基于dds技術(shù)的任意波形發(fā)生器(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）12圖 3－6 任意波形發(fā)生器面板圖片（左：正面，右：反面） UART 模塊串行通信是指通信的發(fā)送方和接收方之間數(shù)據(jù)信息的傳輸是在單根線上，以每次一個(gè)二進(jìn)制位移動(dòng)的。它的優(yōu)點(diǎn)是只需一對(duì)傳輸線進(jìn)行傳送信息，因此成本低，適用于遠(yuǎn)距離通信 [9]。因此在任意波形發(fā)生器的設(shè)計(jì)中，發(fā)生器與上位機(jī)之間的通訊是通過(guò)單片機(jī)的 UART 模塊來(lái)完成的。STC12LE5A60S2 單片機(jī)內(nèi)部含有兩個(gè) UART 模塊，本設(shè)計(jì)中使用了其中的一個(gè)用來(lái)跟上位機(jī)或其他設(shè)備進(jìn)行通訊。考慮到如今的通用型計(jì)算機(jī)尤其是筆記本已經(jīng)沒(méi)有串口了，要想單片機(jī)直接跟上位機(jī)進(jìn)行連接是不行的（即使有串口也還需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換） ，所以在設(shè)計(jì)中使用了 PL2303HX 芯片。圖 3－7： PL2303 電路原理圖PL2303 是 Prolific 公司生產(chǎn)的一種高精度集成的 RS232USB 接口轉(zhuǎn)換器，可提江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）13供一個(gè) RS232 全雙工異步串行通訊裝置與 USB 功能接口便利連接的解決方案。該器件內(nèi)置 USB 功能控制器、USB 收發(fā)器、振蕩器和帶有全部調(diào)制解調(diào)器控制信號(hào)的 UART，只需外接少數(shù)的電阻容器件和一個(gè)晶振就可實(shí)現(xiàn) USB 信號(hào)與 RS232 信號(hào)的轉(zhuǎn)換，能夠方便嵌入到各種設(shè)備中。圖 3－7 為本設(shè)計(jì)中采用的 PL2303HX 硬件電路連接方案。 無(wú)線模塊本設(shè)計(jì)中，使用的 無(wú)線射頻模塊的核心芯片為 CC2500。CC2500 是一種低成本的單片 收發(fā)器，專為低功耗(RX 中 )無(wú)線應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。它具有可編程控制的輸出功率（可達(dá)+1dBm）,單獨(dú)的 64 字節(jié) RX 和 TX 數(shù)據(jù) FIFO，工作頻率范圍為 2400MHz 到 ，可編程控制的傳輸速率最高可達(dá) 500kbps。圖 3－8 CC2500 簡(jiǎn)化框圖之所以在發(fā)生器中加裝了 射頻通訊模塊，是考慮到了以后可以跟更多的設(shè)備的無(wú)縫聯(lián)接。如果發(fā)生器僅靠 SPI 或 UART 模塊與外部設(shè)備聯(lián)接，往往會(huì)因?yàn)橥ㄓ嶎l率（UART 的波特率）的不同或 IO 端口不匹配而導(dǎo)致通訊聯(lián)接失敗。但通過(guò) 無(wú)線模塊，首先它就不用考慮電平和端口匹配問(wèn)題，而可編程控制的傳輸速率使得正常通訊得以在各種高速或低速的設(shè)備間進(jìn)行。另外還有一點(diǎn)，隨著物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來(lái)，一臺(tái)擁有無(wú)線通訊能力的任意波形發(fā)生器，為信號(hào)發(fā)生器在實(shí)驗(yàn)室物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用提供了一個(gè)可執(zhí)行實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）14 DAC 輸出模塊及濾波電路的設(shè)計(jì)DAC 模塊的性能參數(shù)直接影響到任意波形發(fā)生器的設(shè)計(jì)指標(biāo)，所以選取一片好的DAC 芯片是很有必要的。