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「ALIENTEK 阿波罗 STM32F767 开发板资料连载」第二十八章 PWM DAC 实验

2020-5-16 11:57:15 2192

0 1）实验平台：alientek 阿波罗 STM32F767 开发板2）摘自《STM32F7 开发指南(HAL 库版)》关注官方微信号公众号，获取更多资料：正点原子第二十八章 PWM DAC 实验上一章，我们介绍了 STM32F767 自带 DAC 模块的使用，但有时候，可能两个 DAC 不够用，此时，我们可以通过 PWM+RC 滤波来实一个 PWM DAC。本章我们将向大家介绍如何使用 STM32F767 的 PWM 来设计一个 DAC。我们将使用按键（或 USMART）控制 STM32F767 的 PWM 输出，从而控制 PWM DAC 的输出电压，通过 ADC1 的通道 5 采集 PWM DAC 的输出电压，并在 LCD 模块上面显示 ADC 获取到的电压值以及 PWM DAC 的设定输出电压值等信息。本章将分为如下几个部分： 28.1 PWM DAC 简介 28.2 硬件设计 28.3 软件设计 28.4 下载验证 28.1 PWM DAC 简介有时候，STM32F767 自带的 2 路 DAC 可能不够用，需要多路 DAC，外扩 DAC 成本又会高不少。此时，我们可以利用 STM32F767 的 PWM+简单的 RC 滤波来实现 DAC 输出，从而节省成本。在精度要求不是很高的时候，PWM+RC 滤波的 DAC 输出方式，是一种非常廉价的解决方案。 PWM 本质上其实就是是一种周期一定，而高低电平占空比可调的方波。实际电路的典型 PWM 波形，如图 28.1.1 所示：图 28.1.1 实际电路典型 PWM 波形图 28.1.1 的 PWM 波形可以用分段函数表示为式①：其中：T 是单片机中计数脉冲的基本周期，也就是 STM32F767 定时器的计数频率的倒数。N 是 PWM 波一个周期的计数脉冲个数，也就是 STM32F767 的 ARR-1 的值。n 是 PWM 波一个周期中高电平的计数脉冲个数，也就是 STM32F767 的 CCRx 的值。VH 和 VL 分别是 PWM 波的高低电平电压值，k 为谐波次数，t 为时间。我们将①式展开成傅里叶级数，得到公式②：从②式可以看出，式中第 1 个方括弧为直流分量，第 2 项为 1 次谐波分量，第 3 项为大于 1 次的高次谐波分量。式②中的直流分量与 n 成线性关系，并随着 n 从 0 到 N，直流分量从 VL 到 VL+VH 之间变化。这正是电压输出的 DAC 所需要的。因此，如果能把式②中除直流分量外的谐波过滤掉，则可以得到从 PWM 波到电压输出 DAC 的转换，即：PWM 波可以通过一个低通滤波器进行解调。式②中的第 2 项的幅度和相角与 n 有关，频率为 1/（NT），其实就是 PWM 的输出频率。该频率是设计低通滤波器的依据。如果能把 1 次谐波很好过滤掉，则高次谐波就应该基本不存在了。通过上面的了解，我们可以得到 PWM DAC 的分辨率，计算公式如下：分辨率=log2（N）这里假设 n 的最小变化为 1，当 N=256 的时候，分辨率就是 8 位。而 STM32F767 的定时器大部分都是 16 位的（tiM2 和 TIM5 是 32 位），可以很容易得到更高的分辨率，分辨率越高，速度就越慢。不过我们在本章要设计的 DAC 分辨率为 8 位。在 8 位分辨条件下，我们一般要求 1 次谐波对输出电压的影响不要超过 1 个位的精度，也就是 3.3/256=0.01289V。假设 VH 为 3.3V，VL 为 0V，那么一次谐波的最大值是 23.3/ π=2.1V，这就要求我们的 RC 滤波电路提供至少-20lg(2.1/0.01289)=-44dB 的衰减。 STM32F767 的定时器最快的计数频率是 216Mhz，某些定时器只能到 108M，所以我们以 108M 频率为例介绍，8 位分辨率的时候，PWM 频率为 108M/256=421.875Khz。如果是 1 阶 RC 滤波，则要求截止频率 2.66Khz，如果为 2 阶 RC 滤波，则要求截止频率为 33.62Khz。阿波罗 STM32F767 开发板的 PWM DAC 输出采用二阶 RC 滤波，该部分原理图如图 28.1.2 所示：图 28.1.2 PWM DAC 二阶 RC 滤波原理图二阶 RC 滤波截止频率计算公式为： f=1/2πRC 以上公式要求 R28C37=R29C38=RC。根据这个公式，我们计算出图 28.1.2 的截止频率为：33.8Khz，和 33.62Khz 非常接近，满足设计要求。 PWM DAC 的原理部分，就为大家介绍到这里。 28.2 硬件设计* 本章用到的硬件资源有： 1）指示灯 DS0 2） KEY_UP 和 KEY1 按键 3）串口 4） LCD 模块 5） ADC 6） PWM DAC 本章，我们使用 STM32F767 的 TIM9_CH2(PA3)输出 PWM，经过二阶 RC 滤波后，转换为直流输出，实现 PWM DAC。