代码收藏家 玩转物联网人工智能小车（ESP32）：详解65模数转换器DAC的使用方法
摘要：本文介绍模数转换器DAC的使用方法
之前已经了解过ESP32芯片ADC功能的使用，它可以把模拟的电压信号转换成数字量。今天来看一下DAC（Digital to analog converter）功能是如何使用的，这个功能的作用是将数字量转换为模拟量。在控制电机的时候也需要将模拟量转换为数字量，那和这个有什么区别呢？这个DAC是真正的将数字量转换成模拟电压量，我可以真正的得到某个稳定的电压值。而PWM是用了一种能量等效的办法，通过占空比控制输出的能量来达到控制电机转速的目的，并不是真正的电压调节来调整电机的转速。
ESP32有两个8位数模转换器(DAC)通道，分别连接到GPIO25（通道1）和GPIO26（通道2）。在这里需要注意的是，由于模拟量输出的特殊性，DAC所使用的引脚是固定的，不能像其它功能一样任意选择所使用的GPIO引脚。ESP32的每个DAC通道可以将数字值0~255转换成模拟电压0~Vref（此处的Vref为VDD3P3_RTC引脚输入的参考电压，一般来说其输入的电压值应等于电源电压VDD）。输出电压可按以下方式计算：
out_voltage = Vref * digi_val / 255
由于DAC只支持8位数模转换，因此可以看到DAC的精度是远低于ADC的最高精度的。
在ESP32中，DAC转换器支持以下列方式输出模拟信号：
- 直接输出电压。DAC通道持续输出某一指定电压。
- 通过DMA输出连续模拟信号。DAC以某一特定频率转换缓冲器中的数据。
- 通过余弦波发生器输出余弦波。DAC通道可以输出特定频率和振幅的余弦波。
今天将介绍一下如何使用DAC通道直接输出电压。在Arduino中，乐鑫科技为大家提供了dacWrite()方法来方便的使用DAC输出电压功能。该方法的定义如下：
void dacWrite(uint8_t pin, uint8_t value)
其中，第一个参数为所用的引脚，这个参数的值只能是25或者26，否则程序会报错。value是8位表示输出电压的值。前面有计算公式了。
先来做一个呼吸灯的例子。找出之前使用的RGB LED模块，如下图所示：
具体接线方法如下表所示：
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RGB LED模块 |
ESP32扩展板 |
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– |
GND |
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R |
P25 |
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G |
P26 |
这个程序所要实现的功能是红绿LED交替亮起、熄灭。具体程序代码如下所示：
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#define LED_R_PIN 25 #define LED_G_PIN 26
void setup() { // put your setup code here, to run once: }
bool flag = true; unsigned char volt = 0; // 输出电压
void loop() { // put your main code here, to run repeatedly:
if (flag) { dacWrite(LED_R_PIN, volt); // 输出DAC dacWrite(LED_G_PIN, 255 – volt); // 输出DAC } else { dacWrite(LED_R_PIN, 255 – volt); // 输出DAC dacWrite(LED_G_PIN, volt); // 输出DAC } if (volt == 255) flag = !flag; volt++;
delay(10); } |
在这个程序中，直接使用了loop()函数作为循环的主体，因为它本身在运行中就是被循环调用的。volt变量代表输出的电压值，将其定义为unsigned char类型，那么在循环中是从0~255不断的循环。flag变量代表P25引脚的输出电压是0~255还是255~0的变化，P26引脚的电压则与P25引脚的变化趋势相反。
