基于单片机的函数发生器.doc

目 录第1章 方案论证与比较 1.1、方案一、采用单片函数发生器 1.2、方案二、采用锁相式频率合成器 1.3、方案三、采用单片机控制动态生成程序 第2章 系统设计方案 2.1、信号源系统框图 第3章 硬件系统设计 3.1、动态编程 3.2、正弦波各点计算 第4章 软件系统设计 4.1、信号源系统原理图 4.2、软件功能 4.3、系统软件流程图 4.3.1、ZLG7289BP流程图 4.3.2、信号源系统总流程图 第5章 调 试 5.1、硬件调试 5.2、软件调试 5.3、软硬联调 第6章 芯片介绍 6、LG7289BP串行接口LED数码管和键盘管理器件 6.1、ZLG7289BP特点 6.2、 引脚说明 6.3、 控制指令 6.3.1、纯指令 6.3.2、 带有数据的指令 6.3.3、 SPI串行接口 第7章 系统结论 第8章 系统测试 8.1、测试仪器 第9章 参考文献 第10章 信号源源程序清单 第11章 毕业设计总结 实用信号源的设计与研制摘 要本系统由单片机控制模块、键盘、LED显示、D/A转换器、放大电路等组成。采用了查表的方法来实现正弦波和脉冲波。该系统频率范围宽、步进小、非线性失真小、幅度和频率的精度高。关键词：单片机模块，ZLG7289BP，动态编程技术AbstractThis system is controlled module , keyboard , LED showing , D/A converter , enlarging the circuit ,etc. to make up by the one-chip computer. Realize the wave form of sinusoidal wave and square wave by checking the form. This system frequency range is wide, the precision of walking into small , non-linear and distorted and small , range and frequency is high. Keyword: One-chip computer module , ZLG7289BP, dynamic programming technology前 言中国电子测量仪器，随着世界高科技发展的潮流，走进了高科发展的道路，为我国国民经济、科学教育、特别是国防军事的发展作出了巨大贡献。我国电子测量仪器在若干重大垂头丧气领域取得了突破性进展，为我国电子测量仪器走向世界水平奠定了良好的基础。作为基础测量仪器的信号发生器随着用户的需求而不断发展。信号源实质上就是一个扫频示波器或合成信号源，并具有基本的调制功能。现在是数字化时代，研发或其他人员对测量仪器是最基本的工具，测量仪技术指标上也不断提高。如精度高、工作频带宽、误差小等。能够满足不同层次用户的测试要求。近几年，数字化仪器在迅速发展，我国也在不断研究推出各种新型数字化仪器。 基本要求（）正弦波信号源： 信号频率：20HZ20KHZ步进调整，步长为5HZ。 频率稳定度：优于104。 非线性失真系数：3%。（）脉冲波信号源： 信号频率：20HZ20KHZ步进调整，步长为5HZ。 上升时间和下降时间：1US。 平顶斜降：5%。 脉冲占空比：2%98%步进可调，步长为2%。（）上述两个信号源公共要求：频率可预置。负载为600时，输出幅度为3V。 完成5位频率的数字显示一、 方案论证与比较1.1、方案一、采用单片函数发生器8038，可同时产生正弦波、脉冲波，方法简单易行，用D/A转换器的输出来改变调制电压，也可以实现数控调整频率，但步长难以满足要求，且频率稳定度不太高。1.2、方案二、采用锁相式频率合成器，利用锁相环，将压控振荡器（VCO）的输出频率锁定在所需频率上，该方案性能良好，但难以达到输出频率覆盖系数的要求，且电路复杂，不适于产生低频信号。1.3、方案三、采用单片机控制动态生成程序。该方法引入动态编程技术，使用AT89S51便可产生20KHZ的波形，单片机可以达到指标要求。同时采用查表的方法来实现比较简单。在硬件电路相比简单、成本比较低、软件易于控制。1.4、结论： 经比较，上述三种方案，采用方案三不仅可以达到设计的要求，而且使整个系统控制简单,故采用方案三。