【《ARDF信号源的制作设计研究》7400字】

ARDF信号源的制作设计研究绪论背景及意义业余无线电测向运动在各大中小学及高校广泛传播，ARDF信号源在其中扮演重要的角色，ARDF信号源设计的本质上是实现发出信号并传播信号的过程，因此，随着电子通讯技术的更新和发展，让信号源发射的信号更加精准清晰、信号源更加小巧便携，与数字电子技术的结合的同时降低成使用成本是本设计的亟待解决的重点问题。常见的ARDF信号源有80米波段短距离测向、2米波段短距离测向等，目前市面上的产品多为单晶振产生，存在体积大、电路复杂、种类单一、晶体管易损坏、造价昂贵等问题。本设计制作的ARDF信号源主要由DDS芯片和STM32单片机两种成本低、易操作的芯片构成，能够通过stm32单片机控制DDS芯片可以得到预期信号。并且使用STM32单片机和DDS芯片制作而成的信号源符合功耗低、便携、成本低、易操作的设想。国内外研究现状1.2.1国外研究状况随着无线电测向运动的普及和数字电子技术的不断更新迭代，ARDF信号源也不断更新，逐步趋于智能化。1912年，大型电台火花发射器被发明设计使用，最大火花发射量和射程覆盖范围几乎达到100英里。最初的ARDF信号源雏形已经显现19世纪20年代初,电子管的市场价格已经开始大幅回落,人们已经开始考虑使用一种使用新型电子管,产生连续信号,这种新型电子管所使用制作而成的信号源，降低了火花信号的电磁干扰，精度提升。1953年，第一台晶体管业余无线电信号源被美国研制出来，该晶体管发射器消耗很低，与电子管相比仅是其百分之一。至今为止，国外对于ARDF信号源的制造研发与国内相比制作规模较小，更多的是对于数字技术的研发，常见的除了传统由晶体管构成的信号源以外，有用数字技术控制的高度数字智能化ARDF信号源，常见的有如基于FPGA的信号源，使用单片机和计算机编程技术，还有更加智能先进的如大型中控模式，但是目前没有研究提出将该技术使用在ARDF信号源中。1.2.2国内研究状况目前，2m波段、80m波段等几个波段的发射机在国内有专门的工厂生产和出售，购买渠道多元、方便。并且随着多年研发和改进改进，性能和质量都得到了一定的提升。ARDF信号源在小型的移动设备的范畴内，因为业余无线电测向运动多在艰难的户外环境中作业，所以机械强度有限的信号源很容易在艰难的作业环境中损坏。我国相对于国外来说，信号源的研究起步相对较晚，但是目前我国对于ARDF信号源的开发和制作的规模比国外大，国内多家公司具有大量生产ARDF信号源的能力，如郑河南天讯、北京托普雷、爱慕欧等公司均有售卖，购买渠道方便，不依赖进口，但是依旧存在造价昂贵、操作模式传统的问题，不够智能等问题，处在一个平台期，虽然有研究远程控制、数字化的信号源，但是无法大批量投入生产和使用。1.2.3未来发展趋势ARDF信号源作为无线电测向运动中发射信号的设备,随着无线电测向运动的普及需求量不断增大，与市面上传统的ARDF信号源相比，如果能将ARDF信号源能和数字信息技术相结合，ARDF信号源在未来将有极大的提升空间。从技术角度来说，信息时代的到来，计算机技术及数字信号技术的迅速发展将给予ARDF信号源在技术上的支撑，实现了其精度以及时效性的进一步提高。从设备角度来讲，未来的ARDF信号源设备，会逐步趋于小型化、便携式，性能和使用体验感觉都会得到提升，性价比变高，系统和设备的进一步完善，不仅能使未来ARDF信号源的使用成本降低，同时还能提高使用的普及程度，满足人们日常在无线电测向运动的基本需求。ARDF信号源总体设计方案综述本设计所制作的80m波段ARDF信号源的输出频率3.50MHz-3.60MHz，间隔频率0.01MHz，所以选用了高性能、低消耗的DDS芯片和STM32单片机，通过对比和选择最终确定使用STM32f103c8t6单片机控制AD9834芯片。通过外围电路和内部软件编程的设计相结合，最终完成ARDF信号源的设计。整个设计分为硬件系统和软件系统两个部分，硬件电路系统包含以下五个模块：核心控制模块、电源模块、外接电路模块，信号产生模块、人机交互模块，其中，核心控制模块使用STM32f103c8t6单片机，负责接收指令及对各个模块下达控制命令从而对整个系统进行控制操作;电源模块负责为整个系统供电保证系统的正常运行；外接电路模块负责功率的放大及模块的匹配；信号产生模块使用DDS芯片AD9834根据指令生成预期信号，频率范围为3.50MHz-3.60MHz;人机交互模块包括按键电路、液晶显示电路，用来实现传递系统功能命令并将信息输入和结果输出可视化。系统软件部分采用c语言编程，根据各部分引脚功能进行功能写入，软件采用keil5，使用ST-LINK下载器将程序下载至实际电路，将软件和硬件相结合，进行控制操作。