（测试计量技术及仪器专业论文）基于dds技术的程控信号发生器的研究.pdf

摘要 直接数字频率合成( d d s ) 是七十年代初提出的一种新的频率合成技术，其 数字结构满足了现代电子系统的许多要求，因而得到了迅速地发展。本论文利 用单片机控制灵活的特点，开发了一种函数波形发生器。本文主要采用硬件电 路实现的方式对直接数字频率合成技术进行了研究，实现正弦波，方波，三角 波信号及各种波形信号的参数控制；应用树形数据结构实现动态菜单，实现智 能化的人机对话，操作简单。 首先，论文论述频率合成技术的发展，比较各种频率合成技术的特点，并 介绍直接数字频率合成技术的现状和发展趋势。 其次，介绍d d s 的基本理论以及数学综合，并对d d s 技术的理想频谱和 非理想频谱进行分析。 再次，在理论研究的基础上给出信号源的。设计方案、软硬件的具体实现。 硬件电路将整个系统分为单片机控制及接口电路、a d 9 8 3 5 芯片、滤波、幅度 控制以及波形转化和选择等模块，对各个硬件模块都给出了原理图并进行了分 析。 最后，软件部分采用k e i lc 语言编写，实现动态菜单、键盘扫描、波形选 择、频率进制转换、a d 9 8 3 5 接口调用、f s k 频率寄存器选择、幅值步迸增减 接口调用等功能。 实验结果表明，本文设计的基于d d s 技术的多波形信号源能够达到预先设 计的要求。 关键词：频率合成直接数字频率合成( d d s )单片机低通滤波器 r e s e a r c ho i lp r o g r a m m a b l es i g n a lg e n e r a t o rb a s e do nd d s t e c h n o l o g y a b s t r a c t d i g i t a l d i r e c t f r e q u e n c ys y n t h e s i s ( d d s ) i s an e w f r e q u e n c ys y n t h e s i s t e c h n i q u ei n t r o d u c e di ne a r l y7 0 s ，i t sd i g i t a ls t r u c t u r em e e t sm a n yr e q u i r e m e n t so f m o d e r ne l e c t r o n i c s y s t e m ，s ot h i st e c h n i q u eg r o w sr a p i d l y u s i n gs i n g l e - c h i p m i c r o c o m p u t e r ，t h i sp a p e rd e v e l o p e san e wf u n c t i o n w a v e f o r mg e n e r a t o r t h e p a p e rd i s c u s s e st h er e a l i z a t i o no fs i n ew a v e ，s q u a r ew a v e ，t r i a n g l ew a v es i g n a la n d v a r i o u sp a r a m e t e r so ft h es i g n a lw a v e f o r mc o n t r o l ，t h ea p p l i c a t i o no ft r e e - l i k ed a t a s t r u c t u r et oa c h i e v ed y n a m i cm e n u ，t h er e a l i z a t i o no fi n t e l l i g e n tp e o p l em a c h i n e d i a l o g u e f i r s t l y ，t h ed e v e l o p m e n to ff r e q u e n c ys y n t h e s i st e c h n i q u e i s e x p o u n d e d ， v a r i o u sk i n d sf r e q u e n c ys y n t h e s i st e c h n i q u e sf e a t u r ei sc o m p a r e d ，a tl a s t ，p r e s e n t s i t u a t i o na n dd e v e l o p m e n tt r e n d so fd dsa r ei n t r o d u c e d s e c o n d l y ，b a s i ct h e o r i e sa n dm a t h e m a t i c a ls y n t h e s i so fd d sa r ei n t r o d u c e d ， w h a t sm o r e ，i d e a lf r e q u e