1、基于單片機的快速傅立葉變換基于單片機的多種波形發(fā)生器的設計摘要：本系統(tǒng)采用MSP430F149單片機為控制核心，單片機內(nèi)部存儲波形相關數(shù)據(jù)，利用DA芯片輸出模擬波形，通過按鍵中斷來選擇要輸出的波形（正弦波、方波、三角波、鋸齒波），再設置波形的幅值及頻率，然后通過單片機控制顯示到Nokia5110液晶上。關鍵字:MSP430，信號發(fā)生器，Nokia5110液晶-Design a variety of waveform generator based on single chipAbstract:The system USES the microcontroller as control core

2、, MSP430F149 uses DA chipoutput analog waveform, through the keys to logical choice to interrupt the output waveform (sine wave and square-wave, triangle wave, sawtooth wave), then Settings other key to control the amplitude and frequency wave, then through the single-chip microcomputer control on d

3、isplay to Nokia5110 liquid crystal .KEY WORDS:Msp430，Signal generator，Nokia5110 liquid crystal I目錄摘 要IABSTRACTII第1章前言11.1 信號發(fā)生器設計背景11.2信號發(fā)生器的發(fā)展現(xiàn)狀11.3本設計采用的研究方法和技術路線21.4單片機的發(fā)展31.5本章小結(jié)4第2章 硬件電路52.1 電源電路52.1.1 5V穩(wěn)壓電源52.1.2 3.3V穩(wěn)壓電路62.2信號發(fā)生器的鍵盤電路72.3液晶顯示82.3.1 Nokia5110液晶特點82.3.2 Nokia5110液晶驅(qū)動92.3.3單片機數(shù)

4、據(jù)連接112.4 DA轉(zhuǎn)換DAC0832122.4.1 DAC0832引腳說明122.4.2 DAC0832的原理及控制方法132.4.3 運算放大器152.5硬件系統(tǒng)組成162.5.1 MSP430F149單片機簡介162.5.2 復位和晶振電路182.5.3 在線燒寫模塊192.5.4 整體系統(tǒng)框圖212.6本章小結(jié)22第3章 系統(tǒng)軟件設計233.1系統(tǒng)構架233.2 信號發(fā)生器流程243.3 模塊初始化253.4 按鍵掃描流程263.5 波形產(chǎn)生流程273.5.1 正弦波產(chǎn)生流程273.5.2 方波產(chǎn)生流程283.5.3 鋸齒波產(chǎn)生流程293.5.4 三角波產(chǎn)生流程303.6波形信號的存

5、儲303.7本章小結(jié)30第4章 結(jié)束語32致 謝33參考文獻34附 錄35IIII第1章前言1.1 信號發(fā)生器設計背景 隨著計算機和集成技術的高速發(fā)展，電子電路的分析與設計及相應專業(yè)課程的教學與實驗所采用的方式與方法都發(fā)生了重大變化，特別是電子設計自動化系統(tǒng)中所包含的測試測量技術已經(jīng)成為現(xiàn)代教育技術的重要組成部分， 在高校的各個電子相關的實驗室中，都需要開發(fā)和測試各種復雜的電路或子系統(tǒng)，其通常要求從沒有上市的或很難獲得的元器件或傳感器中提取額外的信號，由此可見信號發(fā)生器已經(jīng)成為了很多行業(yè)進行研究測試不可或缺的工具。信號發(fā)生器又稱信號源或振蕩器，在生產(chǎn)實踐和科技領域中有著廣泛的應用。各

6、種波形曲線均可以用三角函數(shù)方程式來表示。能夠產(chǎn)生多種波形，如三角波、鋸齒波、矩形波（含方波）、正弦波的電路被稱為函數(shù)信號發(fā)生器。函數(shù)信號發(fā)生器在電路實驗和設備檢測中具有十分廣泛的用途。例如在通信、廣播、電視系統(tǒng)中，都需要射頻（高頻）發(fā)射，這里的射頻波就是載波，把音頻（低頻）、視頻信號或脈沖信號運載出去，就需要能夠產(chǎn)生高頻的振蕩器。在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生物醫(yī)學等領域內(nèi)，如高頻感應加熱、熔煉、淬火、超聲診斷、核磁共振成像等，都需要功率或大或小、頻率或高或低的振蕩器。1.2信號發(fā)生器的發(fā)展現(xiàn)狀信號發(fā)生器既可以構成獨立的信號源，也可以是高性能網(wǎng)絡分析儀、頻譜儀及其它自動測試設備的組成部分。信號發(fā)生器的關鍵技

7、術是多種高性能儀器的支撐技術，因為它能夠提供高質(zhì)量的精密信號源及掃頻源，可使相應系統(tǒng)的檢測過程大大簡化，降低檢測費用并極大地提高檢測精度。美國安捷倫生產(chǎn)的33250A型函數(shù)/任意波形發(fā)生器可以產(chǎn)生穩(wěn)定、精確和低失真的任意波形，其輸出頻率范圍為1Hz80MHz，而輸出幅度為10mVpp10Vpp；該公司生產(chǎn)的8648D射頻信號發(fā)生器的頻率覆蓋范圍更可高達9kHz4GHz。美國泰克生產(chǎn)的DTG5000 信號發(fā)生器的采樣率達到最高3.35 Gb/s(數(shù)據(jù))。國產(chǎn)SG1060數(shù)字合成信號發(fā)生器能雙通道同時輸出高分辨率、高精度、高可靠性的各種波形，頻率覆蓋范圍為1Hz60MHz。國產(chǎn)S1000型數(shù)字合成

8、掃頻信號發(fā)生器通過采用新技術、新器件實現(xiàn)高精度、寬頻帶的掃頻源，同時應用DDS和鎖相技術，使頻率范圍從1MHz1024MHz能精確地分辨到100Hz，它既是一臺高精度的掃頻源，同時也是一臺高精度的標準信號發(fā)生器。還有很多其它類型的信號發(fā)生器，他們各有各的優(yōu)點，但是信號發(fā)生器總的趨勢將向著寬頻率覆蓋、高頻率精度、多功能、多用途、自動化和智能化方向發(fā)展。1.3本設計采用的研究方法和技術路線1 用分立元件組成的函數(shù)發(fā)生器：根據(jù)具體需要加入積分電路等構成波形發(fā)生器。但這種信號發(fā)生器輸出頻率范圍窄而且電路參數(shù)設定較繁瑣輸出的波形易受外界環(huán)境影響不穩(wěn)定對電路硬件要求很高不易實現(xiàn)。2 可以由晶體管、運放IC

