毕业论文-基于AD9854的阻抗测量系统的研制

-基于AD9854的阻抗测量系统的研制摘要阻抗是元件的固有属性，是电路中的基本参数，它是一个复数值，测量环境的变化，信号源幅值和频率的变化都会影响到阻抗的测量结果。这里设计了一种在不同频率下，得出阻抗大小的测量系统。本系统以DDS芯片AD9854为核心，能提供频率相同的可调控大小的信号源，采用双差分减法器从而实现了阻抗到电压的转换，为了有效的抑制噪声干扰，采用了双相锁定放大器。同步信号源0°参考信号为阻抗转换电路提供驱动，转换后的电压信号经过乘法器MLT04，分别和同步信号源的0°和90°参考信号相乘，实现了阻抗的虚、实部分离，两路信号经过低通滤波器后，用两路AD同时进行采集，得到被测对象的阻抗值。其中，本系统运用STM32F103ZET6微处理器完成对同步正交信号源的控制、AD的采集、对阻抗的计算、液晶显示测试结果。STM32官方固件库，降低了软件开发周期和难度，并增大了其可维护性。最后，运用一阶RC低通滤波器，对系统进行验证，在不同频率下得出其测量值和误差率。实验表明，在同一环境下，测量结果精确，自动化程度高，抗干扰能力强。关键词：阻抗测量；AD9854；STM32F103ZET6ThedevelopmentoftheimpedancemeasurementsystembasedonAD9854AbstractImpedanceisinherentattributeoftheelement,isthebasicparametersofthecircuit,itisacomplexnumber,measuringchangesintheenvironment,thechangeofsignalamplitudeandfrequencywillaffecttheimpedancemeasurements.Hereunderdifferentfrequenciesinadesign,itisconcludedthatthesizeoftheimpedancemeasurementsystem.BasedonDDSchipAD9854,thissystemcanprovidethesamefrequencycancontrolthesizeofthesource,usingdoubledifferencesubtractersoastorealizethetransformationoftheresistancetovoltage,inordertoeffectivelysuppressnoise,adoptthedualphaselock-inamplifier.Referencesignalsynchronizationsignalsource0°provideimpedanceconvertingcircuitwithdrive,conversionvoltagesignalafteramultiplierMLT04,andsynchronoussignalsourceof0°and90°respectivelyreferencesignalmultiplication,implementsthevirtualandrealpartofimpedance,two-waysignalafterlowpassfilter,withtwowayADarecollectedatthesametime,gettheimpedancevalueoftheobject.Amongthem,tosynchronizetothesystemusingmicroprocessorSTM32F103ZET6orthogonalsignalsourcecontrol,ADsampling,calculationofimpedance,liquidcrystaldisplaythetestresults.OfficialSTM32firmwarelibrary,reducesthesoftwaredevelopmentcycleandthedifficulty,andincreasingitsmaintainability.Finally,usingthefirst-orderRClow-passfilter,toverifythissystem,itisconcludedthatthemeasuredvaluesunderdifferentfrequencyandtheerrorrate.Theexperimentalresultsshowthatunderthesameenvironment,accuratemeasurementresults,highautomationdegree,stronganti-jammingcapability.Keywords：Theimpedancemeasurement;AD9854;STM32F103ZET6第1章绪论1.1研究目的和意义阻抗是电路中电阻，电感，电容对交流电的阻碍作用的总称。它是元件的固有属性，是各种材料及元件与电学联系的基本参数。阻抗是复数，通常以相量来表示。