單片機在低頻信號發(fā)生器中的應用

1、第1章 緒論1.1 概述波形發(fā)生器亦稱函數(shù)發(fā)生器，作為實驗用信號源，是現(xiàn)今各種電子電路實驗設計應用中必不可少的儀器設備之一。目前，市場上常見的波形發(fā)生器多為純硬件的搭接而成，且波形種類有限，多為鋸齒、正弦、方波、三角等波形。當今是科學技術及儀器設備高度智能化飛速發(fā)展的信息社會，電子技術的進步，給人們帶來了根本性的轉變?，F(xiàn)代電子領域中，單片機的應用正在不斷的走向深入，這必將導致傳統(tǒng)控制與檢測技術的日益革新。單片機構成的儀器具有高可靠性、高性能價格比，在智能儀表系統(tǒng)和辦公自動化等諸多領域得以極為廣泛的應用，并走入家庭，從洗衣機、微波爐到音響汽車，處處可見其應用。因此，單片機技術開發(fā)和應用水平已逐步

2、成為一個國家工業(yè)發(fā)展水平的標志之一。信號發(fā)生器作為一種常見的應用電子儀器設備，傳統(tǒng)的一般可以完全由硬件電路搭接而成，如采用555振蕩電路發(fā)生正弦波、三角波和方波的電路便是可取的路徑之一，不用依靠單片機。但是這種電路存在波形質量差，控制難，可調范圍小，電路復雜和體積大等缺點。在科學研究和生產實踐中，如工業(yè)過程控制，生物醫(yī)學，地震模擬機械振動等領域常常要用到低頻信號源。而由硬件電路構成的低頻信號其性能難以令人滿意，而且由于低頻信號源所需的rc要很大。大電阻，大電容在制作上有困難，參數(shù)的精度亦難以保證。體積大，漏電，損耗顯著更是其致命的弱點。一旦工作需求功能有增加，則電路復雜程度會大大增加。利用單片

3、機采用程序設計方法來產生低頻信號，其頻率底線很低。具有線路相對簡單，結構緊湊，價格低廉，頻率穩(wěn)定度高，抗干擾能力強，用途廣泛等優(yōu)點，并且能夠對波形進行細微調整，改良波形，使其滿足系統(tǒng)的要求。只要對電路稍加修改，調整程序，即可完成功能升級。1.2 設計要求本課題利用at89c51單片機和兩片dac0832數(shù)模轉換器，組成數(shù)字式低頻信號發(fā)生器，要求：（1）該裝置用鍵盤控制輸出方波、三角波、正弦波；（2）用鍵盤控制輸出幅度和頻率的變化，并將幅值和頻率用數(shù)碼管顯示，幅度范圍1v5v，頻率范圍010khz。1.3硬件電路的實現(xiàn)原理與構思1.3.1at89c51單片機控制兩片dac0832的原理圖輸出基準

4、電壓at89c51單片機dac0832dac0832圖1.1 at89c51控制兩片dac0832原理圖因為at89c51單片機自身便有一個64k的程序存儲器，所以不用擴展外加程序存儲器。由單片機編程即可由單片機輸出所需要信號的數(shù)字量，再由d/a數(shù)模轉換器將數(shù)字量轉化為模擬電流輸出，通過運放轉化為模擬電壓輸出。因為d/a數(shù)模轉換器的最大輸出電壓是由其輸入的基準電壓來控制的，所以只要能控制d/a的基準電壓便可以控制輸出幅度，實現(xiàn)幅度可調。所以設計用兩片dac0832來輸出信號，第一片d/a用來輸出信號，第二片d/a用來控制第一片d/a的基準點壓。其中用p0口作為兩片d/a的數(shù)據總線，p2口的p2

5、.0和p2.1口用來控制兩片d/a的選通。1.3.2鍵盤顯示電路的構思由于本設計要求控制波形的幅度和頻率，所需按鍵較多，所以設計選用p1口來擴展44鍵盤。由于44鍵盤的設計已很普遍，所以在本文中不加以介紹。本設計中要求用數(shù)碼管顯示輸出信號的幅度和頻率等信息，而這些信息在信號輸出的時候是不需要時刻改變的，所以設計中選用靜態(tài)數(shù)碼管顯示，由單片機的串行通信口輸出顯示數(shù)據。這樣可以節(jié)省單片機的端口來做其它的用途，給予了裝置可優(yōu)化性。at89c51單片機74ls16474ls164數(shù)碼管數(shù)碼管圖 1.2顯示電路方框圖圖中只給出兩位數(shù)碼管的顯示，可以按要求任意擴展n位數(shù)碼顯示，每擴展一片74ls164，可

6、以增加一位led顯示器。所要顯示的數(shù)據由rxd串行發(fā)送出去，由74ls164轉化為并行輸出，再由led顯示。這樣，在顯示數(shù)據輸送完畢之后，主程序可以不必掃描顯示器，從而使cpu能用于其它工作。1.4軟件設計的構思1.4.1幅度控制由于d/a數(shù)模轉換器輸出的最大幅度可以用其基準電壓來控制，所以控制第二片d/a數(shù)模轉換器輸出給第一片d/a數(shù)模轉換器的電壓值就可控制信號幅度。因此，送入第二片的值是幾個固定的值。由于dac0832內部具有鎖存器，所以只需向第二片d/a送值一次，直到下一次改變信號幅度。1.4.2頻率控制單片機內部數(shù)據只有0、1之分，所產生的信號也都是離散信號。為了能夠讓單片機輸出所需的

