一、 任务描述
项目2 制作简易信号发生器
- 通过STM32F072的DAC产生正弦波、三角波等常用波形，输出到Wav管脚
- 通过STM32F072的内部定时器产生可调周期、可调占空比的PWM信号，输出到PWM管脚
- 可以通过按键改变Wav信号的波形、频率、幅度、直流偏移，改变PWM信号的频率和占空比
- 在LCD上显示波形信息以及当前的参数、控制菜单
二、 完成情况
- 能通过Wav管脚输出正弦波，三角波，方波，可调节频率，幅值，直流偏置，输出电压范围-3.6V~3.6V
- 能通过PWM管脚输出可调频率和占空比的PWM波
- 能够通过屏幕显示当前输出波形的形式与参数，可通过按键切换光标对波形数据进行实时修改
三、使用说明：
以屏幕所在面为正面。从左至右分别为Key_1, Key_2, 拨盘。拨盘可按下，左拨，右拨
Key_1: 按下切换模式，AWG(任意波形生成器)和PWM波发生器
Key_2: 按下切换纵向光标
按下拨盘：切换横向光标
左拨拨盘：数据减小，切换单位
右拨拨盘：数据增大，切换单位
对于频率，幅值，直流偏置，占空比，可手动调节每一数字位。频率可切换到单位显示来改变Hz和kHz
四、 硬件资源配置
DAC：
Parameter Settings:
Output Buffer: Enabled //需要开启，否则无法得到准确的电压输出
Trigger：Timer 3 Trigger Out Event //使用TIM3计数溢出事件驱动DAC输出，从而控制频率
Wave Generation Mode: Disabled
DMA Settings:
配置循环输出(Circular), 内存地址递增，Data Width半字（Half Word），外设地址不递增，Data Width为字(Word)
TIM2:
配置Channel3位PWM波输出模式。固定Counter Period为99，从而改变PSC的值即可实现修改占空比。
TIM3:
Parameter Settings->Trigger Output Parameters->Trigger Event Selection 选择为 Update Event 否则无法触发DAC输出
SPI:
Mode：Transmit Only Master
Frame Format：Motorola
Data Size: 8 bits
Prescaler: 4
其余保持默认设置。同时需要配置LCD_RSTn和LCD_DC为IO口输出，作为复位和读写控制
LCD驱动参考程序：
五、 软件流程框图
主程序流程图：
按键检测流程图：
模式切换流程图：
波形更新流程图：
六、 主要部分设计思路
1. 硬件电路分析
STM32的输出PWM_WAVE口到WAV管脚为一个二阶有源滤波电路。其截止频率为100kHz，可以滤去不需要的波形成分。对于波形输出时，只需要分析其增益，此时可以做直流分析，将所用电容看做断路，即为基本的反相放大电路。列出节点电流方程：
化简可得
理论上可以实现-4V~4V的输出
2. 波形输出
以正弦波输出为例
1. DAC输出方式配置
a. 利用DMA进行数据传输
要输出正弦波，实际上是控制DAC以v=sin(t)的正弦函数关系输出电压。DAC虽为“数模转换”，但实际上也只能输出离散的模拟电压，无法输出真实的连续正弦函数波。因此，只能通过输出离散的电压采样值来模拟输出正弦波。一个周期内输出的采样点越多，对正弦函数的还原越好。实际测试中发现，一个周期内输出200个点以上可以输出较好的波形。
b. 触发方式：定时器触发（本工程使用TIM3）
采用DMA输出+定时器触发，可以在每一次定时器计数溢出事件产生时自动改变DAC输出。配合DMA传输，可以实现定时该边输出值。
需要注意：配置定时器触发时，一定要在响应定时器的Parameter界面将Trigger Event Selection配置为Update Event，并在软件初始化时开启定时器。否则无法触发DAC输出。
c. 开启输出缓存
开启输出缓存时，可以增大输出阻抗，带负载能力增强，但根据参考手册DAC无法输出0V（一般最低为0.1Vref）。考虑到DAC输出后接了有源滤波电路，因此最开始没有开启输出缓存。但实际使用中，发现一直无法输出波形。查阅参考手册后发现DMA模式下需要开启该输出缓存。
2. 计算得到正弦波数据表（利用Matlab）
采用DMA+TIM+DAC输出波形时，需要一系列存储空间存储要输出的数字量，用定时器更新事件触发DMA将这一连续的存储空间逐个输出，得到波形。因此，需要一个基本的正弦波数据表，以此为基础输出不同频率、幅值、直流偏置的正弦波。
Matlab程序如下。使用了regexpprep函数来拼接，生成数据后直接复制到IDE中即可
clc;clear;
n = 240; %采样点数
hn = 120;
amplitude = 3.5; %幅值
x = zeros(1,n);
sin_wave = zeros(1,n);
tri_wave = zeros(1,n);
zig_wave = zeros(1,n);
x = linspace(0,n-1,n);
sin_wave = amplitude*sin(x./n.*2.*pi);
