[嵌入式] M-Arch（6）第五个示例：DAC

前言

回顾下之前的章节：

第一章节中我们描述了整个框架的核心设计思路以及主要的文件架构
第二章节中我们基于一个简单的定时器OS实现了串口的数据打印，并完成了通用crc模块的设计和测试
第三章节中我们给出了真随机数和伪随机数的概念和代码示例，并在架构上对接口进行了重构
第四章节中我们回顾了FMC的基本知识，并给出了示例，后面我们将在设计IAP的时候再次使用到FMC
第五章节中我们使用ADC和DMA搭建了一个通用的采样框架，并通过串口给出了采样的数据示例

本文我们将总结下DAC的基本使用方法，并通过DAC生成任意频率的正弦波，三角波和方波。

什么是DAC？

前面我们讲过了ADC是把模拟量转成数字量，那么DAC就是反过来，即把数字量转成模拟量。

DAC一般需要配置的内容包括：

IO配置（时钟，模拟输入）
DAC参数配置（触发源，附加噪声？，数据宽度）
中断和DMA（使能）配置

DAC的配置比较简单，直接给出代码：

STM32

void?dac1_init(void)
{
????DAC_InitTypeDef?DAC_InitStructure;
????GPIO_InitTypeDef??GPIO_InitStructure;
????
????RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,?ENABLE);
????RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_DAC,?ENABLE);

????GPIO_InitStructure.GPIO_Pin?=?GPIO_Pin_4;
????GPIO_InitStructure.GPIO_Mode?=?GPIO_Mode_AIN;
????GPIO_Init(GPIOA,?&GPIO_InitStructure);

????DAC_DeInit();

????DAC_StructInit(&DAC_InitStructure);
????DAC_InitStructure.DAC_Trigger?=?DAC_Trigger_Software;
????DAC_InitStructure.DAC_WaveGeneration?=?DAC_WaveGeneration_None;
????DAC_InitStructure.DAC_OutputBuffer?=?ENABLE;
????DAC_Init(DAC_Channel_1,?&DAC_InitStructure);
????
????
????/*?enable?DAC0?and?set?data?*/
????DAC_Cmd(DAC_Channel_1,?ENABLE);
????DAC_SoftwareTriggerCmd(DAC_Channel_1,?ENABLE);
????DAC_SetChannel1Data(DAC_Align_12b_R,?0);
}

GD32

void?dac1_init(void)
{
????rcu_periph_clock_enable(RCU_GPIOA);
????rcu_periph_clock_enable(RCU_DAC);

????gpio_mode_set(GPIOA,?GPIO_MODE_ANALOG,?GPIO_PUPD_NONE,?GPIO_PIN_4);

????dac_deinit();

????/*?software?trigger?*/
????dac_trigger_enable(DAC0);
????dac_trigger_source_config(DAC0,?DAC_TRIGGER_SOFTWARE);

????/*?no?noise?wave?*/
????dac_wave_mode_config(DAC0,?DAC_WAVE_DISABLE);

????/*?noise?wave?-?triangle?*/
????//dac_wave_mode_config(DAC0,?DAC_WAVE_MODE_TRIANGLE);
????//dac_triangle_noise_config(DAC0,?DAC_TRIANGLE_AMPLITUDE_4095);
????/*?noise?wave?-?lfsr?*/
????//dac_wave_mode_config(DAC0,?DAC_WAVE_MODE_LFSR);
????//dac_lfsr_noise_config(DAC0,?DAC_LFSR_BITS11_0);
????
????dac_output_buffer_enable(DAC0);
????
????/*?enable?DAC0?and?set?data?*/
????dac_enable(DAC0);
????dac_software_trigger_enable(DAC0);
????dac_data_set(DAC0,?DAC_ALIGN_12B_R,?0);
}

