ARM嵌入式系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)_圖文

1、目 錄1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)與要求 - 2 -1.1 設(shè)計(jì)要求 - 2 -1.2 設(shè)計(jì)作用和目的 - 2 -1.3 課程設(shè)計(jì)應(yīng)完成的任務(wù) - 2 -2 設(shè)計(jì)方案 - 3 -2.1 信號(hào)產(chǎn)生部分 - 3 -2.2 對(duì)幅度進(jìn)行調(diào)整 - 4 -2.3 對(duì)頻率進(jìn)行調(diào)整 - 4 -2.4 濾波電路 - 5 -3 硬件設(shè)計(jì) - 6 -3.1系統(tǒng)框圖 - 6 -3.2 各功能模塊 - 6 - - 6 - - 6 - - 6 - - 6 -3.3 各個(gè)功能塊的實(shí)現(xiàn)原理及分析 - 7 - - 7 - - 7 - - 7 - - 8 - - 8 - - 8 - - 8 -4 軟件設(shè)計(jì) - 9 -4.1 方框圖 - 9

2、-4.2程序清單 - 9 -4.3 測(cè)試結(jié)果圖 - 14 -5心得體會(huì) - 16 -參考文獻(xiàn) - 17 -1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)與要求1.1 設(shè)計(jì)要求利用ARM芯片設(shè)計(jì)信號(hào)發(fā)生器，包括Sin、方波、三角波形實(shí)現(xiàn)1.2 設(shè)計(jì)作用和目的1、注重培養(yǎng)綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)、獨(dú)立分析和解決實(shí)際問題的能力，培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力，并獲得科學(xué)研究的基礎(chǔ)訓(xùn)練。2、了解所選擇的ARM芯片各個(gè)引腳功能，工作方式，計(jì)數(shù)/定時(shí)，I/O口，中斷等的相關(guān)原理，并鞏固學(xué)習(xí)嵌入式的相關(guān)內(nèi)容知識(shí)。3、通過軟硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)利用ARM芯片完成信號(hào)發(fā)生器功能。1.3 課程設(shè)計(jì)應(yīng)完成的任務(wù)1 查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，熟悉所選ARM芯片；2 總體設(shè)計(jì)方案

3、規(guī)劃 信號(hào)源的產(chǎn)生，用不同按鈕選擇不同信號(hào)源；3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，熟悉DA轉(zhuǎn)換原理及過程及硬件接口實(shí)現(xiàn)及信號(hào)函數(shù)顯示，注意頻率及幅度；4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，包括DA轉(zhuǎn)換及顯示的軟件實(shí)現(xiàn)，用C語(yǔ)言編程；5 設(shè)計(jì)心得體會(huì)及總結(jié)。2 設(shè)計(jì)方案2.1 信號(hào)產(chǎn)生部分方案一：使用集成函數(shù)發(fā)生器芯片ICL8038。芯片ICL8038能輸出方波、三角波、正弦波和鋸齒波四種不同的波形，將他作為信號(hào)發(fā)生器。它是電壓控制頻率的集成芯片，失真度很低?？奢斎氩煌耐獠侩妷簛?lái)實(shí)現(xiàn)不同的頻率輸出。為了達(dá)到數(shù)控的目的，可用高精度DAC來(lái)輸出電壓以控制正弦波的頻率。方案二：鎖相環(huán)頻率合成器（PLL）2鎖相環(huán)頻率合成器（PLL）是常用

4、的頻率合成方法。鎖相環(huán)由參考信號(hào)源、鑒相器、低通濾波器、壓控振蕩器幾個(gè)部分組成。通過鑒相器獲得輸出的信號(hào)FO與輸入信號(hào)Fi的相位差，經(jīng)低通濾波器轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的控制電壓，控制VCO輸出的信號(hào)頻率，只有當(dāng)輸出信號(hào)與輸入信號(hào)的頻率于相位完全相等時(shí)，鎖相環(huán)才達(dá)到穩(wěn)定。如果在環(huán)路中加上分頻系數(shù)可程控的分頻器，即可獲得頻率程控的信號(hào)。由于輸出信號(hào)的頻率穩(wěn)定度取決于參考振蕩器信號(hào)fi ，參考信號(hào)fi 由晶振分頻得到，晶振的穩(wěn)定度相當(dāng)高，因而該方案能獲得頻率穩(wěn)定的信號(hào)。一般來(lái)說PLL的頻率輸出范圍相當(dāng)大，足以實(shí)現(xiàn)1kHz10MHZ的正弦輸出。如果fi100Hz只要分頻系數(shù)足夠精細(xì)（能夠以1步進(jìn)），頻率100Hz

