基于STM32的波形发生器

设计实现的要求

基本要求

(1)具有产生正弦波、方波、三角波三种周期性波形的功能。    
(2)用键盘输入编辑生成上述三种波形(同周期)的线性组合波形,以及由基波及其谐波(5次以下)线性组合的波形。    
(3)具有波形存储功能。    
(4)输出波形的频率范围为100Hz~20kHz(非正弦波频率按10次谐波计算);重复频率可调,频率步进间隔≤100Hz。   
(5)输出波形幅度范围0~5V(峰-峰值),可按步进0.1V(峰-峰值)调整。    
(6)具有显示输出波形的类型、重复频率(周期)和幅度的功能。

拓展要求

(1)输出波形频率范围扩展至100Hz~200kHz。   
(2)用键盘或其他输入装置产生任意波形。    
(3)增加稳幅输出功能,当负载变化时,输出电压幅度变化不大于±10%(负载电阻变化范围:100Ω~∞)。   
(4)具有掉电存储功能,可存储掉电前用户编辑的波形和设置。    
(5)可产生单次或多次(1000次以下)特定波形(如产生1个半周期三角波输出)。


运行效果演示

开机动画演示

VID_20190530_222028_20190530225911.gif

GUI交互界面

VID_20190530_222028_20190530225813.gif

波形输出实例

sine.png

squre.png

triangle.png



系统方案

通过对本题的分析,斟酌各个方案,最终确立了我们的最终方案。

(1)   波形采用STM32自带的DAC+DDS产生。
(2)   主控模块采用STM32F103单片机,控制整个系统的软硬件操作。
(3)   显示模块采用液晶显示器实时显示当前输出的波形的类型、幅值和频率。
(4)   按键模块采用独立按键的方式设置输出波形的类型、幅值和频率等数据。


1.1.     系统总体软件设计

软件架构图如下:

a.png

      整个系统的交互采用按键和LCD显示屏实现。为了交互的更加便捷,本系统设计了多级的菜单界面,按键通过由菜单管理器切换菜单界面。菜单界面的底层是参数界面,参数界面用于设置和显示参数。设置的参数通过被放入参数管理器,可用于设置波形的频率和幅值。我们的设想是低频波形用单片机上的DAC实现,高频信号用AD8951也就是直接数字信号合成器合成产生波形。但是为了选择的多样性,无论高频还是低频,我们的DACDDS都会同时工作。

1.2.     交互模块

本系统的交互模块有需要用到LCD显示屏和按键。LCD显示模块主要由菜单显示模块和参数显示模块组成,分别由菜单管理器和参数管理器控制,通过按键设置菜单管理器和参数管理器的参数,可以设置显示不同的界面。参数管理器也是连接波形发生模块的桥梁。

下图为交互模块的程序框图:

b.png

 

1.3.     DAC波形发生模块

本系统使用的是STM32F103里面自带的DAC。为了提高DAC转换的速度,使用DMA传输波形数据,DMA的触发传输使用的是定时器的中断。本系统使用的正弦波波形数据是通过C语言数学库math.h里面的函数sin()计算得到的数组,三角波通过自定义函数计算波形数据,这两个波形一个周期内采样了512个数据点;而方波的则不同,方波每个周期只改变两次DAC的值。当用户通过交互界面改变幅值参数时,会重新计算波形数据数组。当用户改变频率参数时,会重新计算DMA定时器的周期。波形的输出和关闭则是通过改变DMA定时器中断使能和DMA传输使能实现。

       下图为DAC波形发生模块的程序框图:

c.png

1.4.     DDS波形发生模块

DDS本身就是用来产生波形的,故要控制DDS产生波形,只需要设置DDS相应的寄存器就好了。

下图为DDS波形发生的程序框图:

d.png

代码实现

数据结构

参数管理器

typedef struct ParameterManagerStruct
{
    bool isOutputEnable;
    ParameterSelected flagParaSelected;
    u32 am;
    u8 amArray[10];
    u8 amArrayPoint;
    u8 amLen;
    u16 amCoordinateX;
    u16 amCoordinateY;
    u32 fq;
    u8 fqArray[10];
    u8 fqArrayPoint;
    u8 fqLen;
    u16 fqCoordinateX;
    u16 fqCoordinateY;
    u32 har;
    u8 harArray[10];
    u8 harArrayPoint;
    u8 harLen;
    u16 harCoordinateX;
    u16 harCoordinateY;
} ParaMng;