7、數(shù)字信號，我們采用對信號采樣、量化的方法來實現(xiàn)由單片機產生所需信號。在本設計中，對信號的四分之一周期采樣19個幅度值，通過反復查表來輸出幅度值，而整個信號是通過正查表和逆向查表來實現(xiàn)的。采樣的點越密，信號失真度也就越小。兩次采樣點的輸出時間間隔是由定時、計數(shù)器來控制的，因此，通過控制不同的計數(shù)初值就可以控制整個信號的頻率。計數(shù)時間=信號周期/72。計數(shù)次數(shù)=計數(shù)時間/機器周期。對應的，計數(shù)初值=65536計數(shù)次數(shù)。單片機只能產生離散頻率的信號，所以所得到的信號頻率不是連續(xù)的，而是離散的頻率點。由于這部分計算位數(shù)較多，不適合用單片機編程來計算計數(shù)初值，所以本設計中將各頻率的計數(shù)初值算出，讓單片機

8、按控制命令來查表控制頻率。正弦波和三角波的頻率控制方法都與上述方法相同，而方波的頻率控制是半周期計數(shù)，經過半周期只需改變輸出為最大或最小電平即可。本設計為低頻信號發(fā)生器，在頻率只有幾十赫茲的時候計數(shù)次數(shù)將很大，因此計數(shù)器的工作方式選為工作方式1，每次計數(shù)器溢出時需要重新裝入計數(shù)初值。1.5 本章小結本章主要介紹了低頻信號發(fā)生器目前的應用和發(fā)展現(xiàn)狀。對課題進行了說明和論證，并提出了解決方案的初步方法，列出了總體方案框圖。系統(tǒng)方案的論證是十分重要的，它是設計工作的開始，也給出了實現(xiàn)設計的工作步驟。有了充分的準備，設計才能有條不紊開始實施。第2章 硬件電路設計2.1 電路總體方框圖輸出單片機鍵盤電路

9、顯示電路d/a數(shù)模轉換電路放大輸出電路圖2.1 電路總體方框圖2.2 各部分電路設計2.2.1 輸入電路設計按鍵是本設計的輸入設備，是控制單片機的唯一途徑。設計中與一共使用了17個按鍵，44鍵盤和一個復位鍵。44鍵盤中包含了09的數(shù)字鍵和三個波形選擇鍵，一個清除鍵和一個確認鍵。由于功能鍵較多，所以在輸入控制命令的時候非常方便。由于機械的彈性作用，一個按鍵開關在閉合時不會穩(wěn)定的接通，在斷開時也不會立即斷開。因而在閉合和斷開的時候，均會伴有一連串的抖動，抖動時間的長度一般在5ms10ms。由于按鍵抖動引起一次按鍵被誤讀多次，所以為了確保cpu的正確處理，必須對按鍵信息進行消除抖動處理。消抖的處理方

10、法基本上分為軟件消抖和硬件消抖兩種方法。在本設計中，采用了軟件消抖的方法。具體應用是在掃描鍵盤時，通過延時10ms后，再掃描鍵盤，確認的確是有鍵按下的時候，跳到讀鍵值的子程序，等待按鍵的動作完成，然后才繼續(xù)執(zhí)行其它操作。2.2.2 復位電路的設計一個系統(tǒng)能否正常工作，首先要檢查其復位電路是否工作正常。rst為外部復位信號的輸入引腳。在mcs51器件內部，rst接到一個施密特觸發(fā)器的輸入端。這樣可以濾掉低于施密特觸發(fā)電平的噪聲干擾信號。在振蕩器運行時，rst引腳上保持至少兩個機器周期的高電平輸入信號，復位過程即可完成。為響應這一過程，cpu發(fā)出內部復位信號。內部復位操作是在發(fā)現(xiàn)rst為高電平后的

11、第二個機器周期進行的，并且此后的每個周期都重復進行復位操作，直到rst變成低電平為止。外部復位信號與內部時鐘是不同步的。rst引腳電平在每個機器周期的s5p2均被采樣一次。采樣到邏輯1后，各引腳可維持它們的現(xiàn)行活動長達19個振蕩周期之久，即在外部復位信號加到rst引腳后，仍維持1930個振蕩周期。復位電路的連接方法有很多，有上電復位電路、采用反向器的復位電路、按鍵電平復位和按鍵脈沖復位。本設計中采用的是按鍵電平復位，并帶有上電復位功能，其設計簡單，采用電阻分壓的方式給rst提供高電平。這種設計使用元件少，而且計算簡便，只要兩個分壓電阻的阻值選擇適當，可以使得分壓值達到復位需要，也可以使時間常數(shù)

12、不太大，及時復位。具體電路如圖2.2所示：圖2.2 復位電路方框圖2.2.3時鐘電路部分考慮成本和性能問題，本設計采用內部時鐘電路。利用at89c51內部一個高增益的反向放大器，把一個晶體振蕩器和兩個電容器組成自激振蕩電路，接于xtal1和xtal2之間，電路如圖所示。圖2.3 外部時鐘電路原理圖圖中晶體振蕩器是石英晶體或陶瓷結構，振蕩頻率一般選在1.2mhz12mhz之間，單片機常選擇6mhz或12mhz，c1，c2在30pf左右；對于陶瓷振蕩器，c1，c1約為47pf左右。2.2.4顯示電路的設計顯示數(shù)據由單片機串口輸出，因此必須有由移位寄存器來驅動數(shù)碼管顯示。本設計中采用74ls164移

13、位寄存器來實現(xiàn)串行數(shù)據轉化為并行數(shù)據。由于采用靜態(tài)顯示方法，為了減輕單片機的負載，選用共陽型的led數(shù)碼管顯示，并且在每個數(shù)碼管的共陽極接一個保護電阻來保護電路。圖2.4 顯示電路圖2.2.5d/a轉換器連接電路和運算放大電路的設計本設計中產生的信號幅度為-5v+5v，所以兩片d/a的輸出均采用雙極性電壓輸出，采用的運算放大器選用的是lf356，電路圖如圖2.5所示：第二片d/a轉換器輸出的信號經過運算放大器轉換成電壓信號后作為第一片d/a轉換器的基準電壓，這樣就可以達到控制輸出幅度的作用。圖2.5 輸出電路圖此電路的電壓特性是：輸出v=（b-128）。2.3 單片機簡介at89c51是一種低

