【STM32】RTT-Studio中HAL库开发教程四：DAC+DMA输出波形

news2024/9/22 17:27:40

文章目录

    • 一、DAC介绍
    • 二、HAL库配置初始化
    • 三、RTT中初始化
    • 四、测试验证

一、DAC介绍

1.DAC作用

  • DAC（Digital-to-Analog Converter），即为数字/模拟转换模块，又称D/A转换器；
  • 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。即为输出波形和输出固定电压

2.DAC介绍

  • 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。
  • 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。
  • 在双DAC模式下，2个通道可以独立地进行转换，也可以同时进行转换并同步地更新2个通道的输出。DAC可以通过引脚输入参考电压VREF+ 以获得更精确的转换结果。
  • DAC工作在12位模式时，数据可以设置成左对齐或右对齐。

3.DAC功能框图
在这里插入图片描述
（1）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：VDDA、VSSA 及Vref+，其中STM32 的DAC 规定了它的参考电压Vref+ 输入范围为2.4——3.3V。
（2）“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。
（3）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。

4.参考电压
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。

5.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）。

6.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。

二、HAL库配置初始化

1.配置时钟
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
2.开启DAC
在这里插入图片描述

  • Output Buffer：关闭后可输出更低的电压值
  • Trigger：触发方式，这里选择TIM2定时器触发
  • Wave generation mode：关闭后可输出自定义波形

3.开启DMA
在这里插入图片描述

  • Mode：选择循环模式
  • Data Width：发送数据长度，半字即可

4.配置定时器
在这里插入图片描述

  • 初始化定时器触发频率为1：84MHZ /（84 * 20） =50000HZ
  • 触发事件选择“更新触发事件”

5.配置中断优先级
在这里插入图片描述

三、RTT中初始化

1.board.h
在board.h中添加宏定义，使用DAC的驱动函数

#define BSP_USING_DAC1

2.board.c
在board.c中添加如下初始化代码，进行DAC引脚初始化。

/**
 * @brief DAC初始化
 * @param dacHandle
 */
void HAL_DAC_MspInit(DAC_HandleTypeDef* dacHandle)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
    if (dacHandle->Instance == DAC)
    {
        /* DAC clock enable */
        __HAL_RCC_DAC_CLK_ENABLE();
        __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();

        /**DAC GPIO Configuration
         PA5     ------> DAC_OUT2
         */
        GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_5;
        GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_ANALOG;
        GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
        HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

        /* DAC DMA Init */
        /* DAC2 Init */
        hdma_dac2.Instance = DMA1_Stream6;
        hdma_dac2.Init.Channel = DMA_CHANNEL_7;
        hdma_dac2.Init.Direction = DMA_MEMORY_TO_PERIPH;
        hdma_dac2.Init.PeriphInc = DMA_PINC_DISABLE;
        hdma_dac2.Init.MemInc = DMA_MINC_ENABLE;
        hdma_dac2.Init.PeriphDataAlignment = DMA_PDATAALIGN_HALFWORD;
        hdma_dac2.Init.MemDataAlignment = DMA_MDATAALIGN_HALFWORD;
        hdma_dac2.Init.Mode = DMA_CIRCULAR;
        hdma_dac2.Init.Priority = DMA_PRIORITY_LOW;
        hdma_dac2.Init.FIFOMode = DMA_FIFOMODE_DISABLE;
        if (HAL_DMA_Init(&hdma_dac2) != HAL_OK)
        {
            Error_Handler();
        }

        __HAL_LINKDMA(dacHandle, DMA_Handle2, hdma_dac2);
    }
}

3.dac.c

#include "dac.h"

// 方波缓冲波形
uint16_t signalSquareBuffer[DAC_SAMPLE_POINT] = {0};

