-基于AD9854的阻抗測量系統(tǒng)的研制摘要阻抗是元件的固有屬性，是電路中的基本參數(shù)，它是一個(gè)復(fù)數(shù)值，測量環(huán)境的變化，信號源幅值和頻率的變化都會(huì)影響到阻抗的測量結(jié)果。這里設(shè)計(jì)了一種在不同頻率下，得出阻抗大小的測量系統(tǒng)。本系統(tǒng)以DDS芯片AD9854為核心，能提供頻率相同的可調(diào)控大小的信號源，采用雙差分減法器從而實(shí)現(xiàn)了阻抗到電壓的轉(zhuǎn)換，為了有效的抑制噪聲干擾，采用了雙相鎖定放大器。同步信號源0°參考信號為阻抗轉(zhuǎn)換電路提供驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)換后的電壓信號經(jīng)過乘法器MLT04，分別和同步信號源的0°和90°參考信號相乘，實(shí)現(xiàn)了阻抗的虛、實(shí)部分離，兩路信號經(jīng)過低通濾波器后，用兩路AD同時(shí)進(jìn)行采集，得到被測對象的阻抗值。其中，本系統(tǒng)運(yùn)用STM32F103ZET6微處理器完成對同步正交信號源的控制、AD的采集、對阻抗的計(jì)算、液晶顯示測試結(jié)果。STM32官方固件庫，降低了軟件開發(fā)周期和難度，并增大了其可維護(hù)性。最后，運(yùn)用一階RC低通濾波器，對系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，在不同頻率下得出其測量值和誤差率。實(shí)驗(yàn)表明，在同一環(huán)境下，測量結(jié)果精確，自動(dòng)化程度高，抗干擾能力強(qiáng)。關(guān)鍵詞：阻抗測量；AD9854；STM32F103ZET6ThedevelopmentoftheimpedancemeasurementsystembasedonAD9854AbstractImpedanceisinherentattributeoftheelement,isthebasicparametersofthecircuit,itisacomplexnumber,measuringchangesintheenvironment,thechangeofsignalamplitudeandfrequencywillaffecttheimpedancemeasurements.Hereunderdifferentfrequenciesinadesign,itisconcludedthatthesizeoftheimpedancemeasurementsystem.BasedonDDSchipAD9854,thissystemcanprovidethesamefrequencycancontrolthesizeofthesource,usingdoubledifferencesubtractersoastorealizethetransformationoftheresistancetovoltage,inordertoeffectivelysuppressnoise,adoptthedualphaselock-inamplifier.Referencesignalsynchronizationsignalsource0°provideimpedanceconvertingcircuitwithdrive,conversionvoltagesignalafteramultiplierMLT04,andsynchronoussignalsourceof0°and90°respectivelyreferencesignalmultiplication,implementsthevirtualandrealpartofimpedance,two-waysignalafterlowpassfilter,withtwowayADarecollectedatthesametime,gettheimpedancevalueoftheobject.Amongthem,tosynchronizetothesystemusingmicroprocessorSTM32F103ZET6orthogonalsignalsourcecontrol,ADsampling,calculationofimpedance,liquidcrystaldisplaythetestresults.OfficialSTM32firmwarelibrary,reducesthesoftwaredevelopmentcycleandthedifficulty,andincreasingitsmaintainability.Finally,usingthefirst-orderRClow-passfilter,toverifythissystem,itisconcludedthatthemeasuredvaluesunderdifferentfrequencyandtheerrorrate.Theexperimentalresultsshowthatunderthesameenvironment,accuratemeasurementresults,highautomationdegree,stronganti-jammingcapability.Keywords：Theimpedancemeasurement;AD9854;STM32F103ZET6第1章緒論1.1研究目的和意義阻抗是電路中電阻，電感，電容對交流電的阻礙作用的總稱。它是元件的固有屬性，是各種材料及元件與電學(xué)聯(lián)系的基本參數(shù)。阻抗是復(fù)數(shù)，通常以相量來表示。隨著電子科學(xué)的進(jìn)步，阻抗測量技術(shù)得到了更深入的發(fā)展，從上世紀(jì)80年代開始擴(kuò)展到生物醫(yī)學(xué)，電化學(xué)，電力控制等領(lǐng)域，如目前在電化學(xué)領(lǐng)域[1]，通過檢測豆?jié){凝固過程中其溫度和電阻抗的變化，在線判斷豆腐的凝固終點(diǎn)；生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域[2,3]，可通過監(jiān)測肌肉組織的阻抗及其電阻率的變化以監(jiān)測組織堵塞或組織萎縮的程度；通過對細(xì)胞的阻抗特性測量得到細(xì)胞的生理特征等；在電力控制領(lǐng)域[4,5]，通過快速測量電力線的輸入阻抗、調(diào)節(jié)有源濾波器，可防止電網(wǎng)發(fā)生振蕩，保證電力傳輸?shù)馁|(zhì)量等；由于電子元器件的發(fā)展，使得元器件越來越小，頻率越來越高，需要在應(yīng)用中實(shí)時(shí)反映出阻抗變化，因此，設(shè)計(jì)一款測量精度高，量程大，寬頻帶，能耗低的阻抗測量儀很有實(shí)用價(jià)值。1.2國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀對于當(dāng)今的電子工業(yè)而言，無論從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)還是到對問題的處理解決方案，測量技術(shù)都是至關(guān)重要的一環(huán)。我們可以知道，國際上監(jiān)測儀器儀表技術(shù)和阻抗測量理論經(jīng)歷了以下三個(gè)階段[6]：第一階段測量技術(shù)主要是采用模擬式測量技術(shù)；第二階段，數(shù)字式儀表代替模擬式儀表，在這一階段，以微計(jì)算機(jī)、獨(dú)立操作系統(tǒng)、各種標(biāo)準(zhǔn)總線結(jié)構(gòu)為特征，可互相通訊、擴(kuò)展式儀器和自動(dòng)測試系統(tǒng)及相應(yīng)測量技術(shù)得到快速發(fā)展，并逐步走向成熟；第三階段，大規(guī)模集成電路技術(shù)的應(yīng)用，使控制芯片運(yùn)算能力大大增強(qiáng)，體積大幅度縮小，可以方便地植入儀器內(nèi)部，從而使儀器具有判斷、控制、存儲、運(yùn)算甚至更高的智能化特性。國際著名的測量企業(yè)諸如：Fluke、Keithley、Wayne-Kerr、Agilent（原HP儀器）、等在DSP算法的數(shù)字測量方面取得了一定的進(jìn)展。如：2006年推出E4980A(20Hz~2MHz）精密阻抗測量儀，具有出色的精度和可重復(fù)性?；萜盏腍P4274A其頻率范圍從100Hz到100kHz共13個(gè)可選頻率測試點(diǎn)。測試電壓范圍為1mV～5V,

