1、第 i 页本科毕业论文（20 届）基于 ARM 的模拟信号发生器所在学院专业班级 电子信息工程学生姓名指导教师完成日期第 ii 页基于 ARM 的模拟信号发生器目 录前言 .1第 1章 信号发生器概述 .2第 1.1 节 函数信号发生器的应用 .2第 1.2 节 信号发生器的发展 .2第 2章 系统总体设计 .4第 2.1 节 控制模块比较与选择 .4第 2.2 节 信号产生模块选择 .5第 2.3 节 显示模块比较与选择 .6第 3章 硬件设计 .8第 3.1 节 STM32 Open103Z 简介 .8第 3.2 节 串口模块设计 .8第 3.3 节 LCD 模块 .9第 3.4 节 按键
2、的使用 .9第 4章 软件设计 .11第 4.1 节 图像及汉字和文本的显示 .11第 4.2 节 波形显示窗口 .12第 4.3 节 串口输入 .12第 4.4 节 按键选择 .12第 4.5 节 模拟波形界面 .13第 5章 系统测试 .16第 5.1 节 测试准备 .16第 5.2 节 波形测试 .16第 5.3 节 方案调整 .19第 5.4 节 测试总结 .19结论 .20参考文献 .20致谢 .21附录 .22附录 1：实物照片说明 .22附录 2：部分源程序 .24第 1 页基于 ARM 的模拟信号发生器【摘要】：在设计研究中信号发生器的应用非常广泛，种类也相当繁多。为了满足用户
3、的需求，使设计更加便捷与直观，本文介绍的是基于 ARM 的模拟信号发生器，系统采用 ARM STM32 Open103Z 为控制核心，通过 USB 接口连接线向控制板供电。信号产生主要通过软件完成，设计一个模拟波形界面，实现其波形幅度，频率，相位及偏移量可调。而参数的输入主要通过串口完成，波形的变换由按键选择实现。当开机显示初始界面后，按键进入主界面，这时就可以通过串口选择设定的变量值，再通过按键选择需要的波形，LCD 就会将波形及对应的参数显示出来。经过不断测试，波形显示完整，界面清晰友好，但是画线部分是通过 Bresenham 画线算法完成，所以频率控制的并不是很准确。【关键词】：信号发生
4、器；波形；模拟Abstract : This design is based on the ARM analog signal generator, the system uses ARM STM32 Open103Z as the control center, powered through the USB interface cable to the control panel. Application of the signal generator is very extensive, species are quite numerous. Signal generator outpu
5、t waveform can be divided by the sine wave generator, pulse generator, function generator and arbitrary waveform generators 10l. In this paper, the main signal is generated by the software is complete, the design of an analog waveform interface, and can be controlled via the serial port the waveform
6、 amplitude, frequency, phase, and offset. When the display after the initial boot screen, the button to enter the main interface, then you can choose to set the value of a variable through the serial port, and then select the desired waveform through the key, LCD will be the waveform and the corresp
