引言

在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與測試中，穩(wěn)定、精確的測試信號生成是一項(xiàng)常見且關(guān)鍵的需求。傳統(tǒng)方法依賴于CPU實(shí)時計(jì)算并搬運(yùn)數(shù)據(jù)，這會持續(xù)占用處理器資源，增加系統(tǒng)功耗，并可能影響主程序的實(shí)時性。為解決這一問題，本文介紹一種利用瑞薩RA2L1微控制器（MCU）的DAC、DTC和AGT三個外設(shè)模塊協(xié)同工作的解決方案。該方案能夠以極低的CPU參與度，高效生成正弦波、三角波等多種標(biāo)準(zhǔn)波形，為需要模擬信號輸出的應(yīng)用提供了一種高性能、低功耗的設(shè)計(jì)范例。

核心模塊

DTC（數(shù)據(jù)傳輸控制器）模塊

DTC（Data Transfer Controller）模塊根據(jù)傳輸信息進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，需要先在SRAM區(qū)域存儲傳輸信息。DTC被激活時，會讀取與向量號相關(guān)聯(lián)的DTC向量，從DTC向量中引用的傳輸信息存儲地址讀取傳輸信息并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

傳輸模式包括普通傳輸模式（Normal transfer mode）、重復(fù)傳輸模式（Repeat transfer mode）和塊傳輸模式（Block transfer mode）。DTC在DTC傳送源寄存器（SAR）中指定傳輸源地址，在DTC傳送目標(biāo)寄存器（DAR）中指定傳輸目的地址。在數(shù)據(jù)傳輸后，這些寄存器的值可以獨(dú)立地增減或保持不變。

AGT（低功耗異步通用定時器）模塊

AGT（Low Power Asynchronous General Purpose Timer）模塊是一個靈活的16位定時器，可在低功耗模式下運(yùn)行。在本設(shè)計(jì)中，它被配置為周期定時模式，用于產(chǎn)生固定時間間隔的中斷。這些中斷信號作為“觸發(fā)源”，定期激活DTC，從而精確控制DAC輸出每個數(shù)據(jù)點(diǎn)的時間間隔，決定了最終輸出波形的頻率。

DAC（數(shù)模轉(zhuǎn)換器）模塊

RA2L1提供一個帶輸出放大器的12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC12），由AVCC0和AVSS0提供模擬電源及模擬參考電壓源，輸出引腳為DA0。DAC12的D/A數(shù)據(jù)寄存器0（DADR0）適用于存儲數(shù)模轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的16位讀/寫寄存器，啟動模擬輸出后，DADR0中的數(shù)值會被轉(zhuǎn)換并輸出到模擬輸出引腳（DA0）中。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)架構(gòu)

圖1.系統(tǒng)架構(gòu)

DAC模塊：負(fù)責(zé)最終的數(shù)模轉(zhuǎn)換與電壓輸出。

AGT模塊：作為系統(tǒng)的“節(jié)拍器”，產(chǎn)生固定周期的中斷來觸發(fā)數(shù)據(jù)傳輸。

DTC模塊：作為“數(shù)據(jù)搬運(yùn)工”，在每次AGT中斷時，自動將LUT中的下一個數(shù)據(jù)點(diǎn)送至DAC。

波形查找表

波形查找表機(jī)制

兩種波形的數(shù)據(jù)都預(yù)先計(jì)算并存儲在查找表（LUT）中。系統(tǒng)運(yùn)行時，DTC模塊按固定時間間隔依次讀取表中數(shù)據(jù)并傳輸?shù)紻AC寄存器，實(shí)現(xiàn)波形的周期性輸出。這種方式避免了實(shí)時計(jì)算，大幅降低CPU負(fù)載。

正弦波查找表

使用余弦函數(shù)計(jì)算一個完整周期（T=input_spp）的采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)。通過cos（2πi/input_spp）計(jì)算每個采樣點(diǎn)的瞬時值（i=0，1，???，input_spp-1）。由于余弦函數(shù)輸出范圍是[-1，1]，需要加1后乘以DAC中間值（(DAC_MID_VAL），將其映射到DAC的有效輸出范圍（0~4095）。采樣點(diǎn)數(shù)越多，生成的波形越平滑。

正弦波查找表函數(shù)

左右滑動查看完整內(nèi)容

voidgenerate_sin(void)
{
 /* Calculate look up table for sin function */
 for(int i=0; i< input_spp; ++i)
? ? {
? ? ? ? look_up_table[i] = (uint16_t)?

三角波查找表

采用分段線性計(jì)算方式。前半周期線性遞增，從0上升到最大值；后半周期線性遞減，從最大值下降到0，形成對稱的三角波形。計(jì)算公式基于當(dāng)前采樣點(diǎn)位置與總采樣點(diǎn)數(shù)的比例關(guān)系，通過簡單的線性插值即可得到每個點(diǎn)的輸出值。

三角波查找表函數(shù)

軟件流程

圖2. 主流程

系統(tǒng)時序

圖3.系統(tǒng)時序圖

開發(fā)環(huán)境

表1 開發(fā)環(huán)境

RA2L1 - 48MHz Arm Cortex-M23超低功耗通用微控制器 | Renesas瑞薩電子

https://www.renesas.cn/zh/products/ra2l1?queryID=0135065201ac0d335ce3d718259fb7b4

