基于CY7C68013A的DDS信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)

黃 亮

(江蘇省數(shù)字化電化學(xué)加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(常州工學(xué)院)，江蘇 常州 213002)

0 引言

隨著芯片技術(shù)的發(fā)展，直接數(shù)字頻率合成器(Direct Digital Frequency Synthesis簡(jiǎn)稱 DDS或DDFS)的發(fā)展已經(jīng)很成熟，它不僅成本低、功耗小、集成化程度高，而且產(chǎn)生的信號(hào)具有分辨率高、頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間短、控制靈活和全數(shù)字化等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此已成為近年來(lái)頻率合成領(lǐng)域中的主流技術(shù)。AD9850是AD公司出品的一款采用CMOS工藝的低功耗專用DDS芯片，采用28腳SSOP封裝。AD9850內(nèi)含可編程DDS系統(tǒng)和高速模擬比較器，能通過(guò)并行或串行方式實(shí)現(xiàn)全數(shù)字編程控制的頻率合成。CY7C68013A是 Cypress符合USB2.0協(xié)議的高性能51內(nèi)核單片機(jī)，它可通過(guò)USB2.0協(xié)議進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸，另外還帶有UART等通信端口。利用這些通信端口與外部設(shè)備通信，讓51內(nèi)核了解外部設(shè)備的具體要求，通過(guò)串行方式控制AD9850產(chǎn)生外部設(shè)備所要求的頻率輸出，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的DDS控制。模塊化設(shè)計(jì)可非常方便地與各種外部設(shè)備接駁，也方便在此基礎(chǔ)進(jìn)行軟、硬件的二次開發(fā)。

1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件框圖如圖1，電源系統(tǒng)為各工作單元提供5 V和3.3 V直流工作電壓。5 V電壓可由USB提供，也可利用外接直流電源經(jīng)7805穩(wěn)壓得到。CY7C68013A單片機(jī)系統(tǒng)負(fù)責(zé)接收處理來(lái)自USB和兩串口的數(shù)據(jù)，控制AD9850輸出特定的頻率，并不斷刷新LCD12832液晶顯示實(shí)時(shí)的參數(shù)信息，按鍵可用于DDS頻率或其他參數(shù)的手動(dòng)輸入。AD9850輸出電流波形經(jīng)過(guò)電流電壓轉(zhuǎn)換、低通濾波后可獲得兩路相位正交的正弦波信號(hào)，正弦波經(jīng)內(nèi)部高速模擬比較器又可獲得兩路相位反相的矩形波輸出。

圖1 硬件框圖

1.1 CY7C68013A最小系統(tǒng)

CY7C68013A有3種封裝，這里采用具有雙串口的100引腳QFP封裝，圖2為CY7C68013A最小系統(tǒng)簡(jiǎn)圖，沒(méi)有連接的引腳和IO口沒(méi)有標(biāo)出，所有的VCC腳都接到+3.3 V電源，所有的GND都接到電源負(fù)極。AVCC和AGND可以分別通過(guò)一個(gè)電感接VCC和GND。使用頻率為24 MHz外部晶振以適應(yīng) UBS 2.0的通信速率。DPLUS和DMINUS引腳為USB的通信端口，通過(guò)一個(gè) MINIUSB母口與計(jì)算機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)和USB主機(jī)的高速數(shù)據(jù)傳輸。復(fù)位RESET和喚醒WAKEUP都通過(guò)一RC電路接到電源和負(fù)極，為方便固件程序調(diào)試，在復(fù)位端增加一輕觸按鍵連接一小阻值電阻R15到電源負(fù)極，用來(lái)實(shí)現(xiàn)手動(dòng)復(fù)位。AT24LC64用來(lái)存儲(chǔ)USB固件程序，根據(jù)要求A0地址線需接高電平。跳線JP2和JP3用于在調(diào)試階段隔離AT24C64的數(shù)據(jù)線和時(shí)鐘線，跳線開路時(shí)可直接通過(guò)Cypress官方提供的控制臺(tái)程序?qū)⒐碳螺d到單片機(jī)內(nèi)部運(yùn)行;固件完善后可短接跳線，將IIC文件下載到此存儲(chǔ)器內(nèi)進(jìn)行C2方式加載運(yùn)行。系統(tǒng)3.3 V電源由5 V電源經(jīng)LM1117－3.3穩(wěn)壓后得到。

圖2 CY7C68013A最小系統(tǒng)

