《STM32F407 探索者开发指南》第三十四章 DAC实验

正点原子运营 · 发表于 2023-8-11 15:47:59

本帖最后由正点原子运营于 2023-8-10 11:34 编辑

第三十四章 DAC实验

1）实验平台：正点原子探索者STM32F407开发板

2) 章节摘自【正点原子】STM32F407开发指南 V1.1

3）购买链接:https://detail.tmall.com/item.htm?id=609294673401

4）全套实验源码+手册+视频下载地址：http://www.openedv.com/docs/boards/stm32/zdyz_stm32f407_explorerV3.html

5）正点原子官方B站：https://space.bilibili.com/394620890

6）STM32技术交流QQ群:151941872

本章，我们将介绍STM32F407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。

本章分为如下几个小节：

34.1 DAC简介

34.2 DAC输出实验

34.3 DAC输出三角波实验

34.4 DAC输出正弦波实验

34.1 DAC简介

STM32F407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+（通ADC共用）以获得更精确的转换结果。

图34.1.1 DAC通道框图

DAC通道框图如图34.1.1所示，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 噪声波形生成

⑥ 三角波形生成

⑦ 双DAC双通道同时或者分别转换

⑧ 每个通道都有DMA功能

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_OUT1/2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：

表34.1.1 DAC输入/输出引脚

从图34.1.1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，STM32F407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：

图34.1.2 DAC单通道模式下的数据寄存器对齐方式

① 8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）。

② 12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）。

③ 12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：

图34.1.3 DAC双通道模式下的数据寄存器对齐方式

① 8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）。

② 12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）。

③ 12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_CR1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_CR1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《STM32F407ZGT6.pdf》数据手册查到tSETTLING的典型值为3us，最大是6us，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34.1.4所示：

图34.1.4 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（TEN=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。这8个触发事件如下表所示：

表34.1.3 DAC触发选择

原表见《STM32F4xx参考手册_V4（中文版）.pdf》第292页表58。

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。

34.2 DAC输出实验

本实验我们来学习DAC输出实验。

34.2.1 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。

l DACx控制寄存器（DACx_CR）

DACx控制寄存器描述如图34.2.1.1所示：

图34.2.1.1 DACx_CR寄存器（部分）

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。所以该位我们设置为0。

TEN1位：用于DAC通道1的触发使能，我们设置该位为0，不使用硬件触发。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，默认设置为00，不使能噪声/波形输出。

DMAEN1位，用于控制DAC通道1的DMA使能，本实验不使能，设置该位为0即可。

MAMP[3:0]位，用于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值。本章没有用到波形发生器，所以设置为0即可。

l DACx通道1 12位右对齐数据保持寄存器（DACx_DHR12R1）

DACx通道1 12位右对齐数据保持寄存器描述如图34.2.1.3所示：

图34.2.1.3 DAC_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。

34.2.2 硬件设计
1. 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ADC1的通道5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。

2. 硬件资源

1）LED灯

LED0 – PF9

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）ADC1 ：通道5 – PA5

6）DAC1 ：通道1 – PA4

3. 原理图

我们来看看原理图上ADC1通道5（PA5）和DAC1通道1（PA4）引出来的引脚，如下图所示：

图34.2.2.1 ADC和DAC在开发板上的连接关系原理图

P11是多功能端口，我们只需要通过跳线帽连接P1的ADC和DAC，就可以使得ADC1通道5（PA5）和DAC1通道1（PA4）连接起来。对应的硬件连接如图34.2.2.2所示：

图34.2.2.2 硬件连接示意图

34.2.3 程序设计
34.2.3.1 DAC的HAL库驱动

DAC在HAL库中的驱动代码在stm32f4xx_hal_dac.c和stm32f4xx_hal_dac_ex.c文件（及其头文件）中。

1.HAL_DAC_Init函数

DAC的初始化函数，其声明如下：

HAL_StatusTypeDefHAL_DAC_Init(DAC_HandleTypeDef *hdac);

复制代码

l 函数描述：

用于初始化DAC。

l 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 */
__IOHAL_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;

复制代码

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。

l 函数返回值：

HAL_StatusTypeDef枚举类型的值。

l 注意事项：

DAC的MSP初始化函数HAL_DAC_MspInit，该函数声明如下：

voidHAL_DAC_MspInit(DAC_HandleTypeDef* hdac);