CPK-RA2L1 - RA2L1 MCU群組中國本地評估板 | Renesas瑞薩電子

https://www.renesas.cn/zh/design-resources/boards-kits/cpk-ra2l1?queryID=7488f1b4dfae70a40b8d81382c878554

e2studio | Renesas瑞薩電子

https://www.renesas.cn/zh/software-tool/e2-studio?queryID=c68ed897f8fb82511bedafe733272066

RA可擴(kuò)展性強(qiáng)的配置軟件包（FSP） | Renesas瑞薩電子

https://www.renesas.cn/zh/software-tool/ra-flexible-software-package-fsp?queryID=a5545772de53314f3a65441b56a71922

硬件配置

圖4.硬件配置示例

參考例程

為便于讀者快速上手，本文提供了一個完整的波形生成參考例程。該例程實(shí)現(xiàn)了正弦波和三角波的生成與切換功能，讀者可以在此基礎(chǔ)上進(jìn)行測試、二次開發(fā)和功能擴(kuò)展。

dac_cpkcor_ra2l1_ep.zip

https://e.gitee.com/recn-mcu-ae/repos/recn-mcu-ae/dac_cpkcor_ra2l1_ep/sources

gitee下載鏈接

https://e.gitee.com/recn-mcu-ae/repos/recn-mcu-ae/dac_cpkcor_ra2l1_ep/sources

例程操作說明

硬件準(zhǔn)備

參考例程使用的是瑞薩中國本地推廣板CPK-RA2L1 MCU評估板（LQFP64），如圖5所示。開發(fā)板調(diào)試接口為J11，波形輸出端口（P014）從J2連接器的Pin 21引出（見圖5中紅框）。

圖5.CPK-RA2L1 MCU評估板（LQFP64）

工程配置

由于例程中使用的開發(fā)板為CPK開發(fā)板，因此在首次使用時需要導(dǎo)入BSP文件，導(dǎo)入方法見《向FSP中添加CPK評估板的BSP》。導(dǎo)入BSP文件后可選擇CPK-RA2L1評估版，請確認(rèn)configuration.xml中的BSP信息與圖6一致。

向FSP中添加CPK評估板的BSP

https://www.renesas.cn/zh/document/gde/fsp-cpk-bsp?r=1596841

圖6.參考例程中BSP信息

編譯與燒錄：

確認(rèn)BSP信息無誤后即可對工程進(jìn)行編譯，燒錄到開發(fā)板中并運(yùn)行程序。

交互控制

打開J-Link RTT Viewer，選擇USB連接方式，將“Specify Target Device”設(shè)定為“R7FA2L1AB”，“RTT Control Block”選擇為“Auto Detection”，點(diǎn)擊“OK”后即可連接到開發(fā)板。

圖7.J-Link RTT Viewer配置信息

成功連接到開發(fā)板后可看到如圖8的工程信息，包括工程版本、FSP版本、例程說明等等。

圖8.J-Link RTT Viewer工程信息顯示

如圖9所示，用戶需要對J-Link RTT Viewer中發(fā)送數(shù)據(jù)的方式進(jìn)行以下設(shè)置。

圖9.J-Link RTT Viewer輸入設(shè)置

參照圖8中的提示，用戶輸入“0”可以選擇生成正弦波，輸入“1”可以選擇生成三角波，首先輸入“0”選擇正弦波輸出，如圖10所示。

圖10.選擇正弦波輸出

根據(jù)圖10中的信息，下一步需要輸入期望采樣點(diǎn)數(shù)，注意輸入值需要在2到256之間。

圖11.輸入期望采樣點(diǎn)數(shù)

最后需要輸入期望輸出波形頻率，注意波形頻率的最大值已根據(jù)期望采樣點(diǎn)數(shù)計(jì)算得出，因此輸入的期望頻率需要小于最大波形頻率。

圖12.輸入期望頻率

波形觀測

圖13為輸入“0”后生成采樣點(diǎn)為256，頻率為100Hz的正弦波輸出結(jié)果。

圖13.正弦波輸出結(jié)果

圖14為輸入“1”后生成采樣點(diǎn)為256，頻率為100Hz的三角波輸出結(jié)果。

圖14.三角波輸出結(jié)果

代碼說明

常量一覽

例程中所用常量見表2。

表2 常量說明

變量一覽

例程中所用變量見表3。

表3 變量說明

函數(shù)一覽

例程中所用函數(shù)見表4。

表4 函數(shù)說明

結(jié)語

本文詳細(xì)闡述了基于RA2L1 MCU的硬件協(xié)同波形生成方案。通過巧妙運(yùn)用AGT定時觸發(fā)、DTC自動搬運(yùn)、DAC轉(zhuǎn)換輸出三者形成的“硬件流水線”，成功將CPU從頻繁的數(shù)據(jù)搬運(yùn)任務(wù)中解放出來，實(shí)現(xiàn)了極低的處理器占用與功耗。預(yù)存波形查找表的方法不僅保證了高精度輸出，也預(yù)留了強(qiáng)大的擴(kuò)展能力，可輕松支持方波、鋸齒波或任意自定義波形。

該設(shè)計(jì)理念突出了利用MCU豐富外設(shè)實(shí)現(xiàn)功能卸載、優(yōu)化系統(tǒng)效率的嵌入式設(shè)計(jì)思想。讀者可基于提供的參考例程，快速進(jìn)行原型驗(yàn)證，并靈活調(diào)整采樣率、輸出頻率及波形種類，以滿足各類嵌入式應(yīng)用中對模擬信號生成的需求。