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STM32 DAC DMA 绝对好用.pdf

发布时间：2022-05-29 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：1.57M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    零死角玩转 STM32F103—霸道 第39章 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 39-1。 图 39-1 DAC 功能框图 第 565 页 共 887 STM32-DAC正玄波详解STM32-DAC正玄波详解STM32-DAC正玄波详解
    零死角玩转 STM32F103—霸道 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： 、 及 ，其中 STM32 的 DAC 规定了它的参考电压 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。 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。 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）。 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 39-1。 代码清单 39-1 DAC_InitTypeDef 结构体 第 566 页 共 887 STM32-DAC正玄波详解STM32-DAC正玄波详解STM32-DAC正玄波详解
    零死角玩转 STM32F103—霸道 1 typedef struct { 2 /*DAC 触发方式 */ 3 uint32_t DAC_Trigger; 4 5 /*是否自动输出噪声或三角波 */ 6 uint32_t DAC_WaveGeneration; 7 8 /*选择噪声生成器的低通滤波或三角波的幅值 */ 9 uint32_t DAC_LFSRUnmask_TriangleAmplitude; 10 11 /*选择是否使能输出缓冲器 */ 12 uint32_t DAC_OutputBuffer; 13 14 } 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 39-2，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。 第 567 页 共 887 STM32-DAC正玄波详解STM32-DAC正玄波详解STM32-DAC正玄波详解
    零死角玩转 STM32F103—霸道 图 39-2 DAC 输出三角波 (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 31-5。 图 39-3 SPI-FLASH 占用了 DAC 使用的输出通道 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）。 第 568 页 共 887 STM32-DAC正玄波详解STM32-DAC正玄波详解STM32-DAC正玄波详解
    零死角玩转 STM32F103—霸道 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。 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。 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 39-4，若在外部电路加 上适当的电容滤波，可得到更完美的图形。 图 39-4 DAC 按点输出正弦波数据(左：32 个点，右：128 个点) 第 569 页 共 887 STM32-DAC正玄波详解STM32-DAC正玄波详解STM32-DAC正玄波详解
    零死角玩转 STM32F103—霸道 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 39-2。 代码清单 39-2 制作正弦波数据表的 python 脚本（工程目录下的 sinWave.py 文件） 1 #! python3 2 #coding=utf-8 3 4 """ 5 Python 版本：3.x 6 外部库：matplotlib1.5.3、numpy1.11.2 7 8 运行方式： 9 在命令行中输入：python sinWave.py 10 11 运行结果： 12 命令行中会打印计算得的各点数据， 13 在当前目录下会生成 py_dac_sinWav.c 文件，包含上述数据， 14 并且会弹出描绘曲线的对话框。 15 """ 16 17 import matplotlib.pyplot as plt 18 import numpy as np 19 import math 20 21 #修改本变量可以更改点数，如 16、32、64 等 22 POINT_NUM = 32 23 24 pi = math.pi 25 26 #一个周期 POINT_NUM 个点 27 n = np.linspace(0,2*pi,POINT_NUM) 28 29 #计算 POINT_NUM 个点的正弦值 30 a = map(math.sin,n) 第 570 页 共 887 STM32-DAC正玄波详解STM32-DAC正玄波详解STM32-DAC正玄波详解
    零死角玩转 STM32F103—霸道 31 32 r =[] 33 for i in a: 34 #调整幅值至在 0~1 区间 35 i+=1 36 37 #按 3.3V 电压调整幅值 38 i*= 3.3/2 39 40 #求取 dac 数值，12 位 dac LSB = 3.3V/2**12 41 ri = round(i*2**12/3.3) 42 43 #检查参数 44 if ri >= 4095: 45 ri = 4095 46 47 #得到 dac 数值序列 48 r.append( ri ) 49 50 51 print(list(map(int,r))) 52 53 #写入序列到文件 54 with open("py_dac_sinWav.c",'w',encoding= 'gb2312') as f: 55 print(list(map(int,r)),file= f) 56 57 #绘图 58 plt.plot(n,r,"-o") 59 plt.show() 60 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 39-3，并且根 据取样点描绘出示意图，见图 39-5。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。 代码清单 39-3 生成的正弦波数据表 [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] 图 39-5 python 脚本根据正弦波表描绘的曲线图 第 571 页 共 887 STM32-DAC正玄波详解STM32-DAC正玄波详解STM32-DAC正玄波详解
    零死角玩转 STM32F103—霸道 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 39-4。 代码清单 39-4 DAC 宏定义（bsp_dac.h 文件） 1 //DAC DHR12RD 寄存器，12 位、右对齐、双通道 2 #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 39-6。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 图 39-6 DHR12RD 寄存器说明 使用引脚号操作。 DAC GPIO 和模式配置 代码清单 39-5 DAC GPIO 和模式配置 1 /** 2 * @brief 使能 DAC 的时钟，初始化 GPIO 3 * @param 无 4 * @retval 无 5 */ 6 static void DAC_Config(void) 7 { 8 GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; 9 DAC_InitTypeDef DAC_InitStructure; 10 11 /* 使能 GPIOA 时钟 */ 12 RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE); 13 14 /* 使能 DAC 时钟 */ 第 572 页 共 887 STM32-DAC正玄波详解STM32-DAC正玄波详解STM32-DAC正玄波详解
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