嵌入式系统及应用简易信号发生器.docx

1、嵌入式系统及应用简易信号发生器嵌入式系统及应用实验报告简易信号发生器作者：学号：班级：电子1001学院：电子信息工程学院作者：学号：班级：电子1003学院：电子信息工程学院简易信号发生器北京交通大学.北京.100044摘 要：本实验所设计的“简易信号发生器”在硬件上是基于“嵌入式开发平台”实验箱，其上搭载有ST公司的基于ARM Cortex-M3内核的微控制器芯片 STM32 F103 ZET6 。方案中使用此芯片作为主控芯片，控制矩阵键盘进行输入操作，同时控制LCD液晶进行图形用户界面的显示以及控制DAC芯片进行模拟波形的输出，除此之外使用MCU内部输出PWM 波形，从而输出方波。软件编程使

2、用IAR编程环境，对实验平台上的硬件编写相应的初始化函数和驱动函数等。最后使用示波器对输出的波形进行测量与评估。关键词：嵌入式开发；ARM；简易信号发生器；DAC；中图分类号： 文献标志码：A 信号发生器是一种能够产生多种波形，如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波的仪器。函数信号发生器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途。通过对函数波形发生器的原理以及构成分析，可设计一个能变换出三角波、正弦波、方波的函数波形发生器。 本方案所设计的“简易信号发生器”能够产生三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波。方案中，主要通过定时器产生一定的时延来触发 DMA ，将一个已编好的“波形数组”通过

3、DMA 传送给 DAC 芯片产生模拟波形输出。程序中通过改变定时器的时延，即可改变输出波形的频率。此外，还编写了用户图形界面基于 LCD 液晶的显示操作界面。1 系统总体设计本章阐述“简易信号发生器”的整体设计方案，包括系统概述、设计要求、整体框图等。 1.1 系统概述 本方案所设计的“简易信号发生器”所使用的硬件资源主要为实验室的“嵌入式开发平台”实验箱，其上搭载有ST公司的基于ARM Cortex-M3内核的微控制器芯片 STM32 F103 ZET6 。实验中使用此芯片为主控芯片，并使用实验平台上的外围电路（包括DAC、LCD、BNC 端子等）来搭建电路，实现“简易信号发生器”的功能。1

4、.2 设计要求 设计一个“简易信号发生器”，需要满足以下设计要求： （1）设置用 STM32 的 PWM 输出引脚输出脉冲波形。波形频率范围：1Hz-100KHz，3 位有效数字精度。占空比 1-99% ，两位有效数字。利用按键和 LCD 显示，设定频率和占空比。（输出取自蜂鸣器的跳线端子）。 （2）利用电路板上 DAC 芯片 ADS7302 和 STM32 的 DMA 功能，将计算得到的模拟波形缓冲数据，通过 DAC 的通道 A 发送出去，在电路板 DA1 BNC 端子测量输出波形。注意输出模拟波形数据要使 DAC芯片8位满幅度，DAC 接受无极性源码0-255。 （3）在 LCD 上给出对

5、脉冲输出和模拟输出的设定界面，用户可以指定信号参数，包括脉冲信号频率和占空比，模拟信号频率，调幅信号载频、调制频率和调制系数等。1.3 整体框图 由系统的整体设计要求，规划“简易信号发生器”的整体框图如下：2 硬件设计及实现 本章详细阐述设计“简易信号发生器”所使用的硬件电路平台，硬件电路的选用为软件的编程实现提供基础。2.1 整体硬件方案 本方案所使用的硬件电路主要为实验室的“嵌入式开发平台”实验箱，如图 2-1 所示，其上搭载有ST公司的基于ARM Cortex-M3内核的微控制器芯片 STM32 F103 ZET6 ，并搭配了 LED流水灯、LCD 液晶模块、独立按键、矩阵键盘模块、AD

