DAC如何用定時(shí)器+DMA 2D輸出高保真任意波形)
接到一個(gè)儀表類項(xiàng)目要在 LAT1189 上輸出幾種不同波形正弦、三角、帶可調(diào)死區(qū)的脈沖頻率和幅度都得能實(shí)時(shí)改。板子上沒(méi)有 DAC就一個(gè)定時(shí)器加幾個(gè) DMA 通道。我一開始覺(jué)得在定時(shí)器中斷里改比較寄存器也能應(yīng)付后來(lái)把頻率拉到幾百 kHz 才發(fā)現(xiàn)根本不行CPU 占用爆表波形還抖得沒(méi)法看。后來(lái)把 DMA 的 2D 通道用起來(lái)用定時(shí)器更新事件去觸發(fā) DMA 搬運(yùn)波形表數(shù)據(jù)CPU 直接解放效果比預(yù)想好很多。這篇筆記就把這套方案的原理、參數(shù)計(jì)算、初始化和踩坑過(guò)程完整記下來(lái)給準(zhǔn)備在類似 MCU 上做波形輸出的朋友一個(gè)可復(fù)用的參考。1. 需求拆解與方案選型1.1 這個(gè)項(xiàng)目到底要輸出什么波形很多場(chǎng)景都需要 MCU 產(chǎn)生模擬信號(hào)比如信號(hào)發(fā)生器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、數(shù)字電源、傳感器激勵(lì)、音頻合成甚至是壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)。這個(gè)項(xiàng)目的核心需求就一句話在指定的 GPIO 引腳上輸出頻率和形狀可變的周期性波形同時(shí)盡量不占用 CPU。具體到波形類型常見(jiàn)有這幾類方波/帶死區(qū)的互補(bǔ) PWM這是電機(jī)控制和電源最常用的三角波/鋸齒波常用于掃描信號(hào)、PWM 斜坡補(bǔ)償正弦波用于逆變、音頻及各種測(cè)試設(shè)備任意自定義波形比如從 ADC 采回來(lái)的數(shù)據(jù)回放、特殊激勵(lì)信號(hào)項(xiàng)目原計(jì)劃是用外部 DAC 芯片輸出但硬件評(píng)審時(shí)把 DAC 去掉了板子上只有一個(gè)定時(shí)器、幾個(gè) DMA 通道以及一個(gè)普通 GPIO。所以我必須用現(xiàn)有資源把“模擬波形”變出來(lái)而且性能不能太差。1.2 為什么是 Timer DMA而不是中斷或純軟件模擬剛接到任務(wù)時(shí)我第一反應(yīng)是開一個(gè)定時(shí)器中斷每次中斷把比較寄存器的值改一下。這樣做對(duì)小頻率沒(méi)問(wèn)題但有一個(gè)致命傷中斷響應(yīng)有延遲尤其是系統(tǒng)里還有其他中斷優(yōu)先級(jí)更高時(shí)CCR 更新時(shí)機(jī)不穩(wěn)定輸出波形的周期會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)。高頻下更明顯比如 100 kHz 的更新率意味著 10 us 就要改一次比較值中斷里還要做查表、賦值、清標(biāo)志CPU 壓力非常大。純軟件翻轉(zhuǎn) GPIO 就更不用說(shuō)了雖然低頻能出波形但頻率一高GPIO 翻轉(zhuǎn)指令之間的延遲會(huì)讓波形完全變形而且 CPU 什么都不能干。那為什么選 Timer DMA因?yàn)槎〞r(shí)器本身能產(chǎn)生 PWM 輸出而 DMA 可以在硬件層面把保存在內(nèi)存里的波形采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)自動(dòng)搬運(yùn)到定時(shí)器的比較寄存器。整個(gè)數(shù)據(jù)搬運(yùn)過(guò)程不需要 CPU 介入DMA 控制器自己完成而且觸發(fā)源是定時(shí)器更新事件時(shí)序非常精確不會(huì)像中斷一樣有抖動(dòng)。DMA 2D 通道則比普通 DMA 更進(jìn)一步。普通 DMA 只能按線性地址搬一長(zhǎng)串連續(xù)數(shù)據(jù)2D 模式可以理解成“按行按列搬數(shù)據(jù)”每次搬完一行數(shù)據(jù)后源地址可以按設(shè)定好的偏移跳到下一個(gè)數(shù)據(jù)塊而不是只能順序讀取。這對(duì)波形表的組織、切換、拼接都提供了額外自由度。1.3 這套方案需要的最少硬件資源如果你也打算在類似項(xiàng)目里復(fù)現(xiàn)這套方案需要確認(rèn)一下手上芯片的資源配置一個(gè)能輸出 PWM、并且能產(chǎn)生 DMA 請(qǐng)求的定時(shí)器一個(gè)支持 2D或“二維”傳輸模式的 DMA 控制器至少一個(gè)帶復(fù)用功能映射的 GPIO 引腳可選的一級(jí) RC 低通濾波用來(lái)把 PWM 載波濾掉看平滑波形LAT1189 的定時(shí)器和 DMA 部分是支持這種組合的這也是我最終選擇這套方案的原因之一。如果你的芯片沒(méi)有 2D DMA也可以先用普通 DMA 加循環(huán)模式跑通基礎(chǔ)波形后面再根據(jù)手冊(cè)把 2D 特性補(bǔ)齊。2. 核心原理PWM 如何變成任意波形2.1 PWM 調(diào)制的本質(zhì)大家通常對(duì) PWM 的印象是“調(diào)占空比控制電機(jī)速度”但從信號(hào)角度看PWM 其實(shí)是一個(gè)可以通過(guò)低通濾波還原成模擬電壓的“開關(guān)信號(hào)”。假設(shè) PWM 頻率為 100 kHz占空比為 50%經(jīng)過(guò) RC 低通之后輸出電壓平均值就是電源電壓的一半。占空比從 0% 到 100% 變化輸出電壓平均值也跟著線性變化。所以只要讓占空比按目標(biāo)波形的采樣點(diǎn)序列連續(xù)變化輸出端濾波后的電壓就是目標(biāo)波形的復(fù)現(xiàn)。這就是用 PWM 實(shí)現(xiàn)任意波形的基本原理本質(zhì)上是“1-bit DAC”或者說(shuō)是“PWM DAC”。舉個(gè)例子要輸出一個(gè)正弦波那就在內(nèi)存里放一張表表里存的是每個(gè)采樣點(diǎn)的占空比數(shù)值。定時(shí)器每更新一次DMA 自動(dòng)把表里的下一個(gè)值寫入比較寄存器于是每個(gè) PWM 周期的占空比都不同整體包絡(luò)就形成正弦波。