n c ys p e c t r u ma n dn o n i d e a lf r e q u e n c ys p e c t r u mo fd d s t e c h n i q u ea r ea n a l y z e d t h i r d l y ，d e s i g np r o p o s a lo fs u p p l yo s c i l l a t o ra n di m p l e m e n t a t i o n so fs o f t w a r e a n dh a r d w a r ea r eb r i n gu po nt h eb a s i so ft h e o r e t i c a lr e s e a r c h h a r d w a r ec i r c u i t d i v i d e st h ew h o l es y s t e mi n t os e v e r a lp a r t s ：s i n g l e - c h i pm i c r o c o m p u t e rc o n t r o la n d i n t e r f a c ec i r c u i t ，a d 9 8 3 5c h i p ，w a v ef i l t e r i n g ，a m p l i t u d ec o n t r o l ，w a v e f o r m c o n v e r s i o n ，w a v e f o r ms e l e c ta n do t h e rm o d u l e s e v e r ym o d u l ei sg i v e ne l e m e n t a r y d i a g r a ma n di sa n a l y z e d f i n a l l y ，s o f t w a r ei sc o m p i l e db yk e i lcl a n g u a g ei no r d e rt or e a l i z em o t i o n m e n u ，k e y b o a r ds c a n ，w a v e f o r ms e l e c t ，f r e q u e n c ys y s t e mc o n v e r s i o n ，a d 9 8 3 5 i n t e r f a c ec a l l ，f s kf r e q u e n c yr e g i s t e rs e l e c t ，a m p l i t u d es t e p p i n gi n c r e a s ea n d d e c r e a s ei n t e r f a c ec a l la n do t h e rf u n c t i o n s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l ts h o w st h a tm u l t i w a v e f o r ms u p p l yo s c i l l a t o rd e s i g n e d i nt h i sp a p e rb a s e do nd d st e c h n i q u em e e t sp r e l i m i n a r yd e s i g nr e q u i r e m e n t s k e yw o r d s ：f r e q u e n c ys y n t h e s i s ，d i g i t a l d i r e c t f r e q u e n c ys y n t h e s i s ( d d s ) ， s i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e r ，l o wp a s sf i l t e r 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行的研究工作 所取得的成果。尽我所知，除文中已经特别注明引用的内容和致谢的地方外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。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注明并表示感谢。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 蝴槲c 础马迅节 月 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解南京林业大学有关保留、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( 中国科学技术 信息研究所；国家图书馆等) ，允许论文被查阅和借阅瓠人授权南京林业大学 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，可以汇编和综合 为学校的科技成果，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 文全部或部分内容。 