6、转换模块、DA转换模块、USART通信模块等电路，方便各种嵌入式实验的开发与调试。图2-1 “嵌入式开发平台”实验箱 本实验方案中，将使用此开发平台的核心板（MCU）模块、矩阵键盘模块、LCD液晶模块、DA转换模块。下文将详细说明这些模块的特性与使用。2.2 核心板模块 核心板搭载了 STM32 F103 ZET6 芯片，如图 2-2 所示。此芯片是意法公司（ST）出品的32位微控制器，使用 ARM 32位的 CortexM3 内核，提供了最高 72MHz 工作频率，提供 3.3V 逻辑，适应通用板设计，能够高效地完成该实验平台所需的处理工作。图2-2 STM32 F103 ZET6 核心板

7、对于本设计方案而言，此芯片具有以下特性可供参考与利用： 内核: ARM 32-bit Cortex-M3 CPU 72 MHz 最高主频 内存： 256 512 Kb 闪存，64 Kb SRAM Flexible static memory controller（FSMC），提供 4 个片选信号，支持 CF卡、 SRAM、PSRAM、NOR、 NAND 存储介质。 DMA: 12 通道 DMA 控制器 支持外设 : 定时器、I2C 等 13 种通信接口 2 组 I2C 接口 11 个定时器（Timer） 16位 定时器, 每个定时器有4个 PWM 输出通道 SysTick 定时器 : 一个 2

8、4位 减数计数器2.3 矩阵键盘模块 矩阵键盘模块由一个 4*4 的矩阵键盘和一片 CH452 芯片构成，如图 2-3 所示。电路采用 I2C 串行接口，CH452 用于扫描 4*4 矩阵键盘。当有按键按下时，能够向 MCU 申请一个外部中断，然后将按键编号传入 MCU ，供编程识别。图2-3 矩阵键盘模块 本设计方案中，使用到A、B、C、D、*、#六个按键，其对应的功能如下： A ：光标上移 B ：光标下移 （由移动A、B可以选择主列表中的：波形、频率、占空比） * ：光标左移 # ：光标右移 （由移动*、#可以选择“波形”列表中的：正弦波、三角波、锯齿波；以及“频率” 列表、“占空比”列表

9、中需要修改的数字位） C ：增大数值 D ：减小数值 （由移动C、D可以修改某一数字位上的数字大小，用以调整“频率”和“占空比”） 2.4 LCD 液晶电路 实验平台上所使用的彩色 LCD 液晶，如图 2-4 所示。此液晶模块的型号为 MzT35C1，使用 HX8238-A 作为 TFT 控制器，采用 8 位并行数据接口，点阵数为 320*RGB*240 。图2-4 LCD 液晶 实验方案中，需要在 LCD 上给出对脉冲输出和模拟输出的设定界面，用户可以指定信号参数，包括脉冲信号频率和占空比，模拟信号频率等。2.5 DAC 电路 板载 DAC 模块选用 AD7302 芯片，此芯片采用 8 位并

10、行数据接口，含 2 路轨对轨模拟输出。 电路图如图 2-5 所示：图2-5 DAC 模块电路（部分） 电路图中 AD7302 引脚的连接如下： DA_CS ： 接至片选电路的输出。片选电路由 FSMC 输出与 74LS138 构成。 WR ： 接至 FSMC 。 LDAC、CLR ： 分别接至核心板的 PG14 和 PG15 。 D0.7 ： 接至 FSMC 。 A0 ： 接至 FSMC 。 实验方案中，模拟信号（正弦波等）输出使用 AD7302，为了方便 DMA 自动传送，将 DAC 芯片输出启动信号 LDAC 设定为一直为 0（无条件输出），清零信号 CLR 设定为 1（无效）。为此，需要

