基于STM32 的程控多路數(shù)字信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)

李 鈺，宋 建

（1.華南理工大學(xué) 廣東省高分子先進(jìn)制造技術(shù)及裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640；2.華南理工大學(xué) 聚合物加工工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640）

液壓系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，相較于傳統(tǒng)的閥控液壓系統(tǒng)，伺服泵液壓系統(tǒng)在能量節(jié)約、高精度與快速反應(yīng)方面擁有巨大優(yōu)勢[1]，因而廣泛應(yīng)用于如塑料注塑機(jī)、壓力機(jī)等成型機(jī)械。伺服泵驅(qū)動(dòng)器會(huì)根據(jù)接收到的數(shù)字信號(hào)來控制同步伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩。為了能夠提高伺服泵液壓系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)控制精度并改善動(dòng)態(tài)性能[2-3]，一款能夠精確控制波形幅度并輸出高分辨率波形的程控多路數(shù)字信號(hào)發(fā)生器就顯得尤為重要，同時(shí)配備的通訊接口可以與工業(yè)控制器進(jìn)行通信，以根據(jù)工業(yè)現(xiàn)場需求實(shí)時(shí)對(duì)輸出波形進(jìn)行精確調(diào)控。

本文基于嵌入式系統(tǒng)開發(fā)了一種程控多路數(shù)字信號(hào)發(fā)生器，通過觸摸屏設(shè)定選定振動(dòng)參數(shù)，產(chǎn)生多路波形、頻率和幅度均可調(diào)的交流信號(hào)。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

信號(hào)發(fā)生器的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示，主要由5 個(gè)部分組成，分別為主控芯片、信號(hào)發(fā)生電路、信號(hào)調(diào)幅電路、RS485 通訊接口電路以及觸摸屏。主控芯片為意法半導(dǎo)體的STM32F103ZET6，這是一款基于Cortex-M3 的32 位處理器。信號(hào)發(fā)生電路與信號(hào)調(diào)幅電路配合產(chǎn)生相應(yīng)波形、頻率、幅值可調(diào)的振動(dòng)交流信號(hào)；RS485 通訊接口用于與工業(yè)控制器的通訊連接，能夠通過工業(yè)控制器傳遞的信息實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)輸出的振動(dòng)交流信號(hào)；觸摸屏用于振動(dòng)交流信號(hào)頻率與幅值參數(shù)的設(shè)定與波形選項(xiàng)的選定。

2 硬件部分

2.1 信號(hào)發(fā)生電路

信號(hào)發(fā)生電路的核心為ADI 公司生產(chǎn)的AD9833芯片，AD9833 生成波形采用了DDS 數(shù)字合成器技術(shù)，如圖2 所示為DDS 基本結(jié)構(gòu)示意圖，原理是利用相位累加器在時(shí)鐘信號(hào)的作用下累加頻率控制字，輸出的結(jié)果再與波形控制字相加，作為不同類型波形數(shù)據(jù)分區(qū)塊存儲(chǔ)的地址值，再將地址值與相位控制字相加，從而得到相位不同的波形[4]。

圖2 DDS 基本結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Basic structure schematic of DDS

STM32 主控芯片與AD9833 的通訊方式為單工SPI 通訊，而后續(xù)使用的MCP41010 芯片也采用單工SPI 通訊，因此為節(jié)省IO 口，采用一主多從的器件布局，所有的從器件共享同一根時(shí)鐘線與數(shù)據(jù)線。主控芯片STM32 為每一個(gè)從機(jī)分配一個(gè)獨(dú)立的NSS 片選引腳，從而實(shí)現(xiàn)各個(gè)從器件的獨(dú)立尋址。本文中使用到STM32F103ZET6 主控芯片的SPI1 接口，由于需要有多個(gè)NSS 片選引腳，因此在配置SPI1 相關(guān)引腳為復(fù)用功能時(shí)需要將固件函數(shù)庫SPI_InitTypeDef 結(jié)構(gòu)體中的SPI_NSS 成員參數(shù)設(shè)置為軟件管理模式[5]。

如圖3 所示為設(shè)計(jì)的信號(hào)發(fā)生電路原理圖，時(shí)鐘線與數(shù)據(jù)線分別為SPI1 的PA-5 與PA-7，片選引腳選用PA-4，外部時(shí)鐘速率選擇為25 MHz。AD9833芯片的輸出端接電容隔離直流分量。此處電壓跟隨器起到隔離緩沖、提高帶載能力的作用，這有助于提高后續(xù)由數(shù)字電位器組成的放大電路的穩(wěn)定。