保密口，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密匝 ( 请在以上方框内打“ _ ) 学位论姗摊础，：马选卅年6 月日 指导教师( 本人签名) ：材准思 2 。1 年6 月2o 日 致谢 三年的研究生学习生活即将结束，过去的三年中，得到过许多老师、同学 和朋友无私的关怀和帮助。在这里我要向所有帮助、支持过我的人们致以最真 挚的谢意。 感谢我的导师封维忠副教授。导师不仅在学习上对我严格要求，而且在生 活上给了我无限关心和帮助。他学识渊博、思维敏捷、治学严谨、为人真诚， 使我在三年学习过程中不但获得了许多新的知识，而且学会了许多为人处事的 道理，将使我在今后的道路上得到很大的帮助。我为有这样的导师而感到非常 的骄傲，作为导师的学生，我又感到非常的自豪和幸运。 感谢我的家人对我的默默支持与无私奉献，他们的恩情与期望将是我奋进 的动力。 感谢新联电子的赵永春工程师，感谢他对我课题研究给予的无私帮助，正 是在他的帮助下，才使我能够顺利地完成论文。 感谢实验室中与我朝夕相处的袁哲、吴琼、张瑛、卢宏伟、陈彬、陈维、 吕开亮、辛克廷、胡莲成等同学给与我的支持和帮助，在此向他们表达我深深 的感激之情。 最后，谨向所有关心和帮助过我的人致以衷心的谢意 第一章绪论 1 1 研究背景及研究意义 1 1 1 研究背景 在最近的2 0 年，通信、雷达、宇航和遥感遥测技术的飞速发展，对信号源 的频率稳定度、频谱纯度、频率范围和输出信号的频率提出越来越高的要求。 为了满足现代通信、先进雷达的高指标要求，人们采用一种新的频率合成技术 直接数字频率合成( d i r e c td i g i t a ls y n t h e s i z e r - - d d s ) 。 直接数字频率合成技术是一种新的全数字的频率合成原理，它从相位的角 度出发直接合成所需波形。这种技术由美国学者j t i e r e y ，m r a d e r 和b g o l d t l b 于1 9 71 年首次提出，但限于当时的技术和工艺水平，d d s 技术仅仅在理论上 进行了一些探讨，而没有应用到实际中去。近3 0 年来，随着v l s i ( v e r yl a r g e s c a l ei n t e g r a t i o n ，超大规模集成) 、f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ，现场 可编程门阵列) 、c p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ，复杂可编程器件) 等技术的出现以及对d d s 理论上的进一步研究，使得d d s 技术得到了飞速的 发展。 1 1 2 课题意义 由于d d s 采用高速的数字电路和高速的d a 转换技术，与由锁相环构成 的频率合成器相比较，具有很多优点，如频率切换时间极短( ( 刀+ 1 ) 五刎，其中n 为 谐波的阶数，五似等于所要频带的上升沿。需要注意的是一个时钟频率消除了 玎埔阶谐波的同时也消除了低阶谐波。例如，当给定z 脚= 1 0 0 础z ，表2 1 给出 了时钟频率必须超过的数值以消除玎抽阶的谐波，因此大于5 0 0 k h z 的时钟频率 会消除所有通过4 呐阶的谐波，以此类推。 表2 1 避免谐波的时钟频率要求 聆旃阶的谐波 j 时钟频率z 腿必须超过( k h z ) i 23 0 0 3 4 0 0 45 0 0 7 使用最高有效位输出作为可编程时钟源 来自d d s 的数字正弦波形的最高有效位输出是方波信号，它的频率是由程 序设定的基本输出频率。在大多数应用中，最高有效位可以直接作为可编程时 钟源使用。在敏感度最差的情况下，对于任何给定的输出频率，最高有效位是 1 ( 2 f c l k ) ，其中f c l k 是系统时钟频率。只要最高有效位的敏感部件适合时钟的稳 定性需要，那它作为时钟脉冲源就非常合适。鉴于时钟与脉冲源的关系，时钟 频率最大时，敏感度将最小，而且受到最高有效位的敏感度影响的频率随着程 序设定的输出频率的不同而不同，如果频率设定输出是f c l k 的分数( 如： f o = f c i k 4 ) ，那末最高有效位输出的敏感度只取决于系统时钟的固有敏感度。对 于f c l k 的非整数，最高有效位的敏感度总体上会体现在低频，它会取决于系统 时钟与输出时钟的关系。在这种情况下，使用者必须根据经验对于时钟与输出 的方案估计最高有效位的敏感度。 2 4 理想情况下d d s 的频谱分析 理想的d d s ，是满足以下三个条件【2 4 】的d d s ： 1 没有相位截断，相位累加器的输出全部用来作寻址r o m 的地址码； 2 r o m 存储的幅度值没有量化误差，即正弦查询表r o m 中所存储的量化 正弦幅度值用无限长的二进制代码来表示； 3 d a c 的分辨率无穷大，并且d a c 具有理想的数模转换特性。 