基于DDS的數(shù)字式頻率特性測(cè)試儀的軟件設(shè)計(jì)*

呂念芝 張?zhí)熘?/p>

(1．福州海峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 福州350001;2．福州師范大學(xué)軟件學(xué)院，福建 福州350001)

引言

隨著DDS技術(shù)的逐漸成熟，應(yīng)用DDS技術(shù)產(chǎn)生的掃頻信號(hào)具有失真度低、掃頻精度高等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)掃頻控制簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確，因此使用DDS芯片作為掃頻源的設(shè)計(jì)逐漸被廣泛應(yīng)用［1～2］．

本文使用最新的DDS技術(shù)實(shí)現(xiàn)掃頻源設(shè)計(jì)，大大降低產(chǎn)生寬頻、等幅、正交正弦信號(hào)的技術(shù)難度，為實(shí)現(xiàn)掃頻儀的設(shè)計(jì)奠定了良好的基礎(chǔ)．應(yīng)用模擬乘法器實(shí)現(xiàn)直通信號(hào)和被測(cè)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的高速乘法運(yùn)算，并經(jīng)過(guò)LPF(Low Pass Filter，低通濾波器)獲得被測(cè)網(wǎng)絡(luò)頻率特性(包括幅頻特性和相頻特性)的電壓信號(hào)．然后經(jīng)過(guò)ADC(Analog-to-Digital Converter，模數(shù)變換器)將該電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)據(jù);最后在單片機(jī)系統(tǒng)中，經(jīng)過(guò)頻率特性的坐標(biāo)變換算法處理，獲得被測(cè)網(wǎng)絡(luò)幅頻特性和相頻特性曲線的平面坐標(biāo)數(shù)據(jù)，并在LCD(Liquid Crystal Display，液晶顯示屏)上顯示出來(lái)．為了便于操作和實(shí)現(xiàn)良好的用戶體驗(yàn)，本文采用紅外遙控技術(shù)實(shí)現(xiàn)儀器的遙控操作功能，采用μC/GUI(Embedded Graphical User Interface，嵌入式圖形用戶接口)技術(shù)設(shè)計(jì)儀器的顯示界面．

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由掃頻信號(hào)源、模擬乘法器、MCU模塊、IR遙控模塊和液晶顯示模塊共5部分組成，系統(tǒng)原理如圖1所示．

圖1 系統(tǒng)原理框圖

圖1中STM32單片機(jī)負(fù)責(zé)控制DDS輸出測(cè)量所需的1～40MHz兩路正交正弦信號(hào)，其中余弦信號(hào)通過(guò)被測(cè)網(wǎng)絡(luò)RLC后，在乘法器與余弦直通信號(hào)相乘，相乘的結(jié)果經(jīng)LPF濾除倍頻信號(hào)后送入單片機(jī)內(nèi)部的AD變換為數(shù)字信號(hào)．正弦信號(hào)與RLC輸出的信號(hào)被送至另一個(gè)乘法器的輸入端，相乘的結(jié)果經(jīng)LPF濾波后，也送入單片機(jī)AD變換為數(shù)字信號(hào)．單片機(jī)按照事先設(shè)計(jì)的程序?qū)陕窋?shù)據(jù)進(jìn)行處理，并求出對(duì)應(yīng)頻率下的電壓增益和相位差，同時(shí)將結(jié)果顯示在液晶屏上．用戶可通過(guò)IR遙控器向單片機(jī)發(fā)送指令，控制單片機(jī)實(shí)現(xiàn)各種測(cè)量操作．

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)采用分層設(shè)計(jì)思想，將不同邏輯層的程序劃分在不同的文件夾，每一層所包含的源文件都放在該層對(duì)應(yīng)的文件夾下的src文件夾目錄下，每一層提供的頭文件都放在該層對(duì)應(yīng)的文件夾目錄下．

程序通過(guò)調(diào)用ST公司提供的STM32固件庫(kù)接口操縱底層硬件，將系統(tǒng)硬件初始化代碼以及片上ADC數(shù)據(jù)采集代碼封裝成API層，供應(yīng)用程序調(diào)用．主控器通過(guò)I/O口連接外設(shè)，整合外設(shè)操作代碼為DEV設(shè)備驅(qū)動(dòng)層．基于TFTLCD顯示屏驅(qū)動(dòng)，移植Micriμm公司的開源μC/GUI程序庫(kù)，應(yīng)用程序通過(guò)調(diào)用μC/GUI程序庫(kù)的接口在液晶顯示屏上繪制程序界面．以上描述的系統(tǒng)軟件工程結(jié)構(gòu)如圖2所示．

圖2 系統(tǒng)軟件層級(jí)結(jié)構(gòu)

2．1 IR紅外解碼設(shè)計(jì)

紅外發(fā)射器使用市場(chǎng)上常見的小型紅外遙控器，當(dāng)用戶按下操作鍵時(shí)，該發(fā)射器與接收模塊之間通過(guò)紅外傳輸協(xié)議進(jìn)行通信，該協(xié)議描述如下:

1)以當(dāng)前時(shí)刻為0點(diǎn)，發(fā)送9 ms的脈沖信號(hào)，然后等待4．5 ms;

2)連續(xù)發(fā)送32個(gè)635 us的紅外脈沖信號(hào)，當(dāng)發(fā)送邏輯0時(shí)等待550 us，發(fā)送邏輯1時(shí)等待1 650 us．

3)發(fā)送635 us脈沖信號(hào)結(jié)束此次傳輸;