7、onding parameters are displayed. Through continuous testing, waveform display complete, clear and friendly interface, but the part is done by drawing a line Bresenham line drawing algorithm, so the frequency control is not very accurate.Key words: Signal generator; waveform; simulation第 1 页前言信号发生器是是
8、一种常用的信号源，广泛应用于电子电路、自动控制和科学试验等领域,用来提供各种测量所需信号的仪器。在电子线路分析时，常常需要了解输入信号与输出信号之间的关系，信号发生器通过产生信号来激励系统，以便观察、分析它对激励信号的反映。自十九世纪六十年代以来，信号发生器迅速发展，各类信号发生器的主要性能指标也都有了大幅度的提高，同时在简化机械结构、小型化、多功能等各方面也有了显著的进展。信号发生器按输出波形又可分为正弦波形发生器、脉冲信号发生器、函数发生器和任意波形发生器等 1。函数信号发生器是一种能产生如三角波、锯齿波、矩形波（含方波） 、正弦波多种波形的器件。它在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途
9、。在外场试验中,经常要用一些信号作为测量基准信号或输出信号,然而传统的信号源采用振荡器,只能产生少数几种波形,自动化程度较低,且仪器体积大,灵活性差,不利于试验的进行。而 ARM 芯片在当今由于其高性能、低成本、低功耗,可扩展性强,正被广泛应用于便捷式仪器的设计。因此,为了满足试验对仪器便捷灵活及待机时间长等的要求,本文利用通过ARM 技术控制 ,设计了一种波形可变换的模拟的信号发生器。论文研究的内容及安排本论文介绍了传统信号发生器与现在函数信号发生器的区别与发展趋势和对直接数字函数信号发生器的原理进行研究。用 32 位 ARM 单片机实现数字函数信号发生器，使其实现正弦波，方波，锯齿波的产生
10、，并实现波形选择、频率与幅度可控制等功能。最后对实验调试结果与理论分析结果进行对比，并得出结论。1、绪论：阐述信号发生器的应用及发展趋势和论文的组织；2、系统方案：对设计中的控制模块，信号发生模块，液晶显示模块进行方案论述。3、系统分析： 首先对 ARM 进行概述，阐述软件设计中的具体应用；再接受波形产生的原理及总体方案设计。4、给出系统硬件设计：介绍基于 ARM 的主要功能和结构，然后介绍主结点和子结点的硬件设计所需电路，以及串口通信用到的芯片的连接原理图等；5、系统软件设计：详细叙述了信号发生的算法，汉字及图像的显示，串口的设计等，系统方案。6、系统测试：主要对串口数据输送及按键波形选择测
11、试，然后进行系统分析，并了解其不足。第 2 页第 1 章 信号发生器概述当我们想测试、研究或调整电子电路及设备时，为测定电路的一些电参量，如测量频率响应、噪声系数，为电压表定度等，都要求提供符合所定技术条件的电信号 2。传统的函数信号发生器产生信号频率低，硬件设计繁琐，波形及频率的转换困难，大多使用运算放大器再加一些外围电路组成。本文通过 open103z 的板子模拟实现信号发生器的功能，实现频率、幅度的可调，并能产生正弦波、三角波、方波、锯齿波三种波形。第 1.1 节 函数信号发生器的应用任意波形发生器可以产生各种理想及非理想的波形信号，广泛用于通信、雷达、探测、导航、宇航等领域 3。（1）
12、通常分类是按照产生信号产生的波形特征来划分：音频信号源、函数信号源、功率函数发生器、脉冲信号源、任意函数发生器、任意波形发生器、标准高频信号源、射频信号源、电视信号发生器、噪声信号源、调制信号发生器、数字信号源等。这种分类基本覆盖了航空航天、电子、电力等领域的每一个角落。（2）信号源按照应用领域分类：低频信号发生器(音频) ，高频信号发生器(射频通信信号)，电视信号发生器(电视信号)，电视扫频信号发生器(电视信号)等。纵观信号发生器的发展，直接合成数字信号发生器是近几年的发展趋势。随着智能电子技术的发展，未来的函数信号发生器将应用在更多的领域。第 1.2 节 信号发生器的发展1.2.1. 各阶
13、段的发展1971 年 3 月美国学者 J.Tierncy，C.M.Rader 和 B.Gold 首次提出了直接数字频率合成（Direct Digital Synthesis）技术。这是一种从相位概念出发直接合成所需求的波形的新的全数字频率合成技术 4。DDS 技术的函数信号发生器以其输出频率稳定度高、范围宽、相位连续、分辨率高等优点成为了函数信号发生器的重要发展方向 5。具体如 图 1-1 所示：自 1971 年美国 Intel 公司首先推出 4 位微处理器以来,它的发展到目前为止大致可分为 5 个阶段 6：第 1 阶段（19711976）：信号发生器发展的初级阶段。发展了各种 4 位信号发生