5、步進(jìn)就可以實(shí)現(xiàn)。方案三：直接數(shù)字頻率合成（DDS）3DDS是一種純數(shù)字化方法。它現(xiàn)將所需正弦波一個(gè)周期的離散樣點(diǎn)的幅值數(shù)字量存入ROM中，然后按一定的地址間隔（相位增量）讀出，并經(jīng)DA轉(zhuǎn)換器形成模擬正弦信號(hào)，再經(jīng)低通濾波器得到質(zhì)量較好的信號(hào)。方案四: 基于計(jì)算的數(shù)字頻率合成4利用函數(shù)將波形的點(diǎn)數(shù)保存在芯片的RAM中，根據(jù)所要的波形的頻率計(jì)算出它的周期,經(jīng)計(jì)算得到在定時(shí)器定時(shí)時(shí)間固定的前提下產(chǎn)生一個(gè)完整的波形所需要的輸出的點(diǎn)數(shù),這樣數(shù)據(jù)指針可以根據(jù)點(diǎn)數(shù)的數(shù)量來(lái)進(jìn)行移動(dòng),得到頻率準(zhǔn)確、切換快速的信號(hào)。方案一（VOC）不能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定頻率信號(hào)的輸出并且難于數(shù)字控制。并且電容、電阻參數(shù)隨溫度等其他因素的影

6、響，頻率穩(wěn)定度以及電路的穩(wěn)定度都較低，實(shí)現(xiàn)也較復(fù)雜，不予采納。雖然ICL8038可很好的實(shí)現(xiàn)頻率輸出的控制，但查看ICL8038的設(shè)計(jì)資料4可知其頻率輸出范圍為0.01Hz300kHz，不能達(dá)到題目的要求，故不予選用。PLL方案和DDS方案都能實(shí)現(xiàn)1kHz10MHz的穩(wěn)定的信號(hào)輸出，且能達(dá)到100Hz頻率步進(jìn)，但是PLL的動(dòng)態(tài)特性卻很差，在頻率改變時(shí)，環(huán)路從不穩(wěn)定到穩(wěn)定的過程有時(shí)間延遲。相比較而言，DDS的頻率輸出范圍一般低于PLL，且雜散也大于PLL方案，但DDS信號(hào)源具有輸出頻率穩(wěn)定度高、精度更高、分辨率更高且易于程控等優(yōu)點(diǎn)，且頻率改變不存在失調(diào)過程，盡管有雜散干擾，只需在輸出級(jí)加濾波器仍

7、可以得到質(zhì)量很好的波形。而方案四集中了上述三個(gè)方案的各個(gè)優(yōu)點(diǎn)，因此采用方案四來(lái)實(shí)現(xiàn)波形信號(hào)的產(chǎn)生。2.2 對(duì)幅度進(jìn)行調(diào)整方案一：用高速模擬乘法器實(shí)現(xiàn)采用AD835高速模擬乘法器，來(lái)實(shí)現(xiàn)模擬調(diào)制。模擬乘法器AD835的3dB截止頻率為250MHz，能夠滿足題目的要求。但是AD835的差分輸入范圍僅為±1V，因此必須對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，這樣在增加硬件的同時(shí)，又加大了設(shè)計(jì)的難度。方案二：采用高速的D/A轉(zhuǎn)換器在LPC2138中集成著一個(gè)高速的D/A轉(zhuǎn)換器5，我們可以直接在軟件中設(shè)置一個(gè)幅度的參數(shù)來(lái)改變輸出波形的幅度大小。綜上所述，采用方案（二）雖然增加了軟件的難度，延遲了波形的輸出時(shí)間，

8、但是可以不用外加硬件拓展，節(jié)省了成本。 2.3 對(duì)頻率進(jìn)行調(diào)整方案一：通過在存儲(chǔ)芯片ROM中保存不同頻率信號(hào)的信號(hào)發(fā)生點(diǎn)數(shù)，在頻率切換時(shí)調(diào)用ROM中所存儲(chǔ)的不同點(diǎn)數(shù)模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)頻率的切換。方案二：在存儲(chǔ)芯片RAM中保存由軟件實(shí)時(shí)產(chǎn)生的波形點(diǎn)數(shù)，通過所取的點(diǎn)數(shù)的不同來(lái)決定發(fā)生的波形的頻率。由于設(shè)計(jì)中的信號(hào)要進(jìn)行不斷的改變，因此波形的數(shù)據(jù)不能存儲(chǔ)在ROM中，應(yīng)該存儲(chǔ)RAM中，因此采用方案二的設(shè)計(jì)方法。2.4 濾波電路方案一：利用運(yùn)放芯片TL082構(gòu)成的有源二階巴爾沃基濾波器6，它的頻率范圍可以達(dá)到1MHZ，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于我們所要的達(dá)到的最高頻率，而且可以同時(shí)提高輸出電壓的穩(wěn)定性即帶載能力。方案二：采用硬件

