基于Cortex-M3的數(shù)字可調共振源的設計

共振現(xiàn)象是自然界普遍存在的物理現(xiàn)象，隨著共振原理的揭示，共振在生產(chǎn)實踐和科研領域中得到廣泛應用。在大學物理實驗中，共振實驗也是一項重要實驗組成部分，如力學機械彈簧共振實驗、聲學昆特管實驗、光學相干波干涉實驗、電磁場互感諧振實驗等，其中都涉及到共振源本身的設計。在各種共振實驗中，都需要一個高精度、輸出信號頻率連續(xù)可調且功率足夠大的共振源。然而目前的實驗平臺多采用模擬元件構成和手動機械式調節(jié)，原理多是鎖相環(huán)頻率合成的方法，存在著產(chǎn)生的信號頻率精度低、頻率可調節(jié)范圍小、調節(jié)反應慢等缺點。本文介紹了一種基于Cortex-M3(STM32F103C8)最新ARM內核的成本低、功耗低、分辨率高、頻率變換快的直接數(shù)字合成(DDS)的共振源。

1 系統(tǒng)結構
    根據(jù)系統(tǒng)的性能要求，共振源系統(tǒng)主要由計算機控制軟件、USB通信、CPU模塊、信號發(fā)生模塊、信號濾波放大電路模塊、顯示及鍵盤控制模塊、外圍實驗裝置等6部分組成。圖1為該系統(tǒng)框圖。

    系統(tǒng)以高速低功耗STM32F103C8為主控芯片，通過按鍵設置輸出頻率與幅度，并將頻率和幅度值顯示在LCD屏上，并控制DDS芯片AD9850合成相應的信號，該信號經(jīng)過濾波放大模塊將信號的功率放大后輸出到外圍的振動裝置上。同時，振動源可以通過USB與計算機相連，PC機在軟件中設置輸出信號頻率和幅度。

2 系統(tǒng)硬件設計
2．1 CPU主控部分
    系統(tǒng)采用STM32F103C8作為主控制芯片。STM32F103C8是ST公司于2008年推出的以高性能的ARM Cortex-M3 32位的RISC內核的ARM。工作頻率可達72 MHz，內置高速存儲器(高達512 kB的閃存和64 kB的SRAM)，豐富的增強I／O端口和聯(lián)接到兩條APB總線的外設。Thumb-2指令集帶來了更高的指令效率和更強的性能，通過緊耦合的嵌套矢量中斷控制器，對中斷事件的響應比以往更迅速，工作電壓可以在2．0～3．6 V之間，能夠實現(xiàn)耗電最優(yōu)化。在工業(yè)實時控制、計算機外部設備、建筑和安防、儀器儀表、通訊設備、家電消費等各個領域應用廣泛。
    將STM32F103C8的PA0～PA7口與AD9850的8位并行數(shù)據(jù)接收端口相連，PB12、PB13、PB14分別與W_CLK、FQ_UD、CLKIN相連作為控制總線，用于控制AD9850的工作。具體控制連接，如圖2所示所示。

2．2 信號發(fā)生模塊
    信號發(fā)生模塊選用DDS芯片AD9850，它是高穩(wěn)定度的直接數(shù)字頻率合成器件，內部包含：輸入寄存器、數(shù)據(jù)寄存器、數(shù)字合成寄存器(D-DS)、10位高速D／A轉換器和高速比較器。AD9850高速的直接數(shù)字合成器(DDS)，核心根據(jù)設定的32位頻率控制字和5位相移控制字，可產(chǎn)生0．029 Hz～62．5 MHz的正弦信號或者標準的方波信號。該器件可通過并行接口或串行接口實現(xiàn)控制字寫入，以改變輸出頻率和相位。本文采用并行輸入方式，通過8位總線D0～D7將外部控制字輸入到寄存器。5個W-CLK的上升沿讀入5 bit數(shù)據(jù)到輸入寄存器后。FQ-UD(頻率更新時鐘)上升沿到40位數(shù)據(jù)加載到頻率／相位控制寄存器，輸出波形頻率和相位更新一次。AD9850輸出頻率數(shù)據(jù)F與頻率控制字M(4 bit)之間的關系為
   
