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瑞萨MCU零基础入门系列教程汇总 ： https://blog.csdn.net/qq_35181236/article/details/132779862

第20章 DAC输出模拟信号

本章目标

了解DAC基本概念和RA6M5处理器的DAC外设；
学会使用RASC配置DAC输出指定电压和正弦波形；

1.1 RA6M5的DAC

1.1.1 DAC简介

计算机里处理的都是数字0/1信号，而自然界几乎都是模拟信号，比如音频信号、无线传输信号等，这就要求计算机具有模拟信号的输出能力，将数字信号（离散信号）转换为模拟信号（连续信号）的器件就叫数模转换器(Digital-to-Analog Converter，DAC)。

按原理可分为：Nyquist型和过采样型。Nyquist型转换器按其结构又可大致分为电阻分压型、R_2R型、电荷分配型和电流驱动型。

下图所示为DAC转换过程，输入的数字编码Din（dn1 : d0），按其权值大小转换成相应的模拟量并相加，相加的结果Aout与数字量Din成正比，即实现了D/A转换。

DAC的主要有三个性能指标：分辨率、建立时间和转换精度。

分辨率：指DAC能输出的最小变化量，通常使用二进制有效位表示，反应了DAC输出模拟量的最小变化值。当输出量程一定时，位数越多，量化单位越小，误差越小，分辨率越高。比如一个12位的DAC，参考电压为3.3V，则其能输出的最小电压为：

建立时间：指DAC从输入信号变化开始，到输出模拟信号达到满刻度值（±1/2LSB）所需时间。根据建立时间得长短，可以将DAC分为超高速（＜1μS）、高速（10_{1μS）、中速（100}10μS）、低速（≥100μS）。
转换精度：指DAC输出的模拟电压实际值与理论值之间的偏差，通常为1个或半个最小数字量的变化量，表示为1LSB或1/2LSB。

20.1.2 RA6M5的DAC框图

RA6M5处理器的DAC硬件框图如下图所示：

框图中的"12-bit D/A"是核心部件，整个DAC外设都是围绕着DA0通道和DA1通道展开的，左上作为参考电源以及模拟转换输出，右边有着相应的控制寄存器、总线接口、同步转换。

20.1.3 参考电压

AVCC0引脚作为ADC12和DAC12的电源输入引脚，AVSS0引脚作为ADC12和DAC12的接地输入引脚。VREFH引脚作为DAC12的模拟参考高电压电源引脚。VREFL引脚作为DAC12的模拟参考低电压引脚。

分别把它们接入到电源的正负两级，可以得到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节电路，把0}3.3V的DAC输出抬升到特定的范围即可。

在电路设计的时候不增加磁珠和电容接入到DAC12电源电路，会使得输出的电压不稳甚至输出的不是想要的电压，这个时候可以在电路上增加磁珠和电容来减少干扰，从而优化DAC比较电压源从而使其输出稳定。

20.1.4 触发源

可以设置软件来触发DAC，也可以通过使用ELC进行触发，还可以使用外部中断进行触发，最终目的是为了使得DACR.DAOEn（n=0,1）位被置1，可以编写相应的寄存器控制代码来使用不同的方式进行触发。

ELC也可以触发DAC转换，过程为：先设置ELSR12或ELSR13，选择"要连接的事件"，当连接的事件发生后，会使得DAC的寄存器DAOEi置1并开启DAC转换。ELSR12对应DAOE0即DAC0，ELSR13对应DAOE1即DAC1。

20.1.5 数据转换

1.DAC的数据寄存器

RA6M5处理器的DAC数据寄存器DADRn(n=0,1)是一个16bit的可读可写的寄存器，用来保存DAC的转换值。当开启了DA转换后，存储在此寄存器的值就会被转化为一个模拟量输出。

此16bit寄存器实际上只有低12bit被用来保存转换值，高4bit是无效的，因而DAC可以转换的数字量范围是0~4095。

保存在此寄存器的数值有两种对齐方式：左对齐或右对齐。默认是右对齐。

2.电压转换公式

DAC的转换出来的模拟量值是根据其转换精度和参考电压换算的，公式如下：

DA转换时间

RA6M5处理器的DA转换时间在其数据手册中有说明，如下图所示：

是否使用DAC的放大器，输出的模拟量范围和转换时间是不同的：

使用放大器：输出模拟量电压范围在0~之间；DA转换时间最大3us；
用放大器：输出模拟量电压范围在0~之间；DA转换时间最大4us；

DA转换过程

开启DAC任意通道的DA转换分为如下几步：

通过设置DADPR $DPSEL$ 位确定转换值是左对齐还是右对齐；
往寄存器DADRn写入数字值；
将DACR $DAOEn$ 位置1开启转换；
如果要进行多次转换，则在DACR $DAOEn$ =1情况下，连续往DADRn寄存器写入值即可，转换时间为;
如果要停止转换，就将DAOEn写0；