適應(yīng)于電路設(shè)計(jì)、產(chǎn)品實(shí)驗(yàn)、質(zhì)量檢查多方面測量要求,適用于工程測量，缺憾是價(jià)格昂貴。這些儀器均以數(shù)字信號處理算法為核心，電路緊湊、對比傳統(tǒng)儀器，它在測量帶寬、測量量程、測量精度以及性價(jià)比都有大幅提高。在國內(nèi)，研究機(jī)構(gòu)也開發(fā)了一些全自動(dòng)阻抗測量儀，如矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，測量頻帶寬，精度大，但在功能上、實(shí)用化方面均未達(dá)到理想效果，大多數(shù)廠家采用的是單片機(jī)結(jié)構(gòu)，這些儀器性能單一，通用性和擴(kuò)展性差，開發(fā)和維護(hù)相對復(fù)雜，已不能滿足市場的要求。1.3本文的研究內(nèi)容本文以阻抗測量為基礎(chǔ)，綜述了阻抗測量的幾種基本方法，即電橋法、諧振法、電壓電流法、RF電壓電流法、網(wǎng)絡(luò)分析儀法和自動(dòng)平衡電橋法，每一種方法都有不同的頻率范圍，測量范圍也受到限制；本研究是運(yùn)用帶微處理器STM32的數(shù)字式阻抗測量系統(tǒng)將阻抗參數(shù)虛、實(shí)部分分離測量；同時(shí)利用DDS芯片AD9854提供同步信號源，使阻抗測量具有了快速、多功能、寬量限、多頻率使用的優(yōu)點(diǎn)，因此，本文使用軟硬件結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)了阻抗的自動(dòng)測量。以下是本文的結(jié)構(gòu)安排第一章，介紹了本研究的研究目的及意義，綜述了國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，提出了現(xiàn)存問題的解決方法。第二章，理論分析阻抗測量中幾種常用方法，電橋法、諧振法、電壓電流法、RF電壓電流法、網(wǎng)絡(luò)分析儀法和自動(dòng)平衡電橋法，闡述了其基本原理及優(yōu)缺點(diǎn)。第三章，主要介紹了本研究系統(tǒng)的架構(gòu)，原理，以及控制器的選擇與實(shí)現(xiàn)。第四章，綜合闡述了DDS同步信號源的原理及在本研究中的應(yīng)用以及AD9854芯片的連接及其功能的實(shí)現(xiàn)。第五章，主要是本研究內(nèi)容軟件部分的設(shè)計(jì)，其中分別對各個(gè)部分的功能實(shí)現(xiàn)配置了相應(yīng)的程序。充分利用了STM32固件庫。第六章，對本研究進(jìn)行了總結(jié)與展望。1.4本章小結(jié)本章主要從研究背景和意義以及國內(nèi)外現(xiàn)狀闡述了設(shè)計(jì)一款實(shí)用型阻抗測量儀的必要性和可行性。提出了一種以AD9854芯片和STM32處理器為核心的阻抗測量體系研究方案，實(shí)現(xiàn)阻抗自動(dòng)測量。第2章阻抗的測量理論和方法2.1阻抗定義及測量原理2.1.1阻抗理論阻抗是電路中的電阻、電感、電容對交流電的阻礙作用的統(tǒng)稱。阻抗衡量在電路中流動(dòng)的交流電所遇到的阻礙。阻抗將電阻的概念加以延伸至交流電路領(lǐng)域，不僅描述電壓與電流的相對振幅，也描述其相對相位。當(dāng)通過電路的電流是直流電時(shí)，電阻與阻抗相等，電阻可以視為相位為零的阻抗。圖2-1阻抗定義圖圖2-2阻抗矢量圖阻抗是表征一個(gè)元器件或電路中電壓、電流關(guān)系的復(fù)數(shù)特征量，用公式表示為導(dǎo)納Y是阻抗Z的倒數(shù)，即2.1.2阻抗元件的R、L、C特征可知電感線圈、電容器、電阻器的實(shí)際阻抗隨各種因素而變化，它是動(dòng)態(tài)量，在不同條件下，反映出來的特征各不相同。元件的影響因素測試信號頻率：電子元件都與信號頻率有相關(guān)性，其影響與寄存參數(shù)有關(guān)。測試信號電平：某些元件對電平變化敏感性強(qiáng)，如高介電常數(shù)和高導(dǎo)磁率元件。直流偏置電壓和電流：偏置電壓或電流的不同會(huì)導(dǎo)致元件參數(shù)的變化。溫度：溫度系數(shù)是一項(xiàng)重要的技術(shù)指標(biāo)其它影響因素（環(huán)境，溫度，老化等）以下列舉其頻率響應(yīng)圖2-3電阻器的頻率響應(yīng)圖2-4電感器的頻率響應(yīng)圖2-5電容器的頻率響應(yīng)2.2阻抗的測量方法2.2.1電橋法圖2-6電橋法測量原理圖電橋法的優(yōu)缺點(diǎn)和頻率范圍高精度（0.1%典型值）使用不同電橋可得到寬頻率范圍價(jià)格低需要手動(dòng)平衡單臺儀器的頻率覆蓋范圍較窄頻率范圍：DC-300MHz2.2.2諧振法圖2-7諧振法測量原理圖原理改變電容C直到電路諧振諧振時(shí)XL=XC僅有RX存在諧振法的優(yōu)缺點(diǎn)和頻率范圍可測很高的Q值需要調(diào)諧到諧振阻抗測量精度低頻率范圍：10KHz-70MHz2.2.3電壓電流法圖2-8電壓電流法測量原理圖原理由測量的電壓值和電流值計(jì)算被測阻抗ZX電流通過它所流經(jīng)的RS上的電壓計(jì)算電壓電流法的優(yōu)缺點(diǎn)和頻率范圍可測量接地器件適合于探頭類測試需要使用簡單工作頻率范圍受使用探頭的變壓器的限制頻率范圍：10KHz-100MHz2.2.4RF電壓電流法圖2-9低阻抗類型圖2-10高阻抗類型射頻電壓電流法的優(yōu)缺點(diǎn)和頻率范圍高精度（0.1%典型值）高頻下的寬阻抗范圍工作頻率范圍受使用探頭的變壓器的限制頻率范圍：1MHz-3GHz2.2.5自動(dòng)平衡電橋法圖2-11自動(dòng)平衡電橋法原理圖原理通過DUT的電流也通過電阻R“L”點(diǎn)的電位保持為0V（稱為虛地）自動(dòng)平衡電橋法的優(yōu)缺點(diǎn)和頻率范圍高精度（0.05%典型值）很寬的測量范圍使用簡單不能適應(yīng)更高的頻率范圍頻率范圍：20Hz-110MHz2.2.6網(wǎng)絡(luò)分析法圖2-12網(wǎng)絡(luò)分析法原理圖原理通過測量輸入信號與反射信號之比得到反射系數(shù)用定向耦合器或電橋檢測反射信號用網(wǎng)絡(luò)分析儀提供激勵(lì)并測量響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)分析法的優(yōu)缺點(diǎn)和頻率范圍高頻率范圍當(dāng)被測阻抗接近特征阻抗時(shí)得到高精度改變測量頻率需要重新校準(zhǔn)阻抗測量范圍窄頻率范圍：300KHz-3GHz2.3本章小結(jié)本章介紹了幾種常用阻抗測量方法的原理，每一種方法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，首先必須考慮測量的要求和條件，然后選擇最適合的方法，需要考慮的因素包括頻率覆蓋范圍、測量量程、測量精度和操作的方便性。第3章阻抗測量儀的整體設(shè)計(jì)3.1STM32官方固件庫簡介STM32固件函數(shù)庫是一個(gè)固件函數(shù)包，它由程序、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和宏組成，包括了微控制器所有外設(shè)的性能特征。該函數(shù)庫還包括每一個(gè)外設(shè)的驅(qū)動(dòng)描述和應(yīng)用實(shí)例。通過使用固件函數(shù)庫，無需深入掌握細(xì)節(jié)，也可以輕松應(yīng)用每一個(gè)外設(shè)。每個(gè)外設(shè)驅(qū)動(dòng)都由一組函數(shù)組成，這組函數(shù)覆蓋了該外設(shè)所有功能。每個(gè)器件的開發(fā)都由一個(gè)通API(applicationprogramminginterface應(yīng)用編程界面)驅(qū)動(dòng)，API對該驅(qū)動(dòng)程序的結(jié)構(gòu)，函數(shù)和參數(shù)名稱都進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。固件庫其實(shí)就是函數(shù)的集合，可以與寄存器直接關(guān)聯(lián)，為用戶提供調(diào)用函數(shù)的接口。但是這種方法的劣勢是需要去掌握每個(gè)寄存器的用法，才能正確使用STM32，而對于STM32這種級別的MCU，數(shù)百個(gè)寄存器記起來又是談何容易。于是ST推出了官方固件庫，固件庫將這些寄存器底層操作都封裝起來，提供一整套接口供開發(fā)者調(diào)用，大多數(shù)場合下，不需要去知道操作的是哪個(gè)寄存器，只需要知道調(diào)用哪些函數(shù)即可。3.2系統(tǒng)阻抗測量原理圖3-1阻抗測量原理圖如圖3-1所示,信號源給出一定頻率和電壓的信號，經(jīng)過被測元件Zx，采集通過元件的電壓Ez；流經(jīng)Zx的電流經(jīng)過Rz轉(zhuǎn)換為電壓，測得為Eo。