同上一章一样，我们通过 ADC1 的通道 5（PA5）读取 PWM DAC 的输出，并在 LCD 模块上显示相关数值，通过按键和 USMART 控制 PWM DAC 的输出值。我们需要用到 ADC 采集 DAC 的输出电压，所以需要在硬件上将 PWM DAC 和 ADC 短接起来，PWM DAC 部分原理图如图 28.2.1 所示：图 28.2.1 PWM DAC 原理图从上图可知 PWM_DAC 的连接关系，但是这里有个特别需要注意的地方：因为 PWM_DAC 和 USART2_RX 共用了 PA3 引脚，所以在做本例程的时候，必须拔了 P8 上面 PA3(RX)的跳线帽（左侧跳线帽），否则会影响 PWM 转换结果！！！在硬件上，我们还需要用跳线帽短接多功能端口的 PDC 和 ADC，如图 28.2.2 所示：图 28.2.2 硬件连接示意图 28.3 软件设计打开本章的实验工程可以看到，我们本章并没有增加其他新的库函数文件支持。主要是使用了 adc 和定时器相关的库函数支持。因为我们是使用定时器产生 PWM 信号作为 PWM DAC 的输入信号经过二阶 RC 滤波从而产生一定幅度模拟信号，所以我们需要添加定时器相关的库函数支持。在 HARDWARE 分组下，我们新建了 pwmdac.c 源文件和对应的头文件用来初始化定时器 9 的 PWM。接下来我们看看 pwmdac.c 源文件内容： TIM_HandleTypeDef TIM9_Handler; //定时器 9 PWM 句柄 TIM_OC_InitTypeDef TIM9_CH2Handler; //定时器 9 通道 2 句柄 //PWM DAC 初始化(也就是 TIM9 通道 2 初始化) //PWM 输出初始化 //arr：自动重装值 //psc：时钟预分频数 void TIM9_CH2_PWM_Init(u16 arr,u16 psc) { TIM9_Handler.Instance=TIM9; //定时器 9 TIM9_Handler.Init.Prescaler=psc; //定时器分频系数 TIM9_Handler.Init.CounterMode=TIM_COUNTERMODE_UP;//向上计数模式 TIM9_Handler.Init.Period=arr; //自动重装载值 TIM9_Handler.Init.ClockDivision=TIM_CLOCKDIVISION_DIV1; HAL_TIM_PWM_Init(&TIM9_Handler); //初始化 PWM TIM9_CH2Handler.OCMode=TIM_OCMODE_PWM1; //模式选择 PWM1 TIM9_CH2Handler.Pulse=arr/2; //设置比较值用来确定占空比为 50% TIM9_CH2Handler.OCPolarity=TIM_OCPOLARITY_HIGH; //输出比较极性为高 HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&TIM9_Handler,&TIM9_CH2Handler, TIM_CHANNEL_2);//配置 TIM9 通道 2 HAL_TIM_PWM_Start(&TIM9_Handler,TIM_CHANNEL_2);//开启 PWM 通道 2 } //定时器底层驱动，时钟使能，引脚配置 //此函数会被 HAL_TIM_PWM_Init()调用 //htim:定时器句柄 void HAL_TIM_PWM_MspInit(TIM_HandleTypeDef htim) { GPIO_InitTypeDef GPIO_Initure; __HAL_RCC_TIM9_CLK_ENABLE(); //使能定时器 9 __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE(); //开启 GPIOA 时钟 GPIO_Initure.Pin=GPIO_PIN_3; //PA3 GPIO_Initure.Mode=GPIO_MODE_AF_PP; //复用推完输出 GPIO_Initure.Pull=GPIO_PULLUP; //上拉 GPIO_Initure.Speed=GPIO_SPEED_HIGH; //高速 GPIO_Initure.Alternate= GPIO_AF3_TIM9; //PA3 复用为 TIM9_CH2 HAL_GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_Initure); } //设置 TIM 通道 2 的占空比 //TIM_TypeDef:定时器 //compare:比较值 void TIM_SetTIM9Compare2(u32 compare) { TIM9->CCR2=compare; } 该文件有三个函数，和 PWM 输出实验几乎是一模一样的，只不过定时器由 TIM3 换为了 TIM9，这里就不细说了。