2.2 數(shù)據(jù)鏈路定時(shí)器更新事件如何驅(qū)動(dòng) DMA整個(gè)數(shù)據(jù)流是這樣的定時(shí)器計(jì)數(shù)器從 0 向上計(jì)數(shù)到達(dá)自動(dòng)重載值 ARR 時(shí)溢出產(chǎn)生更新事件定時(shí)器硬件把更新事件映射為一個(gè) DMA 請(qǐng)求信號(hào)DMA 控制器收到請(qǐng)求后按照配置從內(nèi)存里的波形表讀取一個(gè)半字16 位數(shù)據(jù)該數(shù)據(jù)被寫入定時(shí)器的比較寄存器 CCRCCR 的值決定了下個(gè) PWM 周期的占空比這里有個(gè)重要概念CCR 有預(yù)裝載功能。如果你在初始化時(shí)使能了 CCR 預(yù)裝載那么 DMA 寫入的新值不會(huì)立刻影響當(dāng)前正在進(jìn)行的 PWM 周期而是等到下一個(gè)更新事件時(shí)才生效。這個(gè)特性保證了占空比切換是平滑的不會(huì)在周期中途突然跳變對(duì)波形質(zhì)量很重要。如果不用 DMA改成中斷里寫 CCR時(shí)序上很難保證每次都能在一個(gè)穩(wěn)定時(shí)間點(diǎn)完成更新。而 DMA 是硬件直接觸發(fā)延遲固定且極小實(shí)測(cè)下來(lái)波形周期抖動(dòng)明顯更小。2.3 DMA 2D 通道說(shuō)白了是干什么的普通 DMA 像一個(gè)只會(huì)“直線搬運(yùn)”的傳送帶你告訴它起始地址和總長(zhǎng)度它就一直往下搬。2D 模式則把搬運(yùn)任務(wù)拆成“行”和“列”兩個(gè)維度每次搬完設(shè)定長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)后可以按你指定的步長(zhǎng)跳到新的內(nèi)存位置繼續(xù)搬。這句話拆開理解內(nèi)層維度定義一次搬運(yùn)多少個(gè)數(shù)據(jù)比如 100 個(gè)點(diǎn)內(nèi)層步長(zhǎng)每個(gè)數(shù)據(jù)之間的地址偏移比如 16 位數(shù)據(jù)就是偏移 2 字節(jié)外層維度定義搬完一行之后下一行從哪里開始也就是行間偏移外層行數(shù)要這樣搬幾行這正是標(biāo)題里“2D 通道”的價(jià)值所在。普通 DMA 要求波形表在內(nèi)存里是連續(xù)的2D 模式則允許你組織多個(gè)波形塊把不連續(xù)分布的數(shù)據(jù)當(dāng)成一個(gè)連續(xù)流來(lái)搬運(yùn)。實(shí)際項(xiàng)目中波形表可能放在 Flash 的不同段或者由多段數(shù)據(jù)拼接而成2D 模式可以直接搞定不需要 CPU 在中間做搬運(yùn)和拼接。2.4 參數(shù)怎么算頻率、點(diǎn)數(shù)、分辨率之間的三角關(guān)系要算參數(shù)先記住三個(gè)基本關(guān)系PWM 頻率 f_pwm 定時(shí)器時(shí)鐘 / (PSC 1) / (ARR 1)DMA 請(qǐng)求頻率 f_pwm輸出波形頻率 f_wave f_pwm / N其中 N 是每個(gè)周期的采樣點(diǎn)數(shù)示例主頻 96 MHzPSC 0ARR 959那么 f_pwm 96 MHz / 960 100 kHz。如果波形表每周期 100 個(gè)點(diǎn)輸出波形頻率就是 1 kHz。假如你想輸出 10 kHzN 仍然是 100那么 f_pwm 需要 1 MHz此時(shí) ARR 1 96即 ARR 95。這說(shuō)明高頻時(shí) PWM 計(jì)數(shù)器周期短占空比分辨率會(huì)比較低。占空比分辨率由計(jì)數(shù)器周期決定。ARR 959 時(shí)CCR 可以從 0 變到 959相當(dāng)于是 960 級(jí)分辨率接近 10 bit。ARR 95 時(shí)只有 96 級(jí)約 6.6 bit正弦波會(huì)很粗糙量化噪聲明顯。波形頻率每周期點(diǎn)數(shù)PWM頻率96MHz下(ARR1)占空比級(jí)數(shù)波形質(zhì)量1 kHz100100 kHz960960級(jí)好10 kHz1001 MHz9696級(jí)一般10 kHz50500 kHz192192級(jí)中等1 kHz200200 kHz480480級(jí)很好所以參數(shù)選擇是個(gè)三角平衡波形頻率越高、點(diǎn)數(shù)越多PWM 頻率就要越高而 ARR 越小分辨率越低。在實(shí)際項(xiàng)目里我的經(jīng)驗(yàn)是先定最高輸出頻率和可接受的最低分辨率反推需要的定時(shí)器時(shí)鐘再選擇點(diǎn)數(shù)。3. 工程落地從初始化到波形輸出3.1 前置工作引腳復(fù)用和時(shí)鐘確認(rèn)動(dòng)手寫代碼前務(wù)必去參考手冊(cè)里查定時(shí)器的輸出通道復(fù)用關(guān)系確認(rèn)你用的 GPIO 口能映射到哪個(gè)定時(shí)器通道。不要想當(dāng)然地用任意引腳很多 GPIO 不能直接當(dāng)定時(shí)器 PWM 輸出用。時(shí)鐘部分也要確認(rèn)。很多 MCU 里APB1 預(yù)分頻如果大于 1定時(shí)器時(shí)鐘反而是 PCLK1 的 2 倍。有人配置完定時(shí)器發(fā)現(xiàn)頻率慢了一倍就是這個(gè)原因。這個(gè)坑我后面專門寫實(shí)際踩過(guò)。3.2 定時(shí)器初始化讓更新事件成為 DMA 請(qǐng)求源定時(shí)器配置的核心目標(biāo)是輸出 PWM并且把更新事件作為 DMA 請(qǐng)求源。參考代碼如下以 LAT1189 的 SDK 風(fēng)格簡(jiǎn)化具體寄存器名參考芯片手冊(cè)調(diào)整TIM_TimeBaseInitTypeDef tim_base; TIM_OCInitTypeDef tim_oc; tim_base.Period 959; // ARR 1 960100 kHz 更新率 tim_base.Prescaler 0; // 不做額外分頻 tim_base.CounterMode TIM_COUNTERMODE_UP; tim_base.ClockDivision TIM_CKD_DIV1; TIM_TimeBaseInit(TIM0, tim_base); tim_oc.OCMode TIM_OCMODE_PWM1; // PWM 模式1CNT CCR 時(shí)輸出高 tim_oc.Pulse 0; // 初始占空比設(shè)為 0 tim_oc.OCPolarity TIM_OCPOLARITY_HIGH; tim_oc.OCFast TIM_OCFAST_DISABLE; TIM_OC1Init(TIM0, tim_oc); TIM_OC1PreloadConfig(TIM0, TIM_OCPreload_ENABLE); // 關(guān)鍵讓定時(shí)器更新事件作為 DMA 請(qǐng)求源 TIM_DMARequestEnable(TIM0, TIM_DMA_Update); TIM_Cmd(TIM0, ENABLE);注意TIM_OC1PreloadConfig這行我建議一直開啟。