用STM32H743XIH6制作DDS频率合成器

原创于 2025-09-29 21:03:29 发布 · 847 阅读

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#stm32 #嵌入式硬件 #单片机

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功能设想：自定义简单波形音乐合成器。就是可以自定义输出乐器的音色（修改波形数据），可以输出任意音频频率，计算音阶。用于简单演奏。首先实现频率合成部分。

一、开发环境。

使用官方集成开发环境STM32CUBEIDE版本1.19.0。

二、系统设计。

硬件资源。

用到定时器TIM5(32位可重载计数器，方便频率计算)；DAC1(基本覆盖音频应用，一般乐器频率范围在16.352Hz到15804.639Hz)；DMA1直接数据传输通道（解放CPU，方便其他功能实现）。只需要片上硬件资源就可以实现基本功能。外部贮存器和屏幕暂时不用，以后可以扩展。

软件逻辑。

基本原理：TIM5根据设定计数不断触发DMA1循环传输缓冲区数据到DAC1,由DAC1转换输出模拟波形；DMA1配置为循环传输模式，保证波形连续输出。

其中缓冲区配置两个，每个缓冲区大小为64（即每个波形取样点数为64）：一个缓冲区用于保存旧的波形数据，供DMA1循环传输数据到DAC1输出连续波形；另一个备用缓冲区用于新波形数据贮存，当波形数据有更新，就在完成一个周期（一个完整波形）时改变缓冲区，达到波形（音色）更改目的。

频率的改变则是通过改变TIM5重载计数器的值来实现的。也就是说改变DMA1的触发频率，使传输波形数据到DAC的速率改变，从而改变波形输出频率。这种情况下，不管频率高低，每个波形的数据量都是一定的，缓冲区大小就是每个波形的取样数，可以保证高频音阶的质量不会变差。

频率计算方法：利用外部25MHz晶体，通过PLL倍频，将CPU最高时钟频率配置为480MHz，定时器总线频率配置为240MHz。频率计算公式为：重载计数值=240000000/缓冲区大小/频率值。经计算，最高音阶误差在2个音分左右，频率越低误差越小。事实上最高一组音阶已经非常高，一般很少用到，听感上也很难分辨出两个音分的误差，所以整个系统作为音阶发生器是基本可行的。

三、实施步骤。

1、新建工程。

按下图所示操作即可。

2、时钟树配置。

工程新建成功自动进入MX配置界面。如下图所示：

第一步：配置晶体。

第③步是配置主时钟晶体，必须，如果板上没有32.768MHz晶体，则第④步可以省去。

然后向下翻到PTC项，按图示操作。

第二步、配置总线时钟：

向右滚动到如下图所示：保证To APB1 Timer Clocks(MHz)一项显示为240。

第三步、配置定时器TIM5。

第四步：配置DAC1。

第五步：配置DMA。

第六步：按Ctrl+S组合键保存配置并自动生成代码后进入main.c代码编辑界面。

3、代码编写。

(1)、在注释区/* USER CODE BEGIN PV */和/* USER CODE END PV */之间添加如下代码。

#define BUFFER_SIZE 64
uint16_t dataBufferIndex=0;
uint16_t dataBuffer[3][BUFFER_SIZE] = {0};
#define PI 3.14159265358979323846
#define DAC_MAX_VALUE 4095  // 12位DAC最大值
float PitchNotation[12]={8372.224,8870.062,9397.502,9956.306,10548.337,11175.573,11840.106,12544.155,13290.068,14080.335,14917.594,15804.639};//最高音阶组频率值。
uint16_t PitchNotationIndex=0;//索引每一组音阶内的频率。
uint16_t Octave=9;//理论可以0-9共10个八度！
uint16_t BufferUpdatelock=0;//缓冲区数据更新状态：0--没有更新；1--更新完成；2--（或大于1的其他数）正在更新缓冲区数据。

(2)、在/* USER CODE BEGIN 0 */和/* USER CODE END 0 */之间添加如下代码：

于用申明自定义函数。

void generate_sine_wave(uint16_t* buffer, float amplitude);
void generate_sawtooth_wave(uint16_t* buffer, float amplitude, float offset);
void generate_triangle_wave(uint16_t* buffer, float amplitude, float offset);
void SetMusicIndex(uint16_t MusicIndex);//缓冲区数据更改波形为正弦波。
void SwitchBufferPolling(void);//检查是否有缓冲区数据更新，如果有则更改DMA传输缓冲区为新数据的缓冲区。
void setAmplitude(float amplitude);
void setFrequency(float InFrequency);

