Stm32 цап. ЦАП микроконтроллера STM32: возможности и примеры использования

Что такое ЦАП в микроконтроллерах STM32. Как работает ЦАП в STM32. Какие основные возможности у ЦАП STM32. Как использовать ЦАП STM32 для генерации сигналов и звука. Какие примеры применения ЦАП STM32 существуют.

Что такое ЦАП в микроконтроллерах STM32

ЦАП (цифро-аналоговый преобразователь) или DAC (Digital-to-Analog Converter) — это устройство для преобразования цифрового сигнала в аналоговый. В микроконтроллерах семейства STM32 встроенный ЦАП позволяет формировать аналоговые сигналы различной формы.

Основные характеристики ЦАП в STM32:

• Разрядность: 12 бит (4096 уровней)
• Количество каналов: 1 или 2 (зависит от конкретной модели МК)
• Диапазон выходного напряжения: от 0 до VREF (обычно 3.3В)
• Возможность генерации шума и треугольного сигнала
• Поддержка DMA для автоматической передачи данных
• Синхронизация с таймерами

Принцип работы ЦАП в STM32

Принцип работы ЦАП в STM32 заключается в следующем:

1. 12-битное цифровое значение (от 0 до 4095) записывается в регистр данных ЦАП.
2. ЦАП преобразует это значение в соответствующее аналоговое напряжение от 0 до VREF.
3. Выходное напряжение определяется по формуле: Vout = VREF * (цифровое значение / 4095)
4. Обновление выхода ЦАП может выполняться программно или по событию таймера.
5. Для непрерывной генерации сигнала используется DMA.

Таким образом, изменяя цифровые значения в регистре ЦАП с определенной частотой, можно формировать аналоговые сигналы произвольной формы.

Основные возможности ЦАП STM32

ЦАП микроконтроллеров STM32 обладает следующими ключевыми возможностями:

• Разрешение 8 или 12 бит
• Одновременная работа двух каналов (в некоторых моделях)
• Встроенный генератор шума
• Встроенный генератор треугольного сигнала
• Синхронизация с таймерами для точного задания частоты
• Поддержка DMA для автоматической загрузки данных
• Программируемый выходной буфер
• Режим двойной буферизации данных

Эти возможности позволяют гибко настраивать ЦАП под различные задачи генерации сигналов.

Применение ЦАП STM32 для генерации сигналов

ЦАП микроконтроллеров STM32 может использоваться для генерации различных типов сигналов:

• Синусоидальный сигнал
• Треугольный сигнал
• Пилообразный сигнал
• Прямоугольный сигнал
• Шумовой сигнал
• Произвольный сигнал по точкам

Для генерации синусоидального сигнала используется следующий алгоритм:

1. Создается таблица значений синуса (обычно на период)
2. Значения из таблицы циклически передаются в ЦАП с помощью DMA
3. Частота обновления задается таймером
4. Изменяя частоту таймера, можно менять частоту сигнала

Треугольный и пилообразный сигналы могут генерироваться встроенным генератором ЦАП или программно. Шумовой сигнал формируется с помощью встроенного генератора псевдослучайных чисел.

Использование ЦАП STM32 для генерации звука

ЦАП микроконтроллеров STM32 хорошо подходит для генерации звуковых сигналов. Основные способы генерации звука:

1. Воспроизведение оцифрованного звука из памяти
2. Синтез звука в реальном времени
3. Генерация простых сигналов (синус, треугольник) для создания тонов

Для воспроизведения звуковых файлов используется следующий алгоритм:

1. Звуковые данные (например, из WAV файла) загружаются в память
2. Данные передаются в ЦАП с помощью DMA
3. Частота дискретизации задается таймером
4. Выход ЦАП подключается к усилителю и динамику

Такой подход позволяет создавать на базе STM32 простые аудиоплееры, диктофоны и другие звуковые устройства.

Примеры применения ЦАП STM32

Вот несколько примеров практического применения ЦАП микроконтроллеров STM32:

• Генераторы сигналов произвольной формы
• Аудиоплееры и диктофоны
• Синтезаторы и электронные музыкальные инструменты
• Генераторы тестовых сигналов
• Управление двигателями постоянного тока
• Формирование опорных напряжений
• Имитаторы датчиков с аналоговым выходом

Например, для создания простого генератора сигналов можно использовать следующий алгоритм:

1. Создать массивы с точками различных сигналов (синус, треугольник и т.д.)
2. Настроить ЦАП на работу с DMA
3. Использовать таймер для задания частоты обновления ЦАП
4. По кнопкам переключать форму сигнала, меняя источник для DMA
5. Энкодером регулировать частоту таймера для изменения частоты сигнала

Таким образом, ЦАП микроконтроллеров STM32 является мощным инструментом для создания различных аналоговых интерфейсов и генераторов сигналов.

Настройка и инициализация ЦАП STM32

Для работы с ЦАП STM32 необходимо выполнить следующие шаги по его настройке и инициализации:

1. Включить тактирование ЦАП в регистре RCC
2. Настроить GPIO пин, к которому подключен выход ЦАП
3. Сконфигурировать регистр DAC_CR:
   • Выбрать разрядность (8 или 12 бит)
   • Настроить выходной буфер
   • Выбрать источник запуска (триггер)
   • Включить DMA, если требуется
4. Настроить DMA для автоматической передачи данных в ЦАП
5. Сконфигурировать таймер для синхронизации работы ЦАП
6. Включить выбранный канал ЦАП

Пример базовой инициализации ЦАП на STM32:

// Включение тактирования
RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_DACEN;

// Настройка пина PA4 как аналогового
GPIOA->
 MODER |= GPIO_MODER_MODER4;

// Настройка ЦАП
DAC->CR |= DAC_CR_EN1; // Включение канала 1
DAC->CR |= DAC_CR_TSEL1; // Программный запуск
DAC->CR |= DAC_CR_TEN1; // Включение триггера

// Запись значения в ЦАП
DAC->DHR12R1 = 2048; // Половина диапазона

// Обновление выхода ЦАП
DAC->SWTRIGR |= DAC_SWTRIGR_SWTRIG1;

После такой инициализации ЦАП готов к работе и формированию аналогового сигнала на выходе.