20.2 DAC模块的使用

20.2.1 配置DAC模块

在RASC中配置DAC时，建议先配置DAC的通道的引脚，再去添加DAC的Stack模块并进行配置。

配置DAC通道引脚

在RASC的"Pins"中的"Peripherals"选择"Analog:DAC"，根据硬件选择DAC通道，假设是DACO，那么则在右侧弹出的配置中将"Operation Mode"设置为"Enabled"，引脚只有一个P014。如果是DAC1，其引脚是P015。配置如下图所示：

配置DAC的Stack模块

在FSP的"Stacks"界面点击"New Stack"，选择"Analog"中的"DAC(r_dac)"，如下图所示：

DAC的Stack模块分为3个板块：

Common：对所有DAC外设Stack模块通用，DAC这里只有参数校验的使能或不使能，默认是不使能；
Module：某个指定的DAC外设Stack模块参数配置，在里面设置DAC外设Stack的名称、通道、数据格式、放大器使能、触发源等参数；
Pins：某个指定DAC外设的输出引脚

如下图所示：

配置好DAC的Stack参数后，点击FSP配置界面的"Generate Project Content"，使用RASC生成RA6M5处理器的Keil MDK工程。

20.2.2 配置信息解读

RASC生成的DAC配置信息有两种：引脚配置信息、DAC模块本身的配置信息。

引脚信息

该信息会在ra_gen\pin_data.c文件里生成。在RASC里配置的每一个引脚，都会在pin_data.c生成一个ioport_pin_cfg_t数组项，里面的内容跟配置时选择的参数一致。代码如下：

c 复制代码

const ioport_pin_cfg_t g_bsp_pin_cfg_data[] = {
    {.pin = BSP_IO_PORT_00_PIN_14,
     .pin_cfg = ((uint32_t) IOPORT_CFG_ANALOG_ENABLE)
    },
    ......（省略内容）
};

这里将P014引脚的配置设置为复用模拟功能。

块配置信息

DAC模块的配置信息在hal_data.c里，它是dac_cfg_t类型的结构体常量，名为g_dac0_cfg，代码如下：

c 复制代码

const dac_cfg_t g_dac0_cfg =
{
    .channel             = 0,
    .ad_da_synchronized  = false,
    .p_extend            = &g_dac0_ext_cfg
};

channels：DAC通道；
ad_da_synchronized：是否和ADC同步转换
p_extend：扩展的配置信息

对于p_extend，它被用来描述DAC的扩展配置参数，比如是否使用放大器、数据存放格式、是否使能内部输出等，结构体原型如下：

c 复制代码

typedef struct st_dac_extended_cfg
{
    bool   enable_charge_pump; ///< Enable DAC charge pump available on selected MCUs.
    bool  output_amplifier_enabled; ///< Output amplifier enable available on selected MCUs.
    bool  internal_output_enabled;  ///< Internal output enable available on selected MCUs.
    dac_data_format_t data_format;              ///< Data format
} dac_extended_cfg_t;

RASC生成的had_data.c中，定义了g_dac0_ext_cfg常量，代码如下：

c 复制代码

const dac_extended_cfg_t g_dac0_ext_cfg =
{
    .enable_charge_pump   = 0,
    .data_format         = DAC_DATA_FORMAT_FLUSH_RIGHT,
    .output_amplifier_enabled = 0,
    .internal_output_enabled = false,
};

DAC外设对象结构体

使用RASC配置生成的DAC外设对象，是一个dac_instance_t结构体类型常量，名为g_dac0表示，此结构体原型如下：

c 复制代码

typedef struct st_dac_instance
{
    dac_ctrl_t      * p_ctrl;   ///< Pointer to the control structure for this instance
    dac_cfg_t const * p_cfg;    ///< Pointer to the configuration structure for this instance
    dac_api_t const * p_api;   ///< Pointer to the API structure for this instance
} dac_instance_t;

g_dac0定义如下：

c 复制代码

typedef struct st_dac_instance
{
    dac_ctrl_t      * p_ctrl;   ///< Pointer to the control structure for this instance
    dac_cfg_t const * p_cfg;    ///< Pointer to the configuration structure for this instance
    dac_api_t const * p_api;   ///< Pointer to the API structure for this instance
} dac_instance_t;

g_dac0定义如下：

c 复制代码

const dac_instance_t g_dac0 =
{
    .p_ctrl    = &g_dac0_ctrl,
    .p_cfg     = &g_dac0_cfg,
.p_api     = &g_dac_on_dac
};

p_ctrl：控制参数，用来记录一些状态信息；
p_cfg：DAC的配置参数；
p_api：DAC的接口，它是一个dac_api_t指针，指向g_dac_on_dac；

