「正点原子STM32Mini板资料连载」第二十二章 DAC 实验

1）实验平台：正点原子STM32mini开发板
2）摘自《正点原子STM32 不完全手册(HAL 库版)》关注官方微信号公众号，获取更多资料：正点原子


第二十二章 DAC 实验
上两章，我们介绍了 STM32 的 ADC 使用，本章我们将向大家介绍 STM32 的 DAC 功能。
在本章中，我们将利用按键（或 USMART）控制 STM32 内部 DAC 1 来输出电压，通过 ADC1
的通道 1 采集 DAC 的输出电压，在 LCD 模块上面显示 ADC 获取到的电压值以及 DAC 的设定
输出电压值等信息。本章将分为如下几个部分：
22.1 STM32 DAC 简介
22.2 硬件设计
22.3 软件设计
22.4 下载验证
22.1 STM32 DAC 简介
大容量的 STM32F103 具有内部 DAC，MiniSTM32 选择的是 STM32F103RCT6 属于大
容量产品，所以是带有 DAC 模块的。
STM32 的 DAC 模块(数字/模拟转换模块)是 12 位数字输入，电压输出型的 DAC。DAC
可以配置为 8 位或 12 位模式，也可以与 DMA 控制器配合使用。DAC 工作在 12 位模式时，
数据可以设置成左对齐或右对齐。DAC 模块有 2 个输出通道，每个通道都有单独的转换器。
在双 DAC 模式下，2 个通道可以独立地进行转换，也可以同时进行转换并同步地更新 2 个
通道的输出。
STM32 的 DAC 模块主要特点有：
① 2 个 DAC 转换器：每个转换器对应 1 个输出通道
② 8 位或者 12 位单调输出
③ 12 位模式下数据左对齐或者右对齐
④ 同步更新功能
⑤ 噪声波形生成
⑥ 三角波形生成
⑦ 双 DAC 通道同时或者分别转换
⑧ 每个通道都有 DMA 功能
单个 DAC 通道的框图如图 22.1.1 所示：


图中 VDDA 和 VSSA 为 DAC 模块模拟部分的供电，Vref+是参考电压输入引脚，不过
我们使用的 STM32F103RCT6，只有 64 引脚，没有 Vref 引脚，参考电压直接来自 VDDA，
也就是固定为 3.3V。DAC_OUTx 就是 DAC 的输出通道了（对应 PA4 或者 PA5 引脚）。
从图 22.1.1 可以看出，DAC 输出是受 DORx 寄存器直接控制的，但是我们不能直接往
DORx 寄存器写入数据，而是通过 DHRx 间接的传给 DORx 寄存器，实现对 DAC 输出的控
制。前面我们提到，STM32 的 DAC 支持 8/12 位模式，8 位模式的时候是固定的右对齐的，
而 12 位模式又可以设置左对齐/右对齐。单 DAC 通道 x，总共有 3 种情况：
① 8 位数据右对齐：用户将数据写入 DAC_DHR8Rx[7:0]位（实际是存入 DHRx[11:4]
位）。
② 12 位数据左对齐：用户将数据写入 DAC_DHR12Lx[15:4]位（实际是存入 DHRx[11:0]
位）。
③ 12 位数据右对齐：用户将数据写入DAC_DHR12Rx[11:0]位（实际是存入DHRx[11:0]
位）。
我们本章使用的就是单 DAC 通道 1，采用 12 位右对齐格式，所以采用第③种情况。
如果没有选中硬件触发(寄存器 DAC_CR1 的 TENx 位置’0’
)，存入寄存器 DAC_DHRx
的数据会在一个 APB1 时钟周期后自动传至寄存器 DAC_DORx。如果选中硬件触发(寄存器
DAC_CR1 的 TENx 位置’1’)，数据传输在触发发生以后 3 个 APB1 时钟周期后完成。 一
旦数据从 DAC_DHRx 寄存器装入 DAC_DORx 寄存器，在经过时间tSRTtiNG
之后，输出即有效，这段时间的长短依电源电压和模拟输出负载的不同会有所变化。我们可以从
STM32F103RCT6 的数据手册查到tSRTTING
的典型值为 3us，最大是 4us。所以 DAC 的转换
速度最快是 250K 左右。
本章我们将不使用硬件触发（TEN=0），其转换的时间框图如图 22.1.2 所示：

当 DAC 的参考电压为 Vref+的时候（对 STM32F103RC 来说就是 3.3V），DAC 的输出
电压是线性的从 0~Vref+，12 位模式下 DAC 输出电压与 Vref+以及 DORx 的计算公式如下：
DACx 输出电压=Vref*（DORx/4095）
接下来，我们介绍一下要实现 DAC 的通道 1 输出，需要用到的一些寄存器。首先是
DAC 控制寄存器 DAC_CR，该寄存器的各位描述如图 22.1.3 所示：