则d d s 的输出为： s ( f ) = s i n ( 2 万元，z 乃涉( f 一刀正)( 2 - 6 ) m ) = 1 。o 其t 他 t o 跏卜万善文警h 警卜盱亿7 ， 伽薹勋c 警h 一，警户( c o + n c o 。+ c o o ) 由式( 2 - 7 ) 可见，理想d d s 、的输出信号谱线仅位于n o ) 。( 刀= 0 , 1 ，2 ，) ， 而且所有的谱线都在s a i 丛半刀i 的包络内，如图2 4 所示 图2 4 理想d d s 的输出信号频谱 由n y q u i s t 采样定理可知，要输出理想波形，输出频率不能超过0 5 f o l k 。在 典型的d d s 应用中，d d s 后常接一个低通滤波器l p f ，用来滤除杂散信号， 而在实际中，低通滤波器l p f 都有一个过渡带的问题，所以为了更好的滤除杂 散信号，一般将d d s 的输出频率限制在0 4 0 f o l k 内。 由于孔径失真带来的s i n ( x ) x 包络，使得d d s 的输出幅度在n y q u i s t 带宽 内有大约3 9 2 d b 的下降。因此有的公司推出的d d s 芯片中含有一个特性为反 s i n ( x ) x 的预失真滤波器，它可以把d d s 的输出幅度波动限制在士0 1 d b 内。 2 5d d s 实际输出信号频谱分析 实际的d d s 并不满足理想d d s 的3 个条件，其输出的频谱实际上没有图 2 4 那样纯净，而总是含有杂散频谱的，了解这些多余谱线的分布及抑制的方 法，在d d s 的系统设计中是十分必要的。其中杂散主要来源有：相位截断误差、 1 4 幅度量化误差、d a c 非线性误差等，下面将分别介绍。 2 5 1 相位截断误差分析 为了取得精细的频率分辨率，d d s 的相位累加器的位数都取得非常大，如 取3 2 、4 8 、6 0 等，如果把相位累加器输出的所有位数全部用来查询正弦函数表， 那正弦表的容量会非常的大。比如相位累加器有3 2 位，正弦表数据为8 位，则 表的容量为2 3 2 8 = 3 4 ，3 5 9 ，7 3 8 ，3 6 8 ( b i t s ) ，如此巨大的容量难以实现。假如 能实现，其成本和稳定性也不容乐观。所以在d d s 中使用了相位截断这种方法， 它只取相位累加器输出的高多少位用来查表，而剩下的就简单的丢弃了。可想 而知，这样做会使查表的相位值产生误差，导致输出的正弦幅度值也产生误差。 表现在输出的频谱上就会有杂散信号存在。杂散【2 l 】是d d s 频谱研究的重要内 容，下面将给予讨论。 设相位累加器位数为n ( b i t s ) ；相位累加器的输出位数为a ( b i t s ) ：截断 的位数为b ( b i t s ) ；显然有：b = n a ； 此时d d s 的输出为： s ( f ) = s i l l 2 万石胛乏+ e ( n ) h ( t - n t c ) ( 2 - 8 ) 其中，p ( 刀) 表示由于相位截断而引起的相位误差。式( 2 - 8 ) 中 厶= 等j e s t 。 ( 2 9 2 ) 2 鬲。 l 。j 其中k 为频率控制字。 理想情况d d s 的正弦输出波形幅度序列为： s ( 玎) = s i i l b 等1 ( 2 经过b b i t s 的相位舍位后，其正弦输出波形幅度序列为： 洳) s ；n 卜歹k m ( ；刀) ) ( 2 - 1 1 ) 该式还可以表示为： s ( 誓) “n 嘉 砌一绵( 理) 卧 ( 2 - 1 2 ) 其中，邱( 刀) 表示由于相位舍位而引起的相位误差序列； 绵o ) 还可以从图2 5 中更直观的表示出来。误差序列s ，g ) 相当于对如图2 5 所示的连续锯齿波的采样，锯齿波的幅度为2 b ，周期为k 2 口。 2 幅度 周期 图2 5 相位误差序列示意图 为了分析绵( 刀) 的频谱特性，必须计算出郇( 刀) 的傅里叶级数表达式。而由图 2 5 可看出，其连续锯齿波在不连续点处为零值，这点不满足求傅里叶级数 d i r i c h l e t 条件。d i r i e h l e t 条件要求在不连续点要取其平均值，令连续锯齿波在 不连续点处的值为2 b ，同时在不连续点处再加上一负脉冲其幅度为2 口2 。由此 可以得出： 占p ( 刀) 的傅里叶级数表达式为： 邱( 玎) = 善。磊2 bs m ( 2 册拳刀) 一筹耋罴s m ( 等) c 。s ( 2 万聊参门) c2 - 3 ) 其中，a = 7 = j 为脉冲序列的周期，( 口，6 ) 表示a , b 的最大公约数。 i2 廿，kl 、 由式( 2 13 ) 得出，唧0 ) 的最大周期为2 b ，若2 8 与k 的公约数不为1 ，则该序 列的采样重复周期为a = 万i ，由于在频域上的谱线是对应f o = o 轴对称， i 二氏i 所以。o ) 谱线数量为i a 。