复制代码

2.HAL_DAC_ConfigChannel函数

DAC 的通道参数初始化函数，其声明如下：

HAL_StatusTypeDefHAL_DAC_ConfigChannel(DAC_HandleTypeDef *hdac,
DAC_ChannelConfTypeDef *sConfig, uint32_t Channel);

复制代码

l 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。

l 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;

复制代码

形参3用于选择要配置的通道，可选择DAC_CHANNEL_1或者DAC_CHANNEL_2。

l 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_StatusTypeDefHAL_DAC_Start(DAC_HandleTypeDef *hdac, uint32_t Channel);

复制代码

l 函数描述：

使能启动DAC转换通道。

l 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。

l 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_StatusTypeDefHAL_DAC_SetValue(DAC_HandleTypeDef *hdac, uint32_t Channel,uint32_t Alignment, uint32_t Data);

复制代码

l 函数描述：

配置DAC的通道输出值。

l 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。

l 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);

复制代码

l 函数描述：

获取所选DAC通道的最后一个数据输出值。

l 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。

l 函数返回值：

获取到的输出值。

DAC输出配置步骤

1）开启DAC和通道输出的GPIO时钟，配置该IO口的复用功能输出

首先开启DAC的时钟，然后配置GPIO为复用功能输出。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 */

复制代码

IO口复用功能是通过函数HAL_GPIO_Init来配置的。

2）初始化DAC

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回调函数来完成对DAC底层以及其输入通道IO的初始化，包括：ADC及GPIO时钟使能、GPIO模式设置等。这里我们没有重定义该回调函数，而是直接在dac_init函数中完成这些设置。

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。

34.2.3.2 程序流程图

图34.2.3.2.1DAC输出实验程序流程图

34.2.3.3 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。

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=42MHz=23.8ns
* DAC在输出buffer关闭的时候, 输出建立时间最小值: tSETTLING = 3us
* 因此DAC输出的最高速度约为:333Khz, 以10个点为一个周期, 最大能输出33Khz左
* 右的波形
*
*@param outx: 要初始化的通道
* @arg 1, 初始化DAC通道1
* @arg 2, 初始化DAC通道2
*@retval 无
*/
void dac_init(uint8_t outx)
{
__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) */
GPIO_InitTypeDef gpio_init_struct;
/*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;
gpio_init_struct.Pull = GPIO_NOPULL;
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &gpio_init_struct);
g_dac1_handle.Instance = DAC;
HAL_DAC_Init(&g_dac1_handle); /* 初始化DAC */
DAC_ChannelConfTypeDef dac_ch_conf;
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_dac1_handle, &dac_ch_conf, DAC_CHANNEL_1);
HAL_DAC_Start(&g_dac1_handle, DAC_CHANNEL_1); /* 开启DAC通道1 */
break;
case 2: /* DAC通道2配置 */
HAL_DAC_ConfigChannel(&g_dac1_handle, &dac_ch_conf, DAC_CHANNEL_2);
HAL_DAC_Start(&g_dac1_handle, DAC_CHANNEL_2); /* 开启DAC通道1 */
break;
default : break;
}
}

复制代码

该函数主要调用HAL_DAC_Init、HAL_DAC_ConfigChannel和HAL_DAC_Start函数三个函数对DAC进行初始化。一般我们是使用HAL_DAC_Init的MSP初始化回调函数HAL_DAC_MspInit用来编写存放时钟使能和IO口配置，这里我们为了使dac_init支持DAC1的OUT1/2两个通道初始化，就直接在dac_init里面初始化IO配置等。

下面是设置DAC通道1/2输出电压函数，其定义如下：

/**
*@brief 设置通道1/2输出电压
*@param outx: 1,通道1; 2,通道2
*@param vol : 0~3300,代表0~3.3V
*@retval 无
*/
voiddac_set_voltage(uint8_t outx, uint16_t vol)
{
double temp = vol;
temp /= 1000;
temp = temp * 4096 / 3.3;
if (temp >= 4096)temp = 4095; /* 如果值大于等于4096, 则取4095 */
if (outx == 1) /* 通道1 */
{
/* 12位右对齐数据格式设置DAC值 */
HAL_DAC_SetValue(&g_dac_handle, DAC_CHANNEL_1, DAC_ALIGN_12B_R, temp);
}
else /* 通道2 */
{
/* 12位右对齐数据格式设置DAC值 */
HAL_DAC_SetValue(&g_dac_handle, DAC_CHANNEL_2, DAC_ALIGN_12B_R, temp);
}
}

