基于ARM的∑-Δ模数转换的实现

第1页基于ARM的-模数转换的实现摘要：采用ARM设计的方法，研究了的-模数转换,并且设计了4种工作模式，这个四种模式是:模式1，采样频率为100Hz，采样位数为12位；模式2，采样频率为1600Hz，采样位数为8位。模式3，采样频率为100Hz，采样位数为16位。模式4，采样频率为1600Hz，采样位数为16位。并把四种模式采样到的波形清晰地显示在LCD上，除此以外本次设计还用到了很多比较特殊的算法,其中最重要的是CIC软件滤波,其核心思想是对信号的积分运算,本质上也可以理解成累加运算,这一核心的运算我将会在下面详细的介绍,与此同时还用到了ARM开发板里的按键等硬件,与按键配合使用可以实现模式的切换以及波形的放大选择,这在下面设计中也会提到。关键词：ARM；LCD显示;CIC滤波随着时间的推移,电脑可以识别离散的数字信号。在研究过程中,需要正确处理这些信号,如测试、转换、过滤等,可以使用计算机进行处理。这就需要进行A/D转换,将模拟信号转换成数字信号。目前,随着数字音频技术的快速发展,16位高分辨率A/D转换器已经被广泛使用。在高分辨率时,如果用传统的奈奎斯特采样率的A/D转换器采样实现是非常困难的，基本上很难用于高精度、高速度的场合。首先,从系统的角度,根据音频ADC(模拟-数字转换器)的总体性能要求，对-A/D转换器属性和优缺点进行了分析,选择合适的结构。先确定调制器结构,然后分析影响结构的每一个电路模块和电路模块的设计指标,最后,根据这些指标,完成电路设计。第1章概述第1.1节研究状况A/D转换的方式有可以大致分为3种，分别是逐次逼近法、双积分法以及电压频率转换法。逐次逼近式A/D转换器，是一种最为常见的A/D转换器，这种转换器虽然制作成本第2页相对比较高，但是他可以进行高位数的转换，因此它的精度比较高，可以达到微秒级别。双积分A/D转换器这种方式也是可以实现A/D转换的功能，但和逐次逼近A/D转换器相比，积分法所得到的A/D转换的结果，误差会比逐次逼近法大的多。第2章系统硬件设计第2.1节硬件设计要求设计要求比较电路的基准电压为2V，在如图2-1所示的C点的1位数据流是TTL电平，1阶-调制器电路图2-1所示：图2-11阶-调制器电路图第2.2节基于ARM的-A/D转换器设计并制作1阶-调制器，并在此基础上设计并制作-型A/D转换电路，电路结构如下图2-2所示。图2-3-A/D转换的构造图-A/D转换器主要由ARM模块、电源模块、减法器模块、积分器模块、锁存比较器模块、数字滤波模块以及LCD显示模块等部分组成。硬件软件总总体设计思路，如下图2-3所示：第3页开始系统需求分析软硬件功能规划硬件接口设计软件模块规划硬件设计硬件调试软件模块开发软件调试系统联调分析原因结束满足要求NY图2-3硬件软件设计思路图第3章软件设计第3.1节软件的实现要求基于ARM的-A/D转换器的采样要求，大致可以分成4中工作模式：(1)、采样位数：12位,采样频率：100Hz；(2)、采样位数：8位,采样频率：1600Hz；(3)、采样位数：16位,采样频率：100Hz；(4)、采样位数：16位,采样频率：1600Hz。基于ARM的-A/D转换器的显示要求，大致分成以下几点：第4页(1)、-型A/D转换电路在进行数据显示时，要求采样的波形要连续，并且显示的点至少要250个点。(2)、在屏幕上显示一个光标，并且在移动光标时能够对应的显示对应波形点的数据。(3)、在屏幕上实时显示A/D采样输出的利用连续1秒的采样数据的方差2。第3.2节总程序设计以及流程图系统软件基于ARM系统STM32F103Z开发，在主程序中，首先对LCD等进行初始化，给任务变量赋初值，在数据采集后进行数字滤波以及数据转换并送LCD显示，同时等待中断。进入中断后，任务全局变量外部有输入时/进行采样及数据处理，然后数据更新显示，等待下一次中断执行各任务。