本設(shè)計(jì)中，使用的是德州儀器公司（TI）制造的THS5651。THS5651 是一個(gè) 10 位分辨率的數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器，采用了先進(jìn)的高速混合信號(hào) COMS 工藝，電流源陣列架構(gòu)結(jié)合同步開(kāi)關(guān)使它擁有了良好的動(dòng)態(tài)輸出性能。THS5651 的最高轉(zhuǎn)換速率為 100 MSPS，理論上可以滿足本設(shè)計(jì)中發(fā)生器的要求(64 MSPS)。它提供了一組全差分的電流（20mA）輸出，且輸出阻抗高達(dá) 300kΩ，內(nèi)部還含有一個(gè)帶溫度補(bǔ)償?shù)? 電壓基準(zhǔn)源 [11]。由于該 DAC 芯片的輸出方式是差分電流型，為了得到一個(gè)電壓型輸出，還需要在 DAC 模塊輸出端接一個(gè)高速運(yùn)放進(jìn)行電流到電壓的處理。這里參考了康芯公司的KXAD2 模塊的電路，得出了如圖 3－8 所示的 DAC 輸出電路原理圖。其中，調(diào)節(jié)可調(diào)電阻器 R4 可以在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)輸出電壓基準(zhǔn)，但不宜過(guò)高，否則會(huì)使輸出波形失真。運(yùn)放采用的依然是 TI 公司的 THS4001 電壓反饋放大器。THS4001 帶寬增益為270MHz，177。 到177。15V 寬的工作電壓范圍，適合用來(lái)作為本設(shè)計(jì)中 DAC 輸出信號(hào)的中間級(jí)調(diào)理。圖 3－8： DAC 輸出模塊原理圖濾波電路采用的是一階有源濾波，選用的運(yùn)放是 OPA603。OPA603 依舊是 TI 公司生產(chǎn)的高速運(yùn)放，與 THS4001 不同的是，OPA603 是電流反饋放大器。相比較而言，電流反饋放大器在增益帶寬和低失真上的性能優(yōu)于電壓反饋放大器。OPA603 的帶寬江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）15增益為 100MHz，壓擺率為 1000V/us，可以用它來(lái)完成一個(gè)本設(shè)計(jì)需要的 10MHz 低通濾波器。根據(jù)一階 RC 濾波的公式：(31)RCfdB?213??只要取 R=160Ω，C=100pF，就可以得到所需的截止頻率了。當(dāng)然，OPA603 在這里除了擔(dān)負(fù)濾波的作用之外，還負(fù)責(zé)對(duì) DAC 輸出波形進(jìn)行偏置。因?yàn)?THS5651 只能輸出 0~ 的信號(hào)，經(jīng)中間級(jí)調(diào)理之后輸出范圍也只能在0~4V 范圍內(nèi)調(diào)整，是無(wú)法獲得一個(gè)負(fù)電平信號(hào)的。因此，設(shè)計(jì)中將經(jīng)中間級(jí)調(diào)理之后 DAC 最大輸出調(diào)整為 2V，在 OPA603 上給予輸入一個(gè)1V 的偏置。如果將 DAC 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)為 511 時(shí)定義成 0 電平。當(dāng) DAC 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)在 0~1023 間變化時(shí)，就可以得到一個(gè)在1V~1V 間變化的信號(hào)了。但要想輸出峰峰值達(dá)到 5V 的要求，在設(shè)計(jì) OPA603 濾波電路時(shí)還需將增益設(shè)定為 G=5。