随着电子科学的进步，阻抗测量技术得到了更深入的发展，从上世纪80年代开始扩展到生物医学，电化学，电力控制等领域，如目前在电化学领域[1]，通过检测豆浆凝固过程中其温度和电阻抗的变化，在线判断豆腐的凝固终点；生物医学领域[2,3]，可通过监测肌肉组织的阻抗及其电阻率的变化以监测组织堵塞或组织萎缩的程度；通过对细胞的阻抗特性测量得到细胞的生理特征等；在电力控制领域[4,5]，通过快速测量电力线的输入阻抗、调节有源滤波器，可防止电网发生振荡，保证电力传输的质量等；由于电子元器件的发展，使得元器件越来越小，频率越来越高，需要在应用中实时反映出阻抗变化，因此，设计一款测量精度高，量程大，宽频带，能耗低的阻抗测量仪很有实用价值。1.2国内外发展现状对于当今的电子工业而言，无论从设计到生产还是到对问题的处理解决方案，测量技术都是至关重要的一环。我们可以知道，国际上监测仪器仪表技术和阻抗测量理论经历了以下三个阶段[6]：第一阶段测量技术主要是采用模拟式测量技术；第二阶段，数字式仪表代替模拟式仪表，在这一阶段，以微计算机、独立操作系统、各种标准总线结构为特征，可互相通讯、扩展式仪器和自动测试系统及相应测量技术得到快速发展，并逐步走向成熟；第三阶段，大规模集成电路技术的应用，使控制芯片运算能力大大增强，体积大幅度缩小，可以方便地植入仪器内部，从而使仪器具有判断、控制、存储、运算甚至更高的智能化特性。国际著名的测量企业诸如：Fluke、Keithley、Wayne-Kerr、Agilent（原HP仪器）、等在DSP算法的数字测量方面取得了一定的进展。如：2006年推出E4980A(20Hz~2MHz）精密阻抗测量仪，具有出色的精度和可重复性。惠普的HP4274A其频率范围从100Hz到100kHz共13个可选频率测试点。测试电压范围为1mV～5V,

适应于电路设计、产品实验、质量检查多方面测量要求,适用于工程测量，缺憾是价格昂贵。这些仪器均以数字信号处理算法为核心，电路紧凑、对比传统仪器，它在测量带宽、测量量程、测量精度以及性价比都有大幅提高。在国内，研究机构也开发了一些全自动阻抗测量仪，如矢量网络分析仪，测量频带宽，精度大，但在功能上、实用化方面均未达到理想效果，大多数厂家采用的是单片机结构，这些仪器性能单一，通用性和扩展性差，开发和维护相对复杂，已不能满足市场的要求。1.3本文的研究内容本文以阻抗测量为基础，综述了阻抗测量的几种基本方法，即电桥法、谐振法、电压电流法、RF电压电流法、网络分析仪法和自动平衡电桥法，每一种方法都有不同的频率范围，测量范围也受到限制；本研究是运用带微处理器STM32的数字式阻抗测量系统将阻抗参数虚、实部分分离测量；同时利用DDS芯片AD9854提供同步信号源，使阻抗测量具有了快速、多功能、宽量限、多频率使用的优点，因此，本文使用软硬件结合的方式实现了阻抗的自动测量。以下是本文的结构安排第一章，介绍了本研究的研究目的及意义，综述了国内外研究现状，提出了现存问题的解决方法。第二章，理论分析阻抗测量中几种常用方法，电桥法、谐振法、电压电流法、RF电压电流法、网络分析仪法和自动平衡电桥法，阐述了其基本原理及优缺点。第三章，主要介绍了本研究系统的架构，原理，以及控制器的选择与实现。第四章，综合阐述了DDS同步信号源的原理及在本研究中的应用以及AD9854芯片的连接及其功能的实现。第五章，主要是本研究内容软件部分的设计，其中分别对各个部分的功能实现配置了相应的程序。充分利用了STM32固件库。第六章，对本研究进行了总结与展望。1.4本章小结本章主要从研究背景和意义以及国内外现状阐述了设计一款实用型阻抗测量仪的必要性和可行性。提出了一种以AD9854芯片和STM32处理器为核心的阻抗测量体系研究方案，实现阻抗自动测量。第2章阻抗的测量理论和方法2.1阻抗定义及测量原理2.1.1阻抗理论阻抗是电路中的电阻、电感、电容对交流电的阻碍作用的统称。阻抗衡量在电路中流动的交流电所遇到的阻碍。阻抗将电阻的概念加以延伸至交流电路领域，不仅描述电压与电流的相对振幅，也描述其相对相位。当通过电路的电流是直流电时，电阻与阻抗相等，电阻可以视为相位为零的阻抗。图2-1阻抗定义图图2-2阻抗矢量图阻抗是表征一个元器件或电路中电压、电流关系的复数特征量，用公式表示为导纳Y是阻抗Z的倒数，即2.1.2阻抗元件的R、L、C特征可知电感线圈、电容器、电阻器的实际阻抗随各种因素而变化，它是动态量，在不同条件下，反映出来的特征各不相同。元件的影响因素测试信号频率：电子元件都与信号频率有相关性，其影响与寄存参数有关。测试信号电平：某些元件对电平变化敏感性强，如高介电常数和高导磁率元件。直流偏置电压和电流：偏置电压或电流的不同会导致元件参数的变化。温度：温度系数是一项重要的技术指标其它影响因素（环境，温度，老化等）以下列举其频率响应图2-3电阻器的频率响应图2-4电感器的频率响应图2-5电容器的频率响应2.2阻抗的测量方法2.2.1电桥法图2-6电桥法测量原理图电桥法的优缺点和频率范围高精度（0.1%典型值）使用不同电桥可得到宽频率范围价格低需要手动平衡单台仪器的频率覆盖范围较窄频率范围：DC-300MHz2.2.2谐振法图2-7谐振法测量原理图原理改变电容C直到电路谐振谐振时XL=XC仅有RX存在谐振法的优缺点和频率范围可测很高的Q值需要调谐到谐振阻抗测量精度低频率范围：10KHz-70MHz2.2.3电压电流法图2-8电压电流法测量原理图原理由测量的电压值和电流值计算被测阻抗ZX电流通过它所流经的RS上的电压计算电压电流法的优缺点和频率范围可测量接地器件适合于探头类测试需要使用简单工作频率范围受使用探头的变压器的限制频率范围：10KHz-100MHz2.2.4RF电压电流法图2-9低阻抗类型图2-10高阻抗类型射