基于单片机的智能信号发生器设计与仿真_董亚男

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｕｓｉｎｇ ＡＴ８９Ｃ５１ａｓ ｔｈｅ ｃｏｒｅ ｍｏｄｕｌｅｓ，ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａｎ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｓｉｇｎａｌ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ，ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｐｒｏｄｕｃｅ ｓａｗｔｏｏｔｈ ｗａｖｅ，ｔｒｉａｎｇｌｅ ｗａｖｅ，ｓｑｕａｒｅ ｗａｖｅ ａｎｄ ｓｉｎｅ ｗａｖｅ．Ｓｉｇｎａｌ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｉａｇｒａｍ ａｎｄ ｔｈｅ Ｈａｒｄｗａｒｅ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｄｉａｇｒａｍ ａｒｅ ｇｉｖｅｎ，ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｋｅｙｂｏａｒｄ ｔｏ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｈｅ ｃｈｏｉｃｅ ａｎｄ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｏｆ ｗａｖｅｆｏｒｍ ｃｈａｎｇｅｓ，ｗｒｉｔｅ ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｃａｎ ｒｅａｌｉｚｅ ｓｉｇｎａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｐｅｒｃｅｎｔａｇｅ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｏｒ ｄｅｃｒｅａｓｉｎｇ， ｅｘｐｏｎｅｎｔｉａｌ，ｌｏｇａｒｉｔｈｍｉｃ ｗａｙ，ｔｈｒｏｕｇｈ Ｄ／Ａ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｃｏｎｖｅｒｔｓ ｔｈｅ ｓｉｇｎａｌｓ ｐｒｏｄｕｃｅｄ ｂｙ ａｎａｌｏｇ ｗａｖｅｆｏｒｍ，ａｎｄ ｂｙ １２８６４ ｏｕｔｐｕｔ ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ ｄｉｓｐｌａｙ ｔｈｅ ｗａｖｅｆｏｒｍ ａｎｄ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｖａｌｕｅｓ．Ｕｓｉｎｇ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｓｏｆｔｗａｒｅ Ｐｒｏｔｅｕｓ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｃａｎ ｏｕｔｐｕｔ ａ ｖａｒｉｅｔｙ ｏｆ ｓｉｇｎａｌｓ ａｎｄ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ａｄｊｕｓｔａｂｌｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ，ａｎｄ ｓｔａｂｌｅ ｓｉｇｎａｌｓ，ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ａｃｃｕｒａｃｙ，ｉｔ ｂｒｉｎｇｓ ｇｒｅａｔ ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｃｅ ｔｏ ｓｃｈｏｏｌ ｔｅａｃｈｉｎｇ ａｎｄ ｒｅｓｅａｒｃｈ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｓｉｎｇｌｅ ｃｈｉｐ ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ ＡＴ８９Ｃ５１；ｓｉｇｎａｌ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ；Ｄ／Ａ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ；ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ
项目
· ６２ ·
董亚男 等：基于单片机的智能信号发生器设计与仿真
第１期