/*======================================================##### 外部调用 #####==================================================*/
/**
 * @brief DAC输出DMA初始化
 */
void DAC_TIME_DMA_Init(void)
{
    DAC_ChannelConfTypeDef sConfig = {0};
    TIM_ClockConfigTypeDef sClockSourceConfig = {0};
    TIM_MasterConfigTypeDef sMasterConfig = {0};

    /* DMA controller clock enable */
    __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
    __HAL_RCC_DMA1_CLK_ENABLE();

    /** DAC Initialization
     */
    hdac.Instance = DAC;
    if (HAL_DAC_Init(&hdac) != HAL_OK)
    {
        Error_Handler();
    }

    /** DAC channel OUT2 config
     */
    sConfig.DAC_Trigger = DAC_TRIGGER_T2_TRGO;
    sConfig.DAC_OutputBuffer = DAC_OUTPUTBUFFER_DISABLE;
    if (HAL_DAC_ConfigChannel(&hdac, &sConfig, DAC_CHANNEL_2) != HAL_OK)
    {
        Error_Handler();
    }

    htim2.Instance = TIM2;
    htim2.Init.Prescaler = 20 - 1;
    htim2.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
    htim2.Init.Period = 84 - 1;
    htim2.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
    htim2.Init.AutoReloadPreload = TIM_AUTORELOAD_PRELOAD_DISABLE;
    if (HAL_TIM_Base_Init(&htim2) != HAL_OK)
    {
        Error_Handler();
    }
    sClockSourceConfig.ClockSource = TIM_CLOCKSOURCE_INTERNAL;
    if (HAL_TIM_ConfigClockSource(&htim2, &sClockSourceConfig) != HAL_OK)
    {
        Error_Handler();
    }
    sMasterConfig.MasterOutputTrigger = TIM_TRGO_UPDATE;
    sMasterConfig.MasterSlaveMode = TIM_MASTERSLAVEMODE_DISABLE;
    if (HAL_TIMEx_MasterConfigSynchronization(&htim2, &sMasterConfig) != HAL_OK)
    {
        Error_Handler();
    }

    /* DMA interrupt init */
    /* DMA1_Stream6_IRQn interrupt configuration */
    HAL_NVIC_SetPriority(DMA1_Stream6_IRQn, 0, 0);
    HAL_NVIC_EnableIRQ(DMA1_Stream6_IRQn);
}

/**
 * @brief 启动DAC的定时器和DMA输出
 */
void Start_Dac_Time_DMA(void)
{
    HAL_TIM_Base_Start(&htim2);
    HAL_DAC_Start_DMA(&hdac, DAC_CHANNEL_2, (uint32_t *)signalSquareBuffer, DAC_SAMPLE_POINT, DAC_ALIGN_12B_R);
}

/**
 * @brief 关闭DAC的定时器和DMA输出
 */
void Stop_Dac_Time_DMA(void)
{
    HAL_TIM_Base_Stop(&htim2);
    HAL_DAC_Stop_DMA(&hdac, DAC_CHANNEL_2);
}

/**
 * @brief 方波信号缓存填充
 * @param duty: 占空比设置0 ~ 100
 * @param vol : 电压设置 0-2.5V
 */
void signalSquare (uint16_t  duty, float vol)
{
    if (duty < 0)
        duty = 0;
    else if (duty > DAC_SAMPLE_POINT)
        duty = DAC_SAMPLE_POINT;

    if (vol > DAC_OUTPUT_MAX)
        vol = DAC_OUTPUT_MAX;
    else if (vol < 0)
        vol = 0;

    for (int i = 0; i < duty; i++)
    {
        signalSquareBuffer[i] = vol * DAC_REFERENCE_VALUE / DAC_OUTPUT_MAX;
    }

    for (int i = duty; i < DAC_SAMPLE_POINT; i++)
    {
        signalSquareBuffer[i] = 0;
    }
}

/**
 * @brief 输出方波参数设置
 * @param duty：占空比设置
 * @param vol ：输出电压
 * @param fre ：输出频率
 */
void I_DAC_Output(uint16_t duty, float vol, uint32_t fre)
{
    signalSquare(duty, vol);