9、等通用器件制作，更多的則是用專門的函數(shù)信號發(fā)生器IC產(chǎn)生。3 利用單片集成芯片的函數(shù)發(fā)生器：能產(chǎn)生多種波形，達到較高的頻率，且易于調(diào)試。4 利用專用直接數(shù)字合成DDS芯片的函數(shù)發(fā)生器：能產(chǎn)生任意波形并達到很高的頻率，但成本較高。綜合以上四種方案從性能和制作成本考慮本設計采用方案三即采用單片機控制鍵盤輸入，設置輸出的波形，幅度，頻率，占空比以及波形的復合初始相位等信息。為響應當前的社會節(jié)能減排的口號，綜合多方因素決定采用MSP430超低功耗單片機作為我們的核心處理器。首先去圖書館借閱有關MSP430單片機的書籍資料，了解MSP430單片機的工作原理、內(nèi)部結(jié)構、功能模塊、各種寄存器以及C語言，從整

10、體上對MSP430單片機的使用方法和編程原理進行理解。然后利用網(wǎng)絡資源查閱單片機的C語言編1程實例和視頻講解，對單片機每個功能模塊的使用有所了解。最后根據(jù)自己的題材基于MSP430單片機的信號發(fā)生器設計指定相應的策略想辦法完成編程。波形的產(chǎn)生是通過MSP430單片機執(zhí)行某一波形發(fā)生程序，向D/A轉(zhuǎn)換器的輸入端按一定的規(guī)律發(fā)生數(shù)據(jù)，從而在D/A轉(zhuǎn)換電路的輸出端得到相應的電壓波形。在MSP430學習板的鍵盤按鍵,通過軟件編程來選擇各種波形、幅值電壓和頻率，按不同按鍵產(chǎn)生不同波形的信號。此方案的有點是電路原理比較簡單，實現(xiàn)起來比較容易。具體就是系統(tǒng)采用MSP430單片機為控制核心，利用AD芯片，通過

11、按鍵中斷來邏輯選擇要輸出的波形（正弦波、方波、三角波、鋸齒波），再設置其它鍵來控制波形的復制及頻率，然后通過單片機控制顯示到液晶上。本設計由檢測模塊、顯示模塊和控制模塊組成，其中顯示模塊用LCD顯示實現(xiàn)溫度顯示，控制模塊通過單片機控制繼電器來實現(xiàn)。1.4單片機的發(fā)展單片機的發(fā)展歷史可劃分為五個階段：第一階段(1974年1976年)：單片機初級階段。因工藝限制，單機采用雙片形式，而且功能比較簡單。例如Fairchild公司生產(chǎn)的F8單片機。第二階段(1976年1978年)：低性能單片機階段。以Intel公司的MCS-48系列單片機為代表。這種單片機片內(nèi)集成有8位CUP，并行IO口，8位定時器計數(shù)

12、器，RAM及ROM等。不足之處是無串行口，中斷簡單。第三階段(1978年1982年)：高性能單片機階段。單片機以其優(yōu)異的性能，低廉的價格，不斷滲透到社會生活的每個角落。單片機生產(chǎn)廠商如雨后春筍不斷涌現(xiàn)，多系列，多型號，各種性能組合的單片機層出不窮，不斷滿足不同應用場合的新要求。隨著芯片制作工藝，技術水平的不斷提高和單片機需求量的不斷加大，單片機的性能價格比不斷攀升，呈現(xiàn)出一派欣欣向榮的景象。第四階段(1982年1990年):8位單片機的鞏固發(fā)展及16位單片機的推出階段,也是單片機向微控制器發(fā)展的階段。Intel公司推出的MCS96系列單片機,將一些用于測控系統(tǒng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器、程序運行監(jiān)視器、脈寬

13、調(diào)制器等納入片中,體現(xiàn)了單片機的微控制器特征。 第五階段(1990年至今):微控制器的全面發(fā)展階段。隨著單片機在各個領域全面深入地發(fā)展和應用,出現(xiàn)了高速、大尋址范圍、強運算能力的8位16位32位通用型單片機,以及小型廉價的專用型單片機。11.5本章小結(jié)我們對信號發(fā)生器設計方案進行了系統(tǒng)的論證，選擇出合適的方案作為我們系統(tǒng)的設計。并且介紹了單片機的各個發(fā)展階段，單片機在性能和處理速度方面的不斷進步。單片機更好的服務我們的生活。第2章 硬件電路2.1 電源電路我們系統(tǒng)需要5V和3.3V混合電源系統(tǒng)。作為整個系統(tǒng)的動力來源當今社會人們極大的享受著電子設備帶來的便利，但是任何電子設備都有一個共同的電路

14、-電源電路。大到超級計算機、小到袖珍計算器，所有的電子設備都必須在電源電路的支持下才能正常工作。當然這些電源電路的樣式、復雜程度千差萬別。超級計算機的電源電路本身就是一套復雜的電源系統(tǒng)。通過這套電源系統(tǒng)，電子系統(tǒng)各部分都能夠得到持續(xù)穩(wěn)定、符合各種復雜規(guī)范的電源供應。袖珍計算器則是簡單多的電池電源電路。比較新型的電路完全具備電池能量提醒、掉電保護等高級功能?？梢哉f電源電路是一切電子設備的基礎，沒有電源電路就不會有如此種類繁多的電子設備。2.1.1 5V穩(wěn)壓電源電子產(chǎn)品中，電源是電路中非常重要的部分，一個好的電源才能保證系統(tǒng)的正常工作。本系統(tǒng)中由于各部分的工作電壓不一樣，所以要用到多個電源?，F(xiàn)在有

15、許多穩(wěn)壓芯片它們可以提供穩(wěn)定的電壓。常見的三端穩(wěn)壓集成電路有正電壓輸出的78 ×× 系列和負電壓輸出的79××系列。顧名思義，三端IC是指這種穩(wěn)壓用的集成電路，只有三條引腳輸出，分別是輸入端、接地端和輸出端。用78/79系列三端穩(wěn)壓IC來組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電路內(nèi)部還有過流、過熱及調(diào)整管的保護電路，使用起來可靠、方便，而且價格便宜。因為三端固定集成穩(wěn)壓電路的使用方便，電子制作中經(jīng)常采用。這是一個輸出正5V直流電壓的穩(wěn)壓電源電路。IC采用集成穩(wěn)壓器7805，C1、C2分別為輸入端和輸出端濾波電容，RL為負載電阻。圖 2-1 5V電源電路2.1.

