基于STM32的波形发生器

个人博客：http://www.chenjianqu.com/

原文链接：http://www.chenjianqu.com/show-30.html

设计实现的要求

基本要求

（1）具有产生正弦波、方波、三角波三种周期性波形的功能。
（2）用键盘输入编辑生成上述三种波形（同周期）的线性组合波形，以及由基波及其谐波（5次以下）线性组合的波形。
（3）具有波形存储功能。
（4）输出波形的频率范围为100Hz～20kHz（非正弦波频率按10次谐波计算）；重复频率可调，频率步进间隔≤100Hz。
（5）输出波形幅度范围0～5V（峰-峰值），可按步进0.1V（峰-峰值）调整。
（6）具有显示输出波形的类型、重复频率（周期）和幅度的功能。

拓展要求

（1）输出波形频率范围扩展至100Hz～200kHz。
（2）用键盘或其他输入装置产生任意波形。
（3）增加稳幅输出功能，当负载变化时，输出电压幅度变化不大于±10%（负载电阻变化范围：100Ω～∞）。
（4）具有掉电存储功能，可存储掉电前用户编辑的波形和设置。
（5）可产生单次或多次（1000次以下）特定波形（如产生1个半周期三角波输出）。

运行效果演示

开机动画演示

GUI交互界面

波形输出实例

系统方案

通过对本题的分析，斟酌各个方案，最终确立了我们的最终方案。

(1)   波形采用STM32自带的DAC+DDS产生。
(2)   主控模块采用STM32F103单片机，控制整个系统的软硬件操作。
(3)   显示模块采用液晶显示器实时显示当前输出的波形的类型、幅值和频率。
(4)   按键模块采用独立按键的方式设置输出波形的类型、幅值和频率等数据。

1.1. 系统总体软件设计

软件架构图如下：

整个系统的交互采用按键和LCD显示屏实现。为了交互的更加便捷，本系统设计了多级的菜单界面，按键通过由菜单管理器切换菜单界面。菜单界面的底层是参数界面，参数界面用于设置和显示参数。设置的参数通过被放入参数管理器，可用于设置波形的频率和幅值。我们的设想是低频波形用单片机上的DAC实现，高频信号用AD8951也就是直接数字信号合成器合成产生波形。但是为了选择的多样性，无论高频还是低频，我们的DAC和DDS都会同时工作。

1.2. 交互模块

本系统的交互模块有需要用到LCD显示屏和按键。LCD显示模块主要由菜单显示模块和参数显示模块组成，分别由菜单管理器和参数管理器控制，通过按键设置菜单管理器和参数管理器的参数，可以设置显示不同的界面。参数管理器也是连接波形发生模块的桥梁。

下图为交互模块的程序框图：

1.3. DAC波形发生模块

本系统使用的是STM32F103里面自带的DAC。为了提高DAC转换的速度，使用DMA传输波形数据，DMA的触发传输使用的是定时器的中断。本系统使用的正弦波波形数据是通过C语言数学库math.h里面的函数sin()计算得到的数组，三角波通过自定义函数计算波形数据，这两个波形一个周期内采样了512个数据点；而方波的则不同，方波每个周期只改变两次DAC的值。当用户通过交互界面改变幅值参数时，会重新计算波形数据数组。当用户改变频率参数时，会重新计算DMA定时器的周期。波形的输出和关闭则是通过改变DMA定时器中断使能和DMA传输使能实现。

下图为DAC波形发生模块的程序框图：

1.4. DDS波形发生模块

DDS本身就是用来产生波形的，故要控制DDS产生波形，只需要设置DDS相应的寄存器就好了。

下图为DDS波形发生的程序框图：

代码实现

数据结构

参数管理器

typedef struct ParameterManagerStruct
{bool isOutputEnable;ParameterSelected flagParaSelected;u32 am;u8 amArray[10];u8 amArrayPoint;u8 amLen;u16 amCoordinateX;u16 amCoordinateY;u32 fq;u8 fqArray[10];u8 fqArrayPoint;u8 fqLen;u16 fqCoordinateX;u16 fqCoordinateY;u32 har;u8 harArray[10];u8 harArrayPoint;u8 harLen;u16 harCoordinateX;u16 harCoordinateY;
} ParaMng;

菜单管理器

typedef enum MenuLayerEnum{MenuLayer0=0,MenuLayer1,MenuLayer2
} MenuLayer;
typedef struct MenuStruct{MenuLayer layer;u8 Layer0_Selected;u8 Layer1_Selected;u8 Layer2_Selected;
} Menu;

