双路低频信号发生及分析仪的设计

双路低频信号发生及分析仪的设计【摘要】本系统以一块STC12C5A60S2单片机为主控制器，辅以另一块同型号单片机，用于产生两路幅度、相位、频率、占空比等参量可预置的信号；通过加法器将双路信号进行叠加；经采样将信号送入MSP430单片机进行FFT快速傅氏变换运算，在频域内对波形信号的各个频率分量以及幅度等进行分析处理；通过单片机之间的串口通信将处理结果送回主控制器并通过LCD液晶进行结果显示。【关键词】MSP430；STC12C5A60S2；FFT；频谱Abstract：Inthesystem，aSTC12C5A60S2MCUasthemaincontroller，supplementedbyanotherpieceofthesametypeofSCM，togeneratetwosignalswhoseamplitude，phase，frequency，dutyratioandotherparameterscanbepreset.Dualarbitrarysuperpositionofthesignalcanbeachievedthroughtheadder，thenbysampling，thesamplingsignalissenttotheMSP430MCUtotakeFFTFastFouriertransformoperation，sowecananalyzeandprocessthefrequencycomponentsandamplitudeofthewaveformsignalsinthefrequencydomain，andthenthroughtheserialcommunicationofbetweentheMCU，theresultsaresenttothemaincontrollerandareshowedbyLCDliquidcrystaldisplay.Keyword：MSP4302G2553；STC12C5A60S2；FFT；FrequencySpectrum信号发生器是一种常见的应用电子仪器设备，传统的信号发生器由硬件电路搭建而成，不能实现智能控制，这种电路存在波形质量差，控制难，可调范围小，电路复杂和体积大等缺点。在科学研究和生产实践中，如工业过程控制、生物医学、地震模拟机械振动等领域对信号源有更高的要求，因此，设计高性能、智能化的信号发生器成为人们研究的热点。单片机是一种集成的电路芯片，它采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM等功能集成到一块硅片上构成一个小而完善的计算机系统。它承担了大中型计算机和通用微型计算机无法完成的具有优异的性能价格比，控制功能强，集成度高，体积小可靠性高低电压低功耗1。因此在各个领域中都得到了迅猛的发展，在智能仪表系统和办公共自动化等领域也得到广泛的应用，本文的双路低频信号发生及分析仪的设计就是基于单片机来实现的。1.总体方案论证双路低频信号发生及分析仪可分为模拟类和数字类两大类2。利用STC12C5-A60S2单片机作为主控芯片，先输出控制波形的数据存储在24C64内串口连接另一块STC12C5A60S2单片机作为从控器，由主控器控制同时输出两路波，并且编程通过数模转换器DAC0832实现正弦波、矩形波、三角波和锯齿波的输出该方案用到了FFT算法3。由于STC12C5A60S2单片机的RAM容量不够，且不能得到外扩的RAM，所以我们添加了FLASH容量较大的MSP430单片机来处理FFT算法，并且与STC12C5A60S2单片机进行串口通信。该方案对程序要求较高，但是硬件电路相对简单易于实现，且波形的稳定性较好，且特性容易实现程控。根据设计目标，系统的基本电路主要包括电源模块、控制器模块、信号发生模块、按键选择模块、滤波模块、AD采样模块、电平转换模块、时钟模块、放大模块、信号叠加模块和显示模块等。系统结构图如图1所示。MSP430是具有超低功耗的16位单片机，且内部嵌有60K的FLASH，支持汇编语言编程方式，完全有能力处理FFT算法，且单片机的超低功耗。采用STC12C5A60S2作为控制核心，加密性强，超强抗干扰，超低功耗，I/O驱动能力更强，内部集成可靠复位电路。利用STC12C5A60S2单片机编程通过数模转换器4AC0832实现正弦波、矩形波、三角波和锯齿波的输出，该方案对程序要求高，但是精度较高，对硬件电路要求简单易于实现。由于MSP430单片机和STC12C5A60S2单片机之间要进行串口通信，但是两种单片机的高低电平不匹配，所以要采用一个电平转换电路，原理是：利用过零比较器4将MSP430单片机的高低电平（0V3V）转换为STC12C5A60S2单片机的高低电平（0V5V）。128X64点阵LCD液晶显示，LCD液晶可轻松实现字母、汉字、图像等的显示，控制简单，由于我们需要显示的内容较多，所以采用此液晶显示。采用有源滤波电路，可使负载不影响滤波特性，为了产生稳定性高、噪声低的低频信号，我们选择有源带通滤波电路2，以达到较好的滤波效果。我们采用自制的基于稳压芯片LM317和LM337的线性稳压电源，输出正压范围：1.3V18V可调，负压范围：-18V1.3V可调，输出稳定，性价比高。