二、系统设计方案本系统由单片机控制模块、D/A转换器、ZLG7289BP控制模块以及放大电路等组成。采用了查表的方法来实现。正弦波将一个周期按360等分成若干点，计算出各点的正弦函数值并转化成相应的D/A转换器输入数值，然后按一定的比例取各点，得到一个精确的正弦函数。由于一个周期正弦波的点数是固定来改变定时器的定时时间就可以改变相邻两点的时间间隔，从而改变正弦波的频率。脉冲波只要交替地将最大值和最小值输出给D/A转换器进行转换即可，利用定时器的延时从而改变它的频率和占空比等。2.1、信号源系统框图D/A0832AT89S51放大电路 输出显示ZLG7289BP键盘三、硬件系统设计3.1、动态编程为了提高数据的传输速率，波形生成程序中应没有计算、判转等指令，而只有送正弦波数据的指令。这样就可输出一个精确的正弦波数据，要产生20KHZ的正弦波就不困难了。但这样波形生成程序随所需信号频率而异，不能能预先固化于程序存储器ROM中，因此采用了动态编程技术，由由单片机根据输出频率的需要，现场生成这一动态变化的程序。具体方法为：将数据存储器RAM映射到程序存储器空间，动态编程时用写入RAM写入波形生成程序的指令代码，然后跳转到该程序段，反复执行这段程序完成产生波形的功能。波形输出电路主要由8位D/A0832转换器和两个单运算放大器组成波形的输出部分，它采用了双极输出方式，这样给D/A0832输入不同的数码，不难分析其输出电压范围为VrefVref如下图：输入数字量与输出电压的关系输 入 码模拟输出电压MSB LSB11111111+（127/128）Vref10000000+（1/128）Vref10000000001111111-（1/128）Vref00000001-（127/128）Vref00000000-（128/128）Vref3.2、正弦波各点计算正弦波相移的分辨率与步距有关，如果一个正弦周期内分为256个步距，则相移分辨率为360/256=1.4相移量的数字偏移量DI按下列计算: DI=256*/360 R6= R7=2 R5,输出电压VOUT与基准电压Vref及第一级运放输出电压VA的关系是:VOUT=-(2VA+Vref)四、软件系统设计4.1、信号源系统原理图4.2、软件功能 12个按键分别定义为数字键09和功能键正弦波和脉冲波。 为使系统能够稳定可靠的工作，对系统软件进行了软件抗干扰处理。软件冗余、设置软件陷井等软件抗干扰方法。4.3、系统软件流程图4.3.1 ZLG7289BP流程图设置P3为准双向口复位ZLG7289BP后ZLG7289BP送入显示初值N有键按下是否？Y读出键值ZLG7289BP写入该键功能输出到数码管显示 4.3.2、信号源系统总流程图开 始系统初始化查表输出正弦波N等待按键按下Y键盘扫描查特征键号Y散 转预置频率处理预置幅值处理波形选择处理脉冲波输出处理正弦波输出处理NN等待按键按下等待按键按下YY五、调 试根据方案设计的要求，共分三大部分：硬件调试、软件调试和软硬件联调。5.1、硬件调试（1）在调试ZLG7289BP构成了键盘和显示模块，当按下键盘时，ZLG7289BP的/KEY引脚上一直出现了高电平，按下时无反应。然后仔细地查找错误。在/KEY引脚上接了一个上拉电阻把它拉成高电平，结果还是没有反应。ZLG7289BP的/CS是低电平芯片一直处于选通状态，也必须在/CS引脚上接一个上拉电阻，这样就可以正常工作。（2） 特别要注意的是：复位信号与单片机的复位信号是相反的，需外接晶振电路等。（3）电路连接引线尽量短,减少交叉,每个芯片的电源与地之间都接去耦电容,数字地与模拟地分开。5.2、软件调试用伟福仿真器调试，采用了自下到上的调试方法，即单独调试好每一个模块，然后再连接成一个完整的系统调试，达到指定的目标。5.3、软硬联调该系统的软件和硬件之间的联系在一些细节上的问题，加以修改。根据设计的要求来完成。六、芯片介绍6、LG7289BP串行接口LED数码管和键盘管理器件ZLG7289BP，具有SPI串行接口功能可同时驱动8位共阴式数码管（或64只独立LED）的智能显示驱动芯片，该芯片同时还可连接多达64键的键盘矩阵，单片即可完成LED显示，键盘接口的全部功能。