根据MSP430F6638的信号采集与分析系统实验

信号采集与分析系统实验一、实验目的本实验目的是利用实验箱构建一个信号采集和分析系统。

二、实验内容三、实验步骤1、键盘及LED的设计与制作–编写单片机程序，控制按键，控制灯的亮灭，测试所有能控制的按键和LED2、液晶屏显示的设计与制作–测试在液晶屏上显示波形和数据3、以信号发生器输入单频正弦波，以16个指示灯代表16个单频点，频点在200Hz ~ 10kHz任选，信号发生器每次产生一种频点正弦波，AD采集，对应频点的指示灯会亮；4、把指示灯显示频点改成用液晶显示5、液晶屏同时显示频谱和时域波形四、实验原理1、AD采样模块在这个模块中，每过一段时间，AD采样器采集一个数据存入数组中，并将存储的二进制数转换成对应的电压值，通过代码：collect0[t].real= ADC12MEM0*3.0 / 0x03ff;实现。

采集满N个值之后，令标志变量flag=1，表示一组数据采集完毕，进入下一模块，即FFT变换。

我们将信号发生器输出的模拟电压范围设定为0V~2V ，这是因为：若电压值太大，会导致结果波形失真；若出现负电压，则因为AD模块不支持负电压的采集，结果可能会出现错误。

2、FFT处理模块该模块将采集进来的数据进行FFT变换，变换后的实部即为频谱，用于LCD 的频谱绘制。

绘制时，以各频点的幅频值与最大幅频值的相对大小进行绘制；变换后模值最大的频点对应的频率即为待测频率，用fre表示，便于屏幕及LED频率显示；根据求得的fre，可求得若干函数值，用于LCD的时域波形绘制。

3、LCD液晶屏显示模块该模块用于显示时域波形、频谱、学号、所测频率等内容。

关键语句：清屏：etft_AreaSet(0,0,239,319,0);//清屏显示：sprintf(buffer, "Frequency: %5d Hz",fre);etft_DisplayString(buffer, 0, 32, 0xFFFF, 0x0000);//显示频率同时，在模块中加入了延时语句，使得波形可以保持一定的时间。

时间到后，LCD会进行刷新，重新显示波形和数据。

4、LED灯显示模块LED1作为采样指示灯，ADC模块每采一次样闪烁一次，由于采样频率极高，但中断调用间隔较长，实际显示为每次进入ADC采样中断LED1闪烁一下。

使用LED2、LED3、LED4、LED5显示频率，标号分别为5.7、4.7、4.6、4.5。

受LED灯数目的限制，当用LED显示频率时（二进制表示），只能精确到1kHz。

如当1500<=fre<2500时，用2kHz表示，灯显示为0010；当5500<=fre<6500时，用6kHz表示，灯显示为0110，其余类似。

通过以上模块，可以实现以下功能：AD模块采集N个数据后，FFT模块对数据进行处理，FFT变换后，实部为频谱，用于LCD的频谱绘制；模值最大的频点为所求频率，在LED和LCD上显示；再求得一些采样点的函数值，在LCD 上绘制时域波形。

