便攜式信號發(fā)生器及示波器設計—軟件設計

1、四川大學錦江學院畢業(yè)論文（設計） 畢業(yè)論文（設計）題 目 便攜式信號發(fā)生器及示波器設計軟件設計 院 系 電子信息學院 專 業(yè) 電子信息工程 年級 2010級 學生姓名 茍 浩 學 號 100610103 指導教師 沈毅斌 III便攜式信號發(fā)生及示波器設計軟件設計電子信息工程專業(yè)學生 茍浩 指導教師 沈毅斌【摘 要】本設計以單片機控制技術為核心，3.2寸觸摸液晶屏作為控制及顯示設備，憑借基于直接式數(shù)字頻率合成器的芯片AD9851作為信號源和高速AD采樣芯片AD9280制作。通過編寫單片機STC15F2K61S2相關控制代碼，在觸摸液晶屏實現(xiàn)功能選擇,數(shù)字輸入及結果顯示，包括信號發(fā)生器和簡易示波器

2、。信號發(fā)生器需達到輸出指定頻率的正弦信號并在屏幕上顯示，簡易示波器則需完成對數(shù)據(jù)的采集和計算并將波形及相關參數(shù)顯示在屏幕上。該設計簡潔便攜，價格便宜，能滿足大部分場合的需求?！娟P鍵詞】觸摸屏 單片機 信號發(fā)生器 示波器 The Design of Portable signal generator and oscilloscopeSoftware Design 【Abstract】 The design of single-chip control technology as the core, 3.2-inch LCD touch screen as the control and disp

3、lay equipment, with direct digital frequency synthesizer based chip AD9851 AD as a signal source and high-speed sampling chip AD9280 production. By writing the relevant code to the microcontroller STC15F2K61S2 in LCD touch screen function selection and results achieved, including signal generators a

4、nd simple oscilloscope. Required to achieve the specified signal generator output frequency sinusoidal signal and displayed on the screen, you need to complete a simple oscilloscope data collection and calculation parameters and waveforms and displayed on the screen. The design is simple, portable,

5、inexpensive, can meet the needs of the majority of occasions.【Keywords】Touchscreen; Microcontroller; Signal Generator; Oscilloscope;目 錄1 緒論11.1 背景11.2 現(xiàn)狀與發(fā)展11.3 論文主要工作22 方案論證32.1 單片機的通信方案論證32.2 串口收發(fā)方式的方案論證43 理論分析與計算53.1 Vpp、Vmax、Vmin的計算53.2 Vrms的計算53.3 掃頻參數(shù)與晶振時間的計算64 軟件設計64.1 主程序74.2 信號發(fā)生器子程序84.3 示波

6、器子程序105 硬件設計125.1 高速AD采集前置電路125.2 高速AD采樣電路125.3 DDS信號源電路136 系統(tǒng)測試146.1 測試儀器146.2 示波器功能測試146.3 信號發(fā)生器功能測試156.4 系統(tǒng)整機測試157 總結以及展望16致 謝18參考文獻19附 錄201 緒論隨著我國高速發(fā)展，信息時代已悄然來臨，電子電氣與數(shù)字信息深入了百姓生活中的方方面面。越來越多的基建設施開始修建并投入使用。為了降低維護人員的工作強度提高工作人員的效率，國內已經涌現(xiàn)出大批便攜式的測量儀涉及到各個工業(yè)民用領域。數(shù)字示波器、信號發(fā)生器都是常用的檢測測量儀器, 也是用處最廣泛的儀器。但傳統(tǒng)的示波器