原因前面說(shuō)了預(yù)裝載可以讓 CCR 在更新事件時(shí)同步生效避免占空比更新到一半出現(xiàn)毛刺。如果關(guān)掉預(yù)裝載修改 CCR 后立刻生效反而容易造成波形畸變。3.3 DMA 2D 配置源地址的二維描述這是整套方案的核心。先理清我們要搬什么源地址波形表數(shù)組的首地址目標(biāo)地址TIM0 的 CCR1 寄存器地址方向內(nèi)存到外設(shè)單次數(shù)據(jù)寬度半字因?yàn)?CCR 和波形表數(shù)值都是 16 位內(nèi)存地址遞增每個(gè)點(diǎn)遞增 2 字節(jié)外設(shè)地址不遞增每次都寫同一個(gè) CCR1再配置 2D 模式的三個(gè)關(guān)鍵參數(shù)每行點(diǎn)數(shù)就是波形表一周期長(zhǎng)度比如 100行間偏移搬完一行后源地址跳多少字節(jié)一般設(shè)置為 0表示連續(xù)讀下一張表總行數(shù)如果要連續(xù)輸出多個(gè)周期可以設(shè)為循環(huán)次數(shù)如果只想周期性無(wú)限循環(huán)配合 DMA 循環(huán)模式即可代碼結(jié)構(gòu)大致如下DMA_2DInitTypeDef dma_2d; dma_2d.PeriphAddr (uint32_t)TIM0-CCR1; dma_2d.MemoryAddr (uint32_t)wave_sin_table; dma_2d.Direction DMA_MEMORY_TO_PERIPH; dma_2d.PeriphInc DMA_PINC_DISABLE; dma_2d.MemoryDataSize DMA_MDATAALIGN_HALFWORD; dma_2d.PeriphDataSize DMA_PDATAALIGN_HALFWORD; dma_2d.LineLength WAVE_POINTS; // 100 dma_2d.LineOffset 0; // 行間偏移單位是字節(jié) dma_2d.LineCount 0; // 0 表示無(wú)限循環(huán)配合 DMA 循環(huán)模式 dma_2d.CircularMode ENABLE; // 開啟 DMA 循環(huán) dma_2d.ContinuousRequests ENABLE; // 開啟連續(xù)請(qǐng)求 dma_2d.MemoryInc DMA_MINC_ENABLE; DMA_2DInit(DMA0, DMA_CH0, dma_2d); DMA_Cmd(DMA0, DMA_CH0, ENABLE);ContinuousRequests這個(gè)位非常重要。有些芯片里叫連續(xù)請(qǐng)求有些叫“循環(huán)模式”它決定 DMA 在搬運(yùn)完設(shè)定長(zhǎng)度后是否自動(dòng)重載并繼續(xù)下一次搬運(yùn)。如果這里沒(méi)有開啟你只能看到非常短暫的單個(gè)突發(fā)波形而不是連續(xù)波形。關(guān)于LineCount不同芯片的定義可能不同。有的芯片支持無(wú)限循環(huán)有的需要設(shè)一個(gè)較大的數(shù)。如果你發(fā)現(xiàn)循環(huán)模式已經(jīng)開了但波形仍然會(huì)停多半是外層行數(shù)配置不對(duì)仔細(xì)查一下手冊(cè)。3.4 波形表怎么生成存哪里波形表本質(zhì)是“占空比數(shù)值序列”。以 100 點(diǎn)正弦表為例我們希望每個(gè)點(diǎn)代表一個(gè) PWM 周期內(nèi)的 CCR 值CCR 值等于該時(shí)刻的占空比乘以 ARR。我在實(shí)際項(xiàng)目里用 Python 離線生成避免在工程里寫一大段啟動(dòng)計(jì)算代碼。生成代碼import math ARR 959 N 100 for i in range(N): # 占空比在 5% ~ 95% 之間變化留出一點(diǎn)余量 duty 0.5 0.45 * math.sin(2 * math.pi * i / N) ccr int(duty * ARR) print(ccr, end, )輸出會(huì)是一串 0~959 之間的整數(shù)直接貼進(jìn) C 代碼const uint16_t wave_sin_table[100] { 479, 506, 533, 560, ... };為什么一定要用const因?yàn)槲覀冎恍枰?DMA 讀取不需要改放 Flash 能省掉寶貴的 RAM。這也體現(xiàn)了一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)源地址指向 Flash 是完全可以的DMA 的源數(shù)據(jù)寬度和 Flash 讀取速度要匹配。實(shí)測(cè)中 Flash 零等待狀態(tài)下沒(méi)問(wèn)題如果芯片有 Flash 等待周期高頻 DMA 搬運(yùn)時(shí)可能會(huì)有性能問(wèn)題那時(shí)可以把表放到 RAM。三角波表也類似N 100 for i in range(N): if i N // 2: duty 0.05 0.9 * i / (N // 2) else: duty 0.95 - 0.9 * (i - N // 2) / (N // 2) ccr int(duty * ARR)3.5 啟動(dòng)順序和實(shí)時(shí)切換波形啟動(dòng)順序有個(gè)細(xì)節(jié)先使能 DMA再使能定時(shí)器。如果反過(guò)來(lái)定時(shí)器已經(jīng)開始產(chǎn)生更新事件而 DMA 還沒(méi)有準(zhǔn)備好前幾次請(qǐng)求會(huì)落空輸出的第一個(gè)周期可能是錯(cuò)誤的。DMA_Cmd(DMA0, DMA_CH0, ENABLE); // 先 DMA TIM_Cmd(TIM0, ENABLE); // 后 Timer波形切換時(shí)建議在 DMA 搬運(yùn)完成中斷里改源地址。假設(shè)你準(zhǔn)備了正弦表、三角表、方波表三張表切換過(guò)程是開啟 DMA 傳輸完成中斷在中斷回調(diào)里把MemoryAddr改成新表地址清標(biāo)志等下一個(gè)周期自動(dòng)生效為什么一定要在中斷里改因?yàn)?DMA 正在按當(dāng)前的源地址跑如果任意時(shí)刻強(qiáng)行改源地址可能會(huì)讓當(dāng)前周期中間突然跳到另一個(gè)地址造成波形截?cái)嗷蛎獭Ｔ凇罢袀鬏斖瓿伞钡倪吔绺牡刂穭t能保證這一幀數(shù)據(jù)完整輸出下一幀才開始切換。