相关的代码独立分开存储，方便以后移植。新建“bsp_dac.c”及“bsp_dac.h”文件， 这些文件也可根据您的喜好命名，它们不属于STM32标准库的内容，是由我们自己根据应用需要编写的。
39.4.2.1. 编程要点¶
1) 计算获取正弦波数据表；
2) 根据正弦波数据表的周期内点数和周期计算定时器触发间隔；
3) 初始化DAC输出通道，初始化DAC工作模式；
4) 配置触发DAC用的定时器；
5) 配置DMA自动转运正弦波数据表。
配置完成后，即可在PA4、PA5引脚中检测到信号输出。
39.4.2.2. 代码分析¶
生成正弦波数据表
要输出正弦波，实质是要控制DAC以v=sin(t)的正弦函数关系输出电压，其中v为电压输出，t为时间。
而由于模拟信号连续而数字信号是离散的，所以使用DAC产生正弦波时，只能按一定时间间隔输出正弦曲线上的点， 在该时间段内输出相同的电压值，若缩短时间间隔，提高单个周期内的输出点数，可以得到逼近连续正弦波的图形， 见图 DAC按点输出正弦波数据 ，若在外部电路加上适当的电容滤波，可得到更完美的图形。
由于正弦曲线是周期函数，所以只需要得到单个周期内的数据后按周期重复即可，而单个周期内取样输出的点数又是有限的， 所以为了得到呈v=sin(t)函数关系电压值的数据通常不会实时计算获取，而是预先计算好函数单个周期内的电压数据表，并且转化成以DAC寄存器表示的值。
如sin函数值的范围为[-1: +1]，而STM32的DAC输出电压范围为[0~3.3]V，按12位DAC分辨率表示的方法， 可写入寄存器的最大值为212 = 4096，即范围为[0:4096]。所以，实际输出时，会进行如下处理：
1) 抬升sin函数的输出为正值：v = sin(t)+1 ， 此时，v的输出范围为[0:2]；
2) 扩展输出至DAC的全电压范围: v = 3.3*(sin(t)+1)/2 ， 此时，v的输出范围为[0:3.3]，正是DAC的电压输出范围，扩展至全电压范围可以充分利用DAC的分辨率；
3) 把电压值以DAC寄存器的形式表示：Reg_val = 212/3.3 * v = 211*(sin(t)+1)， 此时，存储到DAC寄存器的值范围为[0:4096]；
4) 实践证明，在sin(t)的单个周期内，取32个点进行电压输出已经能较好地还原正弦波形， 所以在t∈[0:2π]区间内等间距根据上述Reg_val公式运算得到32个寄存器值，即可得到正弦波表；
5) 控制DAC输出时，每隔一段相同的时间从上述正弦波表中取出一个新数据进行输出， 即可输出正弦波。改变间隔时间的单位长度，可以改变正弦波曲线的周期。
为方便起见，我们使用了Python和Matlab脚本制作正弦波表，脚本的代码存储在本工程的目录下，感兴趣可以打开文件查看， 以下列出Python脚本代码，见 代码清单:DAC-2。
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#coding=utf-8
"""
Python版本：3.x
外部库：matplotlib1.5.3、numpy1.11.2
运行方式：
在命令行中输入：python sinWave.py
运行结果：
命令行中会打印计算得的各点数据，
在当前目录下会生成py_dac_sinWav.c文件，包含上述数据，
并且会弹出描绘曲线的对话框。
"""
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
import math
#修改本变量可以更改点数，如16、32、64等
POINT_NUM = 32
pi = math.pi
#一个周期 POINT_NUM 个点
n = np.linspace(0,2*pi,POINT_NUM)
#计算POINT_NUM个点的正弦值
a = map(math.sin,n)
r =[]
for i in a:
#调整幅值至在0~1区间
i+=1
#按3.3V电压调整幅值
i*= 3.3/2
#求取dac数值，12位dac LSB = 3.3V/2**12
ri = round(i*2**12/3.3)
#检查参数
if ri >= 4095:
ri = 4095
#得到dac数值序列
r.append( ri )
print(list(map(int,r)))
#写入序列到文件
with open("py_dac_sinWav.c",'w',encoding= 'gb2312') as f:
print(list(map(int,r)),file= f)
#绘图
plt.plot(n,r,"-o")
plt.show()
|
Python脚本的实现原理就是前面介绍的正弦波数据表的制作过程，运行后，该脚本把得到的正弦波表数据输出到目录下的py_dac_sinWav.c文件中， 见 代码清单:DAC-3 ，并且根据取样点描绘出示意图，见图 python脚本根据正弦波表描绘的曲线图。 Matlab脚本原理相同，此处不再列出，实际上使用C语言也能制作正弦波表，只是画图不方便而已。
1 2 3 4 | [2048, 2460, 2856, 3218, 3532, 3786, 3969, 4072,
4093, 4031, 3887, 3668, 3382, 3042, 2661, 2255,
1841, 1435, 1054, 714, 428, 209, 65, 3,
24, 127, 310, 564, 878, 1240, 1636, 2048]
|
DAC宏定义
制作好正弦波数据表后，开始使用MDK编写STM32的DAC工程，首先设置好相关的宏， 见 代码清单:DAC-4。
1 2 | //DAC DHR12RD寄存器，12位、右对齐、双通道
#define DAC_DHR12RD_ADDRESS (DAC_BASE+0x20)
|
此处定义的宏DAC_DHR12RD_ ADDRESS是寄存器DHR12RD的地址，该寄存器是12位右对齐的双通道寄存器， 见图 DHR12RD寄存器说明。在本实验中将会使用DMA把正弦波数据表的点数据赋值到该寄存器中， 往该寄存器赋值后的数据会在DAC被触发的时候搬运到2个DAC转换器，然后在这2个通道中输出以12位右对齐表示的这两个通道的电压。DAC中还有其它寄存器， 它们的功能类似，可以在《STM32中文参考手册》中了解到。