16、2 3.3V穩(wěn)壓電路該電路采用AMS11173.3系列穩(wěn)壓器有可調(diào)版與多種固定電壓版，設計用于提供1A輸出電流且工作壓差可低至1V。在最大輸出電流時，AMS1117器件的壓差保證最大不超過1.3V，并隨負載電流的減小而逐漸降低。AMS1117的片上微調(diào)把基準電壓調(diào)整到1.5%的誤差以內(nèi)，而且電流限制也得到了調(diào)整，以盡量減少因穩(wěn)壓器和電源電路超載而造成的壓力。 AMS1117器件引腳上兼容其他三端SCSI穩(wěn)壓器，提供適用貼片安裝的SOT-223 高效線性穩(wěn)壓器 后置穩(wěn)壓器，用于交換式電源 5V至3.3V線性穩(wěn)壓器 電池充電器 有源SCSI終端 筆記本電源管理 電池供電設備AMS1117 基本參數(shù)

17、 輸出電流 (A) 1 輸出電壓 (V) 3.3初始誤差 (%) ±1.5 壓差 (V) 1.3 圖 2-2 3.3V電源電路2.2信號發(fā)生器的鍵盤電路單片機外接鍵盤一般分為獨立鍵盤和矩陣鍵盤兩大類。獨立鍵盤就是單片機的個I/O端口直接與一個按鍵相連，特點是電路簡單，判斷方便。在很多按鍵較少（一般4個左右的時候）的系統(tǒng)中可以使用這種鍵盤。但它有一個很大的缺點：當按鍵較多時，會占用大量的I/O端口。嚴重浪費了系統(tǒng)資源，不益選取此種按鍵。矩陣鍵盤與獨立按鍵相比也具有電路簡單的優(yōu)點，同時還具有一個優(yōu)點就是2N個端口可以編程出N×N個按鍵。當N很大時，這種方法可以節(jié)約大量端口節(jié)省系

18、統(tǒng)資源。在本系統(tǒng)中大約會用到十個左右的按鍵控制。所以選取的矩陣按鍵這一節(jié)省系統(tǒng)資源的鍵盤形式。2本系統(tǒng)所需要的鍵盤有8個，經(jīng)過分析覺得使用獨立式鍵盤更為合適，但是手上有現(xiàn)有的4*4矩陣鍵盤，因此使用了4*4矩陣鍵盤。連接電路如圖2-3所示。圖2-3 鍵盤模塊電路現(xiàn)在具體分析鍵盤的工作原理：鍵盤初始化使得單片機P1的P1.0P1.3設置為輸入狀態(tài), P1.4P1.7設置為輸出狀態(tài)，然后令P1.4P1.7輸出低電平，P1.0P1.3下降沿觸發(fā)中斷，并開中斷。進入中斷子程序后進行掃描并獲得鍵值，最后根據(jù)按鍵的不同分別跳到對應的子程序中。在掃描的子程序中，當在P1.7管腳上輸出低電平，并且行線的其他管

19、腳上輸出高電平時，如果“K1”鍵被按下，則P1.0為低電平；如果“K2”鍵被按下，則P1.1為低電平；如果“K3”鍵被按下，則P1.2為低電平；如果“K4”鍵被按下，則P1.3為低電平。通過設置一條行線的輸出就可以獲取列線上的相應狀態(tài)，從而獲得鍵盤輸入的值。同理，依次在其他列線上輸出低電平，就可以獲取其他鍵的輸入值。通過這樣的掃描方式，可以實現(xiàn)鍵盤的輸入。2.3液晶顯示顯示器一直就是我們進行人機交互的一項重要工具，而作為科學發(fā)展產(chǎn)物的液晶.更是讓我們聽到了福音，我們在設計系統(tǒng)的時候常常用到的液晶種類有段式液晶，帶字庫和不帶字庫的LCD12864，LCD1602。液晶的主要特點有：1. 機身薄，

20、節(jié)省空間：與比較笨重的CRT顯示器相比，液晶顯示器只要前者三分之一的空間，而且得益于液晶顯示器的這一特點使很多微型電子產(chǎn)品中的產(chǎn)生成為了可能。 2. 省電，不產(chǎn)生高溫：它屬于低耗電產(chǎn)品，可以做到完全不發(fā)燙，相對與CRT顯示器，因顯像技術不可避免產(chǎn)生高溫。 3. 無輻射，益健康：液晶顯示器完全無輻射，這對于整天在電腦前工作的人來說是一個福音。 4. 畫面柔和不傷眼：不同于CRT技術，液晶顯示器畫面不會閃爍，可以減少顯示器對眼睛的傷害，眼睛不容易疲勞。 32.3.1 Nokia5110液晶特點我們這個系統(tǒng)采用的是Nokia5110液晶，該液晶特點1 84x48 的點陣LCD，可以顯示4 行漢字，2

21、 采用串行接口與主處理器進行通信，接口信號線數(shù)量大幅度減少，包括電源和地在內(nèi)的信號線僅有9 條。支持多種串行通信協(xié)議（如AVR 單片機的I、MCS51 的串口模式等），傳輸速率高達4Mbps，可全速寫入顯示數(shù)據(jù)，無等待時間。3 可通過導電膠連接模塊與印制版，而不用連接電纜，用模塊上的金屬鉤可將模塊固定到印制板上，因而非常便于安裝和更換。4 LCD 控制器驅(qū)動器芯片已綁定到LCD 晶片上，模塊的體積很小。5 采用低電壓供電，正常顯示時的工作電流在200A 以下，且具有掉電模式。LPH7366 的這些特點非常適合于電池供電的便攜式通信設備和測試設備中6 性價比高，LCD1602可以顯示32個字符，