复制代码

该函数实际就是将电压值转换为DAC输入值，形参1用于设置通道，形参2设置要输出的电压值，设置的范围：0~3300，代表0~3.3V。

最后在main函数里面编写如下代码：

int main(void)
{
uint16_t adcx;
float temp;
uint8_t t = 0;
uint16_t dacval = 0;
uint8_t key;
HAL_Init(); /* 初始化HAL库 */
sys_stm32_clock_init(336, 8, 2, 7); /* 设置时钟, 168Mhz */
delay_init(168); /* 延时初始化 */
usart_init(115200); /* 串口初始化为115200 */
usmart_dev.init(84); /* 初始化USMART */
led_init(); /* 初始化LED */
lcd_init(); /* 初始化LCD */
key_init(); /* 初始化按键 */
adc_init(); /* 初始化ADC */
dac_init(1); /* 初始化DAC1_OUT1通道 */
lcd_show_string(30, 50, 200, 16, 16, "STM32", RED);
lcd_show_string(30, 70, 200, 16, 16, "DACTEST", RED);
lcd_show_string(30, 90, 200, 16, 16, "ATOM@ALIENTEK", RED);
lcd_show_string(30, 110, 200, 16, 16, "WK_UP:+ KEY1:-", RED);
lcd_show_string(30, 150, 200, 16, 16, "DACVAL:", BLUE);
lcd_show_string(30, 170, 200, 16, 16, "DACVOL:0.000V", BLUE);
lcd_show_string(30, 190, 200, 16, 16, "ADCVOL:0.000V", BLUE);
/* DAC初始值为0 */
HAL_DAC_SetValue(&g_dac_handle, DAC_CHANNEL_1, DAC_ALIGN_12B_R, 0);
while (1)
{
t++;
key = key_scan(0); /* 按键扫描 */
if (key == WKUP_PRES)
{
if (dacval < 4000)dacval += 200; /* DAC输出增大200 */
HAL_DAC_SetValue(&g_dac_handle, DAC_CHANNEL_1, DAC_ALIGN_12B_R,
dacval);
}
else if (key == KEY1_PRES)
{
if (dacval > 200)dacval -= 200; /* DAC输出减少200 */
else dacval = 0;
HAL_DAC_SetValue(&g_dac_handle, DAC_CHANNEL_1, DAC_ALIGN_12B_R,
dacval);
}
/* WKUP/KEY1按下了,或者定时时间到了 */
if (t == 10 || key == KEY1_PRES || key == WKUP_PRES)
{
/* 读取前面设置DAC1_OUT1的值 */
adcx =HAL_DAC_GetValue(&g_dac_handle, DAC_CHANNEL_1);
lcd_show_xnum(94, 150, adcx, 4, 16, 0, BLUE); /* 显示DAC寄存器值 */
temp = (float)adcx * (3.3 / 4096); /* 得到DAC电压值 */
adcx = temp;
lcd_show_xnum(94, 170, temp, 1, 16, 0, BLUE); /* 显示电压值整数部分 */
temp -= adcx;
temp *= 1000;
lcd_show_xnum(110, 170, temp, 3, 16, 0X80, BLUE);/*显示电压值的小数部分*/
/* 得到ADC通道19的转换结果 */
adcx = adc_get_result_average(ADC_ADCX_CHY, 10);
temp = (float)adcx * (3.3 / 65536); /* 得到ADC电压值(adc是16bit的) */
adcx = temp;
lcd_show_xnum(94, 190, temp, 1, 16, 0, BLUE); /* 显示电压值整数部分 */
temp -= adcx;
temp *= 1000;
lcd_show_xnum(110, 190, temp, 3, 16, 0X80, BLUE);/*显示电压值的小数部分*/
LED0_TOGGLE(); /* LED0闪烁 */
t = 0;
}
delay_ms(10);
}
}