Ez、Eo最后經(jīng)過轉(zhuǎn)換傳送至CPU，經(jīng)過計(jì)算處理，得到相應(yīng)的阻抗參數(shù)。由前可知阻抗是復(fù)數(shù)，故有：Z由圖可知ZE故可知Z令E帶入可得Z比較可以推出R所以我們知道，只需要測得V1,V2，V3，V4，的值即可以算出Rx和Xx的值，求得阻抗。根據(jù)以上原理設(shè)計(jì)了本系統(tǒng)，測量系統(tǒng)由7部分組成：同步信號源，阻抗/電壓變換電路，放大電路，濾波電路，A/D轉(zhuǎn)換電路，STM32模塊，顯示模塊,如圖3-1。通過STM32進(jìn)行AD采集，將測量結(jié)果顯示在液晶屏上。其中，同步信號源由STM32控制直接數(shù)字頻率合成器（DDS）芯片AD9854,產(chǎn)生同步正交信號，作為信號源通過放大電路對弱信號進(jìn)行放大，從而減小失真，通過模擬開關(guān)的切換，測量阻抗的幅值和相位。圖3-2測量系統(tǒng)原理圖實(shí)際運(yùn)用過程中，外部環(huán)境的噪聲和電磁波會(huì)對測量產(chǎn)生影響，這類影響大多屬于共模干擾，我們可知差分運(yùn)算放大器能抑制這種干擾，自適應(yīng)濾波也可以有效降低噪聲和諧波的負(fù)作用。因此，需要對干擾設(shè)置相應(yīng)的電路。圖3-3是能有效抑制干擾的電路圖，其中一組頻率相同的正交信號乘以通過鎖定放大器放大后的電信號，再把阻抗的幅值和相位分開，同時(shí)用雙差分減法器完成阻抗和電壓的相互轉(zhuǎn)換，然后用STM32完成A/D采集，實(shí)現(xiàn)阻抗測量圖3-3阻抗-電壓轉(zhuǎn)換圖圖3-4鎖定放大器框圖途中，DDS負(fù)責(zé)信號的發(fā)送，Vsin和Vcos的頻率相同，相位相差90度，由DDS應(yīng)用知，對于Vsin的頻率和相位可進(jìn)行編程。由STM32對DDS進(jìn)行編程和控制。鎖定放大器經(jīng)過乘法器的實(shí)現(xiàn)，其輸出通過低通濾波器即可得到與阻抗幅值和相位相關(guān)的信息，Vr為R5的兩端的電壓，通過Z的電流與R5的相等。i=3個(gè)儀表放大器AD620的增益分別為K1，K2，K3V代入上式得VV其中C=RV若已知Vsin，測出V0的值就可以測得阻抗值Z。同時(shí)需要減少干擾，采用了雙相鎖定放大器來測量V0的幅值和相位。通過一組幅值，頻率相同的正交信號與被測信號Vo相乘，f為乘法器常數(shù)，|Vrel|是正交信號的幅值。VVV1,V2是直流信號，用STM32的AD采集，通過上述兩公式可以求出V0的幅值和相位φV0=由圖3-4,分別設(shè)正交信號為K1sinwt和K2sinwt,設(shè)經(jīng)過阻抗變換輸出的信號為A2sin(wt+φ1),它分別和K1sinwt、KKK進(jìn)過濾波后剩下直流分量K1K2φ3.3STM32主控制器3.3.1關(guān)于STM32F103ZET6微控制器的相關(guān)介紹STM32F103ZET6增強(qiáng)型微處理器具有32位基于ARM核心的帶512K字節(jié)閃存的微控制器USB、CAN、11個(gè)定時(shí)器、3個(gè)ADC、13個(gè)通信接口。使用高性能的ARMCortex-M332位的RISC內(nèi)核，工作頻率為72MHz，內(nèi)置高速存儲器(高達(dá)128K字節(jié)的閃存和20K字節(jié)的SRAM)，豐富的增強(qiáng)I/O端口和聯(lián)接到兩條APB總線的外設(shè)。包含2個(gè)12位的ADC、3個(gè)通用16位定時(shí)器和一個(gè)PWM定時(shí)器，還包含標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口：多達(dá)2個(gè)I2C和SPI、3個(gè)USART、一個(gè)USB和一個(gè)CAN。STM32F103ZET6工作于-40°C至+105°C的溫度范圍，供電電壓2.0V至3.6V，一系列的省電模式保證低功耗應(yīng)用的要求[7]。功能■內(nèi)核：ARM32位的Cortex?-M3CPU?72MHz，1.25DMips/MHz（Dhrystone2.1），0等待周期的存儲器?單周期乘法和硬件除法■存儲器?從32K字節(jié)至128K字節(jié)的閃存程序存儲器?從6K字節(jié)至20K字節(jié)的SRAM■時(shí)鐘、復(fù)位和電源管理?2.0至3.6伏供電和I/O管腳?上電/斷電復(fù)位(POR/PDR)、可編程電壓監(jiān)測器(PVD)?內(nèi)嵌4至16MHz高速晶體振蕩器?內(nèi)嵌經(jīng)出廠調(diào)校的8MHz的RC振蕩器?內(nèi)嵌40kHz的RC振蕩器?PLL供應(yīng)CPU時(shí)鐘?帶校準(zhǔn)功能的32kHzRTC振蕩器■低功耗?睡眠、停機(jī)和待機(jī)模式?VBAT為RTC和后備寄存器供電■2個(gè)12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，1us轉(zhuǎn)換時(shí)間(16通道)?轉(zhuǎn)換范圍：0至3.6V?雙采樣和保持功能?溫度傳感器■DMA?7通道DMA控制器?支持的外設(shè)：定時(shí)器、ADC、SPI、I2C和USART■多達(dá)80個(gè)快速I/O口?26/37/51/80個(gè)多功能雙向5V兼容的I/O口?所有I/O口可以映像到16個(gè)外部中斷■調(diào)試模式?串行線調(diào)試(SWD)和JTAG接口■多達(dá)7個(gè)定時(shí)器?多達(dá)3個(gè)16位定時(shí)器，每個(gè)定時(shí)器有多達(dá)4個(gè)用于輸入捕獲/輸出比較/PWM或脈沖計(jì)數(shù)的通道?16位6通道高級控制定時(shí)器?多達(dá)6路PWM輸出?死區(qū)控制、邊緣/中間對齊波形和緊急制動(dòng)?2個(gè)看門狗定時(shí)器(獨(dú)立的和窗口型的)?系統(tǒng)時(shí)間定時(shí)器：24位自減型■多達(dá)9個(gè)通信接口?多達(dá)2個(gè)I2C接口(SMBus/PMBus)?多達(dá)3個(gè)USART接口，支持ISO7816，LIN，IrDA接口和調(diào)制解調(diào)控制?多達(dá)2個(gè)SPI同步串行接口(18兆位/秒)?CAN接口(2.0B主動(dòng))?USB2.0全速接口■ECOPACK?封裝（兼容RoHS）ARM的Cortex-M3處理器是最新一代的嵌入式ARM處理器，它為實(shí)現(xiàn)MCU的需要提供了低成本的平臺、縮減的管腳數(shù)目、降低的系統(tǒng)功耗，同時(shí)提供卓越的計(jì)算性能和先進(jìn)的中斷系統(tǒng)響應(yīng)。ARM的Cortex-M3是32位的RISC處理器，提供額外的代碼效率，在通常8和16位系統(tǒng)的存儲空間上得到了ARM核心的高性能。3.3.2STM32連接為了讀圖方便，系統(tǒng)原理圖設(shè)計(jì)采用網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識符。系統(tǒng)主控制器STM32部分原理圖，如圖3.5所示。由圖中可知，在采用并行傳輸模式下，STM32的PA.0-PA.7管腳和AD9854的8位并行雙向數(shù)據(jù)線相連，控制器通過這些雙向的數(shù)據(jù)線，向?qū)?yīng)AD9854寄存器中寫入數(shù)據(jù)，完成對AD9854的初始化，幅值、頻率和相位的改變；PG.0-PG.5連接AD9854的地址線，通過地址線的改變，給出相應(yīng)內(nèi)部寄存器的地址；PC.0-PC.7與AD9854的控制和狀態(tài)信號相連，如：時(shí)鐘更新信號、讀信號、寫信號、讀數(shù)據(jù)或者寫數(shù)據(jù)信號、連接方式選擇信號，依據(jù)AD9854的讀寫時(shí)序，控制這些信號的狀態(tài)，才能熟悉并正確使用的此DDS芯片。PA.9、PA.10接串口芯片MAX3232的收、發(fā)信號，預(yù)留串口主要是為系統(tǒng)調(diào)試做準(zhǔn)備的。PB.0、PB.1是兩路的AD采集通道，分別對阻抗幅值和相位進(jìn)行測量，PB.0是ADC12_IN8通道，PB.1是ADC12_IN9通道。PA.8是按鍵的接口，控制著同步信號源頻率的改變。PF.6是LED的接口，是系統(tǒng)運(yùn)行的指示燈。