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1、电子爱好者 单片机 | 嵌入式 | FPGA | DSP | EDA | 电路 | 接口 | 技术交流社区 o 主页 o 技术交流 o 技术手册 o 相册 o 论坛 o 新闻聚合 o 帮助 主页 群组目录 电子设计竞赛波形发生器coldfly 发表于 七月 22nd, 2007o 未分类 关键词：SPCE061A单片机 波形发生器 单片机是实现各种控制策略和算法的载体。由台湾凌阳公司生产的SPCE系列单片机，因其功耗低，超小型，低成本，功能完整，非常适用于便携式仪表和就地式显示控制仪表，在国内越来越受到用户的重视和广泛的应用。SPCE061A单片机功能强大,其片内含有八路十位A/D转换器和两路
2、D/A转换器，该波形发生器运用单片机技术，通过巧妙的软件设计和简易的硬件电路，产生数字式的正弦波、方波、斜波等幅值可调的信号。信号频率，可通过键盘输入，并显示。与现有各类型波形发生器比较而言，产生的数字信号干扰小，输出稳定，可靠性高，特别是操作简单方便，人机界面友好，成本低，非常适合于物理实验室教学与实验使用。 SPCE061A单片机概述 SPCE061A是继unSP系列产品SPCE500A等之后凌阳科技推出的又一个16位结构的微控制器。目前有两种封装形式：84引脚的PLCC84封装和80引脚的LQFP80贴片封装。主要性能如下：16位mnSP微处理器；工作电压：VDD为2.43.6V(cpu
3、), VDDH为2.45.5V(I/O)；CPU时钟：32768Hz49.152MHz ；内置2K字SRAM、内置32K FLASH；可编程音频处理；32位通用可编程输入/输出端口；32768Hz实时时钟，锁相环PLL振荡器提供系统时钟信号；2个16位可编程定时器/计数器(可自动预置初始计数值)；2个10位DAC(数-模转换)输出通道；7通道10位电压模-数转换器(ADC)和单通道语音模-数转换器；声音模-数转换器输入通道内置麦克风放大器自动增益控制(AGC)功能；系统处于备用状态下(时钟处于停止状态)耗电小于2mA3.6V；具备触键唤醒的功能；14个中断源：定时器A / B，2个外部时钟源输
4、入，时基，键唤醒等；使用凌阳音频编码SACM_S240方式(2.4K位/秒)，能容纳210秒的语音数据；具备异步、同步串行设备接口；具有低电压复位(LVR)功能和低电压监测(LVD)功能；内置在线仿真电路接口ICE（In- Circuit Emulator）； 具有保密能力；具有WatchDog功能（由具体型号决定） 一、方案设计与论证 方案一： 本方案直接采用凌阳SPCE061A作为波形发生器。波形的具体产生是通过两路DAC来产生，凌阳SPCE061A在这方面的设计为我们提供了极大的方便，用它实现的好处在于，外围电路极其简单，另外在DAC的编程方面又提供及其便利的编程环境。外围电路的设计包括
5、三大部分，第一是键盘控制电路的设计，这里采用4*4键盘，由IOA的低八位进行控制，把键盘上的行和列分别接在IOA0IOA3和IOA4IOA7上，采用外部中断二来中断所显示波形，以便进入下一波形的编辑和输出，在波形输出的同时利用外部中断一来实现同步的频率调节。第二是显示电路的设计，这里为了在波形输出依然有显示，由于单片机的局限性这里采用通常的动态LED显示行不通，因为波形输出时要求CPU不停地为其服务而没有空闲来为LED进行不停更新，解决方案是采用带数据缓存器和驱动的LCD来提供显示，这样只占用八个I/O口即可完成设计要求,也可放弃适时显示功能采用LED显示，这里将提供两种显示方案。第三是滤波和
6、电压转换电路的设计，滤波采用低通滤波器，滤除DAC转换过程中形成的高频小锯齿波。另外由于凌阳SPCE061A单片机DAC输出为电流输出，为满足达到5V的电压输出，外接OP07运算放大器进行放大，加1千欧姆电阻进行电流信号到电压信号的转换。本设计的特点是全面采用数字电路方案，因而工作稳定可靠。利用单片机控制管理，使频率设置和占空比调整等操作可用键盘输入，十分方便。 方案二：本设计方案采用功能很强的大规模数字频率合成器MC145151和多波形宽频率范围信号发生器MAX038 等新器件产生波形和频率，控制与管理电路部分使用SPCE061A单片机以及键盘显示电路。MAX038是一个精密高频波形产生器。