频电压电流法的优缺点和频率范围高精度（0.1%典型值）高频下的宽阻抗范围工作频率范围受使用探头的变压器的限制频率范围：1MHz-3GHz2.2.5自动平衡电桥法图2-11自动平衡电桥法原理图原理通过DUT的电流也通过电阻R“L”点的电位保持为0V（称为虚地）自动平衡电桥法的优缺点和频率范围高精度（0.05%典型值）很宽的测量范围使用简单不能适应更高的频率范围频率范围：20Hz-110MHz2.2.6网络分析法图2-12网络分析法原理图原理通过测量输入信号与反射信号之比得到反射系数用定向耦合器或电桥检测反射信号用网络分析仪提供激励并测量响应网络分析法的优缺点和频率范围高频率范围当被测阻抗接近特征阻抗时得到高精度改变测量频率需要重新校准阻抗测量范围窄频率范围：300KHz-3GHz2.3本章小结本章介绍了几种常用阻抗测量方法的原理，每一种方法都有各自的优缺点，首先必须考虑测量的要求和条件，然后选择最适合的方法，需要考虑的因素包括频率覆盖范围、测量量程、测量精度和操作的方便性。第3章阻抗测量仪的整体设计3.1STM32官方固件库简介STM32固件函数库是一个固件函数包，它由程序、数据结构和宏组成，包括了微控制器所有外设的性能特征。该函数库还包括每一个外设的驱动描述和应用实例。通过使用固件函数库，无需深入掌握细节，也可以轻松应用每一个外设。每个外设驱动都由一组函数组成，这组函数覆盖了该外设所有功能。每个器件的开发都由一个通API(applicationprogramminginterface应用编程界面)驱动，API对该驱动程序的结构，函数和参数名称都进行了标准化。固件库其实就是函数的集合，可以与寄存器直接关联，为用户提供调用函数的接口。但是这种方法的劣势是需要去掌握每个寄存器的用法，才能正确使用STM32，而对于STM32这种级别的MCU，数百个寄存器记起来又是谈何容易。于是ST推出了官方固件库，固件库将这些寄存器底层操作都封装起来，提供一整套接口供开发者调用，大多数场合下，不需要去知道操作的是哪个寄存器，只需要知道调用哪些函数即可。3.2系统阻抗测量原理图3-1阻抗测量原理图如图3-1所示,信号源给出一定频率和电压的信号，经过被测元件Zx，采集通过元件的电压Ez；流经Zx的电流经过Rz转换为电压，测得为Eo。Ez、Eo最后经过转换传送至CPU，经过计算处理，得到相应的阻抗参数。由前可知阻抗是复数，故有：Z由图可知ZE故可知Z令E带入可得Z比较可以推出R所以我们知道，只需要测得V1,V2，V3，V4，的值即可以算出Rx和Xx的值，求得阻抗。根据以上原理设计了本系统，测量系统由7部分组成：同步信号源，阻抗/电压变换电路，放大电路，滤波电路，A/D转换电路，STM32模块，显示模块,如图3-1。通过STM32进行AD采集，将测量结果显示在液晶屏上。其中，同步信号源由STM32控制直接数字频率合成器（DDS）芯片AD9854,产生同步正交信号，作为信号源通过放大电路对弱信号进行放大，从而减小失真，通过模拟开关的切换，测量阻抗的幅值和相位。图3-2测量系统原理图实际运用过程中，外部环境的噪声和电磁波会对测量产生影响，这类影响大多属于共模干扰，我们可知差分运算放大器能抑制这种干扰，自适应滤波也可以有效降低噪声和谐波的负作用。因此，需要对干扰设置相应的电路。图3-3是能有效抑制干扰的电路图，其中一组频率相同的正交信号乘以通过锁定放大器放大后的电信号，再把阻抗的幅值和相位分开，同时用双差分减法器完成阻抗和电压的相互转换，然后用STM32完成A/D采集，实现阻抗测量图3-3阻抗-电压转换图图3-4锁定放大器框图途中，DDS负责信号的发送，Vsin和Vcos的频率相同，相位相差90度，由DDS应用知，对于Vsin的频率和相位可进行编程。由STM32对DDS进行编程和控制。锁定放大器经过乘法器的实现，其输出通过低通滤波器即可得到与阻抗幅值和相位相关的信息，Vr为R5的两端的电压，通过Z的电流与R5的相等。i=3个仪表放大器AD620的增益分别为K1，K2，K3V代入上式得VV其中C=RV若已知Vsin，测出V0的值就可以测得阻抗值Z。同时需要减少干扰，采用了双相锁定放大器来测量V0的幅值和相位。通过一组幅值，频率相同的正交信号与被测信号Vo相乘，f为乘法器常数，|Vrel|是正交信号的幅值。VVV1,V2是直流信号，用STM32的AD采集，通过上述两公式可以求出V0的幅值和相位φV0=由图3-4,分别设正交信号为K1sinwt和K2sinwt,设经过阻抗变换输出的信号为A2sin(wt+φ1),它分别和K1sinwt、KKK进过滤波后剩下直流分量K1K2φ3.3STM32主控制器3.3.1关于STM32F103ZET6微控制器的相关介绍STM32F103ZET6增强型微处理器具有32位基于ARM核心的带512K字节闪存的微控制器USB、CAN、11个定时器、3个ADC、13个通信接口。使用高性能的ARMCortex-M332位的RISC内核，工作频率为72MHz，内置高速存储器(高达128K字节的闪存和20K字节的SRAM)，丰富的增强I/O端口和联接到两条APB总线的外设。包含2个12位的ADC、3个通用16位定时器和一个PWM定时器，还包含标准和先进的通信接口：多达2个I2C和SPI、3个USART、一个USB和一个CAN。STM32F103ZET6工作于-40°C至+105°C的温度范围，供电电压2.0V至3.6V，一系列的省电模式保证低功耗应用的要求[7]。