菜单项显示

typedef struct GUIMenuItem{
u8 *name;
u8 fontSize;
u32 fontColor;
u32 backgroundColor;
} GUI_Item;
typedef struct GUIMenuTypedef
{
GUI_Item itemList[10];
u8 itemNum;
u8 *topicName;
} GUIMenu;

主函数

int main(void)
{HAL_Init();SystemClock_Config();delay_init(72);MX_GPIO_Init();MX_DMA_Init();MX_DAC_Init();MX_TIM2_Init();MX_USART1_UART_Init();MX_TIM4_Init();MX_TIM3_Init();MX_TIM6_Init();LCD_Init();//LCD初始化//菜单初始化 InitMenu();InitParaManager();//参数初始化menu.layer=MenuLayer0;menu.Layer0_Selected=Item_SignalGenerator;menu.Layer1_Selected=Item_SquareWave;menu.Layer2_Selected=Item_IsEnable;//开机动画GUI_ShowPowerOn();while(KEY_Scan(0)==0)delay_ms(20);//菜单显示ShowMenu();while (1){//IRHandle();KeyHandle();//按键处理//ad9851去除干扰ad9851_data_l;ad9851_fq_up_l;ad9851_rest_l;ad9851_w_clk_l;if(pm.flagParaSelected!=ParaRESET)ShowParameterNumber();//设置参数时界面显示delay_ms(10);}
}

按键处理

void KeyHandle(void)
{u8 t=KEY_Scan(0);if(t>0){switch(t){//按键扫描case WKUP_PRES://按下“下”键{if(pm.flagParaSelected==ParaRESET)//切换下一行{if(menu.layer==MenuLayer0)menu.Layer0_Selected=(menu.Layer0_Selected+1)%ITEM_NUM_LAYER0;else if(menu.layer==MenuLayer1)menu.Layer1_Selected=(menu.Layer1_Selected+1)%ITEM_NUM_LAYER1;else if(menu.layer==MenuLayer2)menu.Layer2_Selected=(menu.Layer2_Selected+1)%ITEM_NUM_LAYER2;}else if(pm.flagParaSelected==ParaAM)//设置幅值状态，pm.amArrayPoint=(pm.amArrayPoint+1)%pm.amLen;else if(pm.flagParaSelected==ParaFQ)//设置频率状态pm.fqArrayPoint=(pm.fqArrayPoint+1)%pm.fqLen;else if(pm.flagParaSelected==ParaHAR)//设置谐波状态pm.harArrayPoint=(pm.harArrayPoint+1)%pm.harLen;}if(pm.flagParaSelected!=ParaRESET)ShowParameterNumber();//显示设置参数break;//按下确认键case KEY1_PRES:if(menu.layer==MenuLayer0)menu.layer=MenuLayer1;else if(menu.layer==MenuLayer1)menu.layer=MenuLayer2;else if(menu.layer==MenuLayer2)//在参数显示界面按下确认键{if(menu.Layer2_Selected==Item_IsEnable){//打开或关闭信号输出if(pm.isOutputEnable==false){pm.isOutputEnable=true;EnableOutput();}else{pm.isOutputEnable=false;DisableOutput();}}else if(menu.Layer2_Selected==Item_Amplitude)//幅值参数修改{if(pm.flagParaSelected!=ParaAM)pm.flagParaSelected=ParaAM;else{pm.flagParaSelected=ParaRESET;PM_SetValueFromArray();SetAmplitude();}}else if(menu.Layer2_Selected==Item_Frequency)//频率参数修改{if(pm.flagParaSelected!=ParaFQ)pm.flagParaSelected=ParaFQ;else{pm.flagParaSelected=ParaRESET;PM_SetValueFromArray();SetFrequency();}}else if(menu.Layer2_Selected==Item_Harmonic)//谐波参数修改{if(pm.flagParaSelected!=ParaHAR)pm.flagParaSelected=ParaHAR;elsepm.flagParaSelected=ParaRESET;}}break;//按下返回键case KEY0_PRES:{if(pm.flagParaSelected==ParaRESET){//当前菜单状态，切换菜单if(menu.layer==MenuLayer1)menu.layer=MenuLayer0;else if(menu.layer==MenuLayer2){menu.layer=MenuLayer1;DisableOutput();}}else if(pm.flagParaSelected==ParaAM)//当前在幅值设置状态，某一位增加pm.amArray[pm.amArrayPoint]=(pm.amArray[pm.amArrayPoint]+1)%10;else if(pm.flagParaSelected==ParaFQ)pm.fqArray[pm.fqArrayPoint]=(pm.fqArray[pm.fqArrayPoint]+1)%10;else if(pm.flagParaSelected==ParaHAR)pm.harArray[pm.harArrayPoint]=(pm.harArray[pm.harArrayPoint]+1)%10;}//参数设置状态时，显示设置参数if(pm.flagParaSelected!=ParaRESET)ShowParameterNumber();break;}LED0_Toggle();ShowMenuKeyUpdate();}
}