式( 2 - 1 3 ) 中的左边第一项为连续锯齿波的傅里叶级 数表达式，进一步简化为： 州= 筹争( 舟n ( 2 所万刎( 2 - 1 4 ) 洲= 一筹( 2 万m 拳刀) 式( 2 1 4 ) 和( 2 15 ) 合并为： 1 6 ( 2 1 5 ) 咖，= 筹酗( 净n ( 2 万聊割( 2 万聊别( 2 - 1 6 ) 将式( 2 - 1 6 ) 表示为复数的傅里叶级数的形式如下： f 聆1 = 挚fp ，( 2 砌参) 已c o t ( 予) 酃( ，z ) = 己p 。r ”2 占七一l 爿 ( 2 1 7 ) 其中 磊= 和e c ( 筹) ( 2 - 1 8 ) 我们所需求的杂散频率厶的范围为0 厶2 ，现在引入归一化杂散频率 i i 。：辱兰，这时在频谱轴上的所有杂散的位置都为整数值。这时对应第m 个杂 jc l k 散的频率值为： ( 册r ) = 正l ( 2 1 9 ) 其中，r 2 丽k 根据e u l e r 理论，由式( 2 18 ) 式可求小m 值为 m - - ( z l 。r 剧2 q ) _ ( 2 - 2 0 ) 由于采样时镜像频率的存在，使得杂散幅度为六时的杂散频率不在 0 厶 f c l k 12 的范围而是在0 厶 厶。在根据上式计算出的m 值在0 m a 2 时，其杂散频率厶的范围为：0 厶 f c t 。12 ，若l ：1 1 值在0 聊 a 时，其杂散频 率厶的范围为：0 厶 厶。因为式( 2 - 2 0 ) 是对? j r = 彳2 轴对称，所以计算出 的m 值在彳2 m a 之间时，只需要将m 用a 一聊代替即可解决频率镜像问题。 根据上面的分析，对相位误差函数绵g ) 的离散频谱分析可总结如下： j , b - i 1 绵( 刀) 产生的杂散数量为兰= 2 【k ，2 。j 2 知2 躲雠糊鼢椭吨 j 蠢 3 由归一化杂散频率石，可求出杂散幅度厶所对应的m 值为： 1 7 聊2 【石f 剧2 1 ) 4 根据m 值可求出其杂散幅度为磊百2 bc 0 s p c 滢) 将( 2 1 2 ) 式展开有： 小声m ( 2 石割c o s p 州等 - c o s ( 2 专刀) 咖p 州学 ( 2 - 2 1 ) 因为嘲 4 9 ，两者交换，此 时1 = 3 ) ： i a 1 】 a 2 】 a 3 】 a 【4 】a 5 】a 6 】a 【7 】i i 2 73 84 99 77 61 36 5 进行第j 次交换后( 按照算法的第五步将又一次执行算法的第三步从后开始找) ： ia 【1 】a 2 】 a 3 】 a 【4 】 a 5 】 a 6 】a 【7 】i l 2 73 81 39 7 7 64 96 5 进行第四次交换后( 按照算法的第四步从前面开始找大于x 的值，9 7 4 9 ，两者交换， 此时j = 4 ) ： a 【l 】a 2 】a 3 】a 4 】a 5 】a 6 】a 7 】 ： i 2 73 81 34 97 69 76 5 此时再执行第三步的时候就发现i = j ，从而结束一次快速排序，那么经过一次快速排 序之后的结果如上表所示，即所有大于4 9 的数全部在4 9 的后面，所有小于4 9 的数全部 在4 9 的前面。 后续排序继续递归调用此过程。在以4 9 为中心点分割这个数据序列，分别对前面一 部分和后面一部分单独进行类似的快速排序，从而完成全部数据序列的快速排序，最后把 此数据序列变成一个有序的序列。根据这种思想对于上述数组a 的快速排序的全过程如 下所示： 初始状态： la u a 2 】a 3 】a 4 】a 5 】a 6 】 a 【7 】l 艮熊二 h “ ” ”0 蚴 i 滋盏洫 受数落b i i搋热、囊k鼢溉黢函盔磁涮鬟掇貔燃 进行一次快速排序之后以4 9 划分为两部分数组： f a 1 】 a 2 a 3 】a 4 】a 5 】a 6 】 a 【7 】1 匕 r激翻4 9 篷。滋蕊：i ； “1 二。；缁。盈 自菇自f ；埯：；端自；i ；龇曼霪龇翩 分别对前后两部分进行快速排序： 最终的结果即为： i ja 【1 】h i 2 】 a 3 】 a 【4 】a 5 】a 【6 】a 7 】； i 1 32 73 84 96 57 69 7 根据这个思想，在本程序中，需要排序的全有序数据为： m e n u n o d ex d a t a 堆i d a r r y m a x _ n o d e s ； 为了节省空间，数组里面存放的数据为节点的指针，排序是根据节点的唯一性i d 标 志进行比较的。