9、構(gòu)建的模擬濾波器，通常這種濾波電路主要采用無(wú)源元件R，L和C組成的低通濾波電路6。其優(yōu)點(diǎn)是具有不用電感，體積小，重量輕等優(yōu)點(diǎn)；缺點(diǎn)是其集成運(yùn)放的帶寬有限，電路的工作頻率有限難以做得很高。由于所設(shè)計(jì)的信號(hào)源的頻率相對(duì)來(lái)說不是很高，采用RC濾波器已經(jīng)可以很好的完成設(shè)計(jì)的要求。因此采用方案二。3 硬件設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)框圖根據(jù)前述方案，得到以下系統(tǒng)方框圖，如圖3-1所示，包括鍵盤、芯片LPC2138、D/A轉(zhuǎn)換、濾波器、示波器、串口RS432、上位機(jī)。圖3-1 系統(tǒng)方框圖3.2 各功能模塊通過軟件將波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到RAM當(dāng)中去，再把這些數(shù)據(jù)輸送到D/A轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換得到模擬波形。用LPC2138開發(fā)板上自

10、身帶有的鍵盤得到鍵值，通過中斷服務(wù)程序?qū)㈡I盤信息傳給控制芯片。直接采用RC過程的簡(jiǎn)單的濾波電路，此方法設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，又完全滿足設(shè)計(jì)要求。 波形直接在示波器上顯示，波形的中間調(diào)試參數(shù)在上位機(jī)EasyARM2131上顯示，這樣節(jié)省了外部顯示模塊的擴(kuò)展，使得硬件電路更加的簡(jiǎn)便。3.3 各個(gè)功能塊的實(shí)現(xiàn)原理及分析本設(shè)計(jì)中信號(hào)的產(chǎn)生直接用LPC2138芯片上集成的D/A轉(zhuǎn)換器和軟件的結(jié)合來(lái)生成。波形的信號(hào)數(shù)據(jù)采用了函數(shù)計(jì)算的方法來(lái)取得：Y=sin(N7 （3-1）其中，N表示所要取得的點(diǎn)數(shù)的多少。在設(shè)計(jì)中我選擇N=1024，即一個(gè)完整的基本的正弦信號(hào)有1024個(gè)數(shù)據(jù)信號(hào)點(diǎn)組成。將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到控制芯片LPC21

11、38的RAM當(dāng)中，根據(jù)所要的頻率來(lái)取得信號(hào)數(shù)據(jù)的多少，點(diǎn)數(shù)多少的計(jì)算如下：N=T/2t7 （3-2）其中，N表示點(diǎn)數(shù)，T表示所要產(chǎn)生的波形信號(hào)的周期，t表示定時(shí)器的時(shí)間長(zhǎng)短.從RAM中 取得點(diǎn)數(shù)的間隔為:M=1023/N8 （3-3）其中M表示在RAM中的表格取得點(diǎn)數(shù)的間隔.根據(jù)不同的間隔的大小決定產(chǎn)生一個(gè)完整的波形信號(hào)所要的數(shù)據(jù)多少不同.設(shè)計(jì)中要求信號(hào)的最高產(chǎn)生的頻率為50KHZ, 根據(jù)奈奎斯特定理，采樣的頻率最少要為所要信號(hào)的頻率的兩倍，但是為了更好的保證信號(hào)的完整輸出，我們至少要讓它采樣10個(gè)點(diǎn)才能輸出完整波形，就要求采樣的頻率為他的10倍即500KHZ,采樣時(shí)間的大小為2us，這剛好滿