14、器，第 3 页第 2 阶段（19761980）：初级 8 位机阶段。以 1976 年 Intel 公司推出的 MCS48系列为代表，采用将 8 位 CPU、8 位并行 I/O 接口、8 位定时/计数器、RAM 和 ROM 等集成于一块半导体芯片上的单片结构，功能上可满足一般工业控制和智能化仪器、仪表等的需要。第 3 阶段（19801983）：高性能信号发生器阶段。这一阶段推出的高性能 8 位信号发生器普遍带有串行口，有多级中断处理系统，多个 16 位定时器/计数器。片内RAM、ROM 的容量加大 ,且寻址范围可达 64KB。第 4 阶段（198380 年代末）：16 位信号发生器阶段。1983
15、 年 Intel 公司又推出了高性能的 16 位信号发生器 MCS96 系列，网络通信能力有显著提高。第 5 阶段（90 年代）：信号发生器在集成度、功能、速度、可靠性、应用领域等全方位向更高水平发展。图 1-1 信号发生器的发展1.2.2. 发展方向目前，信号发生器正朝着高性能和多品种方向发展，尤其是八位信号发生器已成为当前信号发生器中的主流。信号发生器的发展具体体现在如下四个方面：1.CPU 功能增强CPU 功能增强主要表现在运算速度和精度的提高方面。为了提高运算速度和精度，信号发生器通常采用布尔处理机和把 CPU 的字长增加到 16 位或 32 位。2.内部资源增多目前，信号发生器内部的
16、 ROM 容量已达 32KB，RAM 数量已达 1KB，并具有掉电保护功能，常用 I/O 电路有串行和并行 I/O 接口，A/D 和 D/A 转换器，定时器/ 计数器，定时输出和信号捕捉输入，系统故障监测和 DMA 通道电路等。3.引脚的多功能化随着芯片内部功能的增强和资源的丰富，信号发生器所需的引脚数也会相应增加，这是不可避免的。例如：一个能寻址 1MB 存储空间的信号发生器需要 20 条地址线和 8条数据线。太多的引脚不仅会增加制造时的困难，而且也会使芯片的集成度大为减小。4.第 4 页低电压和低功耗在许多应用场合，信号发生器不仅要有很小的体积，而且还需要较低的工作电压和极小的功耗。因此，
17、信号发生器普遍采用 CHMOS 工艺，并增加空闲和掉电两种工作方式。第 5 页第 2 章 系统总体设计对于信号发生器的使用环境和系统的设计性能要求，在总体设计时需要考虑的主要因素有 7：1、仪器的工作能力要求。选择合适的处理器或控制芯片，产生高速、高分辨率的波形输出要求。2、有效的中央控制功能。在仪器上建立友好的操作界面，设置一系列的可选择项，尽可能的满足用户的多种要求。3、仪器的可靠性要求。要求仪器的抗干扰能力和运行的可靠稳定。4、仪器的通信要求。方便数据交换。综合上述因素，信号发生器的总体设计方案如 图 2-1 所示，整个系统包括两部分。硬件系统信号产生与调控模块控制芯片串口模块控制模块数
18、据缓存G P I O接口电路软件单元嵌入式操作系统驱动程序信号算法处理程序显示界面程序图 2-1 系统总体设计方案由 图 2-1 可知，本系统主要由控制模块、信号发生模块、显示模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。第 2.1 节 控制模块比较与选择方案一：采用 FPGA 做主控制器，由 FPGA 来完成采集和信号处理等底层的核心计算，它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。但 FPGA 控制功能稍显不足，大电流小电压处理有些困难，但它的功能强大，功耗较低，可快速成品。方案二：采用 AT89S52 单片机
19、做主控制器，AT89S52 是一种低功耗、高性能CMOS8 位微控制器，具有 8K Flash 存储器。在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统 可编程 Flash，使得 AT89S52 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。它的成本低，易控制，易实现。缺点：运行速度慢，存储容量小，难以完成复杂的运算。第 6 页方案三：采用 ARM 微处理做主控芯片，ARM 处理器是一个 32 位元精简指令集(RISC)处理器架构，因其计算速度快，耗电少、功能强、存储容量大，已被广泛地使用在许多嵌入式系统设计。主要不足是设计复杂，需要有一定开发经验。通过三个方案比较，为了实现电路设计的
