《嵌入式 – GD32開發實戰指南》第13章 DAC

開發環境：

MDK：Keil 5.30

開發闆：GD32F207I-EVAL

MCU：GD32F207IK

13.1 DAC工作原理

13.1.1 DAC介紹

數字/模拟轉換子產品(DAC)是12位數字輸入，電壓輸出的數字/模拟轉換器。DAC可以配置為8位或12位模式，也可以與DMA控制器配合使用。DAC工作在12位模式時，資料可以設定成左對齊或右對齊。DAC子產品有2個輸出通道，每個通道都有單獨的轉換器。在雙DAC模式下，2個通道可以獨立地進行轉換，也可以同時進行轉換并同步地更新2個通道的輸出。DAC可以通過引腳輸入參考電壓VREF+ 以獲得更精确的轉換結果。

13.1.2 DAC主要特征

● 2個DAC轉換器：每個轉換器對應1個輸出通道

● 8位或者12位單調輸出

● 12位模式下資料左對齊或者右對齊

● 同步更新功能

● 噪聲波形生成或三角波形生成

● 雙DAC通道同時或者分别轉換

● 每個通道都有DMA功能

● 外部觸發轉換

● 輸入參考電壓VREF+

【注意】一旦使能DACx通道，相應的GPIO引腳(PA4或者PA5)就會自動與DAC的模拟輸出相連(DAC_OUTx)。為了避免寄生的幹擾和額外的功耗，引腳PA4或者PA5在之前應當設定成模拟輸入(AIN)。

13.1.3 DAC功能描述

使能DAC通道

将DAC_CTL 寄存器中的 DENx 位置 ’1’ 即可打開對DAC通道x 的供電。經過一段啟動時間tWAKEUP，DAC通道x 即被使能。

注意：DENx位隻會使能DAC通道x的模拟部分，即便該位被置’0’，DAC通道x的數字部分仍然工作。

使能DAC輸出緩存

DAC內建了2個輸出緩存，可以用來減少輸出阻抗，無需外部運放即可直接驅動外部負載。每個DAC通道輸出緩存可以通過設定 DAC_CTL 寄存器的 DBOFFx 位來開啟或者關閉緩沖區。

DAC輸出電壓

數字輸入經過DAC被線性地轉換為模拟電壓輸出，其範圍為0到VREF+。任一DAC通道引腳上的輸出電壓滿足下面的關系：

DAC輸出 = VREF x (DAC_DO / 4096)

【注】官方手冊有問題的，這裡應該是4096

DAC資料格式

根據選擇的配置模式，資料按照下文所述寫入指定的寄存器：

●8位資料右對齊：使用者須将資料寫入寄存器DACx_R8DH [7:0]位

●12位資料左對齊：使用者須将資料寫入寄存器DACx_L12DH[15:4]位

●12位資料右對齊：使用者須将資料寫入寄存器DACx_R12DH[11:0]位

經過相應的移位後，寫入的資料被轉存到DACx_DH寄存器中。随後，DACx_DH寄存器的内容或被自動地傳送到DACx_DO寄存器，或通過軟體觸發或外部事件觸發被傳送到DACx_DO寄存器。

DAC轉換

如果使能了外部觸發（通過設定 DAC_CTL 寄存器的 DTENx 位），根據已經選擇的觸發事件，DAC 保持資料（DACx_DH）會被轉移到 DAC 資料輸出寄存器（DACx_DO）。否則，在外部觸發沒有使能的情況下， DAC 保持資料（DACx_DH）會被自動轉移到 DAC 資料輸出寄存器（DACx_DO）。

當 DAC 保持資料（DACx_DH）加載到 DACx_DO 寄存器時，經過 tSETTLING 時間之後，模拟輸出變得有效， tSETTLING 的值與電源電壓和模拟輸出負載有關。

