基于Cortex-M3的數(shù)字可調(diào)共振源的設(shè)計(jì)

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(shí)踐和科研領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中，共振實(shí)驗(yàn)也是一項(xiàng)重要實(shí)驗(yàn)組成部分，如力學(xué)機(jī)械彈簧共振實(shí)驗(yàn)、聲學(xué)昆特管實(shí)驗(yàn)、光學(xué)相干波干涉實(shí)驗(yàn)、電磁場(chǎng)互感諧振實(shí)驗(yàn)等，其中都涉及到共振源本身的設(shè)計(jì)。在各種共振實(shí)驗(yàn)中，都需要一個(gè)高精度、輸出信號(hào)頻率連續(xù)可調(diào)且功率足夠大的共振源。然而目前的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)多采用模擬元件構(gòu)成和手動(dòng)機(jī)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(hào)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(diǎn)。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(jì)算機(jī)控制軟件、USB通信、CPU模塊、信號(hào)發(fā)生模塊、信號(hào)濾波放大電路模塊、顯示及鍵盤控制模塊、外圍實(shí)驗(yàn)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(guò)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(hào)，該信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波放大模塊將信號(hào)的功率放大后輸出到外圍的振動(dòng)裝置上。同時(shí)，振動(dòng)源可以通過(guò)USB與計(jì)算機(jī)相連，PC機(jī)在軟件中設(shè)置輸出信號(hào)頻率和幅度。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
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(chǔ)器(高達(dá)512 kB的閃存和64 kB的SRAM)，豐富的增強(qiáng)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(lái)了更高的指令效率和更強(qiáng)的性能，通過(guò)緊耦合的嵌套矢量中斷控制器，對(duì)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(shí)時(shí)控制、計(jì)算機(jī)外部設(shè)備、建筑和安防、儀器儀表、通訊設(shè)備、家電消費(fèi)等各個(gè)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(hào)發(fā)生模塊
    信號(hào)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(hào)或者標(biāo)準(zhǔn)的方波信號(hào)。該器件可通過(guò)并行接口或串行接口實(shí)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(guò)8位總線D0～D7將外部控制字輸入到寄存器。5個(gè)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(shí)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(shí)鐘，本設(shè)計(jì)采用50 MHz。
2．3 信號(hào)濾波及功放模塊
    AD9850輸出信號(hào)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(huì)產(chǎn)生數(shù)字量化噪聲，這種量化噪聲進(jìn)而會(huì)造成輸出信號(hào)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(hào)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(diǎn)，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(jì)的要求。本文選用12 V單電源供電模式，對(duì)輸出信號(hào)功率進(jìn)行放大以驅(qū)動(dòng)外圍振動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置。圖4所示為信號(hào)放大驅(qū)動(dòng)電路。

2．4 鍵盤顯示及信號(hào)輸出端裝置
    鍵盤和顯示作為人機(jī)交互平臺(tái)，控制鍵盤設(shè)有5個(gè)按鍵，包括兩個(gè)光標(biāo)左右移位鍵、兩個(gè)數(shù)字加減鍵和一個(gè)確認(rèn)鍵，以實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率的調(diào)節(jié)設(shè)定。顯示部分采用LCD1602液晶模塊，用于實(shí)時(shí)顯示輸出信號(hào)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(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)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(jī)可通過(guò)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(shí)AD9850也可以經(jīng)MCU將輸出頻率發(fā)送回PC上位機(jī)上，用于對(duì)系統(tǒng)監(jiān)視。

3 系統(tǒng)軟件簡(jiǎn)介
    系統(tǒng)的軟件包括計(jì)算機(jī)虛擬儀器以及ARM軟件程序。虛擬儀器采用NI公司的LahWindows開(kāi)發(fā)平臺(tái)，虛擬儀器面板用于實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與共振源通信并實(shí)時(shí)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(kù)編寫。此次只介紹ARM軟件部分。
    ARM軟件設(shè)計(jì)采用C語(yǔ)言編寫，C語(yǔ)言對(duì)機(jī)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(jì)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(shí)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(hào)發(fā)生組成。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖，如圖5所示。

4 實(shí)驗(yàn)
    表1為該共振源在設(shè)定頻率時(shí)相應(yīng)的輸出頻率。

    實(shí)驗(yàn)過(guò)程中由于信號(hào)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(hào)產(chǎn)生小幅度漂移，但是誤差已經(jīng)控制在設(shè)計(jì)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(cè)試的共振源輸出的波形圖。

5 結(jié)束語(yǔ)
    基于Cortex-M3的數(shù)字可調(diào)共振源，實(shí)現(xiàn)了對(duì)信號(hào)頻率的連續(xù)可調(diào)，其輸出信號(hào)的穩(wěn)定性、精確性和模擬類共振源相比都有較大提高。實(shí)測(cè)表明，該共振源在1～10 kHz范圍內(nèi)的相對(duì)誤差控制在0．41％以內(nèi)，且響應(yīng)快，滿足物理實(shí)驗(yàn)中心的共振實(shí)驗(yàn)以及超聲波發(fā)聲信號(hào)源的要求。