22、而Nokia5110可以顯示15個漢字，30個字符。Nokia5110裸屏僅8.8元，LCD1602一般15元左右，LCD12864一般5070元。7 接口簡單，僅四根I/O線即可驅(qū)動，LCD1602需11根I/O線，LCD12864需12根。8 速度快，是LCD12864的20倍，是LCD1602的40倍。9 Nokia5110工作電壓3.3V，正常顯示時工作電流200uA以下，具有掉電模式，適合電池供電的便攜式移動設備。2.3.2 Nokia5110液晶驅(qū)動Nokia5110是一款經(jīng)典機型，可能由于經(jīng)典的緣故，舊機器很多，所以很多電子工程師就把舊機器的屏幕拆下來，自己驅(qū)動Nokia5110

23、，用于開發(fā)的設備顯示，取代LCD1602。SPI接口時序?qū)憯?shù)據(jù)/命令： Nokia5110(PCD8544)的通信協(xié)議是一個沒有MISO只有MOSI的SPI協(xié)議，如果單片機有富裕的SPI接口，也可以利用硬件SPI，但通常沒有必要，只需要軟件程序模擬即可。圖2-4 液晶驅(qū)動時序Nokia5110的初始化接通電源后，內(nèi)部寄存器和RAM的內(nèi)容是不確定的，這需要一個RES低電平脈沖復位一下。當VDD變?yōu)楦唠娖?，達到VDDmin(或更高)之后，最多100ms，RST輸入低電平(電平幅度<0.3VDD)。圖2-5 5110復位時序顯示漢字：顯示漢字可以采用兩種點陣方式，一種是12*12點陣，一種是1

24、6*16點陣，網(wǎng)上也有一個自動提取字模的小軟件“3310液晶顯示屏漢字提取程序”，這個小程序只適用于水平尋址(V=0)。采用12*12點陣漢字時，由于不是8的整數(shù)倍數(shù)，因此行與行之間只能隔開，這樣才能完整顯示一個漢字。0x0A,0x92,0x62,0x9E,0x02,0x18,0x87,0x74,0x84,0x14,0x0C,0x00,0x02,0x01,0x00,0x04,0x05,0x02,0x01,0x00,0x01,0x02,0x04,0x00,/歡圖2-6 12*12點陣示意圖2.3.3單片機數(shù)據(jù)連接圖2-7 LCD驅(qū)動芯片Nokia5110液晶模塊說明P1 Nokia5110 9個

25、導電管腳P2Nokia5110與單片機連接的8個管腳其中15為I/O管腳6為電源7為背光輸入8為GNDR3,R4視具體情況而定，可以焊接3301K的限流電阻 圖2-8 液晶與單片機連接 DS1，DS2為液晶背光LED，需要選用專用的白光或者其他的LED關于電壓供電 正常設計的思路是按照5V設計的，需要并接3.3V穩(wěn)壓二極管限制電壓大小。而我們采用的是MSP430單片機本就是3.3V供電所以我們不需要。2.4 DA轉(zhuǎn)換DAC0832DAC0832是8分辨率的D/A轉(zhuǎn)換集成芯片。D/A轉(zhuǎn)換結(jié)果采用電流形式輸出。若需要相應的模擬電壓信號，可通過一個高輸入阻抗的線性運算放大器實現(xiàn)。運放的反饋電阻可通過

26、RFB端引用片內(nèi)固有電阻，也可外接。DAC0832邏輯輸入滿足TTL電平，可直接與TTL電路或微機電路連接。與微處理器完全兼容。這個DA芯片以其價格低廉、接口簡單、轉(zhuǎn)換控制容易等優(yōu)點，在單片機應用系統(tǒng)中得到廣泛的應用。D/A轉(zhuǎn)換器由8位輸入鎖存器、8位DAC寄存器、8位D/A轉(zhuǎn)換電路及轉(zhuǎn)換控制電路構成* 分辨率為8位；* 電流穩(wěn)定時間1us；* 可單緩沖、雙緩沖或直接數(shù)字輸入；* 只需在滿量程下調(diào)整其線性度；* 單一電源供電（+5V+15V）；* 低功耗，20mW。42.4.1 DAC0832引腳說明圖2-9 DAC0832DI0DI7：數(shù)據(jù)輸入線，TLL電平。 ILE：數(shù)據(jù)鎖存允許控制信號輸

27、入線，高電平有效。 CS：片選信號輸入線，低電平有效。 WR1：為輸入寄存器的寫選通信號。 XFER：數(shù)據(jù)傳送控制信號輸入線，低電平有效。 WR2：為DAC寄存器寫選通輸入線。 Iout1:電流輸出線。當輸入全為1時Iout1最大。 Iout2: 電流輸出線。其值與Iout1之和為一常數(shù)。 Rfb:反饋信號輸入線,芯片內(nèi)部有反饋電阻. Vcc:電源輸入線  (+5v+15v) Vref:基準電壓輸入線  (-10v+10v) AGND:模擬地,摸擬信號和基準電源的參考地. DGND:數(shù)字地,兩種地線在基準電源處共地比較好. 2.4.2 DAC0832的原

28、理及控制方法DAC0832是采用CMOS工藝制成的單片直流輸出型8位數(shù)/模轉(zhuǎn)換器。如圖4-82所示，它由倒T型R-2R電阻網(wǎng)絡、模擬開關、運算放大器和參考電壓VREF四大部分組成。運算放大器輸出的模擬量V0為：                             圖2-10 DA轉(zhuǎn)換原理 （2-1）由上式可見，輸出