11、设定端口 PG14 和 PG15 为数字输出，且 PG14=0 ，PG15=1 。2.6 PWM 输出电路 PWM 输出取自蜂鸣器的跳线端子 VOICE 端（即直接由 MCU 引出）。 具体定义如图 2-6 所示。图2-6 PWM 输出端子 VOICE 端3 软件设计及实现 本章详细阐述“简易信号发生器”的软件编程方案，包括系统初始化、各模块的驱动程序编写、 GUI显示、频率计算算法等。3.1 整体软件方案 软件编程需要建立在硬件电路的基础之上。 本方案的整体软件框架如图 3-1 所示：图 3-1 “简易信号发生器”整体软件框架3.2 系统初始化 系统初始化阶段主要完成板上资源的初始化，包括

12、MCU 内模块初始化（时钟初始化、DMA 初始化、TIM 初始化等）、板上 LCD 液晶初始化（显示图形化界面）、片外 DA 芯片初始化等任务。 此阶段编程使用的函数主要为 System_Init()、gTextOut()等。 其中，System_Init()函数结构如下：int System_Init(void) RCC_Configuration(); /* 系统时钟、GPIO时钟、FSMC时钟 初始化 */ FSMC_Configuration(); /* 外部总线 初始化 */ I2C_IO_init(); /* 软件I2C协议和引脚初始化 */ CH452_Init(); /* 数码

13、管和矩阵键盘驱动芯片CH452初始化 */ LCD_Init(); /* 液晶模块 初始化 */ TIM4_Configuration(); /* PWM 初始化 */ DA_Init(); /* DAC模块 初始化 */ DMA_Configuration(); /* DMA 初始化 （未开启通道）*/ TIM2_Configuration(); /* 波形输出触发定时器 初始化 */ SYSTICK_Configuration(); /* 系统定时器 初始化 */ return 1; 由此函数结构可知，System_Init()主要负责MCU片上模块的初始化的任务。3.3 模拟波形产生方案

14、 本方案所设计的“简易信号发生器”能够产生“三角波”、“锯齿波”、“正弦波”这三种模拟波形。 由设计要求，利用电路板上 DAC 芯片 AD7302 和 DMA 功能，将计算得到的模拟波形缓冲数据，通过 DAC 的通道 A 发送出去，在电路板 DA1 的 BNC 端子测量输出波形。 因此，设计如下方案： 建立三个波形查询表，分别为正弦波（table_sine）、三角波（table_triangle）、锯齿波 （table_zigzag）的表。 设置 FSMC ，构造“DAC地址”。 使用 DMA 设置为“循环传送”模式，从“内存”向“DAC地址”传送波形查找表。其中 “DAC地址”由 FSMC

15、设置所确定。 DMA 传送的触发由 TIM_2 完成，设置 TIM_2 为一定频率 ft ，每触发一次，DMA 完成一次 传送。 设置 DAC 芯片工作状态（PG14、PG15）,初始化 DA 芯片。 开启传送。 在程序中，所建立的“模拟波形查询表”的长度设置为 80 ，其为需要传送至 DA 芯片 8 位数字输入端的数据，包含模拟波形的一个周期的数据。若需要输出频率为 fout 的模拟波，则 TIM_2 触发 DMA的频率为 ft = fout * 80 。 “模拟波形查询表”程序代码如下：const u8 TABLE_LENGTH=80; /查询表数据长度/* - 正弦波查询表 - */co

16、nst u8 table_sineTABLE_LENGTH= 128,137,147,157,167,176,185,194,202,210,217,224,230,236,241,245,248,251,253,254, 255,254,253,251,248,245,241,236,230,224,217,210,202,194,185,176,167,157,147,137, 127,118,108, 98, 88, 79, 70, 61, 53, 45, 38, 31, 25, 19, 14, 10, 7, 4, 2, 1, 0, 1, 2, 4, 7, 10, 14, 19, 25,