快速排序的代码如下： u c h a rs o r t ( u c h a ri s m r t , u c h a ri e n d ) u c h a r i r e t = k e 砭s u c c e s s ； u c h a r i ，j ； m e n u n o d ex d a t a 木p m i d d a t a = n u l l ； i f ( i s t a r t i e n d ) p m i d d a t a = i d a r r y i s t a r t ； i - - i s t a r t ； j = i e n d ； w h i l e ( i = p m i d d a t a - i n o d e l d ) j ； i f ( i 勺) i d a r r y i + + = i d a r r y j ；将比枢轴记录小的记录移到低端 w h i l e ( i i n o d e l d = p m i d d a t a - i n o d e i d ) ，i h ； i f ( i r e t u r ni r e t ； 2 按节点标志i d 查找某菜单项 插入一个菜单节点的时候，需要根据父节点i d 定位到父节点，然后建立父子关系。 而目前所有的菜单节点均是在一个数组中存储，而且经过快速排序，是一个有序序列。对 于8 位的单片机来说，运算能力十分有限，遍历查找显然是不合时宜的，时间复杂度大。 所以本程序采用了二分法查找。二分法又称“折半查找”，具体思想是先确定待查记录所 在的范围( 区间) ，然后逐步缩小范围直到找到或找不到该记录为止。 折半查找特点可以用二叉判定树来描述。 1 折半查找在查找成功时，和给定值进行比较的关键字个数至多为r l 0 9 2 n1 + 1 ，查找不成功时的比较次数最多也不超过广l 0 9 2 n - i + 1 。 2 折半查找在查找成功时的平均查找长度为：a s l = l 0 9 2 ( n + 1 ) 1 ，折半查找的平均 性能和最坏性能相当接近。 3 折半查找优点为查找的效率比顺序查找高。局限性为要求查找表有序，而且只适 用于顺序存储结构。 折半查找的具体步骤为首先以整个查找表作为查找范围，用查找条件中给定值k 与 中间位置结点的关键字比较，若相等，则查找成功，否则，根据比较结果缩小查找范围： 5 2 1 如果k 的值小于中间结点关键字的值，根据查找表的有序性可知查找的数据元素 只有可能在表的前半部分，即在左半部分子表中，所以继续对左子表进行折半查 找； 2 如果k 的值大于中间结点关键字的值，则可判定查找的数据元素只有可能在表的 后半部分，即在右半部分子表中，所以继续对右子表进行折半查找。每进行一次 折半查找，要么查找成功，结束查找，要么将查找范围缩小一半，如此重复，直 到查找成功或查找范围缩小为空即查找失败为止。 例：有序表中关键字为( 1 0 ，1 5 ，1 8 ，2 0 ，2 6 ，2 8 ，3 3 ，3 6 ，3 8 , 4 3 ，4 9 ) ，查找1 8 的示意图如图 5 3 4 和图5 3 5 所示。 o1234567891 0 l t 胃r o l i i 酾 r i 曲= l o 第一次比较1 8 1 ) l i l e n d o ) b r e a k ； i m i d = ( i f i r s t + i e n d ) 2 ； i f ( i d a r r y i m i d - i n o d e i d ! = i l d x & & i m i d o ) i f i r s t = i d a r r y i m i d - i n o d e i d ； p r i n t f ( ”错误，节点中没有找至l j d l ! h a , i i d x ) ； r e t u l l ln u l l ； ) e l s ei f ( i d a r r y i m i d 一 i n o d e i d = = i i d x ) | | 正好是 r e t u r n i d a r r y i m i d ； e l s ei f ( i d a r r y t i m i d - i n o d e l d i n o d e l d i i d x ) 在左边 i e n d = i m i d ； c o n t i n u e ； ) r e t u r nn u l l ； 其中全局变量g _ i n o d e n u m 记录了树节点个数的总数。比较的元素是菜单节点的唯一 性i d 标识。 5 3 7 树的遍历( s c a n ) 树的遍历是树中最重要的运算之一，顺着某一条搜索路径循序访问树中的每一个结 点。使得每个结点均能被访问到，而且仅被访问一次。这样一个过程称之为“遍历 ，其 中“访问”的含义可以很广，如输出结点的信息、比较节点某个值大小等。本程序在外 层构建液晶显示内容的时候对树进行了遍历，提取出树的父子关系，每四个节点一组，构 建成一个四维显示数组，送给液晶显示库显示。 5 3 8 销毁树( d e s t o r y ) 在程序结束之前，必须要把原先申请的内存释放，以防止程序c o r e d u m p 。方法是先 遍历所有的节点，然后使用f r e e ( v o i d * f i r s t b y t e ) 函数逐个删除。注意，f r e e 函数的参数是 一个指针，但是调用之后，释放的是内存，不是指针! 这点非常重要! 指针是一个变量， 只有程序结束时才被销毁。