(3)、在/* USER CODE BEGIN WHILE */下面（主循环之前）添加以下代码：

SetMusicIndex(0);//选择音色，会自动启动DMA传输。

该语句初始化缓冲区数据为一个正弦波形。

(4)、在/* USER CODE BEGIN 3 */下面（主循环内）添加代码验证音阶生成。

  /* USER CODE BEGIN WHILE */
  SetMusicIndex(0);//选择音色，会自动启动DMA传输。
  while (1)
  {
    /* USER CODE END WHILE */

    /* USER CODE BEGIN 3 */
	  PitchNotationIndex++;
	  if(PitchNotationIndex>11){
		  PitchNotationIndex=0;
		  if(Octave>0){
			  Octave--;
		  }else{
			  Octave=9;
			  HAL_Delay(3000);
			  HAL_GPIO_TogglePin(GPIOC,GPIO_PIN_13);
		  }
	  }
	  setFrequency(PitchNotation[PitchNotationIndex]/pow(2,Octave));//设置音频频率。
	  HAL_Delay(500);
  }
  /* USER CODE END 3 */

(5)、在/* USER CODE BEGIN 4 */和/* USER CODE END 4 */之间添加自定义函数：

这些代码负责实现波形数据更改，频率更改等功能。

/* USER CODE BEGIN 4 */
void SetMusicIndex(uint16_t MusicIndex){
	if(BufferUpdatelock>0){return;}//等待别的进程完成缓冲区数据更新工作。
	BufferUpdatelock=2;//锁定缓冲区，防止别的进程修改。
	dataBufferIndex=(dataBufferIndex+1)%2;//切换备用缓冲区(当前数据缓冲区正在被DMA传输使用！)。
	switch(MusicIndex){
	case 0:
		generate_sine_wave(dataBuffer[dataBufferIndex],1);
		break;
	case 1:
		generate_sawtooth_wave(dataBuffer[dataBufferIndex],1,0);
		break;
	case 2:
		generate_triangle_wave(dataBuffer[dataBufferIndex],1,0);
		break;
	default:
		break;
	}
	for(uint16_t Index=0;Index<BUFFER_SIZE;Index++){dataBuffer[3][Index]=dataBuffer[dataBufferIndex][Index];}//波形数据保存到第三个缓冲区，方便幅度计算用。
	BufferUpdatelock=1;//数据修改完成。等待DMA传输。
	SwitchBufferPolling();
}
void setAmplitude(float amplitude){
    amplitude = (amplitude > 1.0f) ? 1.0f : (amplitude < 0.0f) ? 0.0f : amplitude;//参数校验
	if(BufferUpdatelock>0){return;}//等待别的进程完成缓冲区数据更新工作。
	BufferUpdatelock=2;//锁定缓冲区，防止别的进程修改。
	dataBufferIndex=(dataBufferIndex+1)%2;//切换备用缓冲区(当前数据缓冲区正在被DMA传输使用！)。
	for(uint16_t Index=0;Index<BUFFER_SIZE;Index++){dataBuffer[dataBufferIndex][Index]=(uint16_t)((float)(dataBuffer[3][Index])*amplitude);}
	BufferUpdatelock=1;//数据修改完成。等待DMA传输。
	SwitchBufferPolling();
}
void generate_sine_wave(uint16_t* buffer, float amplitude) {
    //生成正弦波
    amplitude = (amplitude > 1.0f) ? 1.0f : (amplitude < 0.0f) ? 0.0f : amplitude;//参数校验
    for (uint16_t i = 0; i < BUFFER_SIZE; i++) {
        float radian = 2 * PI * i / BUFFER_SIZE;
        float sine_value = sinf(radian);
        // 转换为DAC值 (0-4095)
        buffer[i] = (uint16_t)((sine_value * amplitude + 1.0f) * (DAC_MAX_VALUE / 2));
    }
}

/**
  * @brief 填充锯齿波数据到缓冲区
  * @param buffer: 目标缓冲区指针
  * @param amplitude: 幅值(0-4095对应0-3.3V)
  * @param offset: 直流偏置
  */
void generate_sawtooth_wave(uint16_t* buffer, float amplitude, float offset) {
    amplitude = (amplitude > 1.0f) ? 1.0f : (amplitude < 0.0f) ? 0.0f : amplitude;//参数校验
    offset = (offset > 1.0f) ? 1.0f : (offset < 0.0f) ? 0.0f : offset;//参数校验
    for(uint32_t i = 0; i < BUFFER_SIZE; i++) {
        buffer[i] = (uint16_t)((i * amplitude*4096 / BUFFER_SIZE) + offset*4096);
    }
}

