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[導(dǎo)讀]介紹了一種基于Cortex-M3(STM32F103C8)芯片的高速度、低功耗、多功能數(shù)字可調(diào)共振源,以及系統(tǒng)的CPU部分、信號發(fā)生、濾波及放大部分及相應(yīng)的軟件設(shè)計。實測表明,與傳統(tǒng)的模擬式共振源相比具有USB接口、分辨率高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點,可用于完成共振實驗,并具有廣闊的應(yīng)用前景。

共振現(xiàn)象是自然界普遍存在的物理現(xiàn)象,隨著共振原理的揭示,共振在生產(chǎn)實踐和科研領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。在大學(xué)物理實驗中,共振實驗也是一項重要實驗組成部分,如力學(xué)機械彈簧共振實驗、聲學(xué)昆特管實驗、光學(xué)相干波干涉實驗、電磁場互感諧振實驗等,其中都涉及到共振源本身的設(shè)計。在各種共振實驗中,都需要一個高精度、輸出信號頻率連續(xù)可調(diào)且功率足夠大的共振源。然而目前的實驗平臺多采用模擬元件構(gòu)成和手動機械式調(diào)節(jié),原理多是鎖相環(huán)頻率合成的方法,存在著產(chǎn)生的信號頻率精度低、頻率可調(diào)節(jié)范圍小、調(diào)節(jié)反應(yīng)慢等缺點。本文介紹了一種基于Cortex-M3(STM32F103C8)最新ARM內(nèi)核的成本低、功耗低、分辨率高、頻率變換快的直接數(shù)字合成(DDS)的共振源。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
   
根據(jù)系統(tǒng)的性能要求,共振源系統(tǒng)主要由計算機控制軟件、USB通信、CPU模塊、信號發(fā)生模塊、信號濾波放大電路模塊、顯示及鍵盤控制模塊、外圍實驗裝置等6部分組成。圖1為該系統(tǒng)框圖。


    系統(tǒng)以高速低功耗STM32F103C8為主控芯片,通過按鍵設(shè)置輸出頻率與幅度,并將頻率和幅度值顯示在LCD屏上,并控制DDS芯片AD9850合成相應(yīng)的信號,該信號經(jīng)過濾波放大模塊將信號的功率放大后輸出到外圍的振動裝置上。同時,振動源可以通過USB與計算機相連,PC機在軟件中設(shè)置輸出信號頻率和幅度。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
2.1 CPU主控部分
   
系統(tǒng)采用STM32F103C8作為主控制芯片。STM32F103C8是ST公司于2008年推出的以高性能的ARM Cortex-M3 32位的RISC內(nèi)核的ARM。工作頻率可達(dá)72 MHz,內(nèi)置高速存儲器(高達(dá)512 kB的閃存和64 kB的SRAM),豐富的增強I/O端口和聯(lián)接到兩條APB總線的外設(shè)。Thumb-2指令集帶來了更高的指令效率和更強的性能,通過緊耦合的嵌套矢量中斷控制器,對中斷事件的響應(yīng)比以往更迅速,工作電壓可以在2.0~3.6 V之間,能夠?qū)崿F(xiàn)耗電最優(yōu)化。在工業(yè)實時控制、計算機外部設(shè)備、建筑和安防、儀器儀表、通訊設(shè)備、家電消費等各個領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。
    將STM32F103C8的PA0~PA7口與AD9850的8位并行數(shù)據(jù)接收端口相連,PB12、PB13、PB14分別與W_CLK、FQ_UD、CLKIN相連作為控制總線,用于控制AD9850的工作。具體控制連接,如圖2所示所示。


2.2 信號發(fā)生模塊
   
信號發(fā)生模塊選用DDS芯片AD9850,它是高穩(wěn)定度的直接數(shù)字頻率合成器件,內(nèi)部包含:輸入寄存器、數(shù)據(jù)寄存器、數(shù)字合成寄存器(D-DS)、10位高速D/A轉(zhuǎn)換器和高速比較器。AD9850高速的直接數(shù)字合成器(DDS),核心根據(jù)設(shè)定的32位頻率控制字和5位相移控制字,可產(chǎn)生0.029 Hz~62.5 MHz的正弦信號或者標(biāo)準(zhǔn)的方波信號。該器件可通過并行接口或串行接口實現(xiàn)控制字寫入,以改變輸出頻率和相位。本文采用并行輸入方式,通過8位總線D0~D7將外部控制字輸入到寄存器。5個W-CLK的上升沿讀入5 bit數(shù)據(jù)到輸入寄存器后。FQ-UD(頻率更新時鐘)上升沿到40位數(shù)據(jù)加載到頻率/相位控制寄存器,輸出波形頻率和相位更新一次。AD9850輸出頻率數(shù)據(jù)F與頻率控制字M(4 bit)之間的關(guān)系為
   