按照設(shè)定的參數(shù)，在實(shí)物測(cè)試中無(wú)法獲得準(zhǔn)確的增益，這里有一個(gè)方法可以方便、準(zhǔn)確的調(diào)整偏置比和增益：先將 DAC 輸出保持在 1023 的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換值，既最大輸出值；調(diào)節(jié)圖 38 DAC 輸出模塊中的 R4，使輸出電平為 ；再將 DAC 輸出保持在511 的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換值，既定義中的 0 電平；調(diào)節(jié)圖 3－9 中低通濾波器的偏置電阻 R8，使輸出電壓為 0。這樣一來(lái)，DAC 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)范圍從 0 到 1023 時(shí)，在濾波器輸出端， 到 變化的信號(hào)了。圖 3－9: 低通濾波器原理圖為了達(dá)到數(shù)字可控增益輸出和可調(diào)偏置比，僅靠以上兩個(gè)電路時(shí)不行的。數(shù)字江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）16可控增益可通過(guò)一個(gè)電阻權(quán)網(wǎng)絡(luò)改變運(yùn)放的反饋電壓或 DAC 的電壓基準(zhǔn)來(lái)控制電路增益 [12]；數(shù)控可調(diào)偏置比則可用一個(gè) AD 的輸出電壓來(lái)調(diào)節(jié)減法器的反相端電壓來(lái)達(dá)成。江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）17第四章 手持式控制終端設(shè)計(jì) 手持式控制終端的硬件選擇手持式控制終端的核心微控制器采用的是 ST 公司的 STM32F103VE，它是一款專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的微處理器。STM32F103XX增強(qiáng)型系列使用高性能的 ARM CortexM3 32 位的 RISC 內(nèi)核，工作頻率為 72MHz，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器(STM32F103VE 為 512K 字節(jié)的閃存和 64K 字節(jié)的 SRAM)，豐富的增強(qiáng)I/O 端口和聯(lián)接到兩條 APB 總線的外設(shè)。所有型號(hào)的器件都包含 2 個(gè) 12 位的ADC、3 個(gè)通用 16 位定時(shí)器和一個(gè) PWM 定時(shí)器，還包含標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口：多達(dá) 2 個(gè) I2C 和 SPI、3 個(gè) USART、一個(gè) USB 和一個(gè) CAN。要完成控制終端設(shè)計(jì)，外設(shè)上還需要接一個(gè)觸摸彩屏，一片 SPI FLASH，一個(gè) 無(wú)線模塊。之所以選擇 ARM7 作為控制核心，而不選用 MSP430 和 8051 等通用型單片機(jī)或更高級(jí)的 ARMARM11，是考慮到以下因素：通用型單片機(jī)系統(tǒng)主頻較低，無(wú)法流暢的控制觸摸屏顯示；終端需要處理大量的數(shù)據(jù)，會(huì)占用大量的 RAM，而通用型單片機(jī)沒(méi)有足夠的資源；ARM9 核心板價(jià)格比較貴，使用 ARM9 來(lái)開(kāi)發(fā)手持式控制終端成本太高；ARM7 的片內(nèi)資源已足夠使用，在不嵌入系統(tǒng)的情況下，編程相對(duì) ARMARM11 簡(jiǎn)單。對(duì)于觸摸顯示屏的控制，本設(shè)計(jì)使用了專門的控制芯片，如使用 HX8312 控制彩屏顯示，用 ADS7846 控制觸摸屏信息采集。其中 HX8312 是基于單片機(jī)驅(qū)動(dòng)的240*320 點(diǎn)陣圖形顯示 LCD 控制器，內(nèi)部包括門極驅(qū)動(dòng)和電源驅(qū)動(dòng)，支持本設(shè)計(jì)中使用的 寸 264144 色 TFT。