基于ARM的∑-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)

第10頁基于ARM的∑-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)摘要：采用ARM設(shè)計(jì)的方法，研究了的∑-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換,并且設(shè)計(jì)了4種工作模式，這個(gè)四種模式是:模式1，采樣頻率為100Hz，采樣位數(shù)為12位；模式2，采樣頻率為1600Hz，采樣位數(shù)為8位。模式3，采樣頻率為100Hz，采樣位數(shù)為16位。模式4，采樣頻率為1600Hz，采樣位數(shù)為16位。并把四種模式采樣到的波形清晰地顯示在LCD上，除此以外本次設(shè)計(jì)還用到了很多比較特殊的算法,其中最重要的是CIC軟件濾波,其核心思想是對(duì)信號(hào)的積分運(yùn)算,本質(zhì)上也可以理解成累加運(yùn)算,這一核心的運(yùn)算我將會(huì)在下面詳細(xì)的介紹,與此同時(shí)還用到了ARM開發(fā)板里的按鍵等硬件,與按鍵配合使用可以實(shí)現(xiàn)模式的切換以及波形的放大選擇,這在下面設(shè)計(jì)中也會(huì)提到。關(guān)鍵詞：ARM；LCD顯示;CIC濾波隨著時(shí)間的推移,電腦可以識(shí)別離散的數(shù)字信號(hào)。在研究過程中,需要正確處理這些信號(hào),如測試、轉(zhuǎn)換、過濾等,可以使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。這就需要進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。目前,隨著數(shù)字音頻技術(shù)的快速發(fā)展,16位高分辨率A/D轉(zhuǎn)換器已經(jīng)被廣泛使用。在高分辨率時(shí),如果用傳統(tǒng)的奈奎斯特采樣率的A/D轉(zhuǎn)換器采樣實(shí)現(xiàn)是非常困難的，基本上很難用于高精度、高速度的場合。首先,從系統(tǒng)的角度,根據(jù)音頻ADC(模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器)的總體性能要求，對(duì)∑-ΔA/D轉(zhuǎn)換器屬性和優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析,選擇合適的結(jié)構(gòu)。先確定調(diào)制器結(jié)構(gòu),然后分析影響結(jié)構(gòu)的每一個(gè)電路模塊和電路模塊的設(shè)計(jì)指標(biāo),最后,根據(jù)這些指標(biāo),完成電路設(shè)計(jì)。概述研究狀況A/D轉(zhuǎn)換的方式有可以大致分為3種，分別是逐次逼近法、雙積分法以及電壓頻率轉(zhuǎn)換法。逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，是一種最為常見的A/D轉(zhuǎn)換器，這種轉(zhuǎn)換器雖然制作成本相對(duì)比較高，但是他可以進(jìn)行高位數(shù)的轉(zhuǎn)換，因此它的精度比較高，可以達(dá)到微秒級(jí)別。雙積分A/D轉(zhuǎn)換器這種方式也是可以實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換的功能，但和逐次逼近A/D轉(zhuǎn)換器相比，積分法所得到的A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果，誤差會(huì)比逐次逼近法大的多。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)硬件設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)要求比較電路的基準(zhǔn)電壓為2V，在如圖2-1所示的C點(diǎn)的1位數(shù)據(jù)流是TTL電平，1階∑-Δ調(diào)制器電路REF_Ref408516200\h圖2-1所示：圖2-SEQ圖3-\*ARABIC11階∑-Δ調(diào)制器電路圖基于ARM的∑-ΔA/D轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)并制作1階∑-Δ調(diào)制器，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)并制作∑-Δ型A/D轉(zhuǎn)換電路，電路結(jié)構(gòu)如下圖2-SEQ圖3-\*ARABIC2所示。圖2-SEQ圖3-\*ARABIC2∑-ΔA/D轉(zhuǎn)換的構(gòu)造圖∑-ΔA/D轉(zhuǎn)換器主要由ARM模塊、電源模塊、減法器模塊、積分器模塊、鎖存比較器模塊、數(shù)字濾波模塊以及LCD顯示模塊等部分組成。硬件軟件總總體設(shè)計(jì)思路，如下圖2-3所示：圖2-3硬件軟件設(shè)計(jì)思路圖軟件設(shè)計(jì)軟件的實(shí)現(xiàn)要求基于ARM的∑-ΔA/D轉(zhuǎn)換器的采樣要求，大致可以分成4中工作模式：(1)、采樣位數(shù)：12位,采樣頻率：100Hz；(2)、采樣位數(shù)：8位,采樣頻率：1600Hz；(3)、采樣位數(shù)：16位,采樣頻率：100Hz；(4)、采樣位數(shù)：16位,采樣頻率：1600Hz?；贏RM的∑-ΔA/D轉(zhuǎn)換器的顯示要求，大致分成以下幾點(diǎn)：(1)、∑-Δ型A/D轉(zhuǎn)換電路在進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示時(shí)，要求采樣的波形要連續(xù)，并且顯示的點(diǎn)至少要250個(gè)點(diǎn)。