7、及信號發(fā)生器的體積都比較大, 不像萬用表那樣攜帶方便, 一般只能在固定場合使用。而工程測量中往往不可能時時刻刻攜帶笨重的“臺式”儀器，因此市場對手持測量儀器的操作簡單、快捷，用途多樣化的需求越來越明顯。其操作簡單、快捷，實時性強，在電子測量領域得到了廣泛的應用。很好的彌補了固定測量設備靈活性差，功能單一的缺點，可以有效的完成檢測及測試任務，能有效提高戶外測量人員的工作效率。因此設計一種具有這兩種測量功能的測量儀，體積小、如普通萬用表大，質量輕、操作簡單，通過觸屏進行功能選擇，即可實現(xiàn)這兩種基本測量的儀器具有重要意義。1.1 背景目前儀器儀表呈現(xiàn)出高速發(fā)展趨勢，20世紀中期以后，隨著自動控制理論

8、的產生和自動控制技術的逐漸成熟，以A /D (數(shù)字/模擬轉換)環(huán)節(jié)為基礎的數(shù)字式儀器儀表得到快速發(fā)展。伴隨著通訊、計算機、軟件和新材料、新技術等的高速發(fā)展與成熟，人工智能化在線測控成為可能，使儀器走向智能化、虛擬化、網(wǎng)絡化。數(shù)字儀器、智能儀器、個人計算機儀器、虛擬儀器和網(wǎng)絡儀器代表了20世紀現(xiàn)代科學儀器發(fā)展的主流與方向。儀器儀表行業(yè)“十二五”規(guī)劃要求把傳感器及智能化儀器儀表擺到推動制造業(yè)轉型升級的重要位置，在工信部相關資源中對傳感器及智能化儀器儀表的研發(fā)及產業(yè)化予以支持【1】。我國儀器儀表行業(yè)廣泛通過電子商務領域進行應用，為該行業(yè)發(fā)展做出了強有力的貢獻。而隨著十二五的到來，我國儀器儀表行業(yè)也必

9、將進入一個超 高速發(fā)展階段。未來五年，儀器儀表行業(yè)總產值將達到或接近萬億元，年平均增長率高達15%。未來五年，我國儀器儀表行業(yè)將應用電子商務開拓市場，其必將成為行業(yè)持續(xù)發(fā)展的主流趨勢【1】。所以便攜式儀器彌補了傳統(tǒng)儀器的不足，價格便宜，將具有更大的市場。1.2 現(xiàn)狀與發(fā)展盡管在國家宏觀調控政策的引導與控制下，我國儀器儀表行業(yè)在近些年來取得了前所未有的高速發(fā)展，然而核心技術的缺失，大量高尖端產品仍然依賴國外進口，這是我國儀器儀表行業(yè)面臨的嚴峻考驗之一。中國儀器儀表行業(yè)協(xié)會顧問董景辰曾經指出：其實很早就有人看到，現(xiàn)今儀器儀表行業(yè)企業(yè)小、散、亂的狀況也是阻礙本行業(yè)發(fā)展的重要原因之一。但是在經濟高速發(fā)

10、展時期，市場需求很大，小、散、亂企業(yè)生產的產品也都能完成銷售任務，因此企業(yè)沒有動力，也沒有需求來改變這一現(xiàn)狀。事實上，市場經濟的無序競爭確實要為當今儀器儀表行業(yè)的一部分現(xiàn)狀買單。然而，由于企業(yè)實力不強，造成在技術研發(fā)和制造生產過程方面的人才與資金投入嚴重不足，致使國內產品和國外相比還有很大差距卻更是主要的原因【2】。1、 加大技術研發(fā)和制造投入我國儀器儀表雖然占有市場的大量份額，但主要聚集在低端市場。大部分高端精密儀器仍然需要進口，大部分技術和產品研發(fā)還處在跟蹤國外的狀態(tài)。為了面對國際市場競爭的殘酷性，儀器儀表企業(yè)必須加大技術研發(fā)和制造投入，掌握核心技術這樣才能在殘酷的市場中獲得一席之地。2、