圖3 信號(hào)發(fā)生電路原理圖Fig.3 Schematic diagram of signal generator circuit

2.2 信號(hào)調(diào)幅電路

傳統(tǒng)的增益可調(diào)節(jié)放大電路中的電阻一般會(huì)采用機(jī)械轉(zhuǎn)鈕式電阻，通過機(jī)械結(jié)構(gòu)的劃片帶動(dòng)以改變電阻值從而改變?cè)鲆娴拇笮6]。這種方式雖然價(jià)格低，結(jié)構(gòu)簡單，但是調(diào)節(jié)時(shí)一般都需要人為或者電機(jī)帶動(dòng)，不符合動(dòng)態(tài)注塑信號(hào)調(diào)節(jié)器的應(yīng)用需求。本文采用通用型運(yùn)算放大器與數(shù)字電位器組合成的程控放大器實(shí)現(xiàn)增益的調(diào)節(jié)。

MCP41010 是一款由Microchip 生產(chǎn)的單通道、數(shù)字控制的8 引腳數(shù)字電位器，具有256 位的分辨精度，PA 與PB 為電位器的兩個(gè)終端，PW 為數(shù)字電位器的滑動(dòng)端，在上電時(shí)抽頭復(fù)位到半量程（80 h），即滑動(dòng)端PW 指向PA 與PB 的中間[7]。

信號(hào)調(diào)幅電路的原理圖如圖4 所示，MCP41010用于通訊的時(shí)鐘線與數(shù)據(jù)線掛載在SPI1 的PA-5 與PA-7，片選引腳選擇為PA-6。將數(shù)字電位器MCP41010與運(yùn)算放大器OP07 組成信號(hào)幅值調(diào)節(jié)電路，放大方式采用反相比例放大，其中放大電路的負(fù)反饋電阻采用50 kΩ 的固定電阻，MCP41010 數(shù)字電位器作為輸入電阻，信號(hào)經(jīng)過放大增益后輸出端接電壓跟隨器以提高后續(xù)帶負(fù)載能力。

圖4 信號(hào)調(diào)幅電路原理圖Fig.4 Chematic diagram of signal modulation circuit

2.3 RS485 串口電路

RS485 總線具有布線簡單、通訊方便、價(jià)格低廉、通訊距離長等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)場景中[8]。通訊單元的物理層采用RS485 串行總線的方式。

如圖5 所示為RS485 電路原理圖，此處使用SP3485芯片作為TTL 電平與485 電平的轉(zhuǎn)換芯片。其中SP3485 的DE 引腳為發(fā)送使能信號(hào)（高電平有效），RE 引腳為接收使能信號(hào)（低電平有效），因而將其一同與單片機(jī)STM32 的PD7 引腳連接，便可僅需一個(gè)引腳來控制串口數(shù)據(jù)的收發(fā)。R14與R17作為偏置電阻用來保證總線空閑時(shí)，A、B 之間的電壓差都不會(huì)大于200 mV，從而避免因?yàn)榭偩€空閑時(shí)由于A、B壓差不定而引起的邏輯混亂，導(dǎo)致可能出現(xiàn)的亂碼。

圖5 RS485 電路原理圖Fig.5 Schematic diagram of RS485 circuit

2.4 觸摸屏

人機(jī)交互界面使用的觸摸屏硬件模塊為ALIEN TEK 第二代7 寸TFTLCD 電容觸摸屏，內(nèi)置有ILI1963 LCD 控制器以及FT5426 電容觸摸芯片，采用的分辨率為800×480，支持16 位的8080 并行接口，可使用565RGB 真彩顯示，內(nèi)部自帶顯存儲(chǔ)，正常工作電壓為3.3 V。

根據(jù)LCD 控制器的顯示工作機(jī)理，其內(nèi)部RAM可以看為不帶地址總線的靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器，因此將STM32 的相應(yīng)串口設(shè)置為工作在FSMC 總線方式下，就能按照16 位的8080 并口通訊的方式訪問LCD控制器，并實(shí)現(xiàn)對(duì)LCD 的驅(qū)動(dòng)。而FT5426 與STM32的通訊方式采用標(biāo)準(zhǔn)IIC 的形式，在完成初始化后便可讀取觸摸坐標(biāo)數(shù)據(jù)，先讀取0X02 寄存器，判斷有多少個(gè)有效觸摸點(diǎn)，然后讀取0X03～0X1E 等寄存器，便可獲取觸摸坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

