DAC-波形-声音的真相

人机交互的电子产品经常需要语音提示。如果没有语音外设，可以通过一个DAC输出波形，经简单放大后就能发出声音。如果音源干净清晰，电路设计好，音质还是非常不错的。台系（华邦等）的语音芯片通常就是DAC输出音乐。大家小时候用的音乐贺卡，就是用这些芯片制作的。

DAC是什么？

DAC是数字模拟转换器（英语：Digital to analog converter，英文缩写：DAC），是一种将数字信号转换为模拟信号（以电流、电压或电荷的形式）的设备。上面的定义比较抽象，在单片机来说，形象的说法是：

给一个在DAC位数范围内的值，这个值就是数字量，DAC就根据参考电压，将其转换为电压值，在指定的管脚上输出一个电压，也即是模拟量。

参考电压Vref：DAC转换后输出的最高电压，DAC输出范围0~Vref。精度也是根据参考电压计算。
DAC位数：DAC的关键性能，位数即是DAC精度，也是DAC的输出步进。通常有8位、10位、12位等。例如12位，即是说可以将输出精确到：Vref/0xfff。一个12位的DAC在3.3V参考电压下，输出可以精确到0.805mv。将0X01送到DAC，管脚将输出0.805mv；将0x02送到DAC，管脚将输出1.61mv；将0xfff送到DAC，将输出Vref。

STM32 DAC

查看《STM32F4xx中文参考手册.pdf》 STM32F4系列DAC功能特性如下： DAC特性

功能框图如下，从图可以看出： * DAC可以用软件触发、定时器触发、外部IO触发。 * DAC可以有DMA。 * 最下方的数模转换器，在控制逻辑控制之下，根据输入电压，在DAC_OUT上输出DAC电压。

DAC通道框图硬件上使用PA5作为DAC输出测试。在《STM32F407_数据手册.pdf》管脚描述表格中有说明PA5是DAC2的输出管脚。 PA5DAC

声音

声音是一种波。在电子上，波，就是不同电压值在时间上的序列。因此，在DAC管脚上，一直持续输出不同的电压值，即可形成一列波，这列波通过放大，通过喇叭转换，震动空气，就变成了声波。通常的CD音乐采样频率时44.1K，属于高保真。但是实际上，只要8K的采样频率，声音还原质量就很好了。儿童玩具、声音贺卡的声音通常就是8K。 8K采样频率，每个样点间隔就是1s/8k=125us。因此，将一个8K采样的声音文件，每125us读取一个声音文件里面的样点，在dac上输出，就可以还原声音了。

编码调试

调试分三步： 1. 先调试DAC输出正确电压。 2. 再调试播放一段内嵌在程序的声音。 3. 最后调试播放一个WAV声音文件（这一步暂时不做，等文件系统跟SD卡驱动做好后再调试，反正是纯软件调试，不影响验证硬件）。

DAC调试

首先要让DAC能输出指定电压值。添加mcu_dac.c和mcu_dac.h到工程。 * 初始化 ```c {.line-numbers} / @brief: mcu_dac_open @details: 打开DAC控制器 @param[in] void
@param[out] 无 @retval:
/ s32 mcu_dac_open(void) { GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; DAC_InitTypeDef DAC_InitType;

RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA, ENABLE);//----使能 PA 时钟
RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_DAC, ENABLE);//----使能 DAC 时钟

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AN;//---模拟模式
GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL;//---下拉
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);//---初始化 GPIO

DAC_InitType.DAC_Trigger=DAC_Trigger_None;  //---不使用触发功能 TEN1=0
DAC_InitType.DAC_WaveGeneration=DAC_WaveGeneration_None;   //---不使用波形发生
DAC_InitType.DAC_LFSRUnmask_TriangleAmplitude=DAC_LFSRUnmask_Bit0;
DAC_InitType.DAC_OutputBuffer=DAC_OutputBuffer_Disable ;        //---输出缓存关闭
//DAC_InitType.DAC_LFSRUnmask_TriangleAmplitude = DAC_TriangleAmplitude_4095; //噪声生成器
DAC_Init(DAC_Channel_2,&DAC_InitType); //---初始化 DAC 通道 2