功能■内核：ARM32位的Cortex™-M3CPU−72MHz，1.25DMips/MHz（Dhrystone2.1），0等待周期的存储器−单周期乘法和硬件除法■存储器−从32K字节至128K字节的闪存程序存储器−从6K字节至20K字节的SRAM■时钟、复位和电源管理−2.0至3.6伏供电和I/O管脚−上电/断电复位(POR/PDR)、可编程电压监测器(PVD)−内嵌4至16MHz高速晶体振荡器−内嵌经出厂调校的8MHz的RC振荡器−内嵌40kHz的RC振荡器−PLL供应CPU时钟−带校准功能的32kHzRTC振荡器■低功耗−睡眠、停机和待机模式−VBAT为RTC和后备寄存器供电■2个12位模数转换器，1us转换时间(16通道)−转换范围：0至3.6V−双采样和保持功能−温度传感器■DMA−7通道DMA控制器−支持的外设：定时器、ADC、SPI、I2C和USART■多达80个快速I/O口−26/37/51/80个多功能双向5V兼容的I/O口−所有I/O口可以映像到16个外部中断■调试模式−串行线调试(SWD)和JTAG接口■多达7个定时器−多达3个16位定时器，每个定时器有多达4个用于输入捕获/输出比较/PWM或脉冲计数的通道−16位6通道高级控制定时器−多达6路PWM输出−死区控制、边缘/中间对齐波形和紧急制动−2个看门狗定时器(独立的和窗口型的)−系统时间定时器：24位自减型■多达9个通信接口−多达2个I2C接口(SMBus/PMBus)−多达3个USART接口，支持ISO7816，LIN，IrDA接口和调制解调控制−多达2个SPI同步串行接口(18兆位/秒)−CAN接口(2.0B主动)−USB2.0全速接口■ECOPACK®封装（兼容RoHS）ARM的Cortex-M3处理器是最新一代的嵌入式ARM处理器，它为实现MCU的需要提供了低成本的平台、缩减的管脚数目、降低的系统功耗，同时提供卓越的计算性能和先进的中断系统响应。ARM的Cortex-M3是32位的RISC处理器，提供额外的代码效率，在通常8和16位系统的存储空间上得到了ARM核心的高性能。3.3.2STM32连接为了读图方便，系统原理图设计采用网络标识符。系统主控制器STM32部分原理图，如图3.5所示。由图中可知，在采用并行传输模式下，STM32的PA.0-PA.7管脚和AD9854的8位并行双向数据线相连，控制器通过这些双向的数据线，向对应AD9854寄存器中写入数据，完成对AD9854的初始化，幅值、频率和相位的改变；PG.0-PG.5连接AD9854的地址线，通过地址线的改变，给出相应内部寄存器的地址；PC.0-PC.7与AD9854的控制和状态信号相连，如：时钟更新信号、读信号、写信号、读数据或者写数据信号、连接方式选择信号，依据AD9854的读写时序，控制这些信号的状态，才能熟悉并正确使用的此DDS芯片。PA.9、PA.10接串口芯片MAX3232的收、发信号，预留串口主要是为系统调试做准备的。PB.0、PB.1是两路的AD采集通道，分别对阻抗幅值和相位进行测量，PB.0是ADC12_IN8通道，PB.1是ADC12_IN9通道。PA.8是按键的接口，控制着同步信号源频率的改变。PF.6是LED的接口，是系统运行的指示灯。FSMC_D0-FSMC_D15是FSMC总线的数据线，FSMC_A0是地址线，他们用来驱动LCD。地址线选了FSMC_A0，则LCD数据存储的基地址设为：u32(0x6C000000|0x00000000)。地址建立时间、数据建立时间、地址保持时间，是FSMC主要的3个时间参数。图3.5STM32连接图3.3.3STM32对AD的采集STM32的ADC有18个通道，包括对内部信号源测量的2个通道和对外部信号源测量的16个通道，它属于逐次逼近型的12位模拟数字转换器。A/D转换的模式有四种分别是：单次、扫描、连续、和间断模式。ADC采集的结果，存储在16位数据寄存器中，有左对齐和右对齐两中对齐方式。STM32的ADC最大的转换速率为1Mhz，也就是转换时间为1us，不要让ADC的时钟超14M，否则将导致结果准确度下降。涉及到AD采集时，就有必要提及DMA（DirectMemoryAccess，即直接存储器访问）方式。DMA是用来提供在外设和存储器之间的高速数据传输的，将数据从一个地址空间复制到另外一个地址空间。DMA传输对于高效能嵌入式系统算法和网络是很重要的。DMA传输方式无需CPU直接控制传输，也没有中断处理方式那样保留现场和恢复现场的过程，通过硬件为RAM与I/O设备开辟一条直接传送数据的通路，能使CPU的效率大为提高，节约了CPU的资源[8,9]。STM32同时采两路AD的值，根据采集AD的值，计算出所求阻抗的幅值和相位，AD模块的硬件电路，如图3.6所示。图3-6采集模块电路图3.4系统的串口通讯串口通信(SerialCommunication)，是指外设和计算机间，通过数据信号线、地线、控制线等，按位进行传输数据的一种通讯方式。串口通信最重要的参数是波特率、数据位、停止位和奇偶校验。对于两个进行通信的端口，这些参数必须匹配[10,11]。（1）波特率：这是一个衡量通信速度的参数。它表示每秒钟传送的位的个数。例如300波特表示每秒钟发送300个位。通常电话线的波特率为14400，28800和36600。波特率可以远远大于这些值，但是波特率和距离成反比。