17、 31, 38, 45, 53, 61, 70, 79, 88, 98,108,118 ;/* - 三角波查询表 - */const u8 table_triangleTABLE_LENGTH= 0, 6, 12, 19, 25, 31, 38, 44, 51, 57, 63, 70, 76, 82, 89, 95,102,108,114,121, 127,133,140,146,153,159,165,172,178,184,191,197,204,210,216,223,229,235,242,248, 255,248,242,235,229,223,216,210,204,197,191

18、,184,178,172,165,159,153,146,140,133, 127,121,114,108,102, 95, 89, 82, 76, 70, 63, 57, 51, 44, 38, 31, 25, 19, 12, 6 ;/* - 锯齿波查询表 - */const u8 table_zigzagTABLE_LENGTH= 0, 3, 6, 9, 12, 16, 19, 22, 25, 29, 32, 35, 38, 41, 45, 48, 51, 54, 58, 61, 64, 67, 70, 74, 77, 80, 83, 87, 90, 93, 96, 99,103,106,

19、109,112,116,119,122,125, 129,132,135,138,141,145,148,151,154,158,161,164,167,170,174,177,180,183,187,190, 193,196,199,203,206,209,212,216,219,222,225,228,232,235,238,241,245,248,251,254 ;3.4 方波产生方案 板载 STM32 芯片内部具有 11 个定时器（Timer），能够实现输入捕捉、输出比较、PWM 输出功能。 本方案使用其中的通用定时器 TIM_4 来产生一路 PWM 波形，只需要对“预分频寄存器”、“

20、周期寄存器”、“占空比寄存器”等进行设置即可。其中，方波的占空比由“周期寄存器”与“占空比寄存器”决定。 对 TIM_4 的设置程序如下：void TIM4_Configuration(void) /用于定时器初始化的数据结构 GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure; TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure; / 打开 GPIOB和TIM4外设模块时钟 /RCC_APB2PeriphClockCmd( RCC_APB2Periph_G

21、PIOB , ENABLE); RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM4, ENABLE); /设置PB8为 TIM4_CH3 output (drive buzzer) /即设置 PB8为专用输出功能 AF function GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_8 ; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP; GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_

22、InitStructure); / 时间基准的初始化 Time Base configuration TIM_TimeBaseStructInit(&TIM_TimeBaseStructure); TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = tim_period -1; /周期- tim_period TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = tim_prescaler -1 ; /预分频- tim_prescaler TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0x0; TIM_TimeBas

23、eStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; /向上计数 TIM_TimeBaseInit(TIM4, &TIM_TimeBaseStructure); /比较通道3配置为PWM输出 Channel3 Configuration in PWM mode TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1; TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = tim_pulse ; /初始脉冲宽度- tim_pulse TIM_OCInitStructure.TIM_OutputStat

24、e = TIM_OutputState_Enable; /允许比较输出 TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High; /输出的相位 TIM_OC3Init(TIM4, &TIM_OCInitStructure); / 启动定时器Enable TIM4 TIM_Cmd(TIM4, ENABLE);3.5 LCD 液晶显示方案 LCD 液晶显示功能主要由液晶函数库（lcdlib.c、bmp.c）中的函数实现。 由设计要求，需要在程序开始运行时，首先在 LCD 显示屏上显示出程序编写人的姓名和学号，停顿5秒钟后进入程序功能执行。因

25、此，需要首先选用“写字符串函数”进行显示，然后使用“ 系统定时器 Systick ”进行精确的 5 秒定时，再使用“绘图函数”与“写字符串函数”构造操作界面。 本实验方案中所使用的函数有：/设定文本颜色 void gTextColor(u32 color); /设定文本背景颜色 void gTextBkColor(u32 color); /用先前指定的颜色以给定像素坐标为左上角的位置开始输出字符串void gTextOut(u32 x, u32 y,char *ch); /用先前指定的颜色以给定像素坐标为左上角的位置开始输出格式化字符串void gFormatTextOut(u32 x, u3