3 軟件部分

3.1 軟件總體架構(gòu)

程控多路數(shù)字信號(hào)發(fā)生器的軟件基于UCOSIII操作系統(tǒng)開發(fā)。用戶可以創(chuàng)建多個(gè)優(yōu)先級(jí)別不同的任務(wù)，并按照任務(wù)優(yōu)先級(jí)選擇性地調(diào)用任務(wù)[9]。本文根據(jù)功能需要設(shè)計(jì)有：信號(hào)發(fā)生、信號(hào)調(diào)幅、Modbus通訊以及觸摸屏4 個(gè)任務(wù)，并配置不同的循環(huán)時(shí)間。循環(huán)任務(wù)之前需要對(duì)系統(tǒng)的軟件和硬件進(jìn)行初始化，主要包括操作系統(tǒng)初始化、串口初始化、觸摸屏初始化與emWin 初始化等，系統(tǒng)程序主流程如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)程序主流程Fig.6 Main flow chart of the system program

3.2 信號(hào)發(fā)生任務(wù)

信號(hào)發(fā)生任務(wù)部分需要使用到SPI 總線，對(duì)SPI 總線進(jìn)行初始化的工作在主流程中串口初始化部分就已經(jīng)完成，因此，在進(jìn)入到任務(wù)函數(shù)中后只需要判斷是否需要改變參數(shù)，若為是，則進(jìn)入到對(duì)AD9833 的寫數(shù)據(jù)過程；若為否，則直接結(jié)束。

本文中對(duì)AD9833 的寫數(shù)據(jù)過程共分為5 個(gè)步驟：

（1）在對(duì)AD9833 進(jìn)行初始化時(shí)為了避免產(chǎn)生虛假DAC 輸出因而需要將RESET 置為1，使AD9833復(fù)位，即寫入0x0100；

（2）控制寄存器B28=1，D14D15=00，此項(xiàng)命令是為了將一個(gè)完整的字通過2 次連續(xù)寫入載入到頻率寄存器當(dāng)中，即寫入0x2100；

（3）選擇頻率寄存器，寫入2 個(gè)連續(xù)的14 位數(shù)據(jù)；

（4）選擇相位寄存器并寫入相位數(shù)據(jù)；

（5）重新將RESET 位置為0，選擇所要使用的頻率寄存器、相位寄存器以及需要輸出的波形種類，在RESET 置0 后的8 個(gè)MCLK 周期內(nèi)，DAC 輸出端會(huì)出現(xiàn)信號(hào)。

信號(hào)發(fā)生任務(wù)程序流程如圖7 所示。

3.3 信號(hào)調(diào)幅任務(wù)

信號(hào)調(diào)幅任務(wù)需要使用到的SPI 總線同樣在最開始就在主流程串口初始化中完成初始化，因而進(jìn)入至任務(wù)函數(shù)后只需要判斷是否改變阻值，若為是，則對(duì)MCP41010 寫數(shù)據(jù)；若為否，則直接結(jié)束。

對(duì)MCP41010 的寫數(shù)據(jù)共分為2 個(gè)字節(jié)：第一段為命令字節(jié)，命令字節(jié)中第2、3 位和6、7 為無關(guān)位，C1，C0 為指令選擇位，P1，P0 為通道選擇位，MCP41010 只集成了1 個(gè)電位器，因而通常會(huì)將命令字節(jié)設(shè)定為0x11；數(shù)據(jù)字節(jié)為8 位，可以將電位器滑動(dòng)端置于256 個(gè)端點(diǎn)中的任意一個(gè)，精度極高。信號(hào)調(diào)幅任務(wù)程序流程如圖8 所示。

圖8 信號(hào)調(diào)幅任務(wù)程序流程Fig.8 Flow chart of signal modulation task program

3.4 Modbus 通訊任務(wù)

Modbus 通訊協(xié)議現(xiàn)階段廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，在不同的串口設(shè)備之間可以進(jìn)行數(shù)據(jù)交換與通訊，目前已成為一種通用的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，獲得不同硬件廠商的支持[10]。