通過(guò) HX8312 控制 TFT，即使不嵌入操作系統(tǒng)，STM32F103VE 依然能輕松勝任圖形界面的顯示。而觸屏使用的是四線觸摸屏，它包含兩個(gè)阻性層。其中一層在屏幕的左右邊緣各有一條垂直總線，另一層在屏幕的底部和頂部各有一條水平總線。為了在 X 軸方向進(jìn)行測(cè)量，將左側(cè)總線偏置為 0V，右側(cè)總線偏置為 VREF。將頂部或底部總線連接到 ADC，當(dāng)頂層和底層相接觸時(shí)即可作一次測(cè)量。為了在 Y 軸方向進(jìn)行測(cè)量，將頂部總線偏置為 VREF，底部總線偏置為0V。將 ADC 輸入端接左側(cè)總線或右側(cè)總線，當(dāng)頂層與底層相接觸時(shí)即可對(duì)電壓進(jìn)行江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）18測(cè)量。同樣，通過(guò)使用 ADS7846 控制四線觸摸屏，只要用 SPI 方式控制 ADS7846，僅發(fā)送幾個(gè)簡(jiǎn)單的命令，就可以輕松獲取 X 軸和 Y 軸測(cè)量值。然后分別減去偏置量和乘以一定系數(shù)之后，就可以獲得準(zhǔn)確的觸屏點(diǎn)擊坐標(biāo)了。具體的觸摸屏校準(zhǔn)方法，在下面章節(jié)將會(huì)予以介紹。 用戶界面的設(shè)計(jì)由于 STM32F103VE 的開(kāi)發(fā)是在不嵌入系統(tǒng)的情況下進(jìn)行的，用戶界面的開(kāi)發(fā)就無(wú)法使用 QT 圖形界面編輯工具了。為了能使用戶界面的開(kāi)發(fā)能順利進(jìn)行，并且降低后期的編程難度。在編寫用戶界面前，需先編寫了一套用以用戶界面編輯的 API 函數(shù)。這些 API 函數(shù)包含了編輯用戶界面的所需的各種控件，并賦予其方便的使用方法。雖然前期需要花費(fèi)大量時(shí)間去編寫這些函數(shù)，但后期編輯用戶界面時(shí)就可以把主要精力放在程序整體功能的設(shè)計(jì)上而不需要過(guò)于關(guān)注技術(shù)細(xì)節(jié)了。雖然不像可視化編程環(huán)境那樣“即見(jiàn)即所得”的編程方式來(lái)得方便，但使用這些函數(shù)來(lái)“積木塊” 般 搭建出各種用途豐富，功能靈活的圖形化界面還是很容易的。下面將介紹設(shè)計(jì)中圖形界面編輯常用到幾個(gè)函數(shù)。 Put_Gui_Control()函數(shù)這個(gè)函數(shù)的作用是在窗口上顯示相應(yīng)的可視化控件，控件類型、顯示位置及其他的信息都包含在結(jié)構(gòu)體 Obejet 中。例如，要在窗體的（20,40）位置顯示一個(gè)按鈕，那么在調(diào)用這個(gè)函數(shù)之前只需將相應(yīng)的值賦給 Obejet 類型的某個(gè)變量進(jìn)行傳遞就可以了。在目標(biāo)區(qū)域就會(huì)顯示出一個(gè)帶名稱(需對(duì)”*pname”賦值才會(huì)顯示名稱)的按鈕來(lái)，同時(shí)控件變量中還包含了對(duì)應(yīng)觸摸區(qū)域的值，便于在執(zhí)行 Touch 事件時(shí)判斷此按鈕是否被按下。可以說(shuō)，這個(gè)函數(shù)是圖形界面編輯的子基礎(chǔ)，絕大多數(shù)用戶界面都離不開(kāi)此函數(shù)。目前，Put_Gui_Control()已經(jīng)可以顯示包括普通按鈕、文本框、組合框、復(fù)選框、選項(xiàng)按鈕、滾動(dòng)條等在內(nèi)的常用圖形控件。 Gui_Touch_Get()函數(shù)由于控制終端的控制操作方式為觸摸屏輸出，所以這個(gè)函數(shù)成為了獲取外部信息的重要手段之一。這個(gè)函數(shù)的使用同樣離不開(kāi)結(jié)構(gòu)體 Obejet，也就是控件信息。和 Put_Gui_Control()函數(shù)一樣，它的調(diào)用參數(shù)也是 Obejet 類型的變量。