复制代码

此部分代码，我们通过KEY_UP（WKUP按键）和KEY1（也就是上下键）来实现对DAC输出的幅值控制。按下KEY_UP增加，按KEY1减小。同时在LCD上面显示DHR12R1寄存器的值、DAC设置输出电压以及ADC采集到的DAC输出电压。

34.2.4 下载验证

下载代码后，可以看到LED0不停的闪烁，提示程序已经在运行了。LCD显示如下图所示：

图34.2.4.1 DAC输出实验测试图

验证试验前记得先通过跳线帽连接P11的ADC和DAC，然后我们可以通过按WK_UP按键，增加DAC输出的电压，这时ADC采集到的电压也会增大，通过按KEY1减小DAC输出的电压，这时ADC采集到的电压也会减小。

除此之外，我们还可以通过usmart调用dac_set_voltage函数，来直接设置DAC输出电压，如下图34.2.4.2所示：

图34.2.4.2 usmart测试图

34.3 DAC输出三角波实验

本实验我们来学习使用如何让DAC输出三角波，DAC初始化部分还是用DAC输出实验的，所以做本实验的前提是先学习DAC输出实验。

34.3.1 DAC寄存器

本实验用到的寄存器在DAC输出实验都有介绍。

34.3.2 硬件设计
1. 例程功能

使用DAC输出三角波，通过KEY0/KEY1两个按键，控制DAC1的通道1输出两种三角波，需要通过示波器接PA4进行观察。也可以通过usmart调用dac_triangular_wave函数，来控制输出哪种三角波。LED0闪烁，提示程序运行。

2. 硬件资源

1）LED灯

LED0 – PF9

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寸TFTLCD模块(仅限MCU屏，16位8080并口驱动)

4）独立按键：

KEY0 – PE4

KEY1 – PE3

5）DAC1 ：通道1 - PA4

3. 原理图

我们只需要把示波器的探头接到DAC1通道1（PA4）引脚，就可以在示波器上显示DAC输出的波形。PA4在P11多功能端口的DAC标志排针已经引出，硬件连接如图34.3.2.1所示：

图34.3.2.1 硬件连接示意图

34.3.3 程序设计

本实验用到的DAC的HAL库API函数前面都介绍过，具体调用情况请看程序解析部分。下面介绍DAC输出三角波的配置步骤。

DAC输出三角波配置步骤

1）开启DAC和通道输出的GPIO时钟，配置该IO口的复用功能输出

首先开启DAC的时钟，然后配置GPIO为复用功能输出。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 */

复制代码

IO口复用功能是通过函数HAL_GPIO_Init来配置的。

2）初始化DAC

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回调函数来完成对DAC底层以及其输入通道IO的初始化，包括：ADC及GPIO时钟使能、GPIO模式设置等。这里我们没有重定义该回调函数，而是直接在dac_init函数中完成这些设置。

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。这里我们根据三角波的特性，创建了dac_triangular_wave函数用于控制输出三角波。

34.3.3.1 程序流程图

图34.3.3.1.1DAC输出三角波实验程序流程图

34.3.3.2 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。

dac.h文件只有一些声明，下面直接开始介绍dac.c的程序，本实验的DAC初始化我们还是用到dac_init函数，就添加了一个设置DAC_OUT1输出三角波函数，其定义如下：

