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1、电子爱好者 单片机 | 嵌入式 | FPGA | DSP | EDA | 电路 | 接口 | 技术交流社区 o 主页 o 技术交流 o 技术手册 o 相册 o 论坛 o 新闻聚合 o 帮助 主页 群组目录 电子设计竞赛波形发生器coldfly 发表于 七月 22nd, 2007o 未分类 关键词：SPCE061A单片机 波形发生器 单片机是实现各种控制策略和算法的载体。由台湾凌阳公司生产的SPCE系列单片机，因其功耗低，超小型，低成本，功能完整，非常适用于便携式仪表和就地式显示控制仪表，在国内越来越受到用户的重视和广泛的应用。SPCE061A单片机功能强大,其片内含有八路十位A/D转换器和两路
2、D/A转换器，该波形发生器运用单片机技术，通过巧妙的软件设计和简易的硬件电路，产生数字式的正弦波、方波、斜波等幅值可调的信号。信号频率，可通过键盘输入，并显示。与现有各类型波形发生器比较而言，产生的数字信号干扰小，输出稳定，可靠性高，特别是操作简单方便，人机界面友好，成本低，非常适合于物理实验室教学与实验使用。 SPCE061A单片机概述 SPCE061A是继unSP系列产品SPCE500A等之后凌阳科技推出的又一个16位结构的微控制器。目前有两种封装形式：84引脚的PLCC84封装和80引脚的LQFP80贴片封装。主要性能如下：16位mnSP微处理器；工作电压：VDD为2.43.6V(cpu
3、), VDDH为2.45.5V(I/O)；CPU时钟：32768Hz49.152MHz ；内置2K字SRAM、内置32K FLASH；可编程音频处理；32位通用可编程输入/输出端口；32768Hz实时时钟，锁相环PLL振荡器提供系统时钟信号；2个16位可编程定时器/计数器(可自动预置初始计数值)；2个10位DAC(数-模转换)输出通道；7通道10位电压模-数转换器(ADC)和单通道语音模-数转换器；声音模-数转换器输入通道内置麦克风放大器自动增益控制(AGC)功能；系统处于备用状态下(时钟处于停止状态)耗电小于2mA3.6V；具备触键唤醒的功能；14个中断源：定时器A / B，2个外部时钟源输
4、入，时基，键唤醒等；使用凌阳音频编码SACM_S240方式(2.4K位/秒)，能容纳210秒的语音数据；具备异步、同步串行设备接口；具有低电压复位(LVR)功能和低电压监测(LVD)功能；内置在线仿真电路接口ICE（In- Circuit Emulator）； 具有保密能力；具有WatchDog功能（由具体型号决定） 一、方案设计与论证 方案一： 本方案直接采用凌阳SPCE061A作为波形发生器。波形的具体产生是通过两路DAC来产生，凌阳SPCE061A在这方面的设计为我们提供了极大的方便，用它实现的好处在于，外围电路极其简单，另外在DAC的编程方面又提供及其便利的编程环境。外围电路的设计包括
5、三大部分，第一是键盘控制电路的设计，这里采用4*4键盘，由IOA的低八位进行控制，把键盘上的行和列分别接在IOA0IOA3和IOA4IOA7上，采用外部中断二来中断所显示波形，以便进入下一波形的编辑和输出，在波形输出的同时利用外部中断一来实现同步的频率调节。第二是显示电路的设计，这里为了在波形输出依然有显示，由于单片机的局限性这里采用通常的动态LED显示行不通，因为波形输出时要求CPU不停地为其服务而没有空闲来为LED进行不停更新，解决方案是采用带数据缓存器和驱动的LCD来提供显示，这样只占用八个I/O口即可完成设计要求,也可放弃适时显示功能采用LED显示，这里将提供两种显示方案。第三是滤波和