DAC的噪声波

有两种方式可以将噪声波加载到 DAC 输出数据：LFSR 噪声波和三角波。

具体参见初始化中的配置项。

三角波的波形如下所示：

LFSR噪声波的波形如下所示：

DAC波形发生器

如何通过DAC产生任意频率的周期性波形？

对于一个周期性波形，实际上它是一个时间的函数，即：y=f(t)

抽象一把，我们要解决2个问题：

x轴时间如何采样？
y轴数据如何计算？

数学推导 - x轴

假设频率为f，周期为T（T=1/f）,采样点数为M：

那么△t = T/M，当给定频率f时，M=1/(△t*f)

在软件逻辑中，△t是定时器周期，为已知变量。

【注：请复习下奈奎斯特定理】

数学推导 - y轴方波

如下数学推导中，MAX为幅值。

y?=?0?if?p?<?M/2?else?MAX

1HZ方波

数学推导 - y轴三角波

y?=?p*MAX/(M/2)?if?p?<?M/2?else?(M-p)*MAX/(M/2)

1HZ三角波

数学推导 - y轴正弦波

正弦波可以用数学库中的sin函数来计算，但是比较费事，可以通过角度查表的方式来计算。

另外，由于sin函数包含负值，需要将数据向上平移到正值(+1)。

rad?=?360*p/M
y?=?(sin_table(rad)?+?1)?*?MAX/2

0-90°的sin函数表如下所示：

const?float?sinus_I_quarter[91]?=
{
????0.0000,?0.0175,?0.0349,?0.0523,?0.0698,?0.0872,?0.1045,?0.1219,?0.1392,?0.1564,?//?00?..?09
????0.1736,?0.1908,?0.2079,?0.2250,?0.2419,?0.2588,?0.2756,?0.2924,?0.3090,?0.3256,?//?10?..?19
????0.3420,?0.3584,?0.3746,?0.3907,?0.4067,?0.4226,?0.4384,?0.4540,?0.4695,?0.4848,?//?20?..?29
????0.5000,?0.5150,?0.5299,?0.5446,?0.5592,?0.5736,?0.5878,?0.6018,?0.6157,?0.6293,?//?30?..?39
????0.6428,?0.6561,?0.6691,?0.6820,?0.6947,?0.7071,?0.7193,?0.7314,?0.7431,?0.7547,?//?40?..?49
????0.7660,?0.7771,?0.7880,?0.7986,?0.8090,?0.8192,?0.8290,?0.8387,?0.8480,?0.8572,?//?50?..?59
????0.8660,?0.8746,?0.8829,?0.8910,?0.8988,?0.9063,?0.9135,?0.9205,?0.9272,?0.9336,?//?60?..?69
????0.9397,?0.9455,?0.9511,?0.9563,?0.9613,?0.9659,?0.9703,?0.9744,?0.9781,?0.9816,?//?70?..?79
????0.9848,?0.9877,?0.9903,?0.9925,?0.9945,?0.9962,?0.9976,?0.9986,?0.9994,?0.9998,?//?80?..?89
????1.0000??????????????????????????????????????????????????????????????????????????//?90
};

由于sin函数的对称性，91°~360°可以通过数学公式推导得到：

#define?CIRCLE_QUARTER_1????????1
#define?CIRCLE_QUARTER_2????????2
#define?CIRCLE_QUARTER_3????????3
#define?CIRCLE_QUARTER_4????????4

float?sinus_lookup?(unsigned?int?angle)
{
????float?sin_value;
????unsigned?int?circle_quarter;

????//?correct?angles?outside?the?accepted?angle?range?into?0?..?359
????if?(angle?>?359u)
????????angle?=?angle?%?360u;

????circle_quarter?=?1?+?(angle?/?90u);

????switch?(circle_quarter)
????{
????????case?CIRCLE_QUARTER_1:?//?00?..?89
????????????sin_value?=?sinus_I_quarter[angle];
????????????break;

