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第三十三章 DAC实验

本章，我们将介绍STM32F103的DAC（Digital -to- analog converters，数模转换器）功能。我们通过三个实验来学习DAC，分别是DAC输出实验、DAC输出三角波实验和DAC输出正弦波实验。

33.1 DAC简介

STM32F103的DAC模块（数字/模拟转换模块）是12位数字输入，电压输出型的DAC。DAC可以配置为8位或12位模式，也可以与DMA控制器配合使用。DAC工作在12位模式时，数据可以设置成左对齐或右对齐。DAC模块有2个输出通道，每个通道都有单独的转换器。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。
STM32的DAC模块主要特点有：
① 2个DAC转换器：每个转换器对应1个输出通道
② 8位或者12位单调输出
③ 12位模式下数据左对齐或者右对齐
④ 同步更新功能
⑤ 噪声\三角波形生成
⑥ 双DAC双通道同时或者分别转换
⑦每个通道都有DMA功能
DAC通道框图如图33.1.1所示：
在这里插入图片描述

图33.1.1 DAC通道框图
图中VDDA和VSSA为DAC模块模拟部分的供电，而VREF+则是DAC模块的参考电压。DAC_OUTx就是DAC的两个输出通道了（对应PA4或者PA5引脚）。ADC的这些输入/输出引脚信息如下表所示：
引脚名称信号类型说明
VREF+ 正模拟参考电压输入 DAC高/正参考电压，VREF+≤VDDA（3.3V）
VDDA 模拟电源输入模拟电源
VSSA 模拟电源地输入模拟电源地
DAC_OUTx 模拟输出信号 DAC通道x模拟输出，x=1、2
表33.1.1 DAC输入/输出引脚
从图33.1.1可以看出，DAC输出是受DORx（x=1/2，下同）寄存器直接控制的，但是我们不能直接往DORx寄存器写入数据，而是通过DHRx间接的传给DORx寄存器，实现对DAC输出的控制。
前面我们提到，STM32F103的DAC支持8/12位模式，8位模式的时候是固定的右对齐的，而12位模式又可以设置左对齐/右对齐。DAC单通道模式下的数据寄存器对齐方式，总共有3种情况，如下图所示：
在这里插入图片描述

图33.1.2 DAC单通道模式下的数据寄存器对齐方式
①8位数据右对齐：用户将数据写入DAC_DHR8Rx[7:0]位（实际存入DHRx[11:4]位）。
②12位数据左对齐：用户将数据写入DAC_DHR12Lx[15:4]位（实际存入DHRx[11:0]位）。
③12位数据右对齐：用户将数据写入DAC_DHR12Rx[11:0]位（实际存入DHRx[11:0]位）。
我们本章实验中使用的都是单通道模式下的DAC通道1，采用12位右对齐格式，所以采用第③种情况。另外DAC还具有双通道转换功能。
对于DAC双通道（可用时），也有三种可能的方式，如下图所示：
在这里插入图片描述

图33.1.3 DAC双通道模式下的数据寄存器对齐方式
①8位数据右对齐：用户将DAC通道1的数据写入DAC_DHR8RD[7:0]位（实际存入DHR1[11:4]位），将DAC通道2的数据写入DAC_DHR8RD[15:8]位（实际存入DHR2[11:4]位）。
②12位数据左对齐：用户将DAC通道1的数据写入DAC_DHR12LD[15:4]位（实际存入DHR1[11:0]位），将DAC通道2的数据写入DAC_DHR12LD[31:20]位（实际存入DHR2[11:0]位）。
③12位数据右对齐：用户将DAC通道1的数据写入DAC_DHR12RD[11:0]位（实际存入DHR1[11:0]位），将DAC通道2的数据写入DAC_DHR12RD[27:16]位（实际存入DHR2[11:0]位）。
DAC可以通过软件或者硬件触发转换，通过配置TENx控制位来决定。
如果没有选中硬件触发（寄存器DAC_CR的TENx位置0），存入寄存器DAC_DHRx的数据会在1个APB1时钟周期后自动传至寄存器DAC_DORx。如果选中硬件触发（寄存器DAC_CR的TENx位置1），数据传输在触发发生以后3个APB1时钟周期后完成。一旦数据从DAC_DHRx寄存器装入DAC_DORx寄存器，在经过时间tSETTLING之后，输出即有效，这段时间的长短依电源电压和模拟输出负载的不同会有所变化。我们可以从《《STM32F103ZET6.pdf》数据手册查到tSETTLING的典型值为3us，最大是4us，所以DAC的转换速度最快是333K左右。
不使用硬件触发（TEN=0），其转换的时间框图如图33.1.4所示：
在这里插入图片描述