Микроконтроллеры STM32: использование АЦП и ЦАП

АЦП и ЦАП могут быть полезны в ряде задач, например, если нужно считывать данные с аналоговых датчиков, или при работе со звуком. Многие МК семейства STM32 имеют встроенный АЦП (даже несколько), а некоторые МК также имеют и встроенный ЦАП. В этой заметке мы рассмотрим простой пример использования обоих устройств. Для экспериментов я использовал плату LimeSTM32 на базе STM32F405, имеющего как АЦП, так и ЦАП.

Итак, создаем новый проект. В STM32CubeMX во вкладке Pinout в дереве слева находим Peripherals и ставим галочки ADC1 → IN0 и DAC → OUT1 Configuration. Далее во вкладке Configuration жмем на ADC1 и меняем значение «Continuous Conversion Mode» на «Enabled», а значение «End of Conversion Selection» — на «EOC flag at the end of all conversions». Несмотря на название, последнее значение эквивалентно «Disabled», о чем несколько подробнее можно прочитать на StackExchange. Что же до DAC, то нам подойдут его настройки по умолчанию.

Для успешной компиляции кода дописываем в Makefile в списке C_SOURCES:

$(FIRMWARE)/Drivers/STM32F4xx_HAL_Driver/Src/stm32f4xx_hal_adc.c \
$(FIRMWARE)/Drivers/STM32F4xx_HAL_Driver/Src/stm32f4xx_hal_adc_ex.c \
$(FIRMWARE)/Drivers/STM32F4xx_HAL_Driver/Src/stm32f4xx_hal_dac.c \
$(FIRMWARE)/Drivers/STM32F4xx_HAL_Driver/Src/stm32f4xx_hal_dac_ex.c \

При настройке ЦАП выяснилось, что аналоговый выход есть только на пинах PA4 и PA5. Проблема в том, что в LimeSTM32 эти пины я вывел на гнезда для подключения Arduino-шилда и использовал, как CS и SCK SPI-шины (D10 и D13 в обозначениях Arduino). Другими словами, приходится выбирать, остаться либо без SPI-устройств на шилде, либо без ЦАП. А мне как раз очень хотелось выводить значения, получаемые от АЦП, на шилд с экранчиком на базе ST7735, который использует SPI. Для решения этой проблемы было решено немного подхачить плату так, чтобы вместо PA4 и PA5 для SPI использовались пины PB5 и PB3. Я сделал себе пометку внести это изменение в будущих ревизиях LimeSTM32.

Основной код прошивки вышел незамысловатым:

    HAL_ADC_Start(&hadc1);
    HAL_DAC_Start(&hdac, DAC_CHANNEL_1);
    UART_Printf(«Ready!\r\n»);
     
    // Похоже, что АЦП нужно время на инициализацию.
    // Без этой задержки в зависимости от тела loop() прошивка
    // может повиснуть.
    HAL_Delay(1);
}

void loop() {
    HAL_Delay(100);

    // Без изменения опции «End of Conversion Selection»

    HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, HAL_MAX_DELAY);
    uint32_t adc_val = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);

    HAL_DAC_SetValue(&hdac, DAC_CHANNEL_1, DAC_ALIGN_12B_R, adc_val);

    char tmp[128];
    snprintf(tmp, sizeof(tmp), «ADC: %04lu», adc_val); // 0 .. 4095
    ST7735_WriteString(11*0, 18*0, tmp, Font_11x18,
                       ST7735_WHITE, ST7735_BLACK);
}

Код просто считывает значение с АЦП и передает его как есть в ЦАП. Значения, используемые обоими устройствами, в данном случае 12-и битные. Интересно, что микроконтроллеры STM32 позволяют понижать разрядность сигнала, получая взамен более быструю работу устройств. Также существуют микроконтроллеры с 16-и битным АЦП.

В LimeSTM32 используется микроконтроллер STM32F405RGT6 (даташит [PDF]), либо его старший брат STM32F415RGT6. В обоих микроконтроллерах частота дискретизации АЦП составляет 2.4 Msps, а частота дискретизации ЦАП — 1 Msps. Следует учитывать, что это максимальные значения, и в даташите есть немало оговорок касаемо того, когда они достигаются. Помимо прочего, частота дискретизации АЦП зависит от напряжения питания, а частота дискретизации ЦАП — от того, насколько сильно изменяется сигнал.

Fun fact! ЦАП в STM32 основаны на R-2R лестнице. Устройство таких ЦАП ранее была описано в заметке Генерация синусоидального сигнала, а следовательно и звука, на FPGA. Используемый же АЦП является так называемым SAR ADC. Его работа основана на ЦАП и бинарном поиске такого его входного значения, чтобы получаемый в итоге сигнал был максимально близок к входному сигналу АЦП.

Проверить работу кода проще всего с помощью потенциометра и светодиода:

А еще можно убрать задержку в loop() и воспользоваться для теста генератором сигналов и осциллографом:

На первом канале мы видим вход АЦП, а на втором — выход ЦАП. Искажения сигнала объясняются тем, что мы его пробрасываем в цикле, как бы «в лоб», а стоило бы использовать прерывания или DMA. Однако эти темы уже выходят за рамками сего поста. Заинтересованный читателю стоит обратиться к статье Учимся передавать звук с использованием протокола I2S, в рамках которой был написан простой WAV-проигрыватель. Используя подход, аналогичный описанному в той статье, можно записывать звук при помощи АЦП и затем воспроизводить его при помощи ЦАП.

Если вы решите сделать такой проект в качестве домашнего задания, то вам может понадобится операционный усилитель, например NE5532. Также на eBay можно найти готовые модули на базе микрофонного усилителя MAX9814 (даташит [PDF]), аудио усилителя для динамиков PAM8403 (даташит [PDF]), и множество других. При использовании PAM8403 не удивляйтесь, если на на выходе у него окажется не синусоида, поскольку он является усилителем класса D.

Исходники к посту вы найдете в этом репозитории на GitHub. Как обычно, буду рад вашим вопросам и дополнениям.