sin_value = round((sin_wave-4)./(-2.424)./3.3.*4096);
sin_string = num2str(sin_value);
%输入需要为字符行向量
sin_string = regexprep(sin_string,'\s*',','); %拼接，中间用逗号隔开
x1 = linspace(1,hn,hn);
tri_wave(1:hn) = amplitude*(x1./hn);
tri_wave(hn+1:n) = amplitude*(1 - x1./hn);
tri_value = round((tri_wave-4)./(-2.424)./3.3.*4096);
tri_string = num2str(tri_value);
%输入需要为字符行向量
tri_string = regexprep(tri_string,'\s*',','); %拼接，中间用逗号隔开
zig_wave = amplitude*(x./n);
zig_value = round((zig_wave-4)./(-2.424)./3.3.*4096);
zig_string = num2str(zig_value);
%输入需要为字符行向量
zig_string = regexprep(zig_string,'\s*',','); %拼接，中间用逗号隔开3. 改变定时器触发周期来实现调整频率
PSC为TIM3的预分频系数
ARR为TIM3自动重载值
POINTS为采样点个数
本设计中，设计采样点240个，固定PSC=1，因此每次修改TIM3 ARR寄存器的值就可以实现修改频率
tim3_period = LIMIT_MAX_MIN((uint32_t)(100000.0f/p_awg->Frequency.actual_value) - 1, 99999, 0);
TIM3->CNT = 0;
__HAL_TIM_SET_AUTORELOAD(&htim3, tim3_period);4. 根据幅值和直流偏置调整输出数据
k = awg.Amplitude.actual_value / awg.max_output;
b = (4*k + awg.Offset.actual_value - 4.05f) / (-0.00195f);
for(i=0;i<SAMPLE_POINTS;i++)
{
output_array[i] = LIMIT_MAX_MIN((uint16_t)(origin_array[i] * k + b), DAC_MAX, DAC_MIN);
}5. 配置DMA自动输出数据，生成波形
注意：每次修改频率/DAC输出数据时，需要先关闭DMA输出和TIM3，完成对寄存器和输出数据数组的修改后再打开。否则无法完成修改
3. 按键检测
采用读取IO口电平状态来获取按键按下状态。按键按下瞬间，可能出现电压抖动，造成IO口电平频繁切换。要准确读取按键信息，就需要消抖措施。常用的有硬件消抖和软件消抖，其中硬件消抖主要采用在按键两端并联电容，在按下瞬间通过充放电来平滑电压跳变曲线；但实验仪器的电路设计中没有硬件消抖电路。因此需要软件消抖。
初步时，我采用之前常用的状态机来实现软件消抖。设置三种状态：
typedef enum
{
KEY_CHECKING = 0,
KEY_CONFIRMING,
KEY_RELEASING
}KEY_STATE;
typedef struct
{
GPIO_TypeDef* GPIO_Port;
uint16_t GPIO_Pin;
KEY_STATE state;
volatile uint8_t button_flag;
volatile uint16_t hold_flag;
}Key_TypeDef;/*
C++才可以用结构体的引用作为形参
如：void Key_Check(Key_TypeDef &key_state)
C语言不可以，只能指针传参
*/
void Key_Check(Key_TypeDef *key_state)
{
switch(key_state->state)
{
case KEY_CHECKING:
{
if(HAL_GPIO_ReadPin(key_state->GPIO_Port, key_state->GPIO_Pin) == GPIO_PIN_SET)
{
key_state->state = KEY_CONFIRMING;
}
break;
}
case KEY_CONFIRMING:
{
if(HAL_GPIO_ReadPin(key_state->GPIO_Port, key_state->GPIO_Pin) == GPIO_PIN_SET)
{
key_state->button_flag ++;
key_state->state = KEY_RELEASING;
}
else if(HAL_GPIO_ReadPin(key_state->GPIO_Port, key_state->GPIO_Pin) == GPIO_PIN_RESET)
{
key_state->state = KEY_CHECKING;
}
break;
}
case KEY_RELEASING:
{
