基于DDS的数字式频率特性测试仪的软件设计*

吕念芝 张天柱

(1．福州海峡职业技术学院，福建 福州350001;2．福州师范大学软件学院，福建 福州350001)

引言

随着DDS技术的逐渐成熟，应用DDS技术产生的扫频信号具有失真度低、扫频精度高等优点，同时扫频控制简单、准确，因此使用DDS芯片作为扫频源的设计逐渐被广泛应用［1～2］．

本文使用最新的DDS技术实现扫频源设计，大大降低产生宽频、等幅、正交正弦信号的技术难度，为实现扫频仪的设计奠定了良好的基础．应用模拟乘法器实现直通信号和被测网络信号的高速乘法运算，并经过LPF(Low Pass Filter，低通滤波器)获得被测网络频率特性(包括幅频特性和相频特性)的电压信号．然后经过ADC(Analog-to-Digital Converter，模数变换器)将该电压信号转换为二进制数据;最后在单片机系统中，经过频率特性的坐标变换算法处理，获得被测网络幅频特性和相频特性曲线的平面坐标数据，并在LCD(Liquid Crystal Display，液晶显示屏)上显示出来．为了便于操作和实现良好的用户体验，本文采用红外遥控技术实现仪器的遥控操作功能，采用μC/GUI(Embedded Graphical User Interface，嵌入式图形用户接口)技术设计仪器的显示界面．

1 系统方案设计

本系统由扫频信号源、模拟乘法器、MCU模块、IR遥控模块和液晶显示模块共5部分组成，系统原理如图1所示．

图1 系统原理框图

图1中STM32单片机负责控制DDS输出测量所需的1～40MHz两路正交正弦信号，其中余弦信号通过被测网络RLC后，在乘法器与余弦直通信号相乘，相乘的结果经LPF滤除倍频信号后送入单片机内部的AD变换为数字信号．正弦信号与RLC输出的信号被送至另一个乘法器的输入端，相乘的结果经LPF滤波后，也送入单片机AD变换为数字信号．单片机按照事先设计的程序对两路数据进行处理，并求出对应频率下的电压增益和相位差，同时将结果显示在液晶屏上．用户可通过IR遥控器向单片机发送指令，控制单片机实现各种测量操作．

2 系统软件设计

该系统采用分层设计思想，将不同逻辑层的程序划分在不同的文件夹，每一层所包含的源文件都放在该层对应的文件夹下的src文件夹目录下，每一层提供的头文件都放在该层对应的文件夹目录下．

程序通过调用ST公司提供的STM32固件库接口操纵底层硬件，将系统硬件初始化代码以及片上ADC数据采集代码封装成API层，供应用程序调用．主控器通过I/O口连接外设，整合外设操作代码为DEV设备驱动层．基于TFTLCD显示屏驱动，移植Micriμm公司的开源μC/GUI程序库，应用程序通过调用μC/GUI程序库的接口在液晶显示屏上绘制程序界面．以上描述的系统软件工程结构如图2所示．

图2 系统软件层级结构

2．1 IR红外解码设计

红外发射器使用市场上常见的小型红外遥控器，当用户按下操作键时，该发射器与接收模块之间通过红外传输协议进行通信，该协议描述如下:

1)以当前时刻为0点，发送9 ms的脉冲信号，然后等待4．5 ms;

2)连续发送32个635 us的红外脉冲信号，当发送逻辑0时等待550 us，发送逻辑1时等待1 650 us．

3)发送635 us脉冲信号结束此次传输;

4)若用户没有释放按键，则以0点为起始时刻，每隔108 ms重发该命令，重发时序如下所述;

5)发送9 ms的脉冲信号并等待2．2 ms;

6)发送635 us脉冲信号结束此次传输;

利用STM32芯片中定时器的捕获功能，对OUT引脚的输出信号进行时间测量，可以很精确地获取红外接收到的32位数据．

2．2 应用层主程序设计

APP层采用模块化设计，每个模块独立为一个C源文件，并通过H头文件向外部提供接口．主程序负责程序起始时硬件设备初始化，获取红外命令和更新命令，并将命令下发给相应的模块处理．

冻土是热传导，而多孔介质却是导热和对流的复合作用。饱和含水土壤孔隙中充满了水分，增大了土壤颗粒间接触热阻，使土壤蓄热能力增强，对外界的传热则大大降低。同时，孔隙中水分凝结成冰时，将释放大量的潜热，使土壤平均温度相对较高，土壤升温又使管内外温度梯度降低，从而管壁热流密度降低。

子程序包含系统初始化模块、控件焦点调度模块、点频测量模块、扫频输出模块、频率特性绘图模块、定时更新模块、中文显示模块、读取电压模块、计算频率特性模块．

应用层流程图如图3所示．

图3 主程序流程图

2．2．1 点频测量模块

该模块主要功能为在固定频率下测量被测网络的频率特性．模块包含1个编辑框控件，当该编辑框获取用户输入焦点时，在数据两侧显示“-”和“+”符号，提示用户输入加减命令设置输出频率．当定时器产生该模块的定时更新命令时，电压增益与信号相移会被重新计算并刷新显示到屏幕上，该模块数据的更新周期为500 ms，程序流程图如图4所示．

图4 点频测量程序流程图

2．2．2 扫频输出模块

该模块主要实现频率的扫频输出，频率的起始值、终止值以及步进值均可设置，起始频率的下限为1 MHz，终止频率的上限为40 MHz，步进频率为100 KHz的整数倍且不可超过终止频率与起始频率的差值，当扫描频率超出终止频率时，超出频率加上起始频率作为新的扫频值．当用户修改扫频参数时，该模块修改定时器中相应的更新周期参数，实现任意情况下扫频时间均小于2 s．该模块主要实现逻辑如图5所示．

图5 (a)更新命令处理流程图

图5 (b)“+”命令处理流程图

图5 (c)“－”命令处理流程图

3 总结

针对以上问题，可以采用以下方法进一步完善扫频仪性能:

1)购买高质量高精度电子器件，保证电路的对称性和元器件的可靠连接;

2)采用工业制板和焊接，保证器件的连接完好;

3)为测量仪配备专业的直流电源，降低电源引起的干扰，提高扫频信号的信噪比;

4)增加无线wifi模块，使用无线技术接入Internet;

5)研究和设计误差补偿方法，通过软件修正的方式弥补硬件系统的不足，通过对测量数据进行理论补偿，提高扫频仪的测量精度和准度;

使用μC/OS-III嵌入式实时操作系统实现多线程操作，并利用μC/TCP-IP协议实现网络控制，提高仪器的智能化程度．

［1］关晓佳．基于DDS技术的信号发生器设计［J］．电脑知识与技术，2012，8(13):3196-3198．

［2］李超，谢雪松，张小玲．一种DDS任意波形发生器的ROM优化方法［J］．电子技术应用，2013，39(2):12-15．

［3］张涛，左谨平，马华玲．FatFs在32位微控制器STM32上的移植［J］．电子技术，2010(3):25-27．

［4］晏英俊，张自强．基于STM32的步进电机转速控制实验设计［J］．实验室科学，2010，13(6):59-61．

［5］Analog Devices．CMOS 300 MHz Quadrature Complete-DDSAD9854［M］．Analog Devices，1999．