FSMC_D0-FSMC_D15是FSMC總線的數(shù)據(jù)線，F(xiàn)SMC_A0是地址線，他們用來驅(qū)動(dòng)LCD。地址線選了FSMC_A0，則LCD數(shù)據(jù)存儲的基地址設(shè)為：u32(0x6C000000|0x00000000)。地址建立時(shí)間、數(shù)據(jù)建立時(shí)間、地址保持時(shí)間，是FSMC主要的3個(gè)時(shí)間參數(shù)。圖3.5STM32連接圖3.3.3STM32對AD的采集STM32的ADC有18個(gè)通道，包括對內(nèi)部信號源測量的2個(gè)通道和對外部信號源測量的16個(gè)通道，它屬于逐次逼近型的12位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器。A/D轉(zhuǎn)換的模式有四種分別是：單次、掃描、連續(xù)、和間斷模式。ADC采集的結(jié)果，存儲在16位數(shù)據(jù)寄存器中，有左對齊和右對齊兩中對齊方式。STM32的ADC最大的轉(zhuǎn)換速率為1Mhz，也就是轉(zhuǎn)換時(shí)間為1us，不要讓ADC的時(shí)鐘超14M，否則將導(dǎo)致結(jié)果準(zhǔn)確度下降。涉及到AD采集時(shí)，就有必要提及DMA（DirectMemoryAccess，即直接存儲器訪問）方式。DMA是用來提供在外設(shè)和存儲器之間的高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)模瑢?shù)據(jù)從一個(gè)地址空間復(fù)制到另外一個(gè)地址空間。DMA傳輸對于高效能嵌入式系統(tǒng)算法和網(wǎng)絡(luò)是很重要的。DMA傳輸方式無需CPU直接控制傳輸，也沒有中斷處理方式那樣保留現(xiàn)場和恢復(fù)現(xiàn)場的過程，通過硬件為RAM與I/O設(shè)備開辟一條直接傳送數(shù)據(jù)的通路，能使CPU的效率大為提高，節(jié)約了CPU的資源[8,9]。STM32同時(shí)采兩路AD的值，根據(jù)采集AD的值，計(jì)算出所求阻抗的幅值和相位，AD模塊的硬件電路，如圖3.6所示。圖3-6采集模塊電路圖3.4系統(tǒng)的串口通訊串口通信(SerialCommunication)，是指外設(shè)和計(jì)算機(jī)間，通過數(shù)據(jù)信號線、地線、控制線等，按位進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)的一種通訊方式。串口通信最重要的參數(shù)是波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和奇偶校驗(yàn)。對于兩個(gè)進(jìn)行通信的端口，這些參數(shù)必須匹配[10,11]。（1）波特率：這是一個(gè)衡量通信速度的參數(shù)。它表示每秒鐘傳送的位的個(gè)數(shù)。例如300波特表示每秒鐘發(fā)送300個(gè)位。通常電話線的波特率為14400，28800和36600。波特率可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于這些值，但是波特率和距離成反比。高波特率常常用于放置的很近的儀器間的通信，典型的例子就是GPIB設(shè)備的通信。（2）數(shù)據(jù)位：這是衡量通信中實(shí)際數(shù)據(jù)位的參數(shù)。當(dāng)計(jì)算機(jī)發(fā)送一個(gè)信息包，實(shí)際的數(shù)據(jù)不會(huì)是8位的，標(biāo)準(zhǔn)的值是6、7和8位。如何設(shè)置取決于你想傳送的信息。比如，標(biāo)準(zhǔn)的ASCII碼是0～127（7位）。擴(kuò)展的ASCII碼是0～255（8位）。如果數(shù)據(jù)使用簡單的文本（標(biāo)準(zhǔn)ASCII碼），那么每個(gè)數(shù)據(jù)包使用7位數(shù)據(jù)。每個(gè)包是指一個(gè)字節(jié)，包括開始/停止位，數(shù)據(jù)位和奇偶校驗(yàn)位。由于實(shí)際數(shù)據(jù)位取決于通信協(xié)議的選取，術(shù)語“包”指任何通信的情況。[2]（3）停止位：用于表示單個(gè)包的最后一位。典型的值為1，1.5和2位。由于數(shù)據(jù)是在傳輸線上定時(shí)的，并且每一個(gè)設(shè)備有其自己的時(shí)鐘，很可能在通信中兩臺設(shè)備間出現(xiàn)了小小的不同步。因此停止位不僅僅是表示傳輸?shù)慕Y(jié)束，并且提供計(jì)算機(jī)校正時(shí)鐘同步的機(jī)會(huì)。適用于停止位的位數(shù)越多，不同時(shí)鐘同步的容忍程度越大，但是數(shù)據(jù)傳輸率同時(shí)也越慢。（4）奇偶校驗(yàn)位：在串口通信中一種簡單的檢錯(cuò)方式。有四種檢錯(cuò)方式：偶、奇、高和低。當(dāng)然沒有校驗(yàn)位也是可以的。對于偶和奇校驗(yàn)的情況，串口會(huì)設(shè)置校驗(yàn)位（數(shù)據(jù)位后面的一位），用一個(gè)值確保傳輸?shù)臄?shù)據(jù)有偶個(gè)或者奇?zhèn)€邏輯高位。例如，如果數(shù)據(jù)是011，那么對于偶校驗(yàn)，校驗(yàn)位為0，保證邏輯高的位數(shù)是偶數(shù)個(gè)。如果是奇校驗(yàn)，校驗(yàn)位為1，這樣就有3個(gè)邏輯高位。高位和低位不真正的檢查數(shù)據(jù)，簡單置位邏輯高或者邏輯低校驗(yàn)。這樣使得接收設(shè)備能夠知道一個(gè)位的狀態(tài)，有機(jī)會(huì)判斷是否有噪聲干擾了通信或者是否傳輸和接收數(shù)據(jù)是否不同步。設(shè)計(jì)串口電路如下圖圖3-7串口連接電路3.5阻抗測試儀按鍵與顯示系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，LED閃爍，作為系統(tǒng)是否正在運(yùn)行的判斷。本系統(tǒng)是通過按鍵，改變同步信號源的頻率，完成在不同頻率下，對阻抗的測量。系統(tǒng)的按鍵以及LED的連接電路，如圖3.8所示。圖3-8按鍵與LED電路3.6STM32對晶顯示的控制3.6.1TFT-LCD概述及與STM32的連接TFT(ThinFilmTransistor)LCD即薄膜場效應(yīng)晶體管LCD，是有源矩陣類型液晶顯示器(AM-LCD)中的一種。與無源TN-LCD、STN-LCD的簡單矩陣不同，它在液晶顯示屏的每一個(gè)象素上都設(shè)置有一個(gè)薄膜晶體管，可以對屏幕上的各個(gè)獨(dú)立的像素進(jìn)行控制，即主要控制各個(gè)像素顯示相應(yīng)的顏色。能有效地克服，沒有選通時(shí)的串?dāng)_，使顯示液晶屏的靜態(tài)特性與掃描線數(shù)無關(guān)，因此大大提高了圖像質(zhì)量。TFT液晶為每個(gè)像素都設(shè)有一個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)，每個(gè)像素都可提高了顯示屏的反應(yīng)速度，同時(shí)可以精確控制顯示色階，所以TFT液晶的色彩更真。液晶顯示模塊與STM32的連接線圖如圖3-9所示從圖中可以看出，TFT-LCD模塊采用16位的并行方式與外部連接，因?yàn)椴势恋臄?shù)據(jù)量比較大，選擇16位的接口，能夠提高運(yùn)行的速度。TFT-LCD模塊，其驅(qū)動(dòng)芯片有很多種類型，本設(shè)計(jì)選用的LCD控制器是ILI9320，它是一款帶有262144種顏色的單芯片SoC驅(qū)動(dòng)的晶體管顯示器，320×240的分辨率，包括720路源極驅(qū)動(dòng)以及320路的柵極驅(qū)動(dòng)，自帶有顯存，容量為172800字節(jié)。該模塊的接口有如下一些信號線：CS：TFTLCD片選信號。WR：向TFTLCD寫入數(shù)據(jù)。RD：從TFTLCD讀取數(shù)據(jù)。D[15：0]：16位雙向數(shù)據(jù)線。RST：硬復(fù)位TFTLCD。RS：命令/數(shù)據(jù)標(biāo)志（0，讀寫命令；1，讀寫數(shù)據(jù)）。圖3-9TFTLCD與STM32接口定義圖3.6.2關(guān)于FSMC的介紹FSMC(FlexibleStaticMemoryController，可變靜態(tài)存儲控制器)是STM32系列采用一種新型的存儲器擴(kuò)展技術(shù)。