選擇DAC觸發

通過設定 DAC_CTL 寄存器中 DTENx 位來使能 DAC 外部觸發。觸發源可以通過 DAC_CTL寄存器中 DTSELx 位來進行選擇。

TIMERx_TRGO 信号是由定時器生成的，而軟體觸發是通過設定 DAC_SWT 寄存器的 SWTRx位生成的。

13.2 DAC寄存器描述

我們介紹一下要實作 DAC 輸出，需要用到的一些寄存器。首先是 DAC控制寄存器DAC_CTL，該寄存器的各位描述如下圖所示。

DAC_CTL的低 16 位用于控制通道0，而高 16 位用于控制通道 1，我們這裡僅列出比較重要的最低 8 位的較長的描述。

首先，我們來看 DAC 通道0使能位(DEN0)，該位用來控制 DAC 通道 0使能的，本章我們就是用的 DAC 通道 0，是以該位設定為 1。

再看關閉 DAC 通道 0輸出緩存控制位（DBOFF0），這裡 GD32 的 DAC 輸出緩存做的有些不好，如果使能的話，雖然輸出能力強一點，但是輸出沒法到 0，這是個很嚴重的問題。是以本章我們不使用輸出緩存。即設定該位為 1。DAC 通道0觸發使能位（DTEN0），該位用來控制是否使用觸發，裡我們不使用觸發，是以設定該位為 0。DAC 通道 0觸發選擇位（DTSEL0 [2:0]），這裡我們沒用到外部觸發，是以設定這幾個位為 0就行了。DAC 通道 0噪聲/三角波生成使能位（DWM0 [1:0]），這裡我們同樣沒用到波形發生器，故也設定為 0 即可。DAC 通道0噪聲波位寬（DWBW0 [3:0]），這些位僅在使用了波形發生器的時候有用，本章沒有用到波形發生器，故設定為 0 就可以了。

最後是 DAC 通道0 DMA 使能位（DDMAEN0）。

在 DAC_CTL設定好之後， DAC 就可以正常工作了， 我們僅需要再設定 DAC 的資料保持寄存器的值，就可以在 DAC 輸出通道得到你想要的電壓了（對應 IO 口設定為模拟輸入）。假設我們用的是 DAC 通道 0的 12 位右對齊資料保持寄存器：DAC0_R12DH，該寄存器各位描述如下圖所示。

該寄存器用來設定 DAC 輸出，通過寫入 12 位資料到該寄存器，就可以在 DAC 輸出通道0得到我們所要的結果。

13.3 DAC應用代碼實作

13.3.1 DAC普通方式輸出

本章我們将使用庫函數的方法來設定 DAC 子產品的通道0來輸出模拟電壓，其詳細設定步驟如下：

1）開啟 PA 口時鐘，設定 PA4為模拟輸入。

GD32F207的 DAC 通道0在 PA4上，是以，我們先要使能PA4的時鐘， 然後設定 PA4為模拟輸入。DAC 本身是輸出，但是為什麼端口要設定為模拟輸入模式呢？因為一但使能 DACx 通道後，相應的 GPIO 引腳（PA4 或者 PA5）會自動與 DAC 的模拟輸出相連，設定為輸入，是為了避免額外的幹擾。

使能 GPIOA 時鐘：

rcu_periph_clock_enable(RCU_GPIOA);      

設定 PA5為模拟輸入隻需要設定初始化參數即可：

gpio_init(GPIOA, GPIO_MODE_AIN, GPIO_OSPEED_50MHZ, GPIO_PIN_5);      

2）使能 DAC時鐘。

同其他外設一樣，要想使用，必須先開啟相應的時鐘。DAC 子產品時鐘是由 APB1提供的。

rcu_periph_clock_enable(RCU_DAC); //使能 DAC 通道時鐘      

3）初始化 DAC,設定 DAC 的工作模式。

該部分設定全部通過 DAC_CR 設定實作，包括：DAC 通道 使能、 DAC 通道輸出緩存關閉、不使用觸發、不使用波形發生器等設定。

/* configure the DAC0 */
dac_trigger_disable(DAC0);
dac_wave_mode_config(DAC0, DAC_WAVE_DISABLE);
dac_output_buffer_enable(DAC0);

dac_trigger_disable()函數用來關閉觸發功能。
dac_wave_mode_config()設定是否使用波形發生，這裡我們前面同樣講解過不使用。是以值為 DAC_WAVE_DISABLE。
dac_output_buffer_enable用于緩存的配置，如果不使用輸出緩存，是以使用dac_output_buffer_enable()關閉緩存。      

4）使能 DAC 轉換通道

初始化 DAC 之後，理所當然要使能 DAC 轉換通道，庫函數方法是：

dac_enable(DAC0); //使能 DAC0      

5）設定 DAC 的輸出值。

通過前面 4 個步驟的設定， DAC 就可以開始工作了，我們使用 12 位右對齊資料格式，是以我們通過設定 DAC0_R12DH，就可以在 DAC 輸出引腳（PA4）得到不同的電壓值了。 庫函數的函數是：

dac_data_set(DAC0, DAC_ALIGN_12B_R, 0);      

第二個參數設定對齊方式，可以為 12 位右對齊DAC_ALIGN_12B_R， 12 位左對齊DAC_ALIGN_12B_L 以及 8 位右對齊 DAC_ALIGN_8B_R方式。