最终，频率显示在LED灯和LCD上，波形和频谱显示在LCD 上。

图像保持一段时间后，LCD会进行刷新，重新显示波形和数据。

附录：1、键盘及LED的设计与制作#include <msp430.h>#include <stdint.h>#include <stdio.h>#include "dr_i2c.h"#include "dr_tft.h"#define TEMP_ADDR 0x2A#define TEMP_LOCAL 0x00#define TEMP_REMOTE 0x01#define TEMP_CONFIG1 0x09#define TEMP_CONFIG2 0x0A#define TEMP_NCORR 0x21#define BATT_ADDR 0x55#define BATT_VOLTAGE 0x04#define BATT_CURRENT 0x10#define BATT_SOC 0x1C#define BATT_CAPA 0x0C#define BATT_FLAG 0x06int TEMP_LOCAL_INDEX;int TEMP_REMOTE_INDEX;int BATT_VOLTAGE_INDEX;int BATT_CURRENT_INDEX;int BATT_SOC_INDEX;int BATT_CAPA_INDEX;int BATT_FLAG_INDEX;typedef struct{const volatile uint8_t* PxIN;volatile uint8_t* PxOUT;volatile uint8_t* PxDIR;volatile uint8_t* PxREN;volatile uint8_t* PxSEL;} GPIO_TypeDef;const GPIO_TypeDef GPIO4 ={&P4IN, &P4OUT, &P4DIR, &P4REN, &P4SEL};const GPIO_TypeDef GPIO5 ={&P5IN, &P5OUT, &P5DIR, &P5REN, &P5SEL};const GPIO_TypeDef GPIO8 ={&P8IN, &P8OUT, &P8DIR, &P8REN, &P8SEL};const GPIO_TypeDef* LED_GPIO[5] = {&GPIO4, &GPIO4, &GPIO4, &GPIO5, &GPIO8};const uint8_t LED_PORT[5] = {BIT5, BIT6, BIT7, BIT7, BIT0};void initClock(){while(BAKCTL & LOCKIO) // Unlock XT1 pins for operationBAKCTL &= ~(LOCKIO);UCSCTL6 &= ~XT1OFF; //启动XT1P7SEL |= BIT2 + BIT3; //XT2引脚功能选择UCSCTL6 &= ~XT2OFF; //启动XT2while (SFRIFG1 & OFIFG) { //等待XT1、XT2与DCO稳定UCSCTL7 &= ~(DCOFFG+XT1LFOFFG+XT2OF FG);SFRIFG1 &= ~OFIFG;}UCSCTL4 =.\SELA__XT1CLK +SELS__XT2CLK + SELM__XT2CLK; //避免DCO调整中跑飞UCSCTL1 = DCORSEL_5; //6000kHz~23.7MHzUCSCTL2 = 20000000 / (4000000 / 16); //XT2频率较高，分频后作为基准可获得更高的精度UCSCTL3 = SELREF__XT2CLK + FLLREFDIV__16; //XT2进行16分频后作为基准while (SFRIFG1 & OFIFG) { //等待XT1、XT2与DCO稳定UCSCTL7 &= ~(DCOFFG+XT1LFOFFG+XT2OF FG);SFRIFG1 &= ~OFIFG;}UCSCTL5 = DIV A__1 + DIVS__1 + DIVM__1; //设定几个CLK的分频UCSCTL4 = SELA__XT1CLK + SELS__DCOCLK + SELM__DCOCLK; //设定几个CLK的时钟源}int main( void ){// Stop watchdog timer to prevent time out resetWDTCTL = WDTPW + WDTHOLD;initClock();initI2C();initTFT();etft_AreaSet(0,0,319,239,0);int i;for(i=0;i<5;++i)*LED_GPIO[i]->PxDIR |= LED_PORT[i]; //设置各LED灯所在端口为输出方向P4REN |= 0x1F; //使能按键端口上的上下拉电阻P4OUT |= 0x1F; //上拉状态uint8_t last_btn = 0x1F, cur_btn, temp;while(1){int temp1, temp2;char buffer[41];cur_btn = P4IN & 0x1F;temp = (cur_btn ^ last_btn) & last_btn; //找出刚向下跳变的按键last_btn = cur_btn;int i;for(i=0;i<5;++i){if(temp & (1 << i)){*LED_GPIO[i]->PxOUT ^= LED_PORT[i]; //翻转对应的LED__delay_cycles(3276); //延时大约100mstemp1=7-i;temp2=5-i;sprintf(buffer, "Switch %d LED %d", temp1, temp2);etft_DisplayString(buffer, 0, 0, 0xFFFF, 0x0000);sprintf(buffer,"temp %d", temp);etft_DisplayString(buffer, 0, 16, 0xFFFF, 0x0000);}}__delay_cycles(2000000);}}2、信号采集与显示#include <msp430f6638.h>#include <stdint.h>#include <stdio.h>#include "math.h"#include "dr_tft.h"#define N 256 //FFT点数#define PI 