if(HAL_GPIO_ReadPin(key_state->GPIO_Port, key_state->GPIO_Pin) == GPIO_PIN_RESET)
{
key_state->state = KEY_CHECKING;
}
else
{
key_state->state = KEY_RELEASING;
key_state->hold_flag++;
}
break;
}
default: break;
}
}
void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
if(htim->Instance == TIM7)
{
Key_Check(&Key_1);
Key_Check(&Key_2);
Key_Check(&Key_R);
Key_Check(&Key_O);
Key_Check(&Key_L);
}
}主要原理为通过定时器定时每10ms进一次定时器中断，读取IO口电压。
但实际应用过程中，发现了无法解决的离奇错误，同样的代码对于两个按钮式按键Key_1和Key_2，Key_2功能正常而Key_1无法识别，进行debug发现可以正常读取Key_1口的电平状态；同样的代码对于拨盘开关，拨向左边正常识别，拨向右边始终无法改变状态。怀疑是10ms的检测周期出现问题，改变定时器溢出周期后情况仍没有变化。
最终，考虑到截止日期临近，不得已采用函数内延时来实现案件读取。主要流程如下
/**
* @brief Pass the current button state to the upper layer.
* @note Support debounce, short press(less than 1s) and long press(hold, more than 1s).
* @param[in, out] button_state Encoded button state with long press flag added.
* Bit5: Long press(hold) flag.
* @retval None
*/
void read_button(uint8_t *button_state)
{
uint8_t i;
if (*button_state != NO_KEY_PRESSED && encode_button())
{
*button_state = 0xFF;
return ;
}
// Read button states.
*button_state = encode_button();
if (*button_state == NO_KEY_PRESSED)
return ; // None of the buttons has been pressed.
HAL_Delay(50);
*button_state = encode_button();
if (*button_state == NO_KEY_PRESSED)
return ; // None of the buttons has been pressed.
//1s以上算长按
for (i = 0; i < 20; i++)
{
HAL_Delay(50);
if (encode_button() == NO_KEY_PRESSED) // The pressed button has been released.
return ;
}
*button_state = 0x20 | encode_button(); // One or two buttons have been held, return the button state.
}
/**
* @brief Encode button state into a 5-bit integer.
* @retval Encoded button state.
* In every bit, 1 represents the corresponding button has been pressed,
0 represents the corresponding button has not been pressed.
* Bit0: Button "OK"
* Bit1: Button "D"
* Bit2: Button "U"
* Bit3: Button "R"
* Bit4: Button "L"
*/
inline uint8_t encode_button(void)
{
return (uint8_t)HAL_GPIO_ReadPin(Key_1_GPIO_Port, Key_1_Pin)<<4\
| (uint8_t)HAL_GPIO_ReadPin(Key_2_GPIO_Port, Key_2_Pin) << 3 \
| (uint8_t)HAL_GPIO_ReadPin(Key_R_GPIO_Port, Key_R_Pin) << 2 \
| (uint8_t)HAL_GPIO_ReadPin(Key_O_GPIO_Port, Key_O_Pin) << 1 \
| (uint8_t)HAL_GPIO_ReadPin(Key_L_GPIO_Port, Key_L_Pin);