第三個參數就是 DAC 的輸入值了，這個很好了解，初始化設定為 0。這裡，還可以讀出 DAC 的數值，函數是：

dac_output_value_get (DAC0);      

是以DAC0的整體配置如下：

/*
    brief      Configure the DAC peripheral
    param[in]  none
    param[out] none
    retval     none
*/
void dac_config(void)
{
    /* DAC GPIO configuration */
    dac_gpio_config();
    
    /* enable the clock of DAC */
    rcu_periph_clock_enable(RCU_DAC);

    /* configure the DAC0 */
    dac_trigger_disable(DAC0);
    dac_wave_mode_config(DAC0, DAC_WAVE_DISABLE);
    dac_output_buffer_enable(DAC0);

    /* enable DAC0 and set data */
    dac_enable(DAC0);
}      

主函數如下：

/*
    brief      main function
    param[in]  none
    param[out] none
    retval     none
*/
int main(void)
{
    uint8_t i=0;
    uint16_t da=0;

    //systick init
    sysTick_init();

    //usart init 115200 8-N-1
    com_init(COM1);

    /*DAC初始化*/
    dac_config();//調用DAC配置

    while(1)
    {
        da=0;
        
        for(i=0;i<=10;i++)
        {
            da=i*400;

            dac_data_set(DAC0, DAC_ALIGN_12B_R, da);

            printf("da=%f v\r\n",3.3*((float)da/4096));

            //printf("%3.2f\r\n",3.3*((float)da/4096));

            delay_ms(1000);
        }
    }
}      

這代碼很簡單，首先是對序列槽等進行初始化，接下來就是循環設定電壓并輸出。

如果想要使用軟體觸發，則需要将DAC配置為DAC_TRIGGER_SOFTWARE。

dac_trigger_source_config(DAC0, DAC_TRIGGER_SOFTWARE);
dac_trigger_enable(DAC0);      

然後在主函數中需要進行軟體觸發。

dac_software_trigger_enable(DAC0);      

13.3.2 DAC正弦波輸出實作

本章我們還要通過DAC實作正弦波輸出，那麼就需要找到正弦波的曲線散點，其計算方式如下所示：

原系統時鐘周期：T_Systick=1/120M（機關：秒）

因為定時時鐘預分頻：Prescaler=0

是以定時時鐘周期：T_TIMER=T_Systick*(Prescaler+1)=1/120M（機關：秒）

因為設定的定時更新周期：Period=19

是以定時器更新周期：T_update=T_TIMER*(Period+1)=20/120M

而DAC資料更新率等于定時器更新速率：即DAC的資料更新周期為：

DAC_update=T_update=20/120M

本實驗有32個資料點，則正弦波的周期為：

T_sin=DAC_update*點數=640/120M

最後求的正弦波的頻率為：

f_sin=1/T_sin=187500Hz

是以正弦波的頻率為：

f_sin=1/T_Systick/(Prescaler+1)/(Period+1)/點數

其波形資料如下：

const uint16_t Sine12bit[32] = {
    2448,2832,3186,3496,3751,3940,4057,4095,4057,3940,
    3751,3496,3186,2832,2448,2048,1648,1264,910,600,345,
    156,39,0,39,156,345,600,910,1264,1648,2048
};      

接下來看看主函數。

/*
    brief      main function
    param[in]  none
    param[out] none
    retval     none
*/
int main(void)
{
    //systick init
    sysTick_init();

    //usart init 115200 8-N-1
    com_init(COM1);

    /*DAC初始化*/
    dac_mode_init();

    while(1)
    {
        delay_ms(1000);
    }
}      

主函數很簡單，那我們進入DAC_Mode_Init()看看吧。

/*
    brief      Configure the DAC mode
    param[in]  none
    param[out] none
    retval     none
*/
void dac_mode_init(void)
{
    // dac 配置
    dac_config();
    
    //DMA配置
    dma_config();

    // TIMER配置并啟動
    timer_config();
}      

dac_mode_init()函數初始化了DAC、DMA和TIMER，啟動定時器，利用定時器的觸發DAC資料更新。

完整配置代碼如下：

/*
    brief      Configure the GPIO peripheral
    param[in]  none
    param[out] none
    retval     none
*/
static void dac_gpio_config(void)
{
    /* enable the clock of GPIO */
    rcu_periph_clock_enable(RCU_GPIOA);

    /* config the GPIO as analog mode */
    gpio_init(GPIOA, GPIO_MODE_AIN, GPIO_OSPEED_50MHZ, GPIO_PIN_4);
}

/*
    brief      Configure the DAC peripheral
    param[in]  none
    param[out] none
    retval     none
*/
static void dac_config(void)
{
    /* DAC GPIO configuration */
    dac_gpio_config();
  