20、低功耗及高速的运算速度，故采用方案三。第 2.2 节 信号产生模块选择方案一：函数发生器集成芯片（AD9833）AD9833 是一款低功耗，可编程波形发生器，能够产生正弦波、三角波、方波输出。波形发生器广泛应用于各种测量、激励和时域响应领域，AD9833 无需外接元件，输出频率和相位都可通过软件编程，易于调节，频率寄存器是 28 位的，主频时钟为 25MHz 时，精度为 0.1Hz，主频时钟为 1MHz 时，精度可以达到 0.004Hz.方案二：锁相环频率合成器（PLL） PLL 频率合成器是由参考频率源、参考分频器、相位比较器、环路滤波器、压控振荡器、可变分频器构成，如 图 2-2 所示。参
21、考分频器对参考频率源进行分频，输出信号作为相位比较器参考信号。可变分频器对压控振荡器的输出信号进行分频，分频之后返回到相位比较器输入端与参考信号进行比较。当环路处于锁定时，有 f1=f2，因为f1=frM ，f2=fo/N，所以有 fo=Nfr/M。只要改变可变分频器的分频系数 N，就可以输出不同频率的信号。M 参考分频器 相位比较器 环路滤波器 压控振荡器N 可变分频器参考频率源f 1f 2f r f o图 2-2 锁相环频率合成器原理由于锁相环相当于一个窄带跟踪滤波器，所以锁相环频率合成的方法对杂散有很好的抑制作用。锁相式频率合成器还易于集成化。方案三：利用 ARM 实现直接数字频率合成器
22、(DDS)原理，用定时器作为时钟，将函数波形的点数保存在 ram 里，根据所要的频率计算出相位递增量，再将输出的二进制幅度进行 DA转换，从而得到完整的波形。方案一功能少，精度不高，调节方式也不够灵活，频率和占空比不能独立调节，二者相互影响，所以排除方案一。方案二频率转换时间比较长，而且在单环的情况下很难第 7 页做到很小的频率分辨率。方案三不只能实现波形频率高、转换速度快、频率分辨率高，而且可以实现调节方式灵活，硬件实现简单，集成了上述方案的各种优点。第 2.3 节 显示模块比较与选择方案一：采用 LCD1602。LCD1602 是指显示的内容为 16X2,即可以显示两行，每行16 个字符液
23、晶模块（显示字符和数字） 。由于液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度，恒定发光，而不像阴极射线管显示器（CRT）那样需要不断刷新新亮点。因此，液晶显示器画质高且不会闪烁。而且它的体积小，质量轻，但是它显示单一，不可以显示汉字和图像。方案二：采用 LCD12864。带中文字库的 128X64 是一种具有 4 位/8 位并行、2 线或 3 线串行多种接口方式，内部含有国标一级、 二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；该模块接口方式灵活，具备简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示 84 行 1616 点阵的汉字。也可完成图形显示。而且低电压、低功耗，价格相比
24、其他模块略低。方案三：采用 3.2” TFT LCD ILI9325 模块。显示功能强大，可显示文字和图形，显示内容清晰，有相应的驱动程序和库函数支持。不足之处是程序较复杂，功耗稍大。综上所述，为了显示更全面的界面，我们选择方案三。2.3.1. 控制模块分析本文的控制模块主要是基于 ARM 的研究，在此基础上选用了 cortex-M3 系列的处理器，下面主要以 cortex-M3 为主进行概述。Cortex-M3 采用了新型的单线调试(Single Wire)技术，专门拿出一个引脚来做调试，从而节约了大笔的调试工具费用。同时，Cortex-M3 中还集成了大部分存储器控制器，这样工程师可以直接
25、在 MCU 外连接 Flash，降低了设计难度和应用障碍。它也结合了多种突破性技术，令芯片供应商提供超低费用的芯片。该处理器还集成了许多紧耦合系统外设，令系统能满足下一代产品的控制需求。1）关于工作模式Cortex-M3 处理器支持 2 种工作模式：线程模式和处理模式。在复位时处理器进入“线程模式” ，异常返回时也会进入该模式，特权和用户（非特权）模式代码能够在“线程模式”下运行。出现异常模式时处理器进入“处理模式” ，在处理模式下，所有代码都是特权访问的 8。2）关于工作状态 Coretx-M3 处理器有 2 种工作状态。Thumb 状态：这是 16 位和 32 位“半字对齐”的 Thumb 和 Thumb-2 指令的执行状态。