Дополнение: В продолжение темы см заметку Микроконтроллеры STM32: переключение каналов АЦП. Пример использования двух ЦАП одновременно вы найдете в статье Рисуем на осциллографе в режиме X-Y.

Метки: STM32, Электроника.

AN3126: формирование аудиосигнала с помощью DAC STM32 | arm

В этой статье (перевод апноута AN3126 [1]) описываются примеры генерации звука с помощью встроенного в STM32 аналого-цифрового преобразователя (Digital to Analog Converter, DAC).

Модуль DAC микроконтроллера (MCU) STM32 12-разрядный, с тремя каналами вывода сигналов. Этот DAC может использоваться во многих звуковых приложениях, таких как системны сигнализации, гарнитуры Bluetooth®, говорящие игрушки, автоответчики, интерфейс между машиной и человеком, недорогие проигрыватели музыкальных файлов. Также можно использовать DAC для генерации сигналов в различных устройствах измерения и контроля.

В апноуте [1], кроме описания основных возможностей STM32 DAC, приведены 2 примера:

– В первом примере DAC используется для генерации синусоидального сигнала.
– Во втором примере показано проигрывание WAV-файлов.

В чипах STM32, основанных на ядре Arm®(a) Cortex®, встроенный DAC может реализован в разных конфигурациях, с различными возможностями:

• С каналами от одного до трех.
• С возможностью генерации шума.
• С возможностью генерации сигнала треугольной формы.
• С поддержкой флага недогрузки DMA (DMA under run).
• С выделенным тактированием аналогового тракта.

Для получения подробной информации по возможностям и функциям определенного DAC обращайтесь к даташиту на используемый MCU STM32. Дополнительную информацию можно найти в апноуте AN4566 [2].

Как показано на рис. 1, модуль DAC принимает данные в трех целочисленных форматах: 8 бит (байт, находящийся в младших разрядах регистра хранения данных, data hold register), 12 бит с выравниванием вправо (двенадцать бит также находятся в младших разрядах data hold register) и 12 с выравниванием влево (двенадцать бит находятся в старших разрядах data hold register).

Рис. 1. Форматы данных DAC.

Уровень аналогового выходного напряжения каждого канала DAC определяется по формуле:

DAC_Output = V_REF · DOR / 4096

Двухканальный режим. Эта функция поддерживается только в тех MCU, где имеется как минимум два встроенных DAC. На каждом из каналов имеется свой ЦАП. В двухканальном режиме преобразование из цифры в аналог может быть реализовано независимо или одновременно. Когда каналы DAC запускаются от одного источника, оба канала объединяются в группу для синхронных операций обновления, и преобразования осуществляются одновременно.

Выделенные таймеры. В дополнение к программным и внешним триггерам, преобразование DAC может запускаться от разных таймеров. Базовые таймеры TIM6 и TIM7 [7] предназначены для управления запусками преобразований DAC. Каждый раз, когда интерфейс DAC детектирует фронт нарастания на выбранном выходе триггера таймера (TIMx_TRGO), последние данных, сохраненные в регистр DAC_DHRx, передаются в регистр DAC_DORx (пример для STM32F100x показан на рис. 2).

Рис. 2. Каналы триггера (запуска) STM32F10x DAC.

DMA. В чипах MCU STM32 имеется как минимум один модуль DMA с несколькими каналами передачи данных. Каждый канал DAC привязывается к отдельному каналу DMA, формируя поток данных (stream). Например, для STM32F10x DAC channel1 соединяется с DMA channel3, и DAC channel2 соединяется с DMA channel4.

Когда DMA не используется, данные для DAC должен своевременно предоставлять CPU, чтобы корректно сформировать необходимый сигнал. Данные для DAC сохраняются в RAM или энергонезависимой памяти, либо могут генерироваться на лету.

Рис. 3. Взаимодействие с DAC без DMA.

При использовании DMA общая производительность системы увеличивается, потому что CPU освобождается от действий по предоставлению данных для DAC. Причина в том, что данные могут передаваться из памяти в DAC блоком DMA, без участия CPU. Таким образом, процессорное время CPU становится доступным для других операций.

Рис. 4. Взаимодействие с DAC при помощи DMA.

В некоторых случаях может произойти ошибка недогрузки DMA (DMA under run error), когда передачи DMA происходят медленнее, чем преобразования DAC. В этих случаях DAC определяет, что часть данных сигнала не была получена, и корректное формирование сигнала не может быть продолжено, и по этому факту выставляет флаг ошибки «DMA under run error».

[Генератор белого шума]

На рис. 5 показана функция генератора псевдослучайного кода STM32 DAC. В зависимости от того, какие используются отводы от разрядов сдвигового регистра [8], может быть сгенерирована последовательность 2^n-1 псевдослучайных чисел до того, как эта последовательность повторяется.

Рис. 5. Генератор псевдослучайных чисел, встроенный в DAC.

Шум, производимый этим генератором, обладает плоским распределением уровня по спектру, и может считаться белым. Вместо Гауссовского выходного распределения, распределение равномерное, см. рис. 6.

Рис. 6. Форма сигнала шума.

Смещение (или постоянная составляющая) шума программируемое. Путем изменения этого смещения по предварительно сконфигурированной таблице смещений (шаблон сигнала), пользователь может получить сигнал, который соответствует сумме сигнала и шума.

Рис. 7. Шум с модифицируемым смещением.

Применение генератора белого шума. Чипы STM32 поставляются с 12-разрядным АЦП (ADC) с частотами дискретизации, которые могут превышать 1 мегасемплов в секунду. В большинстве приложений важна разрешающая способность, и когда нужна большая точность, может быть применена концепция передискретизации и децимации входного сигнала, чтобы не использовать внешний АЦП и тем самым снизить общую стоимость и энергопотребление устройства. Сигнал генерируемого шума может использоваться для расширения точности ADC в процессе применения передискретизации. Более подробно этот метод описан в секции «Oversampling using white noise» апноута AN2668 [3].

Генератор белого шума также может использоваться в индустрии электронной музыки либо напрямую, либо для подачи на вход фильтра для создания шумоподобных сигналов различного типа. Это используется в синтезе звука, обычно для имитации перкуссионных инструментов, таких как цимбалы, у которых в частотном спектре присутствует много шума.