11、 規(guī)范儀器儀表行業(yè)當今我國大部分儀器儀表企業(yè)主要面向低端民用市場，企業(yè)多，技術難度低，導致在低端市場競爭激烈，甚至出現(xiàn)惡性競爭，產品質量無法保證。因此需要規(guī)范儀器儀表行業(yè)使儀器儀表行業(yè)走向良性發(fā)展。3、 政策的大力支持隨著國家大力振興發(fā)展高新產業(yè)、推進兩化融合，國民經濟中各行業(yè)自動化程度逐步提高，對儀器儀表的需求持續(xù)增長，故儀器儀表行業(yè)雖然也受到國內外經濟疲軟的影響，但受到的沖擊程度較小，行業(yè)在整體上仍保持了平穩(wěn)增長【3】。1.3 論文主要工作 本設計以2塊單片機（分別用A和B表示）STC15F2K61S2最小系統(tǒng)為核心，以高速AD采集模塊，DDS信號發(fā)生器以及3.2寸觸摸液晶屏作為外圍器件。

12、A的最小系統(tǒng)連接3.2寸觸摸屏并通過串口與B相連，B連接高速AD采集模塊（AD9280）和DDS信號發(fā)生器(AD9851)。系統(tǒng)上電后，通過觸摸顯示屏選擇功能，A接受到命令后傳給B，由B驅動相關電路完成采集或信號輸出工作。本文主要介紹便攜式發(fā)生器及示波器的軟件設計、實現(xiàn)過程。 第一章 緒論。主要介紹了便攜式信號發(fā)生器及示波器的開發(fā)背景、國內外發(fā)展現(xiàn)狀、論文主要工作。第二章 方案與論證。對單片機通信方式及部分代碼的編寫方式進行功能分析，設計幾種方案，并進行其可行性、技術路線、關鍵技術以及技術難點與解決方案的分析，最終選出最可行的方案。第三章 相關計算公式理論。主要介紹示波器的有效電壓，頻率，幅值

13、等的計算。第四章 軟件設計。先進行單片機程序設計，程序編好后就進行對其進行測試。第五章 硬件設計。先進行原理圖的設計，用AD畫出原理圖，再進行PCB的設計，但一定要注意元器件參數(shù)與測試方法的選擇，最近進行電路板的焊接。第六章 系統(tǒng)的調試與結論。調試軟件，并對系統(tǒng)進行整合，觀測項目結果。2 方案論證本設計基于STC15F2K61S2單片機，高速AD9280及DDS信號發(fā)生器AD9851實現(xiàn)信號發(fā)生器和簡易示波器設計。在觸摸液晶屏實現(xiàn)功能選擇,數(shù)字輸入及結果顯示；信號發(fā)生器功能實現(xiàn)輸出指定頻率的正弦信號并在屏幕上顯示；簡易示波器功能完成對數(shù)據(jù)的采集和計算并將波形及相關參數(shù)顯示在屏幕上。軟件流程圖如

14、下圖所示。圖1 軟件流程圖系統(tǒng)上電后，單片機A接受到的來至觸摸屏的控制信號和控制參數(shù)通過串口傳給單片機B，單片機B在根據(jù)相關命令驅動相關電路并將結果回執(zhí)給單片機A，單片機A對回執(zhí)數(shù)據(jù)處理后顯示在屏幕上。2.1 單片機的通信方案論證單片機的通信主要完成單片機與單片機或單片機與其他外設的數(shù)據(jù)交換。要求傳輸穩(wěn)定占有很少的系統(tǒng)或硬件資源。當前單片機主機從機之間的通信主要有SPI、UART、I2C三種方式。2.1.1 SPI(Serial Peripheral Interface-串行外設接口)SPI總線接口系統(tǒng)是一種同步串行外設接口，它可以使MCU與多種外圍設備以串行方式進行通信以完成信息流的交換。主

15、要優(yōu)缺點如下1、傳輸速度快，為全雙工通信其傳輸速度較I2C快很多能達到幾Mbps。2、雖然SPI傳輸速度較快，但他占用了較多的I/O口，且沒有應答機制無法確認是否完成接收。接收框圖如下圖所示。圖2 SPI接收結構圖2.1.2 I2C內部整合電路用于MCU及其外圍設備的連接。是當今微電子通信和電子控制領域中使用最廣泛的一種總線標準。它是同步通信的特殊形式中的其中一種，I2C具有接口線少，控制方式簡單有效，器件封裝形式較小，通信速率較高等優(yōu)點。但本設計中STC15F2K61S2單片機不具備I2C硬件接口，只能通過代碼軟件模擬通信方式，代碼工作量較大。因此不采用此方式進行通信。2.1.3 UART（