如果你不想頻繁打斷核心邏輯可以用 DMA 半傳輸和全傳輸雙緩沖技巧CPU 在半傳輸中斷里更新前半段表數(shù)據(jù)在全傳輸中斷里更新后半段這樣搬運(yùn)過(guò)程完全連續(xù)。這個(gè)技巧在多段拼接波形時(shí)特別好用。4. 調(diào)試實(shí)錄與常見(jiàn)問(wèn)題4.1 最常見(jiàn)問(wèn)題速查表現(xiàn)象可能原因排查與解決引腳一直高或一直低DMA 沒(méi)觸發(fā)或波形表值全是 0/全是 ARR檢查定時(shí)器 DMA 請(qǐng)求使能、DMA 通道請(qǐng)求源、波形表數(shù)值范圍只輸出一兩個(gè)周期就停DMA 循環(huán)模式/連續(xù)請(qǐng)求沒(méi)開設(shè)置 ContinuousRequests ENABLE檢查外層行數(shù)波形頻率是預(yù)期的一半定時(shí)器時(shí)鐘源倍數(shù)搞錯(cuò)了查 RCC 時(shí)鐘樹確認(rèn) APB 預(yù)分頻對(duì) TIM 時(shí)鐘的影響占空比跳變有毛刺CCR 預(yù)裝載未開啟或 DMA 優(yōu)先級(jí)太低開啟 CCR 預(yù)裝載提高 DMA 通道優(yōu)先級(jí)換波形不生效修改源地址時(shí)機(jī)不對(duì)在 DMA 傳輸完成中斷里切換不要在搬運(yùn)中途改高頻時(shí)波形量化感強(qiáng)ARR 太小分辨率不足提高定時(shí)器時(shí)鐘或減少每周期點(diǎn)數(shù)運(yùn)放輸出波形差示波器探頭地線太長(zhǎng)/沒(méi)有濾波用短地線彈簧夾加一級(jí) RC 低通4.2 我調(diào)波形時(shí)遇到的兩個(gè)關(guān)鍵時(shí)刻第一個(gè)問(wèn)題是只輸出一個(gè)脈沖再接一個(gè)該死的高電平。排查時(shí)鐘、引腳、DMA 都比較正常后來(lái)發(fā)現(xiàn)是 DMA 循環(huán)模式?jīng)]開。定時(shí)器更新事件確實(shí)觸發(fā)了 DMADMA 搬完 100 個(gè)點(diǎn)后認(rèn)為任務(wù)完成就停在那里而定時(shí)器還在繼續(xù)輸出CCR 停留在最后一個(gè)值上所以引腳就變成了固定電平。解決辦法就是開循環(huán)模式讓 DMA 永遠(yuǎn)循環(huán)讀波形表。第二個(gè)問(wèn)題是頻率慢了一倍。我按照 PCLK1 的 48 MHz 計(jì)算定時(shí)器怎么算都不對(duì)實(shí)際輸出頻率正好是預(yù)期的一半。后來(lái)翻了芯片參考手冊(cè)的時(shí)鐘樹才發(fā)現(xiàn) APB1 預(yù)分頻系數(shù)不為 1 時(shí)定時(shí)器時(shí)鐘是 APB1 的兩倍也就是 96 MHz而我還拿 48 MHz 在算。這個(gè)問(wèn)題在各種 MCU 上都很常見(jiàn)配置定時(shí)器前務(wù)必先確認(rèn) TIMx_CLK 的真實(shí)來(lái)源。4.3 測(cè)量波形別用錯(cuò)誤方法騙自己測(cè)量 PWM 調(diào)制的模擬波形有兩個(gè)地方特別容易踩坑。首先是示波器接地。探頭的地線夾如果太長(zhǎng)等效于一個(gè)天線會(huì)引入很多高頻噪聲毛刺看起來(lái)特別多。建議用探頭自帶的短接地彈簧直接夾在靠近測(cè)試點(diǎn)的地線上。其次是濾波問(wèn)題。直接用示波器看 PWM 引腳你看到的是一堆高頻脈沖而不是平滑正弦波。需要一級(jí) RC 低通把載波濾掉。常見(jiàn)取值 R 1 kΩC 10 nF截止頻率大約 16 kHz對(duì) 1 kHz 正弦波影響很小但對(duì) 100 kHz 的 PWM 載波衰減比較明顯。如果驅(qū)動(dòng)負(fù)載建議 RC 后加一級(jí)運(yùn)放電壓跟隨器否則負(fù)載電阻會(huì)改變 RC 濾波特性。5. 擴(kuò)展思路這套 DMA 2D 還能怎么用5.1 不止是波形輸出還能做 ADC 多通道數(shù)據(jù)重組這套 Timer DMA 2D 思維可以用在很多地方。最典型的是 ADC 多通道掃描循環(huán)采樣。普通 DMA 做 ADC 采樣時(shí)數(shù)據(jù)到達(dá)的順序按 ADC 通道順序排列如果你對(duì)不同通道的數(shù)據(jù)做不同處理需要在內(nèi)存里排序會(huì)有 CPU 開銷。用 2D DMA 可以配置地址步進(jìn)讓每一通道的數(shù)據(jù)直接落到獨(dú)立緩沖區(qū)CPU 只管處理。這個(gè)思路在很多需要連續(xù)采集的項(xiàng)目里很實(shí)用。串口 DMA 接收也是一樣的套路。配合空閑中斷可以把不定長(zhǎng)數(shù)據(jù)包完整接收進(jìn)環(huán)形緩沖區(qū)避免主循環(huán)頻繁進(jìn)出串口中斷。DMA 2D 地址跳轉(zhuǎn)能力還能把多個(gè)不同緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)拼接成一條報(bào)文直接發(fā)送省掉內(nèi)存拷貝。5.2 如果芯片不支持 2D DMA怎么降級(jí)如果你換了一顆沒(méi)有 2D 模式的 MCU不要慌方案依然能實(shí)現(xiàn)只是波形表必須是連續(xù)內(nèi)存塊。降級(jí)思路是用普通 DMA 通道加循環(huán)模式一張表一個(gè)任務(wù)切換波形時(shí)在 DMA 傳輸完成中斷里修改內(nèi)存起始地址如果同時(shí)要輸出多路不同波形每路 PWM 通道占用一個(gè)普通 DMA 通道這樣做的代價(jià)是波形表組織不靈活但基本功能仍然可用。2D 通道更像是一個(gè)優(yōu)化選項(xiàng)讓表與表之間的編排更自由。我個(gè)人的體會(huì)是這種“硬件自動(dòng)搬運(yùn)數(shù)據(jù)到外設(shè)”的思路能解決很多 CPU 忙不過(guò)來(lái)的實(shí)時(shí)性問(wèn)題。做嵌入式越多越會(huì)發(fā)現(xiàn) Timer、DMA 這些外設(shè)的潛力遠(yuǎn)比想象中大關(guān)鍵是建模清楚“什么事件觸發(fā)什么搬運(yùn)”這條鏈路。遇到類似波形輸出需求先不要急著寫中斷翻翻手冊(cè)看看硬件能不能自己完成往往會(huì)有意外驚喜。 MCU無(wú)DAC如何用定時(shí)器+DMA 2D輸出高保真任意波形