释放了内存空间后，原来指向这块空间的指针还是存在，只不 过现在指针指向的内容的“垃圾”，是未定义的野指针。因此，释放内存后需要手工把指 针指向n u l l ，防止指针在后面不小心又被引用。 5 3 9 程序创建的菜单结构 如图5 3 4 所示，菜单共有三层，其中第二层前三个菜单：波形选择、频率输入、f s k 方式是一个整体，三者必须都经过选择才能进行幅度增加减少操作。另外，如果在某个选 择界面时，键盘按下了“r e t l l r r l 键”，则跳出菜单根节点界面( 第一层) ，然后再选择需 要第二层菜单，进入某项重新选择或赋值，完成之后仍然按遍历顺序进行下个菜单的处理。 5 4 键盘扫描软件 图5 3 4 菜单结构图 键盘扫描是本程序的核心模块之一。该模块实现了用户人机交流，用于识别用户的按 键动作，得到具体的按键值，并根据按键值触发相应的动作，比如改变显示界面、改变选 择项等。键盘按键的分布图如图5 4 1 所示： 5 4 1 键盘模块核心函数 木键盘扫描，判断按键值木 u c h a r k e y s c a n0 ： 图5 4 1 键盘分布图 木根据内部值，转换为a s c i 值水 u c h a rg e t k e y ( u c h a ru c k e y v a l u e ) ： o o o o o o o o o o o o o 木等待按键、构建显示数组木 u c h a rk e y p r o c e s s c o m m ( c m d l n f o * p c m d ，b o o l * p b r e t u r n ，u c h a rs d s p 4 1 6 3 ) ： 木等待任意按键木 v o i d w a i t k e y p r e s s0 ： 序得到按键数值木 l o n gg e t n u m ( u c h a ru c k e y v a l u e ，b o o lb o r e r ) ： 木中断函数木 v o idx n t os v c ( ) i n t e r r u p t0 5 4 2 键盘扫描( k e y s c a n ) 键盘按键采用中断触发的方式，在中断函数设置中断变量来实现。 v o l a t i l eu c h a r g _ u c f l a g l n t = f a l s e ； 中断标志声明一个v o l a t i l e 类型的全局变量，用以记录是否有中断信号产生。没有中 断的时候此变量为f a l s e ，有中断产生的时候在v o i di n t os v c oi n t e r r u p t0 函数中对 gu c f l a g l n t 赋值为t r u e 。为何必须使用v o l a t i l e 类型? 因为访问寄存器的速度要快过 r a m ，所以c 编译器会作一个减少存取外部r a m 的优化动作，每次首先访问某变量在 寄存器的副本。但是如果此变量是状态寄存器、中断服务子程序的非自动变量等，此变量 会被某些编译器未知的因素更改，也就是原始内存地址里面的值发生了改变，而寄存器的 副本并没有改变。这种情况下，如果还是使用的寄存器的副本，就会对运行结果产生错误 的影响。故使用v o l a t i l e 这个修饰符，就是告诉c 编译器变量不需要做优化，每次均从所 在的内存读取数据。 键盘扫描主循环中，是一个w m l e 循环，实时对gu c f l a g i n t 进行判断。如果发现 gu e f l a g i n t 等于t r u e ，则表示已经有按键信号产生。接下来做进一步分析按的是何健。 因为键盘是行列式键盘，以单片机p 1 口驱动，所以软件层面检测按键的核心思想是通过 p 1 端和o x f o 进行& ( 与操作) ，看看是否高4 位有值的变化。如果结果不等于o x f o 证明某行有键按下，否则为没有。如果某行有键按下，需要延时几毫秒去干扰。延时的原 理就是做一个n 次的循环操作，因为单片机执行每个指令均有固定的周期，所以可以根 据循环次数大致推算出延时的时间。如果没有延时操作，可能得出的键值为一奇怪数值， 得到的按键值和实际值不符合。行检测之后，继续检测列，即执行p 1 & o x o f 操作。如果 结果不等于o x o f ，则把上面得到的行的值和列的值进行“i ”或操作，即得到了按键的具 体内部值。 5 4 3 转换值( g e t k e y ) 通过行列扫描，我们得到了按键的内部值，但是这个值不是按键字面上的意思( 比如： 1 、k 、m ) 。要得到正确的a s c i i 码还得进行一次转化。g e t k e y ( ) 函数中建立了一个内部 值和a s c i i 码对应关系的字典。根据输入的内部值，查找到对应关系，返回键盘对应的 a s c i i 码。 5 4 4 菜单等待按键主程序( k e y p r o c e s s c o m m ) 键盘扫描程序需要和菜单相结合，构建液晶显示数组。因为每个菜单项都可以按键选 择，但是可以接受的按键值类型可能各不相同。