26、2 y, char* format,.); /用先前指定的颜色,两倍字体大小以给定像素坐标为左上角的位置开始输出字符串void gTextOut2(u32 x, u32 y,char *ch); /用先前指定的颜色,两倍字体大小以给定像素坐标为左上角的位置开始输出格式化字符串void gFormatTextOut2(u32 x, u32 y, char* format,.); /在给定坐标为左上角的矩形区域显示BMP格式图像int gBMPDraw(int x0, int y0,const void * pBMP );/绘制方框void gRectFrame(int x0,int y0,int

27、 x1,int y1,u32 framecolor,u8 fillflag,u32 fillcolor);3.6 按键操作方案 按键扫描函数 keyscan() 位于主函数的 while(1) 内，用于进行按键操作。 keyscan() 函数的最外层为一个检测 gKeyPressed 的判断语句。当矩阵键盘中的某个按键按下时，程序进入中断，将标志位 gKeyPressed 置位，表示有按键按下，在此情况下， keyscan() 进入按键扫描与操作，使用“ keychar = GetKey()”语句将所按下的按键值存储到 keychar 变量中，每一个按键对应一个操作。具体操作流程如下框图所示：

28、 其中，xlabel 与 ylabel 用于确定光标的位置，wavelabel 用于确定当前输出的波形的类型。当每次按键操作后确定了光标的位置（xlabel，ylabel），就可以进行相应的 GUI 绘图操作，若是需要更改波形或是修改相应频率值、占空比值，则对相应变量（frequence、duty）进行修改。所有操作完成后离开 keyscan() 函数。 此处需要注意的一点是，每次进入 keyscan() 函数对 LCD 液晶进行操作前都需要先关闭 DMA 传送，待离开 keyscan() 函数时，再开启 DMA 传送。4 系统调试 对此方案所设计的“简易信号发生器”进行调试，主要分为两个部分

29、：波形输出测量、LCD 液晶显示测试。 首先对 LCD 液晶显示进行测试。操作矩阵键盘，对每一个按下的按钮，LCD 中均能产生相应操作，然后对绘图中出现的坐标偏移进行修正。 然后进行波形输出测量。波形输出包括模波形和方波。其中，方波的测量只需将示波器探头接至蜂鸣器的跳线端子 VOICE 的 PWM 脚；模拟波形的测量则使用开发平台上的 BNC 端子输出波形来进行测量。通过观察示波器波形，使用示波器上的测量工具（ measure 按钮频率、占空比）来对波形的精度进行测量。 在调试过程中，也发现了一系列问题： LCD 与 DMA 的冲突问题。当设置了 FSMC 后 ，MCU 为 LCD 与 DA

30、芯片各自分配了相应的地址线（ LCD 的起始为 0x 6000 0010 ，DA 芯片的起始为 0x 6000 0008），同属于 FSMC 的 Bank1 ，使用相同的读写时序。因此，程序启动后开启 DMA 传送。此时，当有 LCD 操作访问 “ LCD 地址”时，可能因为先前对“ DAC 地址 ”的读写时序未结束，而造成总线冲突，此时 MCU 将停止 DMA 对 DAC 的传送。 最终研究出一个避免此现象的方法：每次进入 keyscan() 函数对 LCD 液晶进行操作前都需要先关闭 DMA 传送，待离开 keyscan() 函数时，再开启 DMA 传送。 模拟波形最高频率限制问题。在测试模拟波形频率的过程中，发现模拟波形的最高频率只能到达 50 KHz 。仔细检查程序并确保程序无逻辑上错误，并检查了电路后，排除了 AD7302 的最高输出频率限制，最后判断可能是 DMA 的最高传输速率的限制。 目前并无明确的解决方案，不过可以通过尝试使用 DDS 芯片来产生更高频率的模拟波。 定时器分频值设定的问题。按照设计要求，需要产生 1 Hz100 KHz 的模拟波形，因此，需要对