程序框图3-1所示：图3-1程序框图软件的结构框图，如图3-2所示：图3-2软件的结构框图第3.3节主函数（main.c）主函数的流程图，如图3-3所示.第5页开始库的调用、变量的定义ADC1的初始化；LCD出使化；按键初始化；定时器、PWM初始化；窗口初始化。IntmainWhile（1）状态处理按键处理显示（数字、波形）滤波处理结束图3-3主函数的流程图第3.4节CIC梳状滤波器(CIC_filter.c)CIC滤波器是一种实现抽取或者插值的高效滤波器并且可以降低或提高采样率。它是由抽取器、梳状滤波器、积分器（累加器）构成。CIC软件24阶滤波的设计流程图，如图2-4所示:第6页开始8位加法、减法、存储器结束8位加法、减法、存储器8位加法、减法、存储器图3-424阶CIC滤波器CIC滤波的好处是不需要乘法器，只是纯粹的加法和减法，这样减少了CIC滤波的计算量，提高了CIC滤波的滤波速度，一旦我们在ARM中写这种方法时，不会大大的降低ARM的速度，这样我们既节约了ARM的资源，而且实现起来比较简单，又可以利用这些资源来做其他部分的优化处理。第4章调试及结果第4.1节调试硬件和软件的配合协议积分器的输入端A：接的是ARM的PC4；积分器的输出端B：接的是ARM的PC5；1位锁存器输出端C：接的是ARM的PD6；主时钟：接的是ARM的PB5；硬件、软件的配合图4-1所示：第7页图4-1硬件、软件的配合图第4.2节测试信号与ARM的LCD输出测试信号:50HZ的正弦信号,峰峰值是2V如图4-2所示;图4-2测试信号四种工作模式下的图片总览图4-3所示:第8页图4-34种模式总览例如:在模式一下采样位数：12位,采样频率：100Hz;，放大一如图4-4所示:图4-4放大一放大二如图4-5所示:图4-5放大二第4.3节实际示波器显示波形实际示波器测得A、B、C、D的波形如下图4-6所示：第9页图4-6A、B、C、D实际波形结论基于ARM的-模数转换的实现的设计，我一直坚持着低功耗、高精度的设计理念，从而使这种采样方式进一步的发挥了它的优势，在最后的硬件和软件的配合使用中也实现了稳定，保证了精度，也实现了低功耗，从而也完美的达成了设计的各项指标，使本次的毕业设计变得更加的具有意义。参考文献1.张乐乐,张子阳,张启升.-模数转换器工作原理及简单分析J.电子设计工程,2013,(8).2.赵波,董颖华,李保婷.智能仪表中-模数转换器的硬件实现J.现代测量与实验室管理,2011,(1).3.王芸.一种-模数转换器J.电气电子教学学报,2011,(1).4.王国鹏.一个压力传感器应用的-模数转换调制器J.电子与封装,2007,(12).5.曹政新,胡平,孙烨辉,许长喜,李奇,熊绍珍.一种采用数字激励测试的MASH结构模数转换器J.固体电子学研究与进展,2008,(1).6.阙大顺,高勇,王燕莉.-模数转换器工作原理及应用J.武汉理工大学学报(交通科学与工程版),第10页2003,(6).7.金旭东,于向军,吕震中.-模数转换在风粉测量中的应用J.微计算机信息,2003,(9).8.张中平.-模数转换器的原理及应用J.电子器件,2003,(4).9.程见洲.数字滤波器在-模数转换器中的应用J.新技术新工艺,2001,(9).10.张亮,孟庆昌,华正权,高光天.-模数转换器基本原理及应用(1)J.世界电子元器件,1997,(1).致谢丁老师是我的班主任，更加幸运的是带了我最后的毕业设计，他是我的启蒙老师，我从内心深处的感谢他。我很庆幸我能够在苏州大学应用技术学院度过了我整个大学生涯，我一点都没有后悔，因为我觉得很幸福、很满足，我遇到了很多很多好老师，他们除了教我们一些专业知识，他们教会了我很多社会上的经验，这可是书本上学不到的东西。本次毕业设计能够成功完成，我要十分感谢我的指导老师丁老师，以及帮助过我的所有同学。我衷心的感谢你们。第1页附录1：原理图0KR28564739kGNDUi减法器nFC积分