12、足了LPC2138控制芯片上的集成D/A轉(zhuǎn)換器最高轉(zhuǎn)換時(shí)間為1us的限制。在設(shè)計(jì)中，三角波的產(chǎn)生就直接利用定時(shí)器定時(shí)時(shí)間的長(zhǎng)短來(lái)控制信號(hào)數(shù)據(jù)的輸出，信號(hào)數(shù)據(jù)從一個(gè)較低（或高）的位置開始按照一定的規(guī)律步進(jìn)9，當(dāng)其達(dá)到一個(gè)高度時(shí)再按照相同的步進(jìn)下降到原來(lái)的數(shù)據(jù)大小，如此反復(fù)的輸出就構(gòu)成了三角波模擬信號(hào)的輸出。在設(shè)計(jì)中，方波的產(chǎn)生由大小不同的兩個(gè)信號(hào)數(shù)據(jù)交替輸出形成，每個(gè)信號(hào)數(shù)據(jù)輸出的時(shí)間長(zhǎng)短根據(jù)所要點(diǎn)信號(hào)頻率來(lái)決定。在設(shè)計(jì)中，為了能使波形在示波器中顯示，這樣就要設(shè)定好波形的幅度，在設(shè)計(jì)時(shí)我們把波形的幅度控制在1024之內(nèi)，才能很好的顯示波形。同時(shí)為了改變幅度的大小，我們?cè)O(shè)置了一個(gè)參數(shù)直接與所取得的

13、信號(hào)數(shù)據(jù)相乘，這就改變了信號(hào)數(shù)據(jù)的大小，也就使得D/A轉(zhuǎn)換時(shí)的數(shù)據(jù)大小產(chǎn)生變化，從而體現(xiàn)在輸出的信號(hào)波形在幅度上發(fā)生改變。在輸出的信號(hào)數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔一定時(shí)，當(dāng)產(chǎn)生一個(gè)完整波形時(shí)所需要的點(diǎn)數(shù)發(fā)生變化時(shí)信號(hào)的周期就發(fā)生變化，這樣它的頻率就相應(yīng)的變化。因此，在設(shè)計(jì)中， 通過固定定時(shí)器的定時(shí)長(zhǎng)短，改變波形數(shù)據(jù)的點(diǎn)數(shù)多少就改變了信號(hào)的頻率。由于我所設(shè)計(jì)的信號(hào)源的輸出頻率還不是很高，所以可以用簡(jiǎn)單的低通濾波器就可以完成濾波的功能，因此我選擇使用RC低通濾波器。參數(shù)為：R=100歐姆，C=0.1UF。具體結(jié)構(gòu)如下：R圖3-2 鍵盤是直接與ARM（LPC2138）芯片的P0口P0.16P0.21連接，通過AR

14、M芯片對(duì)P0.16P0.21輸入數(shù)據(jù)，0表示有效，1表示無(wú)效11。鍵1用來(lái)選擇輸出波形，鍵2用來(lái)選擇所要改變的參數(shù)，鍵3和鍵4用來(lái)加/減鍵3所選的參數(shù)4 軟件設(shè)計(jì)4.1 方框圖由設(shè)計(jì)方案進(jìn)行進(jìn)一步的軟件設(shè)計(jì)，首先得到流程圖如圖4-1所示，主要包括：初始化、鍵盤掃描、PC機(jī)顯示波形等部分。N正弦波PC機(jī)顯示波形方波鍵盤掃描Y三角波判斷是否有鍵按下？開始圖4-14.2程序清單由硬件設(shè)計(jì)及主程序流程圖，經(jīng)過C語(yǔ)言編程，在ADS環(huán)境下運(yùn)行，完成了信號(hào)源發(fā)生器的軟件設(shè)計(jì)部分，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的內(nèi)容。部分主要程序清單如下:1、初始化串口0void UART0_Init (voiduint16 Fdiv;U0LC

15、R = 0x83; / DLAB = 1，可設(shè)置波特率Fdiv = (Fpclk / 16 / UART_BPS; /設(shè)置波特率U0DLM = Fdiv / 256;U0DLL = Fdiv % 256;U0LCR = 0x03;2、向串口發(fā)送字節(jié)數(shù)據(jù)void UART0_SendByte (uint8 data / data=18;U0THR = data; /發(fā)送數(shù)據(jù)while (U0LSR & 0x40 = 0; / 等待數(shù)據(jù)發(fā)送完畢3、向PC機(jī)發(fā)送顯示字符。void PC_DispChar (uint8 x, uint8 y, uint8 chr, uint8 colorUAR

16、T0_SendByte(0xff; / 起始字符UART0_SendByte(x; /發(fā)送字符顯示坐標(biāo)（x,y）UART0_SendByte(y;UART0_SendByte(chr; /發(fā)送顯示字符UART0_SendByte(color;4、向上位機(jī)發(fā)送字符串。void ISendStr (uint8 x, uint8 y, uint8 color, char *strwhile (1if (*str = '0' break; / 結(jié)束字符PC_DispChar(x+, y, *str+, color; /發(fā)送顯示數(shù)據(jù)if (x >= 80x = 0;y+;5、定時(shí)器