章节安排：绪论。本章主要介绍了ARDF信号源设计研究的选题背景和意义、对国内外的ARDF信号源的发展和研究现状进行系统地阐述、并简述了本设计ARDF信号源的总体设计方案及每各章节的内容安排。：DDS技术的原理和结构。本章重点介绍了本设计所使用的核心技术DDS技术，从原理、结构、优点三个方面着手，系统地介绍了信号产生的方式。：硬件部分设计。本章介绍了系统硬件部分的设计，从整体入手，根据功能将整个系统拆分成信号产生模块、信号控制模块、人机交互模块，对每个模块进行详细的阐述，同时对使用的各部分元件进行了详细的功能描述。：软件部分设计。本章介绍了系统软件部分的设计，设计了主程序的流程图，介绍了单片机的开发环境、编程语言以及主要控制部分程序的描述。：实操过程。本章介绍了各部分电路的连接和输出结果的测试。：总结。本章对整个设计进行总结。DDS技术的原理和结构DDS技术的原理DDS(directdigitalsynthesis)又称直接数字频率合成技术[1]，是一种能够输出宽带、高精度信号的数字频率合成技术。它的信号输出原理是通过自身的一系列内部电路合成离散的数字信号，最后经过连续的数字模拟转换，将离散的数字信号转换成连续的模拟信号后输出，并将频率稳定度信号发生器的精度提高到与参考频率相同的水平，从而精确地调整频率并合成、输出波形。DDS芯片以频率控制字K为循环累加，在初始阶段的基础上，每生成一个系统时钟进行一次叠加，最终频率达到峰值之后就会发生溢出。溢出频率所需的工作时间就是输出信号的周期。在这个过程中：相位增量为Fc2n（1）选择恰当的频率控制字k，使得Foutf通过(1)、(2)两式就可以得到所需要的频率Fout。累加后输出控制DDS芯片的结构DDS包括相位累加器(PD)，波形存储器(ROM)、数模转换器(D/A)、低通滤波器（LPF）[3]。其基本结构如图所示：频率控制字Kfout低通滤波器相位累加器频率控制字Kf低通滤波器相位累加器数模转换器波形存储器fclkfclk图2.1DDS结构图下面将分别对各个部分进行简单介绍：2.2.1相位累加器PDKKNN位数字加法器NNN位数字加法器N位数字寄存器NN图2.2相位累加器结构图DDS产生信号的核心部分就是相位累加器，其主要工作机制就是不断进行累加。可以把相位累加器看作是一种反馈型的累加器，之所以称其为反馈型的累加器，是因为每当参考时钟产生一个时钟脉冲时候，时钟频率作用于相位累加器的各个部分，控制其中的加法器和寄存器将该相位数据累加并寄存到数据的输入端，这个过程不断重复，在原有的基础上不断叠加，并且呈线性增加状态，最终达到储存空间的上限输出溢出频率。2.2.2波形存储器ROM在DDS内有一个波形存储器，它相当于一个存储器，用来存储波形数据，完成信号的相位到幅值的转化，将上一级输出的信号作为曲阳地址，通过查表的方式输出相应相位的正弦信号的幅值[2]。2.2.3数模转换器DAC数模转换器的功能是完成数字信号向模拟信号的转换，将上一级波形存储器输出的离散的数字信号转化为连续的模拟信号，它输出的是阶梯波，转换器位数越多，信号精度越高。2.2.4低通滤波器LPF数模转换器的分辨率是有限的，所以导致的输出信号并不是连续变化的模拟信号[3]。由数模转换器转换而来的信号实际上输出的是呈阶梯状的模拟信号。低通滤波器的作用将信号进行最终的平滑处理，滤除多余杂乱的部分，最后输出的信号波形是平滑、连续的。DDS芯片的的特点2.3.1集成度高直接频率合成中低通滤波器属于模拟信号部分，其余部分都是属于数字信号部分，从而使系统具有集成度高的特点[4]。2.3.2频率转换时间短对于DDS芯片来说，内部运算速度极快，改变频率控制字就能够输出或合成新的频率，和其他的频率产生合成相比，DDS产生信号的时间缩短近千个数量级。2.3.3低成本、低能耗DDS芯片的造价很低，并且购买渠道多元方便，在使用过程中仅需要很低的电压供电就能够使用。本章小结本章主要对本设计的所采用的核心技术DDS技术做出了相关阐述，介绍了DDS技术的原理，DDS芯片各部分结构功能，及其在使用中的优点。1602LCD液晶显示器硬件部分设计1602LCD液晶显示器STM32f103c8STM32f103c8t6微控制器信号产生模块（AD984）电源信号输出外接电路电源信号输出外接电路按键电路按键电路图3.1系统硬件连接图信号产生电路信号产生电路主要由DDS芯片AD9834完成，本模块是系统中输出信号的部分，主要功能是完成接收单片机下达的控制指令、通过单片机对其引脚功能的匹配和写入传达指令生成预期信号、滤除多余信号，输出平滑的正弦波曲线。3.1.1AD9834芯片AD9834是一个低功耗、高效能的DDS芯片。