????????case?CIRCLE_QUARTER_2:?//?90?..?179
????????????sin_value?=?sinus_I_quarter[180?-?angle];
????????????break;

????????case?CIRCLE_QUARTER_3:?//?180?..?269
????????????sin_value?=?-sinus_I_quarter[angle?-?180];
????????????break;

????????case?CIRCLE_QUARTER_4:?//?270?..?359
????????????sin_value?=?-sinus_I_quarter[360?-?angle];
????????????break;
????}

????return?sin_value;
}

1HZ正弦波

100HZ正弦波

程序设计

波形程序

我们通过一个0.1ms的定时器作为△t，在定时中断函数中执行绘图函数。

void?plot_sin(uint32_t?f,?uint32_t?delta_f)
{
????/*?定时周期为T=1/delta_f，?f=1/(pMax*T)?*/
????static?uint32_t?point?=?0;
????uint32_t?pMAX?=?delta_f/f;
????uint32_t?value?=?0;
????
????if?(point++?>?pMAX)?point?=?0;????
????value?=?(uint32_t)((sinus_lookup(360*point/pMAX)+1)*10000)*2047/10000;
????
????dac_software_trigger_enable(DAC0);
????dac_data_set(DAC0,?DAC_ALIGN_12B_R,?value);
}

void?plot_triangle(uint32_t?f,?uint32_t?delta_f)
{
????/*?定时周期为T=1/delta_f，?f=1/(pMax*T)?*/
????static?uint32_t?point?=?0;
????uint32_t?pMAX?=?delta_f/f;
????uint32_t?pMAX2?=?pMAX/2;
????uint32_t?value?=?0;
????
????if?(++point?>?pMAX)?point?=?0;

????if?(point?<?pMAX2)
????{
????????value?=?point?*?4095?/?pMAX2;
????}
????else
????{
????????value?=?(pMAX?-?point)?*?4095?/?pMAX2;
????}

????dac_software_trigger_enable(DAC0);
????dac_data_set(DAC0,?DAC_ALIGN_12B_R,?value);
}

void?plot_square(uint32_t?f,?uint32_t?delta_f)
{
????/*?定时周期为T=1/delta_f，?f=1/(pMax*T)?*/
????static?uint32_t?point?=?0;
????uint32_t?pMAX?=?delta_f/f;
????uint32_t?pMAX2?=?pMAX/2;
????uint32_t?value?=?0;
????
????if?(++point?>?pMAX)?point?=?0;

????if?(point?<?pMAX2)
????{
????????value?=?0;
????}
????else
????{
????????value?=?0xFFF;
????}

????dac_software_trigger_enable(DAC0);
????dac_data_set(DAC0,?DAC_ALIGN_12B_R,?value);
}

GD32的定时器配置和中断：

void?timer3_init(void)
{
????timer_deinit(TIMER2);
????rcu_periph_clock_enable(RCU_TIMER2);
????timerx_init(TIMER2,?999,?9);??//?100KHz?0.1ms
????timer_interrupt_enable(TIMER2,?TIMER_INT_UP);
????nvic_irq_enable(TIMER2_IRQn,?1,?2);
}

void?TIMER2_IRQHandler(void)
{
#ifdef?DAC_WAVE_TEST
????plot_sin(100,?10000);
????//plot_triangle(1,?10000);
????//plot_square(1,?10000);
#endif
????timer_interrupt_flag_clear(TIMER2,?TIMER_INT_FLAG_UP);
}

兼容设计

#ifdef?STM32

#define?DAC0?DAC_Channel_1
#define?DAC1?DAC_Channel_2

#define?DAC_ALIGN_12B_R?DAC_Align_12b_R

#define?dac_software_trigger_enable(channel)?DAC_SoftwareTriggerCmd(channel,?ENABLE)
#define?dac_data_set(DAC_Channel_1,?align,?value)?DAC_SetChannel1Data(align,?value)
#endif