DAC_Cmd(DAC_Channel_2, ENABLE); //---使能 DAC 通道 2
DAC_SetChannel2Data(DAC_Align_12b_R, 0); //---12 位右对齐数据格式   输出0

    return 0;

}

上面函数是打开DAC代码，其实也就是初始化配置DAC。
和前面的定时器输出和定时器输入一样，除了使用DAC外设，还需要用IO口。
>16~20行，将IO口PA5配置为模拟功能。
22行，配置DAC不使用触发。
23行，不使用波形发生器，DAC可以产生三角波等波形。
24行设置屏蔽/幅值选择，只有用波形发生器才有用。
25行禁止输出缓存。
27行执行配置。
* 输出电压
```c {.line-numbers}
/**
 *@brief:      mcu_dac_output
 *@details:    设置DAC输出值
 *@param[in]   u16 vol， 电压，单位MV，0-Vref  
 *@param[out]  无
 *@retval:     
 */
s32 mcu_dac_output_vol(u16 vol)
{

    u32 temp;

    temp = (0xfff*vol)/3300;

    MCU_DAC_DEBUG(LOG_DEBUG, "\r\n---test dac data:%d-----\r\n", temp);

    DAC_SetChannel2Data(DAC_Align_12b_R, temp);//12 位右对齐数据格式
        return 0;
}

13行是电压计算，原理是：

配置值/电压 = 0XFFF/3.3V 配置值是我们要写到DAC的值，电压就是输入参数，单位是mv。 3300也就是3300mv； 0xFFF，因为我们的DAC是12位，也即是说，当我们设置DAC为0XFFF时，DAC输出3.3V。

17行调用函数将配置值写到DAC。

测试程序

s32 mcu_dac_test(void)
{
    uart_printf("\r\n---test dac!-----\r\n");

    mcu_dac_open();
    mcu_dac_output_vol(1500);//1.5v
    while(1);
}

程序设计输出1.5V，测试输出管脚，电压为1.492V,基本准确，偏差0.01V，这个偏差有可能是基准电压，也就是我们的3.3V有偏差。实测3.3V，只有3.28V，偏差0.02V。如果要求不是很严格的场合，基本算正常。

播放语音调试

在写语音播放代码之前要记住以下几点：

是app调用DAC声音驱动播放声音，还是DAC声音驱动去找语音数据。

根据1，请问是APP提供声音数据给DAC驱动还是DAC声音去找声音数据？

要播放一个保存在SD卡中的8K采样频率的WAV文件，请问：SD卡，8K采样，WAV，这三个参数跟DAC声音驱动是否有关？

对于这几点，个人看法如下：

DAC声音驱动只实现将一定格式的声音数据转换为声音。格式包含什么呢？采样频率，单声道还是多声道，多少位，这三个参数是DAC需要的。文件格式是WAV还是PCM还是MP3，跟DAC声音驱动没关系，至于你是放在SD卡还是U盘，那更加没关系了。这些事情，应该由语音播放中间层处理。

那么 DAC sound驱动要提供什么接口呢？

init----初始化设备 open----打开设备，意味则要用这个设备 close----关闭设备 setting---设置，采样频率，声道，位宽（当然，对于DACsound来说只支持单声道，位宽也是固定的）提供一个控制接口----控制启动播放，暂停，停止，查询状态最后一个接口就是填充数据，如何填充？请思考。

以上的问题在本节暂时不处理，后面等我们做完WM8978的驱动，两个声音驱动一起分析，对于一个声音驱动应该做成什么样子，就更加清晰明了了。 现在先使用最快的速度编写一套代码，让硬件发出声音，以便硬件改版，软件架构问题后续慢慢优化。 * 语音播放流程

播放DAC语音，就是使用DAC和IO口还有定时器的配合。 1. 初始化DAC和IO。 2. 定时器设置为125us中断一次。 3. 在定时器中断中读取语音数据，并用DAC输出电压。 4. 重启定时器，循环3，直到语音播放结束。

声音数据准备

现在还没有调试WAV解码，也没有完成SD卡文件系统。只好将一段声音内嵌到代码内，这样也可以避免其他模块干扰，只验证DAC播放语音功能。

如何将一段声音内嵌到代码？

代码驱动说明

在board_dev文件夹创建dacsound驱动源码文件：dev_dacsound.c、dev_dacsound.h

在mcu_timer驱动中增加定时器3初始化和中断处理函数，定时125us。 定时器前面已经学习，不再累赘 在中断中调用dev_dacsound_timerinit函数输出DAC电压。

调用dev_dacsound_open初始化dacsound功能。调用dev_dacsound_play开始播放，函数内开启了定时器。然后进入主要处理函数dev_dacsound_timerinit，这个函数在定时中断中调用，125us执行一次。 ```c {.line-numbers} s32 dev_dacsound_timerinit(void) { u8 data1 = 0, data2 = 0; s16 data = 0; u16 tmp;

data1 = BeepData[soundindex++];
data2 = BeepData[soundindex++];
/*要注意，读到的数据是S16，正负值*/
data = (s16)((data2 << 8) | data1);
tmp = (data+0X7FFF)>>4;//12位DAC
//uart_printf("%04x ", tmp);
mcu_dac_output(tmp);

if(soundindex >= BEEP_DATA_LEN)
{
    uart_printf("dac sound play finish!");
    /*停止定时器*/
    mcu_tim3_stop();
}

}

处理过程并不复杂，读取两个字节数据，组成一个16位数据，丢到DAC。
需要注意的是:
>1. **声音数据是s16，也就是最高位是正负标志。但是我们的DAC可不支持负数，因此需要将波形直流电平（波形水平中间线，类似X轴），由0V抬高，抬高多少呢？抬高到最高电压的一半，也就是0X7FFF，我们直接加上0X7FFF的偏移。**
>2. 我们的DAC是12位的，数据是16位的，数据右移4位匹配。
>3. **本算法有音频失真，请问原因是什么？最新处理方法请查看github上持续更新的代码。**

还要记得在stm32f4xx_it.c添加中断入口
```c
void TIM3_IRQHandler(void)
{
    mcu_tim3_IRQhandler();
}