ZLG7289BP内部含有译码器，可直接接受BCD或16进制码，并同时具有2种译码方式，此外，还具有控制指令，如消隐、闪烁、左移、右移、段寻址等。6.1、ZLG7289BP特点： 串行接口，无需外围元件可直接驱动LED各位独立控制译码/不译码及消隐和闪烁属性（循环）左移/（循环）右移指令具有段寻址指令，方便控制独立LED 64键键盘控制器，内含去抖动电路6.2、 引脚说明：引脚名称说明1，2VCC正电源3，5NC悬空4Vss接地6/CS片选输入端,此引脚为低电平时,可向芯片发送指令及读取键盘数据7CLK同步时钟输入端,向芯片发关数据及读取键盘数据时,此引脚电平上升沿表示数据有效8DATA串行数据输入/输出端,当芯片接收指令时,此引脚为输入端;当读取键盘数据时,此引脚在读指令最后一个时钟的下降沿变为输出端9/KEY按键有效输出端,平时为高电平,当检测到有效按键时,此引脚变为低电平10-16SG-SA段G-段A驱动输出17DP小数点驱动输出18-25DIG0-DIG7数字0-数字7驱动输出26OS2振荡器输出端27OS1振荡器输入端28/RESET复位端6.3、控制指令ZLG7289BP的控制指令分为二大类纯指令和带有数据的指令。6.3.1、纯指令(1)、复位（清除）指令D7D6D5D4D3D2D1D010100100当ZLG7289BP收到该指令后,将所有的显示清除,所有设置的字符消隐、闪烁等属性也被一起清除。执行该指令后，芯片所处的状态与系统上电后所处的状态一样。(2)、测试指令D7D6D5D4D3D2D1D010110111该指令使所有的LED全部点亮,并处于闪烁状态,主要用于测试。(3)、循环左移指令D7D6D5D4D3D2D1D010100011与左移指令类似,不同之处在于移动后原最左边一位(第8位)的内容显示于最右位(第1位)。(4)、循环右移指令D7D6D5D4D3D2D1D010100010与循环左移指令类似，但移动方向相反。6.3.2、 带有数据的指令(1)、下载数据且按方式0译码D7D6D5D4D3D2D1D010000A2A1A0D7D6D5D4D3D2D1D0DPXXXD3D2D1D0X=无影响命令由二个字节组成，前半部分为指令，其中A2，A1，A0为位地址。 A2A1A0显示位00010012010301141005101611071118 D0-D3D3D2D1D07段显示7段显示00H00000001H00011102H00102203H00113304H01004405H01015506H01106607H01117708H10008809H1001990AH1010-A0BH1011EB0CH1100HC0DH1101LD0EH1110PE0FH1111空F小数点的显示由DP位控制，DP=1时，小数点显示，DP=0时小数点不显示。(2)、下载数据且按方式1译码D7D6D5D4D3D2D1D010000A2A1A0D7D6D5D4D3D2D1D0DPXXXD3D2D1D0X=无影响此指令与上一条指令基本相同，所不同的是译码方式，译码是0F。(3)、消隐控制D7D6D5D4D3D2D1D010011000D7D6D5D4D3D2D1D0D7D6D5D4D3D2D1D0此命令控制各个数码管的消隐属性。D1-D8分别对应数码18，1=显示，0=消隐。当某一位被赋予了消隐属性后，ZLG7289BP在扫描时将跳过该位，因此在这种情况下无论对该位写入何值，均不会显示，但写入的值将被保留，在将该位重新设为显示状态后，最后一次写入的数据将被显示出来。当无需用到全部8个数码管显示的时候，将不用的位设为消隐属性，可以提高显示的亮度。注意：至少应有一位保持显示状态，如果消隐控制指令中D1-D8全部为0，该指令将不被接受，ZLG7289BP保持原来的消隐状态不变。（4）、读键盘数据指令D7D6D5D4D3D2D1D000010101D7D6D5D4D3D2D1D0D7D6D5D4D3D2D1D0该指令从ZLG7289BP读出当前的按键代码。与其它指令不同，此命令的前一个字节00010101B为单片机传送到ZLG7289BP的指令，而后一个字节D0-D7则为ZLG7289BP返回的按键代码，其范围为00H3FH（无键按下时为FFH）。此指令的前半段，ZLG7289BP的DATA引脚处于高阻输入状态，以接受来自微处理器的指令；在指令的后半段，DATA引脚从输入状态转为输出状态，输出键盘代码的值。