图33.1.4 TEN=0时DAC模块转换时间框图
当DAC的参考电压为Vref+的时候，DAC的输出电压是线性的从0~Vref+，12位模式下DAC输出电压与Vref+以及DORx的计算公式如下：
DACx输出电压= Vref *（DORx/4096）
如果使用硬件触发（TENx=1），可通过外部事件（定时计数器、外部中断线）触发DAC转换。由TSELx[2:0]控制位来决定选择8个触发事件中的一个来触发转换。触发事件如下表所示：
在这里插入图片描述

表33.1.3 DAC触发选择
原表见《STM32F10xxx参考手册_V10（中文版）.pdf》第185页表71。
每个DAC通道都有DMA功能，两个DMA通道分别用于处理两个DAC通道的DMA请求。如果DMAENx位置1时，如果发生外部触发（而不是软件触发），就会产生一个DMA请求，然后DAC_DHRx寄存器的数据被转移到DAC_NORx寄存器。
33.2 DAC输出实验
本实验我们来学习DAC输出实验。
33.2.1 DAC寄存器
下面，我们介绍要实现DAC的通道1输出，需要用到的一些DAC寄存器。
 DAC控制寄存器（DAC_CR）
DAC控制寄存器描述如图33.2.1.1所示：
在这里插入图片描述

图33.2.1.1 DACx_CR寄存器
DAC_CR的低16位用于控制通道1，高16位用于控制通道2，下面介绍本实验需要设置的一些位：
EN1位用于DAC通道1的使能，我们需要用到DAC通道1的输出，该位必须设置为1。
BOFF1位用于DAC输出缓存控制，这里STM32的DAC输出缓存做的有些不好，如果使能的话，虽然输出能力强一点，但是输出没法到0，这是个很严重的问题。所以本章的三个实验我们都不使用输出缓存，即该位设置为1。
TEN1位用于DAC通道1的触发使能，我们设置该位为0，不使用触发。写入DHR1的值会在1个APB1周期后传送到DOR1，然后输出到PA4口上。
TSEL1[2:0]位用于选择DAC通道1的触发方式，这里我们没有用到外部触发，所以这几位设置为0即可。
WAVE1[1:0]位用于控制DAC通道1的噪声/波形输出功能，我们这里没用到波形发生器，所以默认设置为00，不使能噪声/波形输出。
MAMP[3:0]位是屏蔽/幅值选择器，用来在噪声生成模式下选择屏蔽位，在三角波生成模式下选择波形的幅值。本实验没有用到波形发生器，所以设置为0即可。
DMAEN1位用于DAC通道1的DMA使能，本实验没有用到DMA功能，所以设置为0。
 DAC通道1 12位右对齐数据保持寄存器（DAC_DHR12R1）
DAC通道1的12位右对齐数据保持寄存器描述如图33.2.1.3所示：
在这里插入图片描述

图33.2.1.3 DAC0_ DHR12R1寄存器
该寄存器用来设置DAC输出，通过写入12位数据到该寄存器，就可以在DAC输出通道1（PA4）得到我们所要的结果。
33.2.2 硬件设计

例程功能
使用KEY1/KEY_UP两个按键，控制STM32内部DAC的通道1输出电压大小，然后通过ADC2的通道14采集DAC输出的电压，在LCD模块上面显示ADC采集到的电压值以及DAC的设定输出电压值等信息。也可以通过usmart调用dac_set_voltage函数，来直接设置DAC输出电压。LED0闪烁，提示程序运行。
硬件资源
1）LED灯 LED0 – PB5
2）串口1(PA9/PA10连接在板载USB转串口芯片CH340上面)
3）正点原子 2.8/3.5/4.3/7/10寸TFTLCD模块(仅限MCU屏，16位8080并口驱动)
4）独立按键：KEY1 - PE3、WK_UP - PA0
5）ADC3 ：通道1 – PA1
6）DAC1 ：通道1 – PA4
原理图
我们来看看原理图上ADC3通道1（PA1）和DAC1通道1（PA4）引出来的引脚，如下图所示：

图33.2.2.1 ADC和DAC在开发板上的连接关系原理图
我们只需要通过跳线帽连接ADC和DAC，就可以使得ADC3通道1（PA1）和DAC1通道1（PA4）连接起来。对应的硬件连接如图33.2.2.2所示：
在这里插入图片描述