    其中,CLKin為外部參考時鐘,本設(shè)計采用50 MHz。
2.3 信號濾波及功放模塊
    AD9850輸出信號直接由器件內(nèi)部的D/A轉(zhuǎn)換合成的,而D/A的位數(shù)有限,難免會產(chǎn)生數(shù)字量化噪聲,這種量化噪聲進(jìn)而會造成輸出信號產(chǎn)生畸變。本系統(tǒng)選用了橢圓低通濾波器,可有效抑制120 MHz以上的高頻干擾。圖3為信號濾波電路。


    功放模塊采用TDA2030作為核心芯片,是德律風(fēng)根生產(chǎn)的音頻功放電路,采用V型5腳單列直插式塑料封裝結(jié)構(gòu),具有體積小、輸出功率大、失真小、外接元件少等特點,內(nèi)部具有多種保護(hù)電路,工作安全可靠,可以滿足系統(tǒng)設(shè)計的要求。本文選用12 V單電源供電模式,對輸出信號功率進(jìn)行放大以驅(qū)動外圍振動實驗裝置。圖4所示為信號放大驅(qū)動電路。


2.4 鍵盤顯示及信號輸出端裝置
   
鍵盤和顯示作為人機交互平臺,控制鍵盤設(shè)有5個按鍵,包括兩個光標(biāo)左右移位鍵、兩個數(shù)字加減鍵和一個確認(rèn)鍵,以實現(xiàn)對頻率的調(diào)節(jié)設(shè)定。顯示部分采用LCD1602液晶模塊,用于實時顯示輸出信號的頻率值。
2.5 USB通信模塊
   
通用串行總線(USB)由于具有高傳輸速率、即插即用和易于擴展等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于計算機外設(shè)、數(shù)字設(shè)備和儀器儀表等領(lǐng)域。系統(tǒng)的USB通信部分采用了CPU自帶的USB接口。PC上位機可通過USB接口將AD9850的頻率/相位控制字發(fā)送到MCU,用于設(shè)置AD9850的輸出頻率,同時AD9850也可以經(jīng)MCU將輸出頻率發(fā)送回PC上位機上,用于對系統(tǒng)監(jiān)視。

3 系統(tǒng)軟件簡介
   
系統(tǒng)的軟件包括計算機虛擬儀器以及ARM軟件程序。虛擬儀器采用NI公司的LahWindows開發(fā)平臺,虛擬儀器面板用于實現(xiàn)PC機與共振源通信并實時顯示輸出頻率、幅度等信息。ARM軟件部分采用基于ST公司的最新3.0版本的固件庫編寫。此次只介紹ARM軟件部分。
    ARM軟件設(shè)計采用C語言編寫,C語言對機器底層硬件操作方便,模塊化程度高,可讀性與可移植性好。該軟件設(shè)計主要包括兩部分組成:共振源控制程序由初始化模塊、功能模塊組成。初始化模塊用于配置系統(tǒng)時鐘、端口工作方式、嵌套中斷向量控制器。功能模塊是由顯示、鍵盤輸入和信號發(fā)生組成。系統(tǒng)軟件設(shè)計流程圖,如圖5所示。



4 實驗
   
表1為該共振源在設(shè)定頻率時相應(yīng)的輸出頻率。


    實驗過程中由于信號發(fā)生模塊、濾波功放模塊以及外圍電子元件之間連線存在一定電磁干擾,難免使輸出信號產(chǎn)生小幅度漂移,但是誤差已經(jīng)控制在設(shè)計要求范圍之內(nèi)。
    下圖6和圖7為1 Hz和1 kHz理論頻率下用示波器TDS3201B測試的共振源輸出的波形圖。



5 結(jié)束語
   
基于Cortex-M3的數(shù)字可調(diào)共振源,實現(xiàn)了對信號頻率的連續(xù)可調(diào),其輸出信號的穩(wěn)定性、精確性和模擬類共振源相比都有較大提高。實測表明,該共振源在1~10 kHz范圍內(nèi)的相對誤差控制在0.41%以內(nèi),且響應(yīng)快,滿足物理實驗中心的共振實驗以及超聲波發(fā)聲信號源的要求。

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