Modbus 的通訊協(xié)議采用主/從問答的方式，通訊時(shí)由主機(jī)發(fā)起通訊任務(wù)，通訊格式：從機(jī)地址-功能代碼-地址區(qū)域-數(shù)據(jù)量-校驗(yàn)碼，而從機(jī)在接收確認(rèn)到是對(duì)自己的呼叫后會(huì)根據(jù)功能代碼完成相應(yīng)動(dòng)作并向主機(jī)響應(yīng)[11]。

本文采用的Modbus 傳輸協(xié)議通過RS485 串口進(jìn)行傳輸，因而在進(jìn)行協(xié)議層數(shù)據(jù)傳輸前需要先完成物理層硬件串口的初始化，這部分工作在主程序流程中執(zhí)行。進(jìn)入到任務(wù)函數(shù)中需要依次判斷是否收到主機(jī)指令、是否為本機(jī)地址、CRC 校驗(yàn)是否正確，在均為是的情況下就可以根據(jù)功能碼進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取或者寫入，再向主機(jī)響應(yīng)數(shù)據(jù)，至此結(jié)束。Modubs 通訊任務(wù)程序流程如圖9 所示。

3.5 觸摸屏任務(wù)

觸摸屏任務(wù)主要使用到了emWin 圖形庫來幫助顯示更新，因此在對(duì)觸摸屏進(jìn)行初始化后也需要對(duì)emWin 圖形庫進(jìn)行初始化，這兩部分的工作已經(jīng)在準(zhǔn)備階段完成。因而，進(jìn)入至觸摸屏任務(wù)后會(huì)開啟檢測觸摸屏是否有按下，若為是，則會(huì)實(shí)時(shí)更新顯示；若為否，則直接結(jié)束任務(wù)。觸摸屏任務(wù)程序流程如圖10 所示。

圖10 觸摸屏任務(wù)程序流程Fig.10 Flow chart of touch screen task program

觸摸屏的顯示界面如圖11 所示，可以分別對(duì)兩路振動(dòng)交流信號(hào)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定以及選定。其中信號(hào)的頻率、幅值參數(shù)可以通過直接點(diǎn)擊相應(yīng)位置的編輯框后輸入設(shè)定數(shù)值，波形的選擇則可以在下拉列表中進(jìn)行選定。

圖11 觸摸屏界面圖Fig.11 Touch screen interface diagram

4 實(shí)驗(yàn)測試與結(jié)果分析

測試時(shí)使用的示波器型號(hào)：Tektronix DPO 2012B。

實(shí)驗(yàn)方法：通過用戶界面兩路信號(hào)分別設(shè)置不同頻率、幅值的正弦波、三角波、方波信號(hào)，使用示波器測試輸出的信號(hào)。

圖12 所示為2 Hz 正弦交流信號(hào)示波器顯示圖，圖13 所示為5 Hz 三角交流信號(hào)示波器顯示圖。

圖12 2 Hz 正弦交流信號(hào)Fig.12 2 Hz sinusoidal AC signal

圖13 5 Hz 三角交流信號(hào)Fig.13 5 Hz triangular AC signal

經(jīng)過測試可得出以下結(jié)論：程控多路數(shù)字信號(hào)發(fā)生器能夠產(chǎn)生正弦波、三角波、方波3 種周期性交流信號(hào)且波形輸出的頻率分辨率極高，可達(dá)0.1 Hz，可以作為激振信號(hào)源。

5 結(jié)語

本文基于STM32F103ZET6 芯片與UCOSIII 操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一款程控多路數(shù)字信號(hào)發(fā)生器。采用了AD9833 和MCP41010 芯片實(shí)現(xiàn)了振動(dòng)交流信號(hào)的發(fā)生與調(diào)幅；基于RS485 接口并采用Modbus 通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)了工業(yè)控制器與信號(hào)發(fā)生器的實(shí)時(shí)通訊；基于emWin 圖形庫設(shè)計(jì)了人機(jī)交互界面，可以在觸摸屏上設(shè)定選定信號(hào)參數(shù)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試，設(shè)計(jì)的信號(hào)發(fā)生器能夠產(chǎn)生波形、頻率以及幅值可調(diào)的振動(dòng)交流信號(hào)，并根據(jù)工業(yè)控制器傳遞的通訊信息實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)輸出波形，滿足激振信號(hào)源的應(yīng)用需求，實(shí)現(xiàn)了多路數(shù)字信號(hào)的調(diào)頻調(diào)幅。