Генератор белого шума может использоваться для управления процессами разработки, например для тестирования усилителей и электронных фильтров.

[Генератор треугольника]

STM32 DAC предоставляет пользователю генератор сигнала треугольной формы с гибко настраиваемыми смещением, амплитудой и частотой. Амплитуда треугольного сигнала может быть фиксирована с помощью бит MAMPx в регистре DAC_CR.

Таблица 2. Предварительно программируемые значения амплитуды треугольного сигнала (при V_REF = 3.3V).

Более подробно про генерацию треугольного сигнала см. соответствующие секции в руководстве. Частота сигнала треугольной формы связана с частотой триггера — источника сигнала запуска (trigger source).

Рис. 8. Формирование треугольного сигнала.

Смещение треугольного сигнала программируется (см. рис. 9). Путем изменения смещения треугольника по предварительно запрограммированной таблице смещений (шаблон сигнала), пользователь может получить сигнал, который соответствует сумме сигнала и шума. Поскольку здесь нет аппаратной защиты от переполнения, сумма смещений и амплитуды не должна превышать 4095.

Рис. 9. Синусоидальный сигнал с изменяемым смещением.

Генераторы треугольника часто используется в синтезе звука, так как тембр треугольника менее жесткий, чем у прямоугольного сигнала (амплитуда верхних гармоник падает быстрее).

[Буферизация выхода]

Чтобы подавать сигнал на нагрузки без использования внешнего усилителя, каналы DAC снабжены встроенными буферами выхода, которые можно разрешить или запретить в зависимости от потребностей конкретного приложения.

Когда выход DAC не буферизирован, и в схеме присутствует нагрузка выхода, выходное напряжение становится ниже, чем это необходимо (см. рис. 10) из за выходного сопротивления DAC.

Рис. 10. Выход не буферизированного канала (с нагрузкой и без нагрузки).

Соответствующий параметр выходного импеданса DAC см. в даташите на используемый STM32 (например, для серии STM32F4 резистивная нагрузка должна быть выше 1.5 мегаома, чтобы выходное напряжение упало меньше 1%).

Когда выходной буфер разрешен, уровень выходного сигнала на нагрузке почти не снижается (см. рис. 11).

Рис. 11. Выход буферизированного канала (с нагрузкой и без нагрузки).

[Использование DAC для генерации синуса]

В этом примере показано, как генерировать сигнал синусоидальной формы, в его спектре (при отсутствие искажений) присутствует только одна частота.

Для подготовки цифрового шаблона для сигнала синуса, необходимо создать соответствующую таблицу, где будут рассчитаны уровни сигнала с помощью математических функций. В этом примере сформировано 10 цифровых данных, которые соответствуют форме синуса в диапазоне изменения фазы сигнала от 0 до 2Pi радиан за полный период (от 0 до 360 градусов).

Рис. 12. Цифровая модель синусообразного сигнала.

Шаг изменения фазы от выборки к выборке составляет 2Pi / n_s (number of samples, количество выборок в секунду). Значение sin(x) изменяется в диапазоне от -1 до 1, эти значения необходимо сместить вверх, чтобы получить положительные (целые значения без знака) уровни синуса в виде выборок в диапазоне между 0x000 и 0xFFF (что соответствует диапазону изменения напряжения от 0 до 3.3V при V_REF = 3.3V).

                          2Pi            0xFFF + 1
y_SineDigital(x) = (sin(x · ——) + 1) · (————)
                           n_s                 2

Цифровые входные данные прямо пропорционально преобразуются в выходные напряжения в диапазоне между 0 и V_REF. Выходные напряжения на ножке каждого канала DAC определяются по формуле:

                             DOR
DAC_Output = V_REF · ————————-
                    DAC_MaxDigitalValue + 1

Примечание: для 12-битного разрешения с выравниванием вправо DAC_MaxDigitalValue = 0xFFF. Для 8-битного разрешения с выравниванием вправо DAC_MaxDigitalValue = 0xFF.

Уровень аналогового напряжения синуса y_SineAnalog можно определить по формуле (при V_REF = 3.3V):

                       y_SineDigital(x)
y_SineAnalog(x) = 3.3V · —————
                         0xFFF + 1

Таблица 3. Цифровые данные и соответствующие значения уровня напряжения для синусообразного сигнала.

Цифровые выборки из таблицы 3 сохраняются в памяти, и передается в DAC с помощью DMA. Передача DMA запускается тем же самым таймером, который запускает преобразование DAC.

Установка частоты синуса. Чтобы установить частоту синусообразного сигнала, пользователь должен установить частоту выхода триггера таймера (fTimerTRGO). Генерируемая частота синуса будет определяться по следующей формуле:

             f_TimerTRGO
f_Sinewave = ————
                n_s

Таким образом, если выходная частота триггера TIMx_TRGO равна 1 МГц, то частота, генерируемая DAC, составит 100 кГц.

Примечание: в этом примере для упрощения сформирована маленькая таблица синуса. Чтобы максимально приблизиться к целевой чистой форме тона, рекомендуется использовать как можно большее количество выборок в таблице синуса n_s (разница в качестве формирования сигнала показана на рис. 13 и 14).

Рис. 13. Синус, генерируемый с помощью таблицы из 10 выборок (n_s = 10).

Рис. 14. Синус, генерируемый с помощью таблицы из 256 выборок (n_s = 256).

[Использование DAC для проигрывания звука]

В этом примере реализован аудиоплеер на STM32, который может проигрывать WAV-файлы. В примере используется минимальное количество внешних компонентов. Звуковые файлы сохраняются на карте microSD, доступной для MCU STM32 через шину SPI.

Рис. 15. Поток данных от карты microSD до внешних излучателей звука.

Аудиоплеер, описанный в этой секции, поставляется как часть демонстрационного пакета firmware для платы разработчика STM32100B-EVAL вместе с соответствующим руководством пользователя UM0891, все это можно загрузить с сайта STMicroelectronics www.st.com.