14、功耗、高性能的片內含有4kb快閃可編程/擦除只讀存儲器的8位cmos微控制器，使用高密度、非易丟失存儲技術制造，并且與80c51引腳和指令系統(tǒng)完全兼容。芯片上的flash存儲器允許在線編程或采用通用的非易丟失存儲編程器重復編程。at89c51將具有多種功能的8位cpu與flash存儲器結合在一個芯片上，為很多嵌入式控制應用提供了非常靈活而又價格適宜的方案，其性能價格比遠高于8751。1. 89c51的性能及特點89c51的主要性能包括： 與msc51微控制器產品系列兼容。 片內有4kb可在線重復編程的快閃擦寫存儲器。 存儲器可循環(huán)寫入/擦除1000次。 存儲數(shù)據保存時間為10年。 寬工作電壓范

15、圍：vcc可為2.7v6v。 全靜態(tài)工作：可從0hz至16hz。 程序存儲器具有3級加密保護。 1288位內部ram。 32條可編程i/o線。 兩個16位定時器/計數(shù)器。 中斷結構具有5個中斷源和2個優(yōu)先級。 可編程雙工串行通道。 空閑狀態(tài)維持低功耗和掉電狀態(tài)保存存儲內容。2. 片內快閃存儲器由于eeprom具有在線改寫，并在掉電后仍能保存數(shù)據的特點，可為用戶的特殊應用提供便利。但是，擦除和寫入對于要求數(shù)據高速吞吐的應用還顯得時間過長，這是eeprom芯片的主要性能缺陷。表2.1給出了幾種典型eeprom芯片的主要性能特點。由表2.1可見，所列各種芯片的字節(jié)擦除時間和寫入時間基本上為10ms，

16、這樣長的時間對于許多實際應用是不能接受的。因此，為了將存儲器集成到微控制器芯片內，設法縮短此類存儲器的擦除和寫入時間是一個首要問題。片內快閃存儲器的概念就是在這種背景下提出來的。表2.1幾種典型eeprom芯片主要性能型號28162816a28172817a去數(shù)時間/ms250200/250250200/250擦/寫電壓/v215215字節(jié)擦除時間/ms109151010寫入時間/ms1091510103. 89c51的基本組成在89c51芯片上，集中了微型計算機的各個組成部分，它包括： 一個8位微處理器。 片內數(shù)據存儲器ram，用于存放可以讀/寫的數(shù)據，如運算的中間結果、最終結果以及欲顯示的

17、數(shù)據等。 片內快閃存儲器eeprom，用于存放程序、一些原始數(shù)據和表格。 四個8位并行i/o接口。 兩個16位定時器/計數(shù)器。 五個中斷源的中斷控制系統(tǒng)。 一個全雙工uart的串行i/o口，用于實現(xiàn)單片機與微機之間的串行通信。 片內振蕩器和時鐘產生電路，但石英晶體和微調電容需要外接。最高允許振蕩器頻率為24mhz。4. 89c51的內部結構和一般微處理器相比，89c51增加了四個8位i/o口，一個串行口，4kb fperom，128b ram，很多工作寄存器及特殊功能寄存器。各部分的功能如下。(1) 中央處理單元cpu是89c51的核心，是計算機的控制和指揮中心，由運算器和控制器兩個部分電路組

18、成。 運算器運算器包括一個可進行8位算術運算和邏輯運算的單元alu，8位的暫存器1、暫存器2，8位的累加器acc，寄存器b和程序狀態(tài)寄存器psw等。alu：可對4位、8位和16位數(shù)據進行操作，能做例如加、減、乘、除、bcd數(shù)十進制調整及比較等算術運算和與、或、異或、求補碼及循環(huán)移位等邏輯操作。acc：累加器acc經常作為一個運算數(shù)暫存器2進入alu的輸入端，與另一個來自寄存器1的運算數(shù)進行運算，運算結果又送回acc。在指令中用助記符a來表示。psw：程序狀態(tài)字寄存器，8位，用于指示指令執(zhí)行后的狀態(tài)信息，相當于一般微處理器的標志寄存器。psw中各位狀態(tài)供程序查詢和判別用。b：8位寄存器，在乘、除

19、運算時它用來存放一個操作數(shù)和運算后的一部分結果；不做乘、 除運算時，作通用寄存器使用。 控制器控制器包括程序計數(shù)器pc、指令寄存器ir、指令譯碼器id、振蕩器及定時電路等。程序計數(shù)器pc：由兩個8位的計數(shù)器pch及pcl組成，共16位。pc實際上是程序的字節(jié)地址計數(shù)器，pc中的內容是將要執(zhí)行的下一條指令的地址。改變pc的內容就可以改變程序執(zhí)行的方向。指令寄存器ir及指令譯碼器id：由pc中的內容指定rom地址，取出來的指令經指令寄存器ir送至指令譯碼器id，由id對指令譯碼并送pla產生一定序列的控制信號，以執(zhí)行指令所規(guī)定的操作。振蕩器及定時電路：89c51單片機片內振蕩電路，只需外接石英晶體

20、和頻率微調電容，其頻率范圍為1.2mhz12mhz。該脈沖信號作為89c51工作的基本節(jié)拍及時間的最小單位。(2) 存儲器89c51的存儲器有片內外之分。片內存儲器集成在芯片內部；片外存儲器又稱外部存儲器。片內和片外存儲器中，又有rom和ram之分。 rom存儲器89c51片內程序存儲器容量為4kb，地址從0000h開始，用于存放程序和表格常數(shù)。 ram存儲器89c51的ram存儲器有片內外之分：片內ram共128b，地址范圍為00h7fh；片外ram共64kb，地址范圍為0000hffffh。為了指示是到片內ram尋址還是到片外ram尋址，89c51的指令系統(tǒng)設計了不同的數(shù)據傳送指令符。 特

