基于状态机的信号发生器毕业设计论文.docx

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基于状态机的信号发生器毕业设计论文

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：

　　　　　日　期：

指导教师签名：

　　　　　日　　期：

使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

　　　　　日　期：

学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：

日期：

年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权　　　　大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

作者签名：

日期：

年月日

导师签名：

日期：

年月日

注意事项

1.设计（论文）的内容包括：

1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）

2）原创性声明

3）中文摘要（300字左右）、关键词

4）外文摘要、关键词

5）目次页（附件不统一编入）

6）论文主体部分：

引言（或绪论）、正文、结论

7）参考文献

8）致谢

9）附录（对论文支持必要时）

2.论文字数要求：

理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。

3.附件包括：

任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。

4.文字、图表要求：

1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写

2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。

图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画

3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印

4）图表应绘制于无格子的页面上

5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档

5.装订顺序

1）设计（论文）

2）附件：

按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订

指导教师评阅书

指导教师评价：

一、撰写（设计）过程

1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神

□优□良□中□及格□不及格

2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度

□优□良□中□及格□不及格

3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力

□优□良□中□及格□不及格

4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性

□优□良□中□及格□不及格

5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

指导教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

评阅教师评阅书

评阅教师评价：

一、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

评阅教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

教研室（或答辩小组）及教学系意见

教研室（或答辩小组）评价：

一、答辩过程

1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况

□优□良□中□及格□不及格

2、对答辩问题的反应、理解、表达情况

□优□良□中□及格□不及格

3、学生答辩过程中的精神状态

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

评定成绩：

□优□良□中□及格□不及格

教研室主任（或答辩小组组长）：

（签名）

年月日

教学系意见：

系主任：

（签名）

年月日

摘要…………………………………………………………………………………...1

英文摘要……………………………………………………………………………...1

1引言……………………………………………………………………………….2

1.1信号发生器发展现状概述………………………………………………...2

1.2设计指标…………………………………………………………………....2

1.2.1设计任务……………………………………………………………….....3

1.3状态机概念阐述……………………………………………………………3

1.3.1系统主要组成部分…………………………………………………….....4

1.3.2各部分性能与参数要求……………………………………………….....5

1.3.3系统方案论证…………………………………………………………….5

2系统硬件设计…………………………………………………………………….6

2.1单片机电路设计……………………………………………………………7

2.2数/模转换电路……………………………………………………………...7

2.3键盘控制电路…………………………………………………………........8

2.4显示电路…………………………………………………………................9

3系统软件件设计……………………………………………………………..10

3.1主程序流程图………………………………………………………….......11

3.2中断服务流程图…………………………………………………………...11

3.3按键控制流程图…………………………………………………………...11

3.4液晶显示流程图……………………………………………………………12

4系统测试与结果………………………………………………………………….12

4.1测试方法…………………………………………………………………...13

4.2测试结果……………………………………………………………………13

4.3误差分析……………………………………………………………………14

5结束语…………………………………………………………………………….16

6参考文献………………………………………………………………………….17

7附录………………………………………………………………………….........18

附录1.Protel99See原理图…………………………………………………...18

附录2.Proteus7.5仿真图……………………………………………………..19

附录3.作品实物图………………………………………………………….......20

附录4.程序清单…………………………………………………………...........21

附录5.元件清单…………………………………………………………...........38

基于状态机的信号发生器

职业技术教育学院应用电子技术教育专业董仙怀（07440106）

指导老师朱伟玲（讲师）

摘要：

波形发生器是电子设计以及教学、科研中应用最广泛的仪器之一。

如果能用相对简单的方式和较少的成本产生具有优秀稳定度和精确度的常用波形，无疑将在这些领域中得到广泛的应用。

本次作品设计是基于状态机概念的功能特性来实现占空比可调的矩形波、锯齿波信号发生器。

它主要是通过现软件设计来实现波形选择、占空比可调、频率可按步进可调、输出幅度可调等功能。

本设计只要辅以简单的外围电路，就能实现一个低成本、多功能、高精度、输出频率步进可调的波形发生器，本文并对状态机的运用以及它的软件延伸作了比较详细的论述。

本次设计主要由89C51、DAC0832、1602、LM324芯片完成任务书所要求的指标。

关键词：

状态机；程序；单片机

TheSignalGeneratorBasedOnStateMachine

VocationalTechnicalEducationCollegeApplicationofElectronicTechnologyEducationProfessionalDONGXian-Huai（07440106）