其最大输出频率可达37.5mhz，可产生正弦波和三角波，并且在正常工作状态下，不论是采用3.3V电压供电还是采用5V电压供电功耗都极低，甚至能够低达20MW，满足本设计所提出低能耗低成本的要求。AD9834芯片拥有28位的频率寄存器，同时提供相位调制和频率调制的功能。图3.2AD9834实物图（1）AD9834各性能指标表3.1AD9834性能指标窄带SFDR72dB电源2.3V-5.5V最高输出频率37.5MHz输出波形正弦波/三角波功耗20mW（2）引脚及功能描述图3.2AD9834引脚图表3.2AD9834引脚功能描述引脚编号引脚名称描述引脚编号引脚名称描述模拟信号和基准电压电源1FSADJUST满量程调整控制4AVDD模拟部分电源2REFOUT基准电压输出5DVDD数字部分电源3COMPDAC偏置引脚6CAP/2.5V数字电路采用2.5V电源供电17VIN比较器输入7DGND数字地19、20OUT,IOUTB电流输出18AGND模拟地数字接口和控制模拟地8MCLK数字时钟输入13SDATA串行数据输入9FSELECT频率选择输入14SCLK串行时钟输入10PSELECT相位选择输入15FSYNC低电平有效控制输入11RESET高电平有效数字输入16SIGNBITOUT逻辑输出12SLEEP高电平有效数字输入3.1.3AD9834驱动电路该器件采用3.3V至5V电源供电。由于其内部同时存在数字电路和模拟电路，为了防止干扰，其内部有两个相互独立的电源管脚，分别是模拟部分和数字部分，并且这两个部分的电源管脚可以独立供电[5]。本设计使用的STM32f103c8t6单片机外设设有3.3V和5V两个电源管脚（VCC），完全可以满足对AD9834的驱动，所以只要通过给单片机供电，根据对数据口的功能写入和对应功能的连接就能完成对AD9834的驱动。图3.3AD9834和stm32单片机连接图信号控制电路3.2.1主控芯片介绍STM32f103c8t6单片机是目前市面上和研究中常用的一款单片机芯片，是一款基于ARMCortex-M3内核的32位的微控制器[6]，采用LQFP48的封装模式，有2个12bitADC合计12路通道；通用I/O口37个；存储器FLASH容量64KB；RAM容量为20KB，该单片机功能全面、体积小、功耗低、价格便宜，为本设计的最佳选择。图3.4stm32f103c8t6单片机最小系统板实物图3.2.2控制电路本模块采用STM32f103c8t6最小系统板作为主控芯片，使用该芯片，通过各引脚功能图的匹配进行电路的连接，通过PC端编程进行烧录。采用编程好的内部指令来控制内部数据读写操作和寄存器地址，通过对这些指令的读写控制信号发生电路、按键电路和液晶显示电路，各模块通过串口识别指令，从而执行相应的功能。图3.5STM32单片机与各部分引脚连接示意图3.2.3数据下载电路对该单片机的程序烧录有两种方式，一种是串口下载，一种是使用下载器导入程序，由于后者更容易操作，所以本设计使用外加ST-LINKV2下载器对其进行操作，通过相应引脚的连接将ST-LINKV2插入到PC端的USB接口处。表3.5下载电路引脚连接Stm32f103c8t6引脚St-link引脚GNDGNDDCLSWCLKDIOSWDIO3.3V3.3V图3.6下载电路实物连接3.2.4供电电路供电电路为整个系统的电源模块，为芯片提供稳定的电压保证其正常工作，本设计中使用的STM32f103c8t6有3.3V和5V两种电源引脚，考虑到与全系统的匹配度，采用5V供电，而由于各芯片中均存在稳压装置，所以只要通过单片机的USB接口外接PC端口或外加充电宝就可以完成整个系统的供电，考虑到易与携带等问题，采用小型充电宝对其进行供电。人机交互电路3.3.1液晶显示电路本设计的液晶显示电路采用的是型号为1602的LCD液晶显示屏，该器件有3.3V工作电压和5V工作电压两种，由于本设计采用5V电压供电，所以选用5V、向下焊接引脚的1602LCD模块。其功耗低、体积小而轻薄、显示内容丰富清晰。同时该液晶显示屏有标准的16脚接口，通过单片机对其各引脚功能对应写入控制实现显示功能，其中VO引脚需要外接一个3362p-202、2K的可调电阻，用来调节其显示亮度。图3.3STM32f103c8t6和LCD1602液晶显示器连接图3.3.2按键电路按键是一种重要的人机交互设备，按键电路采用直接连接STM32单片机的I/O端口的方式。此电路的功能是通过按键控制频率的步进，采用2个独立按键，设置K1和K2功能分别为+0.01MHz和-0.01MHz的步进，按键电路是用户操作、控制的重要的输入设备[7]。所使用的轻触开关电阻小，手感明显，其通断依靠金属弹片受力变化完成通断，连接过程中一端接地、一端连接单片机I/O口PB4和PB5，对其进行控制写入。