21、殊功能寄存器sfrcpu訪問片內rom指令用mov，訪問片外ram指令用movx。片內ram共128b，分為工作寄存器區(qū)、位尋址和便簽區(qū)。1工作寄存器區(qū)這32個ram單元共分四組，每組占8個ram單元，分別用代號r0r7表示。r0r7可以指向四組中任一組，由psw中rs1、rs2的狀態(tài)決定。2位尋址區(qū)這16個ram單元具有雙功能。它們既可以像普通ram單元一樣按字節(jié)存取，也可以對每個ram單元中的任何一位單獨存取，就是位尋址。3便簽區(qū)便簽區(qū)共有80個ram單元，用于存放用戶數(shù)據或作堆棧區(qū)使用。89c51對便簽區(qū)中每個ram單元是按字節(jié)存取的。在21個sfr寄存器中，用戶可通過直接尋址指令對它們

22、進行字節(jié)存取，也可以對acc、b、psw等11個寄存器進行位尋址。(3) i/o端口i/o端口又稱為i/o接口，是89c51對外部實現(xiàn)控制和信息交換的必經之路，它們都是雙向端口。每個端門各有8條i/o線，均可輸入/輸出。可以把i/o口當作一般特殊功能寄存器來尋址。圖2.6 at89c51單片機引腳圖5. 89c51的引腳及其功能at89c51采用了40管腳雙列直插封裝形式。其引腳分為電源引腳、輸入/輸出端口引腳、控制信號引腳和時鐘電路引腳這四類。其引腳如圖2.6所示: 電源引腳vcc：為+5v供電電壓引腳。 gnd：為接地引腳。 i/o端口引腳89c51共有四個并行i/o端口，每個端口有8個端

23、口線，用于傳送數(shù)據/地址。由于每個端口的結構不相同，因此它們在功能和用途上的差別很大。p0口：p0口共有8個引腳，其中p0.7為最高位，p0.0為最低位。這8條引腳有兩種不同的功能，分別使用于兩種不同情況。第一種情況是89c51不帶片外存儲器，p0口可以作為通用i/o口使用，p0.0p0.7用于傳送cpu的輸入/輸出數(shù)據。這時，輸出數(shù)據可以得到鎖存，不需要外接專用鎖存器，輸入數(shù)據可以得到緩沖，增加了數(shù)據輸入的可靠性；第二種情況是89c51帶片外存儲器，p0.0p0.7在cpu訪問片外存儲器時用于傳送片外存儲器的低8位地址，然后傳送cpu對片外存儲器的讀寫數(shù)據。p1口：p1口是一個內部提供上拉電

24、阻的8位雙向i/o口，其緩沖器可接收輸出4ttl門電流。p1口管腳寫入“1”后，被內部上拉為高電平，用作輸入；被外部下拉為低電平時，將輸出電流。p2口：p2口的第一功能和p0口的第一功能相同，即它可以作為通用i/o口使用。它的第二功能和p0口引腳的第二功能相配合，用于輸出片外存儲器的高8位地址，共同選中片外存儲器單元，但并不能像p0口那樣還可以傳送存儲器的讀寫數(shù)據。p3口：作輸入/輸出時同p1口。p3口也可作為89c51的一些特殊功能口。如表2.2所示： 控制信號引腳rst：復位信號輸入端，高電平有效。它可以使89c51處于復位工作狀態(tài)。復位后，89c51的四個端口p0、p1、p2、p3為全高

25、，即它們的值均為ffh。ale/prog：地址鎖存允許/編程端。在flash編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。平時，ale端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩頻率的1/6。因此，它可用作外部輸出的脈沖。/psen：外部程序存儲器的選通信號端。在外部程序存儲器取址期間，每個機器周期兩次/psen有效。但在訪問外部數(shù)據存儲器時，這兩次有效的/psen信號將不出現(xiàn)。/ea/vpp：外部程序存儲器地址允許輸入端/編程電壓輸入端。 時鐘電路引腳xtal1：反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入端。在采用外部時鐘時，該引腳必須接地。xtal2：來自反向振蕩器的輸出。若采用外部時鐘電路時，該

26、引腳輸入外部時鐘脈沖。表2.2 p3口第二功能p3口第二功能注 釋p3.0rxd串行數(shù)據接收口p3.1txd串行數(shù)據發(fā)送口p3.2into外部中斷0輸入p3.3int1外部中斷1輸入p3.4t0計數(shù)器0計數(shù)輸入p3.5t1計數(shù)器1計數(shù)輸入p3.6wr外部ram寫選通信號p3.7rd外部ram讀選通信號6. 定時器/計數(shù)器89c51內部有兩個16位可編程的定時器/計數(shù)器，命名為t0和t1。t0由兩個8位寄存器tho和tlo拼裝而成，其中tho為高8位，tlo為低8位。t1也和t0類同。tho、tlo、th1和tl1均為特殊功能寄存器中的一個，用戶可以通過指令對它們存儲數(shù)據。t0和t1的最大計數(shù)值

27、為65535，即需要65535個脈沖才能把它們從全“0”變?yōu)槿?”。下面介紹定時器的控制。定時器共有兩個控制字，由軟件寫入tmod和tcon兩個8位寄存器，用來設置t0、t1的操作模式和控制功能。當89c51系統(tǒng)復位時，兩個寄存器所有位都被清零。 工作模式寄存器tmodtmod用于控制t0和t1的工作模式，其各位的定義格式如表2.3所示。表2.3 工作模式寄存器tmod的位定義tmod d7 d6 d5 d4 d3 d2 d1 d0gatec/tm1m0gatec/tm1m0其中低四位用于t0，高四位用于t1。以下介紹各位的功能。m1和m0：操作模式控制位。兩位可形成四種編碼，對應于四種操作

