18-CubeMx+Keil+Proteus仿真STM32 - DAC

本文例子参考《STM32单片机开发实例——基于Proteus虚拟仿真与HAL/LL库》
源代码：https://github.com/LanLinnet/STM32F103R6

项目要求

在SPI总线通信的基础上，使用单片机控制DAC芯片MCP4921以1秒为周期输出正弦波，正弦波的波动范围为0-3.3V。

硬件设计

在第一节的基础上，在Proteus中添加电路如下图所示。其中我们添加了一个DAC芯片MCP4921。

此外，我们还添加了两个虚拟仪表：一个示波器OSCILLOSCOPE和一个SPI总线调试工具SPI DEBUGGER。
MCP4921：
1）简介：STM32F103R6单片机本身不自带DAC，如果设计到数模转换的项目，可以选择DAC芯片MCP4921。MCP4921是美国Microchip公司的串行12位DAC芯片，兼容SPI，最高通信频率为20MHz，一次转换时间为4.5μs，工作电压为2.7-5.5V。
2）引脚：MCP4921引脚的功能如下表所示。

3）通信数据格式：MCP4921只有数据输入，没有数据输出，单片机只需要将16位数据（12位数字量和4位配置信息）一起打包发给DAC芯片，DAC随即开始数模转换过程。MCP4921通信数据格式如下表所示。
- \(\overline A/B\)位：对于MCP4921，由于只有A通道，所以该位只能选0。
- BUF位：参考电压\(V_{REF}\)输入缓冲器控制位，设1时缓冲，设0时未缓冲。
- \(\overline{GA}\)位：输出增益选择位，设1时无增益，设0时两倍增益。
- \(\overline{SHDN}\)位：待机模式设置为，设1时不进入待机模式，设0时进入待机模式。
正弦波形的生成：
1）存在问题：MCP4921是12位DAC芯片，因此输入数字量的范围是0x000-0x3FF，输出模拟量电压范围为0-\(V_{REF}\)，即无法输出负电压，那么就无法输出完整的正弦波形。
2）解决方案：
- 通过外围元器件搭建调理电路使电路能够输出负电压。
- 将正弦波信号沿纵轴（电压/数字量）正向移动，确保波谷也位于横轴（时间）的上方。
3）采样表：这里我们选择后一个方案，可以推出正弦波计算公式为
\(D=512\times\sin\left(2\pi\;t\right)+512\)
为了提高单片机CPU的执行效率，这里我们使用查表法。在1秒内，每隔0.02秒计算一次采样值，其采样表如下表所示。
打开CubeMX，建立工程。STM32F103R6单片机自带一个SPI模块，但是为了便于移植，本项目中采用GPIO引脚模拟SPI时序。设置PA4、PA5、PA7均为GPIO_Output点击“Categories”中的“GPIO”，修改GPIO各参数如下图所示。有关SPI通信部分可以参考第17节。
点击“Generator Code”生成Keil工程。

软件编写

考虑到代码的可移植性，这里将SPI和MCP4921的驱动代码全部封装成函数并分别归入头文件“vSPI.h”和“MCP4921.h”中。我们可以先在...\Core\Src文件夹中建立这两个头文件，此时Keil可能找不到对应文件，可以直接将文件拽入Keil中进行编辑，然后再在“main.c”文件中进行include。

点击“Open Project”在Keil中打开工程，打开“vSPI.h”，添加代码如下。

#ifndef INC_VSPI_H_
#define INC_VSPI_H_

#include "main.h"

//软件延时函数，单位为微秒
void delay_us(uint16_t n)
{
  uint16_t i = n * 8;
  while(i--);
}

//SPI总线使能
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总线禁止
void vSPI_Dis()
{
  HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, vSCK_Pin, GPIO_PIN_SET);
  HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, vnCS_Pin, GPIO_PIN_SET);
}

//SPI主站发送1字节
void vSPI_SndByte(uint8_t dat)		//dat表示发送的字节
{
  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_ */

打开“MCP4921.h”，添加代码如下。

#ifndef INC_MCP4921_H_
#define INC_MCP4921_H_

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

//写入MCP4921: Cmd-指令（仅高4位）  Dat-数据（12位）
void MCP4921Write(uint8_t Cmd, uint16_t Dat)
{
  uint8_t DatM, DatL;		//数据高字节、低字节
  DatL = (uint8_t)(Dat & 0x00ff);	
  DatM = (uint8_t)((Dat>>8) & 0x00ff);
  vSPI_En();		//SPI总线使能
  vSPI_SndByte(0x70|DatM);		//先写高字节
  vSPI_SndByte(DatL);		//再写低字节
  vSPI_Dis();		//SPI总线禁止
}
#endif /* INC_MCP4921_H_ */

随后我们需要在main.c文件中的最前面引入我们自定义的头文件

/* Private includes ----------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN Includes */
#include "vSPI.h"		//引入自定义头文件
#include "MCP4921.h"
/* USER CODE END Includes */

在全局中定义正弦波输出的表

/* 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 */

最后，在main函数中定义循环变量，并调用我们自定义的函数每隔20ms计算一次采样值并输出

/* USER CODE BEGIN 1 */
int i;		//循环变量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计算（输出）1次采样值
  }
/* USER CODE END WHILE */

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

联合调试

点击运行，生成HEX文件。
在Proteus中加载相应HEX文件，点击运行。可以看到示波器中显示的波形为正弦波（注意示波器的调整）。

posted @ 2022-05-31 11:48 Sheepeach 阅读(2751) 评论(0) 编辑收藏举报

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