Примечание: для других отладочных плат см. проекты с файлом waveplayer.c из архива [9].

В этом приложении подразумевается, что проигрываемый WAV-файл имеет следующий формат:

• Звук закодирован как PCM. Это данные без компрессии, где каждое значение данных представляет выборку сигнала в моменты дискретизации.
• Частота дискретизации (sample rate): может быть 8000, 11025, 22050 или 44100 Гц.
• Разрядность одной выборки (bits per sample): 8 (диапазон данных уровня звука [0-255]).
• Количество каналов: 1 (mono).

Формат WAV-файла [5] это подмножество спецификации Resource Interchange File Format (RIFF), используемой для хранения мультимедийных файлов. Файл RIFF начинается с заголовка, за которым друг за другом следуют секции секции данных. Часто WAV-файл используется только с одной секцией WAVE, состоящей из двух подсекций:

1. Подсекция fmt, которая описывает формат данных звука.
2. Подсекция data, где содержатся реальные данные звука.

Заголовок RIFF формата WAV-файла указывает длину файла. Далее подсекция fmt определяет формат выборки, здесь содержится информация о том, как закодирован звук (PCM или другой формат), количество каналов (mono или stereo), частота дискретизации (sample rate, количество выборок в секунду, например 22050) и размер (разрядность) одной выборки (например 8 или 16 бит). И наконец, в секции data содержатся данные выборок звука.

Пример приложения аудиоплеера основан на использовании внутренних периферийных устройств SPI, DMA, TIM6 и DAC микроконтроллера STM32. В момент запуска приложение сначала использует SPI для подключения к карте microSD, и анализирует её содержимое, используя файловую систему DOS (FAT16 или FAT32), при этом осуществляется поиск файлов с расширением *.WAV в папке USER. Как только найден допустимый WAV-файл, он считывается через SPI, и его данные передаются с помощью CPU в буферный массив RAM. Для передачи данных из буфера RAM в DAC используется блок DMA. TIM6 используется для запуска преобразования DAC, в результате чего цифровые данные звука преобразуются в аналоговый сигнал.

Перед тем, как могут быть воспроизведены звуковые данные WAV-файла, должен быть обработан его заголовок, чтобы определить необходимую частоту выборок (sampling rate) и длину данных. Задача воспроизведения звука осуществляется использованием оцифрованных данных (содержащихся в подсекции data файла *.WAV) для обновления уровня на выходе DAC, в нашем примере данные закодированы 8 битами (принимают значения от 0 до 255).

DAC Channel1 запускается с регулярными интервалами от таймера TIM6, в соответствии с указанной частотой выборок (sample rate) в заголовке WAV-файла. Демонстрационный исходный код, который считывает данные и проигрывает их, написан на языке C, и находится в файлах waveplayer.c и waveplayer.h (см. архив [9]). Воспроизведение начинается с запуска функции WavePlayerMenu_Start() (см. алгоритм работы аудиоплеера на рис. 16).

Рис. 16. Алгоритм работы примера аудиоплеера.

Примечание (*): когда DMA передает данные из буфера SRAM, CPU передает данные из памяти Flash карты microSD™ в другой буфер SRAM, и эти буферы периодически переключаются (это называется двойной буферизацией).

В этом приложении является важной совместная обработка чтения (из внешней памяти, здесь такой памятью служит карта microSD) и записи (в регистр данных DAC) цифровых данных сигнала (см. рис. 17).

Рис. 17. Диаграмма активности CPU и DMA во время воспроизведения звука.

Примечание: вместо считывания с карты данные звука могут быть сгенерированы с помощью вычислений CPU и записаны в буфер DMA, это называется прямым цифровым синтезом сигнала (DDS, Direct Digital Synthesis).

[Ссылки]

1. AN3126 Audio and waveform generation using the DAC in STM32 products site:st.com.
2. AN4566 Extending the DAC performance of STM32 microcontrollers site:st.com.
3. AN2668 Improving STM32F1 Series, STM32F3 Series and STM32Lx Series ADC resolution by oversampling site:st.com.
4. Синтез звуковых сигналов с помощью ШИМ.
5. Wave File Format — формат звукового файла WAV.
6. Начинаем работать в STM32CubeMX. Часть 2 site:habr.com.
7. Руководство по использованию обычных таймеров STM32.
8. LFSR: генерация псевдослучайных чисел на регистре сдвига.
9. 210118AN3126-package.zip — документация и примеры исходного кода.

STM32 DAC. » Хабстаб

DAC у STM32 обладает следующими особенностями:

• двухканальный 12 разрядный, может работать в 8 или 12-битном режиме
  
• напряжение на выходе от 0 до Vref
  
• аппаратная генерация шума и пилы
  
• одновременная загрузка данных в оба DAC
  
• отдельный DMA канал на каждый DAC
  
• запуск преобразования по триггеру
  

Сразу хотелось бы отметить, что данные сначала загружаются в регистр предварительного хранения (data holding register, DHRx), и лишь потом по событию (если включено) переносятся в выходной регистр (DORx).

Регистр управления DAC_CR:

DMAEN2 (DAC channel2 DMA enable) — единица в этом бите разрешает использовать DMA.

MAMP2[3:0](DAC channel2 mask/amplitude selector) — битовое поле позволяет задавать амплитуду генерируемого.

WAVE2[1:0](DAC channel2 noise/triangle wave generation enable) — битовое поле позволяет включать аппаратный генератор и выбирать форму генерируемого сигнала. 0 — аппаратный генератор отключен, 1 — генерация шума, 2 — генерация пилы.

TSEL2[2:0](DAC channel2 trigger selection) — битовое поле позволяет выбрать источник события по которому данные будут переносится из регистра предварительно хранения (data holding register, DHRx), в выходной регистр (DORx).

TEN2(DAC channel2 trigger enable) — единица в этом бите включает перенос данных из регистра предварительно хранения (data holding register, DHRx), в выходной регистр (DORx) по триггеру. Если событие аппаратное это занимает 3 такта, если программное то 1.

BOFF2(DAC channel2 output buffer disable) — единица в этом бите, отключает буфер на выходе ЦАП, по умолчанию он включен.

