[TH] ESP-IDF Ep.8 : DAC Output Part 2

บทความนี้กล่าวถึงการใช้งาน GPIO ของ ESP32 เพื่อทำหน้าที่นำออกสัญญาณแอนาล็อกผ่านทางโมดูล DAC ขนาด 8 บิตของไมโครคอนโทรลเลอร์ ESP32 ต่อจากคราวที่แล้ว โดยในบทความนี้เป็นการใช้การสร้างคลื่นแบบ Cosine เพื่อนำออกสัญญาณแอนาล็อกของไมโครคอนโทรลเลอร์ผ่านลำโพง และแสดงให้เห็นรูปของคลื่นที่ได้จากจอแสดงผลของออสซิโลสโคป ส่วนบอร์ดทดลองยังคงใช้ตามภาพที่ 1

ภาพที่ 1 การต่อใช้งานประกอบตัวอย่างการใช้งาน DAC

โครงสร้างของโครงงาน

โครงสร้างของโครงงานของ ESP-IDF เป็นดังภาพที่ 2 คือ ในไดเร็กทอรีหรือโฟลเดอร์ของโครงงานจะมีไฟล์ CMakeList.txt และ sdkconfig กับไดเร็กทอรีชื่อ main สำหรับเก็บรหัสต้นฉบับของโครงงาน โดยในไดเร็กทอรีดังกล่าวมีไฟล์ภาษา C และ CMakeLists.txt

จากโครงสร้างในภาพที่ 2 ต้องสร้างโค้ดของไฟล์ CMakeLists.txt ดังนี้ ซึ่งเนื้อหาในโค้ดได้กำหนดรุ่นขั้นต่ำของโปรแกรม cmake และกำหนดค่าการใช้งานของ cmake เบื้องต้นตามจ้นฉบับที่มากับ ESP-IDF พร้อมทั้งตั้งชื่อโครงงานเป็น ep08

cmake_minimum_required(VERSION 3.5)
include($ENV{IDF_PATH}/tools/cmake/project.cmake)
project(ep08)

สิ่งที่เขียน main/CMakeLists.txt เป็นดังงต่อไปนี้ เพื่อกำหนดรายการไฟล์ที่จะต้องคอมไพล์ ซึ่งกำหนดไว้เป็น main.c และกำหนดไดเร็กทอรีที่เก็บไฟล์ส่วนหัวเอาไว้เป็นค่าว่างซึ่งหมายถึงที่เดียวกับ main.c หรือในไดเร็กทอรี main

idf_component_register(SRCS "main.c"
                    INCLUDE_DIRS "")

เมื่อสร้างโครงสร้างได้เหมือนดังภาพที่ 2 ให้สั่งเลือก target ของระบบเป็น ESP32 ดังนี้

idf.py set-target esp32

ส่วน sdkconfig เกิดจากการเรียกใช้คำสั่งต่อไปนี้ idf.py menuconfig

idf.py menuconfig

จากหน้าจอกำหนดการตั้งค่าให้เข้าไปที่ Component Config –> FreeRTOS และกำหนด Tick rate (Hz) เป็น 1000 ดังภาพที่ 3 หลังจากนั้นบันทึกและออกจากการตั้งค่า

ที่มักจะลืมกันคือตั้งค่าขนาดความจุของหน่วยความจำรอม (Flash size) ดังภาพที่ 4 ให้ตรงกับขนาดที่ติดตั้งบนบอร์ด จากเสนู Serial flasher config ซึ่งในบทความใช้เป็น 4MB หลังจากนั้นกด S และ Q เพื่อบันทึกและออกจากการตั้งค่า

การใช้รูปคลื่น cosine

ในชุดไลบรารี DAC ของไมโครคอนโทรลเลอร์ ESP32 มีชุดคำสั่งเกี่ยวกับการเปิด/ปิดการสร้างคลื่นแบบโคไซน์ (cosine) ออกทางช่องสัญญาณ 1 และ 2 โดยต้องกำหนดคุณลักษณะของคลื่นในโครงสร้างข้อมูลประเภท dac_cw_config_t ดังมีรายละเอีดยต่อไปนี้

struct dac_cw_config_t {
dac_channel_t en_ch;
dac_cw_scale_t scale;
dac_cw_phase_t phase;
uint32_t freq;
uint8_t offset;
};

