一、   项目介绍

本项目基于十二指神探平台实现R2R-DAC，通过ui、以及制作外围电路使得十二指神探平台可实现输出任意信号。

由于RP2040不集成DAC，无法输出模拟信号，但得益于高速的pio输出，可通过R2R-DAC实现高速高采样率的信号输出。本项目通过DMA、pio使信号输出速度最大化。

二、   设计思路

1.  R2R-DAC

R2R-DAC, 全称为R-2R电阻网络数字模拟转换器，是一种通过一个特定电阻网络，将并行数字信号转换为模拟信号的结构。一个n位R2R-DAC由n-1个R电阻与n+1个2R电阻组成。该架构每个数字输入都会由其权重对模拟输出做出贡献，由于电阻阻值决定各数字位权重，电阻精度会影响输出精度，引入误差，因此R电阻采用2个2R电阻并联减小误差。

2. DMA

DMA（Direct Memory Access，直接内存访问）是一种可以让硬件子系统在不经过CPU的情况下，直接读写系统内存的技术。通过DMA可以在不占用CPU资源的情况下，进行数据传输，从而提高系统的整体性能。在本项目中，为进一步提高设备输出性能，采用采用DMA传输波形信号至IO，从而提高输出频率。

3.  PIO

PIO（Programmable I/O，可编程I/O），是一种单片机类似于FPGA的可编程输入输出功能，通过此功能可实现时钟频率为系统时钟的时序逻辑，是的IO输入输出速度最大化。

三、   硬件框图

该系统整体十分简单，主要包括Rp2040主控、St7789屏幕、按键、拨轮编码器、以及R2R-DAC电阻网络即可实现。根据原理图，在洞洞板上焊接原件，并连接至十二指神探，即可完成硬件设计。

主控简介：

• • • • 双核 Arm Cortex-M0 + @ 133MHz
      • 芯片内置 264KB SRAM 和 2MB 的板载闪存
      • 通过专用 QSPI 总线支持最高 16MB 的片外闪存
      • DMA 控制器
      • 30 个 GPIO 引脚，其中 4 个可用作模拟输入
      • 2 个 UART、2 个 SPI 控制器和 2 个 I2C 控制器
      • 16 个 PWM 通道
      • USB 1.1 主机和设备支持
      • 8 个树莓派可编程 I/O（PIO）状态机，用于自定义外围设备支持
      • 支持 UF2 的 USB 大容量存储启动模式，用于拖放式编程

四、   软件流程图

软件设计为，通过修改AWG模块波形信息，AWG模块计算对应电压值大小，通过DMA将数据传送至pio输出信号。

五、   实现结果

输出结果见附录，可见输出正弦波频谱非常纯净，这表明该系统信号输出性能客观。除正弦波以外，还可输出方波、sinc、噪声等简单波形。

通过编写代码还可实现输出各种调制信号，如FM、AM、FSK、ASK等。

六、   主要代码

1.  数据收集和存储：

用户输入被收集并存储在名为 “wave” 的字典中。这个字典包含与波形生成相关的参数，例如频率、幅度、波形类型等。

2.  状态显示：

UI 显示波形发生器的当前状态。可能的状态包括 “init”、“calc wave”、“running” 或 “stopped”。

3.  波形选择和默认值：

用户可以从下拉菜单中选择波形类型（例如正弦、方波、三角波）。选择波形后，相关参数（例如频率、幅度）被设置为默认值。使用默认值按下 “setup generator” 按钮便生成波形。

4.  样本数和输出频率：

UI 显示用于波形生成的样本数。根据选择的参数，显示输出的实际频率。

5.主要代码

def setupwave(buf,f,w):
    div=fclock/(f*maxnsamp) # required clock division for maximum buffer size
    if div<1.0:  #can't speed up clock, duplicate wave instead
        dup=int(1.0/div)
        nsamp=int((maxnsamp*div*dup+0.5)/4)*4 #force multiple of 4
        clkdiv=1
    else:        #stick with integer clock division only
        clkdiv=int(div)+1
        nsamp=int((maxnsamp*div/clkdiv+0.5)/4)*4 #force multiple of 4
        dup=1

    #fill the buffer
    for isamp in range(nsamp):
        buf[isamp]=max(0,min(255,int(256*eval(w,dup*(isamp+0.5)/nsamp))))

    #set the clock divider
    clkdiv_int=min(clkdiv,65535) 
    clkdiv_frac=0 #fractional clock division results in jitter
    mem32[PIO0_SM0_CLKDIV]=(clkdiv_int<<16)|(clkdiv_frac<<8)

    #start DMA
    startDMA(buf,int(nsamp/4))

1)   时钟频率：代码假定时钟频率为125 MHz。

2)   DMA 配置：通道0执行实际数据传输。

通道1重新配置DMA。

DMA用于从数组传输数据到PIO（可编程I/O）状态机。

3)   状态机（PIO）：

状态机（stream）将字节推送到指定的引脚。

sm状态机配置为125 MHz并处于活动状态。

七、   设计难题

1.  硬件连接和电路设计：

确定R2R电阻网络的比例，以便正确生成所需的模拟输出电压。确保电路连接正确，以避免电阻值不准确或电压失真。

2.  MicroPython的限制：

MicroPython相对于原生C/C++的执行速度较慢，因此需要考虑性能问题。

3.  DMA和PIO的编程：

理解DMA和PIO的工作原理，以便正确配置和使用它们。编写PIO程序来控制输出引脚，以便将数据传输到R2R电阻网络。使用DMA来从输入缓冲区复制数据到PIO。

八、   未来计划

1.   R2R梯形DAC的精度受到电阻值的影响。使用更精确的电阻，以提高输出的精度。确保电阻网络的比例准确，以获得线性的输出。

2.   受电源噪声影响，信号输出底噪较大，可使用线性电源供电，以及设计滤波电路，减少噪声。

3.   添加自动校准功能，矫正电阻网络带来的误差。

九、   总结

通过本次寒假在家一起练项目，真正的投入到单片机开发中去，同时还了解到R2R-DAC这种有趣的输出结构。这些经历只是刚刚开始，这一项目仍然存在着很多不足之处以及可以提升的地方，相信在之后的学习中，可以将这一设计做的更加完善。

十、   附录