EN2(DAC channel2 enable) — единица в этом бите запускает ЦАП.

Образно, регистр можно разделить на две части, они полностью идентичны, но настраивают разные каналы.

DMAEN1(DAC channel1 DMA enable) —
MAMP1[3:0](DAC channel1 mask/amplitude selector) —
WAVE1[1:0](DAC channel1 noise/triangle wave generation enable) —
TSEL1[2:0](DAC channel1 trigger selection) —
TEN1(DAC channel1 trigger enable) —
BOFF1(DAC channel1 output buffer disable) —
EN1(DAC channel1 enable) —

Регистр управления программным триггером DAC_SWTRIGR:

SWTRIG2(DAC channel2 software trigger) — при записи единицы в этот бит генерируется программное событие для второго канала.

SWTRIG1(DAC channel1 software trigger) — при записи единицы в этот бит генерируется программное событие для первого канала.

Данные в регистр предварительного хранения могут загружаться в нескольких форматах: 12 бит выравнивание по правому краю, 12 бит выравнивание по левому краю , 8 бит. Для каждого способа существует свой регистр, что значительно упрощает настройку.

DAC_DHR12Rx — предназначен для загрузки 12 бит выровненных по правому краю.

DAC_DHR12Lx — предназначен для загрузки 12 бит выровненных по левому краю.

DAC_DHR8Rx — предназначен для загрузки 8 бит выровненных по правому краю.

Если данные обоих ЦАП необходимо обновить одновременно, это можно сделать используя следующие регистры.

DAC_DHR12RD — предназначен для одновременного обновления обоих каналов, 12 бит выровненных по правому краю.

DAC_DHR12LD — предназначен для одновременного обновления обоих каналов, 12 бит выровненных по левому краю.

DAC_DHR8RD — предназначен для одновременного обновления обоих каналов, 8 бит выровненных по правому краю.

Регистр данных DAC_DOR1 — позволяет считывать текущее состояние выхода первого ЦАП.

Регистр данных DAC_DOR2 — позволяет считывать текущее состояние выхода второго ЦАП.

Мне ЦАП понадобился для получения напряжения величиной 1V на ножке МК. Код ниже позволяет это сделать.

#include "stm32f4xx.h"

void DAC_Init(void)
{
  //разрешаем тактирование порта
  RCC->AHB1ENR |= RCC_AHB1ENR_GPIOAEN; 
  //PA5 push-pull
  GPIOA->MODER |= GPIO_MODER_MODER5_1;
  GPIOA->OSPEEDR |= GPIO_OSPEEDER_OSPEEDR5;
  GPIOA->PUPDR &= ~GPIO_PUPDR_PUPDR5;
 
  //разрешаем тактироваине DAC
  RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_DACEN;
  //включаем DAC2
  DAC->CR |= DAC_CR_EN2;  
  //загружаем 12 битные данные в регистр с правым выравниванием          
  DAC->DHR12R2 = 1000;
}

Генератор сигналов ЦАП stm32 — CodeRoad

Я программирую DAC периферийное устройство stm32f2xx. У меня есть массив байтов (звук) & я хотел бы генерировать сигнал с частотой дискретизации = 8K.

Теперь мой вопрос: Как указать частоту дискретизации?

Примечание: Я много гуглил. Я получаю только генерацию трангл-волн и генерацию синусоидальных волн с помощью DMA. Я не хочу использовать DMA.

Заранее спасибо за помощь… С уважением,

  #ifndef __DAC_H
#define __DAC_H
#include "sys.h"

void Dac1_Init (недействителен);
void Dac1_Set_Vol (u16 vol);
#endif


  

  #include "dac.h"


недействительным Dac1_Init (недействительным)
{
      
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
DAC_InitTypeDef DAC_InitType;

    RCC_AHB1PeriphClockCmd (RCC_AHB1Periph_GPIOA, ВКЛЮЧИТЬ);
    RCC_APB1PeriphClockCmd (RCC_APB1Periph_DAC, ВКЛЮЧИТЬ);

    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_4;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AN;
    GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_DOWN;
    GPIO_Init (GPIOA, & GPIO_InitStructure);

DAC_InitType.DAC_Trigger = DAC_Trigger_None;
DAC_InitType.DAC_WaveGeneration = DAC_WaveGeneration_None;
DAC_InitType.DAC_LFSRUnmask_TriangleAmplitude = DAC_LFSRUnmask_Bit0;
DAC_InitType.DAC_OutputBuffer = DAC_OutputBuffer_Disable;
  DAC_Init (DAC_Channel_1, & DAC_InitType);

DAC_Cmd (DAC_Channel_1, ВКЛЮЧИТЬ);
  
  DAC_SetChannel1Data (DAC_Align_12b_R, 0);
}


void Dac1_Set_Vol (u16 vol)
{
    
двойная температура = объем;
темп / = 1000;
темп = темп * 4096/3.3;
DAC_SetChannel1Data (DAC_Align_12b_R, temp);
}
  

  int main (пусто)
{
     
u16 adcx;
температура поплавка;
 u8 t = 0;
u16 dacval = 0;
клавиша u8;
NVIC_PriorityGroupConfig (NVIC_PriorityGroup_2);
delay_init (168);
uart_init (115200);

LED_Init ();
 LCD_Init ();
Adc_Init ();
KEY_Init ();
Dac1_Init ();
ТОЧКА_ЦВЕТА = КРАСНЫЙ;
LCD_ShowString (30,50,200,16,16, «Проводник STM32F4»);
LCD_ShowString (30,70,200,16,16, «ТЕСТ ЦАП»);
LCD_ShowString (30,90,200,16,16, «ATOM @ ALIENTEK»);
LCD_ShowString (30,110,200,16,16, «2014/5/6»);
LCD_ShowString (30,130,200,16,16, «WK_UP: + KEY1: -»);
POINT_COLOR = СИНИЙ;
LCD_ShowString (30,150,200,16,16, «ЦАП VAL:»);
LCD_ShowString (30,170,200,16,16, "DAC VOL: 0.000V ");
LCD_ShowString (30,190,200,16,16, «ADC VOL: 0,000V»);
 