1.2 外圍硬件

外圍硬件電路如圖3，其中圖3(a)為串口0引出接口，通過(guò)CZ7使用3.3 V TTL電平和其他嵌入式系統(tǒng)通信。圖3(b)為L(zhǎng)CD液晶接口，液晶采用深圳晶聯(lián)訊公司的JLX12832點(diǎn)陣液晶模塊，此款液晶使用ST7565作為驅(qū)動(dòng)IC，可使用串行方式進(jìn)行連接，只占用5根IO口線，節(jié)省了硬件資源。圖3(c)是串口1接口，使用MAX3232電平轉(zhuǎn)換后，通過(guò)CZ5實(shí)現(xiàn)與外部的RS232通信，方便與具有RS232接口的工控系統(tǒng)通信。圖3(d)為鍵盤接口，按鍵采用獨(dú)立式鍵盤，每個(gè)按鍵占用1個(gè)IO口線，可根據(jù)具體需要增減按鍵數(shù)目。圖3(e)是 AD9850芯片及其外圍元件，AD9850采用125 MHz有源晶振作為時(shí)鐘源，與單片機(jī)的接口采用串行方式，為此需將D0和D1接到高電平，D2～D6接到低電平，D7用作串行通信數(shù)據(jù)線。IOUT和IOUTB輸出兩路正弦電流信號(hào)，流經(jīng)R29和R26后得到電壓信號(hào)，通過(guò)C40和C36耦合輸出，方波的產(chǎn)生需將兩路正弦電壓信號(hào)輸入到內(nèi)部高速模擬比較器，在比較器的VOUTP和VOUTN端得到兩路反相的方波信號(hào)。

2 軟件設(shè)計(jì)

圖3 外圍硬件電路

圖4 流程圖

軟件采用模擬操作系統(tǒng)的方式編寫，程序流程圖如圖4，USB在上電設(shè)備枚舉過(guò)程中會(huì)進(jìn)行初始化。初始化LCD后顯示復(fù)位時(shí)的默認(rèn)頻率，同時(shí)控制AD9850輸出該初始頻率，之后主循環(huán)開始輪詢USB、串口0以及串口1的有效標(biāo)志位。如相應(yīng)的標(biāo)志位為1，說(shuō)明在該通信模式下收到有效數(shù)據(jù)，外部有改變輸出頻率的請(qǐng)求，主循環(huán)檢測(cè)到標(biāo)志位后便根據(jù)要求改變DDS的輸出頻率，同時(shí)清除該標(biāo)志位。圖3(b)、(c)、(d)分別為自定義UBS請(qǐng)求串口0、串口1的中斷流程圖，在各自通信協(xié)議內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收和協(xié)議的解析，扮演了消息投遞者的角色。一旦檢測(cè)到有效數(shù)據(jù)流便設(shè)置相應(yīng)的標(biāo)志位，相當(dāng)于把消息投遞給主程序，主程序不斷查詢這些標(biāo)志位，一旦收到消息便及時(shí)處理，更新DDS頻率輸出，并不斷刷新LCD顯示，使顯示信息和輸出頻率保持一致。如需手動(dòng)輸入頻率或其他工作參數(shù)可在主循環(huán)中加入掃鍵程序。

2.1 主要功能的C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)

Cypress公司提供了比較完善的USB固件代碼范例，只需在固件范例的基礎(chǔ)上增加相應(yīng)的功能代碼便可實(shí)現(xiàn)具體的用戶功能。在main()函數(shù)中有一個(gè)TD_Init()函數(shù)，用來(lái)初始化各種變量和外圍硬件。用戶只要把自己的各類初始化功能代碼添加到此函數(shù)的結(jié)尾部分，單片機(jī)復(fù)位后便會(huì)調(diào)用這些初始化代碼，具體C語(yǔ)言程序?qū)崿F(xiàn)如下:

用戶的任務(wù)函數(shù)則放在while(TRUE)主循環(huán)的TD_Poll()中，主程序會(huì)不斷地循環(huán)執(zhí)行，C語(yǔ)言程序?qū)崿F(xiàn)如下:

2.2 標(biāo)志位的產(chǎn)生

對(duì)于COM0和COM1的通信，都采用中斷方式接收外部數(shù)據(jù)，每收到1個(gè)字節(jié)便會(huì)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的中斷。只要自定義一種數(shù)據(jù)流格式，規(guī)定開頭字節(jié)、結(jié)尾字節(jié)、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度及校驗(yàn)字節(jié)，串口中斷程序便可根據(jù)此格式處理收到的數(shù)據(jù)。開始先查找起始字節(jié)，如找到則連續(xù)接收后面固定長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)，如最后一個(gè)字節(jié)正好為規(guī)定的結(jié)尾字節(jié)，則進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)，校驗(yàn)正確后設(shè)置相應(yīng)有效標(biāo)志，中間有任意一個(gè)環(huán)節(jié)出錯(cuò)則丟棄全部數(shù)據(jù)，然后重新進(jìn)行起始字節(jié)的查找。

CY7C68013A的USB中斷由固件統(tǒng)一管理，每個(gè)USB設(shè)備都必須具備端點(diǎn)0，以控制傳輸?shù)姆绞矫杜e設(shè)備，USB協(xié)議使用差錯(cuò)控制和重試機(jī)制來(lái)保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和可靠性，因此采用控制傳輸通信是非常可靠的，可以省去校驗(yàn)過(guò)程。具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程是在固件的SetupCommand()函數(shù)中添加自定義請(qǐng)求，相關(guān)C語(yǔ)言程序如下:

自定義的REQ_DDS是一個(gè)宏代換，在FX2.H頭文件中進(jìn)行定義，需要注意的是不能和標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求宏發(fā)生沖突，若0xA1沒(méi)有被使用，就可以這樣定義:#define REQ_DDS 0xA1。

2.3 軟件調(diào)試

上電后液晶顯示初始化界面，并輸出1 000 Hz頻率。

在進(jìn)行USB接口調(diào)試時(shí)，可以用Cypress控制臺(tái)程序向設(shè)備發(fā)送A1請(qǐng)求，后面跟上需要產(chǎn)生的頻率信息，如A1 00 00 01 23 45，可以解析為產(chǎn)生12.345 kHz的頻率輸出，發(fā)送A1的DDS自定義請(qǐng)求后，就可以用示波器在正弦波輸出端測(cè)量到該頻率信號(hào)。

串口0和串口1的調(diào)試方法基本相同，只是串口0可以用3.3 V的TTL232直接進(jìn)行調(diào)試，串口1需用RS232方式，上位機(jī)都采用串口調(diào)試軟件，約定每次發(fā)送16個(gè)字節(jié)，以0xE1開頭，0xEA結(jié)尾。0xE1后面跟上頻率信息，0xEA前1個(gè)字節(jié)即倒數(shù)第2個(gè)字節(jié)為校驗(yàn)字節(jié)，它等于前面14個(gè)字節(jié)累加的和，用以簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)校驗(yàn)。需要產(chǎn)生12.345 kHz頻率時(shí)，可以用串口調(diào)試軟件發(fā)送如下16個(gè)字節(jié):

其中4A為其前14個(gè)字節(jié)的累加和。以HEX方式發(fā)送到設(shè)備后，同樣可以觀測(cè)到正弦波形，同時(shí)可以在AD9850的比較器輸出端觀測(cè)到同頻率的兩路反相方波信號(hào)。

3 結(jié)語(yǔ)

該DDS信號(hào)發(fā)生器結(jié)合了比較高級(jí)的CY7C68013A單片機(jī)，實(shí)現(xiàn) USB2.0、TTL232以及RS232的通信控制，非常方便與各種外設(shè)進(jìn)行互聯(lián)，也方便在此基礎(chǔ)進(jìn)行軟、硬件的進(jìn)一步開發(fā)，信號(hào)輸出穩(wěn)定，性價(jià)比高，正弦頻譜單純凈，頻率分辨率高。

［1］Cypress Semiconductor Corporation.EZ－USB ? FX2LPTMUSB Microcontroller High－Speed USB Peripheral Controller［EB/OL］.［2012 －11 －01］.http://www.cypress.com/?docID=34060.

［2］薛園園，趙建領(lǐng).USB應(yīng)用開發(fā)寶典［M］.北京:人民郵電出版社，2011.

［4］趙燕徐，鄭茹瓊，蔡順燕.基于AD9850的可編程信號(hào)源的設(shè)計(jì)［J］.信息技術(shù)，2010(7):116－118.

［3］許德志，丁才成.一種基于DDS技術(shù)的信號(hào)發(fā)生器研究與實(shí)現(xiàn)［J］.電子科技，2010(3):60－61.