28、模式，見表2.4。表2.4 定時器/計數(shù)器的工作模式m1 m0工作模式功能描述0 0模式013位計數(shù)器0 1模式116位計數(shù)器1 0模式2自動再裝入8位計數(shù)器1 1模式3定時器0:分成兩個8位計數(shù)器c/t：計數(shù)器/定時器方式選擇位。c/t=0，設置為定時方式。定時器計數(shù)89c51片內脈沖，亦即對機器周期計數(shù)。c/t=1，設置為計數(shù)方式。gate：門控位。gate=0時，只要用軟件使tro置1就可以啟動定時器，而不管into的電平是高還是低。gate=1時，只有into引腳為高電平且由軟件使tro置1時，才能啟動定時器工作。 控制寄存器tcon定時器控制寄存器tcon除可用于字節(jié)尋址外，各位還可

29、位尋址。各位的定義格式如下表所式：表2.5 控制寄存器tcon的位定義tcon8fh8eh8dh8ch8bh8ah89h88h(88h)tr1tf0tf0tr0ie1it1ie0it0tf1：t1溢出標志位。當t1溢出時，由硬件自動使tf置“1”，并且申請中斷。響應中斷進入中斷服務程序后，tf1又被硬件自動清0。tf1也可被軟件清0。tf0：t0溢出標志位。其功能和操作情況同tf1。tr1：t1運行控制位?？赏ㄟ^軟件置1或清0啟動或關閉t1。在程序中用指令“setb tr1”使tr1位置1，定時器t1便開始計數(shù)。tro：t0運行控制位。其功能和操作情況同tr1。ie1、it1、ie0、it0：

30、外部中斷請求及請求方式控制位。2.4 其它芯片簡介2.4.1 dac0832功能簡介1、芯片簡介d/a轉換器的功能在于把對其輸入的數(shù)字信號轉換成與此數(shù)值成正比的模擬電壓或電流。dac0832是以cmos工藝制造的8位d/a轉換芯片，價格低廉，接口簡單，在單片機制系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。dac0832主要由兩個8位寄存器和一個8位d/a轉換器組成。其運作原理可從它的20個引腳之功能中領略到。d0d7：8位數(shù)據輸入引腳，d7為最高位。ile：輸入數(shù)據鎖存允許信號，輸入，高電平有效。cs：芯片選擇信號，輸入，低電平有效。wr1：輸入鎖存器的寫選通信號，輸入，低電平有效。從上述三信號的邏輯關系中可以看

31、出，當ile為高電平，cs和wr1均為低電平時，輸入鎖存器的鎖存允許信號ie1將為高電平。此時輸入鎖存器的內容根據輸入數(shù)據變化，但當le1由于三輸入信號的變化而跳變成低電平時，則來自d0d7的輸入數(shù)據被鎖定在輸入鎖存器中。wr2：寄存器的寫選通信號，輸入，低電平有效。xfer：數(shù)據傳送控制信號，輸入，低電平有效。若wr2和xfer兩信號均為低電平，則dac寄存器的鎖存信號le2為高電平，此時輸入鎖存器的輸入數(shù)據被傳送至dac寄存器中；但當le2因上述兩信號的變化而跳變成低電平時，第二級，即dac寄存器中的數(shù)據被鎖定。d/a轉換器隨時對dac寄存器中的數(shù)據進行d/a轉換。vref：基準電壓（可為

32、-10v+10v）輸入引腳?；鶞孰妷簺Q定d/a轉換器輸出電壓的范圍：若vref接+10v，則輸出電壓范圍為0-10v；若接-5v，則輸出電壓為+5v0v。rfb:內部反饋電阻對外引腳，用以輸入來自片外運算放大器的反饋信號。iout1和iout2：電流輸出引腳。dac0832屬電流輸出型，且兩輸出電流之和為常數(shù)。欲得到與輸入數(shù)字量成正比的電壓輸出，必須外接運算放大器，把此兩引腳輸出電信號轉換成電壓形式。對于這類d/a轉換器，通常以電流建立時間來表示其轉換速度。所謂電流建立時間，系指輸入數(shù)字量由全0變成1時，輸出電流自初始值達到滿量程lsb/2所需要的時間。本芯片的電流建立時間為1s。vcc：供電

33、電源引腳，可接+5v+10v電壓。dgnd：數(shù)字量地，即vcc、數(shù)據、地址及控制信號的0電平輸入引腳。agnd：模擬量地，即vref及模擬電壓的地線。 2、與mcs51單片機的接口從前面對dac0832內部結構的講述中得知，其前級輸入鎖存器和dac寄存器可允許數(shù)據進入其中，亦可鎖定數(shù)據，拒絕新數(shù)據進入。這拒絕于內部信號le1和le2各自受外部信號控制的情況。據此我們可歸納出三點：單緩沖方式：le2和le1受控于同一組外部信號，兩級積存器同時鎖存數(shù)據。雙緩沖方式：le2和le1分別受不同信號控制，兩級寄存器先后接收數(shù)據。直通方式：le1和le2均恒為1，外來數(shù)據直接通過前兩級到達d/a轉換器。2

34、.4.274ls164簡介雙列直插式74ls164引腳定義：qaqh為并行輸出的數(shù)據，單片機串口輸出的數(shù)據從ab輸入；clr信號用于清除輸出數(shù)據（通常用在移位完成時）；內部數(shù)據移位依靠時鐘clk信號上升沿（由單片機tx提供）控制。2.4.3 led數(shù)碼管簡介欲顯示十進制或十六進制數(shù)字及某些其他簡單字符，可選用七段led顯示器。ag七段及十進制小數(shù)點dp均為一發(fā)光二極管。若系共陽結構，則它們的陽極為一公共點，接電源正極。八只發(fā)光二極管的陰極互相獨立，哪一段陰極接地，哪一段即發(fā)光，陰極也接高電平者便成暗狀。如果是共陰結構，那么陰極公共點接地，各陽極獨立，接高電平者發(fā)光，陽極接地者呈暗狀。根據以上討