2.理论分析本设计的频率分辨力为10Hz，这说明在进行FFT运算前必须通过调整采样频率（）和采样的点数（N），使其基波频率为10Hz。根据频率分辨率与采样频率和采样点数的关系：可以得知：又根据采样定理，采样频率必须不小于信号频率fm的2倍，即。最大的信号频率为2KHz，所以采样频率必须大于4KHz，考虑到FFT运算在2的次数的点数时的效率较高，所以我们在10Hz时选择5.26KHz采样率，采集512个点。其次，信号发生器产生的正弦波是不完美的，是离散的信号，为了得到比较平滑的波形，我们设计带通滤波器，滤波范围是900HZ2100HZ。设计中心频率为：，下限截止频率为：，上限截止频率为：。首先设定，令，由公式：，得，即，。再由公式2和得，又由，。通过MATLAB软件产生正弦波、矩形波、三角波、锯齿波等波形的函数表，通过查表法将数字量送往数模转换器DAC0832产生波形。在最大信号的频域范围内，我们通过FFT快速傅里叶变换分析出不同的频率点和其对应的幅值。其对应的计算式分别为：=（n-1）*/，其中为第n个点所表示的频率，为采样频率，为第n点实际的幅值，为第n个点经FFT转换后的幅值。通过以上两式，可以计算出对应点的频率和幅值。MSP430单片机只进行FFT算法，随后进入睡眠模式，DA芯片可进行片选，STC12C5A60S2单片机按键唤醒，符合低功耗要求。3.电路设计3.1电路硬件设计主控制器电路以一块STC12C5A60S2单片机为主控系统，分别作为产生波形、液晶显示、时钟控制等的控制芯片。信号发生电路设计本电路主要由单片机和数模转换电路4（采用DAC0832）构成，具体是用编写程序产生波形的数字信号4，再通过数模转换就产生了模拟信号如正弦波、矩形波、三角波、锯齿波。为了使DAC0832产生的模拟电流变成模拟电压，在DAC0832的输出端直接一运算放大器5。生成波的频率和幅度均由单片机编程控制。正弦波带通滤波电路设计为了得到更加完美的波形，将经两路DAC0832产生的正弦波分别进行带通滤波，滤波范围为900HZ2100HZ。信号叠加电路设计，将经过两路带通滤波的正弦信号的波形进行叠加，具体是采用由INA128P芯片构成的加法电路来实现。通信模块电路设计高低电平转换电路由LM393比较器构成分别连接两块STC12C5A60S2单片机和MSP430单片机，前者控制和产生信号，后者处理FFT算法，并将算出的结果通过串行通信传送给STC12C5A60S2单片机6。时钟电路设计采用DS1302时钟芯片进行设计，用来显示日期（年月日，星期）和时间（时分秒）。电源模块设计采用线性稳压电源可调范围是1.318V，程序设计在本设计中，控制及运算部分都由STC12C5A60S2来实现，它用来完成键盘控制、液晶显示、信号参数控制等。3.2电路软件设计系统框图及关键部分流程图如图2、图3所示。图2是控制波形输出的主程序流程图。系统初始化后，经按键1进行时间设置和波形显示，设置波形后再经按键2进行波形选择与设置及其频谱图显示，再按键1或2频谱图进行参数的调节和显示。图3辅助通信流程图。进入频谱图显示菜单后，开启A/D转换，将采样数据送入MSP430进行FFT处置，经过串行通信将数据送入STC单片机实现波形显示。4.测试系统调试包括硬件调试和软件调试。软硬件调试的目的是通过控制程序和硬件电路的配合工作，验证系统的软、硬件是否能够完成设计的功能。硬件测试包括：线路检查，仔细检查系统线路是否连接正确，焊接完成后，检查无误后，并核对元器件的型号、规格和安装是否符合要求，必要时可用万用表检测线路通断情况。电源调试采用两种方法调试：一种是断开系统稳压电源的输出端，检查空载时电源工作情况；另一种是拔下系统上的主要集成芯片，检查电源的负载能力。通电检查，目的是检测系统是否存在短路或由元器件损坏、装配错误引起的电流异常等。软件测试是在Proteus中进行的，在PC机上对目标电路和程序进行检测和调试。调试过程中单片机相应输入端由通用键盘和鼠标设定，运行状态、各寄存器状态、端口状态等都可以在指定的窗口区域显示出来，以确定程序运行有无错误。系统整体测试结果如表1，表2所示。经数据分析，幅度、相位的误差值都在2%以内，满足一般实验需求。5.结语经过反复的调试、分析，两路信号均可程控选择输出正弦波、矩形波、三角波和锯齿波，频率可预置，每路信号的幅度都可以单独预置。能产生两路频率相同相位差可预置的双相正弦信号，输出矩形波的占空比能在1%99%范围内预置。信号叠加电路能对信号发生器输出的两路正弦信号（频率和幅度可以不相同）进行合成，合成后的叠加信号波形正确。分析仪能对信号叠加电路输出的叠加信号进行频域分析，并分别显示原两路正弦信号的频率和幅度，其误差绝对值不大于2%；能在显示器显示叠加信号频谱图。我们将在后续工作中进一步提高该仪器的精度，完善其性能，以该信号发生、分析仪，能够应用于对信号源有较高要求的科学研究和生产实践中。参考文献1金建设.单片机系统及应用M.北京：北京邮电大学大学出版社，2009.3，16-18.2胡宴如，耿苏燕.高频电子线路M.北京：高等教育出版社，2008.1-52.3吴大正.信号与线性系统分析M.北京：高等出版社，1985.115-