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基于单片机技术的波形发生器采用单片机设计(一)
摘 要
基于单片机技术的波形发生器采用单片机设计,用程序产生波形,先计算机构成波形的点数及数值,存到指定的存储区,再读取数据,经D/A转换都输出波形,进行D/A转换是,输出一个点的时间间隔须小于D/A转换所需时间。
关键词:单片机 波形发生器 D/A转换器
Abstract
The waveform generator of variable frequency power supply is designed in Microcontroller,the waveform of frequency power supply is created by using the program. The program procedure:first,the point nvmbers formed the waveform and their values are calculated,and save them to the appointed memory area.And then read data,perform D/Aconversions and outpot waveform.When then generator outputs data and performs D/Aconversions each time.
Keyword: Microcontroller; Waveform generator; DAC;
1 引言
波形发生器作为常用的信号源,被广泛应用于调试,自动控制系统和教学实验等领域。目前使用的波形发生器大部分对大的缺点是,其体积大,可靠性差,精度低。提出一种性价比高的波形发生器,利用单片机进行函数处理,由软件控制波形输出,利用单片机进行函数处理,由软件实现波形生成,输出的数字信号再经模拟和信号放大处理后输出所需波形。该波形发生器具有集成度高,体积小,可靠性好,精度高,价格便宜等特点。
2 设计任务和基本要求
2.1 具有产生正弦波.方波.三角波三种周期性波形的功能。
2.2 输入波形的频率范围为100~~20khz(非正弦波频率按10次斜波计
算);重复频率可调,频率步进间隔小于100HZ。
2.3 具有显示输出波形的类型,重复频率(周期)和幅度的功能。
3 元器件性能分析
3.1 89C51处理器的基本介绍及其特点
89C51逻辑符号图
图(1)
89C51为40引脚,其引脚图如图(1)
CPU为Intel公司生产的89C51/89C52/89C55等。出厂所配晶振频率为12MHZ,每个机器周期为1.085us,用户可更换晶振以提高速度。●程序存贮器为64K,其中前4K/8K20K在CPU内部,其它程序在EPR0M27512中。●数据存贮器为32K(62256),地址为8000—FFFFH。●Ⅰ/O扩展8155,片内RAM地址∶200O-20FFH8155,命令口地址为∶2100HA口地址为∶21O1HB口地址为.2102HC口地址为:2103HT低八位∶2104HT高八位∶2105H●A/D采用精高度,速度快(25us)的AD574,并在其转换前对信号作了采样保持处理。AD574启动地址为:4000H高八位地址为∶4002H低四位地址为∶4003H多路模拟开关的使用∶IN0∶P1=0F8H IN4∶P1=0FCHIN1∶P1=0F9H IN5:P1=OFDHIN2∶P1=0FAH IN5:P1=0FEHIN3∶P1=0FBH IN7:P1=0FFHP1.0按CD4051的C⑼,P1.1按CD4051的B脚(10)、P1.2按CD4051的A脚(11)。●D/A采用0832输出,地址为∶6000H-6FFFH●键盘显示(CZ2)采用8279,地址为:7FFEH-7FFFH●日历时钟芯片DS12887,命令寄存器为5000H-500DH,不掉电数据存贮器为∶500EH-507FH [M] 89C51执行指令的时间与及定时器/计数器计数的频率都与振荡源的周期有关,为了提高波形频率的精度,采用12MHZ的晶振与外部时钟方式,晶振的两根引脚分别与89C51的外接晶振引脚X1和X2相连。波形发生器工作时,要求进入复位工作状态,因此需设计准确,可靠的复位电路。