在外部存儲器擴(kuò)展方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢，可根據(jù)系統(tǒng)的應(yīng)用需要，方便地進(jìn)行不同類型大容量靜態(tài)存儲器的擴(kuò)展[12]。FSMC是STM32系列中內(nèi)部集成256KB以上FlaSh，后綴為xC、xD和xE的高存儲密度微控制器特有的存儲控制機(jī)制。之所以稱為“可變”，是由于通過對特殊功能寄存器的設(shè)置，F(xiàn)SMC能夠根據(jù)不同的外部存儲器類型，發(fā)出相應(yīng)的數(shù)據(jù)/地址/控制信號類型以匹配信號的速度，從而使得STM32系列微控制器不僅能夠應(yīng)用各種不同類型、不同速度的外部靜態(tài)存儲器，而且能夠在不增加外部器件的情況下同時(shí)擴(kuò)展多種不同類型的靜態(tài)存儲器，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)對存儲容量、產(chǎn)品體積以及成本的綜合要求。具有下列優(yōu)勢（1）支持多種靜態(tài)存儲器類型，（2）支持豐富的存儲操作方法（3）支持同時(shí)擴(kuò)展多種存儲器（4）支持更為廣泛的存儲器型號（5）支持代碼從FSMC擴(kuò)展的外部存儲器中直接運(yùn)行，而不需要首先調(diào)入內(nèi)部SRAM。它的基本原理是：信號是通過AHB總線，傳輸給外部設(shè)備的，F(xiàn)SMC的作用是把信號轉(zhuǎn)換成符合外部設(shè)備時(shí)序的控制/地址/數(shù)據(jù)信號，然后控制外設(shè)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。通過唯一的一個(gè)片選信號區(qū)分，F(xiàn)SMC輸出的地址、數(shù)據(jù)和控制信號到底驅(qū)動(dòng)控制那個(gè)外部的存儲器。FSMC在任一時(shí)刻只訪問一個(gè)外部設(shè)備。具有靜態(tài)存儲器接口的器件有：靜態(tài)隨機(jī)存儲器（SRAM）、只讀存儲器（ROM）、NORFLASH、NANDFLASH、PSRAM。本系統(tǒng)用到的TFTLCD就是用的FSMC_NE4做片選，其實(shí)就是將TFTLCD當(dāng)成SRAM來控制。TM32的FSMC支持8/16/32位數(shù)據(jù)寬度，我們這里用到的LCD是16位寬度的,所以在設(shè)置的時(shí)候，選擇16位寬[13]。我們再來看看FSMC的外部設(shè)備地址映像，STM32的FSMC將外部存儲器劃分為固定大小為256M字節(jié)的四個(gè)存儲塊，如圖3-10所示。圖3.10FSMC存儲塊模塊地址映像從圖可以看出FSMC管理1GB的映射地址空間。該空間劃分為4個(gè)大小為256MB的BANK，每個(gè)BANK又劃分為4個(gè)64MB的子BANK，如表1所列。FSMC的2個(gè)控制器管理的映射地址空間不同。NORFlash控制器管理第1個(gè)BANK，NAND/PCCard控制器管理第2～4個(gè)BANK。由于兩個(gè)控制器管理的存儲器類型不同，擴(kuò)展時(shí)應(yīng)根據(jù)選用的存儲設(shè)備類型確定其映射位置。其中，BANK1的4個(gè)子BANK擁有獨(dú)立的片選線和控制寄存器，可分別擴(kuò)展一個(gè)獨(dú)立的存儲設(shè)備，而BANK2～BANK4只有一組控制寄存器[14]。3.7本章小結(jié)本章主要介紹阻抗測量系統(tǒng)的基本原理和方法，設(shè)計(jì)出抗干擾能力強(qiáng)的阻抗電壓轉(zhuǎn)換電路，核心由差分放大器和鎖定放大器組成。以及各部分的的使用原理，重點(diǎn)闡述了STM32控制器的組成與應(yīng)用。給出了主控制器與各模塊的連接電路。第4章DDS同步信號源4.1DDS簡介4.1.1DDS的發(fā)展與現(xiàn)狀DDS同DSP（數(shù)字信號處理）一樣，是一項(xiàng)關(guān)鍵的數(shù)字化技術(shù)。DDS是直接數(shù)字式頻率合成器（DirectDigitalSynthesizer）的英文縮寫。與傳統(tǒng)的頻率合成器相比，DDS具有低成本、低功耗、高分辨率和快速轉(zhuǎn)換時(shí)間等優(yōu)點(diǎn)，廣泛使用在電信與電子儀器領(lǐng)域，是實(shí)現(xiàn)設(shè)備全數(shù)字化的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。DDS是近年來發(fā)展起來的一種新的頻率合成技術(shù)，其主要優(yōu)點(diǎn)是相對帶寬很大，頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間極短（可小于20ns），頻率分辨率很高，全數(shù)字化結(jié)構(gòu)便于集成，輸出相位連續(xù)可調(diào)，且頻率、相位和幅度均可實(shí)現(xiàn)程控。DDS能夠與計(jì)算機(jī)技術(shù)緊密結(jié)合在一起，克服了模擬頻率合成和鎖相頻率合成等傳統(tǒng)頻率合成技術(shù)電路復(fù)雜、設(shè)備體積較大、成本較高的不足，因此它是一種很有發(fā)展前途的頻率合成技術(shù)。DDS技術(shù)現(xiàn)已在接收機(jī)本振、信號發(fā)生器、通信系統(tǒng)、雷達(dá)系統(tǒng)等方面得到廣泛應(yīng)用。數(shù)字頻率合成器作為一種信號產(chǎn)生裝置己經(jīng)越來越受到人們的重視，它可以根據(jù)用戶的要求產(chǎn)生相應(yīng)的波形，具有重復(fù)性好、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，己經(jīng)逐步取代了傳統(tǒng)的函數(shù)發(fā)生器[15,17]。4.1.2DDS工作原理圖4-1DDS工作原理圖DDS的工作原理是以數(shù)控振蕩器的方式產(chǎn)生頻率、相位可控制的正弦波。電路一般包括基準(zhǔn)時(shí)鐘、頻率累加器、相位累加器、幅度/相位轉(zhuǎn)換電路、D/A轉(zhuǎn)換器和低通濾波器（LPF）。頻率累加器對輸入信號進(jìn)行累加運(yùn)算，產(chǎn)生頻率控制數(shù)據(jù)X（frequencydata或相位步進(jìn)量）。相位累加器由N位全加器和N位累加寄存器級聯(lián)而成，對代表頻率的2進(jìn)制碼進(jìn)行累加運(yùn)算，是典型的反饋電路，產(chǎn)生累加結(jié)果Y。幅度/相位轉(zhuǎn)換電路實(shí)質(zhì)上是一個(gè)波形寄存器，以供查表使用[18,19]。讀出的數(shù)據(jù)送入D/A轉(zhuǎn)換器和低通濾波器。工作過程如下：每來一個(gè)時(shí)鐘脈沖Fclk，N位加法器將頻率控制數(shù)據(jù)X與累加寄存器輸出的累加相位數(shù)據(jù)相加，把相加后的結(jié)果Y送至累加寄存器的輸入端。累加寄存器一方面將在上一時(shí)鐘周期作用后所產(chǎn)生的新的相位數(shù)據(jù)反饋到加法器的輸入端，以使加法器在下一時(shí)鐘的作用下繼續(xù)與頻率控制數(shù)據(jù)X相加；另一方面將這個(gè)值作為取樣地址值送入幅度/相位轉(zhuǎn)換電路，幅度/相位轉(zhuǎn)換電路根據(jù)這個(gè)地址輸出相應(yīng)的波形數(shù)據(jù)。最后經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器和低通濾波器將波形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成所需要的模擬波形。相位累加器在基準(zhǔn)時(shí)鐘的作用下，進(jìn)行線性相位累加，當(dāng)相位累加器加滿量時(shí)就會(huì)產(chǎn)生一次溢出，這樣就完成了一個(gè)周期，這個(gè)周期也就是DDS信號的頻率周期。4.1.3DDS優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)如下：(1)頻率切換時(shí)間短DDS的頻率轉(zhuǎn)換可以近似認(rèn)為是即時(shí)的，這是因?yàn)樗南辔恍蛄性跁r(shí)間上是離散的，在頻率控制字K改變以后，要經(jīng)過一個(gè)時(shí)鐘周期之后才能按照新的相位增量增加，所以也可以說它的頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間就是頻率控制字的傳輸時(shí)間，即一個(gè)時(shí)鐘周期兀=1/fc。