形，利用１２８６４液晶 显 示 当 前 波 形 及 其 频 率 值。 系 统 总 体 结构框图如图１所示，由 电 路 中 的 键 盘 来 控 制 波 形 的 输 出 和波形的频率且键 盘 的 驱 动 由 单 片 机 的 Ｐ１ 口 来 实 现。 其 中键盘的第１ 行 ４ 个 按 键 来 设 定 波 形 的 频 率，分 别 为 ２０ Ｈｚ、１００ Ｈｚ、５００ Ｈｚ、１ ０００ Ｈｚ。键 盘 的 第 ２ 行 和 第 ３ 行 的 按键是分别是按照百分比、对数、指数的函数算法来 增加或 减小频率，其 频 率 的 精 度 为 １ Ｈｚ，频 率 范 围 为 １～７ ０００ Ｈｚ。键盘的第４行按键功能是实现 波 形 的 转 换，每 一 种 波 形 的 初 始 值 都 设 置 为 １０ Ｈｚ。 当 调 节 不 同 频 率 时 １２ ８６４ 液 晶屏会显示相应波形，显 示 的 频 率 值 会 随 着 按 键 调 节 频 率 的 变 化 而 变 化 ，这 样 增 强 了 系 统 的 可 视 性 。
嵌入式技术
电 子 测 量 技 术 ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣ ＭＥＡＳＵＲＥＭＥＮＴ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
第３７卷 第１期 ２０１４ 年 １ 月
基于单片机的智能信号发生器设计与仿真＊
Байду номын сангаас
董亚男 马 俊 周 泉 李金林
（青 海 师 范 大 学 计 算 机 学 院 西 宁 ８１０００８）
摘 要：利用 ＡＴ８９Ｃ５１单片机为核心模块，设计了一种智能信 号 发 生 器，可 实 现 锯 齿 波、三 角 波、方 波 和 正 弦 波 ４ 种 波形。给出了信号发生器结构框图和硬件接口电路图，结合键盘来控制波形的选择和频率的变化，编写软件 算 法 可 实 现信号频率按百分比、指数、对数方式递增或递减，产生 的 信 号 经 Ｄ／Ａ 转 换 器 转 换 成 模 拟 波 形，再 通 过 １２８６４ 液 晶 输 出显示其波形和频率值。利用 Ｐｒｏｔｅｕｓ软件进行仿真实验，结果表明，该 信 号 发 生 器 可 输 出 多 种 信 号 和 频 率 可 调 节 功 能 ，信 号 稳 定 ，频 率 值 精 确 ，为 教 学 和 科 研 提 供 了 极 大 的 便 利 。 关键词：单片机 ＡＴ８９Ｃ５１；信号发生器；Ｄ／Ａ 转换器；调频算法 中 图 分 类 号 ：ＴＰ３９１．９ 文 献 标 识 码 ：Ａ 国 家 标 准 学 科 分 类 代 码 ：５１０．１０
本系 统 设 计 中 显 示 器 件 采 用 １２８６４ 液 晶 屏，该 液 晶 屏 可以清晰的显示字符、图 片 并 可 以 进 行 画 线。 显 示 模 块 电 路是通过１２８６４液晶与单片机的 Ｐ２口进行数据传输，同时
图 ２ 主 程 序 流 程
４．２ 波 形 切 换 子 程 序 子程序的调用是通过 按 键 的 选 择 来 实 现，在 取 得 按 键
３ 系 统 硬 件 平 台 设 计
智能信号发生器主要包括：外部键盘模块、单片机 核 心 模块、Ｄ／Ａ 转 换 器 模 块、液 晶 显 示 模 块 等 组 成，如 图 １ 所示。
液晶的 ＥＮ、ＲＷ、ＲＳ、ＣＳ１和ＣＳ２口分别与单片机的 Ｐ３．３口 至 Ｐ３．７口依次进行连 接 来 使 液 晶 显 示 波 形 信 号 及 其 频 率 值，当有按键按下时液 晶 屏 上 会 显 示 相 应 的 波 形 的 种 类 以 及 波 形 的 频 率 ，这 样 使 得 整 个 系 统 更 加 合 理 形 象 而 且 直 观 。
在以单片机为核心模块的应用系统中键盘扫描只是 ＣＰＵ 的工作内容之 一，为 了 保 证 ＣＰＵ 能 及 时 响 应 按 键 操 作又不要过多占用 ＣＰＵ 的工作时间，本系统设计中键盘采 用中断扫描工作方式。与此同时还要考虑到减少键盘与单 片机接口时所占用Ｉ／Ｏ 口 线 的 数 目，因 此 在 键 数 较 多 时 通 常将键盘排列成行列矩阵式，使键盘接单片机 Ｐ１ 口，利 用 一个与门的低电平对 Ｐ３．２口产生外部ＩＮＴ０中断。采用这 种工作方式只有当按 键 按 下 后 才 会 产 生 中 断，再 去 执 行 键 盘扫描程序，这样将大大节约 ＣＰＵ 资源。 ３．３ 显 示 模 块 设 计
４ 软 件 系 统 设 计
４．１ 主 程 序 本 系 统 软 件 主 要 包 括 ：主 程 序 、波 形 切 换 子 程 序 和 调 频