7、它能产生频率高达20MHz的正弦波、三角波、方波等脉冲信号，其压控振荡器的频率分粗调和细调两层控制。在本电路中，用于粗调的控制电压（电流）由一个12位的DAC产生，使输出频率近似等于N倍基准频率。而细调电压则由数字锁相电路MC145151和环路滤波器MAX427产生，由锁相反馈环将频率fo = Nfr锁定。这种方案的优点是频率合成器工作更可靠，锁定更迅速。另外MAX038还包括占空比调整电路、波形同步电路、相位检测电路、波形切换开关和电压基准源等电路，所需外部元件少，使用很方便。控制和管理电路由SPCE061A单片机及外围电路组成。其主要用于对键盘输入的波形和频率选择等数据进行译码，计算出相应
8、的控制参数，控制频率合成器输出正确的信号，并将其频率和波形参数用LED显示出来。对于小型通用信号产生器而言，这是一个比较理想的设计方案。 方案比较： 第一种方案设计外围电路简单，能够满足电子大赛设计的要求，这里考虑到短时间内设计既要成型，采用第一种方案。第二种方案的设计比较完善，由于用到专门的波形发生芯片，产生的波形比较完美，但外围电路复杂，适合于作波形发生器的产品设计方案。 二、系统硬件电路设计 2.1电路方框图及说明 图1 整体框图 2.2各部分电路设计 2.2. 1滤波、放大及其电流到电压的转换电路 电路本系统采用二阶压控电压源低通滤波器，如图2所示。它由两节RC滤波器和同向放大电路组成
9、。其中同相放大实际上就是所谓的压控电压源，它的电压增益就是低通滤波器的通带电压增益，即：A0=Avf=1+Rf/R1 图2 滤波电路 传递函数由图电路可知，运放同相端输入电压为： (1) 而Vp(s)与Va(s)的关系为： Vp(s)= Va(s)/（1+sRC） (2) 对于节点A，由节点电流法可得 Vi(s)/R- Va(s)/R - Va(s)- V0(s)sC- Va(s)/R- Vp(s)/R=0 (3) 将式（1）、（2）和（3）连立求解，可得电路的传递函数为 A(s)=V0(s)/ Vi(s)= Avf/1+(3- Avf)sRC+sRC*sRC (4) 式（4）为二阶低通滤波器
10、传递函数的表达式。其中1/RC为特征频率，而 1/(3- Avf)为等效品质因数。截止频率为1/RC。通过设置R、C可调节带通到我们需要的范围。另外调节Rf可调节幅度到我们需要的范围。 2.2.2键盘控制电路电路 在单片机中所需按键较少，多采用独立式键盘。此种键盘结构简单，每只按键接单片机的一条I/O线，通过查询即可示别出每只按键的状态来。但由于本系统按键较多，在这里采用矩阵式排列键盘，如图3所示，这样可以合理应用硬件资源，把16只按键排列成4*4矩阵形式，用一个8位I/O口控制,如图所示。把键盘上的行和列分别接在IOA0IOA3和IOA4IOA7上。先置IOA0IOA3为带数据缓存器的高电平
11、输出，置IOA4IOA7为带下拉电阻的输管脚，此时若有键按下，取IOA4IOA7的数据将得到一个值，把此值保存下来，再置IOA4IOA7为带数据反相器的高电平输出，置IOA0IOA3为带下拉电阻的输入管脚，此时若键仍没弹起，取IOA0IOA3的数据将得到另一个值，把这两个值组合就可得知是哪个键按下了，再通过查表得到键值。 图3 按键控制电路 2.2.3显示电路电路 为了给广大单片机爱好者提供方便，在显示电路的设计方面提供两种方案，第一种是采用四个LCD进行适时显示，这是比较理想的方案，但由于LCD成本较高，这里还提供另一种方案，用六个LED进行显示，这种方案的缺点是不能适时显示，但也能满足一般
12、设计要求。 第一种方案采用四个LCD进行动态显示，轮流显示波形和频率，直接用SPCE061A驱动液晶显示器，要占用较多的I/O口，这里采用ICM7211M来驱动，这样不仅节省I/O口而且减化了编程。用数字代表各种波形，显示波形的粗调频率。用IOA9IOA10口作为位选控制， IOA8口作为ICM7211M的片选信号，IOA11IOA14作为数据线。数据线和位选线直接接凌阳SPCE061A单片机的I/O口即可。 图4 LCD显示电路 第二种方案采用六个共阴极数码管LED进行动态显示波形和频率，直接用SPCE061A直接驱动LED，两位提供波形显示，四位提供频率显示。用IOB8IOB13口作为位选