    //计算PWM频率，所对应的自动重装载值   ---> ARR = 主频 / (预分频+1) / 预期PWM频率(Hz) - 1
    float prescaler = (TIMER_FREQ * 1.0) / (84 * DAC_SAMPLE_POINT * fre) - 1;

    //配置PSC预分频值
    __HAL_TIM_SET_PRESCALER(&htim2, prescaler);
}

/**
 * @brief 实时输出方波数据
 */
void I_DAC_Output_Signal(void)
{
    uint16_t pwr, pt, it;

    // 数据改变后再输出
    if (g_laser.param_flag == 1)
    {
        g_laser.param_flag = 0;
        pwr = g_laser.laser_pwr;
        pt = g_laser.laser_pt;
        it = g_laser.laser_it;
        I_DAC_Output(100.0 * pt / (pt + it), pwr * I_DAC_MAX / I_PWR_MAX, 1000.0 / (pt + it));
    }
}
/*=====================================================#######  END  #######=================================================*/

4.dac.h

#ifndef APPLICATIONS_SYSTEM_INC_DAC_H_
#define APPLICATIONS_SYSTEM_INC_DAC_H_

#include <rtthread.h>

/**====================================================###### 宏定义 ######==================================================*/
#define  DAC_OUTPUT_MAX         (3.3f)          // DAC输出最大值
#define  I_DAC_MAX              (2.5f)          // I_DAC输出最大电压
#define  I_PWR_MAX              850             // I_DAC输出功率最大值
#define  DAC_REFERENCE_VALUE    4095            // DAC参考值
#define  TIMER_FREQ             84000000        // 定时器主频
#define  DAC_SAMPLE_POINT       100             // 采样点个数
/**====================================================#######  END  #######=================================================*/

/**=================================================##### 函数及变量声明 #####===============================================*/
extern void DAC_TIME_DMA_Init(void);                                    // DAC输出DMA初始化
extern void Start_Dac_Time_DMA(void);                                   // 启动DAC的定时器和DMA输出
extern void Stop_Dac_Time_DMA(void);                                    // 关闭DAC的定时器和DMA输出
extern void signalSquare (uint16_t  duty, float vol);                   // 方波信号缓存填充
extern void I_DAC_Output(uint16_t duty, float vol, uint32_t pscVal);    // 输出方波参数设置
extern void I_DAC_Output_Signal(void);                                  // 实时输出方波数据
/**====================================================#######  END  #######=================================================*/

#endif /* APPLICATIONS_SYSTEM_INC_DAC_H_ */

5.其他波形函数

//   正弦波信号缓存填充
void signalSin(void)
{
    for (int i = 0; i < 100; i++)
    {
        signalSinBuffer[i] = ((sin(i * 2 * PI / 100) + 1) * (4096 / 2));
    }
}

//   三角波信号缓存填充，duty: 对称性设置 0 ~ 100
void signalRamp(uint16_t duty)
{
    if(duty < 0)    duty = 0;
    if (duty > 100) duty = 100;

    for (int i = 0; i < duty; i++)
    {
        signalRampBuffer[i] = i * 4095 / duty;
    }

    for (int i = duty; i < 100; i++)
    {
        signalRampBuffer[i] = (100 - i) * 4095 / (100 - duty);
    }
}

四、测试验证

1.main.c测试

int main(void)
{
    DAC_TIME_DMA_Init();        // DAC输出DMA初始化
    Start_Dac_Time_DMA();       // 启动DAC的定时器和DMA输出

    while (1)
    {
    	I_DAC_Output(50, 5, 500);
        rt_thread_mdelay(1);
    }

    return RT_EOK;
}

总结：通过使用示波器测试输出的波形，可以正常观察到方波信号，并且可以更改方波的幅度、频率和占空比。同时上面还附带了其他波形生成的函数以供使用。

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