基于STC89C52RC單片機OLED AD9833信號發生器矩陣鍵盤

ID:316613 · 發表于 2024-6-20 15:24

實物設計
通過理論設計和實物制作解決相應的實際問題，鞏固和運用在《單片機與微機原理及應用》課程中所學的理論知識和實驗技能，掌握常用單片機應用系統的一般設計方法，提高設計能力和實踐動手能力，為以后從事電子電路設計、研發電子產品打下良好的基礎。
(1)掌握單片機應用系統設計的一般方法與步驟。
(2)掌握按鍵、顯示、時鐘、存儲的綜合設計方法。
(3)熟悉用仿真軟件進行單片機系統仿真設計的方法。
1.2  設計任務
C51編寫，設計一個使用AD9833信號發生器的板子。
1.3  設計
由于晶體振蕩器將直接影響頻率穩定度和頻率波動，因此，采用電壓型控制晶體振蕩器，其頻率穩定度高達+20 ppm，溫度補償晶體振蕩器可達±1~+20 ppm，恒溫箱晶體振蕩器和數字補償晶體振蕩器小于±l ppm。考慮性能和成本因素，采用溫度補償型控制晶體振蕩器。
模擬多選器采用ADG704．該多選器具有4個輸入端，1個輸出端。利用2個電平信號組合進行選擇，方便與處理器I／O端口連接。3個輸人信號分別是DDSl、DDS2的輸出信號，以及這兩者輸出信號相疊加后的輸出信號。模擬多選器輸出這3個輸入信號的其中之一。通過MCU可控制模擬多選器選擇3個信號的輸出。
為了控制輸出正弦波峰峰值，引入數字電位器，實現對輸出信號的分壓，通過調節數字電位器抽頭位置．改變抽頭電壓值。采用ADI公司的AD5160型數字電位器，該電位器具有256抽頭，SPI接口，便于與處理器相連接。
MCU采用基于ARM7內核的LPC2132控制器，其具有2個UART接口，1個SPI接口和1個SSP接口。其中1個UART接口用于連接RS232電平轉換器，SPI接口用于連接2個數字電位器，而電位器的SLCK，MOSI，MISO引腳相連．其片選信號連接控制器的I／O端口；控制器的SSP接口連接2個DDS，其連接方法與數字電位器類似。
該系統設計具有RS232接口．用戶可編程設置DDS的輸出頻率、初始相位、峰峰值，以及選擇2路信號獨立輸m或疊加的輸出等。這些配置信息通過RS232接口上傳至MCU。MCU根據輸出頻率、初始相位設置DDS；并根據峰峰值設置數字電位器；根據兩路信號的獨立輸出或疊加的輸出設置模擬多選器。
該系統設計實現：2路獨立的正弦波輸出，以及兩者疊加輸出，可分別獨立斷開；輸出正弦波頻率，初始相位、峰峰值、信號通斷均由用戶編程設置控制。輸出正弦波最大頻率高于100 kHz，調節細度為0．004 Hz，輸出的正弦波峰峰值為0～500 mV，調節細度為2 mV；輸出信號頻率的穩定度小于10 ppm，頻率誤差小于O．0l Hz，頻率波動小于1×10-3/h。由于DDSAD9833輸出波形的峰峰值固定，該系統成功解決峰峰值設置問題。利用上位機軟件可靈活設置所需波形的峰峰值、頻率等。與通用信號源相比，該系統設計減少了按鍵面模板以及液晶顯示的成本．將面模板的模擬控制改為PC的數字控制．提高系統抗干擾能力。圖3為上位機軟件界面，上位機軟件采用VB編程，利用微軟：MSCOMM控件實現。
2  方案論證
2.1方案一純硬件設計法
波形發生器設計的純硬件法早期，波形發生器的設計主要是采用運算放大器加分立元件來實現。實現的波形比較單一，主要為正弦波、方波和三角波。工作原理嗍也相對簡單：首先是產生正弦波，然后通過波形變換(正弦波通過比較器產生方波，方波經過積分器變為三角波)實現方波和三角波。在各種波形后加上一級放大電路，可以使輸出波形的幅度達到要求，通過開關電路實現不同輸出波形的切換，改變電路的具體參數可以實現頻率、幅度和占空比的改變。通過對電路結構的優化及所用元器件的嚴格選取可以提高電路的頻率穩定性和準確度。純硬件法中，正弦波的設計是基礎，實現方法也比較多，電路形式一般有LC、RC和石英晶體振蕩器三類。LC振蕩器適宜于產生幾Hz至幾百MHz的高頻信號；石英晶體振蕩器能產生幾百kHz至幾十MHz的高頻信號且穩定度高；對于頻率低于幾
MHz，特別是在幾百Hz時，常采用RC振蕩電路。RC振蕩電路又分為文氏橋振蕩電路、雙T網絡式和移相式振蕩電路等類型。其中，以文氏橋振蕩電路最為常用。目前，實現波形發生器最簡單的方法是采用單片集成的函數信號發生器。它是將產生各種波形的功能電路集成優化到一個集成電路芯片里，外加少量的電阻、電容元件來實現。采用這種方法的突出優勢是電路簡單，實現方便，精度高，性能優越；缺點是功能較全的集成芯片價格較貴。