DAC_SetChannel1Data (DAC_Align_12b_R, dacval);
в то время как (1)
{
    
t ++;
ключ = KEY_Scan (0);
если (ключ == WKUP_PRES)
{
    
если (dacval <4000) dacval + = 200;
DAC_SetChannel1Data (DAC_Align_12b_R, dacval);
} else if (ключ == 2)
{
    
если (dacval> 200) dacval- = 200;
иначе dacval = 0;
DAC_SetChannel1Data (DAC_Align_12b_R, dacval);
}
if (t == 10 || ключ == KEY1_PRES || ключ == WKUP_PRES)
{
    
 adcx = DAC_GetDataOutputValue (DAC_Channel_1);
LCD_ShowxNum (94,150, adcx, 4,16,0);
temp = (float) adcx * (3.3/4096);
adcx = temp;
 LCD_ShowxNum (94,170, темп, 1,16,0);
 temp- = adcx;
темп * = 1000;
LCD_ShowxNum (110,170, темп, 3,16,0X80);
 adcx = Get_Adc_Average (ADC_Channel_5,10);
temp = (float) adcx * (3,3 / 4096);
adcx = temp;
 LCD_ShowxNum (94,190, темп, 1,16,0);
 temp- = adcx;
темп * = 1000;
LCD_ShowxNum (110,190, темп, 3,16,0X80);
LED0 =! LED0;
t = 0;
}
delay_ms (10);
}
}
  

 # Идентификатор лицензии SPDX: (GPL-2.0 OR BSD-2-Clause)
% YAML 1.2
---
$ id: "http://devicetree.org/schemas/iio/dac/st,stm32-dac.yaml#"
$ schema: "http://devicetree.org/meta-schemas/core.yaml#"

название: STMicroelectronics STM32 DAC bindings

описание: |
  ЦАП STM32 представляет собой 12-разрядный цифро-аналоговый преобразователь с выходным напряжением. ЦАП
  может быть настроен в 8- или 12-битном режиме. Он имеет два выходных канала, каждый с
  собственный конвертер.
  Он имеет встроенный генератор шума и треугольных сигналов и поддерживает внешние
  триггеры для конверсий.Выходной буфер ЦАП обеспечивает высокую производительность привода.
  Текущий.

сопровождающие:
  - Фабрис Гаснье 

характеристики:
  совместимый:
    перечисление:
      - st, stm32f4-dac-core
      - st, stm32h7-dac-core

  рег:
    maxItems: 1

  сбрасывает:
    maxItems: 1

  часы:
    maxItems: 1

  часы-имена:
    Предметы:
      - const: pclk

  vref-supply:
    Описание: Фандл к входному аналоговому опорному напряжению vref. dac @ [1-2] + $":
    тип: объект
    описание:
      Узел блока DAC должен содержать по крайней мере один подузел, представляющий
      Экземпляр / канал DAC, доступный на машине.характеристики:
      совместимый:
        const: st, stm32-dac

      рег:
        описание: должно быть либо 1, либо 2, чтобы определить (один) используемый канал.
        enum: [1, 2]

      '# io-channel-cells':
        const: 1

    additionalProperties: false

    требуется:
      - совместимый
      - рег
      - '# io-канал-ячейки'

Примеры:
  - |
    // Пример на stm32mp157c
    # включить 
    dac: dac @ 40017000 {
      совместимый = "st, stm32h7-dac-core";
      reg = <0x40017000 0x400>;
      clocks = <& rcc DAC12>;
      часы-имена = "pclk";
      vref-supply = <& vref>;
      # адрес-ячейки = <1>;
      # размер-ячейки = <0>;

      dac @ 1 {
        совместимый = "st, stm32-dac";
        # io-канал-ячейки = <1>;
        рег = <1>;
      };

      dac @ 2 {
        совместимый = "st, stm32-dac";
        # io-канал-ячейки = <1>;
        рег = <2>;
      };
    };

...

  Текущая версия аудио класса поддерживает следующие аудио функции:
- Формат импульсной модуляции (PCM)
- частота дискретизации: 48 кГц.- Разрядность: 16
- Количество каналов: 2
- Нет регулятора громкости
- Возможность отключения / включения звука
- Асинхронные конечные точки
  

  [Port4] FailedEnumeration: Неизвестное USB-устройство (ошибка запроса дескриптора устройства)


Возможность подключения пользователя порта: да
Возможность отладки порта: нет
Номер порта компаньона: 0
Символическое имя ссылки Companion Hub:
Поддерживаемые протоколы:
 USB 1.1: есть
 USB 2.0: есть
 USB 3.0: нет

       --- ===> Информация об устройстве <=== ---

ConnectionStatus: FailedEnumeration
Текущее значение конфигурации: 0x00 -> Скорость шины устройства: полная (не поддерживает SuperSpeed ​​или выше)
Адрес устройства: 0x00
Открытые трубы: 0
*! * ОШИБКА: Нет открытых каналов!

          ===> Дескриптор устройства <===
*! * ОШИБКА: неверно bLength, равное 0, должно быть 18
b Длина: 0x00
bDescriptorType: 0x00
bcdUSB: 0x0000
bDeviceClass: 0x00
*! * ОШИБКА: сбой при перечислении устройств.
  