35、論可知，欲在一個led顯示器上顯示某特定字符，必須向某公共點及各段施加正確的電壓。對公共點的施壓操作稱為位選；對各段的操作為段選。段選碼亦稱字形碼。2.5 本章小結本章主要介紹了實現(xiàn)設計目的的硬件解決方案。文中對各部分電路進行了細致的論證。介紹了主要應用的集成芯片的使用方法和基本資料。第3章 軟件部分的設計3.1 軟件總體流程軟件是整個系統(tǒng)的靈魂。如果沒有軟件，整個系統(tǒng)就是一個空殼。本設計中軟件分為初始化模塊、顯示模塊、鍵盤掃描模塊、鍵值處理模塊和波形產生模塊。整個軟件的流程圖如圖3.1：圖3.1 整體軟件流程圖3.2 各部分軟件設計3.2.1 初始化模塊的設計初始化模塊的作用是將用戶需要的內

36、存單元清0，清除系統(tǒng)原始數(shù)據對系統(tǒng)的影響。之后在顯示電路中顯示全0，對以后的觀察數(shù)據輸入情況有很大幫助。本設計中主要用到了30h到50h的內存空間。因此，此部分主要對這部分單元清0，并且將數(shù)據存儲指針置數(shù)。具體程序如下：org 0000hajmp start org 0050hstart: acall firsta ;調用初始化main: acall keysca;調用鍵盤掃描acallkeyred;調用讀鍵值acallkeypc;調用鍵值處理acall display;調用顯示ajmp main ;出錯處理ajmp startfirsta:mov r0, #30h;初始化mov r1, #2

37、0h;30h50h循環(huán)清零clloop:mov r0, #00h;(r1為個數(shù)指針)inc r0djnz r1, clloopmov weicod, #43h acall displayret3.2.2 顯示模塊的設計顯示模塊的作用是讓用戶了解系統(tǒng)內部的數(shù)據存儲情況。可以判斷是否有誤操作。本設計中共顯示5位，有波形、幅度和頻率。由于采用的輸出方式為串行輸出方式和靜態(tài)led顯示，最先輸出的數(shù)據將距離串行口越遠，所以在輸出時可以按用戶需要從高地址開始輸出，提高可視化。設計中將輸入數(shù)據存放在40h到44h的地址空間，所以只要按順序將它們依次送到串行口輸出即可。程序如下：display:mov sco

38、n,#00hmov r1,#05h ;顯示五位mov r0, #44h mov dptr, #distabloop: mov a, r0 movc a, a+dptr mov sbuf, a ；cpu自動開始發(fā)送wait: jnb ti, wait clr ti dec r0 djnz r1, loop retdistab:db 03h,9fh,25h,0dh,99h ;01234db 49h,41h,1fh,01,09h ;567893.2.3 鍵盤掃描程序的設計鍵盤掃描程序的作用是從鍵盤獲取按鍵信息，根據按鍵信息來執(zhí)行命令操作。這部分是用戶對系統(tǒng)進行操作的唯一途徑。這部分程序的正確編寫是確

39、保人機正常對話的前提保證。鍵盤掃描程序流程圖如圖3.2所示：圖3.2 鍵盤掃描流程圖鍵盤全掃描的作用是判斷是否有按鍵按下。其方法是先在p1口輸出0f0h，再從p1口讀數(shù)據，若高四位不全為1的話，則說明有按鍵按下。由于采用的按鍵是機械按鍵，會有一定的抖動，一般抖動持續(xù)510ms，影響判斷。為了消除干擾，在判斷有按鍵按下后要調用延時程序消除抖動，然后再判斷是否有按鍵按下。鍵盤逐行掃描的作用是在已經判斷有鍵按下之后確定鍵值。其方法是使p1的行線依次為0，其余各位均為1，然后讀p1口，保存行字，屏蔽掉低四位，如果高四為不全為1，則本行有按鍵按下。保存列字，再與行字組合，取反后就得到按鍵的特征值。最后用

40、查表的方法就可以得到鍵值。3.2.4 鍵值處理的程序設計鍵值處理的作用是按照鍵值來選擇命令操作，以達到操作的目的。鍵值處理是否合理，直接影響人機對話的順利進行。因為設計中一共只有16個按鍵，所以首先要判斷鍵值是否合法，若鍵值大于16則視為非法，返回主程序。判斷鍵值合法后還要判斷按鍵是功能鍵還是數(shù)字鍵，之后再選擇相應的操作。數(shù)字鍵處理程序：由于本設計中為了簡化程序，要求必須首先選擇波形，當波形未設置時，數(shù)字鍵是無效的，必須返回。所以本段程序要首先判斷波形位是否已經設定。若數(shù)字鍵合法，就按照輸入的先后順序將鍵值送入規(guī)定的地址單元。當5位數(shù)據送滿之后，系統(tǒng)雖然掃描鍵盤，但對數(shù)字鍵只做放棄處理。功能鍵

41、處理程序：功能鍵包括三個波形按鍵、一個清除鍵和一個確認鍵。波形鍵按下時，將向波形存儲單元送入相應的數(shù)值。正弦波為1，三角波為2，方波為3。清除鍵的作用是對用戶所用的地址單元清0，以便重新輸入鍵值。確認鍵的作用比較關鍵。一旦確認鍵按下，則系統(tǒng)不再進行鍵盤掃描，而是按照輸入的數(shù)據進行信號是幅度和頻率選擇處理，然后進入相應的波形輸出程序。由于設計的整個系統(tǒng)比較簡單，用途也只是使用于一般場合，所以系統(tǒng)中沒有采用中斷的方法來改變系統(tǒng)的運行。當系統(tǒng)開始輸出信號之后，相當于系統(tǒng)已經進入了一個不斷輸出信號的死循環(huán)程序。用戶只能通過復位鍵才能停止系統(tǒng)并重新操作。這樣大大簡化了程序設計，但并不影響系統(tǒng)的性能。對于