4)若用戶沒(méi)有釋放按鍵，則以0點(diǎn)為起始時(shí)刻，每隔108 ms重發(fā)該命令，重發(fā)時(shí)序如下所述;

5)發(fā)送9 ms的脈沖信號(hào)并等待2．2 ms;

6)發(fā)送635 us脈沖信號(hào)結(jié)束此次傳輸;

利用STM32芯片中定時(shí)器的捕獲功能，對(duì)OUT引腳的輸出信號(hào)進(jìn)行時(shí)間測(cè)量，可以很精確地獲取紅外接收到的32位數(shù)據(jù)．

2．2 應(yīng)用層主程序設(shè)計(jì)

APP層采用模塊化設(shè)計(jì)，每個(gè)模塊獨(dú)立為一個(gè)C源文件，并通過(guò)H頭文件向外部提供接口．主程序負(fù)責(zé)程序起始時(shí)硬件設(shè)備初始化，獲取紅外命令和更新命令，并將命令下發(fā)給相應(yīng)的模塊處理．

凍土是熱傳導(dǎo)，而多孔介質(zhì)卻是導(dǎo)熱和對(duì)流的復(fù)合作用。飽和含水土壤孔隙中充滿了水分，增大了土壤顆粒間接觸熱阻，使土壤蓄熱能力增強(qiáng)，對(duì)外界的傳熱則大大降低。同時(shí)，孔隙中水分凝結(jié)成冰時(shí)，將釋放大量的潛熱，使土壤平均溫度相對(duì)較高，土壤升溫又使管內(nèi)外溫度梯度降低，從而管壁熱流密度降低。

子程序包含系統(tǒng)初始化模塊、控件焦點(diǎn)調(diào)度模塊、點(diǎn)頻測(cè)量模塊、掃頻輸出模塊、頻率特性繪圖模塊、定時(shí)更新模塊、中文顯示模塊、讀取電壓模塊、計(jì)算頻率特性模塊．

應(yīng)用層流程圖如圖3所示．

圖3 主程序流程圖

2．2．1 點(diǎn)頻測(cè)量模塊

該模塊主要功能為在固定頻率下測(cè)量被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的頻率特性．模塊包含1個(gè)編輯框控件，當(dāng)該編輯框獲取用戶輸入焦點(diǎn)時(shí)，在數(shù)據(jù)兩側(cè)顯示“-”和“+”符號(hào)，提示用戶輸入加減命令設(shè)置輸出頻率．當(dāng)定時(shí)器產(chǎn)生該模塊的定時(shí)更新命令時(shí)，電壓增益與信號(hào)相移會(huì)被重新計(jì)算并刷新顯示到屏幕上，該模塊數(shù)據(jù)的更新周期為500 ms，程序流程圖如圖4所示．

圖4 點(diǎn)頻測(cè)量程序流程圖

2．2．2 掃頻輸出模塊

該模塊主要實(shí)現(xiàn)頻率的掃頻輸出，頻率的起始值、終止值以及步進(jìn)值均可設(shè)置，起始頻率的下限為1 MHz，終止頻率的上限為40 MHz，步進(jìn)頻率為100 KHz的整數(shù)倍且不可超過(guò)終止頻率與起始頻率的差值，當(dāng)掃描頻率超出終止頻率時(shí)，超出頻率加上起始頻率作為新的掃頻值．當(dāng)用戶修改掃頻參數(shù)時(shí)，該模塊修改定時(shí)器中相應(yīng)的更新周期參數(shù)，實(shí)現(xiàn)任意情況下掃頻時(shí)間均小于2 s．該模塊主要實(shí)現(xiàn)邏輯如圖5所示．

圖5 (a)更新命令處理流程圖

圖5 (b)“+”命令處理流程圖

圖5 (c)“－”命令處理流程圖

3 總結(jié)

針對(duì)以上問(wèn)題，可以采用以下方法進(jìn)一步完善掃頻儀性能:

1)購(gòu)買高質(zhì)量高精度電子器件，保證電路的對(duì)稱性和元器件的可靠連接;

2)采用工業(yè)制板和焊接，保證器件的連接完好;

3)為測(cè)量?jī)x配備專業(yè)的直流電源，降低電源引起的干擾，提高掃頻信號(hào)的信噪比;

4)增加無(wú)線wifi模塊，使用無(wú)線技術(shù)接入Internet;

5)研究和設(shè)計(jì)誤差補(bǔ)償方法，通過(guò)軟件修正的方式彌補(bǔ)硬件系統(tǒng)的不足，通過(guò)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行理論補(bǔ)償，提高掃頻儀的測(cè)量精度和準(zhǔn)度;

使用μC/OS-III嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多線程操作，并利用μC/TCP-IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制，提高儀器的智能化程度．

［1］關(guān)曉佳．基于DDS技術(shù)的信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)［J］．電腦知識(shí)與技術(shù)，2012，8(13):3196-3198．

［2］李超，謝雪松，張小玲．一種DDS任意波形發(fā)生器的ROM優(yōu)化方法［J］．電子技術(shù)應(yīng)用，2013，39(2):12-15．

［3］張濤，左謹(jǐn)平，馬華玲．FatFs在32位微控制器STM32上的移植［J］．電子技術(shù)，2010(3):25-27．

［4］晏英俊，張自強(qiáng)．基于STM32的步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)［J］．實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2010，13(6):59-61．

［5］Analog Devices．CMOS 300 MHz Quadrature Complete-DDSAD9854［M］．Analog Devices，1999．