接到一個(gè)儀表類項(xiàng)目要在 LAT1189 上輸出幾種不同波形正弦、三角、帶可調(diào)死區(qū)的脈沖頻率和幅度都得能實(shí)時(shí)改。板子上沒(méi)有 DAC就一個(gè)定時(shí)器加幾個(gè) DMA 通道。我一開始覺(jué)得在定時(shí)器中斷里改比較寄存器也能應(yīng)付后來(lái)把頻率拉到幾百 kHz 才發(fā)現(xiàn)根本不行CPU 占用爆表波形還抖得沒(méi)法看。后來(lái)把 DMA 的 2D 通道用起來(lái)用定時(shí)器更新事件去觸發(fā) DMA 搬運(yùn)波形表數(shù)據(jù)CPU 直接解放效果比預(yù)想好很多。這篇筆記就把這套方案的原理、參數(shù)計(jì)算、初始化和踩坑過(guò)程完整記下來(lái)給準(zhǔn)備在類似 MCU 上做波形輸出的朋友一個(gè)可復(fù)用的參考。1. 需求拆解與方案選型1.1 這個(gè)項(xiàng)目到底要輸出什么波形很多場(chǎng)景都需要 MCU 產(chǎn)生模擬信號(hào)比如信號(hào)發(fā)生器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、數(shù)字電源、傳感器激勵(lì)、音頻合成甚至是壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)。這個(gè)項(xiàng)目的核心需求就一句話在指定的 GPIO 引腳上輸出頻率和形狀可變的周期性波形同時(shí)盡量不占用 CPU。具體到波形類型常見(jiàn)有這幾類方波/帶死區(qū)的互補(bǔ) PWM這是電機(jī)控制和電源最常用的三角波/鋸齒波常用于掃描信號(hào)、PWM 斜坡補(bǔ)償正弦波用于逆變、音頻及各種測(cè)試設(shè)備任意自定義波形比如從 ADC 采回來(lái)的數(shù)據(jù)回放、特殊激勵(lì)信號(hào)項(xiàng)目原計(jì)劃是用外部 DAC 芯片輸出但硬件評(píng)審時(shí)把 DAC 去掉了板子上只有一個(gè)定時(shí)器、幾個(gè) DMA 通道以及一個(gè)普通 GPIO。所以我必須用現(xiàn)有資源把“模擬波形”變出來(lái)而且性能不能太差。1.2 為什么是 Timer DMA而不是中斷或純軟件模擬剛接到任務(wù)時(shí)我第一反應(yīng)是開一個(gè)定時(shí)器中斷每次中斷把比較寄存器的值改一下。這樣做對(duì)小頻率沒(méi)問(wèn)題但有一個(gè)致命傷中斷響應(yīng)有延遲尤其是系統(tǒng)里還有其他中斷優(yōu)先級(jí)更高時(shí)CCR 更新時(shí)機(jī)不穩(wěn)定輸出波形的周期會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)。高頻下更明顯比如 100 kHz 的更新率意味著 10 us 就要改一次比較值中斷里還要做查表、賦值、清標(biāo)志CPU 壓力非常大。純軟件翻轉(zhuǎn) GPIO 就更不用說(shuō)了雖然低頻能出波形但頻率一高GPIO 翻轉(zhuǎn)指令之間的延遲會(huì)讓波形完全變形而且 CPU 什么都不能干。那為什么選 Timer DMA因?yàn)槎〞r(shí)器本身能產(chǎn)生 PWM 輸出而 DMA 可以在硬件層面把保存在內(nèi)存里的波形采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)自動(dòng)搬運(yùn)到定時(shí)器的比較寄存器。整個(gè)數(shù)據(jù)搬運(yùn)過(guò)程不需要 CPU 介入DMA 控制器自己完成而且觸發(fā)源是定時(shí)器更新事件時(shí)序非常精確不會(huì)像中斷一樣有抖動(dòng)。DMA 2D 通道則比普通 DMA 更進(jìn)一步。普通 DMA 只能按線性地址搬一長(zhǎng)串連續(xù)數(shù)據(jù)2D 模式可以理解成“按行按列搬數(shù)據(jù)”每次搬完一行數(shù)據(jù)后源地址可以按設(shè)定好的偏移跳到下一個(gè)數(shù)據(jù)塊而不是只能順序讀取。這對(duì)波形表的組織、切換、拼接都提供了額外自由度。1.3 這套方案需要的最少硬件資源如果你也打算在類似項(xiàng)目里復(fù)現(xiàn)這套方案需要確認(rèn)一下手上芯片的資源配置一個(gè)能輸出 PWM、并且能產(chǎn)生 DMA 請(qǐng)求的定時(shí)器一個(gè)支持 2D或“二維”傳輸模式的 DMA 控制器至少一個(gè)帶復(fù)用功能映射的 GPIO 引腳可選的一級(jí) RC 低通濾波用來(lái)把 PWM 載波濾掉看平滑波形LAT1189 的定時(shí)器和 DMA 部分是支持這種組合的這也是我最終選擇這套方案的原因之一。如果你的芯片沒(méi)有 2D DMA也可以先用普通 DMA 加循環(huán)模式跑通基礎(chǔ)波形后面再根據(jù)手冊(cè)把 2D 特性補(bǔ)齊。2. 核心原理PWM 如何變成任意波形2.1 PWM 調(diào)制的本質(zhì)大家通常對(duì) PWM 的印象是“調(diào)占空比控制電機(jī)速度”但從信號(hào)角度看PWM 其實(shí)是一個(gè)可以通過(guò)低通濾波還原成模擬電壓的“開關(guān)信號(hào)”。假設(shè) PWM 頻率為 100 kHz占空比為 50%經(jīng)過(guò) RC 低通之后輸出電壓平均值就是電源電壓的一半。占空比從 0% 到 100% 變化輸出電壓平均值也跟著線性變化。所以只要讓占空比按目標(biāo)波形的采樣點(diǎn)序列連續(xù)變化輸出端濾波后的電壓就是目標(biāo)波形的復(fù)現(xiàn)。這就是用 PWM 實(shí)現(xiàn)任意波形的基本原理本質(zhì)上是“1-bit DAC”或者說(shuō)是“PWM DAC”。舉個(gè)例子要輸出一個(gè)正弦波那就在內(nèi)存里放一張表表里存的是每個(gè)采樣點(diǎn)的占空比數(shù)值。定時(shí)器每更新一次DMA 自動(dòng)把表里的下一個(gè)值寫入比較寄存器于是每個(gè) PWM 周期的占空比都不同整體包絡(luò)就形成正弦波。