DAC_CR 的低 16 位用于控制通道 1，而高 16 位用于控制通道 2，我们这里仅列出比较
重要的最低 8 位的详细描述，如图 22.1.4 所示：



首先，我们来看 DAC 通道 1 使能位(EN1)，该位用来控制 DAC 通道 1 使能的，本章我
们就是用的 DAC 通道 1，所以该位设置为 1。
再看关闭 DAC 通道 1 输出缓存控制位（BOFF1），这里 STM32 的 DAC 输出缓存做的
有些不好，如果使能的话，虽然输出能力强一点，但是输出没法到 0，这是个很严重的问题。
所以本章我们不使用输出缓存。即设置该位为 1。
DAC 通道 1 触发使能位（TEN1），该位用来控制是否使用触发，里我们不使用触发，
所以设置该位为 0。
DAC 通道 1 触发选择位（TSEL1[2:0]），这里我们没用到外部触发，所以设置这几个位
为 0 就行了。
DAC 通道 1 噪声/三角波生成使能位（WAVE1[1:0]），这里我们同样没用到波形发生器，
故也设置为 0 即可。
DAC 通道 1 屏蔽/复制选择器（MAMP[3:0]），这些位仅在使用了波形发生器的时候有
用，本章没有用到波形发生器，故设置为 0 就可以了。
最后是 DAC 通道 1 DMA 使能位（DMAEN1），本章我们没有用到 DMA 功能，故还是
设置为 0。
通道 2 的情况和通道 1 一模一样，这里就不不细说了。在 DAC_CR 设置好之后，DAC
就可以正常工作了，我们仅需要再设置 DAC 的数据保持寄存器的值，就可以在 DAC 输出
通道得到你想要的电压了（对应 IO 口设置为模拟输入）。本章，我们用的是 DAC 通道 1 的
12 位右对齐数据保持寄存器：DAC_DHR12R1，该寄存器各位描述如图 22.1.5 所示：