13、控制， IOA8IOA14口传输要显示的数据，数据线和位选线直接接凌阳SPCE061A单片机的I/O口即可，因为I/O口输出电流很小不会对LED造成损坏，它的电压值却足以驱动LED，这不像别的单片机还要外接驱动电路和电阻，采用凌阳SPCE061A单片机大大减化了设计过程和硬件电路。硬件电路如图5所示。 图5 LED显示电路 2.2.4语音播报电路的设计电路 凌阳的SPCE061A是16位单片机，具有DSP功能，有很强的信息处理能力，最高时钟可达到49M，具备运算速度高的优势等等，这为语音的播放、录放、合成及辨识提供了条件。另外SPCE061A单片机具有32k闪存，事先把所需要的语音信号录制好，
14、整个语音信号经凌阳SACM_S480压缩算法压缩只占有13.2K存储空间，对凌阳SPCE061A单片机的存储系统来说绰绰有余。凌阳SPCE061A单片机自带双通道DAC音频输出， DAC1、DAC2转换输出的模拟量电流信号分别通过AUD1和AUD2管脚输出， DAC输出为电流型输出，经LM396音频放大，即可驱动喇叭放音，放大电路如图6(只列出了DAC1,DAC2类似)。在DAC1、DAC2后面接一个简单的音频放大电路和喇叭就能实现语音播报功能，这为单片机的音频设计提供了极大方便，音频的具体功能主要通过程序来实现。 图6 音频放大电路 三、软件设计 3.1主程序流程图 由于使用凌阳SPCE06
15、1A使外围电路变得异常简单，整个波形发生器的主体任务落到了程序编写上。整个系统的软件设计方案如图7，采用外部中断二来中断所显示波形，以便进入下一波形的编辑和输出，在波形输出的同时利用外部中断一来实现同步的频率调节。波形的具体产生是通过两路DAC来产生，之所以采用这种方式，是因为凌阳SPCE061A在这方面的设计为我们提供了极大的方便，在DAC的编程方面又提供了及其便利的编程环境。用函数来产生波形是大多数设计者喜之不舍得设计方案，但在具体设计方面，因为函数在单片机的运算过程中占据了太多的时钟周期，这就给我们追求高频波形一个瓶颈，要怎样解决这个问题呢？这里我采用查表来实现，根据理论凌阳SPCE06
16、1A单片机可达到一百兆的要求，这就能充分满足题目设计要求了，然而，由于函数产生波形极其方便，凌阳SPCE061A单片机有提供了大量函数库，在设计过程中我在低频部分依然采用函数设计。另外，波形频率随CPU的频率而变法，凌阳SPCE061A单片机的32768的实时时钟经过PLL倍频电路产生系统时钟频率(Fosc)，Fosc再经过分频得到CPU时钟频率(CPUCLK)可通过对P_SystemClock(写)($7013H)单元编程来控制，这就为我们设计提供了丰富的CPU时钟选择。默认的Fosc、CPUCLK分别为24.576MHz和Fosc/8。我们可以通过对P_SystemClock单元编程完成对
17、系统时钟和CPU时钟频率的定义，改变设置将可提供多种频率选择。在本设计中，波形编辑的第一部就是进行CPU频率选择，选择最高频和最低频作为粗调，在用键盘和中断进行微调，以便达到所需的频率及其幅值。下面将对各部分编程作详细说明。 图7 整体流程图 3.2分块程序流程 按键控制部份 在键扫描的过程中，先置IOA0IOA3为带数据缓存器的高电平输出，置IOA4IOA7为带下拉电阻的输入管脚，此时若有键按下，取IOA4IOA7的数据将得到一个值，把此值保存下来，再置IOA4IOA7为带数据反相器的高电平输出，置IOA0IOA3为带下拉电阻的输入管脚，此时若键仍没弹起，取IOA0IOA3的数据将得到另一个
18、值，把这两个值组合就可得知是哪个键按下了，再通过查表得到键值，跳转至相应程序段，执行输出相应波形或者编辑波形，从而达到控制波形的目的。整体按键过程如图8所示。 图8 按键控制流程图 正弦波形的形成 在设计之初，我一直都在尝试使用函数来计算输出波形，使用这种方法，在示波器上得到了很好的波形，但是在CPU时钟频率没调至最高的情况下，所得到的频率只是多少毫赫兹到几十赫兹之间，基本上没有实用价值。要达到更高的频率，就得另辟蹊径了。分析一下为什么频率上不去，主要原因在于，使用单片机进行正弦函数的运算时占去了不少时间，如果去掉这一计算过程波形的频率应该大有提高，另外就是CPU时钟频率没有调至最高，以及DA