โดยแต่ละคุณสมบัติเป็นดังนี้

en_ch เป็นหมายเลขช่องสัญญาณที่เปิดการทำงานการสร้างคลื่นแบบโคไซน์ โดยช่องสัญญาณได้แก่
1. DAC_CHANNEL_1 ซึ่งเป็นขา 25 ของ ESP32 และขา 17 ของ ESP32-S2
2. DAC_CHANNEL_2 ซึ่งเป็นขา 26 ของ ESP32 และขา 18 ของ ESP32-S2
scale เป็นค่าความสูงของคลื่น (amplitude) ซึ่งกำหนดได้ 4 ระดับ คือ
1. DAC_CW_SCALE_1 ให้ลูกคลื่นมีความสูงปกติ
2. DAC_CW_SCALE_2 ให้ลูกคลื่นมีความสูง 1/2 ของขนาดปกติ
3. DAC_CW_SCALE_4 ให้ลูกคลื่นมีความสูง 1/4 ของขนาดปกติ
4. DAC_CW_SCALE_8 ให้ลูกคลื่นมีความสูง 1/8 ของขนาดปกติ
phase เป็นค่าการเลื่อนเฟสของคลื่น ซึ่งกำหนดได้ 2 ลักษณะ คือ
1. DAC_CW_PHASE_0 ให้เริ่มจากเฟส 0 องศา
2. DAC_CW_PHASE_180 ให้เริ่มจากเฟส 180 องศา
freq เป็นค่าความถี่ของคลื่อนซึ่งมีค่าอยู่ในช่วง 130Hz ~ 55,000Hz ซึ่งค่าสูงสุดที่กำหนดได้คือ 100KHz แต่คลื่นความถี่สูงเป็นช่วงที่หูของมนุษย์ไม่ได้ยิน
offset สำหรับกำหนดระดับค่าแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงที่นำออกมาในรูปแบบของคลื่นโคไซน์ ซึ่งต้องกำหนดค่าอยู่ในช่วง -128 ~127 แต่ที่ต้องพึงระวังคือ การใส่ค่าที่ไม่สมเหตุสมผลจะส่งผลต่อช่วงค่าความสูงของคลื่น

การใช้งาน DAC จะต้องนำเข้าไฟล์ส่วนหัวดังนี้ เพื่อใช้สำหรับเปิดหรือปิดการทำงานของ I²S

#include <driver/dac.h>

และเรียกใช้งานไฟล์ส่วนหัว dac_common.h สำหรับใช้งานคำสั่งเกี่ยวกับ DAC ของไมโครคอนโทรลเลอร์ ESP32

#include <driver/dac_common.h>

สำหรับค่าของช่องสัญญาณถูกกำหนดไว้ในไฟล์ส่วนหัวที่ชื่อ dac_channel.h

คำสั่ง

การสั่งเปิดหรือปิดการทำงานของการสร้างคลื่นโคไซน์ทำได้ด้วยการเรียกใช้คำสั่ง dac_cw_generator_enable() และ dac_cw_generactor_disable() ดังรูปแบบการใช้ต่อไปนี้

esp_err_t dac_cw_generator_enable()
esp_err_t dac_cw_generator_disable()

โดยค่าคืนกลับจากการทำงานของคำสั่ง dac_cw_generator_enable และ dac_cw_generator_disable เป็นดังนี้

ESP_OK

และคำสั่งสำหรับตั้งค่าการทำงานของการสร้างคลื่นโคไซน์มีรูปแบบการใช้งานดังนี้

esp_err_t dac_cw_generator_config( &ตัวแปรที่เก็บการตั้งค่า )

โดยค่าคืนกลับจากการทำงานของคำสั่ง dac_cw_generator_enable และ dac_cw_generator_disable เป็นดังนี้

ESP_OK สำหรับการตั้งค่าสำเร็จลุล่วง
ESP_ERR_INVALID_ARG สำหรับการตั้งค่าผิดพลาด

กรณีที่ต้องการใช้งาน GPIO แบบอื่น ๆ สามารถเข้าไปอ่านบทความต่าง ๆ ดังต่อไปนี้เพิ่มเติม

ตัวอย่างโปรแกรม

วงจรแอลอีดีที่ใช้ในการทดลองครั้งนี้เป็นดังภาพที่ 5 อุปกรณ์ที่ใช้ในการทดลองได้แก่

บอร์ด esp32
บอร์ดทดลอง
โมดูลลำโพง
1. ทรานซิสเตอร์
2. ตัวต้านทาน 2 ตัว
3. บัซเซอร์