菜单显示更新函数

void ShowMenuKeyUpdate(void){switch(menu.layer){//根据层数显示菜单case MenuLayer0:LCD_Clear(WHITE);ShowLayer0();//显示根目录break;case MenuLayer1:LCD_Clear(WHITE);switch(menu.Layer0_Selected){case Item_SignalGenerator:ShowLayer1();break;case Item_SoftWareAbout:ShowSoftwareAbout();break;}break;case MenuLayer2:LCD_Clear(WHITE);switch(menu.Layer0_Selected){case Item_SignalGenerator:ShowLayer2();break;case Item_SoftWareAbout:ShowSoftwareAbout();break;}break;}
}

DDS操作代码

#define ad9851_rest_l HAL_GPIO_WritePin(AD9851_RESET_GPIO_Port, AD9851_RESET_Pin, GPIO_PIN_RESET)
#define ad9851_rest_h HAL_GPIO_WritePin(AD9851_RESET_GPIO_Port, AD9851_RESET_Pin, GPIO_PIN_SET)
#define ad9851_fq_up_l HAL_GPIO_WritePin(AD9851_FQ_UP_GPIO_Port, AD9851_FQ_UP_Pin, GPIO_PIN_RESET)
#define ad9851_fq_up_h HAL_GPIO_WritePin(AD9851_FQ_UP_GPIO_Port, AD9851_FQ_UP_Pin, GPIO_PIN_SET)
#define ad9851_w_clk_l HAL_GPIO_WritePin(AD9851_W_CLK_GPIO_Port, AD9851_W_CLK_Pin, GPIO_PIN_RESET)
#define ad9851_w_clk_h HAL_GPIO_WritePin(AD9851_W_CLK_GPIO_Port, AD9851_W_CLK_Pin, GPIO_PIN_SET)
#define ad9851_data_l HAL_GPIO_WritePin(AD9851_DATA_GPIO_Port, AD9851_DATA_Pin, GPIO_PIN_RESET)
#define ad9851_data_h HAL_GPIO_WritePin(AD9851_DATA_GPIO_Port, AD9851_DATA_Pin, GPIO_PIN_SET)//串行口初始化
void ad9851_reset_serial()
{GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};GPIO_InitStruct.Pin = AD9851_RESET_Pin|AD9851_FQ_UP_Pin|AD9851_W_CLK_Pin|AD9851_DATA_Pin;GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLDOWN;GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;HAL_GPIO_Init(GPIOG, &GPIO_InitStruct);
ad9851_w_clk_l;
ad9851_fq_up_l;
ad9851_rest_l;
ad9851_rest_h;
ad9851_rest_l;
ad9851_w_clk_l;
ad9851_w_clk_h;
ad9851_w_clk_l;
ad9851_fq_up_l;
ad9851_fq_up_h;
ad9851_fq_up_l;
}//串行口写入DDS寄存器
void ad9851_wr_serial(u8 w0,u32 frequence)
{u8 i,w;frequence=frequence*4294967296/180000000;w=(frequence>>=0);for(i=0;i<8;i++){if((w>>i)&0x01)ad9851_data_h;else ad9851_data_l;ad9851_w_clk_h;ad9851_w_clk_l;}w=(frequence>>8);for(i=0;i<8;i++){if((w>>i)&0x01)ad9851_data_h;else ad9851_data_l;ad9851_w_clk_h;ad9851_w_clk_l;}w=(frequence>>16);for(i=0;i<8;i++){if((w>>i)&0x01)ad9851_data_h;else ad9851_data_l;ad9851_w_clk_h;ad9851_w_clk_l;}w=(frequence>>24);for(i=0;i<8;i++){if((w>>i)&0x01)ad9851_data_h;else ad9851_data_l;ad9851_w_clk_h;ad9851_w_clk_l;}w=w0;for(i=0;i<8;i++){if((w>>i)&0x01)ad9851_data_h;else ad9851_data_l;ad9851_w_clk_h;ad9851_w_clk_l;}ad9851_fq_up_h;ad9851_fq_up_l;
}

