基于MSP430单片机的信号发生器设计论文.docx
《基于MSP430单片机的信号发生器设计论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于MSP430单片机的信号发生器设计论文.docx（43页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
基于MSP430单片机的信号发生器设计论文
摘要
随着科技的发展和现代科研的需要，信号发生器已经成为了很多行业进行研究测试不可或缺的工具。
信号发生器又称信号源或振荡器，在生产实践和科技领域中有着广泛的应用。
各种波形曲线均可以用三角函数方程式来表示。
能够产生多种波形，如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波的电路被称为函数信号发生器。
函数信号发生器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途。
例如在通信、广播、电视系统中，都需要射频（高频）发射，这里的射频波就是载波，把音频（低频）、视频信号或脉冲信号运载出去，就需要能够产生高频的振荡器。
在工业、农业、生物医学等领域内，如高频感应加热、熔炼、淬火、超声诊断、核磁共振成像等，都需要功率或大或小、频率或高或低的振荡器。
本系统采用MSP430F149单片机为控制核心，利用单片机内置的DA芯片，通过按键中断来逻辑选择要输出的波形（正弦波、方波、三角波、锯齿波），再设置其它键来控制波形的幅值及频率，然后通过单片机控制显示到LCD1602上。
波形的产生是通过MSP430单片机执行某一波形发生程序，向D/A转换器的输入端按一定的规律发生数据，从而在D/A转换电路的输出端得到相应的电压波形。
在MSP430学习板的键盘按键,通过软件编程来选择各种波形、幅值电压和频率，按不同按键产生不同波形的信号。
此方案的有点是电路原理比较简单，实现起来比较容易。
关键字:
MSP430，信号发生器，LCD1602
ABSTRACT
Withthedevelopmentofscienceandtechnologyandmodernscientificresearchneeds,signalgeneratorhasbecomealotofindustryresearchtestindispensabletools.Signalgeneratoralsocalledsourceoroscillators,inproductionpracticeandscienceandtechnologyhasbeenwidelyusedinthefield.Variouswaveformcurveallcanbytrigonometricfunctionequation.Canproducevariouswaveform,suchastrianglewave,sawtoothwave,rectanglewave（includingsquarewave）,thecircuitiscalledsinewavefunctionsignalgenerator.Functionsignalgeneratorincircuitexperimentandtestequipmentinaverywiderangeofpurposes.Forexampleincommunication,radio,andtelevisionsystems,allneedrf（highfrequency）launchtherfwaves,hereisthecarrier,audio（lowfrequency）,videosignalsorpulsesignalcarryout,justneedtobeabletoproducehigh-frequencyvibe.Inindustry,agriculture,biomedicalinfields,allneedpowerorbigorsmall,frequencyorhighorlowoscillators.
ThesystemUSESthemicrocontrollerascontrolcore,MSP430F149USESsinglechipbuilt-inDAchip,throughthekeystologicalchoicetointerrupttheoutputwaveform（sinewaveandsquare-wave,trianglewave,sawtoothwave）,thenSettingsotherkeytocontroltheamplitudeandfrequencywave,thenthroughthesingle-chipmicrocomputercontrolondisplaytoLCD1602.