/**
  * @brief 填充三角波数据到缓冲区
  * @param buffer: 目标缓冲区指针
  * @param amplitude: 幅值(0-4095对应0-3.3V)
  * @param offset: 直流偏置
  */
void generate_triangle_wave(uint16_t* buffer,  float amplitude, float offset) {
    amplitude = (amplitude > 1.0f) ? 1.0f : (amplitude < 0.0f) ? 0.0f : amplitude;//参数校验
    offset = (offset > 1.0f) ? 1.0f : (offset < 0.0f) ? 0.0f : offset;//参数校验
    uint32_t half_size = BUFFER_SIZE / 2;
    // 上升沿
    for(uint32_t i = 0; i < half_size; i++) {
        buffer[i] = (uint16_t)((i * amplitude*4096 * 2 / BUFFER_SIZE) + offset*4096);
    }

    // 下降沿
    for(uint32_t i = half_size; i < BUFFER_SIZE; i++) {
        buffer[i] = (uint16_t)((amplitude*4096 * 2 - i * amplitude*4096 * 2 / BUFFER_SIZE) + offset*4096);
    }
}
void SwitchBufferPolling(void)
{
	//缓冲区切换。
	uint32_t timeOutNum=0;
	if(BufferUpdatelock!=1){return;}//数据无更新为0；数据更新完成为1；数据更新中数字大于1。
	//正确操作顺序应严格遵循‌：	① 等待DMA计数器到达缓冲区末尾 → ② 停止DMA → ③ 更新缓冲区 → ④ 重启DMA。（在使用备用缓冲区情况下， ③ 更新缓冲区这步可以提前完成，直接切换缓冲区速度更快。）
	//通过检查计数值是否变化判断传输是否正在进行。如果连续三次读取到计数值相同，表示传输没有开始。
	while(__HAL_DMA_GET_COUNTER(&hdma_dac1_ch1) != BUFFER_SIZE&&timeOutNum<1000000){timeOutNum++;} //之前程序一定要保证DMA一直在传输，如果之前DMA没有启动传输，可能大约会等待不到1秒左右时间。
	HAL_TIM_Base_Stop(&htim5);
	while(htim5.Instance->CR1 & TIM_CR1_CEN); // 等待定时器完全停止
	HAL_DAC_Stop_DMA(&hdac1, DAC_CHANNEL_1);__NOP();__NOP();__NOP();//加三个空操作是为了延时待MDA传输完全停止。然后再重新配置。未停止当前DMA传输直接重启新传输，可能引发DMA控制器状态机混乱。
	HAL_DAC_Start_DMA(&hdac1, DAC_CHANNEL_1, (uint32_t*)dataBuffer[dataBufferIndex], BUFFER_SIZE, DAC_ALIGN_12B_R);
    HAL_TIM_Base_Start(&htim5);
    BufferUpdatelock=0;//表示缓冲区数据更改已经完成。
}
void setFrequency(float InFrequency){
	//设置震荡频率。InFrequency:标准频率(最高八度频率组)；InOctave:等分倍率（分频得到低若干个八度的音准）。
	//uint32_t APB1_TimerClocks=240000000;
	uint32_t TemOverload=0;//uint32_t timeOutNum=0;
	TemOverload=(uint32_t)(240000000/BUFFER_SIZE/InFrequency-1);
	//while(__HAL_DMA_GET_COUNTER(&hdma_dac1_ch1) != BUFFER_SIZE&&timeOutNum<10000000){timeOutNum++;} //之前程序一定要保证DMA一直在传输，如果之前DMA没有启动传输，可能大约会等待不到1秒左右时间。
	//__HAL_TIM_DISABLE_IT(&htim5, TIM_IT_UPDATE);
	HAL_TIM_Base_Stop(&htim5);
	htim5.Init.Period =TemOverload;
	htim5.Init.Prescaler =0;
	HAL_TIM_Base_Init(&htim5);
	HAL_TIM_Base_Start(&htim5);
}

/* USER CODE END 4 */

至此代码编写完成，可以编译测试了。

告别提醒：如果你的代码中有MPU_Config();这一句，请将它注释掉，这个是内存保护功能，如果不注释掉，你必须设置内存保护相关项，本工程不用内存保护，直接注释掉就行了，如果不注释掉这句，可能程序无法运行，因为缓冲区读写等可能被禁止。

4、编译运行。

(1)、调试器设置。

确保调试器驱动已经安装。我使用的是Risym ST-LINK V2，配置如下图所示：

(2)、结束调试，全速运行，用示波器观察DAC1输出波形。（本工程使用DAC1默认输出引脚PA4）:

如果接入滤波及音频放大电路，你就可以听到音阶由低到高不断变化的音频信号了。

四、总结。

通过硬件配置和代码配合使用TIM5定时器不断触发DAM1循环传输缓冲区数据到DAC1，从而生成模拟音频信号（DDS），辅以频率计算过程，产生音阶。如果继续完善电路和代码，可以做一个简单的合成器，可扩展音色选择、弯音调节、音量调节以及包络功能等。因为是DMA1循环传输模式，CPU占用极低，功能扩展空间很大。

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