好了，编译、上传程序，看一下红绿LED交替渐亮渐暗的变化吧。接下来再来看一个利用DAC控制器实现声音播放的功能。大家都知道，在弹性介质中，只要波源所激起的纵波的频率在20-20000 Hz之间，就能引起人的听觉，这一频率范围内的振动称为声振动，由声振动所激起的纵波称为声波。所以说声波是一种典型的模拟信号。那么我们日常电脑中的声音文件，都是经过一定频率的采样之后，将模拟信号转换成了数字信号。那么播放这些声音文件的时候，就需要一个相反的过程，就是按照一定的频率，将代表声波的数字信号转换为模拟信号，经扬声器还原成震动之后，就又变成了我们能听见的声音。所以，播放声音的数模转换是必不可少的。今天就来使用这个DAC来完成这个数模转换，实现声音播放的功能。
如果从头开始，分析声音文件，再用DAC将声音转换成电压信号，那恐怕是要耗费不少的力气，所以还是使用成熟的库函数来实现这个功能。这里所使用的库的名称是：XT_DAC_Audio，不过这个库不在Arduino的库列表中，需要我们自己下载和安装后才能使用。
XT_DAC_Audio库的官方网站的下载地址为：https://www.xtronical.com/the-dacaudio-library-download-and-installation/，打开这个网址，页面如下图所示：
单击“Download”即可以得到XT_DAC_Audio的安装文件，该文件为zip格式，然后单击Arduino IDE的“项目”、“导入库”、“添加.ZIP库…”功能，选择刚才下载的文件，XT_DAC_Audio库就安装到Arduino IDE中了。
接下来看一个XT_DAC_Audio的示例程序，该程序的名字叫“PlayWav”，是一个简单的播放声音的小程序，代码如下所示：
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#include "SoundData.h" #include "XT_DAC_Audio.h"
XT_Wav_Class ForceWithYou(Force); // 创建一个XT_Wav_Class对象的实例，参数为“wav”声音数组 XT_DAC_Audio_Class DacAudio(25,0); // 创建一个播放声音对象的实例，参数为DAC引脚和定时器序号
uint32_t DemoCounter=0; // 计数器变量
void setup() { Serial.begin(115200); }
void loop() { DacAudio.FillBuffer(); if(ForceWithYou.Playing==false) DacAudio.Play(&ForceWithYou); Serial.println(DemoCounter++); } |
在编译、运行该示例程序之前，先来看一下喇叭，我使用的是这种8欧姆的小喇叭，如下图所示，因为ESP32的GPIO驱动能力非常的有限，因此声音很小，几乎要贴到耳朵上才能听见，和一般的耳机声音大小差不多。
将小喇叭的两个引脚一根线接到ESP32扩展板的P25引脚，另一根线接到GND就可以了。如果觉得这个声音太小，可以增加一个LM386声音放大器模块，如下图所示：
LM386的绿色接线柱，是连接喇叭的两端。四个排针中，VCC是供电的电源，电压在5~12V，IN为输入线，可以直接接ESP32的GPIO引脚，比如P25。GND有两个，一个接外部供电的地，一个接ESP32单片机的地就可以了。LM386可以将声音放大200倍，板子上的可变电阻可以调节放大倍数（或者说输出声音）的大小。
好了，接好线就可以编译、上传程序，然后你是不是听到了声音呢？
最后，再来简单的看一下声音是保存在哪里的吧。在这里的声音被转换成了一个数组，定义在了头文件“SoundData.h”文件中了。现在打开来看一下，如下图所示：
这个数组是由声音文件转换成的，在这里我简单的介绍一下处理的过程。
首先需要将声音文件转换成编码为“Unsigned 8-bit PCM”的wav格式的文件。这可以使用免费的软件Audacity（利用“文件”菜单中的“导出”、“导出为WAV”功能，导出时注意编码的格式），其下载网址为：https://www.audacityteam.org/。
利用WinHEX软件打开上一步导出生成的文件，然后利用“Edit”菜单中的“Copy All”、“C Source”功能，就将整个声音文件转换成一个C语言的数组，然后拷贝到剪贴板中了。
最后，打开SoundData.h文件，替换数组中定义的初始化的数据就可以了。另外，数组的大小也要修改一下，修改成新的声音文件的大小。或者，干脆去掉数组大小的指定，让编译器自己去计算。
好了，关于声音文件的处理过程就简单的介绍到这里了。