2.2方案二純軟件設計法
波形發生器的設計還可以采用純軟件的方法來實現。虛擬儀器鞠使傳統儀器發生了革命性的變化，是21世紀測試儀器領域技術發展的重要方向。它以計算機為基礎，軟件為核心，沒有傳統儀器那樣具體的物理結構．在計算機上實現儀器的虛擬面板，通過軟件設計實現和改變儀器的功能。例如用圖形化編程工具LabVIEW來實現任意波形發生器的功能：在LabVIEW軟件的前面板通過拖放控件，設計儀器的功能面板(如波形顯示窗口，波形選擇按鍵，波形存儲回放等工作界面)，在軟件的后面板直接拖放相應的波形函數并進行參數設置或直接調用編程函數來設計任意波形以實現波形產生功能；完成的軟件打包后，可脫離編程環境獨立運行。實現任意波形發生器的功能。采用純軟件的虛擬儀器設計思路可以使設計簡單、高效，僅改變軟件程序就可以輕松實現波形功能的改變或升級。從長遠角度來看，純軟件法成本較低。軟件法的缺點是波形的響應速度和精度遜色于硬件法。
2.3方案三軟硬件結合法
軟硬件結合的波形發生器設計方法同時兼具軟硬件設計的優勢：既具有純硬件設計的快速、高性能，同時又具有軟件控制的靈活性、智能性。如以單片機和單片集成函數發生器為核心。輔以鍵盤控制、液晶顯示等電路，設計出智能型函數波形發生器，采用軟硬件結合的方法可以實現功能較全、性能更優的波形發生器，同時還可以擴展波形發生器的功能，比如通過軟件編程控制實現波形的存儲、運算、打印等功能，采用USB接口設計。使波形發生器具有遠程通信功能等。目前，實驗、科研和工業生產中使用的信號源大多采用此方法來實現。
純硬件設計功能較單一，波形改變困難、控制的靈活性不夠，不具備智能性，其中由運算放大器加分立元件組成的波形發生器，除在學生實驗訓練中使用外。基本不被采用。純軟件設計法實現簡單，程序改變及功能升級靈活，但實現的波形精度及響應速度不如硬件法高。純軟件法主要適用于對波形精度、響應速度要求不是很高的場合。相比之下，軟硬件結合的方法可以設計出性能最優、功能擴展靈活、控制智能化的新一代的波形發生器，可以滿足教學、科研、工業生產等各方面對波形發生器性能有較高要求的應用場合。綜合以上幾種設計方案，本設計采用方案三的方法—軟硬件設計法。其方案能夠產生很好的波形，也易實現。
3 系統硬件設計
3.1內部結構概述
典型的51單片機芯片集成了以下幾個基本組成部分：
1)一個8位的CPU；
2) 128B或256B單元內數據存儲器（RAM）；
3) 4KB或8KB片內程序存儲器（ROM或EPROM）；
4) 4個8位并行I/O接口P0~P3；
5)兩個定時/計數器；
6) 5個中斷源的中端管理控制系統；
7)一個全雙工串行I/O口UART（通用異步接收、發送器）；
8)一個片內振蕩器和時鐘產生電路。
3.2結構及功能
3.2.1 電路結構
AD9833是一塊完全集成的DDS（Direct Digital Frequency Synthesis）電路,僅需要1個外部參考時鐘、1個低精度電阻器和一個解耦電容器就能產生高達12.5MHz的正弦波。除了產生射頻信號外,該電路還廣泛應外于各種調制解調方案。這些方案全都用在數字領域,采用DSP技術能夠把復雜的調制解調算法簡化,而且很精確。
　　AD9833的內部電路主要有數控振蕩器（NCO）、頻率和相位調節器、Sine ROM、數模轉換器（DAC）、電壓調整器,其功能框圖如圖1所示。
3.2.2 功能描述
　AD9833有3根串行接口線,與SPI、QSPI、MI－CROWIRE和DSP接口標準兼容,在串口時鐘SCLK的作用下,數據是以16位的方式加載到設備上,時序圖如圖3所示,FSYNC引腳是使能引腳,電平觸發方式,低電平有效。進行串行數據傳輸時,FSYNC引腳必須置低,要注意FSYNC有效到SCLK下降沿的建立時間t7的最小值。FSYNC置低后,在16個SCLK的下降沿數據被送到AD9833的輸入移位寄存器,在第16個SCLK的下降沿FSYNC可以被置高,但要注意在SCLK下降沿到FSYNC上升沿的數據保持時間ts的最小和最大值。當然,也可以在FSYNC為低電平的時候,連續加載多個16位數據,僅在最后一個數據的第16個SCLK的下降沿的時將FSYNC置高,最后要注意的是,寫數據時SCLK時鐘為高低電平脈沖,但是,在FSYNC剛開始變為低時,（即將開始寫數據時）,SCLK必須為高電平（注意t11這個參數）。