}检测函数在While循环中进行。检测到电平上升沿时，延时10ms后再次读取IO口电压，以确认是否按下。同时可以检测长按。
这种按键检测方法也有其可取性。对于信号发生器，只有按键按下后才需要改变显示或输出状态。没有检测到按键时直接返回，接下来的数据处理也直接返回，可以灵敏地检测按键；按键按下时，也只有确认按键按下才会进一步启动update函数，流水执行。
4. 界面设计
界面分为两种显示：不可更改显示和可更改显示
对于不可更改显示部分，在初始化时就完成显示，只有在切换模式时才会改变
对于可更改显示的部分，采用面向对象的设计方法，经过分析，需要实现以下功能：
- 可通过按键模拟光标切换，实时显示选中的部分
- 输出有输出数字和输出字符两种类型。对于输出数字，可以通过拨盘改变选中的数字的大小；对于输出字符，可以通过拨盘改变显示的内容（改变单位）
- 显示数字部分，需要有最大值和最小值，并且能回环显示
因此，采用面向对象的设计思路，我设计了Cell_TypeDef结构体，统一定义这些可更改显示的部分
typedef struct
{
uint16_t LCD_X;
uint16_t LCD_Y;
short* p_num;
short num_min;
short num_max;
char* text;
uint8_t len;
uint8_t cell_mode; //为0表示输出数字，为1表示输出字符串
uint8_t is_selected; //为0表示该cell未被选中，为1表示被选中
}Cell_Typedef;
其中，LCD_X LCD_Y为该cell的初始显示坐标；cell_mode为cell显示模式标志，为0是显示数字，为1时显示字符；is_selected为cell选中标志，若cell未被选中，显示时为黑底白字；cell被选中时，显示翻转为白底黑字；p_num为short型指针，指向该cell显示的变量的地址。使用指针传值可以直接对该变量进行改变；text为char型指针，指向该cell显示的字符的首地址。
Cell类的成员函数有
void Cell_TFT_Show(Cell_Typedef *cell); //显示
uint8_t Cell_getLength(Cell_Typedef* cell); //获取数字/字符长度
void Cell_numIncrease(Cell_Typedef *cell); //数字递增
void Cell_numDecrease(Cell_Typedef *cell); //数字递减
通过地址传参，即可以直接对每个cell的结构成员作出修改。
5. 代码规范化管理
C++引入了类和命名空间，以及相应的继承、重载、多态等特性。而没有这些特性的C语言，在开发过程中经常因命名空间混乱，数据、函数被多文件调用而引发多种BUG。但C++的某些特性并不适合在单片机上实现，所以我选择继续使用C语言开发，通过更规范的代码管理来实现C++的优点。
typedef struct
{
Value_TypeDef Frequency; //默认1KHz 单位
Value_TypeDef DutyCycle;
}PWM_TypeDef;
typedef struct
{
void (*cellInit)(PWM_TypeDef *p_pwm);
void (*interfaceInit)(PWM_TypeDef *p_pwm);
void (*dataInit)(PWM_TypeDef *p_pwm);
void (*interfaceUpdate)(PWM_TypeDef *p_pwm);
void (*updateOutput)(PWM_TypeDef *p_pwm);
}PWM_FuncSpace;通过利用函数空间，统一管理PWM类的各个成员函数。C语言中，函数名即为指向该函数的指针。
const PWM_FuncSpace PWM = {
.cellInit = PWM_cellInit,
.interfaceInit = PWM_interfaceInit,
.dataInit = PWM_dataInit,
.interfaceUpdate = PWM_interfaceUpdate,
.updateOutput = PWM_updateOutput
};初始化时统一分配即可。调用时，使用PWM.cellInit(& pwm);调用即可。避免了命名空间的混乱。
七、 结果展示
界面（函数发生器）：
正弦函数输出
三角波输出
锯齿波输出
PWM波输出
八、 总结与展望
本次暑期一起学，锻炼了我独立开发单片机应用程序的能力，尤其是开发过程中独立分析问题，指定研发方案，不断优化的能力。同时，也实现了以“面向对象”的思想来开发C程序，代码管理方面也有了更多新尝试。总之收获满满。
但仍存在以下不足：
- LCD屏幕使用硬件SPI，但没有使用DMA(与DAC的DMA通道冲突)，导致刷新较慢
- LCD的显示驱动函数也有优化空间。切换模式时明显比实例程序慢不少
一点小建议：
之后的暑期一起学项目，STM32相关的，希望刘勇SWD调试接口。否则无法DEBUG将导致开发格外困难。（这一次是留了焊盘，我自己焊了线上去才得以DEBUG）。不DEBUG着实很难分析问题。
wnnn喻家山不相信野猪小蝌蚪