/**
*@brief 设置DAC_OUT1输出三角波
* @note 输出频率 ≈ 1000 / (dt * samples) Khz, 不过在dt较小的时候,比如
小于5us时, 由于delay_us本身就不准了(调用函数,计算等都需要时间,延时
很小的时候,这些时间会影响到延时), 频率会偏小.
*
*@param maxval : 最大值(0 <maxval < 4096), (maxval + 1)必须大于等于samples/2
*@param dt : 每个采样点的延时时间(单位: us)
*@param samples: 采样点的个数, samples必须小于等于(maxval + 1) * 2 ,
且maxval不能等于0
*@param n : 输出波形个数,0~65535
*
*@retval 无
*/
voiddac_triangular_wave(uint16_t maxval, uint16_t dt, uint16_t samples,
uint16_t n)
{
uint16_t i, j;
float incval; /* 递增量 */
float Curval; /* 当前值 */
if((maxval + 1) <= samples)return ; /* 数据不合法 */
incval = (maxval + 1) / (samples / 2); /* 计算递增量 */
for(j = 0; j < n; j++)
{
/* 先输出0 */
HAL_DAC_SetValue(&g_dac_handle, DAC_CHANNEL_1, DAC_ALIGN_12B_R, Curval);
for(i = 0; i < (samples / 2); i++) /* 输出上升沿 */
{
Curval += incval; /* 新的输出值 */
/* 用寄存器操作波形会更稳定 */
HAL_DAC_SetValue(&g_dac_handle,DAC_CHANNEL_1,DAC_ALIGN_12B_R,Curval);
delay_us(dt);
}
for(i = 0; i < (samples / 2); i++) /* 输出下降沿 */
{
Curval -= incval; /* 新的输出值 */
/* 用寄存器操作波形会更稳定 */
HAL_DAC_SetValue(&g_dac_handle,DAC_CHANNEL_1,DAC_ALIGN_12B_R,Curval);
delay_us(dt);
}
}
}

复制代码

该函数用于设置DAC通道1输出三角波，输出频率≈ 1000 / (dt * samples) Khz，形参意义在源码已经有详细注释。该函数中，我们使用HAL_DAC_SetValue函数来设置DAC的输出值，这样得到的三角波在示波器上可以看到，会有跳动现象（不平稳），是正常的；如果直接像寄存器例程一样使用寄存器DHR12R1来操作，得到的波形就比较稳定。由于使用HAL库的函数，CPU花费的时间会更长（因为指令变多了），对于对时间精度要求比较高的应用，就不适合用HAL库函数来操作了，这一点希望大家明白。所示学STM32不是只是会HAL库就可以了，对寄存器也是需要有一定的理解，最好是熟悉。这里用HAL库操作只是为了演示怎么使用HAL库的相关函数。

最后在main.c里面编写如下代码：

int main(void)
{
uint8_t t = 0;
uint8_t key;
HAL_Init(); /* 初始化HAL库 */
sys_stm32_clock_init(336, 8, 2, 7); /* 设置时钟, 168Mhz */
delay_init(168); /* 延时初始化 */
usart_init(115200); /* 串口初始化为115200 */
usmart_dev.init(84); /* 初始化USMART */
led_init(); /* 初始化LED */
lcd_init(); /* 初始化LCD */
key_init(); /* 初始化按键 */
dac_init(1); /* 初始化DAC1_OUT1通道 */
lcd_show_string(30, 50, 200, 16, 16, "STM32", RED);
lcd_show_string(30, 70, 200, 16, 16, "DACTriangular WAVE TEST", RED);
lcd_show_string(30, 90, 200, 16, 16, "ATOM@ALIENTEK", RED);
lcd_show_string(30, 110, 200, 16, 16, "KEY0:Wave1 KEY1:Wave2", RED);
lcd_show_string(30, 130, 200, 16, 16, "DACNone", BLUE); /* 提示无输出 */
while (1)
{
t++;
key = key_scan(0); /* 按键扫描 */
if (key == KEY0_PRES) /* 高采样率, 约100Hz波形 */
{
lcd_show_string(30, 130, 200, 16, 16, "DAC Wave1", BLUE);
/* 幅值4095, 采样点间隔5us, 200个采样点, 100个波形 */
dac_triangular_wave(4095, 5, 2000, 100);
lcd_show_string(30, 130, 200, 16, 16, "DACNone ", BLUE);
}
else if (key == KEY1_PRES) /* 低采样率, 约100Hz波形 */
{
lcd_show_string(30, 130, 200, 16, 16, "DAC Wave2", BLUE);
/* 幅值4095, 采样点间隔500us, 20个采样点, 100个波形 */
dac_triangular_wave(4095, 500, 20, 100);
lcd_show_string(30, 130, 200, 16, 16, "DACNone ", BLUE);
}
if (t == 10 ) /* 定时时间到了 */
{
LED0_TOGGLE(); /* LED0闪烁 */
t = 0;
}
delay_ms(10);
}
}