89C51单片机内部设置两个16位可编程的定时器/计数器T0和T1,它们具有计数器方式和定时器方式两种工作方式及4种工作模式。在波形发生器中,将其做定时器使用,用它来精确地确定波形的两个采样点输出之间的延迟时间。模式1采用的是16位计数器,当T0或T1被允许记数后,从初值开始加1记数,最高位产生益处时向CPU请求中断。因此要想确定精确的时间,首先要计算出记数初值。中断系统是使处理器具有对外界异步事件的处理能力而设置的。当中央处理器CPU正在处理某件事的时候外界发生了紧急事件。在波形发生器中,只用到片内定时器/计数器益出时产生的中断请求,既是在89C51输出一个波形采样点信号后,接着启动定时器,在定时器未产生中断之前,89C51等待,直到定时器计时结束,产生中断请求,89C51响应中断,接着输出下一个采样点信号,如此循环产生所需要的信号波形。
8279的基本介绍及其特点
3.2.1 8279的基本介绍
8279的逻辑符号
(图2)
8279为40引脚芯片,其引脚图为图(2)
8279是Intel公司生产的通用可编程键盘和显示器接口电路芯片。8279可以实现对键盘和显示器的自动扫描,识别闭合键的键号,完成显示器动态显示。从而大大节省了CPU处理键盘和显示器的时间,提高了CPU的工作效率。另外,8279与单片机的接口简单,显示稳定,工作可靠,应用愈来愈广泛。 [M]
8279与CPU之间的信息交换可分为3种类型,即命令字,状态字和数据。它们的作用分别如下:当8279的A0入高电平时,CPU向8279写入的数据为命令字,读出的数据为状态字;时钟编程命令字:D7D6D5=001为时钟编程命令字的特征位,PPPP用来设定对外部时钟信号的分频系数N,N取2-31。通过对外部输入信号的N分频获得8279所需的100VHZ 的内部时钟信号。读FIFO/传感器RAM命令字:该命令只在传感器工作方式中使用,在键盘工作方式中,读出操作按先进先出的顺序,不需此命令;读显示RAM命令字:该命令字用来设定要读出的显示RAM的地址;写显示RAM命令字:D7D6D5=100为写显示RAM命令字特征位,在写显示RAM之前用该命令字来设定要写入RAM单元的地址;显示禁止写入,消隐命令字:BLA,BLB(D1,D0)为消隐设置位。分别用于两组显示的消隐设置,当Bl=1时,对应的显示输出被消隐,当Bl=0时,恢复显示;清除命令字:CA=1时,对显示RAM的清除方式由D3,D2二位确定,清除显示RAM大约需要100us时间,在此期间CPU不能向显示RAM中写入数据;结束中断/错误方式设置命令字:在键盘工作方式中,若8297设置为N键依次读出方式后,若8279设置为N键依次读出方式后,若CPU给8279又写入结束中断/错误方式设置命令(E=1),则8279将以特定的错误方式工作,如果8279发现多个键同时闭合,则FIFO状态字的错误特征位S/E置1,并产生中断请求信号的阻止写入FIFO RAM。状态字:在键盘输入和选通输入方式中,状态字给出了FIFO RAM 中的数据个数,是否出错等信息;输入数据的格式:当A0=0时,CPU对8279读,写的均为数据,写入的为要显示数符的段选码,读出的数据为键盘数据或传感器距阵数据,在键盘工作方式中,当有键闭合时,其行号和列号(分别由RL0—RL7和SL0—SL3确定)输入FIFO RAM中。
8279最多可以接16位显示器,一个8*8的行列式键盘。当有键按下时,键号自动进入FIFO RAM,并置中断请求信号有效,向CPU请求中断。要显的数据的段选码送到显示RAM中,8279自动完成扫描显示。CPU所要做的工作是对8279进行初始化,输入显示数据的段选码,有键按下时,读入键号。因此,在8279键盘,显示系统中,CPU用于处理键盘和显示器的时间明显减少,提高了CPU的工作效率。
3.2.2 8279的命令和状态字
(1) 键盘/显示方式设置命令命令特征位:D7D6D5=000DD两位用来设定显示方式:00 8个字符显示----左入01 16个字符显示----左入10 8个字符显示----右入11 16个字符显示----右入所谓的左入就是在显示时,显示字符是从左面向右面逐个排列。右入就是显示字符从右面向左面移动。所对应的SL编码最小的为显示的最高位KKK三位用来设定键盘工作方式:K000编码扫描键盘----双键锁定K001译码扫描键盘----双键锁定K010编码扫描键盘----N键轮回K011译码扫描键盘----N键轮回K100编码扫描传感器矩阵K101译码扫描传感器矩阵K110选通输入,编码显示扫描K111选通输入,译码显示扫描第一位K没有任何意义。双键锁定和N键轮回是两种不同的多键同时按下保护方式。双键锁定为两键同时按下提供保护,在消振周期内,如果有两键同时被按下,则只有其中的一键弹起,而另一键在按下位置时,才能被认可。N键轮回为N键同时按下提供保护,当有若干个键同时按下时,键盘扫描能根据发现它们的次序,依次将它们的状态送入FIFO RAM。