20.2.3API 接口及其用法

DAC的API在dac_api_t结构体中指明，此结构体的原型如下：

c 复制代码

typedef struct st_dac_api
{
    fsp_err_t (* open)(dac_ctrl_t * const p_ctrl, dac_cfg_t const * const p_cfg
    fsp_err_t (* close)(dac_ctrl_t * const p_ctrl);
    fsp_err_t (* write)(dac_ctrl_t * const p_ctrl, uint16_t value
    fsp_err_t (* start)(dac_ctrl_t * const p_ctrl);
    fsp_err_t (* stop)(dac_ctrl_t * const p_ctrl);
} dac_api_t;

在r_dac.c中实现了一个dac_api_t结构体，代码如下：

c 复制代码

const dac_api_t g_dac_on_dac =
{
    .open  = R_DAC_Open,
    .write = R_DAC_Write,
    .start = R_DAC_Start,
    .stop  = R_DAC_Stop,
    .close = R_DAC_Close,
};

下面介绍这些函数进行介绍，并举例。

打开DAC设备

c 复制代码

fsp_err_t (* open)(dac_ctrl_t * const p_ctrl, dac_cfg_t const * const p_cfg);

此函数会初始化DAC设备，用户可以参考如下代码：

c 复制代码

fsp_err_t err = g_dac0.p_api->open(g_dac0.p_ctrl, g_dac0.p_cfg);
if(FSP_SUCCESS != err)
{
    printf("Function:%s\tLine:%d\r\n", __FUNCTION__, __LINE__);
    return;
}

写入DAC转换数字量值

c 复制代码

fsp_err_t (* write)(dac_ctrl_t * const p_ctrl, uint16_t value);

此函数会将value写入到DAC的DADR寄存器中，如果开启了DAC转换，会立刻进行DAC转换，并把模拟信号输出到DAC引脚上。

用户可以参考如下代码使用此函数：

c 复制代码

fsp_err_t err = g_dac0.p_api->write(g_dac0.p_ctrl, value);
if(FSP_SUCCESS != err)
{
    printf("Function:%s\tLine:%d\r\n", __FUNCTION__, __LINE__);
    return;
}

开启和停止转换

开启转换

c 复制代码

fsp_err_t (* start)(dac_ctrl_t * const p_ctrl);

停止转换

c 复制代码

fsp_err_t (* stop)(dac_ctrl_t * const p_ctrl);

只要用户调用start函数开启DAC的转换，每次调用write写入数字量的时候，就会立刻开始转换为模拟量。

用户可以参考如下代码开启DAC转换(停止转换类似)：

c 复制代码

fsp_err_t err = g_dac0.p_api->start(g_dac0.p_ctrl);
if(FSP_SUCCESS != err)
{
    printf("Function:%s\tLine:%d\r\n", __FUNCTION__, __LINE__);
    return;
}

关闭DAC设备

c 复制代码

fsp_err_t (* close)(dac_ctrl_t * const p_ctrl);

此函数关闭DAC的转换，如果使用了放大器还会失能放大器，并且将DAC的状态标志改为关闭状态。

20.3 DAC控制实现呼吸灯

20.3.1 设计目的

使用DAC输出线性电压改变LED亮度，从而实现呼吸灯效果。

0.3.2 硬件连接

配套开发板的P014没有连接外接电路，用户可以参考下图，使用杜邦线和洞洞板搭建控制电路：

电阻阻值在1kΩ~10kΩ即可，LED颜色任意，建议选择变化明显容易观察的、较深的颜色。

20.3.3 驱动程序

1.DAC设备对象抽象

RA6M5处理器有两个硬件DAC，基于面向对象的编程思想，对DAC设备进行了抽象，定义了如下结构体：

c 复制代码

typedef struct DACDev{
    char *name;
    unsigned char channel;
    void (*Init)(struct DACDev *ptDev);
    void (*SetValue)(struct DACDev *ptDev, unsigned short value);
    void (*Write)(struct DACDev *ptDev, unsigned short *buf, unsigned short len);
}DACDevTypeDef;