菜单管理器

typedef enum MenuLayerEnum{
    MenuLayer0=0,
    MenuLayer1,
    MenuLayer2
} MenuLayer;
typedef struct MenuStruct{
    MenuLayer layer;
    u8 Layer0_Selected;
    u8 Layer1_Selected;
    u8 Layer2_Selected;
} Menu;

菜单项显示

typedef struct GUIMenuItem{
u8 *name;
u8 fontSize;
u32 fontColor;
u32 backgroundColor;
} GUI_Item;
typedef struct GUIMenuTypedef
{
GUI_Item itemList[10];
u8 itemNum;
u8 *topicName;
} GUIMenu;


主函数

int main(void)
{

  HAL_Init();
  SystemClock_Config();
   delay_init(72);
  MX_GPIO_Init();
  MX_DMA_Init();
  MX_DAC_Init();
  MX_TIM2_Init();
  MX_USART1_UART_Init();
  MX_TIM4_Init();
  MX_TIM3_Init();
  MX_TIM6_Init();
    LCD_Init();//LCD初始化
    //菜单初始化 
    InitMenu();
    InitParaManager();//参数初始化
    menu.layer=MenuLayer0;
    menu.Layer0_Selected=Item_SignalGenerator;
    menu.Layer1_Selected=Item_SquareWave;
    menu.Layer2_Selected=Item_IsEnable;
    //开机动画­
    GUI_ShowPowerOn();
    while(KEY_Scan(0)==0)delay_ms(20);
    //菜单显示
    ShowMenu();
    while (1)
  {
        //IRHandle();
        KeyHandle();//按键处理
        //ad9851去除干扰
        ad9851_data_l;
        ad9851_fq_up_l;
        ad9851_rest_l;
        ad9851_w_clk_l;
        if(pm.flagParaSelected!=ParaRESET)
        ShowParameterNumber();//设置参数时界面显示
        delay_ms(10);
  }
}


