我在百科荣创企业实践——简易函数信号发生器（2）

        对于高职教师来说，必不可少的一个任务就是参加企业实践。这个暑假，本人也没闲着，报名参加了上海市电子信息类教师企业实践。7月8日到13日，有幸来到美丽的泉城济南，远离了上海的酷暑，走进了百科荣创科技发展有限公司。在这短短的一周时间里，我结合自己的教学经验和企业的需求，对一个简易函数信号发生器的嵌入式项目做了教学内容的转换。接下来，就用博客的形式，把这次转换后的成果分享出来，如果您觉得有用，还望多多点赞和转发！

        针对本项目，笔者根据自己的理解，力求做到循序渐进和逐步深入，计划用6篇文章来展开，本文是第二篇，我们先来聊聊STM32的DAC，并做一个基本输出的实验。

二、STM32的DAC

2.1 DAC简介

        DAC为数字/模拟转换模块，顾名思义，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。

2.2 STM32的DAC功能概览

        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。图4是STM32的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：VDDA、VSSA及VREF+，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。如本项目实验中需要控制三角波和正弦波的频率，就需要定时器定时触发DAC进行数据转换。

2.3 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。

2.4 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（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）。

2.5 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输出三角波和正弦波的功能。

2.6 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，该结构体的主要成员见代码清单1。

//---------------------------------------------
// 代码清单1：DAC_InitTypeDef结构体
//---------------------------------------------
 
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;

（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

• 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，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，如图5所示，DAC在DHRx值的基础上升，达到最大幅度时下降，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。

2.7 与DAC相关的库函数

        代码清单2里是几个与DAC有关的库函数，下面简要介绍一下这几个函数：

• DAC_Cmd() 函数用来使能DAC转换通道；
• DAC开始工作后，我们就可以使用 DAC_SetChannel1Data() 函数在DAC的输出通道1（PA4引脚）得到不同的电压值了。第一个参数设置对齐方式，可以为12位右对齐 DAC_Align_12b_R、12位左对齐 DAC_Align_12b_L 以及8位右对齐 DAC_Align_8b_R 方式。第二个参数就是DAC的输入值了，这个很好理解，初始可以设置为0。
• DAC_GetDataOutputValue() 函数看名字也很好理解，是获取DAC指定通道上的值。注意，读到的值是最近一次转换的值。

//--------------------------------------
// 代码清单2：几个常用的DAC库函数
//--------------------------------------
 
//使能DAC通道1
DAC_Cmd(DAC_Channel_1, ENABLE);
 
//12位右对齐数据格式设置DAC值
DAC_SetChannel1Data(DAC_Align_12b_R, 0);
 
//读出DAC通道1最后一次转换的数值
DAC_GetDataOutputValue(DAC_Channel_1);

三、DAC基本输出

        我们先来做一个DAC的基本输出实验，使用DAC通道1输出模拟电压，然后通过万用表对该输出电压进行测量，看是否符合我们设定的值。此外，还可以通过按键对该输出电压进行设置。

3.1 工程文件清单

        如图6所示，在按键的基础工程上新增针对DAC的驱动文件 dac.c 和 dac.h，在 main.c 文件里编写主控制逻辑。

3.2 工程代码剖析

（1）dac.h源码剖析

        该文件源码见代码清单3，主要是DAC初始化和功能函数的声明，每个函数的功能和参数将在剖析 dac.c 源码时解读。

//---------------------------------------------------
// 代码清单3：dac.h
//---------------------------------------------------
 
#ifndef _DAC_H_
#define _DAC_H_
 
#include "sys.h"	     			    
	
//---------------------------------------------------
// 函数声明
//---------------------------------------------------
void DAC1_Init(void);				//DAC通道1初始化	 	 
void DAC1_Set_Vol(uint16_t vol);	//设置DAC通道1输出电压
 
#endif

（2）dac.c源码剖析

        该文件就是所有DAC驱动函数的定义，如代码清单4所示。

/**
 ************************************************************************
 * 代码清单4：dac.c
 * 描    述：DAC初始化、驱动
 * 平    台：百科荣创STM32F407核心板
 * 作    者：老耿
 * 日    期：2024-7-10
 * 固 件 库：ST3.5.0
 * 版    本：V1.0
 * 说    明：
 * 修改记录：无
 ************************************************************************
**/
 
//必要的头文件
#include "dac.h" 	
 