如果fc=10MHz，轉(zhuǎn)換時(shí)間即為100ns，當(dāng)時(shí)鐘頻率進(jìn)一步提高，轉(zhuǎn)換時(shí)間將會(huì)更短，但再短也不能少于數(shù)門電路的延遲時(shí)間。目前，集成DDS產(chǎn)品的頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間可達(dá)IOns的量級，這是目前常用的鎖相頻率合成技術(shù)無法做到的。(2)頻率分辨率高DDS的最低輸出頻率△fo=△fomin=fc/M=fc/2n，也就是它的最小頻率步進(jìn)量,其中N為相位累加器的位數(shù)，可見只要相位累加器有足夠的字長，實(shí)現(xiàn)非常精密的分辨率沒有多大的困難。例如可以實(shí)現(xiàn)Hz、mHz甚至ｕHz的頻率分辨率，而傳統(tǒng)的頻率合成技術(shù)要實(shí)現(xiàn)這樣的頻率分辨率十分困難，甚至是不可能的。(3)相位變化連續(xù)DDS改變輸出頻率實(shí)際上改變的是每次的相位增量，即改變相位的增產(chǎn)速度。當(dāng)頻率控制字由Kl變?yōu)镵2之后，它是在己有的積累相位nK1δ之上，再?zèng)]次累加K2δ，相位函數(shù)的曲線是連續(xù)的，只是在改變頻率的瞬間其斜率發(fā)生了突變，因而保持了輸出信號相位的連續(xù)性。這在很多對頻率合成器的相位要求比較嚴(yán)格的場合非常有用。(4)具有低相位噪聲和低漂移DDS系統(tǒng)中合成信號的頻率穩(wěn)定度直接由參考源的頻率穩(wěn)定度決定，合成信號的相位噪聲與參考源的相位噪聲相同。而在大多數(shù)DDS系統(tǒng)應(yīng)用中，一般由固定的晶振來產(chǎn)生基準(zhǔn)頻率，所以其具有極好的相位噪聲和漂移特性。(5)易于集成、易于調(diào)整DDS中除了DAC和濾波器之外，幾乎所有的部件都屬于數(shù)字信號處理器件，不需要任何調(diào)整。缺點(diǎn)如下：（1）雜散抑制差：這是DDS的一個(gè)主要的缺點(diǎn)，由于DDS一般采用了相位截?cái)嗉夹g(shù)，它的直接后果是給DDS的輸出信號引入了雜散，同時(shí)波形存儲器中波形幅度量化所引起的有效字長效應(yīng)和D/A的非理想特性也都將對DDS的雜散抑制性能產(chǎn)生很大的影響，但目前DDS采用了許多新的抑制雜散辦法以及新器件結(jié)構(gòu)的不斷出現(xiàn)，DDS的雜散抑制水平也不斷提高，例如，抖動(dòng)技術(shù)破壞了誤差的周期性，從而使頻譜特性得到了很大的提高。（2）工作頻帶受限：根據(jù)DDS的結(jié)構(gòu)和工作原理，DDS的工作頻率要受到器件速度的限制，和基準(zhǔn)頻率有直接的關(guān)系，但隨著目前微電子水平的不斷提高，DDS工作頻率也有很大的提高，例如，采用CMOS工藝的DDS工作頻率以由過去的幾十MHz到目前的6300MHz，采用ECL工藝的DDS工作頻率以由過去300MHz左右到目前的1.6GHz，而采用GaAs工藝則可達(dá)到4GHz左右，再過幾年DDS的輸出頻率可能達(dá)到4GHz左右，其應(yīng)用范圍將非常廣泛。（3）相位噪聲性能：與其它頻率合成器相比，DDS的全數(shù)字結(jié)構(gòu)使得相位噪聲不能獲得很高的指標(biāo)，DDS的相位噪聲主要由參考時(shí)鐘信號的性質(zhì)、參考時(shí)鐘的頻率與輸出頻率之間的關(guān)系以及器件本身的噪聲基底決定。理論上DDS輸出信號的相位噪聲會(huì)對參考時(shí)鐘信號的相位噪聲有的改善但在實(shí)際工程中，必須要考慮包括相位累加器、ROM和D/A等各種部件噪聲特性對DDS相位噪聲性能的限制[20]。4.2AD9854概述AD9854數(shù)字合成器是高集成度的器件，它采用先進(jìn)的DDS技術(shù)，片內(nèi)整合了兩路高速、高性能正交D/A轉(zhuǎn)換器通過數(shù)字化編程可以輸出I、Q兩路合成信號。在高穩(wěn)定度時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)下，AD9854將產(chǎn)生一高穩(wěn)定的頻率、相位、幅度可編程的正弦和余弦信號[21]。AD9854的工作過程是，信號經(jīng)過頻率累加器，變?yōu)榫€性增加的瞬時(shí)頻率，然后經(jīng)相位累加器輸出的二次瞬時(shí)相位，通過這個(gè)相位值在正弦值存儲表中尋址，得到與相位相符的幅度量比值，再經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換后，得到連續(xù)的階梯波，經(jīng)反辛革濾波器除去其中的高頻分量。圖4-2AD9854功能結(jié)構(gòu)框圖如圖4-2所示，AD9854內(nèi)部包括一個(gè)具有48位相位累加器、一個(gè)可編程時(shí)鐘倍頻器、一個(gè)反sinc濾波器、兩個(gè)12位300MHzDAC，一個(gè)高速模擬比較器以及接口邏輯電路。其主要性能特點(diǎn)如下：1. 高達(dá)300MHz的系統(tǒng)時(shí)鐘；2. 能輸出一般調(diào)制信號，F(xiàn)SK，BPSK，PSK，CHIRP，AM等；3. 100MHz時(shí)具有80dB的信噪比；4. 內(nèi)部有4*到20*的可編程時(shí)鐘倍頻器；5. 兩個(gè)48位頻率控制字寄存器，能夠?qū)崿F(xiàn)很高的頻率分辨率。6. 兩個(gè)14位相位偏置寄存器，提供初始相位設(shè)置。7. 帶有100MHz的8位并行數(shù)據(jù)傳輸口或10MHz的串行數(shù)據(jù)傳輸口[22]。4.3AD9854的連接并行模式下，AD9854的雙向傳輸8位數(shù)據(jù)線D0-D7，與STM32的通用I/O口PA.0-PA.7連接，由于電平相同，所以可以直接相連不用使用電平轉(zhuǎn)換芯片，減小了電路設(shè)計(jì)難度，降低了設(shè)計(jì)成本。地址線A0-A5與STM32的PG0-PG5相連，通過改變PG0-PG5的值，給出初始化AD9854和改變幅值、頻率、相位的相應(yīng)寄存器的地址，然后在對應(yīng)寄存器寫入相應(yīng)的值。AD9854的控制位RST、SP、OSK、WR、RD、F/B/H、IOUD和處理器的PC.0-PC.6相連，完成了對AD9854的復(fù)位、模式選擇、讀、寫、更新信號的控制。連接電路如下圖所示圖4-3AD9854的連接電路4.4AD9854功能的實(shí)現(xiàn)4.4.1芯片初始化AD9854提供了串行和并行兩種控制方式，為了滿足高速的調(diào)制功能，將S/PSELECT管腳直接連+3.3V，設(shè)置為1，采用并行輸入輸出方式。并行接口有8位數(shù)據(jù)線和6位地址線。首先對AD9854的I/Oupdate信號進(jìn)行設(shè)置，I/Oupdate是一個(gè)由低到高的上升沿信號，輸入的數(shù)據(jù)先存在I/O口的緩沖寄存器中，等待上升沿的到來，即I/Oupdate(Pin20)上升沿的到來，然后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到DDS的核心寄存器，正確的設(shè)置才能使AD9854正常工作。這個(gè)信號可以選擇從外部或者內(nèi)部產(chǎn)生。選擇外部提供時(shí)，程序寄存器中轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)部分時(shí)，可能造成程序執(zhí)行錯(cuò)誤，所以應(yīng)將內(nèi)部的系統(tǒng)時(shí)鐘與外部同步。選擇內(nèi)部還是外部，由控制寄存器（1Fh）中的最低位Internal/externalupdateclock決定，內(nèi)部產(chǎn)生選擇1，外部產(chǎn)生選擇0。32位的updatedclock寄存器，決定了內(nèi)部產(chǎn)生的I/Oupdate信號的周期，計(jì)算公式是(N+1)×(SystemClockPeriod×2)，其中SystemClockPeriod是系統(tǒng)時(shí)鐘的倒數(shù)，N是32位寄存器中需要輸入的數(shù)值，它的取值范圍是1-(232-1)。需要給I/OUpdate信號，提供8個(gè)時(shí)鐘周期的高電平[23]。然后，需要對40個(gè)內(nèi)部的寄存器進(jìn)行設(shè)置。