(2) 时钟编程命令
命令特征位:D7D6D5=001
将来自CLK的外部时钟进行PPPPP分频(2-31)。(3) 读FIFO/传感器RAM命令 命令特征位:D7D6D5=010
该命令字只在传感器方式时使用,在CPU读传感器RAM之前,必须用着条命令来设定将要读出的传感器RAM地址。由于传感器RAM的容量是8X8bit,因此需要用命令字中的三位二进制代码AAA来选址。命令字中的AI为自动增量特征位。若AI=1,则每次读出传感器RAM后,地址将自动增量(加1),使地址指针指向顺序的下一个存储单元。这样,下一次读数便从下一个地址读出,而不必重新设置读FIFO/传感器RAM命令。 在键盘工作方式中,由于读出操作严格按照先入先出的顺序,因此不必使用这条命令。
(4) 读显示RAM命令 命令特征位:D7D6D5=011
在CPU读显示RAM之前,该命令字用来设定将要读出的显示RAM的地址,四位二进制代码AAAA用来寻址显示RAM中的一个存储单元。如果自动增量特征位AI=1,则每次读出后,地址自动加1,使下一次读出顺序指向下一个地址。
(5) 写显示RAM命令 命令特征位:D7D6D5=100,前面命令字位相同。
(6) 显示禁止写入/消隐命令 命令特征位:D7D6D5=101。
IW用来掩蔽A组和B组(D3对应A组,D2对应B组)。例如,当A组的掩蔽位D3=1时,A组的显示RAM禁止写入。因此从CPU写入显示器RAM的数据不会影响A的显示。这种情况通常在采用双四位显示时使用。因为两个四位显示器是相互独立的,为了给其中一个四位显示器输入数据,而又不影响另一个四位显示器,因此必须对另一组的输入实行掩蔽。BL位是消隐特征,要消隐两组显示输出,必须设置两个BL位。若BL=1。则执行此命令后,对应组的显示输出被消隐。若BL=0,则恢复显示
(7) 清除命令 命令特征位:D7D6D5=110。
该命令字用来清除FIFO RAM和显示RAM。D4D3D2三位(CD)用来设定清除显示RAM的方式。其意义如下表: 清除方式 将显示RAM全部清“0”将显示RAM置20H(即A组=0010 B组=0000) 将显示RAM全部置1不清除(若CA=1,则D3、D2仍有效) D1(CF)位用来清空FIFO存储器。D1=1时,执行清除命令后,FIFO
RAM被清空,使中断IRQ复位。同时,传感器RAM的读出地址也被清0.D0(CA)位是总清的特征位,它兼有CD和CF的联合有效。在CA=1时,对显示RAM的清除方式由D3D2的编码决定。 清除显示RAM大约需要100uS的时间。在此期间,FIFO状态字的最高位Du=1,表示显示无效。CPU不能向显示RAM写入数据。
(8) 结束中断/错误方式设置命令 命令特征位D7D6D5=111。 这个命令有两个不同的应用: ① 作为结束中断命令。在传感器工作方式中,每当传感器状态出现变化时,扫描检测电路接将其状态写入传感器RAM,并启动中断逻辑,使IRQ变高,向CPU请求中断。并且禁止写入传感器RAM。此时,如传感器RAM读出地址的自动递增特征没有置位(AI=0),则中断请求IRQ在CPU第一次从传感器RAM读出数据时就被清除。若自动递增特征已置位(AI=1),则CPU对传感器RAM的读出并不能清除IRQ,而必须通过给8279写入结束中断/错误方式设置命令才能使IRQ变低。因此,在传感器工作方式中,此命令用来结束传感器RAM的中断请求。 ② 作为特定错误方式的设置命令。在8279已被设定为键盘扫描N键轮回方式以后,如果CPU给8279又写入结束中断/错误方式设置命令(E=1)。则8279的消振周期内,如果发现有多个键被同时按下,则FIFO状态字中的错误特征位S/E将置位。并产生中断请求信号和阻止写入FIFO RAM。 错误特征位S/E在读出FIFO状态字时被读出。而在执行CF=1的清除命令时被复位。 