/**
 ************************************************************************
 * 函 数 名：DAC1_Init
 * 功    能：DAC通道1的配置
 * 入口参数：无
 * 出口参数：无
 * 说    明：DAC通道1对应PA4引脚，注意要配置成模拟输入
 ************************************************************************
**/
void DAC1_Init(void)
{  
	//定义必要的初始化结构体
	GPIO_InitTypeDef  gpio_initstruct;
	DAC_InitTypeDef   dac_initstruct;
	
	//打开GPIOA和DAC的外设时钟
	RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA, ENABLE);
	RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_DAC, ENABLE);
	   
	//PA4初始化为模拟输入
	gpio_initstruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_4;
	gpio_initstruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AN;
	gpio_initstruct.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_DOWN;
	GPIO_Init(GPIOA, &gpio_initstruct);
 
	//不使用触发功能
	dac_initstruct.DAC_Trigger = DAC_Trigger_None;
	//不使用波形发生
	dac_initstruct.DAC_WaveGeneration = DAC_WaveGeneration_None;
	//屏蔽、幅值设置
	dac_initstruct.DAC_LFSRUnmask_TriangleAmplitude = DAC_LFSRUnmask_Bit0;
	//DAC1输出缓存关闭
	dac_initstruct.DAC_OutputBuffer = DAC_OutputBuffer_Disable;
	//初始化DAC通道1
	DAC_Init(DAC_Channel_1,&dac_initstruct);
 
	//使能DAC通道1
	DAC_Cmd(DAC_Channel_1, ENABLE);
	//12位右对齐数据格式设置DAC值
	DAC_SetChannel1Data(DAC_Align_12b_R, 0);
}
 
/**
 ************************************************************************
 * 函 数 名：DAC1_Set_Vol
 * 功    能：设置通道1输出电压
 * 入口参数：vol --- 0~3300,代表0~3.3V
 * 出口参数：无
 * 说    明：无
 ************************************************************************
**/
void DAC1_Set_Vol(uint16_t vol)
{
	double temp = vol;
	temp /= 1000;
	temp = temp*4096/3.3;
	DAC_SetChannel1Data(DAC_Align_12b_R, temp);//12位右对齐数据格式设置DAC值
}

（3）main.c源码剖析

        主程序比较简单，如代码清单5所示，在完成必要的初始化之后，检测到S4按下，就累加DAC的值，检测到S3按下，就递减DAC的值。

/******************************************************
 * 代码清单5：main.c
 * 项    目：DAC基本输出
 * 任务描述：使用DAC通道1输出模拟电压，然后通过万用表测量
 *			 该输出电压进行测量，看是否符合我们设定的值。
 *			 此外，还可以通过按键对该输出电压进行设置。
 * 实验平台：百科荣创STM32F407开发板
 * 作    者：老耿
 * 日    期：2024/07/10
 ******************************************************/
 
//------------------------------------------------------
// 必要的头文件
//------------------------------------------------------
#include "sys.h"
#include "delay.h"
#include "dac.h"
#include "key.h"
 
//------------------------------------------------------
// 主函数
//------------------------------------------------------
int main(void)
{	 
	uint16_t dacval = 0;    //存放DAC值
	uint8_t  key;           //存放键值
	
	//设置系统中断优先级分组2
	NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);
	
	Delay_Init();	//延时初始化
	Key_Init();		//按键初始化
	DAC1_Init();	//DAC通道1初始化
 	
	//设置DAC初始值为0
	DAC_SetChannel1Data(DAC_Align_12b_R, dacval);	
	
	while(1)
	{	
		key = Key_Scan(0);		//检测按下的键
		
		if(key == 4)			//如果按下S4
		{						//DAC值累加200，约0.16V
			if(dacval < 4000)
				dacval += 200;
			DAC_SetChannel1Data(DAC_Align_12b_R, dacval);
		}
		else if(key == 3)		//如果按下S3
		{						//DAC值递减200
			if(dacval > 200)
				dacval -= 200;
			else
				dacval = 0;
			DAC_SetChannel1Data(DAC_Align_12b_R, dacval);
		}	 
	}	
}

3.3 验证与测试

        将万用表按照图7所示去测量DAC的输出电压，每单击一次S4按键，DAC值增加200，换算成电压值即：200*3.3/4096≈0.161V。同理，每单击一次S3按键，DAC值减少200。具体效果见文末的演示视频。

（第二部分完，共六部分）