比如屏幕显示“波形选择”这个菜单项时， 可以输入的键为“f 、“l 或者“1 、“2 ”、“3 ，“e n t e r ，而“输入频率值 这个菜单项可以输入任意数字和“k ”、“m 、“e n t e r 、“r e t u r n ”。这些功能都在 k e y p r o c e s s c o m m ( c m d l n f o 木p c m d ，b o o l 幸p b r e t u r n , u c h a rs d s p 4 1 6 ) 实现。其中参 数c m d l n f o * p c m d ，是菜单取值结构体，包括取值类型、具体值等。菜单取值的结构如 下列所示： t y p e d e fs t r u c tc m d l n f o l o n gf v o l t a g e ： 频率值 k e y t y p ei t y p e ：要求类型 u c h a ris e q ； 第几个选择 u c h a r i v a l u e t y p e ：值类型 u c h a r i w a v e t y p e ： 1 正弦波2 锯齿波3 方波 u c h a r i f r e q u e n c y t y p e ：f s k 乡肇型 c m d l n f o ； 这个实例是在m a i n 函数中申请的，调用k e y p r o c e s s c o m m 的时候，仅仅传入此实例 指针，通过结构体内部数据i t y p e 会判断本次菜单需要接收的是一个什么类型的数值。 i t y p e 取值类型枚举值如下： e n u mk e y t y p e a l l t y p e= 0 ，无控制，任意值 n u m t y p e= 1 ，只允许数字 n u m _ d i r e c t _ t y p e = 2 ，输入一个数字、方向，以e n t e r 结束 n u m a r r y _ t y p e= 3 ，输入任意数字序列，输入方向无效 e n t e r _ r y p e= 4 ，只有e n t e r d i r e c u y p e= 5只允许方向 5 2 ： 菜单可以接受的按键类型需要在菜单建立时候确定，见菜单树i n s e r t n o d e 函数最后一 个参数i t y p e 。 b o o l * p b r e t t t m 参数判断是否按键是“r e t u i l c l 的依据，在此函数外层检测到是 “r e t u r n ”的话，则程序重新进入第一层主菜单选择。s d s p 4 1 6 参数是液晶屏显示缓存， 4 聿1 6 个字节，用于每次生成显示数据。由于液晶屏只有4 行，所以必须要控制上下键的 使用。比如目前显示下标“ 指示的是第4 行，再按键“i 或者按键“5 ”等均不能 回应，否则会出现越界。所以程序使用了一个静态变量控制按键的范围。 s t a t i cu c h a ru c p r e k e y = l ： u c p r e k e y 初始化为第一行“1 ，相当于默认显示下标“ 在菜单2 行( 注意c 语 言数组下标从o 开始) 。如果按键在1 ，一3 之间，则显示下标“ 跳到该行。因为 s t a t i c 类型的变量在全局数据区，程序创建即已放进内存，所以这种类型的变量有别于函 数中的“临时变量”( 每次调用此函数时申请内存，函数结束时删除内存) ，这种静态变量 具有“记忆”的特性，所以正好可以用来“记住”上次的选择。 对于“输入频率值”菜单，可以输入任意数字、字母序列，以e n t e r 结束，输入方向 无效。这就要求多次等待输入数字或者“k ”，“m ”等字母。比如，第一次输入“1 ， 第二次输入“2 ”，第三次按“e n t e r ”，则输入的频率即为1 2 h z 。对于这种要求，在函 数g e t n u m ( ) q b 声明了一个静态字符串缓存。在非e n t e r 的情况下，数组均放入具有“记忆” 功能的数组，利用b o o lb o r e r 控制是否需要转化值，写入数据的时候调用方法为 g e t n u m ( u c k e y v a l u e ，f a l s e ) 。一旦按键为e n t e r ，则需要把“记忆”的数组转化为长整型 数。调用方法为g e t n u m ( u c k e y v a l u e ，t r u e ) 。函数代码如下所示： 产得到按键序列数值书 l o n gg e t n u m ( u c h a ru c k e y v a l u e ，b o o lb o v e r ) s t a t i cu c h a r s s t r n u m m a x _ a r r y _ n u m ； s t a t i cu c h a r u s e q = 0 ； i f ( b o v e p t r u e ) i f ( u s e q 0 ) u s e q = 0 ； r e t u r na t o l ( s s t r