WaveformwasdevelopedthroughMSP430microcontrollerperformsAwaveformhappenprocedurestotheD/Aconverterinputaccordingtocertainrules,whichoccurredindatatransformcircuitD/Aoftheoutputvoltagewaveformobtainedthecorresponding.InlearningboardkeypadMSP430throughsoftwareprogrammingtoselectdifferentwaveform,amplitudevoltageandfrequencyproducesdifferentaccordingtodifferentkeys,thesignalwaveform.Thisschemeofhavealittleiscircuitprincipleissimpler,achievebeeasy
KEYWORDS:
msp430，signalgenerator，lcd1602
前言
计算机和集成技术的高速发展，电子电路的分析与设计及相应专业课程的教学与实验所采用的方式与方法都发生了重大变化，特别是电子设计自动化系统中所包含的测试测量技术已经成为现代教育技术的重要组成部分，在高校的各个电子相关的实验室中，都需要开发和测试各种复杂的电路或子系统，其通常要求从没有上市的或很难获得的元器件或传感器中提取额外的信号，由此可见信号发生器已经成为了很多行业进行研究测试不可或缺的工具。
信号发生器既可以构成独立的信号源，也可以是高性能网络分析仪、频谱仪及其它自动测试设备的组成部分。
信号发生器的关键技术是多种高性能仪器的支撑技术，因为它能够提供高质量的精密信号源及扫频源，可使相应系统的检测过程大大简化，降低检测费用并极大地提高检测精度。
1）美国安捷伦生产的33250A型函数/任意波形发生器可以产生稳定、精确和低失真的任意波形，其输出频率范围为1μHz～80MHz，而输出幅度为10mVpp～10Vpp；该公司生产的8648D射频信号发生器的频率覆盖范围更可高达9kHz～4GHz。
2）美国泰克生产的DTG5000信号发生器的采样率达到最高3.35Gb/s（数据）
3）国产SG1060数字合成信号发生器能双通道同时输出高分辨率、高精度、高可靠性的各种波形，频率覆盖范围为1μHz～60MHz；
4）国产S1000型数字合成扫频信号发生器通过采用新技术、新器件实现高精度、宽频带的扫频源，同时应用DDS和锁相技术，使频率范围从1MHz～1024MHz能精确地分辨到100Hz，它既是一台高精度的扫频源，同时也是一台高精度的标准信号发生器。
还有很多其它类型的信号发生器，他们各有各的优点，但是相信信号发生器总的趋势将向着宽频率覆盖、高频率精度、多功能、多用途、自动化和智能化方向发展。
第1章概述
1.1信号发生器设计背景
随着计算机和集成技术的高速发展，电子电路的分析与设计及相应专业课程的教学与实验所采用的方式与方法都发生了重大变化，特别是电子设计自动化系统中所包含的测试测量技术已经成为现代教育技术的重要组成部分，在高校的各个电子相关的实验室中，都需要开发和测试各种复杂的电路或子系统，其通常要求从没有上市的或很难获得的元器件或传感器中提取额外的信号，由此可见信号发生器已经成为了很多行业进行研究测试不可或缺的工具。
信号发生器又称信号源或振荡器，在生产实践和科技领域中有着广泛的应用。
各种波形曲线均可以用三角函数方程式来表示。
能够产生多种波形，如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波的电路被称为函数信号发生器。
函数信号发生器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途。
例如在通信、广播、电视系统中，都需要射频（高频）发射，这里的射频波就是载波，把音频（低频）、视频信号或脉冲信号运载出去，就需要能够产生高频的振荡器。
在工业、农业、生物医学等领域内，如高频感应加热、熔炼、淬火、超声诊断、核磁共振成像等，都需要功率或大或小、频率或高或低的振荡器。
（1）用分立元件组成的函数发生器：
通常是单函数发生器且频率不高，其工作不很稳定，不易调试。
（2）可以由晶体管、运放IC等通用器件制作，更多的则是用专门的函数信号发生器IC产生。
（3）利用单片集成芯片的函数发生器：
能产生多种波形，达到较高的频率，且易于调试。
（4）利用专用直接数字合成ＤＤＳ芯片的函数发生器：
能产生任意波形并达到很高的频率，但成本较高。