16、Universal Asynchronous Receiver/Transmitter-通用異步收發(fā)傳輸器)UART是一種通用串行數(shù)據(jù)總線，用于異步通信。該通用串行總線為雙向通信，可以實現(xiàn)全雙工傳輸和接收。且大部分單片機都帶有1個或多個UART。UART通信方式代碼簡單，傳輸效率高，且只占用2個I/O口，其性能指標，與簡單的代碼設計完全能滿足本次作品設計所以在本設計中我選擇UART方式進行通信。2.2 串口收發(fā)方式的方案論證串口收發(fā)方式主要有中斷方式和查詢方式，中斷方式比較適合處理具有隨即特性的事件，事件發(fā)生后向cpu提出申請，然后cpu會保存當前的任務轉去處理事件。編程時采用查詢方式則需要程

17、序不斷查詢標志位來確定事件是否已經發(fā)生，而中斷方式要編寫中斷服務子程序來處理中斷事件。中斷方式和查詢方式其區(qū)別簡單總結如下圖所示圖3 查詢與中斷方式總結圖中斷方式與查詢方式相比能節(jié)約系統(tǒng)開銷不浪費CPU資源，但在本設計中主從機串口不僅都用來發(fā)送命令數(shù)據(jù)也都有接收命令數(shù)據(jù)且數(shù)據(jù)的收發(fā)時間段是已知的。為方便代碼編寫，明確程序流程。在本系統(tǒng)中查詢方式與中斷方式相比系統(tǒng)開銷相差無幾。綜上所述，本次設計采用查詢方式設計以方便代碼的編寫。3 理論分析與計算本設計主要通過高速AD采樣實現(xiàn)便攜式示存儲波器功能，便攜式示波器需要完成對波形常見參數(shù)的計算包括Vpp、Vmax、Vmin、Vrms。其中不同波形的Vr

18、ms計算不同且較為復雜。3.1 Vpp、Vmax、Vmin的計算AD9820為8位高速AD芯片，量程為02V，本設計加入了前置梳理電路使量程變?yōu)?5V+5V,模數(shù)轉換后值為0255。因此可計算出分辨率為10/256=0.0390625V。在值為127時輸入電壓為零。大于127時輸入電壓為正，小于127輸入電壓為負。Vmax的值為AD采集數(shù)據(jù)中對應的最大數(shù)值當Vmax大于127時其值為（最大采集數(shù)值-127）*0.0390625。小于127時其值為最大采集數(shù)值*0.0390625-5。同理Vmin為值為AD采集數(shù)據(jù)中對應的最小數(shù)值當Vmin大于127時其值為（最小采集數(shù)值-127）*0.0390

19、625。小于127時其值為最小采集數(shù)值*0.0390625-5。Vpp為峰峰值其計算方法為Vpp=Vmax-Vmin （1）3.2 Vrms的計算Vrms指交流電的有效值是根據(jù)電流的熱效應規(guī)定的讓交變電流和直流電通過同樣的電阻，如果它們在同一時間內產生的熱量相等，就把這一直流電的數(shù)值叫做這一交流電的有效值簡而言之就是周期電源中用運算平均功或平均能之大小值，稱為有效值。有一周期T的交電壓，在一周期時間內對一負載R所做的功為【5】 （2）而在同一時間直電壓V對負載R所做的功為 （3）兩者做功相同則有 （4）變換得 （5）這個電壓即為有效電壓也稱均方根值。本設計中考慮到單片機的性能只對正弦波、三角波