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该部分代码功能是，按下KEY0后，DAC输出三角波1，按下KEY1后，DAC输出三角波2，将dac_triangular_wave的形参代入公式：输出频率 ≈ 1000 / (dt * samples) Khz，得到三角波1和三角波2的频率都是100Hz。

34.3.4 下载验证

下载代码后，可以看到LED0不停的闪烁，提示程序已经在运行了。LCD显示如图34.3.4.1所示：

图34.3.4.1 DAC输出三角波实验测试图

没有按下任何按键之前，LCD屏显示DAC None，当按下KEY0后，DAC输出三角波1，LCD屏显示DAC Wave1 ，三角波1输出完成后LCD屏继续显示DAC None，当按下KEY1后，DAC输出三角波2，LCD屏显示DAC Wave2，三角波2输出完成后LCD屏继续显示DAC None。

其中三角波1和三角波2在示波器的显示情况如下图所示：

图34.3.4.2 DAC输出的三角波1

图34.3.4.3 DAC输出的三角波2

由上面两副测试图可以知道，三角波1的频率是96.3Hz，三角波2的频率是99.9Hz，基本都接近我们算出来的结果100Hz。

34.4 DAC输出正弦波实验

本实验我们来学习使用如何让DAC输出正弦波。实验将用定时器7来触发DAC进行转换输出正弦波，以DMA传输数据的方式。

34.4.1 DAC寄存器

本实验用到的寄存器在前面的实验都有介绍。

34.4.2 硬件设计
1. 例程功能

使用DAC输出正弦波，通过KEY0/KEY1两个按键，控制DAC1的通道1输出两种正弦波，需要通过示波器接PA4进行观察。TFTLCD显示DAC转换值、电压值和ADC的电压值。LED0闪烁，提示程序运行。

2. 硬件资源

1）LED灯

LED0 – PF9

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寸TFTLCD模块(仅限MCU屏，16位8080并口驱动)

4）独立按键：

KEY0 – PE4

KEY1 – PE3

5）ADC1 ：通道5 - PA5

6）DAC1 ：通道1 - PA4

7）DMA(DMA1 数据流5 通道7)

8）定时器7

3. 原理图

我们只需要把示波器的探头接到DAC1通道1（PA4）引脚，就可以在示波器上显示DAC输出的波形。PA4在P11多功能端口的DAC标志排针已经引出，硬件连接如图34.4.2.1所示：

图34.4.2.1 硬件连接示意图

34.4.3 程序设计
34.4.3.1 DAC的HAL库驱动

本实验用到的HAL库API函数前面大都介绍过，下面将介绍本实验用到且没有介绍过的。

1.HAL_DAC_Start_DMA函数

启动DAC使用DMA方式传输函数，其声明如下：

HAL_StatusTypeDefHAL_DAC_Start_DMA(DAC_HandleTypeDef *hdac, uint32_t Channel,uint32_t *pData, uint32_t Length, uint32_t Alignment);

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l 函数描述：

用于启动DAC使用DMA的方式。

l 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。

形参3是使用DAC输出数据缓冲区的指针。

形参4是DAC输出数据的长度。

形参5是指定DAC通道的数据对齐方式，有：DAC_ALIGN_8B_R（8位右对齐）、DAC_ALIGN_12B_L（12位左对齐）和DAC_ALIGN_12B_R（12位右对齐）三种方式。

l 函数返回值：

HAL_StatusTypeDef枚举类型的值。

2.HAL_DAC_Stop_DMA函数

停止DAC的DMA方式函数，其声明如下：

HAL_StatusTypeDefHAL_DAC_Stop_DMA(DAC_HandleTypeDef *hdac, uint32_t Channel);

复制代码

l 函数描述：

用于停止DAC的DMA方式。

l 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。

l 函数返回值：

HAL_StatusTypeDef枚举类型的值。

3.HAL_TIMEx_MasterConfigSynchronization函数

配置主模式下的定时器触发输出选择函数，其声明如下：

HAL_StatusTypeDefHAL_TIMEx_MasterConfigSynchronization(TIM_HandleTypeDef *htim, TIM_MasterConfigTypeDef*sMasterConfig);