2.2 數(shù)據(jù)鏈路定時(shí)器更新事件如何驅(qū)動(dòng) DMA整個(gè)數(shù)據(jù)流是這樣的定時(shí)器計(jì)數(shù)器從 0 向上計(jì)數(shù)到達(dá)自動(dòng)重載值 ARR 時(shí)溢出產(chǎn)生更新事件定時(shí)器硬件把更新事件映射為一個(gè) DMA 請(qǐng)求信號(hào)DMA 控制器收到請(qǐng)求后按照配置從內(nèi)存里的波形表讀取一個(gè)半字16 位數(shù)據(jù)該數(shù)據(jù)被寫入定時(shí)器的比較寄存器 CCRCCR 的值決定了下個(gè) PWM 周期的占空比這里有個(gè)重要概念CCR 有預(yù)裝載功能。如果你在初始化時(shí)使能了 CCR 預(yù)裝載那么 DMA 寫入的新值不會(huì)立刻影響當(dāng)前正在進(jìn)行的 PWM 周期而是等到下一個(gè)更新事件時(shí)才生效。這個(gè)特性保證了占空比切換是平滑的不會(huì)在周期中途突然跳變對(duì)波形質(zhì)量很重要。如果不用 DMA改成中斷里寫 CCR時(shí)序上很難保證每次都能在一個(gè)穩(wěn)定時(shí)間點(diǎn)完成更新。而 DMA 是硬件直接觸發(fā)延遲固定且極小實(shí)測(cè)下來(lái)波形周期抖動(dòng)明顯更小。2.3 DMA 2D 通道說(shuō)白了是干什么的普通 DMA 像一個(gè)只會(huì)“直線搬運(yùn)”的傳送帶你告訴它起始地址和總長(zhǎng)度它就一直往下搬。2D 模式則把搬運(yùn)任務(wù)拆成“行”和“列”兩個(gè)維度每次搬完設(shè)定長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)后可以按你指定的步長(zhǎng)跳到新的內(nèi)存位置繼續(xù)搬。這句話拆開理解內(nèi)層維度定義一次搬運(yùn)多少個(gè)數(shù)據(jù)比如 100 個(gè)點(diǎn)內(nèi)層步長(zhǎng)每個(gè)數(shù)據(jù)之間的地址偏移比如 16 位數(shù)據(jù)就是偏移 2 字節(jié)外層維度定義搬完一行之后下一行從哪里開始也就是行間偏移外層行數(shù)要這樣搬幾行這正是標(biāo)題里“2D 通道”的價(jià)值所在。普通 DMA 要求波形表在內(nèi)存里是連續(xù)的2D 模式則允許你組織多個(gè)波形塊把不連續(xù)分布的數(shù)據(jù)當(dāng)成一個(gè)連續(xù)流來(lái)搬運(yùn)。實(shí)際項(xiàng)目中波形表可能放在 Flash 的不同段或者由多段數(shù)據(jù)拼接而成2D 模式可以直接搞定不需要 CPU 在中間做搬運(yùn)和拼接。2.4 參數(shù)怎么算頻率、點(diǎn)數(shù)、分辨率之間的三角關(guān)系要算參數(shù)先記住三個(gè)基本關(guān)系PWM 頻率 f_pwm 定時(shí)器時(shí)鐘 / (PSC 1) / (ARR 1)DMA 請(qǐng)求頻率 f_pwm輸出波形頻率 f_wave f_pwm / N其中 N 是每個(gè)周期的采樣點(diǎn)數(shù)示例主頻 96 MHzPSC 0ARR 959那么 f_pwm 96 MHz / 960 100 kHz。如果波形表每周期 100 個(gè)點(diǎn)輸出波形頻率就是 1 kHz。假如你想輸出 10 kHzN 仍然是 100那么 f_pwm 需要 1 MHz此時(shí) ARR 1 96即 ARR 95。這說(shuō)明高頻時(shí) PWM 計(jì)數(shù)器周期短占空比分辨率會(huì)比較低。占空比分辨率由計(jì)數(shù)器周期決定。ARR 959 時(shí)CCR 可以從 0 變到 959相當(dāng)于是 960 級(jí)分辨率接近 10 bit。ARR 95 時(shí)只有 96 級(jí)約 6.6 bit正弦波會(huì)很粗糙量化噪聲明顯。波形頻率每周期點(diǎn)數(shù)PWM頻率96MHz下(ARR1)占空比級(jí)數(shù)波形質(zhì)量1 kHz100100 kHz960960級(jí)好10 kHz1001 MHz9696級(jí)一般10 kHz50500 kHz192192級(jí)中等1 kHz200200 kHz480480級(jí)很好所以參數(shù)選擇是個(gè)三角平衡波形頻率越高、點(diǎn)數(shù)越多PWM 頻率就要越高而 ARR 越小分辨率越低。在實(shí)際項(xiàng)目里我的經(jīng)驗(yàn)是先定最高輸出頻率和可接受的最低分辨率反推需要的定時(shí)器時(shí)鐘再選擇點(diǎn)數(shù)。3. 工程落地從初始化到波形輸出3.1 前置工作引腳復(fù)用和時(shí)鐘確認(rèn)動(dòng)手寫代碼前務(wù)必去參考手冊(cè)里查定時(shí)器的輸出通道復(fù)用關(guān)系確認(rèn)你用的 GPIO 口能映射到哪個(gè)定時(shí)器通道。不要想當(dāng)然地用任意引腳很多 GPIO 不能直接當(dāng)定時(shí)器 PWM 輸出用。時(shí)鐘部分也要確認(rèn)。很多 MCU 里APB1 預(yù)分頻如果大于 1定時(shí)器時(shí)鐘反而是 PCLK1 的 2 倍。有人配置完定時(shí)器發(fā)現(xiàn)頻率慢了一倍就是這個(gè)原因。這個(gè)坑我后面專門寫實(shí)際踩過(guò)。3.2 定時(shí)器初始化讓更新事件成為 DMA 請(qǐng)求源定時(shí)器配置的核心目標(biāo)是輸出 PWM并且把更新事件作為 DMA 請(qǐng)求源。參考代碼如下以 LAT1189 的 SDK 風(fēng)格簡(jiǎn)化具體寄存器名參考芯片手冊(cè)調(diào)整TIM_TimeBaseInitTypeDef tim_base; TIM_OCInitTypeDef tim_oc; tim_base.Period 959; // ARR 1 960100 kHz 更新率 tim_base.Prescaler 0; // 不做額外分頻 tim_base.CounterMode TIM_COUNTERMODE_UP; tim_base.ClockDivision TIM_CKD_DIV1; TIM_TimeBaseInit(TIM0, tim_base); tim_oc.OCMode TIM_OCMODE_PWM1; // PWM 模式1CNT CCR 時(shí)輸出高 tim_oc.Pulse 0; // 初始占空比設(shè)為 0 tim_oc.OCPolarity TIM_OCPOLARITY_HIGH; tim_oc.OCFast TIM_OCFAST_DISABLE; TIM_OC1Init(TIM0, tim_oc); TIM_OC1PreloadConfig(TIM0, TIM_OCPreload_ENABLE); // 關(guān)鍵讓定時(shí)器更新事件作為 DMA 請(qǐng)求源 TIM_DMARequestEnable(TIM0, TIM_DMA_Update); TIM_Cmd(TIM0, ENABLE);注意TIM_OC1PreloadConfig這行我建議一直開啟。