图33.2.2.2 硬件连接示意图
33.2.3 程序设计
33.2.3.1 DAC的HAL库驱动
DAC在HAL库中的驱动代码在stm32f1xx_hal_dac.c和stm32f1xx_hal_dac_ex.c文件（及其头文件）中。

HAL_DAC_Init函数
DAC的初始化函数，其声明如下：
HAL_StatusTypeDef HAL_DAC_Init(DAC_HandleTypeDef *hdac);
函数描述：
用于初始化DAC。
函数形参：
形参1是DAC_HandleTypeDef结构体类型指针变量，其定义如下：

typedef struct
{
  DAC_TypeDef                    *Instance;    		/* DAC寄存器基地址 */
  __IO HAL_DAC_StateTypeDef   State;           	/* DAC 工作状态 */
  HAL_LockTypeDef               Lock;            	/* DAC锁定对象 */
  DMA_HandleTypeDef             *DMA_Handle1;  	/* 通道1的DMA处理句柄指针 */
  DMA_HandleTypeDef             *DMA_Handle2;  	/* 通道2的DMA处理句柄指针 */
  __IO uint32_t                  ErrorCode;     	/* DAC错误代码 */
} DAC_HandleTypeDef;

从该结构体看到该函数并没有设置任何DAC相关寄存器，即没有对DAC进行任何配置，它只是HAL库提供用来在软件上初始化DAC，为后面HAL库操作DAC做好准备。
函数返回值：
HAL_StatusTypeDef枚举类型的值。
注意事项：
DAC的MSP初始化函数HAL_DAC_MspInit，该函数声明如下：
void HAL_DAC_MspInit(DAC_HandleTypeDef* hdac);
2. HAL_DAC_ConfigChannel函数
DAC 的通道参数初始化函数，其声明如下：
HAL_StatusTypeDef HAL_DAC_ConfigChannel(DAC_HandleTypeDef *hdac,
DAC_ChannelConfTypeDef *sConfig, uint32_t Channel);
函数描述：
该函数用来配置DAC通道的触发类型以及输出缓冲。
函数形参：
形参1是DAC_HandleTypeDef结构体类型指针变量。
形参2是DAC_ChannelConfTypeDef结构体类型指针变量，其定义如下：

typedef struct
{
  uint32_t DAC_Trigger;                 /* DAC触发源的选择 */
  uint32_t DAC_OutputBuffer;           /* 启用或者禁用DAC通道输出缓冲区 */
} DAC_ChannelConfTypeDef;

形参2用于选择要配置的通道，可选择DAC_CHANNEL_1或者DAC_CHANNEL_2。
函数返回值：
HAL_StatusTypeDef枚举类型的值。
3. HAL_DAC_Start函数
使能启动DAC转换通道函数，其声明如下：
HAL_StatusTypeDef HAL_DAC_Start(DAC_HandleTypeDef *hdac, uint32_t Channel);
函数描述：
使能启动DAC转换通道。
函数形参：
形参1是DAC_HandleTypeDef结构体类型指针变量。
形参2用于选择要启动的通道，可选择DAC_CHANNEL_1或者DAC_CHANNEL_2。
函数返回值：
HAL_StatusTypeDef枚举类型的值。
4. HAL_DAC_SetValue函数
DAC的通道输出值函数，其声明如下：
HAL_StatusTypeDef HAL_DAC_SetValue(DAC_HandleTypeDef *hdac, uint32_t Channel,
uint32_t Alignment, uint32_t Data);
函数描述：
配置DAC的通道输出值。
函数形参：
形参1是DAC_HandleTypeDef结构体类型指针变量。
形参2用于选择要输出的通道，可选择DAC_CHANNEL_1或者DAC_CHANNEL_2。
形参3用于指定数据对齐方式。
形参4设置要加载到选定数据保存寄存器中的数据。
函数返回值：
HAL_StatusTypeDef枚举类型的值。
5. HAL_DAC_GetValue函数
DAC读取通道输出值函数，其声明如下：
uint32_t HAL_DAC_GetValue(DAC_HandleTypeDef *hdac, uint32_t Channel);
函数描述：
获取所选DAC通道的最后一个数据输出值。
函数形参：
形参1是DAC_HandleTypeDef结构体类型指针变量。
形参2用于选择要读取的通道，可选择DAC_CHANNEL_1或者DAC_CHANNEL_2。
函数返回值：
获取到的输出值。
DAC输出配置步骤
1）开启DACx和DAC通道对应的IO时钟，并配置该IO为模拟功能
首先开启DACx的时钟，然后配置GPIO为模拟模式。本实验我们默认用到DAC1通道1，对应IO是PA4，它们的时钟开启方法如下：