6、电压转换电路的设计，滤波采用低通滤波器，滤除DAC转换过程中形成的高频小锯齿波。另外由于凌阳SPCE061A单片机DAC输出为电流输出，为满足达到5V的电压输出，外接OP07运算放大器进行放大，加1千欧姆电阻进行电流信号到电压信号的转换。本设计的特点是全面采用数字电路方案，因而工作稳定可靠。利用单片机控制管理，使频率设置和占空比调整等操作可用键盘输入，十分方便。 方案二：本设计方案采用功能很强的大规模数字频率合成器MC145151和多波形宽频率范围信号发生器MAX038 等新器件产生波形和频率，控制与管理电路部分使用SPCE061A单片机以及键盘显示电路。MAX038是一个精密高频波形产生器。
7、它能产生频率高达20MHz的正弦波、三角波、方波等脉冲信号，其压控振荡器的频率分粗调和细调两层控制。在本电路中，用于粗调的控制电压（电流）由一个12位的DAC产生，使输出频率近似等于N倍基准频率。而细调电压则由数字锁相电路MC145151和环路滤波器MAX427产生，由锁相反馈环将频率fo = Nfr锁定。这种方案的优点是频率合成器工作更可靠，锁定更迅速。另外MAX038还包括占空比调整电路、波形同步电路、相位检测电路、波形切换开关和电压基准源等电路，所需外部元件少，使用很方便。控制和管理电路由SPCE061A单片机及外围电路组成。其主要用于对键盘输入的波形和频率选择等数据进行译码，计算出相应
8、的控制参数，控制频率合成器输出正确的信号，并将其频率和波形参数用LED显示出来。对于小型通用信号产生器而言，这是一个比较理想的设计方案。 方案比较： 第一种方案设计外围电路简单，能够满足电子大赛设计的要求，这里考虑到短时间内设计既要成型，采用第一种方案。第二种方案的设计比较完善，由于用到专门的波形发生芯片，产生的波形比较完美，但外围电路复杂，适合于作波形发生器的产品设计方案。 二、系统硬件电路设计 2.1电路方框图及说明 图1 整体框图 2.2各部分电路设计 2.2. 1滤波、放大及其电流到电压的转换电路 电路本系统采用二阶压控电压源低通滤波器，如图2所示。它由两节RC滤波器和同向放大电路组成
9、。其中同相放大实际上就是所谓的压控电压源，它的电压增益就是低通滤波器的通带电压增益，即：A0=Avf=1+Rf/R1 图2 滤波电路 传递函数由图电路可知，运放同相端输入电压为： (1) 而Vp(s)与Va(s)的关系为： Vp(s)= Va(s)/（1+sRC） (2) 对于节点A，由节点电流法可得 Vi(s)/R- Va(s)/R - Va(s)- V0(s)sC- Va(s)/R- Vp(s)/R=0 (3) 将式（1）、（2）和（3）连立求解，可得电路的传递函数为 A(s)=V0(s)/ Vi(s)= Avf/1+(3- Avf)sRC+sRC*sRC (4) 式（4）为二阶低通滤波器
10、传递函数的表达式。其中1/RC为特征频率，而 1/(3- Avf)为等效品质因数。截止频率为1/RC。通过设置R、C可调节带通到我们需要的范围。另外调节Rf可调节幅度到我们需要的范围。 2.2.2键盘控制电路电路 在单片机中所需按键较少，多采用独立式键盘。此种键盘结构简单，每只按键接单片机的一条I/O线，通过查询即可示别出每只按键的状态来。但由于本系统按键较多，在这里采用矩阵式排列键盘，如图3所示，这样可以合理应用硬件资源，把16只按键排列成4*4矩阵形式，用一个8位I/O口控制,如图所示。把键盘上的行和列分别接在IOA0IOA3和IOA4IOA7上。先置IOA0IOA3为带数据缓存器的高电平
11、输出，置IOA4IOA7为带下拉电阻的输管脚，此时若有键按下，取IOA4IOA7的数据将得到一个值，把此值保存下来，再置IOA4IOA7为带数据反相器的高电平输出，置IOA0IOA3为带下拉电阻的输入管脚，此时若键仍没弹起，取IOA0IOA3的数据将得到另一个值，把这两个值组合就可得知是哪个键按下了，再通过查表得到键值。 图3 按键控制电路 2.2.3显示电路电路 为了给广大单片机爱好者提供方便，在显示电路的设计方面提供两种方案，第一种是采用四个LCD进行适时显示，这是比较理想的方案，但由于LCD成本较高，这里还提供另一种方案，用六个LED进行显示，这种方案的缺点是不能适时显示，但也能满足一般