29、的模擬量 與輸入的數(shù)字量（ ） 成正比，這就實現(xiàn)了從數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換。一個8位D/A轉(zhuǎn)換器有8個輸入端（其中每個輸入端是8位二進制數(shù)的一位），有一個模擬輸出端。輸入可有28=256個不同的二進制組態(tài)，輸出為256個電壓之一，即輸出電壓不是整個電壓范圍內(nèi)任意值，而只能是256個可能值。圖4-83是DAC0832的邏輯框圖和引腳排列。5圖2-11 DA內(nèi)部結(jié)構DAC0832輸出的是電流，一般要求輸出是電壓，所以還必須經(jīng)過一個外接的運算放大器轉(zhuǎn)換成電壓。實驗線路如圖2-x所示。           

30、;         圖2-12 DA連接運算放大器2.4.3 運算放大器運算放大器有三個特點：1 開環(huán)放大倍數(shù)非常高，一般為幾千，甚至可高達10萬。在正常情況下，運算放大器所需要的輸入電壓非常小。2 輸入阻抗非常大。運算放大器工作時，輸入端相當于一個很小的電壓加在一個很大的輸入阻抗上，所需要的輸入電流也極小。3 輸出阻抗很小，所以，它的驅(qū)動能力非常大。利用運算放大器各輸入電流相加的原理，可以構成如圖2-13所示的、由電阻網(wǎng)絡和運算放大器組成的、最簡單的4位D/A轉(zhuǎn)換器。圖中，V0是一個有足夠精度的標準電源。運算放大

31、器輸入端的各支路對應待轉(zhuǎn)換資料的D0，D1，Dn-1位。各輸入支路中的開關由對應的數(shù)字元值控制，如果數(shù)字元為1，則對應的開關閉合；如果數(shù)字為0，則對應的開關斷開。各輸入支路中的電阻分別為R，2R，4R，這些電阻稱為權電阻。假設，輸入端有4條支路。4條支路的開關從全部斷開到全部閉合，運算放大器可以得到16種不同的電流輸入。這就是說，通過電阻網(wǎng)絡，可以把0000B1111B轉(zhuǎn)換成大小不等的電流，從而可以在運算放大器的輸出端得到相應大小不同的電壓。如果數(shù)字0000B每次增1，一直變化到1111B，那么，在輸出端就可得到一個0V0電壓幅度的階梯波形。6圖2-13 四路D/A轉(zhuǎn)換器2.5硬件系統(tǒng)組成硬件

32、部分是我們整個系統(tǒng)的基礎部分，是運行軟件的平臺，系統(tǒng)程序的載體。作為電子系統(tǒng)不可或缺的一部分，設計好硬件電路對我們系統(tǒng)的工作效率，整體性能具有決定性的意義。我們以MSP430單片機作為核心的MCU，其他的傳感器都以該單片機為中心，單片機作為我們的數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)存儲單元，運用單片機內(nèi)部時鐘，軟件實現(xiàn)電壓和工作頻率的調(diào)節(jié)，軟件對TFT液晶開與關，能夠使系統(tǒng)在待機狀態(tài)下最低功耗。2.5.1 MSP430F149單片機簡介MSP430系列單片機是美國德州儀器3（TI）1996年開始推向市場的一種16位超低 MSP430單片機4功耗、具有精簡指令集（RISC）的混合信號處理器（Mixed Signal

33、Processor）。稱之為混合信號處理器，是由于其針對實際應用需求，將多個不同功能的模擬電路、數(shù)字電路模塊和微處理器集成在一個芯片上，以提供“單片”解決方案。該系列單片機多應用于需要電池供電的便攜式儀器儀表中主要的特點有：1 處理能力強MSP430系列單片機是一個16位的單片機，采用了精簡指令集（RISC）結(jié)構，具有豐富的尋址方式（7 種源操作數(shù)尋址、4 種目的操作數(shù)尋址）、簡潔的 27 條內(nèi)核指令以及大量的模擬指令；大量的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器都可參加多種運算；還有高效的查表處理指令。這些特點保證了可編制出高效率的源程序。MSP430 系列單片機能在25MHz晶體的驅(qū)動下，實現(xiàn)40ns的

34、指令周期。16位的數(shù)據(jù)寬度、40ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能實現(xiàn)乘加運算）相配合，能實現(xiàn)數(shù)字信號處理的某些算法（如 FFT 等）。2 超低功耗MSP430 單片機之所以有超低的功耗，是因為其在降低芯片的電源電壓和靈活而可控的運行時鐘方面都有其獨到之處。首先，MSP430 系列單片機的電源電壓采用的是1.8-3.6V 電壓。因而可使其在1MHz 的時鐘條件下運行時，芯片的電流最低會在165A左右，RAM 保持模式下的最低功耗只有0.1A。其次，獨特的時鐘系統(tǒng)設計。在 MSP430 系列中有兩個不同的時鐘系統(tǒng)：基本時鐘系統(tǒng)、鎖頻環(huán)（FLL 和FLL+）時鐘系統(tǒng)和DCO數(shù)字振蕩器時鐘系統(tǒng)

35、?？梢灾皇褂靡粋€晶體振蕩器（32768Hz），也可以使用兩個晶體振蕩器。由系統(tǒng)時鐘系統(tǒng)產(chǎn)生 CPU 和各功能所需的時鐘。并且這些時鐘可以在指令的控制下，打開和關閉，從而實現(xiàn)對總體功耗的控制。 由于系統(tǒng)運行時開啟的功能模塊不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有著顯著的不同。在系統(tǒng)中共有一種活動模式（AM）和五種低功耗模式（LPM0LPM4）。在實時時鐘模式下，可達2.5A ，在RAM 保持模式下，最低可達0.1A 。3 片內(nèi)資源豐富MSP430 系列單片機的各系列都集成了較豐富的片內(nèi)外設。它們分別是看門狗（WDT）、模擬比較器A、定時器A0（Timer_A0）、定時器A1（Timer_A1）、