    /* enable the clock of DAC */
    rcu_periph_clock_enable(RCU_DAC);

    dac_wave_mode_config(DAC0, DAC_WAVE_DISABLE);
    dac_output_buffer_disable(DAC0);
    /* configure the DAC0 */
    dac_trigger_source_config(DAC0, DAC_TRIGGER_T1_TRGO);

    /* DAC的DMA功能使能 */
    dac_dma_enable(DAC0);

    dac_trigger_enable(DAC0);
    /* enable DAC0 and set data */
    dac_enable(DAC0);
}

/*
    brief      configure the DMA peripheral
    param[in]  none
    param[out] none
    retval     none
  */
static void dma_config(void)
{
    dma_parameter_struct dma_init_struct;

    /* enable DMA CLK */
    rcu_periph_clock_enable(RCU_DMA1);
  
    /* deinitialize DMA1 channel2 */
    dma_deinit(DMA1, DMA_CH2);
  
    dma_init_struct.direction = DMA_MEMORY_TO_PERIPHERAL;/* 存儲器到外設方向 */
    dma_init_struct.memory_addr = (uint32_t)Sine12bit;    /* 存儲器基位址 */
    dma_init_struct.memory_inc = DMA_MEMORY_INCREASE_ENABLE;
    dma_init_struct.memory_width = DMA_MEMORY_WIDTH_16BIT;
    dma_init_struct.periph_inc = DMA_PERIPH_INCREASE_DISABLE;
    dma_init_struct.periph_width = DMA_PERIPHERAL_WIDTH_16BIT;
    //dma_init_struct.periph_addr = ((uint32_t)(DAC0_R12DH_ADDRESS));   /* 外設基位址 */
    dma_init_struct.periph_addr = ((uint32_t)(&DAC0_R12DH));
    dma_init_struct.number = 32;            /* 傳輸資料個數 */  
    dma_init_struct.priority = DMA_PRIORITY_ULTRA_HIGH;
    dma_init(DMA1, DMA_CH2, &dma_init_struct);

    /* configure DMA mode 存儲器到存儲器DMA傳輸禁能*/
    dma_memory_to_memory_disable(DMA1, DMA_CH2);

    //DMA循環模式開啟
    dma_circulation_enable(DMA1, DMA_CH2);
  
    dma_channel_enable(DMA1, DMA_CH2);
}

/*
    brief      configure the TIMER peripheral
    param[in]  none
    param[out] none
    retval     none
  */
static void timer_config(void)
{
    timer_parameter_struct timer_initpara;

    //Enable TIMER clock
    rcu_periph_clock_enable(RCU_TIMER1);

    timer_deinit(TIMER1);

    /* TIMER configuration */
    timer_initpara.prescaler         = 0;
    timer_initpara.alignedmode       = TIMER_COUNTER_EDGE;
    timer_initpara.counterdirection  = TIMER_COUNTER_UP;
    timer_initpara.period            = 19;
    timer_initpara.clockdivision     = TIMER_CKDIV_DIV1;
    timer_init(TIMER1, &timer_initpara);

    //定時器主輸出觸發源選擇
    timer_master_output_trigger_source_select(TIMER1,TIMER_TRI_OUT_SRC_UPDATE);

    //定時器更新事件使能
    timer_update_event_enable(TIMER1);

    /* TIMER enable */
    timer_enable(TIMER1);
}      

當然也可使用TIMER中斷來更新資料，進而也可實作正弦波，但是會消耗CPU資源，建議使用筆者給出的方式。

13.4實驗現象

13.4.1 DAC普通方式輸出

将程式編譯好後下載下傳到闆子中，通過序列槽助手可以看到在接收區有電壓值輸出。這個和ADC輸入不同，我們使用DAC的目的是通過闆子得到相應的模拟電壓值，看到序列槽的輸出值隻是我們的調試手段，要想确認實驗是否成功，是需要通過電壓表測量PA4的電壓值是否序列槽的輸出一緻。我們設定的步進是400，是以電壓值也是在以400*3.3/4096的電壓步進。

當然啦，還需要萬用表測量引腳電壓即可。你可以使用一個固定值，或者延時更長這樣便于測量。為了更好的測量，筆者将轉換電壓設定為固定值，是以在循環體的前面加了一句話。

da = 2048;

接下來看看實驗結果：

當然也可以使用萬用表測量實際電壓。

13.4.2 DAC正弦波輸出

将程式編譯好後下載下傳到闆子中，通過示波器可看到波形輸出。

這裡測量出的正弦波的頻率是187.42kHz，和計算結果相符。

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