Director:

ZHUWei-Ling（Lecture）

Abstract：

Waveformgeneratorisoneofthemostwidelyusedinstrumentsinelectronicdesignandteaching,scientificresearch.Waveformgeneratorhavingagoodstabilityandprecisionofcommonwaveformbyusingrelativelysimplerealizationwaysandlesscost,willbewidelyappliedintheseareasundoubtedly.

Thisdesignisbasedonstatemachineconceptstorealizethefunctionalcharacteristicsofadjustablerectanglewave,sawtoothwavesignal.Softwarewritingisthemainworkofthedesignwhichhasfunctionsofwaveformselection,occupiesdutymodulation,frequencysteppingmodulation,andoutputamplitudecanbemodulated.Thisdesigncanachievealowcost,multi-function,high-precision,outputfrequencysteppingadjustablewaveformgeneratorforstatemachinebyadaptedcomplementarywithsimpleperipheralcircuitry.Thispaperdiscussiontheuseofthesoftwareanditsextends.Thisdesignconsistsmainlyof89C51,DAC0832,1602andLM324chips.

KeyWords:

statemachine;programme;SCM

1引言

随着电子测量及其他部门对各类信号发生器的广泛需求及电子技术的迅速发展，促使信号发生器种类增多，性能提高。

尤其随着70年代微处理器的出现，更促使信号发生器向着自动化、智能化方向发展。

现在，许多信号发生器带有微处理器，因而具备了自校、自检、自动故障诊断和自动波形形成和修正等功能，可以和控制计算机及其他测量仪器一起方便的构成自动测试系统。

当前信号发生器总的趋势是向着宽频率覆盖、低功耗、高频率精度、多功能、自动化和智能化方向发展。

1.1信号发生器发展现状概述

在科学研究、工程教育及生产实践中，如工业过程控制、教学实验、机械振动试验、动态分析、材料试验、生物医学等领域，常常需要用到占空比可调的信号发生器。

而在我们日常生活中，以及一些科学研究中，锯齿波和正弦波、矩形波信号是常用的基本测试信号。

譬如在示波器、电视机等仪器中，为了使电子按照一定规律运动，以利用荧光屏显示图像，常用到锯齿波产生器作为时基电路。

信号发生器作为一种通用的电子仪器，在生产、科研、测控、通讯等领域都得到了广泛的应用。

但市面上能看到的仪器在频率精度、带宽、波形种类及程控方面都已不能满足许多方面实际应用的需求。

加之各类功能的半导体集成芯片的快速生产，都迫使我们研制一种占空比可调能产生多种波形并具有程控等低频的信号发生器。

平时常用信号源产生正弦波，方波，三角波等常见波形作为待测系统的输入，测试系统的性能。

但在某些场合，我们需要特殊波形对系统进行测试，这是传统的模拟信号发生器和数字信号发生器很难胜任的。

利用单片机的强大功能，设计合适的人机交互界面，使用户能够通过手动的设定，设置所需波形的各项参数是很有必要的。

该作品的研究和制作需要对占空比可调信号发生系统有一个全面的了解。

整个系统由单片机、显示电路、键盘控制等组成，显示和各模块的连接通信等各个部分要熟练连接调试，能够正确的了解常规芯片的使用方法、掌握简单信号发生器应用系统软硬件的设计方法，进一步锻炼了我们在信号处理方面的实际工作能力。