36、定時器B0（Timer_B0）、UART、SPI、I2C、硬件乘法器、液晶驅(qū)動器、10位/12位ADC、16位- ADC、DMA、I/O端口、基本定時器（Basic Timer）、實時時鐘（RTC）和USB控制器等若干外圍模塊的不同組合。其中，看門狗可以使程序失控時迅速復位；模擬比較器進行模擬電壓的比較，配合定時器，可設計出 A/D 轉(zhuǎn)換器；16 位定時器（Timer_A 和 Timer_B）具有捕獲/比較功能，大量的捕獲/比較寄存器，可用于事件計數(shù)、時序發(fā)生、 PWM 等；有的器件更具有可實現(xiàn)異步、同步及多址訪問串行通信接口可方便的實現(xiàn)多機通信等應用；具有較多的 I/O 端口，P0、P1、P

37、2 端口能夠接收外部上升沿或下降沿的中斷輸入；10/12位硬件 A/D 轉(zhuǎn)換器有較高的轉(zhuǎn)換速率，最高可達200kbps ，能夠滿足大多數(shù)數(shù)據(jù)采集應用；能直接驅(qū)動液晶多達 160 段；實現(xiàn)兩路的 12 位 D/A 轉(zhuǎn)換；硬件I2C串行總線接口實現(xiàn)存儲器串行擴展；以及為了增加數(shù)據(jù)傳輸速度，而采用的DMA模塊。MSP430 系列單片機的這些片內(nèi)外設為系統(tǒng)的單片解決方案提供了極大的方便。 另外，MSP430 系列單片機的中斷源較多，并且可以任意嵌套，使用時靈活方便。當系統(tǒng)處于省電的低功耗狀態(tài)時，中斷喚醒只需5s。72.5.2 復位和晶振電路MSP430最小系統(tǒng)的外圍電路很少，甚至可以不要。在本系統(tǒng)中有

38、外圍電路也很少，只有一個復位電路和晶振電路。復位電路很簡單，復位只需要給單片機一個幾微秒的低電平時就可以讓單片機復位。所以只要給單片機復位引腳接地就可以，這樣的復位電路會有抖動，這樣不好為了去抖在復位電路中加入了電阻和電容和一個二極管。晶振電路更簡單只要一個晶振和起振電容。8單片機的時序單位 振蕩周期:晶振的振蕩周期，又稱時鐘周期，為最小的時序單位。 狀態(tài)周期:振蕩頻率經(jīng)單片機內(nèi)的二分頻器分頻后提供給片內(nèi)CPU的時鐘周期。因此一個狀態(tài)周期包含2個振蕩周期。 機器周期:1個機器周期由6個狀態(tài)周期12個振蕩周期組成，是計算機執(zhí)行一種基本操作的時間單位。 指令周期:執(zhí)行一條指令所需的時間。一個指令周

39、期由1-4個機器周期組成，依據(jù)指令不同而不同。具體的復位電路和晶振電路如下圖所示；圖2-14復位電路 圖2-15晶振電路2.5.3 在線燒寫模塊我們要將我們的單片機程序燒寫到單片機中，這就需要我們能夠?qū)崿F(xiàn)單片機和電腦之間的通信，我們采用的是PL2303這一款電平轉(zhuǎn)換芯片PL2303 是Prolific 公司生產(chǎn)的一種高度集成的RS232-USB接口轉(zhuǎn)換器，可提供一個RS232 全雙工異步串行通信裝置與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)器控制信號的UART， 只需外接幾只電容就可實現(xiàn)USB 信號與RS232 信號的轉(zhuǎn)換，能夠方

40、便嵌入到各種設備；該器件作為USB/RS232 雙向轉(zhuǎn)換器，一方面從主機接收USB 數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)換為RS232 信息流格式發(fā)送給外設；另一方面從RS232 外設接收數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為USB 數(shù)據(jù)格式傳送回主機。這些工作全部由器件自動完成，開發(fā)者無需考慮固件設計. PL2303 的高兼容驅(qū)動可在大多操作系統(tǒng)上模擬成傳統(tǒng)COM 端口,并允許基于COM 端口應用可方便地轉(zhuǎn)換成USB接口應用，通訊波特率高達6 Mb/s。在工作模式和休眠模式時都具有功耗低，是嵌入式系統(tǒng)手持設備的理想選擇。該器件具有以下特征：完全兼容USB1.1協(xié)議；可調(diào)節(jié)的35 V 輸出電壓，滿足3V、3.3V和5V不同應用需求；支持完整的R

41、S232接口，可編程設置的波特率：75b/s6 Mb/s，并為外部串行接口提供電源；512字節(jié)可調(diào)的雙向數(shù)據(jù)緩存；支持默認的ROM和外部EEPROM存儲設備配置信息,具有I2C總線接口,支持從外部MODEM 信號遠程喚醒，28引腳的SOIC封裝.9圖2-16 程序燒寫模塊JTAG仿真調(diào)試模塊：JTAG最初是用來對芯片進行測試的，JTAG的基本原理是在器件內(nèi)部定義一個TAP（Test Access Port；測試訪問口）通過專用的JTAG測試工具對內(nèi)部節(jié)點進行測試。JTAG測試允許多個器件通過JTAG接口串聯(lián)在一起，形成一個JTAG鏈，能實現(xiàn)對各個器件分別測試?，F(xiàn)在，JTAG接口還常用于實現(xiàn)IS

42、P（In-System Programmer，在系統(tǒng)編程），對FLASH等器件進行編程。JTAG編程方式是在線編程，傳統(tǒng)生產(chǎn)流程中先對芯片進行預編程現(xiàn)再裝到板上因此而改變，簡化的流程為先固定器件到電路板上，再用JTAG編程，從而大大加快工程進度。JTAG接口可對PSD芯片內(nèi)部的所有部件進行編程。具有JTAG口的芯片都有如下JTAG引腳定義：TCK測試時鐘輸入；TDI測試數(shù)據(jù)輸入，數(shù)據(jù)通過TDI輸入JTAG口；TDO測試數(shù)據(jù)輸出，數(shù)據(jù)通過TDO從JTAG口輸出；TMS測試模式選擇，TMS用來設置JTAG口處于某種特定的測試模式?？蛇x引腳TRST測試復位，輸入引腳，低電平有效。含有JTAG口的芯片