与DAC控制相关的引脚固定是PA4和PA5，就不使用宏定义了，在源代码中会直接使用引脚号操作。
DAC GPIO和模式配置
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* @brief 使能DAC的时钟，初始化GPIO
* @param 无
* @retval 无
*/
static void DAC_Config(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
DAC_InitTypeDef DAC_InitStructure;
/* 使能GPIOA时钟 */
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
/* 使能DAC时钟 */
RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_DAC, ENABLE);
/* DAC的GPIO配置，模拟输入 */
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_4 | GPIO_Pin_5;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
/* 配置DAC 通道1 */
//使用TIM2作为触发源
DAC_InitStructure.DAC_Trigger = DAC_Trigger_T2_TRGO;
//不使用波形发生器
DAC_InitStructure.DAC_WaveGeneration = DAC_WaveGeneration_None;
//不使用DAC输出缓冲
DAC_InitStructure.DAC_OutputBuffer = DAC_OutputBuffer_Disable;
DAC_Init(DAC_Channel_1, &DAC_InitStructure);
/*以同样的配置 初始化DAC 通道2 */
DAC_Init(DAC_Channel_2, &DAC_InitStructure);
/* 使能通道1 由PA4输出 */
DAC_Cmd(DAC_Channel_1, ENABLE);
/* 使能通道2 由PA5输出 */
DAC_Cmd(DAC_Channel_2, ENABLE);
/* 使能DAC的DMA请求 */
DAC_DMACmd(DAC_Channel_2, ENABLE);
}
|
在DAC_Config函数中，完成了DAC通道的GPIO的初始化和DAC模式配置。 其中GPIO按照要求被配置为模拟输入模式（没有模拟输出模式），在该模式下才能正常输出模拟信号。
配置DAC工作模式时，则使用了DAC_InitTypeDef 类型的初始化结构体，把DAC通道1和2都配置成了使用定时器TIM2触发、 不使用波形发生器以及不使用DAC输出缓冲的模式。
初始化完GPIO和DAC模式后，还使用了DAC_Cmd、DAC_DMACmd函数使能了通道以及DMA的请求。由于本实验中对DAC1和2的操作是同步的， 所以只要把DMA与DAC通道2关联起来即可，当使用DMA设置通道2的数据值时，同时更新通道1的内容。
定时器配置及计算正弦波的频率
初始化完DAC后，需要配置触发用的定时器，设定每次触发的间隔，以达到控制正弦波周期的目的。
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* @brief 配置TIM
* @param 无
* @retval 无
*/
static void DAC_TIM_Config(void)
{
TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
/* 使能TIM2时钟，TIM2CLK 为72M */
RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);
/* TIM2基本定时器配置 */
//定时周期 20
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = (20-1);
//预分频，不分频 72M / (0+1) = 72M
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 0x0;
//时钟分频系数
TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0x0;
//向上计数模式
TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseStructure);
/* 配置TIM2触发源 */
TIM_SelectOutputTrigger(TIM2, TIM_TRGOSource_Update);
/* 使能TIM2 */
TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);
}
|
因为前面的DAC配置了TIM2当触发源，所以这里将对TIM2进行配置。TIM2的定时周期被配置为20，向上计数，不分频。 即TIM2每隔20*（1/72M）秒就会触发一次DAC事件，作DAC触发源使用的定时器并不需要设置中断，当定时器计数器向上计数至指定的值时， 产生Update事件，同时触发DAC把DHRx寄存器的数据转移到DORx，从而开始进行转换。
根据定时器的配置，可推算出正弦波频率的计算方式：
按默认配置，STM32系统时钟周期为：
\(T_{\text{systick}} = 1/72000000\)，
定时器TIM2的单个时钟周期：
\(T_{\text{tim}} = (TIM\_ Prescaler + 1) \times T_{\text{systick}}\)，
定时器触发周期：
\(T_{\text{update}} = \ (TIM\_ Period + 1) \times T_{\text{tim}}\),
根据正弦波单个周期的点数N，求出正弦波单个周期时间为：
\(T_{\sin} = T_{\text{update}} \times N\)，
对应正弦波的频率为：
根据上述公式，代入本工程的配置，可得本实验中的正弦波频率为112500：