1.2设计指标

1.2.1设计任务

设计制作一个波形发生器，该波形发生器能产生占空比可调的矩形波、锯齿波。

1）、具有产生占空比可调的矩形波、锯齿波两种周期性波形的功能。

2）、输出为矩形波时，输出电压峰值为0-5V可调，可按步进0.1V（峰-峰值）调整。

输出信号频率为100Hz-20kHz可调，正脉冲占主比为30％-70％可调；

输出为锯齿波时，输出电压峰值为0-5V可调，可按步进0.1V（峰-峰值）调整。

输出信号频率为200Hz-20kHz可调。

上升时间与周期之比为30％-70％可调。

3）、频率步进间隔≤100Hz。

4）、具有显示输出波形的类型、重复频率（周期）和幅度的功能。

以上这些任务我们可以用如下这个示意图来表示：

占空比可调（30％-70％可调）

矩形波幅度可调（0-5V可调）

频率可调（200Hz-20kHz可调）

产生（输出电压步进0.1V可调，频率步进可调间隔≤100Hz。

）

占空比可调（30％-70％可调）

锯齿波幅度可调（0-5V可调）

频率可调（200Hz-20kHz可调）

1.3状态机概念阐述

本次作品设计是基于状态机的功能特性来实现占空比可调的矩形波、锯齿波信号发生器。

何谓状态机呢？

关于状态机的一个极度确切的描述是它是一个有向图形，由一组节点和一组相应的转移函数组成。

状态机通过响应一系列事件而“运行”，每个事件都在属于“当前”节点的转移函数的控制范围内，其中函数的范围是节点的一个子集，函数返回“下一个”（也许是同一个）节点，这些节点中至少有一个必须是终态，当到达终态，状态机停止。

状态机是软件编程中的一个重要概念，比这个概念更重要的是对它的灵活应用。

在一个思路清晰而且高效的程序中，基本上都会运用到状态机的概念。

比如说一个按键命令解析程序，就可以被看做状态机：

本来在A状态下，触发一个按键后切换到了B状态；再触发另一个键后切换到C状态，或者返回到A状态，这就是最简单的按键状态机例子。

实际的按键解析程序会比这更复杂些，但这不影响我们对状态机的认识。

本次作品就是依赖状态机的这个概念来设计的。

状态机简写为FSM（FiniteStateMachine）,主要分为2大类：

第一类，若输出只和状态有关而与输入无关，则称为Moore状态机：

第二类，输出不仅和状态有关而且和输入有关系，则称为Melay状态机。

要特别注意的是，因为Melay状态机和输入有关，输出会受到输入的干扰，所以可能会产生毛刺（Gitch）现象，使用时应当注意。

事实上现在市面上有很多EDA工具可以很方便的将采用状态图的描述转换成可以综合的VHDL程序代码。

状态机描述的状态有两种大类，一类是任务运行似的逻辑。

这种状态图的状态通常是任务在等待某个条件达到，也就是任务处于“等待状态”。

通常任务本身是直接推动状态机运作的发动机，任务本身检查状态机的事件达到情况并进行分发。

任务状态的变迁由某个事件的达成触发，可能要求任务间同步机制ITC具有回调能力，以便在条件成立时向状态机事件队列中压入事件。

这种状态机明显有异步逻辑特征，称为“异步类状态机”。

第二种类型是算法逻辑，利用状态机逻辑清晰的特性描述复杂的算法。

该状态机通常嵌入在某个算法函数类部，帮助该函数完成功能。

函数入口后，模拟任务等具有主动性的实体，向状态机分发事件。

这种状态机明显有同步函数调用特征，称为“同步类状态机”。

同步状态机的一次事件过程就是一次入口函数调用过程。

入口函数调用返回时，状态机必须处于一个明确定义的状态，不能是不确定的中间状态。

无论异步还是同步，特别是对异步状态机而言，状态机内部不能在某个状态发生等待、阻塞等情况，而应该是标记状态后返回，把执行的机会让给其他任务或逻辑体（状态机的驱动实体）。

