基于DDS的數字式頻率特性測試儀的軟件設計*

呂念芝 張天柱

(1．福州海峽職業技術學院，福建 福州350001;2．福州師范大學軟件學院，福建 福州350001)

引言

隨著DDS技術的逐漸成熟，應用DDS技術產生的掃頻信號具有失真度低、掃頻精度高等優點，同時掃頻控制簡單、準確，因此使用DDS芯片作為掃頻源的設計逐漸被廣泛應用［1～2］．

本文使用最新的DDS技術實現掃頻源設計，大大降低產生寬頻、等幅、正交正弦信號的技術難度，為實現掃頻儀的設計奠定了良好的基礎．應用模擬乘法器實現直通信號和被測網絡信號的高速乘法運算，并經過LPF(Low Pass Filter，低通濾波器)獲得被測網絡頻率特性(包括幅頻特性和相頻特性)的電壓信號．然后經過ADC(Analog-to-Digital Converter，模數變換器)將該電壓信號轉換為二進制數據;最后在單片機系統中，經過頻率特性的坐標變換算法處理，獲得被測網絡幅頻特性和相頻特性曲線的平面坐標數據，并在LCD(Liquid Crystal Display，液晶顯示屏)上顯示出來．為了便于操作和實現良好的用戶體驗，本文采用紅外遙控技術實現儀器的遙控操作功能，采用μC/GUI(Embedded Graphical User Interface，嵌入式圖形用戶接口)技術設計儀器的顯示界面．

1 系統方案設計

本系統由掃頻信號源、模擬乘法器、MCU模塊、IR遙控模塊和液晶顯示模塊共5部分組成，系統原理如圖1所示．

圖1 系統原理框圖

圖1中STM32單片機負責控制DDS輸出測量所需的1～40MHz兩路正交正弦信號，其中余弦信號通過被測網絡RLC后，在乘法器與余弦直通信號相乘，相乘的結果經LPF濾除倍頻信號后送入單片機內部的AD變換為數字信號．正弦信號與RLC輸出的信號被送至另一個乘法器的輸入端，相乘的結果經LPF濾波后，也送入單片機AD變換為數字信號．單片機按照事先設計的程序對兩路數據進行處理，并求出對應頻率下的電壓增益和相位差，同時將結果顯示在液晶屏上．用戶可通過IR遙控器向單片機發送指令，控制單片機實現各種測量操作．

2 系統軟件設計

該系統采用分層設計思想，將不同邏輯層的程序劃分在不同的文件夾，每一層所包含的源文件都放在該層對應的文件夾下的src文件夾目錄下，每一層提供的頭文件都放在該層對應的文件夾目錄下．

程序通過調用ST公司提供的STM32固件庫接口操縱底層硬件，將系統硬件初始化代碼以及片上ADC數據采集代碼封裝成API層，供應用程序調用．主控器通過I/O口連接外設，整合外設操作代碼為DEV設備驅動層．基于TFTLCD顯示屏驅動，移植Micriμm公司的開源μC/GUI程序庫，應用程序通過調用μC/GUI程序庫的接口在液晶顯示屏上繪制程序界面．以上描述的系統軟件工程結構如圖2所示．

圖2 系統軟件層級結構

2．1 IR紅外解碼設計

紅外發射器使用市場上常見的小型紅外遙控器，當用戶按下操作鍵時，該發射器與接收模塊之間通過紅外傳輸協議進行通信，該協議描述如下:

1)以當前時刻為0點，發送9 ms的脈沖信號，然后等待4．5 ms;

2)連續發送32個635 us的紅外脈沖信號，當發送邏輯0時等待550 us，發送邏輯1時等待1 650 us．

3)發送635 us脈沖信號結束此次傳輸;

4)若用戶沒有釋放按鍵，則以0點為起始時刻，每隔108 ms重發該命令，重發時序如下所述;

5)發送9 ms的脈沖信號并等待2．2 ms;