(2)、在屏幕上顯示一個(gè)光標(biāo)，并且在移動(dòng)光標(biāo)時(shí)能夠?qū)?yīng)的顯示對(duì)應(yīng)波形點(diǎn)的數(shù)據(jù)。(3)、在屏幕上實(shí)時(shí)顯示A/D采樣輸出的利用連續(xù)1秒的采樣數(shù)據(jù)的方差2σ?？偝绦蛟O(shè)計(jì)以及流程圖系統(tǒng)軟件基于ARM系統(tǒng)STM32F103Z開發(fā)，在主程序中，首先對(duì)LCD等進(jìn)行初始化，給任務(wù)變量賦初值，在數(shù)據(jù)采集后進(jìn)行數(shù)字濾波以及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換并送LCD顯示，同時(shí)等待中斷。進(jìn)入中斷后，任務(wù)全局變量外部有輸入時(shí)Ａ/Ｄ進(jìn)行采樣及數(shù)據(jù)處理，然后數(shù)據(jù)更新顯示，等待下一次中斷執(zhí)行各任務(wù)。程序框REF_Ref408516288\h圖3-1所示：圖3-SEQ圖4-\*ARABIC1程序框圖軟件的結(jié)構(gòu)框圖，如REF_Ref408516293\h圖3-2所示：圖3-SEQ圖4-\*ARABIC2軟件的結(jié)構(gòu)框圖主函數(shù)（main.c）主函數(shù)的流程圖，如REF_Ref408516300\h圖3-3所示.圖3-SEQ圖4-\*ARABIC3主函數(shù)的流程圖CIC梳狀濾波器(CIC_filter.c)CIC濾波器是一種實(shí)現(xiàn)抽取或者插值的高效濾波器并且可以降低或提高采樣率。它是由抽取器、梳狀濾波器、積分器（累加器）構(gòu)成。CIC軟件24階濾波的設(shè)計(jì)流程圖，如REF_Ref408516379\h圖2-4所示:圖3-424階CIC濾波器CIC濾波的好處是不需要乘法器，只是純粹的加法和減法，這樣減少了CIC濾波的計(jì)算量，提高了CIC濾波的濾波速度，一旦我們在ARM中寫這種方法時(shí)，不會(huì)大大的降低ARM的速度，這樣我們既節(jié)約了ARM的資源，而且實(shí)現(xiàn)起來比較簡單，又可以利用這些資源來做其他部分的優(yōu)化處理。調(diào)試及結(jié)果調(diào)試硬件和軟件的配合協(xié)議積分器的輸入端A：接的是ARM的PC4；積分器的輸出端B：接的是ARM的PC5；1位鎖存器輸出端C：接的是ARM的PD6；主時(shí)鐘：接的是ARM的PB5；硬件、軟件的配合REF_Ref408516454\h圖4-1所示：圖4-SEQ圖5-\*ARABIC1硬件、軟件的配合圖測試信號(hào)與ARM的LCD輸出測試信號(hào):50HZ的正弦信號(hào),峰峰值是2V如REF_Ref408516455\h圖4-2所示;圖4-SEQ圖5-\*ARABIC2測試信號(hào)四種工作模式下的圖片總覽REF_Ref408516464\h圖4-3所示:圖4-SEQ圖5-\*ARABIC34種模式總覽例如:在模式一下采樣位數(shù)：12位,采樣頻率：100Hz;，放大一如REF_Ref408516471\h圖4-4所示:圖4-SEQ圖5-\*ARABIC4放大一放大二如REF_Ref408516481\h圖4-5所示:圖4-SEQ圖5-\*ARABIC5放大二實(shí)際示波器顯示波形實(shí)際示波器測得A、B、C、D的波形如下REF_Ref408516488\h圖4-6所示：圖4-SEQ圖5-\*ARABIC6A、B、C、D實(shí)際波形結(jié)論基于ARM的∑-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)，我一直堅(jiān)持著低功耗、高精度的設(shè)計(jì)理念，從而使這種采樣方式進(jìn)一步的發(fā)揮了它的優(yōu)勢，在最后的硬件和軟件的配合使用中也實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定，保證了精度，也實(shí)現(xiàn)了低功耗，從而也完美的達(dá)成了設(shè)計(jì)的各項(xiàng)指標(biāo)，使本次的畢業(yè)設(shè)計(jì)變得更加的具有意義。參考文獻(xiàn)張樂樂,張子陽,張啟升.Σ-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器工作原理及簡單分析[J].電子設(shè)計(jì)工程,2013,(8).趙波,董穎華,李保婷.智能儀表中Σ-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器的硬件實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代測量與實(shí)驗(yàn)室管理,2011,(1).王蕓.一種∑-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào),2011,(1).王國鵬.一個(gè)壓力傳感器應(yīng)用的∑-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換調(diào)制器[J].電子與封裝,2007,(12).曹政新,胡平,孫燁輝,許長喜,李奇,熊紹珍.一種采用數(shù)字激勵(lì)測試的MASH結(jié)構(gòu)ΣΔ模數(shù)轉(zhuǎn)換器[J].固體電子學(xué)研究與進(jìn)展,2008,(1).闕大順,高勇,王燕莉.Σ-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器工作原理及應(yīng)用[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(交通科學(xué)與工程版),2003,(6).金旭東,于向軍,呂震中.Σ-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換在風(fēng)