1.2信号发生器的发展现状
信号发生器既可以构成独立的信号源，也可以是高性能网络分析仪、频谱仪及其它自动测试设备的组成部分。
信号发生器的关键技术是多种高性能仪器的支撑技术，因为它能够提供高质量的精密信号源及扫频源，可使相应系统的检测过程大大简化，降低检测费用并极大地提高检测精度。
美国安捷伦生产的33250A型函数/任意波形发生器可以产生稳定、精确和低失真的任意波形，其输出频率范围为1μHz～80MHz，而输出幅度为10mVpp～10Vpp；该公司生产的8648D射频信号发生器的频率覆盖范围更可高达9kHz～4GHz。
美国泰克生产的DTG5000信号发生器的采样率达到最高3.35Gb/s（数据）。
国产SG1060数字合成信号发生器能双通道同时输出高分辨率、高精度、高可靠性的各种波形，频率覆盖范围为1μHz～60MHz。
国产S1000型数字合成扫频信号发生器通过采用新技术、新器件实现高精度、宽频带的扫频源，同时应用DDS和锁相技术，使频率范围从1MHz～1024MHz能精确地分辨到100Hz，它既是一台高精度的扫频源，同时也是一台高精度的标准信号发生器。
还有很多其它类型的信号发生器，他们各有各的优点，但是信号发生器总的趋势将向着宽频率覆盖、高频率精度、多功能、多用途、自动化和智能化方向发展。
1.3本设计采用的研究方法和技术路线
首先去图书馆借阅有关MSP430单片机的书籍资料，了解MSP430单片机的工作原理、内部结构、功能模块、各种寄存器以及汇编语言，从整体上对MSP430单片机的使用方法和编程原理进行理解。
然后利用网络资源查阅单片机的C语言编程实例和视频讲解，对单片机每个功能模块的使用有所了解。
最后根据自己的题材基于MSP430单片机的信号发生器设计指定相应的策略想办法完成编程。
波形的产生是通过MSP430单片机执行某一波形发生程序，向D/A转换器的输入端按一定的规律发生数据，从而在D/A转换电路的输出端得到相应的电压波形。
在MSP430学习板的键盘按键,通过软件编程来选择各种波形、幅值电压和频率，按不同按键产生不同波形的信号。
此方案的有点是电路原理比较简单，实现起来比较容易。
具体就是系统采用MSP430单片机为控制核心，利用单片机内置的AD芯片，通过按键中断来逻辑选择要输出的波形（正弦波、方波、三角波、锯齿波），再设置其它键来控制波形的复制及频率，然后通过单片机控制显示到LCD1602上。
本设计由检测模块、显示模块和控制模块组成，其中显示模块用LCD显示实现温度显示，控制模块通过单片机控制继电器来实现。
第2章芯片介绍
2.1MSP430单片机技术的发展特点及应用
MSP430系列单片机是美国德州仪器（TI）1996年开始推向市场的一种16位超低功耗、具有精简指令集（RISC）的混合信号处理器（MixedSignalProcessor）。
称之为混合信号处理器，是由于其针对实际应用需求，将多个不同功能的模拟电路、数字电路模块和微处理器集成在一个芯片上，以提供“单片”解决方案。
该系列单片机多应用于需要电池供电的便携式仪器仪表中[1]。
2.1.1MSP430单片机技术的发展特点
德州仪器1996年到2000年初，先后推出了31x、32x、33x等几个系列，这些系列具有LCD驱动模块，对提高系统的集成度较有利。
每一系列有ROM型（C）、OTP型（P）、和EPROM型（E）等芯片。
2000年推出了11x/11x1系列。
这个系列采用20脚封装，内存容量、片上功能和I/O引脚数比较少，但是价格比较低廉。
2000年7月推出了F13x/F14x系列，在2001年7月到2002年又相继推出F41x、F43x、F44x。
这些全部是Flash型单片机。
2001年TI公司又公布了BOOTSTRAPLOADER技术，利用它可在烧断熔丝以后只要几根线就可更改并运行内部的程序。
这为系统软件的升级提供了又一方便的手段。
BOOTSTRAP具有很高的保密性，口令可达到32个字节的长度[1]。
1、处理能力强
MSP430系列单片机是一个16位的单片机，采用了精简指令集（RISC）结构，具有丰富的寻址方式（7种源操作数寻址、4种目的操作数寻址）、简洁的27条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理指令。
这些特点保证了可编制出高效率的源程序。
2、运算速度快
MSP430系列单片机能在25MHz晶体的驱动下，实现40ns的指令周期。
16位的数据宽度、40ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能实现乘加运算）相配合，能实现数字信号处理的某些算法（如FFT等）。