42、這種不太復雜的系統(tǒng)，采用這種簡單的程序操作是十分有利的。頻率的處理是系統(tǒng)信號可調性的一個關鍵。由于系統(tǒng)的時鐘和采樣密度的限制，本設計在頻率點的選擇上并沒有均等地設定頻率點。而是選擇10hz、20hz100hz、200hz800hz。根據這一特性，采用列表的方法將這些頻率點依次列出，并且在最前面加上0頻率的值。然后在查表處理的時候先判斷頻率百位是否為0，如果百位不為0，則將百位的數(shù)據加9，再進行查表。如果百位為0，則直接用其數(shù)據作為變址查表。具體程序如下：frcy: mov a, 42h ;取頻率 cjne a, #00h, hund2 ;看百位是否為0 mov a, 41h mov dptr,

43、 #frctab rl a mov r0, a movc a, a+dptr inc r0 mov r6, a mov a, r0 movc a, a+dptr mov r5, a lcall fdclyhund2: mov dptr, #frctab ;百位有數(shù)據 mov a, 42h add a, #9 rl a mov r0, a movc a, a+dptr inc r0 mov r6, a mov a, r0 movc a, a+dptr mov r5, a lcall fdclyfrctab:db 00h,00h,0fah,93h,0fdh,4ah,0feh,31hdb 0feh,

44、0a5h,0feh,0eah,0ffh,19hdb 0ffh,3ah,0ffh,52h,0ffh,66h,0ffh,75h db 0ffh,0bbh,0ffh,0d2h,0ffh,0ddhdb 0ffh,0e4h,0ffh,0e9h,0ffh,0ech,0ffh,0efh;10-800hz,三角波和正弦波17個頻率點計數(shù)初值對于這種頻率間隔較大的列表采用了這種查詢方法，如果對于密集的頻率點就要采用比較復雜的查詢方法。對于本設計而言，重在討論實現(xiàn)參數(shù)可調的信號輸出的方法，所以在細節(jié)方面略有欠缺。只要在此基礎上調整一些細節(jié)程序便可以增多頻率點。3.2.5 波形產生模塊的設計波形產生模塊是設計是否實

45、現(xiàn)的關鍵。本次設計要求輸出三種波形，其精度如何，關鍵都在于波形產生模塊設計的合理性。本設計中采用的是用單片機產生信號，而單片機只能產生數(shù)字信號，無論是信號頻率還是信號幅度都是離散的點，所以采用按照控制要求查表輸出的方法來輸出信號。其中方波的產生方法比較簡單只要定時地向外輸出0ffh和00h即可。正弦波和三角波的產生原理比較相近，在此以正弦波產生方法為例加以介紹。正弦波的產生是通過對標準正弦波進行采樣輸出而得到的，采樣間隔越小，正弦波的輸出精度就越高，失真度越小。本設計中為了提高信號的精度，對信號的四分之一周期采樣19個點。每隔一定的時間間隔送出一個幅度值，幅度值可以用查表的方法得到。信號的頻率

46、可以用控制每兩個輸出的時間間隔來完成。這部分控制是由定時計數(shù)器來實現(xiàn)的。向計數(shù)器裝入計數(shù)初值，當計數(shù)器溢出時就表示時間到，查表輸出下一個數(shù)。各個頻率點的計數(shù)初值是人工計算列表，在用程序查表得到的。這一部分程序是在確認鍵處理中進行的。由于所計算的時間間隔是一個理論值，在實際中會因為系統(tǒng)的傳輸延時而使頻率略微偏離所設計的頻率點。同樣的，點的輸出是靠程序實現(xiàn)的，而程序指令的執(zhí)行也是需要一定的機器周期的，而且不同的指令執(zhí)行需要的機器周期是不同的，所以在頻率控制這一方面很難達到十分精準，只能盡量降低誤差。正弦波的軟件流程圖如圖3.3。3.3 本章小結本章主要介紹了系統(tǒng)的軟件解決方案，詳細給出了對課題的理

47、解和解決思路。對整體軟件進行了分模塊闡述，對大部分內容附加了流程圖加以詳解。 圖3.3 正弦波產生流程圖第4章 系統(tǒng)的安裝與調試4.1 系統(tǒng)設計的安裝與調試。設計是最終要投入實際應用的，因此，整個設計的安裝、調試便是設計的重要環(huán)節(jié)。系統(tǒng)的調試分為硬件焊接和軟件調試。硬件焊接是整個調試的基礎，而軟件調試又是系統(tǒng)是否正常工作的核心內容。因此，這兩部分調試要按照嚴格的順序，并要有嚴格認真的態(tài)度來對待。4.2 系統(tǒng)的各部分調試4.2.1 系統(tǒng)的硬件調試硬件的調試要從硬件電路焊接開始，硬件電路的焊接也是整個調試過程的基礎。在硬件焊接之前，我們仔細檢查了根據自己的電路圖所需要的各個元件，核對其型號和數(shù)值，