按键处理

void KeyHandle(void)
{
  u8 t=KEY_Scan(0);
  if(t>0){
    switch(t){//按键扫描
      case WKUP_PRES://按下“下”键
      {
        if(pm.flagParaSelected==ParaRESET)//切换下一行
        {
          if(menu.layer==MenuLayer0)menu.Layer0_Selected=(menu.Layer0_Selected+1)%ITEM_NUM_LAYER0;
          else if(menu.layer==MenuLayer1)menu.Layer1_Selected=(menu.Layer1_Selected+1)%ITEM_NUM_LAYER1;
          else if(menu.layer==MenuLayer2)menu.Layer2_Selected=(menu.Layer2_Selected+1)%ITEM_NUM_LAYER2;
        }
        else if(pm.flagParaSelected==ParaAM)//设置幅值状态,
          pm.amArrayPoint=(pm.amArrayPoint+1)%pm.amLen;
        else if(pm.flagParaSelected==ParaFQ)//设置频率状态
          pm.fqArrayPoint=(pm.fqArrayPoint+1)%pm.fqLen;
        else if(pm.flagParaSelected==ParaHAR)//设置谐波状态
          pm.harArrayPoint=(pm.harArrayPoint+1)%pm.harLen;
      }
          if(pm.flagParaSelected!=ParaRESET)ShowParameterNumber();//显示设置参数
           break;
      //按下确认键
      case KEY1_PRES:
        if(menu.layer==MenuLayer0)menu.layer=MenuLayer1;
        else if(menu.layer==MenuLayer1)menu.layer=MenuLayer2;
        else if(menu.layer==MenuLayer2)//在参数显示界面按下确认键
        {
          if(menu.Layer2_Selected==Item_IsEnable){//打开或关闭信号输出
            if(pm.isOutputEnable==false){
              pm.isOutputEnable=true;
              EnableOutput();
            }
            else{
              pm.isOutputEnable=false;
              DisableOutput();
            }
          }
          else if(menu.Layer2_Selected==Item_Amplitude)//幅值参数修改
          {
            if(pm.flagParaSelected!=ParaAM)
              pm.flagParaSelected=ParaAM;
            else{
              pm.flagParaSelected=ParaRESET;
              PM_SetValueFromArray();
              SetAmplitude();
            }
          }
          else if(menu.Layer2_Selected==Item_Frequency)//频率参数修改
          {
            if(pm.flagParaSelected!=ParaFQ)
              pm.flagParaSelected=ParaFQ;
            else{
              pm.flagParaSelected=ParaRESET;
              PM_SetValueFromArray();
              SetFrequency();
            }
          }
          else if(menu.Layer2_Selected==Item_Harmonic)//谐波参数修改
          {
            if(pm.flagParaSelected!=ParaHAR)
              pm.flagParaSelected=ParaHAR;
            else
              pm.flagParaSelected=ParaRESET;
          }
          }
      break;
      //按下返回键
      case KEY0_PRES:
      {
        if(pm.flagParaSelected==ParaRESET){//当前菜单状态,切换菜单
          if(menu.layer==MenuLayer1)
            menu.layer=MenuLayer0;
          else if(menu.layer==MenuLayer2){
            menu.layer=MenuLayer1;
            DisableOutput();
          }
        }
        else if(pm.flagParaSelected==ParaAM)//当前在幅值设置状态,某一位增加
          pm.amArray[pm.amArrayPoint]=(pm.amArray[pm.amArrayPoint]+1)%10;
        else if(pm.flagParaSelected==ParaFQ)
          pm.fqArray[pm.fqArrayPoint]=(pm.fqArray[pm.fqArrayPoint]+1)%10;
        else if(pm.flagParaSelected==ParaHAR)
          pm.harArray[pm.harArrayPoint]=(pm.harArray[pm.harArrayPoint]+1)%10;
      }
      //参数设置状态时,显示设置参数
      if(pm.flagParaSelected!=ParaRESET)ShowParameterNumber();
        break;
    }
    LED0_Toggle();
    ShowMenuKeyUpdate();
  }
}


    菜单显示更新函数

void ShowMenuKeyUpdate(void){
  switch(menu.layer){//根据层数显示菜单
    case MenuLayer0:
      LCD_Clear(WHITE);
      ShowLayer0();//显示根目录
      break;
    case MenuLayer1:
      LCD_Clear(WHITE);
      switch(menu.Layer0_Selected){
        case Item_SignalGenerator:
          ShowLayer1();
          break;
        case Item_SoftWareAbout:
          ShowSoftwareAbout();
          break;
        }
        break;
     case MenuLayer2:
       LCD_Clear(WHITE);
       switch(menu.Layer0_Selected){
         case Item_SignalGenerator:
          ShowLayer2();
          break;
         case Item_SoftWareAbout:
          ShowSoftwareAbout();
          break;
     }
     break;
  }
}


    DDS操作代码

#define ad9851_rest_l HAL_GPIO_WritePin(AD9851_RESET_GPIO_Port, AD9851_RESET_Pin, GPIO_PIN_RESET)
#define ad9851_rest_h HAL_GPIO_WritePin(AD9851_RESET_GPIO_Port, AD9851_RESET_Pin, GPIO_PIN_SET)
#define ad9851_fq_up_l HAL_GPIO_WritePin(AD9851_FQ_UP_GPIO_Port, AD9851_FQ_UP_Pin, GPIO_PIN_RESET)
#define ad9851_fq_up_h HAL_GPIO_WritePin(AD9851_FQ_UP_GPIO_Port, AD9851_FQ_UP_Pin, GPIO_PIN_SET)
#define ad9851_w_clk_l HAL_GPIO_WritePin(AD9851_W_CLK_GPIO_Port, AD9851_W_CLK_Pin, GPIO_PIN_RESET)
#define ad9851_w_clk_h HAL_GPIO_WritePin(AD9851_W_CLK_GPIO_Port, AD9851_W_CLK_Pin, GPIO_PIN_SET)
#define ad9851_data_l HAL_GPIO_WritePin(AD9851_DATA_GPIO_Port, AD9851_DATA_Pin, GPIO_PIN_RESET)
#define ad9851_data_h HAL_GPIO_WritePin(AD9851_DATA_GPIO_Port, AD9851_DATA_Pin, GPIO_PIN_SET)