3、超低功耗
MSP430单片机之所以有超低的功耗，是因为其在降低芯片的电源电压和灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处。
首先，MSP430系列单片机的电源电压采用的是1.8-3.6V电压。
因而可使其在1MHz的时钟条件下运行时，芯片的电流最低会在165μA左右，RAM保持模式下的最低功耗只有0.1μA。
其次，独特的时钟系统设计。
在MSP430系列中有两个不同的时钟系统：
基本时钟系统、锁频环（FLL和FLL+）时钟系统和DCO数字振荡器时钟系统。
可以只使用一个晶体振荡器（32768Hz），也可以使用两个晶体振荡器。
由系统时钟系统产生CPU和各功能所需的时钟。
并且这些时钟可以在指令的控制下，打开和关闭，从而实现对总体功耗的控制。
由于系统运行时开启的功能模块不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有着显著的不同。
在系统中共有一种活动模式（AM）和五种低功耗模式（LPM0~LPM4）。
在实时时钟模式下，可达2.5μA，在RAM保持模式下，最低可达0.1μA。
4、片内资源丰富
MSP430系列单片机的各系列都集成了较丰富的片内外设。
它们分别是看门狗（WDT）、模拟比较器A、定时器A0（Timer_A0）、定时器A1（Timer_A1）、定时器B0（Timer_B0）、UART、SPI、I2C、硬件乘法器、液晶驱动器、10位/12位ADC、16位Σ-ΔADC、DMA、I/O端口、基本定时器（BasicTimer）、实时时钟（RTC）和USB控制器等若干外围模块的不同组合。
其中，看门狗可以使程序失控时迅速复位；模拟比较器进行模拟电压的比较，配合定时器，可设计出A/D转换器；16位定时器（Timer_A和Timer_B）具有捕获/比较功能，大量的捕获/比较寄存器，可用于事件计数、时序发生、PWM等；有的器件更具有可实现异步、同步及多址访问串行通信接口可方便的实现多机通信等应用；具有较多的I/O端口，P0、P1、P2端口能够接收外部上升沿或下降沿的中断输入；10/12位硬件A/D转换器有较高的转换速率，最高可达200kbps，能够满足大多数数据采集应用；能直接驱动液晶多达160段；实现两路的12位D/A转换；硬件I2C串行总线接口实现存储器串行扩展；以及为了增加数据传输速度，而采用的DMA模块。
MSP430系列单片机的这些片内外设为系统的单片解决方案提供了极大的方便。
5、方便高效的开发环境
MSP430系列有OPT型、FLASH型和ROM型三种类型的器件，这些器件的开发手段不同。
对于OPT型和ROM型的器件是使用仿真器开发成功之后烧写或掩膜芯片；对于FLASH型则有十分方便的开发调试环境，因为器件片内有JTAG调试接口，还有可电擦写的FLASH存储器，因此采用先下载程序到FLASH内，再在器件内通过软件控制程序的运行，由JTAG接口读取片内信息供设计者调试使用的方法进行开发。
这种方式只需要一台PC机和一个JTAG调试器，而不需要仿真器和编程器。
开发语言有汇编语言和C语言。
2.1.2单片机的应用
MSP430单片机具有体积小，功耗低，易于产品化，面向控制，抗干扰能力强，适用温度范围宽，它广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分如下几个范畴：
1、在智能仪器仪表上的应用
单片机的体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，使其广泛应用于仪器仪表中。
采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。
例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种分析仪）。
2、在工业控制中的应用
单片机可以方便的实现多机和分布式控制，用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。
例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。
3、在家用电器中的应用
可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭煲、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备，无所不在。
4、在计算机网络和通信领域中的应用