之后在条件达到的情况下，通过事件分发机构调动状态机的运行。

本次作品设计主要要实现以下功能：

在实现能产生矩形、波锯齿波的基础上再实现占空比调节、输出电压调节、频率调节等。

现在引入一个状态机的概念，即使单片机工作在某种特定状态下，让它实现占空比可调或输出电压可调或输出频率可调，且还能实现矩形波、锯齿波两种不同信号的输出选择。

本次作品就采用键盘控制来实现单片机能工作在某种特定的状态。

状态选择主要是由单片机通过编程实现设计要求的功能再由键盘控制来实现的，所以本次作品的设计核心是软件设计。

1.3.1系统主要组成部分

本次作品设计主要由键盘控制电路、单片机核心电路、DAC0832数模转换电路、信号放大电路及显示电路组成等。

系统框图如下图1-1所示：

图1-1系统框图

采用键盘控制让单片机工作在某种特定状态下，让它实现占空比可调或输出电压可调或输出频率可调，且还能实现矩形波、锯齿波两种不同信号的输出选择。

将单片机程序与DAC0832相容产生矩形波、锯齿波，再将DAC0832产生的电流信号经LM324芯片转换成电压信号并将其放大输出，将波形类型、占空比、频率、幅度用LCD1602分两行输出。

1.3.2各部分性能与参数要求

1.3.3方案论证

为了实现占空比可调的矩形波、锯齿波信号发生器，本人曾拟过各种方案与指导老师讨论过，主要是以下几种：

方案一：

用分立元件来实现该信号发生器。

但通常是单函数发生器且频率不高，其工作不很稳定，不易调试。

方案二：

用晶体管、运放IC等通用器件制作，更多的则是用专门的函数信号发生器IC产生。

比如早期的函数信号发生器IC8038等，但它们的功能较少，精度不高，频率上限只有300KHz，无法产生更高频率的信号，调节方式也不够灵活，频率和占空比不能独立调节，二者互相影响。

方案三：

利用单片集成芯片来实现该信号发生器，它能产生多种波形，达到较高的频率，且易于调试。

比如美国马克西姆公司开发的函数信号发生器ICMAX038，但是该芯片价格昂贵且频率不稳定。

方案四：

利用专用直接数字合成DDS芯片的信号发生器：

能产生任意波形并达到很高的频率。

但成本较高。

方案五：

基于状态机来实现该信号发生器，主要是通过键盘控制和单片机编程来完成本次作品的各项性能参数。

通过对以上五种方案的比较，我们可以看出几种方案的优缺点：

方案一：

结构很简单，制作容易，但是输出信号有频率线性度差、频率稳定度低、频率分辨率低、频率变换时间比较长，相位噪声大以及人机界面不友好等缺点。

方案二：

电路结构简单，但在频率分辨率、频率变换时间、相位噪声等方面都不如方案三。

方案三：

输出频率稳定性高，但结构相对复杂。

方案四：

能产生任意波形且达到很高的频率，但是成本较高。

方案五：

结构简单，易于控制，且可以通过编程来实现多种波形，性价比高。

基于我们的选择标准，在满足工作要求的前提下，性价比高的发生器是我们的首选。

从上面的比较可以看出，方案一和方案二都有各自较大的缺点，难以达到理想的设计要求。

而方案三和方案四虽然能达到很好的要求，但是从价格方面考虑方案五具有优势。

利用单片机采用程序设计方法来产生低频信号，其频率底线很低。

具有线路相对简单，结构紧凑，价格低廉，频率稳定度高，抗干扰能力强，用途广泛等优点，并且能够对波形进行细微调整，改良波形，使其满足系统的要求。

只要对电路稍加修改，调整程序，即可完成功能升级。

2系统硬件设计

本次作品设计的硬件电路相对而言是比较简单的，主要由键盘控制电路、单片机控制电路、数/模转换电路、显示电路等组成（实物图见附录1）。

大家知道状态机可以是多级的，在分层的多级状态机系统里面，一个“父状态”下可以划分多个“子状态”，这些子状态共同拥有上级父状态的某些共性，同时又各自拥有自己的一些个性。

有限状态机的数学模型如下:

（1）系统运行的状态是有限的，并且在某个时刻系统只处在一个状态。

设系统的运行状态是s[0]，s[1],⋯s[l]，可以定义系统状态的集合是S。

（2）系统运行状态的转移是由某个事件触发的。

没有事件触发，是不可能发生状态转移的。

设使系统状态转移的事件是ε[0]，ε[1]，⋯ε[n]，可以定义触发事件的