    其中，CLKin為外部參考時鐘，本設計采用50 MHz。
2．3 信號濾波及功放模塊
    AD9850輸出信號直接由器件內部的D／A轉換合成的，而D／A的位數(shù)有限，難免會產(chǎn)生數(shù)字量化噪聲，這種量化噪聲進而會造成輸出信號產(chǎn)生畸變。本系統(tǒng)選用了橢圓低通濾波器，可有效抑制120 MHz以上的高頻干擾。圖3為信號濾波電路。

    功放模塊采用TDA2030作為核心芯片，是德律風根生產(chǎn)的音頻功放電路，采用V型5腳單列直插式塑料封裝結構，具有體積小、輸出功率大、失真小、外接元件少等特點，內部具有多種保護電路，工作安全可靠，可以滿足系統(tǒng)設計的要求。本文選用12 V單電源供電模式，對輸出信號功率進行放大以驅動外圍振動實驗裝置。圖4所示為信號放大驅動電路。

2．4 鍵盤顯示及信號輸出端裝置
    鍵盤和顯示作為人機交互平臺，控制鍵盤設有5個按鍵，包括兩個光標左右移位鍵、兩個數(shù)字加減鍵和一個確認鍵，以實現(xiàn)對頻率的調節(jié)設定。顯示部分采用LCD1602液晶模塊，用于實時顯示輸出信號的頻率值。
2．5 USB通信模塊
    通用串行總線(USB)由于具有高傳輸速率、即插即用和易于擴展等優(yōu)點而被廣泛應用于計算機外設、數(shù)字設備和儀器儀表等領域。系統(tǒng)的USB通信部分采用了CPU自帶的USB接口。PC上位機可通過USB接口將AD9850的頻率／相位控制字發(fā)送到MCU，用于設置AD9850的輸出頻率，同時AD9850也可以經(jīng)MCU將輸出頻率發(fā)送回PC上位機上，用于對系統(tǒng)監(jiān)視。

3 系統(tǒng)軟件簡介
    系統(tǒng)的軟件包括計算機虛擬儀器以及ARM軟件程序。虛擬儀器采用NI公司的LahWindows開發(fā)平臺，虛擬儀器面板用于實現(xiàn)PC機與共振源通信并實時顯示輸出頻率、幅度等信息。ARM軟件部分采用基于ST公司的最新3．0版本的固件庫編寫。此次只介紹ARM軟件部分。
    ARM軟件設計采用C語言編寫，C語言對機器底層硬件操作方便，模塊化程度高，可讀性與可移植性好。該軟件設計主要包括兩部分組成：共振源控制程序由初始化模塊、功能模塊組成。初始化模塊用于配置系統(tǒng)時鐘、端口工作方式、嵌套中斷向量控制器。功能模塊是由顯示、鍵盤輸入和信號發(fā)生組成。系統(tǒng)軟件設計流程圖，如圖5所示。

4 實驗
    表1為該共振源在設定頻率時相應的輸出頻率。

    實驗過程中由于信號發(fā)生模塊、濾波功放模塊以及外圍電子元件之間連線存在一定電磁干擾，難免使輸出信號產(chǎn)生小幅度漂移，但是誤差已經(jīng)控制在設計要求范圍之內。
    下圖6和圖7為1 Hz和1 kHz理論頻率下用示波器TDS3201B測試的共振源輸出的波形圖。

5 結束語
    基于Cortex-M3的數(shù)字可調共振源，實現(xiàn)了對信號頻率的連續(xù)可調，其輸出信號的穩(wěn)定性、精確性和模擬類共振源相比都有較大提高。實測表明，該共振源在1～10 kHz范圍內的相對誤差控制在0．41％以內，且響應快，滿足物理實驗中心的共振實驗以及超聲波發(fā)聲信號源的要求。