高波特率常常用于放置的很近的仪器间的通信，典型的例子就是GPIB设备的通信。（2）数据位：这是衡量通信中实际数据位的参数。当计算机发送一个信息包，实际的数据不会是8位的，标准的值是6、7和8位。如何设置取决于你想传送的信息。比如，标准的ASCII码是0～127（7位）。扩展的ASCII码是0～255（8位）。如果数据使用简单的文本（标准ASCII码），那么每个数据包使用7位数据。每个包是指一个字节，包括开始/停止位，数据位和奇偶校验位。由于实际数据位取决于通信协议的选取，术语“包”指任何通信的情况。[2]（3）停止位：用于表示单个包的最后一位。典型的值为1，1.5和2位。由于数据是在传输线上定时的，并且每一个设备有其自己的时钟，很可能在通信中两台设备间出现了小小的不同步。因此停止位不仅仅是表示传输的结束，并且提供计算机校正时钟同步的机会。适用于停止位的位数越多，不同时钟同步的容忍程度越大，但是数据传输率同时也越慢。（4）奇偶校验位：在串口通信中一种简单的检错方式。有四种检错方式：偶、奇、高和低。当然没有校验位也是可以的。对于偶和奇校验的情况，串口会设置校验位（数据位后面的一位），用一个值确保传输的数据有偶个或者奇个逻辑高位。例如，如果数据是011，那么对于偶校验，校验位为0，保证逻辑高的位数是偶数个。如果是奇校验，校验位为1，这样就有3个逻辑高位。高位和低位不真正的检查数据，简单置位逻辑高或者逻辑低校验。这样使得接收设备能够知道一个位的状态，有机会判断是否有噪声干扰了通信或者是否传输和接收数据是否不同步。设计串口电路如下图图3-7串口连接电路3.5阻抗测试仪按键与显示系统运行时，LED闪烁，作为系统是否正在运行的判断。本系统是通过按键，改变同步信号源的频率，完成在不同频率下，对阻抗的测量。系统的按键以及LED的连接电路，如图3.8所示。图3-8按键与LED电路3.6STM32对晶显示的控制3.6.1TFT-LCD概述及与STM32的连接TFT(ThinFilmTransistor)LCD即薄膜场效应晶体管LCD，是有源矩阵类型液晶显示器(AM-LCD)中的一种。与无源TN-LCD、STN-LCD的简单矩阵不同，它在液晶显示屏的每一个象素上都设置有一个薄膜晶体管，可以对屏幕上的各个独立的像素进行控制，即主要控制各个像素显示相应的颜色。能有效地克服，没有选通时的串扰，使显示液晶屏的静态特性与扫描线数无关，因此大大提高了图像质量。TFT液晶为每个像素都设有一个半导体开关，每个像素都可提高了显示屏的反应速度，同时可以精确控制显示色阶，所以TFT液晶的色彩更真。液晶显示模块与STM32的连接线图如图3-9所示从图中可以看出，TFT-LCD模块采用16位的并行方式与外部连接，因为彩屏的数据量比较大，选择16位的接口，能够提高运行的速度。TFT-LCD模块，其驱动芯片有很多种类型，本设计选用的LCD控制器是ILI9320，它是一款带有262144种颜色的单芯片SoC驱动的晶体管显示器，320×240的分辨率，包括720路源极驱动以及320路的栅极驱动，自带有显存，容量为172800字节。该模块的接口有如下一些信号线：CS：TFTLCD片选信号。WR：向TFTLCD写入数据。RD：从TFTLCD读取数据。D[15：0]：16位双向数据线。RST：硬复位TFTLCD。RS：命令/数据标志（0，读写命令；1，读写数据）。图3-9TFTLCD与STM32接口定义图3.6.2关于FSMC的介绍FSMC(FlexibleStaticMemoryController，可变静态存储控制器)是STM32系列采用一种新型的存储器扩展技术。在外部存储器扩展方面具有独特的优势，可根据系统的应用需要，方便地进行不同类型大容量静态存储器的扩展[12]。FSMC是STM32系列中内部集成256KB以上FlaSh，后缀为xC、xD和xE的高存储密度微控制器特有的存储控制机制。之所以称为“可变”，是由于通过对特殊功能寄存器的设置，FSMC能够根据不同的外部存储器类型，发出相应的数据/地址/控制信号类型以匹配信号的速度，从而使得STM32系列微控制器不仅能够应用各种不同类型、不同速度的外部静态存储器，而且能够在不增加外部器件的情况下同时扩展多种不同类型的静态存储器，满足系统设计对存储容量、产品体积以及成本的综合要求。具有下列优势（1）支持多种静态存储器类型，（2）支持丰富的存储操作方法（3）支持同时扩展多种存储器（4）支持更为广泛的存储器型号（5）支持代码从FSMC扩展的外部存储器中直接运行，而不需要首先调入内部SRAM。它的基本原理是：信号是通过AHB总线，传输给外部设备的，FSMC的作用是把信号转换成符合外部设备时序的控制/地址/数据信号，然后控制外设达到设计要求。通过唯一的一个片选信号区分，FSMC输出的地址、数据和控制信号到底驱动控制那个外部的存储器。FSMC在任一时刻只访问一个外部设备。具有静态存储器接口的器件有：静态随机存储器（SRAM）、只读存储器（ROM）、NORFLASH、NANDFLASH、PSRAM。本系统用到的TFTLCD就是用的FSMC_NE4做片选，其实就是将TFTLCD当成SRAM来控制。TM32的FSMC支持8/16/32位数据宽度，我们这里用到的LCD是16位宽度的,所以在设置的时候，选择16位宽[13]。我们再来看看FSMC的外部设备地址映像，STM32的FSMC将外部存储器划分为固定大小为256M字节的四个存储块，如图3-10所示。