6)發送635 us脈沖信號結束此次傳輸;

利用STM32芯片中定時器的捕獲功能，對OUT引腳的輸出信號進行時間測量，可以很精確地獲取紅外接收到的32位數據．

2．2 應用層主程序設計

APP層采用模塊化設計，每個模塊獨立為一個C源文件，并通過H頭文件向外部提供接口．主程序負責程序起始時硬件設備初始化，獲取紅外命令和更新命令，并將命令下發給相應的模塊處理．

凍土是熱傳導，而多孔介質卻是導熱和對流的復合作用。飽和含水土壤孔隙中充滿了水分，增大了土壤顆粒間接觸熱阻，使土壤蓄熱能力增強，對外界的傳熱則大大降低。同時，孔隙中水分凝結成冰時，將釋放大量的潛熱，使土壤平均溫度相對較高，土壤升溫又使管內外溫度梯度降低，從而管壁熱流密度降低。

子程序包含系統初始化模塊、控件焦點調度模塊、點頻測量模塊、掃頻輸出模塊、頻率特性繪圖模塊、定時更新模塊、中文顯示模塊、讀取電壓模塊、計算頻率特性模塊．

應用層流程圖如圖3所示．

圖3 主程序流程圖

2．2．1 點頻測量模塊

該模塊主要功能為在固定頻率下測量被測網絡的頻率特性．模塊包含1個編輯框控件，當該編輯框獲取用戶輸入焦點時，在數據兩側顯示“-”和“+”符號，提示用戶輸入加減命令設置輸出頻率．當定時器產生該模塊的定時更新命令時，電壓增益與信號相移會被重新計算并刷新顯示到屏幕上，該模塊數據的更新周期為500 ms，程序流程圖如圖4所示．

圖4 點頻測量程序流程圖

2．2．2 掃頻輸出模塊

該模塊主要實現頻率的掃頻輸出，頻率的起始值、終止值以及步進值均可設置，起始頻率的下限為1 MHz，終止頻率的上限為40 MHz，步進頻率為100 KHz的整數倍且不可超過終止頻率與起始頻率的差值，當掃描頻率超出終止頻率時，超出頻率加上起始頻率作為新的掃頻值．當用戶修改掃頻參數時，該模塊修改定時器中相應的更新周期參數，實現任意情況下掃頻時間均小于2 s．該模塊主要實現邏輯如圖5所示．

圖5 (a)更新命令處理流程圖

圖5 (b)“+”命令處理流程圖

圖5 (c)“－”命令處理流程圖

3 總結

針對以上問題，可以采用以下方法進一步完善掃頻儀性能:

1)購買高質量高精度電子器件，保證電路的對稱性和元器件的可靠連接;

2)采用工業制板和焊接，保證器件的連接完好;

3)為測量儀配備專業的直流電源，降低電源引起的干擾，提高掃頻信號的信噪比;

4)增加無線wifi模塊，使用無線技術接入Internet;

5)研究和設計誤差補償方法，通過軟件修正的方式彌補硬件系統的不足，通過對測量數據進行理論補償，提高掃頻儀的測量精度和準度;

使用μC/OS-III嵌入式實時操作系統實現多線程操作，并利用μC/TCP-IP協議實現網絡控制，提高儀器的智能化程度．

［1］關曉佳．基于DDS技術的信號發生器設計［J］．電腦知識與技術，2012，8(13):3196-3198．

［2］李超，謝雪松，張小玲．一種DDS任意波形發生器的ROM優化方法［J］．電子技術應用，2013，39(2):12-15．

［3］張濤，左謹平，馬華玲．FatFs在32位微控制器STM32上的移植［J］．電子技術，2010(3):25-27．

［4］晏英俊，張自強．基于STM32的步進電機轉速控制實驗設計［J］．實驗室科學，2010，13(6):59-61．

［5］Analog Devices．CMOS 300 MHz Quadrature Complete-DDSAD9854［M］．Analog Devices，1999．