ตัวอย่างโปรแกรมสร้างคลื่นความถี่ 262Hz ซึ่งเป็นค่าความถี่ของเสียงตัว C ของเปียโนเป็นเวลา 2 วินาที เขียนโค้ดได้ดังนี้

#include <stdio.h>
#include <time.h>
#include <string.h>
#include <math.h>
#include <sdkconfig.h>
#include <driver/gpio.h>
#include <driver/dac.h>
#include <driver/dac_common.h>
#include <freertos/FreeRTOS.h>
#include <freertos/task.h>

#define pinDAC DAC_CHANNEL_2

void app_main(void)
{  
  dac_cw_config_t cwCfg;

  cwCfg.en_ch = pinDAC;
  cwCfg.scale = DAC_CW_SCALE_1;
  cwCfg.phase = DAC_CW_PHASE_180;
  cwCfg.freq = 262; // 262Hz
  cwCfg.offset = 127;

  printf("Ep.08 DAC\n"); 
  dac_i2s_enable();
  dac_i2s_disable();
  if (dac_cw_generator_config(&cwCfg) == ESP_OK) {
    printf("Start cosine-wave generator ...");
    dac_cw_generator_enable();
    dac_output_enable( pinDAC );
    vTaskDelay( 2000/portTICK_PERIOD_MS ); // 2 seconds
    dac_cw_generator_disable();
    dac_output_disable( pinDAC );
    printf("done.\n");
  } else {
    printf("Error : ESP_ERR_INVALID_ARG!\n");
  }
  while (1) {
    vTaskDelay( 10/portTICK_PERIOD_MS ); 
  }
}

กรณีที่ต้องสร้างความถี่เสียงอื่น ๆ สามารถเปลี่ยนค่าความถี่ได้ดังนี้ (ที่มา ammmusic)

โด ใช้ค่าความถี่ 262Hz
เร ใช้ค่าความถี่ 294Hz
มี ใช้ค่าความถี่ 330Hz
ฟา ใช้ค่าความถี่ 349Hz
ซอล ใช้ค่าความถี่ 370Hz
ลา ใช้ค่าความถี่ 440Hz
ที ใช้ค่าความถี่ 495Hz

คอมไพล์และอัพโหลด

ทำการคอมไพล์ หลังจากนั้น flash ลงชิพ และเข้าโปรแกรม Serial Monitor สั่งงานดังนี้

idf.py -p /dev/ttyUSB0 build flash monitor

ตัวอย่างผลลัพธ์ของโปรแกรมเป็นดังภาพที่ 6 และกราฟที่แสดงผลด้วยออสซิโลสโคปเป็นดังภาพที่ 7

จากภาพที่ 7 จะพบว่ายอดของคลื่นนั้นไม่สมบูรณ์ จึงลองเปลี่ยนการตั้งค่าใหม่เป็นดังนี้ และได้ผลลัพธ์ของลูกคลื่นเป็นดังภาพที่ 8

  cwCfg.en_ch = pinDAC;
  cwCfg.scale = DAC_CW_SCALE_2;
  cwCfg.phase = DAC_CW_PHASE_0;
  cwCfg.freq = 262; // 262Hz
  cwCfg.offset = 48;

ภาพที่ 8 ภาพลูกคลื่นเมื่อมีการปรับการตั้งค่าใหม่

สรุป

จากบทความนี้จะพบว่า การนำออกสัญญาณแอนาล็อกนั้น มีขั้นตอน 3 ขั้นตอน คือ

ตั้งค่าด้วย dac_cw_generator_config()
เปิดการทำงานด้วยคำสั่ง dac_cw_generator_enable()
ปิดการทำงานด้วยคำสั่ง dac_cw_generator_disable()

แต่อย่างไรก็ดี ลักษณะของลูกคลื่นนั้นมีผลต่อคุณภาพของเสียง ดังนั้น ควรตรวจสอบการตั้งค่าและลักษณะของคลื่นที่ได้ประกอบด้วยเสมอเพื่อไม่ให้เกิดการได้ค่าที่ไม่ถูกต้องดังภาพที่ 7 และสุดท้ายขอให้สนุกกับการเขียนโปรแกรมครับ

ท่านใดต้องการพูดคุยสามารถคอมเมนท์ได้เลยครับ

แหล่งอ้างอิง

ESP-IDF : DAC
ammmusic

(C) 2020-2021, โดย อ.ดนัย เจษฎาฐิติกุล/อ.จารุต บุศราทิจ
ปรับปรุงเมื่อ 2021-10-12, 2021-12-26