测试修改main.c，第3行打开dacsound，第12行，当按下按键时，播放语音。 ```c {.line-numbers} / Infinite loop / mcu_uart_open(3); wjq_log(LOG_INFO, "hello word!\r\n"); mcu_i2c_init(); dev_key_init(); //mcu_timer_init(); dev_buzzer_init(); dev_tea5767_init(); dev_dacsound_init();

dev_key_open(); dev_dacsound_open();

//dev_tea5767_open(); //dev_tea5767_setfre(105700);

while (1) { /驱动轮询/ dev_key_scan();
```
/*应用*/
u8 key;
s32 res;

res = dev_key_read(&key, 1);
if(res == 1)
{
    if(key == DEV_KEY_PRESS)
    {
        //dev_buzzer_open();
        dev_dacsound_play();
        GPIO_ResetBits(GPIOG, GPIO_Pin_0
                        | GPIO_Pin_1 | GPIO_Pin_2| GPIO_Pin_3);
        //dev_tea5767_search(1);
    }
    else if(key == DEV_KEY_REL)
    {
        //dev_buzzer_close();
        GPIO_SetBits(GPIOG, GPIO_Pin_0
                        | GPIO_Pin_1 | GPIO_Pin_2| GPIO_Pin_3);
    }
}

Delay(1);

/*测试触摸按键*/
//dev_touchkey_task();
//dev_touchkey_test();
```
} ``` 现在应该能听到声音了。

思考

现在我们仅仅是验证了DAC播放语音功能。如何解码WAV？ dacsound提供什么接口？使用什么机制播放？这些问题我们等WM8978调试之后优化完成。

end

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