43、種類較多，如CPU、DSP、CPLD等。JTAG內(nèi)部有一個狀態(tài)機，稱為TAP控制器。TAP控制器的狀態(tài)機通過TCK和TMS進行狀態(tài)的改變，實現(xiàn)數(shù)據(jù)和指令的輸入。10圖2-17 JTAG仿真接口2.5.4 整體系統(tǒng)框圖系統(tǒng)整體框圖如圖所示，以MSP430為核心處理器，將鍵盤輸入的信息進行處理后，自動識別我們需要輸出的波形，頻率，相位等信息。顯示到Nokia5110液晶顯示屏上，并且調(diào)用單片機內(nèi)部存儲的波形數(shù)據(jù)，進行相應的法則運算得到我們想要的波形數(shù)據(jù)，同時傳送給我們的DA轉(zhuǎn)換器進行數(shù)模轉(zhuǎn)換，再經(jīng)由運算放大器將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號就得到了我們的目標信號圖2-18系統(tǒng)硬件框圖2.6本章小結(jié)本章我們

44、介紹了設計系統(tǒng)的電源，核心MCU，液晶顯示，鍵盤，DA轉(zhuǎn)換，運算放大器。系統(tǒng)的硬件部分設計已經(jīng)完畢，通過這段時間查詢資料的過程，我了解到了以前沒有接觸的東西，對器件的選擇有了更深入的理解。第三章 系統(tǒng)軟件設計我們的硬件部分已經(jīng)完畢。接下來我們需要給系統(tǒng)植入靈魂程序。硬件與軟件的完美結(jié)合才能夠呈現(xiàn)出強大的功能。信號發(fā)生器的順利工作，需要合適的軟件來協(xié)調(diào)系統(tǒng)的各個硬件組成部分，根據(jù)信號發(fā)生器系統(tǒng)的工作需要來工作，從而達到特定的功能。本章主要設計信號發(fā)生器系統(tǒng)的各個波形發(fā)射功能的程序流程圖。3.1系統(tǒng)構架上一章介紹了系統(tǒng)硬結(jié)構，這章要解決的問題就是軟件的設計。在上一章已經(jīng)知道本系統(tǒng)由這第幾部分組成：

45、矩陣鍵盤、液晶顯示和電源。其中電源的部分完全由硬完成不用再對其編程的初始化操作。按鍵的作用就是控制開始輸入波形數(shù)據(jù)以及相應的選擇功能，而液晶更簡單就是一個顯示狀態(tài)與結(jié)果。了解了這些之后編程思路就很清楚明了了。具體軟件構架如下圖所示：11圖3-1主函數(shù)從圖3-1可知，主函數(shù)的功能很簡單，主要就是關看門狗，然后對系統(tǒng)做一些初始化的操作，再后就是開中斷等待按鍵發(fā)出相應的指令進到到相應函數(shù)處理。再沒有按鍵動作時系統(tǒng)會進入一個LPM3()的低功耗模式，這也是為了減少功耗。初始化中有一些具體的要初始化的子系統(tǒng)。如下圖所示；圖3-2初始化函數(shù)上面初始化函數(shù)部分應先開晶振開等待晶振起振后設定相應的時鐘頻率再對

46、其它部分進行初始化。其對應的程序都放到了附錄部分。3.2 信號發(fā)生器流程系統(tǒng)總程序流程圖如圖3-4所示。系統(tǒng)初始化后，當有按鍵按下是就會產(chǎn)生按鍵中斷，然后按鍵掃描獲得鍵值并根據(jù)鍵值跳轉(zhuǎn)到不同的子程序，產(chǎn)生不同的波形。12圖3-4 信號發(fā)生器的程序總流程圖3.3模塊初始化初始化程序流程圖如圖3-5所示。進入初始化階段，信號發(fā)生器的各個部分依次初始化，為后期的程序執(zhí)行做好準備。圖3-5 初始化程序流程圖3.4 按鍵掃描流程按鍵中斷程序流程圖如圖3-6所示。當有按鍵按下是就會產(chǎn)生按鍵中斷，然后按鍵掃描獲得鍵值并根據(jù)鍵值跳轉(zhuǎn)到不同的子程序，產(chǎn)生不同的波形。圖3-6 按鍵中斷程序流程圖3.5 波形產(chǎn)生流

47、程3.5.1 正弦波產(chǎn)生流程本程序的波形產(chǎn)生原理是將一個波形周期分割成n等份，每加上一個偏移量，而這個偏移量就決定了我們的頻率大小。然后調(diào)取正弦函數(shù)數(shù)組sin_tab100中的數(shù)據(jù)程上我們相應的幅度值之后，寫到DAC0832中，原理圖如圖3-7所示。圖3-7 正弦波程序流程圖3.5.2 方波產(chǎn)生流程方波的產(chǎn)生程序是根據(jù)波形的頻率要求計算出每次幅值躍變的時間，等到定時器A的計時時間到時進入中斷進行一次躍變，而且方波占空比和頻率的設置都通過定時器初始數(shù)據(jù)達到設定的要求，流程圖如圖3-8所示。圖3-8 方波程序流程圖3.5.3 鋸齒波產(chǎn)生流程鋸齒波的產(chǎn)生程序根據(jù)波形的頻率要求計算出每次幅值變化的時間

48、，寫入到計數(shù)器中，繼而調(diào)取鋸齒波存儲數(shù)據(jù)uchar code sawtooth_tab100依次經(jīng)過乘法乘以相應的幅度值寫入到DAC0832中去。等到定時器A的計時時間到時進入中斷變量i進行一次增值，如圖3-9所示。圖3-9 鋸齒波程序流程圖3.5.4 三角波產(chǎn)生流程三角波的產(chǎn)生程序跟鋸齒波和正弦波的產(chǎn)生程序是同一個原理，都是調(diào)取數(shù)字內(nèi)的值依次寫入。根據(jù)波形的頻率要求計算出每次幅值變化的時間，寫入定時器等到定時器A的計時時間到時進入中斷進行一次增值定義一變量i根據(jù)i的不同依次調(diào)取uchar code triangle_tab100中的數(shù)據(jù)乘上幅度值寫入到DAC0832中，流程圖如圖3-10所示

