微控制器无需CPU即可生成同步正弦波与余弦波

    嵌入式系统通常需要数模转换器 (DAC) 生成模拟电压与波形。DAC 有时用作嵌入式处理器的外置器件，有时集成至处理器中。无论哪种情况，CPU 都必须在适当时间将预期输出值写入 DAC。一般情况下我们采用定时器中断 CPU写入预期值来实现上述目的。如果 DAC 必须生成周期波形，CPU须从表格写入下一个值，递增数据表指针 (table pointer)，并且检查表格边界，以便确定何时复位数据表指针。

    将周期值写入 DAC 的过程要求 CPU 开销保持输出波形。所需要的 CPU 开销取决于数据表的长度、输出波形的频率以及 CPU 的工作频率。例如，为了每个周期采用 32 个数据点生成 1 个 1kHz 的正弦波，在 CPU 频率为 1MHz 情况下要求 CPU 每秒能够处理 32000 个中断信号。处理如此多的中断仅在中断之间留下 1000000 / 32000 = 31.25 个 CPU 指令周期。针对上下文切换与执行，如果每个中断服务只需要 15 个 CPU 周期，所需 CPU 开销就会达到近 50％。

    如果应用要求第二个模拟输出波形，那么 CPU 负载将会增大，甚至在所需的中断服务时间内不能更新两个 DAC。 MSP430F15x/16x 器件是解决该问题的良好方案。这些器件集成了两个 DAC 与 1 个 DMA 控制器。DMA 控制器的用途是在无需 CPU 干预情况下将数据从一个位置转移到另一个位置。在本例中，DMA 能够在规定时间内将数据从数据表转移到 2 个 DAC。数据转移结构图如下所示。 


  
    DMA 控制器具有三条独立的通道。每条通道在配置后都可以用于将数值在任何地址之间进行转移。因此，一个数据表可以同时用于正弦波与余弦波，而两条 DMA 通道只需存取数据表的不同部分，以便形成正弦与余弦输出。  

    此外，每条 DMA 通道都可以独立递增其源地址或目的地址。本例中，每条 DMA通道编程后递增其源地址，但目的地址不变，始终为其对应的 DAC 数据寄存器。

    DMA 传输次数也可以配置。在每条 DMA 通道传输完已编程数据值数量之后，即可以从最初编程的源地址开始进行下一次传输，从而使每条 DMA 通道都构成一个带数据表的环形缓冲区并生成周期波形。

    为移动数据值，每条 DMA 通道都需要一个触发器。本例中，来自每个 DAC 的中断标记用作其相应 DMA 通道的触发器。如果 2 条通道同时触发，则需要对DMA 通道进行优先排序，这样一来，会在其中一个接收数据的 DAC 中造成延迟，进而造成输出信号失真，因此应单独处理 DAC 更新。

    这些器件中的每个 DAC 都能通过定时器触发，这样在需要下一个 DAC 数据值之前就可以将其加载到 DAC 数据寄存器中，当定时器触发 DAC 时，每个 DAC均能输出新的值。本例中设置由 Timer_A1 输出信号触发每个 DAC。由于 2 个 DAC 采用相同的触发信号，因此每个 DAC 的输出波形相互同步，以便保持相应的正弦／余弦关系。

下面列出完整代码以及 2 个输出波形的示波器画面。
 
------------------------------------------------------------------------- #define FS_Val 4095


static int Sin_tab[40] = {
       0.500*FS_Val,
       0.598*FS_Val,
       0.691*FS_Val,
       0.778*FS_Val,
       0.854*FS_Val,
       0.916*FS_Val,
       0.962*FS_Val,
       0.990*FS_Val,
       1.000*FS_Val,
       0.990*FS_Val,
       0.962*FS_Val,
       0.916*FS_Val,
       0.854*FS_Val,
       0.778*FS_Val,
       0.691*FS_Val,
       0.598*FS_Val,
       0.500*FS_Val,
       0.402*FS_Val,
       0.309*FS_Val,
       0.222*FS_Val,
       0.146*FS_Val,
       0.084*FS_Val,
       0.038*FS_Val,
       0.010*FS_Val,
       0.000*FS_Val,
       0.010*FS_Val,
       0.038*FS_Val,
       0.084*FS_Val,
       0.146*FS_Val,
       0.222*FS_Val,
       0.309*FS_Val,
       0.402*FS_Val,
       0.500*FS_Val,
       0.598*FS_Val,
       0.691*FS_Val,
       0.778*FS_Val,
       0.854*FS_Val,
       0.916*FS_Val,
       0.962*FS_Val,
       0.990*FS_Val
};

void main(void)
{
  WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD;             // Stop WDT
  ADC12CTL0 = REF2_5V + REFON;          // Internal 2.5V ref

//Setup DMA triggers for both DMA channels
  DMACTL0 = DMA0TSEL_5 + DMA1TSEL_5;    // DAC12IFG trigger

// Setup DMA0
  DMA0SA = (int) Sin_tab;               // Source block address
  DMA0DA = DAC12_0DAT_;                 // Destination single address
  DMA0SZ = 0x20;                        // Block size
  DMA0CTL = DMADT_4 + DMASRCINCR_3 + DMAEN; // Rpt single ch, inc src, word-word

//Setup DAC0    Load with Timer_A, group with DAC1
  DAC12_0CTL = DAC12LSEL_2 + DAC12IR + DAC12AMP_2 + DAC12IFG + DAC12ENC + DAC12GRP;

//Setup DMA1
  DMA1SA = (int) Sin_tab+8;             // Source block address
  DMA1DA = DAC12_1DAT_;                 // Destination single address
  DMA1SZ = 0x20;                        // Block size
  DMA1CTL = DMADT_4 + DMASRCINCR_3 + DMAEN; // Rpt single ch, inc src, word-word

//Setup DAC1   Load with Timer_A
  DAC12_1CTL = DAC12LSEL_2 + DAC12IR + DAC12AMP_2 + DAC12IFG + DAC12ENC;

//Setup Timer_A
  CCTL1 = OUTMOD_3;                     // CCR1 set/reset
  CCR1 = 1;                             // CCR1 PWM Duty Cycle    
  CCR0 = 3;                             // Clock period of CCR0
  TACTL = TASSEL_1 + MC_1;              // ACLK, upmode

//Turn Off CPU forever
  LPM3;
} 
------------------------------------------------------------------------- 


    最后，每次 DMA 传输都会强行占用 2 个 CPU 时钟周期。虽然 CPU 并不用于传输操作，但时钟周期的占用会造成必要的 CPU 开销且大于零。不过，对于 1kHz 的正弦波来说，假设有 32 个数据点，第 31.25个数据点之外的 2 个周期仅需要 6.4％的开销，相比之下不使用 DMA 时开销达到近 50％。另外，产生 2 个波形只需要 4个周期或 7.8％ 的开销，而在不使用 DMA 时几乎不可能产生 2 个 1kHz 正弦波。