原因前面說(shuō)了預(yù)裝載可以讓 CCR 在更新事件時(shí)同步生效避免占空比更新到一半出現(xiàn)毛刺。如果關(guān)掉預(yù)裝載修改 CCR 后立刻生效反而容易造成波形畸變。3.3 DMA 2D 配置源地址的二維描述這是整套方案的核心。先理清我們要搬什么源地址波形表數(shù)組的首地址目標(biāo)地址TIM0 的 CCR1 寄存器地址方向內(nèi)存到外設(shè)單次數(shù)據(jù)寬度半字因?yàn)?CCR 和波形表數(shù)值都是 16 位內(nèi)存地址遞增每個(gè)點(diǎn)遞增 2 字節(jié)外設(shè)地址不遞增每次都寫同一個(gè) CCR1再配置 2D 模式的三個(gè)關(guān)鍵參數(shù)每行點(diǎn)數(shù)就是波形表一周期長(zhǎng)度比如 100行間偏移搬完一行后源地址跳多少字節(jié)一般設(shè)置為 0表示連續(xù)讀下一張表總行數(shù)如果要連續(xù)輸出多個(gè)周期可以設(shè)為循環(huán)次數(shù)如果只想周期性無(wú)限循環(huán)配合 DMA 循環(huán)模式即可代碼結(jié)構(gòu)大致如下DMA_2DInitTypeDef dma_2d; dma_2d.PeriphAddr (uint32_t)TIM0-CCR1; dma_2d.MemoryAddr (uint32_t)wave_sin_table; dma_2d.Direction DMA_MEMORY_TO_PERIPH; dma_2d.PeriphInc DMA_PINC_DISABLE; dma_2d.MemoryDataSize DMA_MDATAALIGN_HALFWORD; dma_2d.PeriphDataSize DMA_PDATAALIGN_HALFWORD; dma_2d.LineLength WAVE_POINTS; // 100 dma_2d.LineOffset 0; // 行間偏移單位是字節(jié) dma_2d.LineCount 0; // 0 表示無(wú)限循環(huán)配合 DMA 循環(huán)模式 dma_2d.CircularMode ENABLE; // 開啟 DMA 循環(huán) dma_2d.ContinuousRequests ENABLE; // 開啟連續(xù)請(qǐng)求 dma_2d.MemoryInc DMA_MINC_ENABLE; DMA_2DInit(DMA0, DMA_CH0, dma_2d); DMA_Cmd(DMA0, DMA_CH0, ENABLE);ContinuousRequests這個(gè)位非常重要。有些芯片里叫連續(xù)請(qǐng)求有些叫“循環(huán)模式”它決定 DMA 在搬運(yùn)完設(shè)定長(zhǎng)度后是否自動(dòng)重載并繼續(xù)下一次搬運(yùn)。如果這里沒(méi)有開啟你只能看到非常短暫的單個(gè)突發(fā)波形而不是連續(xù)波形。關(guān)于LineCount不同芯片的定義可能不同。有的芯片支持無(wú)限循環(huán)有的需要設(shè)一個(gè)較大的數(shù)。如果你發(fā)現(xiàn)循環(huán)模式已經(jīng)開了但波形仍然會(huì)停多半是外層行數(shù)配置不對(duì)仔細(xì)查一下手冊(cè)。3.4 波形表怎么生成存哪里波形表本質(zhì)是“占空比數(shù)值序列”。以 100 點(diǎn)正弦表為例我們希望每個(gè)點(diǎn)代表一個(gè) PWM 周期內(nèi)的 CCR 值CCR 值等于該時(shí)刻的占空比乘以 ARR。我在實(shí)際項(xiàng)目里用 Python 離線生成避免在工程里寫一大段啟動(dòng)計(jì)算代碼。生成代碼import math ARR 959 N 100 for i in range(N): # 占空比在 5% ~ 95% 之間變化留出一點(diǎn)余量 duty 0.5 0.45 * math.sin(2 * math.pi * i / N) ccr int(duty * ARR) print(ccr, end, )輸出會(huì)是一串 0~959 之間的整數(shù)直接貼進(jìn) C 代碼const uint16_t wave_sin_table[100] { 479, 506, 533, 560, ... };為什么一定要用const因?yàn)槲覀冎恍枰?DMA 讀取不需要改放 Flash 能省掉寶貴的 RAM。這也體現(xiàn)了一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)源地址指向 Flash 是完全可以的DMA 的源數(shù)據(jù)寬度和 Flash 讀取速度要匹配。實(shí)測(cè)中 Flash 零等待狀態(tài)下沒(méi)問(wèn)題如果芯片有 Flash 等待周期高頻 DMA 搬運(yùn)時(shí)可能會(huì)有性能問(wèn)題那時(shí)可以把表放到 RAM。三角波表也類似N 100 for i in range(N): if i N // 2: duty 0.05 0.9 * i / (N // 2) else: duty 0.95 - 0.9 * (i - N // 2) / (N // 2) ccr int(duty * ARR)3.5 啟動(dòng)順序和實(shí)時(shí)切換波形啟動(dòng)順序有個(gè)細(xì)節(jié)先使能 DMA再使能定時(shí)器。如果反過(guò)來(lái)定時(shí)器已經(jīng)開始產(chǎn)生更新事件而 DMA 還沒(méi)有準(zhǔn)備好前幾次請(qǐng)求會(huì)落空輸出的第一個(gè)周期可能是錯(cuò)誤的。DMA_Cmd(DMA0, DMA_CH0, ENABLE); // 先 DMA TIM_Cmd(TIM0, ENABLE); // 后 Timer波形切換時(shí)建議在 DMA 搬運(yùn)完成中斷里改源地址。假設(shè)你準(zhǔn)備了正弦表、三角表、方波表三張表切換過(guò)程是開啟 DMA 傳輸完成中斷在中斷回調(diào)里把MemoryAddr改成新表地址清標(biāo)志等下一個(gè)周期自動(dòng)生效為什么一定要在中斷里改因?yàn)?DMA 正在按當(dāng)前的源地址跑如果任意時(shí)刻強(qiáng)行改源地址可能會(huì)讓當(dāng)前周期中間突然跳到另一個(gè)地址造成波形截?cái)嗷蛎獭Ｔ凇罢袀鬏斖瓿伞钡倪吔绺牡刂穭t能保證這一幀數(shù)據(jù)完整輸出下一幀才開始切換。