3.14159265327volatile long IntDegF;volatile long IntDegC;void initClock(){while(BAKCTL & LOCKIO) // Unlock XT1 pins for operationBAKCTL &= ~(LOCKIO); UCSCTL6 &= ~XT1OFF; //启动XT1P7SEL |= BIT2 + BIT3; //XT2引脚功能选择UCSCTL6 &= ~XT2OFF; //启动XT2while (SFRIFG1 & OFIFG){ //等待XT1、XT2与DCO稳定UCSCTL7 &= ~(DCOFFG+XT1LFOFFG+XT2OFFG) ;SFRIFG1 &= ~OFIFG;}UCSCTL4 = SELA__XT1CLK + SELS__XT2CLK + SELM__XT2CLK; //避免DCO调整中跑飞UCSCTL1 = DCORSEL_5; //6000kHz~23.7MHzUCSCTL2 = 20000000 / (4000000 / 16); //XT2频率较高，分频后作为基准可获得更高的精度UCSCTL3 = SELREF__XT2CLK + FLLREFDIV__16; //XT2进行16分频后作为基准while (SFRIFG1 & OFIFG){ //等待XT1、XT2与DCO稳定UCSCTL7 &= ~(DCOFFG+XT1LFOFFG+XT2OFFG) ;SFRIFG1 &= ~OFIFG;}UCSCTL5 = DIV A__1 + DIVS__1 + DIVM__1; //设定几个CLK的分频UCSCTL4 = SELA__XT1CLK + SELS__DCOCLK + SELM__DCOCLK; //设定几个CLK的时钟源}struct compx{float real,imag;};struct compx collect[N],collect0[N]; //AD采集到的值unsigned long fs = 28500; //采样频率int i,j,fre;float temp_frc,z;unsigned int t=0,k=0,flag=0,n=0,c=0;/*函数原型：struct compx EE(struct compx b1,struct compx b2)函数功能：对两个复数进行乘法运算输入参数：两个以联合体定义的复数a,b输出参数：a和b的乘积，以联合体的形式输出*/struct compx EE(struct compx a,structcompx b){struct compx c;c.real=a.real*b.real-a.imag*b.imag;c.imag=a.real*b.imag+a.imag*b.rea l;return(c);}/*函数原型：void FFT(struct compx *xin) 函数功能：对输入的复数组进行快速傅里叶变换（FFT）输入参数：*xin复数结构体组的首地址指针，struct型*/void FFT(struct compx *xin){int f,m,nv2,nm1,i,k,l,j=0;struct compx u,w,t;int le,lei,ip; //FFT运算核，使用蝶形运算完成FFT运算nv2=N/2; //变址运算，即把自然顺序变成倒位序，采用雷德算法nm1=N-1;for(i=0;i<nm1;i++){if(i<j) //如果i<j,即进行变址{t=xin[j];xin[j]=xin[i];xin[i]=t;}k=nv2; //求j的下一个倒位序while(k<=j)//如果k<=j,表示j的最高位为1{j=j-k;//把最高位变成0k=k/2; //k/2，比较次高位，依次类推，逐个比较，直到某个位为0}j=j+k; //把0改为1}f=N;for(l=1;(f=f/2)!=1;l++) //计算l的值，即计算蝶形级数;for(m=1;m<=l;m++) // 控制蝶形结级数{ //m表示第m级蝶形，l 为蝶形级总数l=log（2）Nle=2<<(m-1); //le蝶形结距离，即第m级蝶形的蝶形结相距le点lei=le/2; //同一蝶形结中参加运算的两点的距离u.real=1.0; //u为蝶形结运算系数，初始值为1u.imag=0.0;w.real=cos(PI/lei); //w为系数商，即当前系数与前一个系数的商w.imag=-sin(PI/lei);for(j=0;j<=lei-1;j++) //控制计算不同种蝶形结，即计算系数不同的蝶形结{for(i=j;i<=N-1;i=i+le) //控制同一蝶形结运算，即计算系数相同蝶形结{ip=i+lei; //i，ip 分别表示参加蝶形运算的两个节点t=EE(xin[ip],u);//蝶形运算，详见公式xin[ip].real=xin[i].real-t.real;xin[ip].imag=xin[i].imag-t.imag;xin[i].real=xin[i].real+t.real;xin[i].imag=xin[i].imag+t.imag;}u=EE(u,w); //改变系数，进行下一个蝶形运算}}}void main( void ){float y[N];// Stop watchdog timer to prevent time out resetWDTCTL = WDTPW + WDTHOLD;initClock();initTFT();REFCTL0 &= ~REFMSTR; // Reset REFMSTR to hand over control to// ADC12_A ref control registersADC12CTL0 = 0x0050 ; // Internal ref = 1.5VADC12CTL1 = ADC12SHP; // enable sample timerADC12MCTL0 = ADC12INCH_13; // ADC i/p ch A10 = temp sense i/pADC12IE = 0x001; // ADC_IFG upon conv result-ADCMEMO__delay_cycles(75);// 75us delay to allow Ref to settleADC12CTL0 |= ADC12ENC;P8DIR |= BIT0;P5DIR |= BIT7;P4DIR |= BIT5+BIT6+BIT7;char buffer[81];etft_AreaSet(0,0,239,319,0);//清屏sprintf(buffer, "Name:Zhao Zhenqi");etft_DisplayString(buffer, 0, 0, 0xFFFF, 0x0000);sprintf(buffer, "Student Number:22920132203719");etft_DisplayString(buffer, 0, 16, 0xFFFF, 0x0000);while(1){ADC12CTL0 |= ADC12SC; // Sampling and conversion start__bis_SR_register(LPM4_bits + GIE); // LPM0 with interrupts enabled__no_operation();if(flag==1){ //FFT处理模块FFT(collect);for(i=0;i<N;i++) //求变换后结果的模值，存入复数的实部部分collect[i].real=sqrt(collect[i].real*collect [i].real+collect[i].imag*collect[i].imag);temp_frc=collect[1].real; fre=1;for(i=2;i<N/2;i++){if(collect[i].real>temp_frc)//求出最大幅值对应的频点{temp_frc=collect[i].real;fre=i;}}fre=fre*fs/N;//所测频率for(i=0;i<80;i++){y[i]=sin((float)i*PI*fre/2/fs);}//LCD液晶屏显示模块etft_AreaSet(32,0,239,319,0);//清屏sprintf(buffer, "Frequency: %5d Hz",fre);etft_DisplayString(buffer, 0, 32, 0xFFFF, 0x0000);sprintf(buffer,".");for(i=0;i<80;i++){etft_DisplayString(buffer,(i)*4,(int)((y[i] +1)*10+90),0xFFFF,0x0000);//绘制波形}sprintf(buffer,"*");for(j=1;j<319;j++){i=14-(int)(collect[j].real/(temp_frc/1 0)*14);//扫频，频谱高度由该频点与中心频点的相对值决定etft_DisplayString(buffer,j,200+i,0x FFFF,0x0000);//绘制频谱}//LED灯显示模块if(fre>=500&&fre<1500){P4OUT |= BIT5;//点亮灯P4OUT &= ~BIT6;//熄灭灯P4OUT &= ~BIT7;P5OUT &= ~BIT7;}else if(fre>=1500&&fre<2500){P4OUT &= ~BIT5;P4OUT |= BIT6;P4OUT &= ~BIT7;P5OUT &= ~BIT7;}else if(fre>=2500&&fre<3500) {P4OUT |= BIT5;P4OUT |= BIT6;P4OUT &= ~BIT7;P5OUT &= ~BIT7;}else if(fre>=3500&&fre<4500) {P4OUT &= ~BIT5;P4OUT &= ~BIT6;P4OUT |= BIT7;P5OUT &= ~BIT7;}else if(fre>=4500&&fre<5500) {P4OUT |= BIT5;P4OUT &= ~BIT6;P4OUT |= BIT7;P5OUT &= ~BIT7;}else if(fre>=5500&&fre<6500) {P4OUT &= ~BIT5;P4OUT |= BIT6;P4OUT |= BIT7;P5OUT &= ~BIT7;}else if(fre>=6500&&fre<7500) {P4OUT |= BIT7;P4OUT |= BIT6;P4OUT |= BIT5;P5OUT &= ~BIT7;}else if(fre>=7500&&fre<8500) {P4OUT &= ~BIT7;P4OUT &= ~BIT6;P4OUT &= ~BIT5;P5OUT |= BIT7;}else if(fre>=8500&&fre<9500){P4OUT |= BIT7;P4OUT &= ~BIT6;P4OUT &= ~BIT5;P5OUT |= BIT7;}else if(fre>=9500&&fre<10500){P4OUT &= ~BIT7;P4OUT |= BIT6;P4OUT &= ~BIT5;P5OUT |= BIT7;}flag=0;__delay_cycles(2*MCLK_FREQ);//延时}}}//AD采样模块#pragma vector = ADC12_VECTOR__interrupt void ACD12_ISR(void){switch(__even_in_range(ADC12IV, 34)){case 0: break; //Vector 0: 无中断case 2: break; //Vector 2: ADC溢出中断case 4: break; //Vector 4: ADC转换时间溢出中断case 6:collect0[t].imag = 0;collect0[t].real = ADC12MEM0*3.0 / 0x03ff;t++;if(t==N)//采满N个值{t=0;flag=1;for(k=0;k<N;k++){collect[k]=collect0[k];}}P8OUT ^=BIT0;__bic_SR_register_on_exit(LPM0_bits); break; //退出低功耗模式0case 8: break;case 10: break;case 12: break;case 14: break;case 16: break;case 18: break;case 20: break;case 22: break;case 24: break;case 26: break;case 28: break;case 30: break;case 32: break;case 34: break;default: break;}}。