8279的FIFO状态字,主要用于键盘和选通工作方式,以指示FIFO RAM中的字符数和是否有错误发生,其字位意义如下: N Du: Du=1显示无效 S/E: 传感器信号结束/错误特征码 O: O=1出现溢出错误 U: U=1出现不足错误 F: F=1表示FIFO RAM已满 NNN: 为FIFO RAM中的字符数 对FIFO RAM的操作可能出现两种错误:溢出和不足。当FIFO RAM已满时,若其它的键盘数据企图写入FIFO RAM,则出现溢出错误,状态字位“O”被置位。当FIFO RAM已被清空时,若CPU还企图读出,则将会出现“不足”的错误,状态字位“U“被置位。 对于状态字的S/E位,当8279工作在传感器工作方式时,若S/E=1,表示传感器的最后一个传感信号一进入传感器RAM。当8279工作在特殊错误方式时,若S/E=1,表示出现了多键同时下按的错误。 当显示RAM由于“去年各处显示“或”全清“命令尚未完成时,状态字的最高位Du被置位。
3.3 DAC0832的基本介绍及其特点
3.3.1 DAC0832的基本介绍
DAC的引脚图
图(3)
DAC0832为20引脚,采用双列直封装,其引脚如图(3)
DAC0832是NS公司生产的8位D/A转换器,它采用先进的 CMOS 工艺,因而功耗低、生产漏电流误差小,是目前微机控制系统常用的D/A芯片,可以直接与Z80、8085、8051等微处理器相连着数字技术,特别是计算机技术的飞速发展与普及,在现代控制、通信及检测领域中,为提高系统的性能指标,对信号的处理无不广泛地采用了数字计算机技术。由于系统的实际对象往往都是一些模拟量(如温度、压力、位移、图像等),要使计算机或数字仪表能识别、处理这些信号,必须首先将这些模拟信号转换成数字信号;而经计算机分析、处理后输出的数字量也往往需要将其转换为相应模拟信号才能为执行机构所接收。这样,就需要一种能在模拟信号与数字信号之间起桥梁作用的电路 — 模数转换器和数模转换器。。
D/A转换器(DAC)输入的是数字量,经过转换输出的是模拟量。DAC的技术指标很多,如:分辨率,满刻度误差,线性度,绝对精度,相对精度,建立时间,输入/输出特性等。DAC的几个主要技术性能指标:分辨率,建立时间和接口形式。DAC0832为8位D/A转换器。单电源供电,范围为+5V~+15V,基准电压范围为正负10伏。电流的建立时间为10us。CMOS工艺功耗20mw。输入设有两级缓冲锁存器。DAC0832是电流输出型D/A转换器,要得到电压信号,输出端需接运算放大器进行转换。根据数据输入的过程,DAC0832有三种联接方式:二级缓冲器联接方式,单级缓冲器联接方式和直通联接方式。
3.3.2 DAC0832的引脚功能
DI0~~DI7:位数字输入端,其中DI0为最低位( LSB ),DI7为最高位( MSB );
C S :片选信号输入端(低电平有效),与 ILE 共同作用,对 WR1行控制;
ILE :输入寄存器锁存允许信号(高电平有效)。当 ILE = 1 且 = 0 , WR1= 0 时, 8 位输入寄存器允许输入数据;
WR1 :输入寄存器写信号(低电平有效)。只有当 ILE = 1 ,且CS= 0 ,WR1= 0 时,才能对8位输入寄存器的数据进行更新; WR1= 1 时,8位输入寄存器的数据被锁定;
WR2 : DAC寄存器写信号(低电平有效),与 XFER一道控制将输入寄存器的数据写入 DAC 寄存器。当 WR2= 0 和 XFER= 0 时,输入寄存器中的数据传送到 DAC 寄存器中;
Iout1 :DAC电流输出1端。当输入数字量全都为1时, Iout1为最大值;当输入数字量全都为 0 时, Iout1为最小值(近似为 0 );
Iout1 :DAC电流输出2端。Iout1+Iout2=常数。外接运放时,Iout1接运放的反相输入端, Iout2接运放的同相输入端或模拟地;
Rfb:反馈信号输入端,为外部运放提供一个反馈电压。Rfb可由芯片内部提供(可将此端直接接运放输出端)或通过外部电阻再接输出端;
Vref:基准电压输入端,要求是一精密电源,电压范围为- 10V ~ +10V ;
Vcc: :电源电压,一般为 +5V ~ +15V ;
4 硬件系统设计方案