20、、方波進行Vrms計算，從軟件設計上讓系統(tǒng)自動判斷波的類型較為復雜，所以當用戶觀察到波形后手動選擇計算類型計算相關參數(shù)。正弦波的有效值為 （6）三角波的有效值為 （7）方波的有效值為 （8）3.3 掃頻參數(shù)與晶振時間的計算本設計中選用的晶振為24MHz，且STC15F2K61S2是1T單片機此時1時鐘周期等于1機器周期，但在本設計中為方便計算并減小誤差定時器任然選用12T模式因此可根據(jù)時鐘晶振的振蕩頻率計算出機器周期，因此一個計數(shù)周期T=1/（24Mhz/12）=0.5us （9）掃頻模式中需要用戶輸入起始頻率、終止頻率、步進及掃頻時間這些相關參數(shù)。步進次數(shù)=（終止頻率-起始頻率）/步進，步進

21、時間=掃頻時間/步進次數(shù)。通過定時器0的多次定時計數(shù)即可確定時間進行相應的幅值最終完成掃頻功能。4 軟件設計在硬件的基礎上對軟件進行設計，系統(tǒng)設計要求包括兩大功能簡易信號發(fā)生器和簡易示波器用戶可以根據(jù)需要自行選擇相應的功能。其中簡易信號發(fā)生器要求用戶能隨意選擇模式或更改參數(shù)，簡易示波器要求能進行波形顯示、部分參數(shù)顯示、存儲、時間軸可調等。以上功能也是相關模塊的基本功能，實現(xiàn)這些功能使得系統(tǒng)更加人性化更具有實用性。因此根據(jù)系統(tǒng)軟件設計要求將軟件劃分為：信號發(fā)生器、簡易示波器兩大模塊。4.1 主程序主程序完成系統(tǒng)初始化并等待用戶進行功能選擇，其中初始化包括初始化觸摸顯示屏、串口等。圖4 程序流程圖

22、系統(tǒng)上電隨即開始運行進入主程序，進入主程序后先開始初始化，初始化包括整個系統(tǒng)所需要的一系列外設，最先開始初始化觸摸顯示屏隨后是串口。初始化完成后系統(tǒng)將功能顯示輸出在屏幕上等待用戶進行功能選擇。選擇相應功能后即進入相應的子模塊。主要（關鍵）代碼：main() spistar() ;/模擬SPI初始化Lcd_Init(); /tft初始化uart_init(); /串口初始化LCD_Clear(WHITE); /清屏BACK_COLOR=BLACK;POINT_COLOR=WHITE; kaishijiemian();while(1) Convert_Pos(); /檢測觸摸屏 if(tp_pix

23、lcd.x87) & (tp_pixlcd.x200) & (tp_pixlcd.y100)&(tp_pixlcd.x290)&(tp_pixlcd.y320) tp_pixlcd.x=0;tp_pixlcd.x=0; a=a*10; LCD_Fill(100,0,239,50,WHITE); LCD_ShowNum(100,20,a,10); 該模塊的程序過于冗長，這里只簡要介紹鍵盤，與頻率字轉換代碼。用戶通過屏幕上的鍵盤輸入?yún)?shù)，此段代碼程序即完成此功能記錄下每一個用戶按下的鍵值依次向左移位即得到用戶輸入數(shù)據(jù)，輸入的數(shù)據(jù)通過頻率轉換程序發(fā)送給下位單片機，下位單片機接收到數(shù)據(jù)后即開始相應的工作。此處的頻率轉換字代碼主要是為了方便串口傳輸。4.3 示波器子程序當用戶在功能選擇界面選擇簡易存儲示波器時即進入示波器子程序。本程序主要完成三種功能，分別是波形顯示、存儲、顯示上次波形。其中波形顯示能完成時間軸4倍放大與縮小，并計算部分參數(shù)。存儲將采集的數(shù)據(jù)信息存入EEPROM以便在顯示上次波形功能中完成顯示。圖6 程序流程圖用戶選擇示波器功能進入示波器子程序，該子程序仍有波形采集與讀取保存波形兩大功能，前者