图3.10FSMC存储块模块地址映像从图可以看出FSMC管理1GB的映射地址空间。该空间划分为4个大小为256MB的BANK，每个BANK又划分为4个64MB的子BANK，如表1所列。FSMC的2个控制器管理的映射地址空间不同。NORFlash控制器管理第1个BANK，NAND/PCCard控制器管理第2～4个BANK。由于两个控制器管理的存储器类型不同，扩展时应根据选用的存储设备类型确定其映射位置。其中，BANK1的4个子BANK拥有独立的片选线和控制寄存器，可分别扩展一个独立的存储设备，而BANK2～BANK4只有一组控制寄存器[14]。3.7本章小结本章主要介绍阻抗测量系统的基本原理和方法，设计出抗干扰能力强的阻抗电压转换电路，核心由差分放大器和锁定放大器组成。以及各部分的的使用原理，重点阐述了STM32控制器的组成与应用。给出了主控制器与各模块的连接电路。第4章DDS同步信号源4.1DDS简介4.1.1DDS的发展与现状DDS同DSP（数字信号处理）一样，是一项关键的数字化技术。DDS是直接数字式频率合成器（DirectDigitalSynthesizer）的英文缩写。与传统的频率合成器相比，DDS具有低成本、低功耗、高分辨率和快速转换时间等优点，广泛使用在电信与电子仪器领域，是实现设备全数字化的一个关键技术。DDS是近年来发展起来的一种新的频率合成技术，其主要优点是相对带宽很大，频率转换时间极短（可小于20ns），频率分辨率很高，全数字化结构便于集成，输出相位连续可调，且频率、相位和幅度均可实现程控。DDS能够与计算机技术紧密结合在一起，克服了模拟频率合成和锁相频率合成等传统频率合成技术电路复杂、设备体积较大、成本较高的不足，因此它是一种很有发展前途的频率合成技术。DDS技术现已在接收机本振、信号发生器、通信系统、雷达系统等方面得到广泛应用。数字频率合成器作为一种信号产生装置己经越来越受到人们的重视，它可以根据用户的要求产生相应的波形，具有重复性好、实时性强等优点，己经逐步取代了传统的函数发生器[15,17]。4.1.2DDS工作原理图4-1DDS工作原理图DDS的工作原理是以数控振荡器的方式产生频率、相位可控制的正弦波。电路一般包括基准时钟、频率累加器、相位累加器、幅度/相位转换电路、D/A转换器和低通滤波器（LPF）。频率累加器对输入信号进行累加运算，产生频率控制数据X（frequencydata或相位步进量）。相位累加器由N位全加器和N位累加寄存器级联而成，对代表频率的2进制码进行累加运算，是典型的反馈电路，产生累加结果Y。幅度/相位转换电路实质上是一个波形寄存器，以供查表使用[18,19]。读出的数据送入D/A转换器和低通滤波器。工作过程如下：每来一个时钟脉冲Fclk，N位加法器将频率控制数据X与累加寄存器输出的累加相位数据相加，把相加后的结果Y送至累加寄存器的输入端。累加寄存器一方面将在上一时钟周期作用后所产生的新的相位数据反馈到加法器的输入端，以使加法器在下一时钟的作用下继续与频率控制数据X相加；另一方面将这个值作为取样地址值送入幅度/相位转换电路，幅度/相位转换电路根据这个地址输出相应的波形数据。最后经D/A转换器和低通滤波器将波形数据转换成所需要的模拟波形。相位累加器在基准时钟的作用下，进行线性相位累加，当相位累加器加满量时就会产生一次溢出，这样就完成了一个周期，这个周期也就是DDS信号的频率周期。4.1.3DDS优缺点优点如下：(1)频率切换时间短DDS的频率转换可以近似认为是即时的，这是因为它的相位序列在时间上是离散的，在频率控制字K改变以后，要经过一个时钟周期之后才能按照新的相位增量增加，所以也可以说它的频率转换时间就是频率控制字的传输时间，即一个时钟周期兀=1/fc。如果fc=10MHz，转换时间即为100ns，当时钟频率进一步提高，转换时间将会更短，但再短也不能少于数门电路的延迟时间。目前，集成DDS产品的频率转换时间可达IOns的量级，这是目前常用的锁相频率合成技术无法做到的。(2)频率分辨率高DDS的最低输出频率△fo=△fomin=fc/M=fc/2n，也就是它的最小频率步进量,其中N为相位累加器的位数，可见只要相位累加器有足够的字长，实现非常精密的分辨率没有多大的困难。例如可以实现Hz、mHz甚至ｕHz的频率分辨率，而传统的频率合成技术要实现这样的频率分辨率十分困难，甚至是不可能的。(3)相位变化连续DDS改变输出频率实际上改变的是每次的相位增量，即改变相位的增产速度。当频率控制字由Kl变为K2之后，它是在己有的积累相位nK1δ之上，再没次累加K2δ，相位函数的曲线是连续的，只是在改变频率的瞬间其斜率发生了突变，因而保持了输出信号相位的连续性。这在很多对频率合成器的相位要求比较严格的场合非常有用。(4)具有低相位噪声和低漂移DDS系统中合成信号的频率稳定度直接由参考源的频率稳定度决定，合成信号的相位噪声与参考源的相位噪声相同。而在大多数DDS系统应用中，一般由固定的晶振来产生基准频率，所以其具有极好的相位噪声和漂移特性。(5)易于集成、易于调整DDS中除了DAC和滤波器之外，几乎所有的部件都属于数字信号处理器件，不需要任何调整。缺点如下：（1）杂散抑制差：这是DDS的一个主要的缺点，由于DDS一般采用了相位截断技术，它的直接后果是给DDS的输出信号引入了杂散，同时波形存储器中波形幅度量化所引起的有效字长效应和D/A的非理想特性也都将对DDS的杂散抑制性能产生很大的影响，但目前DDS采用了许多新的抑制杂散办法以及新器件结构的不断出现，DDS的杂散抑制水平也不断提高，例如，抖动技术破坏了误差的周期性，从而使频谱特性得到了很大的提高。