接下来我们看看主函数内容： //设置输出电压 //vol:0~330,代表 0~3.3V void PWM_DAC_Set(u16 vol) { double temp=vol; temp/=100; temp=temp256/3.3; TIM_SetTIM9Compare2(temp); } int main(void) { u16 adcx; float temp; u8 t=0; u16 pwmval=0; u8 key; Cache_Enable(); //打开 L1-Cache HAL_Init(); //初始化 HAL 库 Stm32_Clock_Init(432,25,2,9); //设置时钟,216Mhz delay_init(216); //延时初始化 uart_init(115200); //串口初始化 usmart_dev.init(108); //初始化 USMART LED_Init(); //初始化 LED KEY_Init(); //初始化按键 SDRAM_Init(); //初始化 SDRAM LCD_Init(); //LCD 初始化 MY_ADC_Init(); //初始化 ADC1 TIM9_CH2_PWM_Init(255,1); /TIM9 PWM 初始化, Fpwm=90M/256=351.562Khz. POINT_COLOR=RED; LCD_ShowString(30,50,200,16,16,"Apollo STM32F4/F7"); LCD_ShowString(30,70,200,16,16,"PWM DAC TEST"); LCD_ShowString(30,90,200,16,16,"ATOM@ALIENTEK"); LCD_ShowString(30,110,200,16,16,"2016/1/13"); LCD_ShowString(30,130,200,16,16,"WK_UP:+ KEY1:-"); POINT_COLOR=BLUE;//设置字体为蓝色 LCD_ShowString(30,150,200,16,16,"DAC VAL:"); LCD_ShowString(30,170,200,16,16,"DAC VOL:0.000V"); LCD_ShowString(30,190,200,16,16,"ADC VOL:0.000V"); TIM_SetTIM9Compare2(pwmval); //初始值为 0 while(1) { t++; key=KEY_Scan(0); if(key==WKUP_PRES) { if(pwmval<250)pwmval+=10; TIM_SetTIM9Compare2(pwmval); //输出 }else if(key==KEY1_PRES) { if(pwmval>10)pwmval-=10; else pwmval=0; TIM_SetTIM9Compare2(pwmval); //输出 } if(t==10\|\|key==KEY1_PRES\|\|key==WKUP_PRES) //WKUP/KEY1 按下了,或者定时时间到了 { adcx=HAL_TIM_ReadCapturedValue(&TIM9_Handler,TIM_CHANNEL_2); LCD_ShowxNum(94,150,adcx,3,16,0);//显示 DAC 寄存器值 temp=(float)adcx(3.3/256);; //得到 DAC 电压值 adcx=temp; LCD_ShowxNum(94,170,temp,1,16,0); //显示电压值整数部分 temp-=adcx; temp=1000; LCD_ShowxNum(110,170,temp,3,16,0x80);//显示小数部分 adcx=Get_Adc_Average(ADC_CHANNEL_5,20); // 得到转换值 temp=(float)adcx(3.3/4096); //得到 ADC 电压值 adcx=temp; LCD_ShowxNum(94,190,temp,1,16,0); //显示电压值整数部分 temp-=adcx; temp=1000; LCD_ShowxNum(110,190,temp,3,16,0x80);//显示小数部分 t=0; LED0_Toggle; } delay_ms(10); } } 此部分代码，同上一章的基本一样，先对需要用到的模块进行初始化，然后显示一些提示信息，本章我们通过 KEY_UP 和 KEY1（也就是上下键）来实现对 PWM 脉宽的控制，经过 RC 滤波，最终实现对 DAC 输出幅值的控制。按下 KEY_UP 增加，按 KEY1 减小。同时在 LCD 上面显示 TIM4_CCR1 寄存器的值、PWM DAC 设计输出电压以及 ADC 采集到的实际输出电压。同时 DS0 闪烁，提示程序运行状况。 28.4 下载验证在代码编译成功之后，我们通过下载代码到 ALIENTEK 阿波罗 STM32 开发板上，可以看到 LCD 显示如图 28.4.1 所示：图 28.4.1 PWM DAC 实验测试图同时伴随 DS0 的不停闪烁，提示程序在运行。此时，我们通过按 KEY_UP 按键，可以看到输出电压增大，按 KEY1 则变小。特别提醒：此时 PA3 不能接其他任何外设，如果没有拔了 P8 排针上面 PA3 的跳线帽，那么 PWM DAC 将有很大误差！！！！ 2
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