19、C转换过程需要时间。为了达到更高的频率，首先就要免去单片机的计算负担，我使用的解决方法是人为计算出要输出的点，然后建一个表通过查表来进行输出，这样主要工作任务就落到了建表的过程中。这样做的好处在于，查表所耗费的时钟周期相同，这样输出的点与点之间的距离就相等了，输出的波形行将更趋于完美，当然更让我们感到的高兴的是它输出波形的频率将近达到了100K赫兹，能够满足我们设计的扩展要求了。为了实现频率的调整，我在一个正弦波周期里建了两百个点，如果我们隔一个取点的话，且在CPU时钟频率不改变的情形下，正弦波频率将相对于前面的频率提高将近一倍。这样我们就得到了解决频率调整的方法，首先进行CPU时钟频率选择，
20、再调整一个正弦函数一个周期输出的点数，幅度的调节是通过初始幅度设置再通过外部放大电路来调节，设计程序流程图如图所示。另外，由于函数产生波形及其方便，凌阳SPCE061A单片机又提供了大量函数库，在设计过程中我在低频部分依然采用函数设计，因为这更有利于数字幅度和频率的调节。设计程序流程图如图9和10所示。 图9 正弦波形查表形成流程图 图10 正弦函数计算形成波形流程图 三角波、锯齿波的形成三角波、锯齿波形成的原理同正弦波形成的原理大致相同，在这里将不做作详细介绍，其流程图如图11所示。 图11 三角波查表形成流程图 方波的形成和实现方波是我们最常用的一种波形，并且常常作为一种标准信号应用在各个
21、领域，凌阳SPCE061A提供了一种很好的方波发生机制，就是APWM调制，通过写入P_TimerA_Ctrl($700BH)单元的第69位，可选择设置APWM输出波形的脉宽占空比；同理，写入P_TimerB_Ctrl($700DH)单元的第69位，便可选择设置BPWM输出波形的脉宽占空比。我们可以将IOB8设置成同相输出端口，通过设置P_TimerA_Ctrl(写)($700BH)的第05位来选择TimerA的时钟源(时钟源A、B)。设置该单元的第69位（如图12所示），TimerA将输出不同频率的脉宽调制信号，即对脉宽占空比输出APWM进行控制。这里为了得到最标准的波形采用这种方式来实现标准
22、方波。如图12所示就是我们进行APWM调制的原理图。 图12 APWMO信号时序图 在某些应用领域由于各种干扰和响应的存在，实际电路往往存在各种信号缺陷和瞬变信号，为了满足各种需要我们还设计了有频率突变的方波，如图11所示。具体设计方案是采用不停的输出和停止输出某一幅度的值，在一个序列周期我们总共提供八位可变数值，因为在数据传输过程中一般是八位为一帧进行传输。通过键盘的编辑可以达到我们的需求。 图13 有频率突变的方波 显示和播报时间和路程的显示采用动态显示，显示子程序流程图如图14，语音播报采用凌阳SACM_S480语音播报，流程图如图15 。 图14 显示子程序流程图 图15 语音播报流程
23、图 其它 在按键控制的第6到第12个按键，都是用来改变和编辑波形参数的，这就为整个系统能输出各种波形提供了可能性，以及增加了它的实用性。另外还用外部中断一来进行同步调试，我们可在中断里写入各种参数，就可达到我们所要求的波形及其实现参数变化的目的。 四、系统测试及整机指标 五、总结 （1）能产生正弦波、方波、三角波、锯齿波几种周期性波形，并且可通过调节变形成其它相关波形。 （2）用键盘输入编辑可生成正弦波由基波及其谐波线性组合的波形，以及各次谐波单独的波形。 （3）输出波形的频率范围为100mHz100kHz；可以通过键盘输入粗调频率，通过外部中断一可同步调节频率，具有在低频部分调节步进小，在高频部分大的特点。 （4）输出波形幅度范围为05V（峰-峰值），可通过可变电阻任意调整调整。 （5）具有显示输出波形的类型、及其粗调频率和幅度的功能。 （6）具备语音提示波形和粗调频率的功能。整个系统其性能指标均达到了要求，还增添了其它特色。通过此次设计，让我感到了凌阳SPCE061A十六位单片机的方便性和灵活性，通过对凌阳SPCE061A单片机的使用，可以使编程技能快速提高，并且认识到很多新的算法和设计思想。 六、参考资料1、凌阳大学计划网站