该寄存器用来设置 DAC 输出，通过写入 12 位数据到该寄存器，就可以在 DAC 输出通
道 1（PA4）得到我们所要的结果。
通过以上介绍，我们了解了 STM32 实现 DAC 输出的相关设置，本章我们将使用 DAC
模块的通道 1 来输出模拟电压。这里我们用到的库函数以及相关定义分布在文件
stm32f1xx_dac.c 以及头文件 stm32f1xx_dac.h 中。实现上面功能的详细设置步骤如下：：
1）开启 PA 口时钟，设置 PA4 为模拟输入。
STM32F103ZET6 的 DAC 通道 1 是接在 PA4 上的，所以，我们先要使能 PORTA 的时
钟，然后设置 PA4 为模拟输入（虽然是输入，但是 STM32 内部会连接在 DAC 模拟输出上）。
程序如下：
__HAL_RCC_DAC_CLK_ENABLE();
//使能 DAC 时钟
__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
//开启 GPIOA 时钟
GPIO_Initure.Pin=GPIO_PIN_4; //PA4
GPIO_Initure.Mode=GPIO_MODE_ANALOG; //模拟
GPIO_Initure.Pull=GPIO_NOPULL;
//不带上下拉
HAL_GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_Initure);
2）初始化 DAC,设置 DAC 的工作模式。
HAL 库中提供了一个 DAC 初始化函数 HAL_DAC_Init，该函数声明如下：
HAL_StatusTypeDef HAL_DAC_Init(DAC_HandleTypeDef* hdac);
该函数并没有设置任何 DAC 相关寄存器，也就是说没有对 DAC 进行任何配置，它只
是 HAL 库提供用来在软件上初始化 DAC，也就是说，为后面 HAL 库操作 DAC 做好准备。
它有一个很重要的作用就是在函数内部会调用 DAC 的 MSP 初始化函数 HAL_DAC_MspInit，
该函数声明如下：
void HAL_DAC_MspInit(DAC_HandleTypeDef* hdac);
一般情况下，步骤 1 中的与 MCU 相关的时钟使能和 IO 口配置都放在该函数中实现。
HAL 库提供了一个很重要的 DAC 配置函数 HAL_DAC_ConfigChannel，该函数用来配
置 DAC 通道的触发类型以及输出缓冲。该函数声明如下：
HAL_StatusTypeDef HAL_DAC_ConfigChannel(DAC_HandleTypeDef* hdac,
DAC_ChannelConfTypeDef* sConfig, uint32_t Channel);
第一个入口参数非常简单，为 DAC 初始化句柄，和 HAL_DAC_Init 保存一致即可。
第三个入口参数 Channel 用来配置 DAC 通道，比如我们使用 PA4，也就是 DAC 通道 1，
所以配置值为 DAC_CHANNEL_1 即可。
接下来我们看看第二个入口参数 sConfig，该参数是 DAC_ChannelConfTypeDef 结构体
指针类型，结构体 DAC_ChannelConfTypeDef 定义如下：
typedef struct
{
uint32_t DAC_Trigger;
// DAC 触发类型
uint32_t DAC_OutputBuffer; //输出缓冲
}DAC_ChannelConfTypeDef;
成员变量DAC_Trigger 用来设置DAC 触发类型，DAC_OutputBuffer 用来设置输出缓冲，
这在我们前面都有讲解。DAC 初始化配置实例代码如下：
DAC_HandleTypeDef DAC1_Handler;
DAC_ChannelConfTypeDef DACCH1_Config;
DAC1_Handler.Instance=DAC;
HAL_DAC_Init(&DAC1_Handler); //初始化 DAC
DACCH1_Config.DAC_Trigger=DAC_TRIGGER_NONE; //不使用触发功能
DACCH1_Config.DAC_OutputBuffer=DAC_OUTPUTBUFFER_DISABLE;
HAL_DAC_ConfigChannel(&DAC1_Handler,&DACCH1_Config,DAC_CHANNEL_1);
3）使能 DAC 转换通道
初始化 DAC 之后，理所当然要使能 DAC 转换通道，HAL 库函数是：
HAL_StatusTypeDef HAL_DAC_Start(DAC_HandleTypeDef* hdac, uint32_t Channel);
该函数非常简单，第一个参数是 DAC 句柄，第二个用来设置 DAC 通道。
4）设置 DAC 的输出值。
通过前面 3 个步骤的设置，DAC 就可以开始工作了，我们使用 12 位右对齐数据格式，，
就可以在 DAC 输出引脚（PA4）得到不同的电压值了，HAL 库函数为：
HAL_StatusTypeDef HAL_DAC_SetValue(DAC_HandleTypeDef* hdac,
uint32_t Channel, uint32_t Alignment, uint32_t Data);
该函数从入口参数可以看出，它是配置 DAC 的通道输出值，同时通过第三个入口参数
设置对齐方式。
最后，再提醒一下大家，本例程，我们使用的是 3.3V 的参考电压，即 Vref+连接 VDDA。
通过以上几个步骤的设置，我们就能正常的使用 STM32 的 DAC 通道 1 来输出不同的模拟
电压了。
22.2 硬件设计
本章用到的硬件资源有：
1） 指示灯 DS0
2） WK_UP 和 KEY0 按键
3） 串口
4） TFTLCD 模块
5） ADC
6） DAC
本章，我们使用 DAC 通道 1 输出模拟电压，然后通过 ADC1 的通道 1 对该输出电压进行读取，并显示在 LCD 模块上面，DAC 的输出电压，我们通过按键（或 USMART）进行
设置。
我们需要用到 ADC 采集 DAC 的输出电压，所以需要在硬件上把他们短接起来。ADC
和 DAC 的连接原理图如图 22.2.1 所示：