通過(guò)判斷touch_en 的值來(lái)決定是否將該控件加入觸摸事件集中，當(dāng)觸發(fā)條件達(dá)成之后返回一江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）19個(gè)下標(biāo)值來(lái)完成觸摸有效的確認(rèn)。 Gui_Selection_Form()函數(shù)Gui_Selection_Form()函數(shù)是在 Put_Gui_Control()和 Gui_Touch_Get()函數(shù)的基礎(chǔ)上完成的。它的作用是在主界面窗口上彈出一個(gè)單選會(huì)話框，當(dāng)有效點(diǎn)擊某個(gè)選項(xiàng)之后返回對(duì)應(yīng)的值并退回到前一個(gè)界面。它的使用方法很簡(jiǎn)單，僅需定義一個(gè)FormShow_Type(窗口)類型的變量用來(lái)儲(chǔ)存該窗口的基本顯示信息及選項(xiàng)名稱，然后將這個(gè)變量作為該函數(shù)的形參進(jìn)行調(diào)用。需要注意的是，這個(gè)彈窗最多只能同時(shí)顯示 8 個(gè)選項(xiàng)按鈕。當(dāng)按鈕數(shù)小于 5 個(gè)時(shí)，函數(shù)會(huì)自動(dòng)將按鈕進(jìn)行單排顯示，多于 4 個(gè)時(shí)則雙排顯示。彈窗的顯示起始位置、標(biāo)題，按鈕名稱、數(shù)量和大小都是需要用戶設(shè)定的。但窗口的大小、按鈕的分布、觸摸事件等都不需要用戶干預(yù)。 Gui_DropdownMenu()函數(shù)Gui_DropdownMenu()函數(shù)的基本功能和 Gui_Selection_Form()函數(shù)的差不多，不同的是 Gui_DropdownMenu()函數(shù)顯示的是下拉菜單，它可以通過(guò)直接遞歸調(diào)用在當(dāng)前下拉菜單中產(chǎn)生子下拉菜單。它的使用和 Gui_Selection_Form()函數(shù)一樣靈活。為了體現(xiàn)出層次感，在顯示子下拉菜單時(shí)，上一層的下拉菜單的顏色都會(huì)變暗，并且觸摸區(qū)域被屏蔽掉。和單選會(huì)話框必須返回一個(gè)有效值不同，下拉菜單可以返回一個(gè)空值。使用過(guò)程中，可以通過(guò)點(diǎn)擊界面空白處，直接跳出所有的下拉菜單。江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）20圖 5－1： 用戶界面中下拉菜單的效果圖江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）21 基本波形控制界面控制終端上的基本波形控制界面和上位機(jī)用戶界面功能上差不多，都可以很方便的選擇基本波形的類型、采樣點(diǎn)數(shù)，和設(shè)置波形的頻率、幅值、偏置及占空比。不同的是，控制終端與發(fā)生器的通訊方式有多種（SPI、UART、）可以選擇，而且波形更新設(shè)成了“自動(dòng)”和“手動(dòng)”兩種方式。在“自動(dòng)”模式下，只要對(duì)界面里的任一項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行更改，控制終端就會(huì)立即將更改后的信息發(fā)送至發(fā)生器；在“手動(dòng)”模式下，所有更改的信息，會(huì)在用戶點(diǎn)擊“數(shù)據(jù)更新”按鈕之后才會(huì)一次更改。這兩種模式都可以通過(guò)長(zhǎng)點(diǎn)“數(shù)據(jù)更新”按鈕來(lái)進(jìn)行切換，便于在不同的環(huán)境下靈活的控制任意波形發(fā)生器的波形輸出。圖 5－2：基本波形控制界面設(shè)置偏置電壓效果圖 觸摸屏的輸入校準(zhǔn)要想從觸摸屏手繪輸入準(zhǔn)確的波形數(shù)據(jù)，首先就需要對(duì)觸摸屏的輸入進(jìn)行校準(zhǔn)和消抖。和普通機(jī)械按