复制代码

l 函数描述：

用于配置主模式下的定时器触发输出选择。

l 函数形参：

形参1是TIM_HandleTypeDef结构体类型指针变量。

形参2是TIM_MasterConfigTypeDef结构体类型指针变量，用于配置定时器工作在主/从模式，以及触发输出(TRGO和TRGO2)的选择。

l 函数返回值：

HAL_StatusTypeDef枚举类型的值。

DAC输出正弦波配置步骤

1）开启DACx和通道输出的GPIO时钟，配置该IO口的复用功能输出

首先开启DACx的时钟，然后配置GPIO为复用功能输出。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 */

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IO口复用功能是通过函数HAL_GPIO_Init来配置的。

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回调函数来完成对DAC底层以及其输入通道IO的初始化，包括：ADC及GPIO时钟使能、GPIO模式设置等。这里我们没有重定义该回调函数，而是直接在dac_dma_wave_init函数中完成这些设置。

3）配置DAC通道

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等。

4）配置DMA并关联DAC

通过HAL_DMA_Init函数初始化DMA，包括配置通道，外设地址，存储器地址，传输数据量等。

HAL库为了处理各类外设的DMA请求，在调用相关函数之前，需要调用一个宏定义标识符，来连接DMA和外设句柄。这个宏定义为__HAL_LINKDMA。

5）配置定时器控制触发DAC

通过HAL_TIM_Base_Init函数设置定时器溢出频率。

通过HAL_TIMEx_MasterConfigSynchronization函数配置定时器溢出事件用做触发器。

通过HAL_TIM_Base_Start函数启动计数。

6）使能DMA对应数据流中断，配置DMA中断优先级，使能ADC，使能并启动DMA

通过HAL_DAC_Stop_DMA函数先停止之前的DMA传输以及DAC输出。

再通过HAL_DAC_Start_DMA函数启动DMA传输以及DAC输出。

34.4.3.2 程序流程图

图34.4.3.2.1DAC输出正弦波实验程序流程图

34.4.3.3 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。

dac.h文件只有一些声明，下面直接开始介绍dac.c的程序，本实验的DAC以及DMA的初始化，我们用到dac_dma_wave_init函数，其定义如下：

/**
*@brief DAC DMA输出波形初始化函数
* @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=42MHz=23.8ns
* DAC在输出buffer关闭的时候, 输出建立时间最小值:
* tSETTLING = 3us(F407数据手册有写)
* 因此DAC输出的最高速度约为:333KHz, 以10个点为一个周期,
* 最大能输出33Khz左右的波形
*
*@param outx : 要初始化的通道. 1,通道1; 2,通道2
*@retval 无
*/
voiddac_dma_wave_enable(uint8_t outx)
{
DAC_ChannelConfTypeDef dac_ch_conf={0};
GPIO_InitTypeDef gpio_init_struct;
__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE(); /* DAC通道引脚端口时钟使能 */
__HAL_RCC_DAC_CLK_ENABLE(); /* DAC外设时钟使能 */
__HAL_RCC_DMA1_CLK_ENABLE(); /* DMA时钟使能 */
gpio_init_struct.Pin = (outx == 1) ? GPIO_PIN_4 : GPIO_PIN_5; /* PA4/5 */
gpio_init_struct.Mode = GPIO_MODE_ANALOG; /* 模拟 */
gpio_init_struct.Pull = GPIO_NOPULL; /* 不带上下拉 */
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &gpio_init_struct); /* 初始化DAC引脚 */
g_dac_dma_handle.Instance = DAC1;
HAL_DAC_Init(&g_dac_dma_handle); /* DAC初始化 */
/* 使用的DAM1Stream5/6 */
g_dma_dac_handle.Instance = (outx == 1) ? DMA1_Stream5 : DMA1_Stream6;
g_dma_dac_handle.Init.Channel = DMA_CHANNEL_7;
g_dma_dac_handle.Init.Direction = DMA_MEMORY_TO_PERIPH; /* 存储器到外设模式 */
g_dma_dac_handle.Init.PeriphInc = DMA_PINC_DISABLE; /* 外设地址禁止自增 */
g_dma_dac_handle.Init.MemInc = DMA_MINC_ENABLE; /* 存储器地址自增 */
/* 外设数据长度:16位 */
g_dma_dac_handle.Init.PeriphDataAlignment = DMA_PDATAALIGN_HALFWORD;
/* 存储器数据长度:16位 */
g_dma_dac_handle.Init.MemDataAlignment = DMA_MDATAALIGN_HALFWORD;
g_dma_dac_handle.Init.Mode = DMA_CIRCULAR; /* 循环模式 */
g_dma_dac_handle.Init.Priority = DMA_PRIORITY_MEDIUM; /* 中等优先级 */
g_dma_dac_handle.Init.FIFOMode = DMA_FIFOMODE_DISABLE; /* 不使用FIFO */
HAL_DMA_Init(&g_dma_dac_handle); /* 初始化DMA */
/* DMA句柄与DAC句柄关联 */
__HAL_LINKDMA(&g_dac_dma_handle, DMA_Handle1, g_dma_dac_handle);
dac_ch_conf.DAC_Trigger = DAC_TRIGGER_T7_TRGO; /* 采用定时器7触发 */
dac_ch_conf.DAC_OutputBuffer = DAC_OUTPUTBUFFER_ENABLE; /* 使能输出缓冲 */
/* DAC通道输出配置 */
HAL_DAC_ConfigChannel(&g_dac_dma_handle, &dac_ch_conf, DAC_CHANNEL_1);
}