控制寄存器的地址為1Dh-20h，其字長為32位，包括了對系統(tǒng)時(shí)鐘頻率控制、比較器、工作模式控制、輸出幅度、輸出頻率、輸出相位的控制?？刂票容^器開關(guān)、各個(gè)輸出通路的開關(guān)的寄存器，其對應(yīng)的地址為1D。各個(gè)通路都有輸出，且沒有使用比較器。所以寫入1D地址寄存器的值為10h，即該寄存器的默認(rèn)值。接下來，設(shè)置1E地址的寄存器。外部使用40MHz的晶振作，系統(tǒng)工作頻率設(shè)200MHz，倍乘器倍數(shù)為5，所以PLLRange位，設(shè)置為1，打開PLL倍乘器開關(guān)，而BypassPLL位，設(shè)置為0，所以地址1E的控制器中應(yīng)寫入的數(shù)據(jù)為45h?？刂菩酒ぷ髂Ｊ胶虸/Oupdate信號產(chǎn)生方式的寄存器，其地址為1F，模式選擇的是FSK，內(nèi)部產(chǎn)生I/Oupdate信號，所以寄存器寫入的數(shù)據(jù)為03h.控制輸出波形幅值及串行方式通信的寄存器，地址為20。本設(shè)計(jì)使用并行傳輸方式，所以一些串行的設(shè)置都默認(rèn)為0。OSKINT位設(shè)置為1、OSKEN位設(shè)置為0，則要AD9854內(nèi)部產(chǎn)生幅值。OSKINT位設(shè)置為0、OSKEN位設(shè)置為1，則需要通過專門的幅值寄存器，調(diào)整輸出的幅值。在此我們選擇了默認(rèn)值20h。AD9854有個(gè)兩個(gè)頻率寄存器和兩個(gè)相位寄存器，控制寄存器設(shè)置完以后，可以設(shè)置幅度寄存器、頻率寄存器和相位寄存器。地址為00和01寄存器，是輸出波形的相位寄存器，它的字長是14位，因此具有14位的精度。波形的頻率寄存器，字長為48位，地址為04至09，需要往里面寫入48的頻率控制字。頻率控制字的計(jì)算公式是：FTW=（DesiredOutputFrequency×2N）/SYSCLK，其中N是相位累加器的字長，在這里為48，計(jì)算出來的結(jié)果是一個(gè)十進(jìn)制數(shù)字，所以要把它轉(zhuǎn)化為48位的二進(jìn)制數(shù)[24]。此寄存器控制輸出的頻率范圍，可從0到二分之一的系統(tǒng)時(shí)鐘。控制幅度進(jìn)行的寄存器是地址為21-24的OutputShapeKeyI和OutputShapeKeyQ，它們都是12位的寄存器。至此，完成了對AD9854的初始化。4.4.2AD9854的時(shí)序圖在對AD9854進(jìn)行讀寫操作時(shí)，重要的問題是要掌握它的讀寫時(shí)序，在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中，沒有對AD9854進(jìn)行讀操作，所以只對寫操作的時(shí)序進(jìn)行了介紹。AD9854并行方式的寫時(shí)序，如圖4.4圖所示。圖4-4AD9854并行方式寫時(shí)序圖并行工作時(shí)，首先對主復(fù)位MASTERRESET進(jìn)行復(fù)位，需要置高10個(gè)以上系統(tǒng)周期，主要作用是初始化系統(tǒng)總線，主復(fù)位以后才可以對其它寄存器進(jìn)行讀寫操作。所以數(shù)據(jù)完成以后要給AD9854一個(gè)更新脈沖（I/Oupdate端口），更新時(shí)鐘的作用是將所寫的數(shù)據(jù)送入到相應(yīng)的寄存器中。在進(jìn)行寫操作時(shí),可將地址和數(shù)據(jù)同時(shí)寫入，在WR引腳接收到一個(gè)高電平后，數(shù)據(jù)和地址被寫入。4.5本章小結(jié)本章主要介紹了DDS同步信號源，綜合闡述了其運(yùn)用原理，以及AD9854芯片的連接以及功能的實(shí)現(xiàn)。主控制器通過并行傳輸方式和AD9854進(jìn)行通信，并對并行傳輸時(shí)的時(shí)序圖進(jìn)行了說明。第5章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及測試結(jié)果5.1軟件流程設(shè)計(jì)KKNYN清空存儲寄存器判斷頻率是否超出范圍結(jié)束是否有鍵按下開始初始化鍵盤掃描程序執(zhí)行顯示程序計(jì)算頻率控制字顯示當(dāng)前f,Z計(jì)算阻抗AD采集DDS更新頻率出入頻率控制器Y圖5-1程序設(shè)計(jì)流程圖首先，對STM32系統(tǒng)時(shí)鐘、中斷、串口、AD、LCD等進(jìn)行初始化。STM32與AD9854間采用并行通信，將給定的頻率和相位，寫入AD9854相應(yīng)的寄存器，產(chǎn)生一組正交的激勵(lì)信號；延時(shí)到低通濾波器完成濾波后，對待測元件進(jìn)行阻抗測量，啟動(dòng)A/D，同時(shí)完成對兩路A/D的采集，讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，通過阻抗轉(zhuǎn)換的算法，計(jì)算出阻抗值，并通過液晶顯示此時(shí)激勵(lì)信號的頻率，和對于阻抗的幅值和相位。也可以通過串口，把測試數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上。一個(gè)頻率點(diǎn)測試完成后，通過按鍵改變激勵(lì)信號的頻率，測試下一個(gè)測試點(diǎn)，重復(fù)以上步驟，直到達(dá)到頻率的上限，就可以完成阻抗的測試5.2AD9854各部分程序設(shè)計(jì)（1）與STM32連接的I/O口的設(shè)置（部分管腳）GPIO_InitTypeDefGPIO_InitStructure;GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_0|GPIO_Pin_1|GPIO_Pin_2|GPIO_Pin_3|GPIO_Pin_4|GPIO_Pin_5|GPIO_Pin_6|GPIO_Pin_7;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_Out_PP;GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);（2）AD9854的初始化，給出寄存器的地址，寫入相應(yīng)數(shù)據(jù)。voidsend_byte(u8add,u8data)（3）根據(jù)計(jì)算公式，給出AD9854的幅值和頻率函數(shù)。voidAD9854_F1(doublef){table9854[0]=(u8)((f*256)/160000000);table9854[1]=(u8)(((f*256)/160000000-table9854[0])*256);table9854[2]=(u8)((((f*256)/160000000-table9854[0])*256-table9854[1])*256);table9854[3]=(u8)(((((f*256)/160000000-table9854[0])*256-table9854[1])*256-table9854[2])*256);table9854[4]=(u8)((((((f*256)/160000000-table9854[0])*256-table9854[1])*256-table9854[2])*256-table9854[3])*256);table9854[5]=(u8)(((((((f*256)/160000000-table9854[0])*256-table9854[1])*256-table9854[2])*256-table9854[3])*256-table9854[4])*256);send_byte(FTW1_6,table9854[0]);send_byte(FTW1_5,table9854[1]);send_byte(FTW1_4,table9854[2]);send_byte(FTW1_3,table9854[3]);send_byte(FTW1_2,table9854[4]);send_byte(FTW1_1,table9854[5]);}voidAD9854_V(floatv){if(v>=1){table9854[6]=0xff;table9854[7]=0xff;}else{table9854[6]=((u16)(v*4096))/256;table9854[7]=((u16)(v*4096))%256;}send_byte(OSKI_2,table9854[6]);send_byte(OSKI_1,table9854[7]);send_byte(OSKQ_2,table9854[6]);send_byte(OSKQ_1,table9854[7]);}5.3模數(shù)AD采集配置STM32的PB.0和PB.1是AD采集的通道，PB.0是AD采集的通道8，PB.1是AD采集的通道9，AD采集的軟件設(shè)計(jì)主要步驟為：（1）開啟PB口時(shí)鐘和ADC1時(shí)鐘，設(shè)置PB.0、PB.1為模擬輸入。RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1|RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);GPIO_InitTypeDefGPIO_InitStructure;GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_0|GPIO_Pin_1;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AIN;GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_InitStructure);（2）開初始化ADC1參數(shù)，設(shè)置ADC1的工作模式以及規(guī)則序列的相關(guān)信息ADC_InitTypeDefADC_InitStructure;ADC_RegularChannelConfig(ADC1,ADC_Channel_8,1,ADC_SampleTime_55Cycles5);ADC_RegularChannelConfig(ADC1,ADC_Channel_9,2,ADC_SampleTime_55Cycles5);（3）開啟DMA時(shí)鐘及參數(shù)設(shè)定RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_DMA1,ENABLE);DMA_InitTypeDefDMA_InitStructure;DMA_DeInit(DMA1_Channel1);DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr=DR_ADDRESS;DMA_InitStructure.DMA_MemoryBaseAddr=(uint32_t)&AD_Value;DMA_Init(DMA1_Channel1,&DMA_InitStructure);DMA_Cmd(DMA1_Channel1,ENABLE);（4）使能ADC并校準(zhǔn)①使能指定的ADC：ADC_Cmd(ADC1,ENABLE);②執(zhí)行復(fù)位校準(zhǔn)：ADC_ResetCalibration(ADC1);③執(zhí)行ADC校準(zhǔn)：ADC_StartCalibration(ADC1);（5）讀取ADC值A(chǔ)DC_SoftwareStartConvCmd(ADC1,ENABLE);ADC_GetConversionValue(ADC1);5.4液晶顯示屏的控制（1）初始化STM32與TFTLCD模塊相連接的IO口（部分代碼）GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_0|GPIO_Pin_1|GPIO_Pin_4|GPIO_Pin_5|GPIO_Pin_8|GPIO_Pin_9|GPIO_Pin_10|GPIO_Pin_14|GPIO_Pin_15;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AF_PP;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOD,&GPIO_InitStructure);（2）初始化FSMCFSMC_NORSRAMInitStructure.FSMC_Bank=FSMC_Bank1_NORSRAM4;FSMC_NORSRAMInitStructure.FSMC_DataAddressMux=FSMC_DataAddressMux_Disable;FSMC_NORSRAMInitStructure.FSMC_MemoryType=FSMC_MemoryType_SRAM;FSMC_NORSRAMInitStructure.FSMC_MemoryDataWidth=FSMC_MemoryDataWidth_16b;（3）初始化TFTLCD模塊通過向TFTLCD寄存器中寫入一系列的數(shù)據(jù)，來啟動(dòng)TFTLCD的顯示。寫入寄存器地址的函數(shù)：voidLCD_WR_REG(u16regval){LCD->LCD_REG=regval;}寫入數(shù)據(jù)的函數(shù)：voidLCD_WR_DATA(u16data){LCD->LCD_RAM=data;}（4）通過函數(shù)將字符和數(shù)字顯示到TFTLCD模塊上①顯示數(shù)字的函數(shù)：voidLCD_ShowxNum(u16x,u16y,u32num,u8len,u8size,u8mode)②顯示字符串的函數(shù)：voidLCD_ShowString(u16x,u16y,u16width,u16height,u8size,u8*p)5.5按鍵對LED的控制按鍵（USER1）與STM32的PA.8相連，指示燈（LED）與PF.6相連。按鍵配置成上拉輸入，LED配置成推挽輸出模式。voidKEY_Init(void){GPIO_InitTypeDefGPIO_InitStructure;RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_8;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_IPU;GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);}voidLED_Init(void){GPIO_InitTypeDefGPIO_InitStructure;RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOF,ENABLE);GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_6;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_Out_PP;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOF,&GPIO_InitStructure);GPIO_SetBits(GPIOF,GPIO_Pin_6);}5.6計(jì)算阻抗值由STM32完成兩路AD采集，通過計(jì)算得出阻抗的幅值和相位voidV0PhaseCovertValue(void){doubleVAL1,VAL2;doubleV0AmpValue,V0temp;VAL1=(double)value1;VAL2=(double)value2;VAL1=VAL1/1000;VAL2=VAL2/1000;V0PhaseValue=atan2(VAL2,VAL1);V0PhaseValue=V0PhaseValue*DU;V0temp=cos(V0PhaseValue);V0AmpValue=VAL1/K1;V0AmpValue=V0AmpValue/V0temp;ZKAmpValue=V0AmpValue/K2;ZKAmpValue=ZKAmpValue-K3;}5.7系統(tǒng)仿真選用一階RC低通濾波器，電路較易搭建，其中電阻R的阻值100K，電容C的容值為0.01F。電路原理圖如圖5.2所示，通過試驗(yàn)得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表5.1所示。圖圖5-2一階RC低通濾波器R100K阻抗測量系統(tǒng)C0.01Uf表5-1系統(tǒng)仿真結(jié)果頻率/Hz測試阻抗相位/°理論阻抗相位/°誤差/%測試阻抗幅值/Ω理論阻抗幅值/Ω誤差/%1.000-89.122-89.6400.5815918811.39115916323.1591.48e-65.000-86.825-88.2011.563186261.9683186282.9906.60e-610.000-85.608-86.4050.921595472.4531595493.5981.33e-550.000-75.607-76.5621.25333700.256333705.5921.60e-5100.000-57.618-57.8710.43188029.870188031.9071.10e-51K.000-9.102-9.0480.60101255.579101259.8644.23e-510K.000-0.903-0.9