子程序等。主程序的流程 图 如 图 ２ 所 示，在 程 序 开 始 运 行 时 ，首 先 是 对 单 片 机 进 行 初 始 化 ，其 中 主 要 是 液 晶 的 驱 动 程 序 ，再 通 过 键 盘 产 生 外 部 中 断ＩＮＴ０ ，判 断 键 盘 扫 描 程 序 得 来键值而确定选择的 波 形。如 果 选 择 了 确 定 的 波 形，则 单 片机定时器 Ｔ０的 中 断 函 数 进 行 数 据 处 理，与 此 同 时 调 用 显示字符、图 片、画 点 算 法 程 序 通 过 Ｐ２ 口 把 数 据 传 输 给 １２８６４液晶再显 示 出 来，若 不 选 择 波 形 则 等 待 选 择。 在 选 择 了 确 定 的 波 形 之 后 ，继 续 选 择 波 形 所 需 的 频 率 ，再 通 过 判 断键值进行选择何种 方 式 调 频，单 片 机 调 用 不 同 的 调 频 算 法进行数据处理，最后 通 过 液 晶 显 示 出 所 确 定 的 波 形 及 其 频率值。
图 １ 系 统 结 构
３．１ Ｄ／Ａ 转换模块设计 本系统中单片机处理 的 是 数 字 信 号，要 想 得 到 所 需 要
的波形，就要把数字信号转换成模拟信号，设计中选 用 接 口 简单、转 换 控 制 容 易 并 具 有 ８ 位 分 辨 率 的 Ｄ／Ａ 转 换 器 ＤＡＣ０８３２，该 Ｄ／Ａ 转换 器 属 于 Ｔ 型 电 阻 网 络 且 片 内 带 有 数字锁存器的电流 输 出 型 的 ８ 位 Ｄ／Ａ 转 换 器。 在 工 作 方 式选为是直通方式下，单片机的 Ｐ０ 口直接把信号传 送到 ８ 位 ＤＡＣ 寄存器，ＩＬＥ 接 ＋５Ｖ，ＸＦＥＲ接 地 以 及ＷＲ 与ＣＳ分 别接单片机的 Ｐ３．１口和 Ｐ３．０口。为了提高波形质量和负 载能力，后级处理采用 放 大 电 路，使 ＤＡＣ０８３２ 输 出 的 电 流 在应用时外接运放使之成为电压输出。 ３．２ 键 盘 模 块 设 计
本 太 高 、价 格 昂 贵 、调 频 方 式 有 限 且 不 便 于 自 动 调 节 。 利 用 ＡＴ８９Ｃ５１单片 机 为 核 心 模 块 设 计 了 一 种 智 能 信 号 发 生 器 ，并 ［１－２］ 利 用 英 国 Ｌａｂｃｅｎｔｅｒ公 司 开 发 的 Ｐｒｏｔｅｕｓ ＩＳＩＳ 电 路分析与实物仿真软件上进行仿真分析系统模拟器件和集 成电路，可实现以 ＡＴ８９Ｃ５１单片机作为数据处理和控制核 心单元，结合软件编程对信号处理和变换后经 Ｄ／Ａ 转换并 输 出 ，通 过 外 接 键 盘 控 制 波 形 和 频 率 ，最 终 可 通 过 示 波 器 和 １２８６４液晶显示 实 ［３－４］ 时仿真的结果。
１ 引 言
随 着 大 规 模 集 成 电 路 技 术 的 发 展 ，中 央 处 理 器 （ＣＰＵ）、 随机存储器（ＲＡＭ）、只读存储器（ＲＯＭ）、（Ｉ／Ｏ）接 口、定 时 器／计 数 器 和 串 行 口 通 信 接 口 ，以 及 其 他 一 些 计 算 机 外 围 电 路等均可集成在一块 芯 片 上 构 成 的 单 片 机，已 发 展 成 具 有 集成度高、系 统 结 构 简 单、使 用 方 便、实 现 模 块 化 等 特 点。 其最明显的优势就是可嵌入到各种仪器仪表、家用 电 器、医 用设备、仪器设备等 领 域。 从 此，单 片 机 开 始 迅 速 发 展，应 用范围也在不断扩大。信号发生器也是一种应用广泛的智 能仪器，种类繁多性能 各 异 且 广 泛 应 用 于 自 动 控 制 和 科 学 实验等领域，它是现今 各 种 电 子 电 路 实 验 设 计 应 用 中 必 不 可少的仪器设备之一。然而市面上传统信号发生器购买成
２ 系 统 总 体 设 计
该系统采用单片机作 为 数 据 处 理 及 控 制 核 心，由 单 片 机完成信号处理和变 换，当 由 按 键 控 制 的 输 入 信 号 经 过 接 口电路到达转换电路后形成的模拟信号既是所需的输出波
收 稿 日 期 ：２０１３－０９ ＊基金项目：国家自然科学基金（５１１６７０１６）、教 育 部 春 晖 计 划 （Ｚ２０１１０１９）、教 育 部 重 点 实 验 室 开 放 基 金 和 青 海 省 １３５ 高 层 次 人 才 工 程 资 助
相 应 的 键 值 后 ，启 动 计 时 器 和 外 部 中 断 服 务 程 序 ，再 通 过 单 片机对数据的处理 ，基 ［５－８］ 于 调 频 的 算 法 通 过 ＤＡＣ 转 换 输 出 相 应 的 波 形 ，从 而 在 １２８６４ 液 晶 屏 上 显 示 。 ４．３ 调 频 子 程 序
为 了 实 现 调 频 ，该 系 统 中 采 用 按 照 百 分 比 、对 数 函 数 和 指数函数的算法来增 加 或 减 小 频 率，求 得 的 频 率 值 根 据 小
Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｉｇｎａｌ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＭＣＵ
Ｄｏｎｇ Ｙａｎａｎ Ｍａ Ｊｕｎ Ｚｈｏｕ Ｑｕａｎ Ｌｉ Ｊｉｎｌｉｎ （ＱｉｎｇＨａｉ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｘｉｎｉｎｇ ８１０００８，Ｃｈｉｎａ）