18-CubeMx+Keil+Proteus模擬STM32 - DAC

阿新 • • 發佈：2022-05-31

本文例子參考《STM32微控制器開發例項——基於Proteus虛擬模擬與HAL/LL庫》
原始碼：https://github.com/LanLinnet/STM33F103R6

專案要求

在SPI匯流排通訊的基礎上，使用微控制器控制DAC晶片MCP4921以1秒為週期輸出正弦波，正弦波的波動範圍為0-3.3V。

硬體設計

在第一節的基礎上，在Proteus中新增電路如下圖所示。其中我們添加了一個DAC晶片MCP4921。

此外，我們還添加了兩個虛擬儀表：一個示波器OSCILLOSCOPE和一個SPI匯流排除錯工具SPI DEBUGGER。
MCP4921：
1）簡介：STM32F103R6微控制器本身不自帶DAC，如果設計到數模轉換的專案，可以選擇DAC晶片MCP4921。MCP4921是美國Microchip公司的序列12位DAC晶片，相容SPI，最高通訊頻率為20MHz，一次轉換時間為4.5μs，工作電壓為2.7-5.5V。
2）引腳：MCP4921引腳的功能如下表所示。

3）通訊資料格式：MCP4921只有資料輸入，沒有資料輸出，微控制器只需要將16位資料（12位數字量和4位配置資訊）一起打包發給DAC晶片，DAC隨即開始數模轉換過程。MCP4921通訊資料格式如下表所示。
- \(\overline A/B\)位：對於MCP4921，由於只有A通道，所以該位只能選0。
- BUF位：參考電壓\(V_{REF}\)輸入緩衝器控制位，設1時緩衝，設0時未緩衝。
- \(\overline{GA}\)位：輸出增益選擇位，設1時無增益，設0時兩倍增益。
- \(\overline{SHDN}\)位：待機模式設定為，設1時不進入待機模式，設0時進入待機模式。
正弦波形的生成：
1）存在問題：MCP4921是12位DAC晶片，因此輸入數字量的範圍是0x000-0x3FF，輸出模擬量電壓範圍為0-\(V_{REF}\)，即無法輸出負電壓，那麼就無法輸出完整的正弦波形。
2）解決方案：
- 通過外圍元器件搭建調理電路使電路能夠輸出負電壓。
- 將正弦波訊號沿縱軸（電壓/數字量）正向移動，確保波谷也位於橫軸（時間）的上方。
3）取樣表：這裡我們選擇後一個方案，可以推出正弦波計算公式為
\(D=512\times\sin\left(2\pi\;t\right)+512\)
為了提高微控制器CPU的執行效率，這裡我們使用查表法。在1秒內，每隔0.02秒計算一次取樣值，其取樣表如下表所示。
開啟CubeMX，建立工程。STM32F103R6微控制器自帶一個SPI模組，但是為了便於移植，本專案中採用GPIO引腳模擬SPI時序。設定PA4、PA5、PA7均為GPIO_Output點選“Categories”中的“GPIO”，修改GPIO各引數如下圖所示。有關SPI通訊部分可以參考

第17節。
點選“Generator Code”生成Keil工程。

軟體編寫

考慮到程式碼的可移植性，這裡將SPI和MCP4921的驅動程式碼全部封裝成函式並分別歸入標頭檔案“vSPI.h”和“MCP4921.h”中。我們可以先在...\Core\Src資料夾中建立這兩個標頭檔案，此時Keil可能找不到對應檔案，可以直接將檔案拽入Keil中進行編輯，然後再在“main.c”檔案中進行include。

點選“Open Project”在Keil中開啟工程，開啟“vSPI.h”，新增程式碼如下。

#ifndef INC_VSPI_H_
#define INC_VSPI_H_

#include "main.h"

//軟體延時函式，單位為微秒
void delay_us(uint16_t n)
{
  uint16_t i = n * 8;
  while(i--);
}

//SPI匯流排使能
void vSPI_En()
{
  HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, vnCS_Pin, GPIO_PIN_RESET);
  HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, vSCK_Pin, GPIO_PIN_RESET);
  delay_us(4);
}

//SPI匯流排禁止
void vSPI_Dis()
{
  HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, vSCK_Pin, GPIO_PIN_SET);
  HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, vnCS_Pin, GPIO_PIN_SET);
}

//SPI主站傳送1位元組
void vSPI_SndByte(uint8_t dat)		//dat表示傳送的位元組
{
  uint8_t i;
  for(i=0; i<8; i++)
  {
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, vSCK_Pin, GPIO_PIN_RESET);
    delay_us(4);
    if(dat & 0x80)
    {
      HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, vMOSI_Pin, GPIO_PIN_SET);
    }
    else 
      HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, vMOSI_Pin, GPIO_PIN_RESET);
    dat<<=1;
    //上升沿
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, vSCK_Pin, GPIO_PIN_SET);
    delay_us(4);
  }
}

#endif /* INC_VSPI_H_ */

開啟“MCP4921.h”，新增程式碼如下。

#ifndef INC_MCP4921_H_
#define INC_MCP4921_H_

#include "main.h"
#include "vSPI.h"

//寫入MCP4921: Cmd-指令（僅高4位）  Dat-資料（12位）
void MCP4921Write(uint8_t Cmd, uint16_t Dat)
{
  uint8_t DatM, DatL;		//資料高位元組、低位元組
  DatL = (uint8_t)(Dat & 0x00ff);	
  DatM = (uint8_t)((Dat>>8) & 0x00ff);
  vSPI_En();		//SPI匯流排使能
  vSPI_SndByte(0x70|DatM);		//先寫高位元組
  vSPI_SndByte(DatL);		//再寫低位元組
  vSPI_Dis();		//SPI匯流排禁止
}
#endif /* INC_MCP4921_H_ */

隨後我們需要在main.c檔案中的最前面引入我們自定義的標頭檔案

/* Private includes ----------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN Includes */
#include "vSPI.h"		//引入自定義標頭檔案
#include "MCP4921.h"
/* USER CODE END Includes */

在全域性中定義正弦波輸出的表

/* USER CODE BEGIN PV */
//查表法
static uint16_t tD[50] = 
{
	512, 576, 639, 700, 759, 813, 862, 907, 944, 975,
	999, 1015, 1023, 1023, 1015, 999, 975, 944, 907, 862,
	813, 759, 700, 639, 576, 512, 448, 385, 324, 265, 
	211, 162, 117, 80, 49, 25, 9, 1, 1, 9,
	25, 49, 80, 117, 162, 211, 265, 324, 385, 448
};
/* USER CODE END PV */

最後，在main函式中定義迴圈變數，並呼叫我們自定義的函式每隔20ms計算一次取樣值並輸出

/* USER CODE BEGIN 1 */
int i;		//迴圈變數i
/* USER CODE END 1 */

/* USER CODE BEGIN WHILE */
while (1)
{
  for(i=0; i<50; i++)
  {
    MCP4921Write(0x70, tD[i]);
    HAL_Delay(20);		//每隔20ns計算（輸出）1次取樣值
  }
/* USER CODE END WHILE */

/* USER CODE BEGIN 3 */
}
/* USER CODE END 3 */