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该函数用于初始化DAC用DMA的方式输出正弦波。本函数用到的API函数起前面都介绍过，请结合前面介绍过的相关内容来理解源码。这里值得注意的是我们是采用定时器7触发DAC进行转换输出的。

下面介绍DAC DMA使能波形输出函数，其定义如下：

/**
*@brief DAC DMA使能波形输出
* @note TIM7的输入时钟频率(f)来自APB1, f = 42* 2 = 84Mhz.
* DAC触发频率 ftrgo = f / ((psc + 1) * (arr + 1))
* 波形频率 = ftrgo / ndtr;
*@param outx : DAC通道1/2
*@param ndtr : DMA通道单次传输数据量
*@param arr : TIM7的自动重装载值
*@param psc : TIM7的分频系数
* @retval 无
*/
voiddac_dma_wave_enable(uint8_t outx, uint16_t ndtr, uint16_t arr, uint16_t psc)
{
TIM_HandleTypeDef tim7_handle = {0};
TIM_MasterConfigTypeDef master_config = {0};
__HAL_RCC_TIM7_CLK_ENABLE(); /* TIM7时钟使能 */
tim7_handle.Instance = TIM7; /* 选择定时器7 */
tim7_handle.Init.Prescaler = psc; /* 分频系数 */
tim7_handle.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP; /* 向上计数 */
tim7_handle.Init.Period = arr; /* 重装载值 */
tim7_handle.Init.AutoReloadPreload=TIM_AUTORELOAD_PRELOAD_ENABLE;/*自动重装*/
HAL_TIM_Base_Init(&tim7_handle); /* 初始化定时器7 */
master_config.MasterOutputTrigger = TIM_TRGO_UPDATE;
master_config.MasterSlaveMode = TIM_MASTERSLAVEMODE_DISABLE;
/*配置TIM7 TRGO */
HAL_TIMEx_MasterConfigSynchronization(&tim7_handle, &master_config);
HAL_TIM_Base_Start(&tim7_handle); /* 使能定时器7 */
/*先停止之前的传输 */
HAL_DAC_Stop_DMA(&g_dac_dma_handle,(outx==1)?DAC_CHANNEL_1:DAC_CHANNEL_2);
HAL_DAC_Start_DMA(&g_dac_dma_handle, (outx == 1) ? DAC_CHANNEL_1 :
DAC_CHANNEL_2, (uint32_t *)g_dac_sin_buf, ndtr, DAC_ALIGN_12B_R);
}

复制代码

该函数用于使能波形输出，利用定时器7的更新事件来触发DAC转换输出。使能定时器7的时钟后，调用HAL_TIMEx_MasterConfigSynchronization函数配置TIM7选择更新事件作为触发输出 (TRGO)，然后调用HAL_DAC_Stop_DMA函数停止DAC转换以及DMA传输，最后再调用HAL_DAC_Start_DMA函数重新配置并启动DAC和DMA。

最后在main.c里面编写如下代码：