然后在驱动程序中实现结构体中的3个函数，并用来初始化一个DACDev结构体，代码如下：

c 复制代码

static void DACDrvInit(struct DACDev *ptDev);
static void DACDrvSetValue(struct DACDev *ptDev, unsigned short value);
static void DACDrvWrite(struct DACDev *ptDev, unsigned short *buf, unsigned short len);

static struct DACDev gDACDev0 = {
    .name = "DAC0",
    .channel = 1,
    .Init = DACDrvInit,
    .SetValue = DACDrvSetValue,
    .Write = DACDrvWrite
};

第01~03行：声明内部静态驱动函数；
第05~11行：构造DACDev结构体

还提供如下函数，供用户获得这个DACDev结构体：

c 复制代码

struct DACDev *DACDrvGetDevice(void)
{
    return &gDACDev0;
}

初始化

打开DAC设备、启动DAC转换，代码如下：

c 复制代码

static void DACDrvInit(struct DACDev *ptDev)
{
    if(NULL == ptDev)   return;
    if(1 == ptDev->channel)
    {
        fsp_err_t err = g_dac0.p_api->open(g_dac0.p_ctrl, g_dac0.p_cfg);
        if(FSP_SUCCESS != err)
        {
            printf("Function:%s\tLine:%d\r\n", __FUNCTION__, __LINE__);
            return;
        }
        err = g_dac0.p_api->start(g_dac0.p_ctrl);
        if(FSP_SUCCESS != err)
        {
            printf("Function:%s\tLine:%d\r\n", __FUNCTION__, __LINE__);
            return;
        }
    }
}

第06行：打开DAC设备，完成DAC0的初始化；
第12行：开启DAC的转换，之后只要调用write函数即可不断进行DA转换；

单次输出模拟量

由于FSP的DAC库函数对于写入数值只有一个write函数，因而单次输出模拟量其实就是对write的封装：

c 复制代码

static void DACDrvSetValue(struct DACDev *ptDev, unsigned short value)
{
    if(NULL == ptDev)   return;
    if(1 == ptDev->channel)
    {
        fsp_err_t err = g_dac0.p_api->write(g_dac0.p_ctrl, value);
        if(FSP_SUCCESS != err)
        {
            printf("Function:%s\tLine:%d\r\n", __FUNCTION__, __LINE__);
            return;
        }
    }
}

连续输出模拟量

连续输出相较于单次输出，差别仅在于输出多个模拟量，是对write的不同方式的封装而已：

c 复制代码

static void DACDrvWrite(struct DACDev *ptDev, unsigned short *buf, unsigned short len)
{
    if(NULL == ptDev)   return;
    if(1 == ptDev->channel)
    {        
        for(unsigned int i=0; i<len; i++)
        {
            fsp_err_t err = g_dac0.p_api->write(g_dac0.p_ctrl, buf[i]);
            if(FSP_SUCCESS != err)
            {
                printf("Function:%s\tLine:%d\r\n", __FUNCTION__, __LINE__);
                return;
            }
        }
    }
}

20.3.4 测试程序

使LED要呈现呼吸灯的效果，其实让LED的驱动电压有规律地递增或递减：

因而可以使用单次输出模拟量的方法，每隔一段时间输出一个递增变化的模拟量。测试代码如下：

c 复制代码

void DACAppTest(void)
{
    SystickInit();
    UARTDrvInit();
    DACDevTypeDef *ptDacDev = DACDrvGetDevice();
    if(NULL == ptDacDev)
    {
        printf("Error. Can not get DAC device!\r\n");
        return;
    }
    
    printf("Success to get device: %s\r\n", ptDacDev->name);
    ptDacDev->Init(ptDacDev);
    
    bool dir = false;
    volatile uint16_t value = 0;
    
    while(1)
    {
        if(value==0)
            dir = true;
        else if(value==4096)
            dir = false;
        
        if(dir)
            value += 4;
        else
            value -= 4;
        ptDacDev->SetValue(ptDacDev, value);
        HAL_Delay(1);
    }
}

第05行：获取指定的DAC设备；
第13行：初始化DAC设备；
第20~23行：根据数据的边际判断输出的数据是该递增还是递减；
第25~28行：输出的数字量每次递增或递减4个数字量；
第29行：将变化后的数字量写入到DAC的数据寄存器中；
第30行：每隔1ms数据递增或递减一次；