单片机波形发生器硬件由微机控制电路和功放电路两部分组成,参见图3和图4微机控制电路由89C51,0832,8279,F032等芯片组成。CPU芯片选用89C51,内部含有4K的EPROM用来存储程序和数据库;8279用于支持键盘和LED显示器,键盘用于控制各种波形的相互转换以及调整波形的频率,显示器用来显示当前的工作状态和波形频率大小。D/A转换电路由DAC0832和两个运算放大器F032组成,DAC0832有3种连接方式:第一种是两极缓冲型,既输入数据经过这两极缓冲器后,送D/A转换电路;第二种是单级缓冲型,输入数据经输入寄存器直接送入DAC寄存器,然后送D/A转换电路;第三种是两个缓冲直接相连,输入数据直接送D/A转换电路进行转换。设计制作的波形发生器采用第三种方法,即直接连接方式,WR1,WR2,CS和XFER接地,ILE和Vcc接+5V电源,89C51的数据输出线直接与DAC0832的数字输入端相连。D/A转换电路可采用单级性输出,也可采用双极输出,该设计采用双级性输出,既经过两个运算放大器F032后,输出电压Uout与输入数字量的关系如表1所示。
单片机波形发生器硬件电路图
图(3)
8279键盘,显示器接口电路框图
图(4)
有表1可知,当输入数字量D=00H,输入电压Uout=-Vref;当D=80H时,Uout=Vref-1/128Vref.由此可见,波形的最大幅值由D/A的参考电压Vref决定。
如需要用本波形发生器驱动大功率负载则必须外接功率放大器,功放电路可采用互补对称功率放大器。
5 波形软件系统程序设计
5.1波形软件程序设计原理:
波形发生器的常见波形有方波(矩形波),三角波正弦波等,波形发生器的程序由系统主程序,波形子程序和调频中断子程序组成。系统主程序主要完成系统的原始参数设定,人机接口,波形选择,系统安全等功能。波形子程序分为方波子程序,三角波子程序和正弦波子程序。波形子程序的功能主要包括:波形数字信号的函数生成,延时调解,循环周期和输入等。调频中断子程序的功能是系统在中断状态下实现当前输入波形的频率调解。各程序流程图5—图9
程序对系统初始化之后则进入等待状态,等待用户选择波形,然后调用相应的波形子程序,此时则在运算放大器的输出端输出相应的波形信号,同时在显示器上显示相应的波形标志和频率。在波形发生期间,可以按频率调整键(增大键和减小键),此时则执行中断程序,若是“增大键”则减小延时时间,反之则增大延 时时间,若一直按此两键之一不放,则频率一直变化,直到不再按此两键为止,并从中断程序返回,继续执行波形发生字程序;在一种波形的发生期内,可以直接选择其他的波形键,此时则调用所选波形的子程序,对波形的调整同上所述。
5.2 波形软件程序设计
波形软件程序设计框图如下图(5)至图(9):
6 功能扩展
依据上述硬件原理,如在89C51上外接三片D/A转换芯片0832,则可同时产生3路波形输出,对程序只需稍做修改,就可以使3路输出产生相位差为120度的正弦波,即生产三相交流信号。输出的三相交流既可取相电压,也可取线电压,并且其频率可以调节;若外接功放,则输出可以驱动大功率负载(如三相交流伺服电机),这时如要对三相交流电机调数速,则只需调整波形的频率和功放输出的电流(或电压),即实现了三相交流电机的变频调速,波形发生器也就起到了变频起的作用。该单片机电路选用12MHZ晶振,故单片机机器周期为1us,综合分析各种波形的具体情况和软件结构,计算得出各种波形的可调制频率范围为:方波,三角波,正弦波100HZ到20HZ,为了方便快速调制出所需波形的频率,可以在键盘设置一个频率调整键,即100HZ,该键对所有的波形都开放,按一下键疲劳就加100HZ。
7 结束语
这次毕业设计的基本功能都能够得到实现,在这个过程中我多次请教老师和同学,还查阅大量的资料。通过这次毕业设计使我大学四年所学知识大大地提高,通过这次的学习和实践将我已学的知识成系统的得到复习和巩固。使我在以前的学习中不够清晰的概念得以清晰化,同时锻炼和培养了我的动手能力,对自己以后的工作有极大的帮助。这段时间的学习,使我在模拟电路、数字电路和单片机方面的知识得以巩固,并使我真正接触到在系统工程开发的过程中所遇到的实际问题。但在实际的设计开发过程中我也接触到了很多现实与理论知识之间的不同差距,这就需要我把以往的理论学习运用到实践中去。这些经验也使我在以后的学习和工作中能够得到较快适应。同时我也发现自己在实际操作中的不足,这也是我亟需加强的方面。
8 参考文献
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附件:
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END
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