根据参数管理器设置DDS和DAC的频率

void SetFrequency(void)
{//设置DDS频率ad9851_reset_serial();ad9851_wr_serial(0x01,pm.fq);//设置用于触发传输DAC-DMA的定时器中断时间if(menu.Layer1_Selected==0){if(pm.fq<=100){TIM6->PSC=7199;TIM6->ARR=(u16)((10000/pm.fq)/2)-1;//不同的频率下 定时器的预分频系数不同}else if(pm.fq<=10000){TIM6->PSC=71;TIM6->ARR=(u16)((1000000/pm.fq)/2)-1;}else{TIM6->PSC=1;TIM6->ARR=(u16)((72000000/pm.fq)/2)-1;}}else if(menu.Layer1_Selected==1){TIM6->PSC=71;TIM6->ARR=(u16)((1000000/pm.fq)/2)-1;}else if(menu.Layer1_Selected==2){TIM6->PSC=71;TIM6->ARR=(u16)((1000000/pm.fq)/2)-1;}
}

根据参数管理器设置Sine波形数据数组的值

void SetSineWaveData(void)
{double d = 2.0*PI / 512.0;double t = (double)pm.am / 500000.0;int bias = 4096* pm.am / 500000.0/2;for (int i = 0; i < 512; i++)waveDataArray[i]=(u16)(sin(i*d)*t*4096.0/2)+bias;
}

代码太多这里实在是贴不完，若想获得完整代码，请看我的github：https://github.com/chenjianqu/SignalGenerator

（代码等我有空再放上去）

基于STM32的波形发生器相关推荐

stm32锯齿波_工程师实战：基于STM32的波形发生器设计
本文摘自21ic论坛,作者:21ic网友一路向北lm) 为了调动大家的积极性,先开个贴,万一你们都不参加呢!哈哈侥幸心理............... 先发个波让你们看看 ,吓吓你们,快点来参赛!! ...
基于单片机的波形发生器设计
单片机可以用来设计各种类型的波形发生器,下面是一种基于单片机的波形发生器设计方案. 所需材料: 单片机:可以选择常见的Atmel AVR单片机,如ATmega328P等. 调制器:可以使用AD9833 ...
stm32超声波扫频_基于STM32的超声波发生器扫频信号源的实现
基于 STM32 的超声波发生器扫频信号源的实现张加岭,李善波,侯颖钊,赵杰 [摘要] 摘要:扫频信号源采用以 STM32F103 单片机为核心,实现高精度锯齿波扫频.由于超声波电源换能器串联 ...
基于单片机的波形发生器，可以发送正弦、三角、锯齿和方波，可以支持调频和调幅，能够提供相关设计说明。
基于单片机的波形发生器,可以发送正弦.三角.锯齿和方波,可以支持调频和调幅,能够提供相关设计说明. :9740631428454681l***4
基于单片机信号波形发生器系统设计-毕设课设
[资源下载]下载地址如下1533: https://docs.qq.com/doc/DTlRSd01BZXNpRUxl 前言随着电子测量技术与计算机技术的紧密结合,一种新的信号发生器-----波 ...
基于8086的波形发生器（汇编语言微机课设）
目录一.设计要求二.设计方案及功能三.元器件清单四.原理图五.代码一.设计要求采用8086/8088控制器和8位数/模转换芯片DAC0832设计实现波形发生器,编写软件程序. 基本要求: ...
stm32实现波形发生器
#include "dac.h" //DAC 通道 1 输出初始化 void Dac1_Init(void) { GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructu ...
基于单片机智能波形发生器设计
[资源下载]下载地址如下1557: https://docs.qq.com/doc/DTlRSd01BZXNpRUxl 信号发生器是一种常用的信号源,广泛地应用于电子电路.自动控制系统和教学实验等领域 ...
基于FPGA的波形发生器设计
用Spartan6的FPGA开发板实现,外接lcd1602液晶显示和TLC5615 dac数模转换模块.仅通过仿真未在实物上调试过.使用matlab生成波形数据的ROM查找表方法设计. 目录 dds_ ...