如上图所示，我们只需要通过杜邦线将 PA4 和 PA1 连接起来。就可以了。
22.3 软件设计
打开本章实验工程可以发现，我们相比 ADC 实验，在库函数中主要是添加了 dac 支持
的相关文件 stm32f1xx_hal_dac.c 以及包含头文件 stm32f1xx_hal_dac.h。同时我们在
HARDWARE 分组下面新建了 dac.c 源文件以及包含对应的头文件 dac.h。这两个文件用来存
放我们编写的 ADC 相关函数和定义。打开 dac.c，代码如下：
DAC_HandleTypeDef DAC1_Handler;//DAC 句柄
//初始化 DAC
void DAC1_Init(void)
{
DAC_ChannelConfTypeDef DACCH1_Config;
DAC1_Handler.Instance=DAC;
HAL_DAC_Init(&DAC1_Handler); //初始化 DAC
DACCH1_Config.DAC_Trigger=DAC_TRIGGER_NONE; //不使用触发功能
DACCH1_Config.DAC_OutputBuffer=DAC_OUTPUTBUFFER_DISABLE;
//DAC1 输出缓冲关闭
HAL_DAC_ConfigChannel(&DAC1_Handler,&DACCH1_Config,
DAC_CHANNEL_1);//DAC 通道 1 配置
HAL_DAC_Start(&DAC1_Handler,DAC_CHANNEL_1); //开启 DAC 通道 1
}
//DAC 底层驱动，时钟配置，引脚 配置
//此函数会被 HAL_DAC_Init()调用
//hdac:DAC 句柄
void HAL_DAC_MspInit(DAC_HandleTypeDef* hdac)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_Initure;
__HAL_RCC_DAC_CLK_ENABLE(); //使能 DAC 时钟
__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
//开启 GPIOA 时钟
GPIO_Initure.Pin=GPIO_PIN_4;
//PA4
GPIO_Initure.Mode=GPIO_MODE_ANALOG; //模拟
GPIO_Initure.Pull=GPIO_NOPULL;
//不带上下拉
HAL_GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_Initure);
}
//设置通道 1 输出电压
//vol:0~3300,代表 0~3.3V
void DAC1_Set_Vol(u16 vol)
{
double temp=vol;
temp/=1000;
temp=temp*4096/3.3;
HAL_DAC_SetValue(&DAC1_Handler,DAC_CHANNEL_1,
DAC_ALIGN_12B_R,temp);//12 位右对齐数据格式设置 DAC 值
}
此部分代码就 2 个函数，Dac1_Init 函数用于初始化 DAC 通道 1。这里基本上是按我们
上面的步骤来初始化的，我们用序号①~⑤已经标示这些步骤。经过这个初始化之后，我们
就可以正常使用 DAC 通道 1 了。第二个函数 Dac1_Set_Vol，用于设置 DAC 通道 1 的输出
电压，实际就是将电压值转换为 DAC 输入值。
其他头文件代码就比较简单，这里我们不做过多讲解，接下来我们来看看主函数代码：
int main(void)
{
u16 adcx;
float temp;
u8 t=0;
u16 dacval=0;
u8 key;
HAL_Init();
//初始化 HAL 库
Stm32_Clock_Init(RCC_PLL_MUL9); //设置时钟,72M
delay_init(72);
//初始化延时函数
uart_init(115200);
//初始化串口
usmart_dev.init(84);
//初始化 USMART
LED_Init();
//初始化 LED
KEY_Init();
//初始化按键
LCD_Init();
//初始化 LCD FSMC 接口
MY_ADC_Init();
//初始化 ADC1 通道 1
DAC1_Init();
//初始化 DAC1
POINT_COLOR=RED;
LCD_ShowString(30,50,200,16,16,"Mini STM32");
LCD_ShowString(30,70,200,16,16,"DAC TEST");
LCD_ShowString(30,90,200,16,16,"ATOM@ALIENTEK");
LCD_ShowString(30,110,200,16,16,"2019/11/15");
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");
HAL_DAC_SetValue(&DAC1_Handler,DAC_CHANNEL_1,DAC_ALIGN_12B_R,0);
//初始值为 0
while(1)
{
t++;
key=KEY_Scan(0);
if(key==WKUP_PRES)
{
if(dacval<4000)dacval+=200;
HAL_DAC_SetValue(&DAC1_Handler,DAC_CHANNEL_1,
DAC_ALIGN_12B_R,dacval);//设置 DAC 值
}else if(key==2)
{
if(dacval>200)dacval-=200;
else dacval=0;
HAL_DAC_SetValue(&DAC1_Handler,DAC_CHANNEL_1,
DAC_ALIGN_12B_R,dacval);//设置 DAC 值
}
if(t==10||key==KEY1_PRES||key==WKUP_PRES)
//WKUP/KEY1 按下了,或者定时时间到了
{
adcx=HAL_DAC_GetValue(&DAC1_Handler,DAC_CHANNEL_1);
//读取前面设置 DAC 的值
LCD_ShowxNum(94,150,adcx,4,16,0);
//显示 DAC 寄存器值
temp=(float)adcx*(3.3/4096);
//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); //显示电压值的小数部分
adcx=Get_Adc_Average(ADC_CHANNEL_1,10); //得到 ADC 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); //显示电压值的小数部分
LED0=!LED0;
t=0;
}
delay_ms(10);
}
}
此部分代码，我们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（WKUP 按键）和 KEY1（也就是上下键）来实现对 DAC 输出的幅值控制。
按下 KEY_UP 增加，按 KEY1 减小。同时在 LCD 上面显示 DHR12R1 寄存器的值、DAC
设计输出电压以及 ADC 采集到的 DAC 输出电压。
本章，我们还可以利用 USMART 来设置 DAC 的输出电压值，故需要将 Dac1_Set_Vol
函数加入 USMART 控制，方法前面已经有详细的介绍了，大家这里自行添加，或者直接查
看我们光盘的源码。
从 main 函数代码可以看出，按键设置输出电压的时候，每次都是以 0.161V 递增或递减
的，而通过 USMART 调用 Dac1_Set_Vol 函数，则可以实现任意电平输出控制（当然得在
DAC 可控范围内）。
22.4 下载验证
在代码编译成功之后，我们通过下载代码到 ALIENTEK MiniSTM32 开发板上，可以看
到 LCD 显示如图 22.4.1 所示：


同时伴随 DS0 的不停闪烁，提示程序在运行。此时，我们通过按 WK_UP 按键，可以
看到输出电压增大，按 KEY0 则变小。
大家可以试试在 USMART 调用 Dac1_Set_Vol 函数，来设置 DAC 通道 1 的输出电压，
如图 22.4.2 所示：