17、0中斷服務(wù)程序。void _irq IRQ_Timer0(voidpinsave=(IO0PIN&pinvalue;if(pinsave!=pinvalue while(delay+=2 delay=0;if(pinsave = (IO0PIN&pinvalueswitch(pinsavecase 0x003e0000: bo=bo+1;if(bo>4bo=1; break; case 0x003d0000:canshu+=1;if(canshu>2canshu=1;break;case 0x003b0000:switch(canshucase 1:if(hight

18、<26hight=hight+1;break;case 2:if(fc<100fc=fc+2;break;break; case 0x00370000:switch(canshucase 1:if(hight<26hight=hight-1;break;case 2:if(fc<100fc=fc-2;break;break; T0IR=0x01;VICVectAddr=0x00;6、定時(shí)器1捕獲中斷服務(wù)程序void _irq IRQ_Timer1(voidswitch(bo case 1:sin_wave(; break;case 2:trip_wave(;break;

19、case 3:fang_wave(; break;default:break;T1IR=0x01;VICVectAddr=0x00;7、主程序int main (void char str30;const double T = (2 * 3.1415926/1024; /把一個(gè)周期分成2048份 for(i=0;i<1024;i+ tablei = 512*(1+sin(T*i;PINSEL0 = 0x00000000; / 設(shè)置管腳連接GPIO，管腳功能選折寄存器全部為0時(shí)選為GPIO功能PINSEL1=(2<<18;PINSEL2=PINSEL2&(0x08;DA

20、CR=(0<<16; /最大定時(shí)1US，電流700UA IRQEnable(;T0TC=0;T0PR=0;T0MCR=0x03;T0MR0=Fpclk/2;T0TCR = 0x03; / 啟動(dòng)并復(fù)位T0TCT0TCR=0x01;T1TC=0;T1PR=0;T1MCR=0x03;T1MR0=Fpclk/205000*(fc/100; /把一秒分成2048份，再根據(jù)要求的頻率來(lái)進(jìn)行設(shè)置tT1TCR = 0x03; / 啟動(dòng)并復(fù)位T1TCT1TCR=0x01;VICIntSelect=0x00;VICVectCntl0=0x20|0x04;VICVectAddr0=(uint32IRQ_

21、Timer0;VICVectCntl1 = 0x20 | 0x05; / 設(shè)置定時(shí)器1中斷通道分配最高優(yōu)先級(jí) VICVectAddr1 = (uint32IRQ_Timer1; VICIntEnable =(1<<0x04|(1 << 0x05; while (1 sprintf(str, "%4d mv", hight;ISendStr(0,8,0x30,str;sprintf(str, "%4d hz", fc;ISendStr(0,10,0x30,str;return 0;4.3 測(cè)試結(jié)果圖由以上硬件、軟件設(shè)計(jì)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)調(diào)試得

22、到測(cè)試結(jié)果，如圖4-2、4-3、4-4所示，分別為三角波、正弦波、方波。圖4-3三角波（頻率=200HZ 幅度=2.4V）圖4-4正弦波（頻率=40HZ 幅度=100MV）圖4-5 方波（頻率=1000HZ 幅度=2V）5心得體會(huì)兩個(gè)周的嵌入式課程設(shè)計(jì)基于ARM的信號(hào)源發(fā)生器設(shè)計(jì)就要結(jié)束了，雖然課程設(shè)計(jì)的時(shí)間比較短，但我卻收獲了很多值得總結(jié)和值得我銘記于心的知識(shí)和認(rèn)識(shí)。開始課程設(shè)計(jì)的時(shí)候，由于我們學(xué)的都是一些嵌入式方面的理論知識(shí)，牽涉到實(shí)際的我們幾乎一無(wú)所知，所以我們組的成員都不知道該怎么入手，我們通過請(qǐng)教老師，以及上網(wǎng)查詢等通道，終于順利的完成數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)的各方面設(shè)計(jì)。這樣一個(gè)過程使我的理論知識(shí)得到了試驗(yàn)和應(yīng)用，使我的理論知識(shí)得到了進(jìn)一步的提高。通過這次ARM課程設(shè)計(jì)，我對(duì)整個(gè)嵌入式程序的設(shè)計(jì)有了一個(gè)比較深的理解,特別是有關(guān)ARM的信號(hào)源發(fā)生器這塊，比如數(shù)字信號(hào)的產(chǎn)生、調(diào)節(jié)和D/A轉(zhuǎn)換的原理等。還有就是增強(qiáng)了自身的動(dòng)手能力，把以前書本上講的或