（2）工作频带受限：根据DDS的结构和工作原理，DDS的工作频率要受到器件速度的限制，和基准频率有直接的关系，但随着目前微电子水平的不断提高，DDS工作频率也有很大的提高，例如，采用CMOS工艺的DDS工作频率以由过去的几十MHz到目前的6300MHz，采用ECL工艺的DDS工作频率以由过去300MHz左右到目前的1.6GHz，而采用GaAs工艺则可达到4GHz左右，再过几年DDS的输出频率可能达到4GHz左右，其应用范围将非常广泛。（3）相位噪声性能：与其它频率合成器相比，DDS的全数字结构使得相位噪声不能获得很高的指标，DDS的相位噪声主要由参考时钟信号的性质、参考时钟的频率与输出频率之间的关系以及器件本身的噪声基底决定。理论上DDS输出信号的相位噪声会对参考时钟信号的相位噪声有的改善但在实际工程中，必须要考虑包括相位累加器、ROM和D/A等各种部件噪声特性对DDS相位噪声性能的限制[20]。4.2AD9854概述AD9854数字合成器是高集成度的器件，它采用先进的DDS技术，片内整合了两路高速、高性能正交D/A转换器通过数字化编程可以输出I、Q两路合成信号。在高稳定度时钟的驱动下，AD9854将产生一高稳定的频率、相位、幅度可编程的正弦和余弦信号[21]。AD9854的工作过程是，信号经过频率累加器，变为线性增加的瞬时频率，然后经相位累加器输出的二次瞬时相位，通过这个相位值在正弦值存储表中寻址，得到与相位相符的幅度量比值，再经数模转换后，得到连续的阶梯波，经反辛革滤波器除去其中的高频分量。图4-2AD9854功能结构框图如图4-2所示，AD9854内部包括一个具有48位相位累加器、一个可编程时钟倍频器、一个反sinc滤波器、两个12位300MHzDAC，一个高速模拟比较器以及接口逻辑电路。其主要性能特点如下：1. 高达300MHz的系统时钟；2. 能输出一般调制信号，FSK，BPSK，PSK，CHIRP，AM等；3. 100MHz时具有80dB的信噪比；4. 内部有4*到20*的可编程时钟倍频器；5. 两个48位频率控制字寄存器，能够实现很高的频率分辨率。6. 两个14位相位偏置寄存器，提供初始相位设置。7. 带有100MHz的8位并行数据传输口或10MHz的串行数据传输口[22]。4.3AD9854的连接并行模式下，AD9854的双向传输8位数据线D0-D7，与STM32的通用I/O口PA.0-PA.7连接，由于电平相同，所以可以直接相连不用使用电平转换芯片，减小了电路设计难度，降低了设计成本。地址线A0-A5与STM32的PG0-PG5相连，通过改变PG0-PG5的值，给出初始化AD9854和改变幅值、频率、相位的相应寄存器的地址，然后在对应寄存器写入相应的值。AD9854的控制位RST、SP、OSK、WR、RD、F/B/H、IOUD和处理器的PC.0-PC.6相连，完成了对AD9854的复位、模式选择、读、写、更新信号的控制。连接电路如下图所示图4-3AD9854的连接电路4.4AD9854功能的实现4.4.1芯片初始化AD9854提供了串行和并行两种控制方式，为了满足高速的调制功能，将S/PSELECT管脚直接连+3.3V，设置为1，采用并行输入输出方式。并行接口有8位数据线和6位地址线。首先对AD9854的I/Oupdate信号进行设置，I/Oupdate是一个由低到高的上升沿信号，输入的数据先存在I/O口的缓冲寄存器中，等待上升沿的到来，即I/Oupdate(Pin20)上升沿的到来，然后将数据转移到DDS的核心寄存器，正确的设置才能使AD9854正常工作。这个信号可以选择从外部或者内部产生。选择外部提供时，程序寄存器中转移数据部分时，可能造成程序执行错误，所以应将内部的系统时钟与外部同步。选择内部还是外部，由控制寄存器（1Fh）中的最低位Internal/externalupdateclock决定，内部产生选择1，外部产生选择0。32位的updatedclock寄存器，决定了内部产生的I/Oupdate信号的周期，计算公式是(N+1)×(SystemClockPeriod×2)，其中SystemClockPeriod是系统时钟的倒数，N是32位寄存器中需要输入的数值，它的取值范围是1-(232-1)。需要给I/OUpdate信号，提供8个时钟周期的高电平[23]。然后，需要对40个内部的寄存器进行设置。控制寄存器的地址为1Dh-20h，其字长为32位，包括了对系统时钟频率控制、比较器、工作模式控制、输出幅度、输出频率、输出相位的控制。控制比较器开关、各个输出通路的开关的寄存器，其对应的地址为1D。各个通路都有输出，且没有使用比较器。所以写入1D地址寄存器的值为10h，即该寄存器的默认值。接下来，设置1E地址的寄存器。外部使用40MHz的晶振作，系统工作频率设200MHz，倍乘器倍数为5，所以PLLRange位，设置为1，打开PLL倍乘器开关，而BypassPLL位，设置为0，所以地址1E的控制器中应写入的数据为45h。控制芯片工作模式和I/Oupdate信号产生方式的寄存器，其地址为1F，模式选择的是FSK，内部产生I/Oupdate信号，所以寄存器写入的数据为03h.控制输出波形幅值及串行方式通信的寄存器，地址为20。