//串行口初始化
void ad9851_reset_serial()
{
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
  GPIO_InitStruct.Pin = AD9851_RESET_Pin|AD9851_FQ_UP_Pin|AD9851_W_CLK_Pin|AD9851_DATA_Pin;
  GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
  GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLDOWN;
  GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
  HAL_GPIO_Init(GPIOG, &GPIO_InitStruct);
ad9851_w_clk_l;
ad9851_fq_up_l;
ad9851_rest_l;
ad9851_rest_h;
ad9851_rest_l;
ad9851_w_clk_l;
ad9851_w_clk_h;
ad9851_w_clk_l;
ad9851_fq_up_l;
ad9851_fq_up_h;
ad9851_fq_up_l;
}


//串行口写入DDS寄存器
void ad9851_wr_serial(u8 w0,u32 frequence)
{
	u8 i,w;
	frequence=frequence*4294967296/180000000;
	w=(frequence>>=0);
	for(i=0;i<8;i++)
	{
		if((w>>i)&0x01)
		ad9851_data_h;
		else ad9851_data_l;
		ad9851_w_clk_h;
		ad9851_w_clk_l;
	}
	w=(frequence>>8);
	for(i=0;i<8;i++)
	{
		if((w>>i)&0x01)
		ad9851_data_h;
		else ad9851_data_l;
		ad9851_w_clk_h;
		ad9851_w_clk_l;
	}
	w=(frequence>>16);
	for(i=0;i<8;i++)
	{
		if((w>>i)&0x01)
		ad9851_data_h;
		else ad9851_data_l;
		ad9851_w_clk_h;
		ad9851_w_clk_l;
	}
	w=(frequence>>24);
	for(i=0;i<8;i++)
	{
		if((w>>i)&0x01)
		ad9851_data_h;
		else ad9851_data_l;
		ad9851_w_clk_h;
		ad9851_w_clk_l;
	}
	w=w0;
	for(i=0;i<8;i++)
	{
		if((w>>i)&0x01)
		ad9851_data_h;
		else ad9851_data_l;
		ad9851_w_clk_h;
		ad9851_w_clk_l;
	}
	ad9851_fq_up_h;
	ad9851_fq_up_l;
}


根据参数管理器设置DDS和DAC的频率

void SetFrequency(void)
{
    //设置DDS频率
    ad9851_reset_serial();
    ad9851_wr_serial(0x01,pm.fq);
    //设置用于触发传输DAC-DMA的定时器中断时间
    if(menu.Layer1_Selected==0)
    {
        if(pm.fq<=100){
        TIM6->PSC=7199;
        TIM6->ARR=(u16)((10000/pm.fq)/2)-1;//不同的频率下 定时器的预分频系数不同
    }
    else if(pm.fq<=10000)
    {
        TIM6->PSC=71;
        TIM6->ARR=(u16)((1000000/pm.fq)/2)-1;
    }
    else
    {
        TIM6->PSC=1;
        TIM6->ARR=(u16)((72000000/pm.fq)/2)-1;
    }
    }
    else if(menu.Layer1_Selected==1)
    {
        TIM6->PSC=71;
        TIM6->ARR=(u16)((1000000/pm.fq)/2)-1;
    }
    
    else if(menu.Layer1_Selected==2)
    {
        TIM6->PSC=71;
        TIM6->ARR=(u16)((1000000/pm.fq)/2)-1;
    }
}


根据参数管理器设置Sine波形数据数组的值

void SetSineWaveData(void)
{
  double d = 2.0*PI / 512.0;
  double t = (double)pm.am / 500000.0;
  int bias = 4096* pm.am / 500000.0/2;
  for (int i = 0; i < 512; i++)
    waveDataArray[i]=(u16)(sin(i*d)*t*4096.0/2)+bias;
}


代码太多这里实在是贴不完,若想获得完整代码,请看我的github:https://github.com/chenjianqu/SignalGenerator

(代码等我有空再放上去)



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