__HAL_RCC_DAC_CLK_ENABLE ();           /* 使能DAC1时钟 */
__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();          /* 开启GPIOA时钟 */

2）初始化DACx
通过HAL_DAC_Init函数来设置需要初始化的DAC。该函数并没有设置任何DAC相关寄存器，也就是说没有对DAC进行任何配置，它只是HAL库提供用来在软件上初始化DAC。
注意：该函数会调用HAL_DAC_MspInit函数来存放DAC和对应通道的IO时钟使能和初始化IO等代码。
3）配置DAC通道并启动DA转换器
在HAL库中，通过HAL_DAC_ConfigChannel函数来设置配置DAC的通道，根据需求设置触发类型以及输出缓冲。
配置好DAC通道之后，通过HAL_DAC_Start函数启动DA转换器。
4）设置DAC的输出值
通过HAL_DAC_SetValue函数设置DAC的输出值。
33.2.3.2 程序流程图
在这里插入图片描述

图33.2.3.2.1 DAC输出实验程序流程图
33.2.3.3 程序解析
这里我们只讲解核心代码，详细的源码请大家参考光盘本实验对应源码。DAC驱动源码包括两个文件：dac.c和dac.h。本实验有3个实验，每一个实验的代码都是在上一个实验后面追加。
dac.h文件只有一些声明，下面直接开始介绍dac.c的程序，首先是DAC初始化函数。

/**
 * @brief       DAC初始化函数
 * @note        本函数支持DAC1_OUT1/2通道初始化
 *       DAC的输入时钟来自APB1, 时钟频率=36Mhz=27.8ns
 *       DAC在输出buffer关闭的时候, 输出建立时间: tSETTLING = 4us 
 *       因此DAC输出的最高速度约为:250Khz, 以10个点为一个周期, 最大能输出25Khz左右的波形
 * @param     outx: 要初始化的通道. 1,通道1; 2,通道2
* @retval    无
*/
void dac_init(uint8_t outx)
{
    GPIO_InitTypeDef gpio_init_struct;
    DAC_ChannelConfTypeDef dac_ch_conf;
    
    __HAL_RCC_DAC_CLK_ENABLE();  /* 使能DAC1的时钟 */
    __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();/* 使能DAC OUT1/2的IO口时钟(都在PA口,PA4/PA5) */
    
/* STM32单片机, 总是PA4=DAC1_OUT1, PA5=DAC1_OUT2 */
    gpio_init_struct.Pin = (outx==1)? GPIO_PIN_4 : GPIO_PIN_5;  
    gpio_init_struct.Mode = GPIO_MODE_ANALOG;
    HAL_GPIO_Init(GPIOA, &gpio_init_struct);

    g_dac_handle.Instance = DAC;
    HAL_DAC_Init(&g_dac_handle);                                  /* 初始化DAC */

    dac_ch_conf.DAC_Trigger = DAC_TRIGGER_NONE;                /* 不使用触发功能 */
    dac_ch_conf.DAC_OutputBuffer = DAC_OUTPUTBUFFER_DISABLE;/* DAC1输出缓冲关闭 */
    
    switch(outx)
    {
        case 1:
/* DAC通道1配置 */
            HAL_DAC_ConfigChannel(&g_dac_handle, &dac_ch_conf, DAC_CHANNEL_1); 
            HAL_DAC_Start(&g_dac_handle,DAC_CHANNEL_1);    /* 开启DAC通道1 */
            break;
        case 2:
/* DAC通道2配置 */
            HAL_DAC_ConfigChannel(&g_dac_handle, &dac_ch_conf, DAC_CHANNEL_2);  
            HAL_DAC_Start(&g_dac_handle,DAC_CHANNEL_2);    /* 开启DAC通道1 */
            break;
        default:break;
    }
}

该函数主要调用HAL_DAC_Init和HAL_DAC_ConfigChannel函数初始化DAC，并调用HAL_DAC_Start函数使能DAC通道。HAL_DAC_Init函数会调用HAL_DAC_MspInit回调函数，该函数用于存放DAC和对应通道的IO时钟使能和初始化IO等代码。本实验为了让dac_init函数支持DAC的OUT1/2两个通道的初始化，就没有用到该函数。