48、以免出現(xiàn)錯焊的現(xiàn)象。在檢查之后，盡量按照電路模塊擺放各元件，使電路美觀，并且為各部分留出充裕的空間，這樣會為電路的調試和檢查電路提供很大的方便。在這些準備工作做好后，開始焊接電路。焊接的時候是一部分一部分的焊上去，焊完之后要仔細檢查電路的焊接情況，用萬用表檢查電路是否有短路現(xiàn)象，尤其是電源和地之間的短路現(xiàn)象，如果短路現(xiàn)象沒有被發(fā)現(xiàn)的話，將導致整個系統(tǒng)的非正常工作，甚至是系統(tǒng)崩潰。檢查無誤后，可以用偉福仿真器來將相應的程序部分在電路上進行仿真，這樣可以檢查電路的工作情況，也是分級調試的重要方法。在整個電路焊接完成后，首先測量系統(tǒng)的整體內阻，一個正常的系統(tǒng)都會有一定的內阻，如果內阻為0，則必須立即

49、找到短路點，否則將導致電源的損壞。硬件的檢查還要將一些元件通電測試，看其是否工作正常。例如：電路焊接好后，要將單片機插在插座上，通電，然后用示波器看其晶體振蕩器兩端是否有方波產生。如果出現(xiàn)方波，則表示晶體振蕩器完好。之后還要測量單片機的30引腳，看它是否也會輸出方波，并且其輸出頻率是晶體振蕩器的1/6。這些工作都是保證單片機能夠正常工作的前提。4.2.2 系統(tǒng)的軟件調試系統(tǒng)的軟件相當于系統(tǒng)的內臟，軟件的正確編寫是系統(tǒng)能否按要求工作的前提。由于對軟件知識的缺乏，對最初的軟件調試出現(xiàn)了很多困難。在對程序指令及運行時序的了解之后，程序完成的比較順利。在軟件編寫的開始，我先畫了軟件的流程圖，然后按照程

50、序流程圖來編寫相應的子程序，使程序易于理解和更正。程序的編寫要層次分明，盡量減少復雜多變的跳轉指令，因為伴隨著跳轉指令的增加，系統(tǒng)執(zhí)行指令的時序常常出現(xiàn)錯亂，并且經常出現(xiàn)邏輯錯誤。在發(fā)現(xiàn)這個問題之后，盡量運用一些可重復調用的子程序，盡量避免程序的錯亂。最先進行調試的模塊是鍵盤模塊。在這部分調試中，用仿真器仿真，在計算機中可以很明了的看到系統(tǒng)的內存單元是否按照要求存入按鍵的相應信息，如果沒有檢測到任何信息，說明硬件部分沒有響應，一定出現(xiàn)了電路故障，通過這樣的檢查可以反復檢測系統(tǒng)。由于有了計算機的幫助，在仿真調試的時候可以了解到系統(tǒng)每執(zhí)行完一條指令后的狀態(tài)，程序運行的步驟，也更加了解了程序。這對今

51、后的編程都有很大的幫助。在顯示模塊的調試中，首先測量數(shù)碼管是否有壞段，確認數(shù)碼管不亮的地方不是由軟件及其他電路引起的故障。然后用仿真器仿真，觀察顯示是否正常。開始時，進行單步仿真，可以清楚的看到顯示的移位，如果沒有正常的移位的話，則是時鐘信號或移位寄存器的連接有問題。在實際的調試中，由于電路沒什么大的問題，這部分電路調試比較順利。單片機與d/a的轉化、波形產生部分的程序調試比較復雜。這部分的仿真調試主要是查看波形產生程序的工作是否正常，還有監(jiān)視數(shù)據輸出端口，也就是p0口是數(shù)據是否變化。對兩片d/a的選通信號也是重要的監(jiān)視對象。4.3 在調試過程中遇到的問題在鍵盤的調試中，發(fā)現(xiàn)第三列的鍵都不能被

52、系統(tǒng)檢測。而通過單片機的行線和列線的連通情況看卻沒有問題。用萬用表測量按鍵的連接也沒有問題，最后發(fā)現(xiàn)與vcc連接的上拉電阻短路，這表明無論這一列鍵是否有按下，p1.6口始終為高電平，所以系統(tǒng)無法識別。找到原因后就開始找短路點，電路連線并不多，但卻沒有發(fā)現(xiàn)焊接造成的短路，但故障原因不會錯，最終，發(fā)現(xiàn)是萬用板本身有兩個不該連的點連上了，導致了電路的短路。在把連接點斷開后，一切正常。故障得到了解決。在顯示電路的調試中，發(fā)現(xiàn)數(shù)碼管不能接收數(shù)據。首先用萬用表檢查移位寄存器的各管腳的電壓，發(fā)現(xiàn)8、9管腳總是相等，測量電阻則顯示短路。發(fā)現(xiàn)這一問題后立即查找短路點，結果還是一個板子上的短路，而非人為短路。解決

53、這一問題后一切正常。通過對這兩個故障的排查，總結出電路短路是調試中的最大問題，所以在今后的調試中都要仔細排查這一問題。在波形產生模塊的調試中，發(fā)現(xiàn)d/a始終無法接收的數(shù)據。用仿真器單步仿真的過程中發(fā)現(xiàn)p0口根本沒有變化。根據這個現(xiàn)象，仔細檢查了軟件的編寫。問題出在沒有向p0口送數(shù)據，原來的程序指令是向d/a的地址里送數(shù)據，這種方法我也是第一次使用，結果不能實現(xiàn)。在此情況下我更改了指令，直接向p0口送數(shù)據，結果p0口開始按要求傳送數(shù)據，故障解決。由此問題我學到了關于編程的解決問題，指令也許沒有錯，但是在特定的功能上有些指令是不能替代的，也必須多加調試才能解決。調試的過程中，當信號不能正常輸出時，很難判斷問題出在哪里。這個時候，將軟件仿真暫停，然后可以用萬用表測量由單片機輸出給d/a轉換器各位的電平，也可以測量d/a轉換器的輸出管腳，看輸出的電平是否符合理論要求。用這種方法可以檢測到具體是哪個電路出了問題，是檢查電路的一個好方法。在實際接收波形信號時，發(fā)現(xiàn)頻率總是和要求有一定差距。分析其原因是計數(shù)器的定