嵌入式系统及应用——简易信号发生器

嵌入式系统及应用实验报告简易信号发生器

作者：学号：

班级：电子1001

学院：电子信息工程学院作者：学号：

班级：电子1003

学院：电子信息工程学院

简易信号发生器

北京交通大学.北京.100044

摘要：本实验所设计的“简易信号发生器”在硬件上是基于“嵌入式开发平台”实验箱，其上搭载有ST公司的基于ARM Cortex-M3内核的微控制器芯片 STM32 F103 ZET6 。方案中使用此芯片作为主控芯片，控制矩阵键盘进行输入操作，同时控制LCD液晶进行图形用户界面的显示以及控制DAC芯片进行模拟波形的输出，除此之外使用MCU内部输出PWM 波形，从而输出方波。软件编程使用IAR编程环境，对实验平台上的硬件编写相应的初始化函数和驱动函数等。最后使用示波器对输出的波形进行测量与评估。

关键词：嵌入式开发；ARM；简易信号发生器；DAC；

中图分类号：文献标志码：A

信号发生器是一种能够产生多种波形，如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波的仪器。函数信号发生器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途。通过对函数波形发生器的原理以及构成分析，可设计一个能变换出三角波、正弦波、方波的函数波形发生器。

本方案所设计的“简易信号发生器”能够产生三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波。方案中，主要通过定时器产生一定的时延来触发 DMA ，将一个已编好的“波形数组”通过 DMA 传送给 DAC 芯片产生模拟波形输出。程序中通过改变定时器的时延，即可改变输出波形的频率。此外，还编写了用户图形界面——基于 LCD 液晶的显示操作界面。

1 系统总体设计

本章阐述“简易信号发生器”的整体设计方案，包括系统概述、设计要求、整体框图等。

1.1 系统概述

本方案所设计的“简易信号发生器”所使用的硬件资源主要为实验室的“嵌入式开发平台”实验箱，其上搭载有ST公司的基于ARM Cortex-M3内核的微控制器芯片 STM32 F103 ZET6 。实验中使用此芯片为主控芯片，并使用实验平台上的外围电路（包括DAC、LCD、BNC 端子等）来搭建电路，实现“简易信号发生器”的功能。

1.2 设计要求

设计一个“简易信号发生器”，需要满足以下设计要求：

（1）设置用 STM32 的 PWM 输出引脚输出脉冲波形。波形频率范围：1Hz-100KHz，3 位有效数字精度。占空比 1-99% ，两位有效数字。利用按键和 LCD 显示，设定频率和占空比。（输出取自蜂鸣器的跳线端子）。

（2）利用电路板上 DAC 芯片 ADS7302 和 STM32 的 DMA 功能，将计算得到的模拟波形缓冲数据，通过 DAC 的通道 A 发送出去，在电路板 DA1 BNC 端子测量输出波形。注意输出模拟波形数据要使DAC芯片8位满幅度，DAC 接受无极性源码0-255。

（3）在 LCD 上给出对脉冲输出和模拟输出的设定界面，用户可以指定信号参数，包括脉冲信号频率和占空比，模拟信号频率，调幅信号载频、调制频率和调制系数等。

1.3 整体框图

由系统的整体设计要求，规划“简易信号发生器”的整体框图如下：

2 硬件设计及实现

本章详细阐述设计“简易信号发生器”所使用的硬件电路平台，硬件电路的选用为软件的编程实现提供基础。

2.1 整体硬件方案

本方案所使用的硬件电路主要为实验室的“嵌入式开发平台”实验箱，如图 2-1 所示，其上搭载有ST公司的基于ARM Cortex-M3内核的微控制器芯片 STM32 F103 ZET6 ，并搭配了 LED流水灯、LCD 液晶模块、独立按键、矩阵键盘模块、AD转换模块、DA转换模块、USART通信模块等电路，方便各种嵌入式实验的开发与调试。

图2-1 “嵌入式开发平台”实验箱

本实验方案中，将使用此开发平台的核心板（MCU）模块、矩阵键盘模块、LCD液晶模块、DA转换模块。下文将详细说明这些模块的特性与使用。

2.2 核心板模块

核心板搭载了STM32 F103 ZET6芯片，如图 2-2 所示。此芯片是意法公司（ST）出品的32位微控制器，使用 ARM 32位的 Cortex‐M3 内核，提供了最高 72MHz 工作频率，提供 3.3V 逻辑，适应通用板设计，能够高效地完成该实验平台所需的处理工作。

图2-2 STM32 F103 ZET6 核心板

对于本设计方案而言，此芯片具有以下特性可供参考与利用：

■内核: ARM 32-bit Cortex™-M3 CPU

– 72 MHz 最高主频

■内存：

– 256 ~ 512 Kb 闪存，64 Kb SRAM

– Flexible static memory controller（FSMC），提供 4 个片选信号，支持 CF卡、

SRAM、PSRAM、NOR、 NAND 存储介质。

■ DMA: 12 通道 DMA 控制器

–支持外设 : 定时器、I2C 等

■ 13 种通信接口

– 2 组 I2C 接口

■ 11 个定时器（Timer）

– 16位定时器, 每个定时器有4个 PWM 输出通道

– SysTick 定时器 : 一个 24位减数计数器

2.3 矩阵键盘模块

矩阵键盘模块由一个 4*4 的矩阵键盘和一片 CH452 芯片构成，如图 2-3 所示。电路采用 I2C 串行接口，CH452 用于扫描 4*4 矩阵键盘。当有按键按下时，能够向 MCU 申请一个外部中断，然后将按键编号传入 MCU ，供编程识别。

图2-3 矩阵键盘模块

本设计方案中，使用到‘A’、‘B’、‘C’、‘D’、‘*’、‘#’六个按键，其对应的功能如下：

■ A ：光标上移

■ B ：光标下移

（由移动‘A’、‘B’可以选择主列表中的：波形、频率、占空比）

■* ：光标左移

■# ：光标右移

（由移动‘*’、‘#’可以选择“波形”列表中的：正弦波、三角波、锯齿波；以及“频率”

列表、“占空比”列表中需要修改的数字位）

■ C ：增大数值

■ D ：减小数值

（由移动‘C’、‘D’可以修改某一数字位上的数字大小，用以调整“频率”和“占空比”）