如果你不想頻繁打斷核心邏輯可以用 DMA 半傳輸和全傳輸雙緩沖技巧CPU 在半傳輸中斷里更新前半段表數(shù)據(jù)在全傳輸中斷里更新后半段這樣搬運(yùn)過(guò)程完全連續(xù)。這個(gè)技巧在多段拼接波形時(shí)特別好用。4. 調(diào)試實(shí)錄與常見(jiàn)問(wèn)題4.1 最常見(jiàn)問(wèn)題速查表現(xiàn)象可能原因排查與解決引腳一直高或一直低DMA 沒(méi)觸發(fā)或波形表值全是 0/全是 ARR檢查定時(shí)器 DMA 請(qǐng)求使能、DMA 通道請(qǐng)求源、波形表數(shù)值范圍只輸出一兩個(gè)周期就停DMA 循環(huán)模式/連續(xù)請(qǐng)求沒(méi)開設(shè)置 ContinuousRequests ENABLE檢查外層行數(shù)波形頻率是預(yù)期的一半定時(shí)器時(shí)鐘源倍數(shù)搞錯(cuò)了查 RCC 時(shí)鐘樹確認(rèn) APB 預(yù)分頻對(duì) TIM 時(shí)鐘的影響占空比跳變有毛刺CCR 預(yù)裝載未開啟或 DMA 優(yōu)先級(jí)太低開啟 CCR 預(yù)裝載提高 DMA 通道優(yōu)先級(jí)換波形不生效修改源地址時(shí)機(jī)不對(duì)在 DMA 傳輸完成中斷里切換不要在搬運(yùn)中途改高頻時(shí)波形量化感強(qiáng)ARR 太小分辨率不足提高定時(shí)器時(shí)鐘或減少每周期點(diǎn)數(shù)運(yùn)放輸出波形差示波器探頭地線太長(zhǎng)/沒(méi)有濾波用短地線彈簧夾加一級(jí) RC 低通4.2 我調(diào)波形時(shí)遇到的兩個(gè)關(guān)鍵時(shí)刻第一個(gè)問(wèn)題是只輸出一個(gè)脈沖再接一個(gè)該死的高電平。排查時(shí)鐘、引腳、DMA 都比較正常后來(lái)發(fā)現(xiàn)是 DMA 循環(huán)模式?jīng)]開。定時(shí)器更新事件確實(shí)觸發(fā)了 DMADMA 搬完 100 個(gè)點(diǎn)后認(rèn)為任務(wù)完成就停在那里而定時(shí)器還在繼續(xù)輸出CCR 停留在最后一個(gè)值上所以引腳就變成了固定電平。解決辦法就是開循環(huán)模式讓 DMA 永遠(yuǎn)循環(huán)讀波形表。第二個(gè)問(wèn)題是頻率慢了一倍。我按照 PCLK1 的 48 MHz 計(jì)算定時(shí)器怎么算都不對(duì)實(shí)際輸出頻率正好是預(yù)期的一半。后來(lái)翻了芯片參考手冊(cè)的時(shí)鐘樹才發(fā)現(xiàn) APB1 預(yù)分頻系數(shù)不為 1 時(shí)定時(shí)器時(shí)鐘是 APB1 的兩倍也就是 96 MHz而我還拿 48 MHz 在算。這個(gè)問(wèn)題在各種 MCU 上都很常見(jiàn)配置定時(shí)器前務(wù)必先確認(rèn) TIMx_CLK 的真實(shí)來(lái)源。4.3 測(cè)量波形別用錯(cuò)誤方法騙自己測(cè)量 PWM 調(diào)制的模擬波形有兩個(gè)地方特別容易踩坑。首先是示波器接地。探頭的地線夾如果太長(zhǎng)等效于一個(gè)天線會(huì)引入很多高頻噪聲毛刺看起來(lái)特別多。建議用探頭自帶的短接地彈簧直接夾在靠近測(cè)試點(diǎn)的地線上。其次是濾波問(wèn)題。直接用示波器看 PWM 引腳你看到的是一堆高頻脈沖而不是平滑正弦波。需要一級(jí) RC 低通把載波濾掉。常見(jiàn)取值 R 1 kΩC 10 nF截止頻率大約 16 kHz對(duì) 1 kHz 正弦波影響很小但對(duì) 100 kHz 的 PWM 載波衰減比較明顯。如果驅(qū)動(dòng)負(fù)載建議 RC 后加一級(jí)運(yùn)放電壓跟隨器否則負(fù)載電阻會(huì)改變 RC 濾波特性。5. 擴(kuò)展思路這套 DMA 2D 還能怎么用5.1 不止是波形輸出還能做 ADC 多通道數(shù)據(jù)重組這套 Timer DMA 2D 思維可以用在很多地方。最典型的是 ADC 多通道掃描循環(huán)采樣。普通 DMA 做 ADC 采樣時(shí)數(shù)據(jù)到達(dá)的順序按 ADC 通道順序排列如果你對(duì)不同通道的數(shù)據(jù)做不同處理需要在內(nèi)存里排序會(huì)有 CPU 開銷。用 2D DMA 可以配置地址步進(jìn)讓每一通道的數(shù)據(jù)直接落到獨(dú)立緩沖區(qū)CPU 只管處理。這個(gè)思路在很多需要連續(xù)采集的項(xiàng)目里很實(shí)用。串口 DMA 接收也是一樣的套路。配合空閑中斷可以把不定長(zhǎng)數(shù)據(jù)包完整接收進(jìn)環(huán)形緩沖區(qū)避免主循環(huán)頻繁進(jìn)出串口中斷。DMA 2D 地址跳轉(zhuǎn)能力還能把多個(gè)不同緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)拼接成一條報(bào)文直接發(fā)送省掉內(nèi)存拷貝。5.2 如果芯片不支持 2D DMA怎么降級(jí)如果你換了一顆沒(méi)有 2D 模式的 MCU不要慌方案依然能實(shí)現(xiàn)只是波形表必須是連續(xù)內(nèi)存塊。降級(jí)思路是用普通 DMA 通道加循環(huán)模式一張表一個(gè)任務(wù)切換波形時(shí)在 DMA 傳輸完成中斷里修改內(nèi)存起始地址如果同時(shí)要輸出多路不同波形每路 PWM 通道占用一個(gè)普通 DMA 通道這樣做的代價(jià)是波形表組織不靈活但基本功能仍然可用。2D 通道更像是一個(gè)優(yōu)化選項(xiàng)讓表與表之間的編排更自由。我個(gè)人的體會(huì)是這種“硬件自動(dòng)搬運(yùn)數(shù)據(jù)到外設(shè)”的思路能解決很多 CPU 忙不過(guò)來(lái)的實(shí)時(shí)性問(wèn)題。做嵌入式越多越會(huì)發(fā)現(xiàn) Timer、DMA 這些外設(shè)的潛力遠(yuǎn)比想象中大關(guān)鍵是建模清楚“什么事件觸發(fā)什么搬運(yùn)”這條鏈路。遇到類似波形輸出需求先不要急著寫中斷翻翻手冊(cè)看看硬件能不能自己完成往往會(huì)有意外驚喜。