故微处理器连接到DATA引脚的I/O口应有一从输出态到输入态的转换过程。当ZLG7289BP检测到有效的按键时，/KEY引脚从高电平变为低电平，并一直保持到按键结束。在此期间，如果ZLG7289BP接收到读键盘数据指令，则输出当前按键的键盘代码；如果在收到读键盘指令时没有有效按键，ZLG7289BP将输出FFH。6.3.3、SPI串行接口ZLG7289BP采用串行方式与微处理器通讯，串行数据从DATA引脚送入芯片，并由CLK端同步。当片选信号变为低电平后，DATA引脚上的数据在CLK引脚的上升沿被写入ZLG7289BP的缓冲寄存器。ZLG7289BP的指令结构有三种类型：1.不带数据的纯指令，指令的宽度为8个BIT，即几种微处理器需发送8个CLK脉冲。2.带有数据的指令，宽度为了16个BIT，即微处理器需发展16上CLK脉冲。3.读取键盘数据指令，宽度为16个BIT，前8个为微处理器发送到ZLG7289BP的指令，后8个BIT为ZLG7289BP返回的键盘代码。执行此指令时，ZLG7289BP的DATA端在第9个CLK脉冲的上升沿变为输出状态，并与第16个脉冲的下降沿恢复为输入状态，等待接收下一个指令。串行接口的时序如下图：1. 纯指令/CS CLK DATA2. 带数据指令/CSCLKDATA 8位指令（高位在前） 8位数据（高位在前）3. 读键盘指令/CSCLKDATA 读键盘指令（8位，高们在前） ZLG7289BP输出的键盘代码（8位，高位在前）七、系统结论本系统基本达到题目的要求。没有很好的解决输出波形的失真问题，使系统输出频率范围和精度上要进一步提高。八、系统测试8.1、测试仪器： 伟福仿真器 H51/S数字万用表 UT33D双踪示波器 CALTEK稳压电源 HG6333九、参考文献电子系统设计 主编：何小艇 浙江大学出版社全国大学生电子设计竞赛 主编：王越 北京理工大学出版社单片机应用系统设计 主编：何立民 北京航空航天大学出版社单片机控制工程实践技术 主编：付家才 化学工业出版社十、信号源源程序清单 BH EQU 74H ;定时器TH0初值 BL EQU 75H ;定时器TL0初值 NR EQU 73H ;组成一个周期波形的点的个数,64/32/16 CS BIT P3.0 ;ZLG7289片选信号 CLK BIT P3.1 ;ZLG7289时钟信号 DIO BIT P3.2 ;ZLG7289串行数据输入/输出信号 KEY BIT P3.3 ;ZLG7289按键信号 ERROR BIT 08H ;计算周期的标志位 KEYWAN BIT 00H ;完成一次波形输入的标志位 XIANHUAN EQU 70H ;存放输入键值连续三个单元 BEI2 EQU 07H ;存放1US连续三个单元,T=1/F BEI1 EQU 06H BEI0 EQU 05H CHU2 EQU 04H ;存放预置频率连续三个单元 CHU1 EQU 03H CHU0 EQU 02H SHUANG2 EQU 7AH ;R7R6R5除以R4R3R2 SHUANG1 EQU 7BH ;结果在7AH7BH7CH SHUANG0 EQU 7CH ;* ORG 0000H LJMP MAIN ORG 0013H LJMP INT_INT1 ORG 0030H;*MAIN: MOV IE,#84H ;允许INT1中断 MOV TCON,#01H ;边沿触发 MOV NR,#64 ;循环个数 MOV R7,#00H MOV R0,#30H ;从30H开始存放AA: MOV DPTR,#ZTABAL64 ;指向正弦波表首地址 MOV A,R7 MOVC A,A+DPTR ;查表取对应的正弦波值 MOV R0,A ;暂存 INC R7 INC R0 ;地址加1 CJNE R7,#65,AA ;64个点输出完没有？ MOV BH,#0FFH ;定时25US MOV BL,#0E7H LJMP OUTAA ;输出64个点的波形 NOP NOP SJMP $;*;处理子程式;*SUANG: CLR ERROR MOV A,73H ;合并数据 SWAP A ;高低位数据交换 ORL 74H,A MOV A,71H SWAP A ORL 72H,A MOV 71H,72H MOV 72H,74H MOV R1,70H台 ;合并后数据在70H 71H 72H MOV R2,71H MOV R3,72H CJNE R1,#00H,SHANGXIAN CJNE R2,#00H,SHANGXIAN CJNE R3,#00H,SHANGXIAN AJMP ERRSHANGXIAN:MOV A,#01H CJNE A,70H,LOOPPDLOOPPD: JC ERR;CY位为1时转ERR MOV A,70H CJNE A,#01H,NOERR MOV A,#60H CJNE A,71H,LOOPD1LOOPD1: JC ERR;CY位为1时转ERR MOV A,71H CJNE A,#60H,NOERR MOV A,#00H CJNE A,72H,LOOPD2LOOPD2: JC ERR ;CY位为1时转ERR SJMP NOERRERR: SETB ERROR ;置计算周期标志位=1 AJMP ERROUT ;退出计算周期;*;双字节BCD码转换成双字节十六进制;*NOERR: MOV A,R3 LCALL BCDH ;将十进制转换成十六进制 MOV R3,A MOV A,R2 ;将高字节转换成十六进制 LCALL BCDH ;将十进制转换成十六进制 MOV B,#100 ;扩大100倍 MUL AB ADD A,R3 MOV R3,A CLR A ADDC A,B MOV R2,A MOV A,R1 LCALL BCDH ;将十进制转换成十六进制 MOV B,#100 ;扩大100倍 MUL AB MOV R4,B MOV B,#100 ;扩大100倍 MUL AB MOV R5,B MOV R6,A MOV A,R4 MOV B,#100 ;扩大100倍 MUL AB ADD A, R5 MOV R5,A CLR A ADDC A,B MOV B,A CLR C MOV A,R6 ADD A,R3 MOV R3,A MOV A,R5 ADDC A,R2 MOV R2,A CLR A ADDC A,B MOV 70H,A ;点的个数在70H MOV 71H,R2 ;点的个数在70H MOV 73H,R3 ;点的个数在70H SJMP PD;*BCDH: MOV B,#10H ;分离十位和个位 DIV AB MOV R4,B ;暂存个位 MOV B,#10 ;将十位转换成十六进制 MUL AB ADD A,R4 ;按十六进制加上个位 RET;*;判断出点数;*PD: MOV A,71H CJNE A,#18H,NEXTNEXT: JNC H71DA1;CY位=0时转A71DA1 CLR C CJNE A,#0CH,NEXT1NEXT1: JNC H71DA2 ;CY位=0时转A71DA2 CLR C CJNE A,#06H,NEXT2NEXT2: JNC H71DA3 ;CY位=0时转A71DA3 CLR C MOV 73H,#64 ;64点 SJMP ZHOUQI ;转到计算周期DIAN12: MOV 73H,#12 SJMP ZHOUQI;*H71DA1: CLR C SUBB A,#18H JNZ H72DA12 MOV A,72H CJNE A,#6AH,NEXT3NEXT3: JNC H72DA12 CLR C MOV 73H,#16 ;16点 SJMP ZHOUQI ;转到计算周期H71DA2: CLR C SUBB A,#0CH JNZ H72DA16 MOV A,72H CJNE A,#35H,NEXT4NEXT4: JNC H72DA16 CLR C MOV 73H,#32 ;32点 SJMP ZHOUQI ;转到计算周期H71DA3: CLR C SUBB A,#06H JNZ H72DA32 MOV A,72H CJNE A,#1AH,NEXT5NEXT5: JNC H72DA32 CLR C MOV 73H,#64 ;64点 SJMP ZHOUQI ;转到计算周期;*H72DA12: MOV 73H,#12 ;12点 SJMP ZHOUQI ;转到计算周期H72DA16: MOV 73H,#16 ;16点 SJMP ZHOUQI ;转到计算周期H72DA32: MOV 73H,#32 ;32点;*;计算周期;*ZHOUQI: MOV