图3.4按键电路连接本章小结本章介绍了设计的硬件部分，包括整体的模块连接图同时分别对信号产生电路、信号控制电路、人机交互电路进行了详细的阐述，其中包括所使用的元件型号和电路的连接。软件部分设计程序将各部分作为单独模块，用主程序调动各部分子程序[8]，初始化后分别扫描，本设计中软件实现的功能主要有：产生信号：输出频率3.50MHz-3.60MHz的信号。步进控制：通过轻触开关实现间隔0.01MHz的步进。系统编程语言和开发环境4.1.1编程语言软件模块的设计采用C语言编程。本设计使用单片机进行程序烧录后直接控制操作硬件属于嵌入式开发领域，对于该领域最主流的汇编语言就是作为高级汇编语言一中的C语言，和C++、java等汇编语言相比，C语言更能满足对于嵌入式开发的需求，拥有很多优点，比如：库文件标准例程易种类多、修改方便、应用范围更广。4.1.2程序下载程序的下载是实现软件硬件相结合的交互部分，对于STM32f103c8t6单片机的程序烧录，常见的有两种下载程序的方式，串口下载和外接下载器下载，下载器主流有ST-LINKV2下载器和J-LINK下载器，由于通过串口下载操作过程繁琐、J-LINK下载器造价昂贵，所以本设计选用ST-LINKV2下载器，作为单片机与PC端连接的桥梁进行程序的烧录，从而实现整个电路中控部分的功能。要想ST-LINKV2下载器正常工作载入程序，需要在原本开发软件的基础上安装驱动程序，在单片机驱动软件中选择对应的选项ST-LINK-debugger,选中runtomain

点击setting就能最终实现程序的下载。图4.1st-link驱动过程系统程序流程图设计程序开始运行后，首先进行初始化，设定初始值为3.50MHz，程序开始扫描后，如果监测到外部硬件电路的按键电路按下，由主程序main函数调用各部分功能，将指令传递给核心控制系统，对AD9834输入频率控制字以产生信号，外设两个按键分别设置+0.01MHz和-0.01MHz的步进，当频率超出设定范围之外结束运行，否则可以持续输入指令进行加或减的步进，最终实现3.50MHz-3.60MHz间隔0.01MHz共十一个频率的输出。图4.3主程序流程图系统编程首先将主程序、AD9834驱动程序、LCD驱动程序、STM32f103启动程序、GPIO程序的c文件和h件存放在同一文件夹中，设置调用路径保证程序运行过程能够调动头文件，其中，各部分功能由main函数调用各部分子程序实现。4.3.1频率设置程序写入频率部分子程序如下：/****************************************************************函数名:AD9834_Set_Freq功能:设置频率值参数:freq_chanel--要写入的频率寄存器(FREQ_0或FREQ_1)freq--频率值(Freq_value(value)=Freq_data(data)*FCLK/2^28)返回值:无*****************************************************************/voidAD9834_Set_Freq(unsignedcharfreq_chanel,unsignedlongfreq){unsignedlongFREQREG=(unsignedlong)(268435456.0/AD9834_SYSTEM_COLCK*freq);unsignedintFREQREG_LSB_14BIT=(unsignedint)FREQREG;unsignedintFREQREG_MSB_14BIT=(unsignedint)(FREQREG>>14);if(freq_chanel==FREQ_0)//bit15,14=01{FREQREG_LSB_14BIT&=~(1U<<15);FREQREG_LSB_14BIT|=1<<14;FREQREG_MSB_14BIT&=~(1U<<15);FREQREG_MSB_14BIT|=1<<14;}else//bit15,14=10{FREQREG_LSB_14BIT&=~(1<<14);FREQREG_LSB_14BIT|=1U<<15;FREQREG_MSB_14BIT&=~(1<<14);FREQREG_MSB_14BIT|=1U<<15;}AD9834_Write_16Bits(FREQREG_LSB_14BIT);AD9834_Write_16Bits(FREQREG_MSB_14BIT);}4.3.2主程序频率部分在main主函数中对其进行频率改写，具体程序如下：//=============================================================================//文件名称：main//功能概要：主函数//参数说明：无//函数返回：int//=============================================================================intmain(void){ unsignedlongFreqData=3500000;unsignedintvolt=MAX_VOLT; unsignedintratio; unsignedcharAmpData=250; unsignedcharWaveModle=1; unsignedcharSetModle=0; unsignedintFstep=10000; GPIO_Configuration(); AD9834_Init_GPIO(); ratio=2550/MAX_VOLT;/ Delay(50000);InitLCD();Delay(50000);//DispStrAt("AD9834",0,0); DispStrAt("FS=",0,0);DispDecSpaceAt(Fstep,3,0,5); DispStrAt("sin",12,0); DispDecSpaceAt(FreqData,0,1,8);DispStrAt("HZ",8,1);while(1) { PCout(13)=1;//LED灯测试闪烁 Delay(0xfffff); PCout(13)=0; Delay(0x00fff); if(PBin(10)==0) {if(FreqData<3600000) FreqData=FreqData+Fstep; AD9834_WaveSeting(FreqData,0,WaveModle,0); DispDecSpaceAt(FreqData,0,1,8);DispStrAt("HZ",8,1);SetCursorPos(8,1); while(PBin(10)==0); } elseif(PBin(11)==0) { if(FreqData>3500000) FreqData=FreqData-Fstep; AD9834_WaveSeting(FreqData,0,WaveModle,0); DispDecSpaceAt(FreqData,0,1,8);DispStrAt("HZ",8,1);SetCursorPos(8,1); while(PBin(11)==0); } }}本章小结本章重点介绍了系统软件部分的设计，通过流程图直观阐述所实现的功能。简单概述了所使用的编程语言和主要编程部分的程序，并且介绍了将程序烧录到硬件电路的过程实现了软件硬件的结合，是实现整个系统功能的主要部分。实操过程组装元件按照单片机对各引脚功能的写入使用杜邦线作为外围电路连接，电路连接图如下：图5.1整体电路连接图图5.2主控部分电路连接图图5.3液晶显示功能测试使用示波器SDS1072CNL+进行结果测试，波形图和输出频率如下：图5.1示波器显示输出频率3.50MHz图5.2示波器显示输出频率3.51MHz图5.3示波器显示输出频率3.52MHz图5.4示波器显示输出频率3.53MHz图5.5示波器显示输出频率3.54MHz图5.6示波器显示输出频率3.55MHz图5.7示波器显示输出频率3.56MHz图5.8示波器显示输出频率3.57MHz图5.9示波器显示输出频率3.58MHz图5.10示波器显示输出频率3.59MHz图5.11示波器显示输出频率3.60MHz本章小结本章主要介绍了实验操作过程、实际电路的连接以及功能的测试，使用示波器验证输出结果，测试结果输出正弦波，显示正常，结果表明本设计所制作的ARDF信号源能够正常产生预期信号并且实现步进。总结目前，业余无线电测向运动在各大高校普及，80m波段业余无线电测向运动是其中最常见的一个项目，发射信号信号源作为其发射信号的设备成为了亟须研究和更新的一部分，随着数字时代的到来，数字型信号源近些年得到广泛的使用和研究，但是DDS技术所制作成的数字型信号源在ARDF运动中的应用还处在空白阶段，尚未有明确的研究和生产将数字型信号源实际应用在ARDF信号源的使用中。如果能将二者结合，不管是从生产者还是从消费者的角度都有极大的优势，本设计完成的ARDF信号源用stm32f103c8t6控制AD9834DDS芯片输出3.50MHz-3.60MHz的信号，通过按键实现0.01MHz的步进，充分满足了80m波段ARDF信号源的各项指标和要求，同时本设计使用的两种芯片皆体积小、造价低、功耗低、性能强、易购买、易操作，完全改变了传统ARDF信号源高造价的