在实际应用中，可以根据工程里的正弦波点数和定时器配置生成特定频率的正弦波。
DMA配置
本工程的数据传输由DMA完成，其代码见 代码清单:DAC-7。
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#define POINT_NUM 32
/* 波形数据 -----------------------------------------------*/
const uint16_t Sine12bit[POINT_NUM] = {
2048 , 2460 , 2856 , 3218 , 3532 , 3786 , 3969 , 4072 ,
4093 , 4031 , 3887 , 3668 , 3382 , 3042 , 2661 , 2255 ,
1841 , 1435 , 1054 , 714 , 428 , 209 , 65 , 3 ,
24 , 127 , 310 , 564 , 878 , 1240 , 1636 , 2048
};
uint32_t DualSine12bit[POINT_NUM];
/**
* @brief DAC初始化函数
* @param 无
* @retval 无
*/
void DAC_Mode_Init(void)
{
uint32_t Idx = 0;
DAC_Config();
DAC_TIM_Config();
/* 填充正弦波形数据，双通道右对齐*/
for (Idx = 0; Idx < POINT_NUM; Idx++) {
DualSine12bit[Idx] = (Sine12bit[Idx] << 16) + (Sine12bit[Idx]);
}
DAC_DMA_Config();
}
/**
* @brief 配置DMA
* @param 无
* @retval 无
*/
static void DAC_DMA_Config(void)
{
DMA_InitTypeDef DMA_InitStructure;
/* 使能DMA2时钟 */
RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_DMA2, ENABLE);
/* 配置DMA2 */
//外设数据地址
DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr = DAC_DHR12RD_ADDRESS;
//内存数据地址 DualSine12bit
DMA_InitStructure.DMA_MemoryBaseAddr = (uint32_t)&DualSine12bit ;
//数据传输方向内存至外设
DMA_InitStructure.DMA_DIR = DMA_DIR_PeripheralDST;
//缓存大小为POINT_NUM字节
DMA_InitStructure.DMA_BufferSize = POINT_NUM;
//外设数据地址固定
DMA_InitStructure.DMA_PeripheralInc = DMA_PeripheralInc_Disable;
//内存数据地址自增
DMA_InitStructure.DMA_MemoryInc = DMA_MemoryInc_Enable;
//外设数据以字为单位
DMA_InitStructure.DMA_PeripheralDataSize = DMA_PeripheralDataSize_Word;
//内存数据以字为单位
DMA_InitStructure.DMA_MemoryDataSize = DMA_MemoryDataSize_Word;
//循环模式
DMA_InitStructure.DMA_Mode = DMA_Mode_Circular;
//高DMA通道优先级
DMA_InitStructure.DMA_Priority = DMA_Priority_High;
//非内存至内存模式
DMA_InitStructure.DMA_M2M = DMA_M2M_Disable;
DMA_Init(DMA2_Channel4, &DMA_InitStructure);
/* 使能DMA2-14通道 */
DMA_Cmd(DMA2_Channel4, ENABLE);
}
|
在上述代码中，定义了由脚本得到的正弦波数据表Sine12bit变量，一共为POINT_NUM（32）个点。在DAC_Mode_Init函数中， 调用了前面介绍的DAC_Config和DAC_TIM_Config初始化DAC和定时器，然后在for循环中把单通道的正弦波数据表Sine12bit复制扩展成为双通道的数据DualSine12bit， 扩展后的数据将会直接被DMA搬运至DAC的DHR12RD寄存器中。
复制完数据后，DAC_Mode_Init调用下面的DAC_DMA_Config函数初始化DMA，配置的重点是要设置好DHR12RD寄存器的地址， 正弦波数据的内存地址（注意是双通道数据DualSine12bit），DMA缓存的个数（即单个周期的正弦波点数）以及DMA工作在循环模式。
经过这样的配置后，定时器每间隔一定的时间就会触发DMA搬运双通道正弦波表的一个数据到DAC双通道寄存器进行转换， 每完成一个周期后DMA重新开始循环，从而达到连续输出波形的目的。
主函数
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 | /**
* @brief 主函数
* @param 无
* @retval 无
*/
int main(void)
{
/*初始化DAC，开始DAC转换*/
DAC_Mode_Init();
while (1);
}
|
本工程的主函数非常简单，直接调用DAC_Mode_Init即可完成所有的配置，此时再使用示波器测量PA4、PA5引脚可查看其输出的波形。。
39.4.3. 下载验证¶
注意
参考本章的硬件设计部分说明，实验前需要拆掉SPI-FLASH芯片附近的电阻，霸道V1拆R6，霸道V2拆R223。
用USB线连接开发板的“USB转串口”接口跟电脑，把编译好的程序下载到开发板，使用示波器测量PA4、 PA5的引脚可看到正弦波形（示波器使用x10倍档测量更加准确）， 见图 使用示波器测量出的电压波形 ，注意观察图中示波器测量出的频率值和电压峰值。