BEI2,#0FH ;用1,000,000除频率T=1/F MOV BEI1,#42H MOV BEI0,#40H MOV CHU2,70H MOV CHU1,71H MOV CHU0,72H LCALL CHUFA ;调用除法子程序 MOV BEI2,SHUANG2 ;计算出一个点要用的时间 MOV BEI1,SHUANG1 MOV BEI0,SHUANG0 MOV CHU2,#00H MOV CHU1,#00H MOV CHU0,73H LCALL CHUFA ;调用除法子程序 CLR C MOV A,#0FFH ;计算出TH0放在74H SUBB A,SHUANG1 MOV 74H,A MOV A,#0FFH SUBB A,SHUANG0 MOV 75H,A ;计算出TL0放在75H NOPERROUT: RET ;计算完后返回;*;除法子程序;*CHUFA: MOV 7AH,#00H MOV 7BH,#00H MOV 7CH,#00HMA: CLR C MOV A,CHU2 CJNE A,BEI2,PDDX2 SJMP BC1 PDDX2: JC ZJF ;是否等于，是继续BC1: MOV A,CHU1 CJNE A,BEI1,PDDX1 SJMP BC0PDDX1: JC ZJF ;CY位=1时转ZJFBC0: MOV A,CHU0 CJNE A,BEI0,PDDX0 AJMP ZCHUPDDX0: JC ZJF ;CY位=1时转ZJF LJMP OUT ;退出;*ZJF: MOV A,BEI0 CJNE A,CHU0,PDD0PDD0: JC CHU0DA ;CY位=1时转CHU0DA SUBB A,CHU0 MOV BEI0,A SJMP XIA1CHU0DA:MOV A,BEI2 CJNE A,#00H,JIAN MOV A,BEI1 CJNE A,#00H,JIAN AJMP OUT ;退出JIAN: MOV A,BEI1 JNZ ZJY ;A0时转ZJY MOV A,BEI2 JNZ ZJYY LJMP OUT ;退出ZJYY: DEC BEI2ZJY: DEC BEI1 MOV A,#0FFH CLR C SUBB A,CHU0 INC A ADD A,BEI0 MOV BEI0,AXIA1: MOV A,BEI1 CJNE A,CHU1,PDD1PDD1: JC CHU1DA ;CY位=1时转CHU1DA SUBB A,CHU1 MOV BEI1,A SJMP XIA0CHU1DA:MOV A,BEI2 CJNE A,#00H,JIAN1 AJMP OUT ;退出JIAN1: DEC BEI2 MOV A,#0FFH CLR C SUBB A,CHU1 INC A ADD A,BEI1 MOV BEI1,AXIA0: MOV A,BEI2 CJNE A,CHU2,PDD2PDD2: JC CHU2DA ;CY位=1时转CHU2DA SUBB A,CHU2 MOV BEI2,A SJMP SHUANGCHU2DA: SETB ERROR RET;*SHUANG:MOV A,SHUANG0 CJNE A,#0FFH,L MOV SHUANG0,#00H MOV A,SHUANG1 CJNE A,#0FFH,LL MOV SHUANG1,#00H INC SHUANG2 LJMP MA ;转到MA重新开始计算L: INC SHUANG0 LJMP MALL: INC SHUANG1 LJMP MA ;转到MA重新开始计算ZCHU: MOV A,SHUANG0 CJNE A,#0FFH,LLL MOV SHUANG0,#00H MOV A,SHUANG1 CJNE A,#0FFH,LLLL MOV SHUANG1,#00H INC SHUANG2 LJMP OUT ;退出LLL: INC SHUANG0 LJMP OUTLLLL: INC SHUANG1OUT: RET;*;键盘中断程式;*INT_INT1: CLR KEYWAN ;置KEYWAN=0 MOV IE,#00H ;关中断 MOV XIANHUAN,#00H MOV XIANHUAN+1,#00H MOV XIANHUAN+2,#00H MOV XIANHUAN+3,#00H MOV XIANHUAN+4,#00H