  _Min_Heap_Size = 0x2800; / * необходимое количество кучи * /
_Min_Stack_Size = 0x400; / * необходимое количество стека * /
  

  _Min_Heap_Size = 0x200; / * необходимое количество кучи * /
_Min_Stack_Size = 0x400; / * необходимое количество стека * /
  

  [Port4]: композитное USB-устройство  Возможность подключения пользователя порта: да
Возможность отладки порта: нет
Номер порта компаньона: 0
Символическое имя ссылки Companion Hub:
Поддерживаемые протоколы:
 USB 1.1: да
 USB 2.0: есть
 USB 3.0: нет  Состояние питания устройства: PowerDeviceD0  --- ===> Информация об устройстве <=== ---
Название продукта на английском языке: "STM32 Audio Class"  Состояние подключения:
Текущее значение конфигурации: 0x01 -> Скорость шины устройства: полная (не поддерживает SuperSpeed ​​или выше)
Адрес устройства: 0x30
Открытые трубы: 0
*! * ОШИБКА: Нет открытых каналов!  ===> Дескриптор устройства <===
b Длина: 0x12
bDescriptorType: 0x01
bcdUSB: 0x0201
bDeviceClass: 0x00 -> Это устройство, определяемое классом интерфейса
bDeviceSubClass: 0x00
bDeviceProtocol: 0x00
bMaxPacketSize0: 0x40 = (64) байта
idVendor: 0x0483 = STMicroelectronics
idProduct: 0x5740
bcdУстройство: 0x0200
Производитель: 0x01
 Английский (США) «STMicroelectronics»
iProduct: 0x02
 Английский (США) "STM32 Audio Class"
iSerialNumber: 0x03
 Английский (США) "377C315A3234"
bNumConfigurations: 0x01  --- ===> Полный дескриптор конфигурации <=== ---  ===> Дескриптор конфигурации <===
b Длина: 0x09
bDescriptorType: 0x02
wTotalLength: 0x006D -> Подтверждено
bNumInterfaces: 0x02
bConfigurationValue: 0x01
iConfiguration: 0x00
Атрибуты bmA: 0xC0 -> Автономное питание
MaxPower: 0x32 = 100 мА  ===> Дескриптор интерфейса <===
b Длина: 0x09
bDescriptorType: 0x04
bInterfaceNumber: 0x00
bAlternateSetting: 0x00
bNumEndpoints: 0x00
bInterfaceClass: 0x01 -> Класс аудиоинтерфейса
bInterfaceSubClass: 0x01 -> Подкласс интерфейса управления звуком
bInterfaceProtocol: 0x00
iInterface: 0x00  ===> Дескриптор заголовка интерфейса управления звуком <===
b Длина: 0x09
bDescriptorType: 0x24 (CS_INTERFACE)
bDescriptorSubtype: 0x01 (ЗАГОЛОВОК)
bcdADC: 0x0100
wTotalLength: 0x0027
bInCollection: 0x01
baInterfaceNr [1]: 0x01  ===> Дескриптор входного терминала управления звуком <===
bДлина: 0x0C
bDescriptorType: 0x24 (CS_INTERFACE)
bDescriptorSubtype: 0x02 (INPUT_TERMINAL)
bTerminalID: 0x01
wTerminalType: 0x0101 (потоковая передача по USB)
bAssocTerminal: 0x00
bNrChannels: 0x01
wChannelConfig: 0x0000
iChannelNames: 0x00
iTerminal: 0x00  ===> Дескриптор устройства управления звуком <===
b Длина: 0x09
bDescriptorType: 0x24 (CS_INTERFACE)
bDescriptorSubtype: 0x06 (FEATURE_UNIT)
bUnitID: 0x02
bSourceID: 0x01
bControlSize: 0x01
bmaControls [мастер]: 01
 (Немой)
bmaControls [канал 0]: 00
iFeature: 0x00  ===> Дескриптор выходного терминала управления звуком <===
b Длина: 0x09
bDescriptorType: 0x24 (CS_INTERFACE)
bDescriptorSubtype: 0x03 (OUTPUT_TERMINAL)
bTerminalID: 0x03
wTerminalType: 0x0301 (динамик)
bAssocTerminal: 0x00
bSourceID: 0x02
iTerminal: 0x00  ===> Дескриптор интерфейса <===
b Длина: 0x09
bDescriptorType: 0x04
bInterfaceNumber: 0x01
bAlternateSetting: 0x00
bNumEndpoints: 0x00
bInterfaceClass: 0x01 -> Класс аудиоинтерфейса
bInterfaceSubClass: 0x02 -> Подкласс интерфейса аудиопотока
bInterfaceProtocol: 0x00
iInterface: 0x00  ===> Дескриптор интерфейса <===
b Длина: 0x09
bDescriptorType: 0x04
bInterfaceNumber: 0x01
bAlternateSetting: 0x01
bNumEndpoints: 0x01
bInterfaceClass: 0x01 -> Класс аудиоинтерфейса
bInterfaceSubClass: 0x02 -> Подкласс интерфейса аудиопотока
bInterfaceProtocol: 0x00
iInterface: 0x00  ===> Дескриптор интерфейса, специфичный для класса потокового аудио <===
b Длина: 0x07
bDescriptorType: 0x24 (CS_INTERFACE)
bDescriptorSubtype: 0x01 (AS_GENERAL)
bTerminalLink: 0x01
b Задержка: 0x01
wFormatTag: 0x0001 (PCM)  ===> Дескриптор типа формата аудиопотока <===
bДлина: 0x0B
bDescriptorType: 0x24 (CS_INTERFACE)
bDescriptorSubtype: 0x02 (FORMAT_TYPE)
bFormatType: 0x01 (FORMAT_TYPE_I)
bNrChannels: 0x02
bSubframeSize: 0x02
bBit Разрешение: 0x10 (16)
bSamFreqType: 0x01 (дискретный)
tSamFreq [1]: 0x00BB80 (48000 Гц)  ===> Дескриптор конечной точки <===
b Длина: 0x09
bDescriptorType: 0x05
bEndpointAddress: 0x01 -> Направление: OUT - EndpointID: 1
Атрибуты bmA: 0x01 -> Тип изохронной передачи, Тип синхронизации = Нет синхронизации, Тип использования = Конечная точка данных
wMaxPacketSize: 0x00C0 = 0xC0 байт
wInterval: 0x0001
bSyncAddress: 0x00  ===> Дескриптор конечной точки аудиоданных, специфичный для класса потоковой передачи аудио <===
b Длина: 0x07
bDescriptorType: 0x25 (CS_ENDPOINT)
bDescriptorSubtype: 0x01 (EP_GENERAL)
bmAttributes: 0x00
bLockDelayUnits: 0x00 (Не определено)
wLockDelay: 0x0000  ===> Дескриптор BOS <===
b Длина: 0x05
bDescriptorType: 0x0F
wTotalLength: 0x000C
bNumDeviceCaps: 0x01  ===> USB 2.