12、设计要求。 第一种方案采用四个LCD进行动态显示，轮流显示波形和频率，直接用SPCE061A驱动液晶显示器，要占用较多的I/O口，这里采用ICM7211M来驱动，这样不仅节省I/O口而且减化了编程。用数字代表各种波形，显示波形的粗调频率。用IOA9IOA10口作为位选控制， IOA8口作为ICM7211M的片选信号，IOA11IOA14作为数据线。数据线和位选线直接接凌阳SPCE061A单片机的I/O口即可。 图4 LCD显示电路 第二种方案采用六个共阴极数码管LED进行动态显示波形和频率，直接用SPCE061A直接驱动LED，两位提供波形显示，四位提供频率显示。用IOB8IOB13口作为位选
13、控制， IOA8IOA14口传输要显示的数据，数据线和位选线直接接凌阳SPCE061A单片机的I/O口即可，因为I/O口输出电流很小不会对LED造成损坏，它的电压值却足以驱动LED，这不像别的单片机还要外接驱动电路和电阻，采用凌阳SPCE061A单片机大大减化了设计过程和硬件电路。硬件电路如图5所示。 图5 LED显示电路 2.2.4语音播报电路的设计电路 凌阳的SPCE061A是16位单片机，具有DSP功能，有很强的信息处理能力，最高时钟可达到49M，具备运算速度高的优势等等，这为语音的播放、录放、合成及辨识提供了条件。另外SPCE061A单片机具有32k闪存，事先把所需要的语音信号录制好，
14、整个语音信号经凌阳SACM_S480压缩算法压缩只占有13.2K存储空间，对凌阳SPCE061A单片机的存储系统来说绰绰有余。凌阳SPCE061A单片机自带双通道DAC音频输出， DAC1、DAC2转换输出的模拟量电流信号分别通过AUD1和AUD2管脚输出， DAC输出为电流型输出，经LM396音频放大，即可驱动喇叭放音，放大电路如图6(只列出了DAC1,DAC2类似)。在DAC1、DAC2后面接一个简单的音频放大电路和喇叭就能实现语音播报功能，这为单片机的音频设计提供了极大方便，音频的具体功能主要通过程序来实现。 图6 音频放大电路 三、软件设计 3.1主程序流程图 由于使用凌阳SPCE06
15、1A使外围电路变得异常简单，整个波形发生器的主体任务落到了程序编写上。整个系统的软件设计方案如图7，采用外部中断二来中断所显示波形，以便进入下一波形的编辑和输出，在波形输出的同时利用外部中断一来实现同步的频率调节。波形的具体产生是通过两路DAC来产生，之所以采用这种方式，是因为凌阳SPCE061A在这方面的设计为我们提供了极大的方便，在DAC的编程方面又提供了及其便利的编程环境。用函数来产生波形是大多数设计者喜之不舍得设计方案，但在具体设计方面，因为函数在单片机的运算过程中占据了太多的时钟周期，这就给我们追求高频波形一个瓶颈，要怎样解决这个问题呢？这里我采用查表来实现，根据理论凌阳SPCE061A单片机可达到一百兆的要求，这就能充分满足题目设计要求了，然而，由于函数产生波形极其方便，凌阳SPCE061A单片机有提供了大量函数库，在设计过程中我在低频部分依然采用函数设计。另外，波形频率随CPU的频率而变法，凌阳SPCE061A单片机的32768的实时时钟经过PLL倍频电路产生系统时钟频率(Fosc)，Fosc再经过分频得到CPU时钟频率(CPUCLK)可通过对P_SystemClock(写)($7013H)单元编程来控制，这就为我们设计提供了丰富的CPU时钟选择。默认的Fosc、CPUCLK分别为24.576MHz和Fosc/