现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等。
5、单片机在医用设备领域中的应用
单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。
此外，单片机在工商，金融，科研、教育，国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。
2.1.3MSP430F149单片机的引脚图
MSP430F149单片机的引脚如图2-1所示。
图2-1MSP430F149单片机的引脚图
2.2LCD1602液晶显示器简介
工业字符型液晶，能够同时显示16x02即32个字符（16列2行）。
1602字符型LCD通常有14条引脚线或16条引脚线的LCD，多出来的2条线是背光电源线VCC（15脚）和地线GND（16脚），其控制原理与14脚的LCD完全一样
2.2.1LCD1602液晶显示器的引脚说明
LCD1602液晶显示器的引脚说明如表2-1所示。
表2-1LCD1602的引脚功能说明
引脚
符号
功能说明
1
VSS
一般接地
2
VDD
接电源（+5V）
3
V0
液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度）。
4
RS
RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。
5
R/W
R/W为读写信号线，高电平
（1）时进行读操作，低电平（0）时进行写操作。
6
E
E（或EN）端为使能（enable）端，下降沿使能。
7
DB0
低4位三态、双向数据总线0位（最低位）
8
DB1
低4位三态、双向数据总线1位
9
DB2
低4位三态、双向数据总线2位
10
DB3
低4位三态、双向数据总线3位
11
DB4
高4位三态、双向数据总线4位
12
DB5
高4位三态、双向数据总线5位
13
DB6
高4位三态、双向数据总线6位
14
DB7
高4位三态、双向数据总线7位（最高位）（也是busyflag）
15
BLA
背光电源正极
16
BLK
背光电源负极
2.2.2寄存器选择控制表
控制寄存器的控制指令说明如表2-2所示。
表2-2控制寄存器的控制表
RS
R/W
操作说明
0
0
写入指令寄存器（清除屏等）
0
1
读busyflag（DB7），以及读取位址计数器（DB0~DB6）值
1
0
写入数据寄存器（显示各字型等）
1
1
从数据寄存器读取数据
注：
关于E=H脉冲——开始时初始化E为0，然后置E为1，再清0。
busyflag（DB7）：
在此位为被清除为0时，LCD将无法再处理其他的指令要求。
2.3DAC5571简介
2.3.1DAC5571的引脚说明
DAC5571的引脚说明如表2-3所示。
表2-3DAC5571的引脚说明
引脚
名称
描述
1
VOUT
模拟输出电压
2
GND
所有地面参考
3
VDD
模拟供电电压输入
4
SDA
串行数据输入
5
SCL
串行时钟输入
6
A0
设备地址选择
2.3.2DAC5571的原理图及运算方法
DAC5571的原理图及运算方法分别如图2-2和图2-3所示。
图2-2DAC5571的工作原理图
图2-3DAC5571的工作运算方法
第3章系统硬件设计
3.1基于MSP430F149信号发生器构成及工作原理
信号发生器电路主要由MSP430F149系统、键盘电路、LCD1602显示电路、DAC5571芯片、电源电路等组成。
系统原理方框图如图3-1所示。
图3-1系统原理方框图
系统工作原理：
本系统采用MSP430单片机为控制核心，利用单片机内置的DA芯片，通过按键中断来逻辑选择要输出的波形（正弦波、方波、三角波、锯齿波），再设置其它键来控制波形的复制及频率，然后通过单片机控制显示到LCD1602上。
波形的产生是通过MSP430单片机执行某一波形发生程序，向D/A转换器的输入端按一定的规律发生数据，从而在D/A转换电路的输出端得到相应的电压波形。
在MSP430学习板的键盘按键,通过软件编程来选择各种波形、幅值电压和频率，按不同按键产生不同波形的信号。
3.2信号发生器的键盘电路
本系统所需要的键盘有8个，经过分析觉得使用独立式键盘更为合适，但是手上有现有的4*4矩阵键盘，因此使用了4*4矩阵键盘。
连接电路如图3-2所示。
图3-2键盘模块电路
现在具体分析键盘的工作原理：
键盘初始化使得单片机P1的P1.0—P1.3设置为输入状态,P1.4—P1.7设置为输出状态，然后令P1.4—P1.7输出低电平，P1.0—P1.3下降沿触发中断，并开中断。
进入中断
升级会员 