为什么每次的变化量是4呢？根据呼吸灯的效果，设计逐渐变亮或变暗的时间周期为1.5s为佳，而DAC的数字量范围是0~4095，也就是4096个数字量，每隔1ms变化一次输出的数字量的话，为了接近1.5s的周期，且得到一个整数的数字量，每次变化4个单位是最科学的。

20.3.5 测试结果

用户可以使用示波器测试引脚P014的波形查看是否为一个线性变化的三角波，同时查看LED，可以观察到一个呼吸灯的效果。

20.4 DAC输出正弦波实验

20.4.1 设计目的

使用DAC输出一个幅度为3.3V，周期为192us的正弦波。

20.4.2 正弦波数据的生成

本书使用的是python脚本生成的正弦波数据，截取了其中一段正弦波数据，python脚本代码如下：

c 复制代码

import os
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

def sin_wave(A, f, fs, phi, t):
    '''
    :params A:    振幅
    :params f:    信号频率
    :params fs:   采样频率
    :params phi:  相位
    :params t:    时间长度
    '''
    # 若时间序列长度为 t=1s, 
    # 采样频率 fs=1000 Hz, 则采样时间间隔 Ts=1/fs=0.001s
    # 对于时间序列采样点个数为 n=t/Ts=1/0.001=1000, 即有1000个点,每个点间隔为 Ts
    Ts = 1/fs
    n = t / Ts
    n = np.arange(n)
    y = A*np.sin(2*np.pi*f*n*Ts - phi*(np.pi/180))
    return y
    
# f=50 hz
fs = 256
dat = sin_wave(A=2048, f=4, fs=fs, phi=0, t=1) + 2048
dat = np.trunc(dat)

data = dat[48:48+64]
x = "const uint16_t sin[] ={ \n"
for i in range(int(data.size/16)):
    for j in range(16):
        str = '0x{:04x}'.format(int(data[i*16+j]))
        x = x + str + ","
    x = x + "\n"
x = x + "};"
f = open("sine.c", "w")
f.write(x)
f.close()

python不是本书讲解的对象，因而不对此段代码做分析，请读者自行学习分析。

20.4.3 驱动程序

驱动程序实际上使用的还是上一小节的那些函数和DAC设备对象，这里不再赘述，将上一小节的代码一直到本小节的实验中即可。

20.4.4 测试程序

本小节输出正弦波的方法是让DAC输出一段固定的正弦波数据，因而使用到的将会是DAC设备对象的连续输出模拟量的那一个函数，示例代码如下所示：

c 复制代码

const uint16_t sine[] ={ 
......(数据省略)
};

void DACAppTest(void)
{
    SystickInit();
    UARTDrvInit();
    DACDevTypeDef *ptDacDev = DACDrvGetDevice();
    if(NULL == ptDacDev)
    {
        printf("Error. Can not get DAC device!\r\n");
        return;
    }
    
    printf("Success to get device: %s\r\n", ptDacDev->name);
    ptDacDev->Init(ptDacDev);

    while(1)
    {
        ptDacDev->Write(ptDacDev, (uint16_t*)sine, 256);
    }
}

第01~03行：python生成的正弦波数据；
第21行：使用DAC设备对象连续输出函数将正弦波数据转化为模拟量输出到引脚；

如果输出正弦波数据的时候，每个数据的输出间隔设计合适，输出正弦波也是能够实现呼吸灯效果的，读者可以自行尝试。

20.4.5 测试结果

使用示波器观察引脚P014的波形可以看到一个周期为192us，幅度为3.3V的正弦波。

本章完

第20章_瑞萨MCU零基础入门系列教程之DAC输出模拟信号

第20章 DAC输出模拟信号

1.1 RA6M5的DAC

1.1.1 DAC简介

20.1.2 RA6M5的DAC框图

20.1.3 参考电压

20.1.4 触发源

20.1.5 数据转换

20.2 DAC模块的使用

20.2.1 配置DAC模块

20.2.2 配置信息解读

20.2.3API 接口及其用法

20.3 DAC控制实现呼吸灯

20.3.1 设计目的

0.3.2 硬件连接

20.3.3 驱动程序

20.3.4 测试程序

20.3.5 测试结果

20.4 DAC输出正弦波实验

20.4.1 设计目的

20.4.2 正弦波数据的生成

20.4.3 驱动程序

20.4.4 测试程序

20.4.5 测试结果