49、。圖3-10 三角波程序流程圖3.6波形信號的存儲按照我們起初的設計畢業(yè)設計的要求，我們需要對波形進行存儲。MSP430 FLASH型單片機的FLASH存儲器模塊根據(jù)不同的容量分為若干段，其中信息存儲器SegmengA及SegmentB各有128字節(jié)，其他段有512字節(jié)。SegmentB的地址是：0x01000h到0x107F，SegmentA的地址是：0x01080h到0x010FFh。其他段的地址根據(jù)容量不同，從0xFFFFh開始，每512字節(jié)為一段進行分配。FLASH存儲器寫入數(shù)據(jù)時，每一位只能由“1”變成“0”，不能由“0”變成“1“，因此，當我們有數(shù)據(jù)要保存到FLASH存儲器時，要先

50、對目標段進行整段擦除操作，擦除操作使的對應段FLASH存儲器變成全“1”。配置好必要的寄存器后，向段中任意地址寫入數(shù)據(jù)，及擦除一段。而且只有在每一次重新燒寫程序的時候這些數(shù)據(jù)才會被清空。3.7本章小結(jié)本章詳細介紹了波形發(fā)生器產(chǎn)生波形信號子程序和按鍵中斷掃描程序的詳細工作流程，波形有三角波，正弦波，鋸齒波，矩形波。對他們的波形幅度調(diào)節(jié)，頻率調(diào)節(jié)，方波占空比的調(diào)節(jié)做了細致全面的介紹。同時就MSP430單片機內(nèi)部獨特的數(shù)據(jù)存儲空間做了相應的介紹，我們不必外接ROM就達到了數(shù)據(jù)存儲的目的，非常方便第4章 結(jié)束語近三個月的設計，在陳老師的悉心指導和嚴格要求下，在同學們的熱情幫助下我完成了基于單片機的多種

51、波形發(fā)生器的設計。畢業(yè)設計是對大學四年學習成果的一次大檢閱，平時課堂上學到的知識很難得以融會貫通，通過本次畢業(yè)設計，讓我們平時課堂上的知識得到了進一步的鞏固，通過畢業(yè)設計基本可以將平時所學的很多知識應用到實際的設計中。設計剛開始時，由于對單片機和基本元器件的不熟悉，導致繞了很多彎路，甚至出現(xiàn)一些錯誤，造成了很多次的無用操作。但是，正是這一次次的嘗試磨練了我的耐性并加強了我對各種器件的操作水平。在這次設計中，我不僅收獲了專業(yè)知識，還在與同學的溝通交流方面有了很大的提高，為未來踏上社會、步入工作崗位打下了良好基礎。畢業(yè)設計忙了兩個多月，深深地體會到這是一個連接學習和工作的橋梁。標志著大學生活的結(jié)束

52、的畢業(yè)設計完成，今后迎接我們的是更多的挑戰(zhàn)，但是通過畢業(yè)設計的磨練，我相信我能夠更好的面對這些，把握機遇。在大學里我們得到了最好的鍛煉，我們要將學到的知識轉(zhuǎn)換成力量，為了自己的夢想而努力。致 謝從大學到現(xiàn)在，從課題開始到論文的順利完成，我滿懷欣喜，回想求學之路，快樂而艱辛，在這本科生涯即將結(jié)束之際，一直都離不開父母、老師、同學、朋友給我熱情的幫助，在這里請接受我誠摯的謝意!畢業(yè)設計，讓我們將學到的知識運用與實踐的這樣一次挑戰(zhàn)。將知識以工程項目的形式展現(xiàn)出來。這次畢業(yè)設計讓我收獲很多。是在學校四年來所學知識的結(jié)合運用。我在整個設計過程中得到了許多朋友、老師的幫助，在這里我想對你們的無私幫助表示感

53、謝。首先,我要感謝的是我的導師陳彬老師和潘權老師。陳老師和潘老師平日里工作繁多，但在我做畢業(yè)設計的每個階段，都給予我耐心的指導和幫助?？梢哉f，沒有陳老師的耐心指導和幫助，我是不可能順利完成我的畢業(yè)設計的。另外，陳老師嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度以及對待學生極端負責的精神，給我留下很深的印象，并將影響我今后的學習和工作。其次，我還要感謝學校，感覺圖書館，學校實驗室給我們提供的良好的學習氛圍。是你們讓我學得到如此多的知識，讓我從對單片機、數(shù)字信號處理、數(shù)字電路等等相關知識一竅不通的門外漢變成了一個集單片機、數(shù)電、模電、信號系統(tǒng)等多門學科知識于一身的專業(yè)人士！總之，感謝每一位關心過我，愛護過我的人。滴水之恩，當涌

54、泉相報。最后，再次感謝我的導師陳彬老師和潘權老師。此外，我還要對在這次設計中，幫助和支持我的同學，表示感謝！恩情似海，永生難忘！衷心祝愿各位老師身體健康，工作順利，生活幸福美滿！祝朋友們心想事成，美夢成真！參考文獻1 劉紀紅主編.數(shù)字信號處理與實踐.北京：國防工業(yè)出版社，2009.12 高西全丁玉美編著.數(shù)字信號處理（第三版）.西安：西安電子科技大學出版社，2009.73 MSP430單片機簡介：MSP430系列16位超低功耗單片機原理與實踐沈建華、楊艷琴編 北京航空航天大學出版社 第一章概述 第2頁4 MSP430 系列5 郭森橘.數(shù)字信號處理器體系結(jié)構、實現(xiàn)與應用M.北京:清華大學出版社.

55、6梁志國.正弦信號源波失真的一種精確評價方法J.計量學報.7 張洪潤，易濤編著.單片機應用技術教程 （第二版）.北京：清華大學出版社 2003，1721798 求是科技編著.單片機典型模塊設計實例導航.北京：人民郵電出版社，2004 9 全國大學生電子設計競賽組委會編.第五屆全國大學生電子設計競賽獲獎作品選編.北京：北京理工大學出版社，200310 楊寧編著.單片機與控制技術.北京：北京航空航天大學出版社，200511 ATMEL. Microcontroller Data Book.199512 .ru/LITERATU/i386MDCS 51 Family of Microcontrollers Architectural Overview13 Oppenheim A V, Willsky A S, Young I T. S