本设计使用并行传输方式，所以一些串行的设置都默认为0。OSKINT位设置为1、OSKEN位设置为0，则要AD9854内部产生幅值。OSKINT位设置为0、OSKEN位设置为1，则需要通过专门的幅值寄存器，调整输出的幅值。在此我们选择了默认值20h。AD9854有个两个频率寄存器和两个相位寄存器，控制寄存器设置完以后，可以设置幅度寄存器、频率寄存器和相位寄存器。地址为00和01寄存器，是输出波形的相位寄存器，它的字长是14位，因此具有14位的精度。波形的频率寄存器，字长为48位，地址为04至09，需要往里面写入48的频率控制字。频率控制字的计算公式是：FTW=（DesiredOutputFrequency×2N）/SYSCLK，其中N是相位累加器的字长，在这里为48，计算出来的结果是一个十进制数字，所以要把它转化为48位的二进制数[24]。此寄存器控制输出的频率范围，可从0到二分之一的系统时钟。控制幅度进行的寄存器是地址为21-24的OutputShapeKeyI和OutputShapeKeyQ，它们都是12位的寄存器。至此，完成了对AD9854的初始化。4.4.2AD9854的时序图在对AD9854进行读写操作时，重要的问题是要掌握它的读写时序，在系统软件设计中，没有对AD9854进行读操作，所以只对写操作的时序进行了介绍。AD9854并行方式的写时序，如图4.4图所示。图4-4AD9854并行方式写时序图并行工作时，首先对主复位MASTERRESET进行复位，需要置高10个以上系统周期，主要作用是初始化系统总线，主复位以后才可以对其它寄存器进行读写操作。所以数据完成以后要给AD9854一个更新脉冲（I/Oupdate端口），更新时钟的作用是将所写的数据送入到相应的寄存器中。在进行写操作时,可将地址和数据同时写入，在WR引脚接收到一个高电平后，数据和地址被写入。4.5本章小结本章主要介绍了DDS同步信号源，综合阐述了其运用原理，以及AD9854芯片的连接以及功能的实现。主控制器通过并行传输方式和AD9854进行通信，并对并行传输时的时序图进行了说明。第5章系统软件设计及测试结果5.1软件流程设计KKNYN清空存储寄存器判断频率是否超出范围结束是否有键按下开始初始化键盘扫描程序执行显示程序计算频率控制字显示当前f,Z计算阻抗AD采集DDS更新频率出入频率控制器Y图5-1程序设计流程图首先，对STM32系统时钟、中断、串口、AD、LCD等进行初始化。STM32与AD9854间采用并行通信，将给定的频率和相位，写入AD9854相应的寄存器，产生一组正交的激励信号；延时到低通滤波器完成滤波后，对待测元件进行阻抗测量，启动A/D，同时完成对两路A/D的采集，读取转换结果，通过阻抗转换的算法，计算出阻抗值，并通过液晶显示此时激励信号的频率，和对于阻抗的幅值和相位。也可以通过串口，把测试数据传输到计算机上。一个频率点测试完成后，通过按键改变激励信号的频率，测试下一个测试点，重复以上步骤，直到达到频率的上限，就可以完成阻抗的测试5.2AD9854各部分程序设计（1）与STM32连接的I/O口的设置（部分管脚）GPIO_InitTypeDefGPIO_InitStructure;GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_0|GPIO_Pin_1|GPIO_Pin_2|GPIO_Pin_3|GPIO_Pin_4|GPIO_Pin_5|GPIO_Pin_6|GPIO_Pin_7;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_Out_PP;GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);（2）AD9854的初始化，给出寄存器的地址，写入相应数据。voidsend_byte(u8add,u8data)（3）根据计算公式，给出AD9854的幅值和频率函数。voidAD9854_F1(doublef){table9854[0]=(u8)((f*256)/160000000);table9854[1]=(u8)(((f*256)/160000000-table9854[0])*256);table9854[2]=(u8)((((f*256)/160000000-table9854[0])*256-table9854[1])*256);table9854[3]=(u8)(((((f*256)/160000000-table9854[0])*256-table9854[1])*256-table9854[2])*256);table9854[4]=(u8)((((((f*256)/160000000-table9854[0])*256-table9854[1])*256-table9854[2])*256-table9854[3])*256);table9854[5]=(u8)(((((((f*256)/160000000-table9854[0])*256-table9854[1])*256-table9854[2])*256-table9854[3])*256-table9854[4])*256);send_byte(FTW1_6,table9854[0]);send_byte(FTW1_5,table9854[1]);send_byte(FTW1_4,table9854[2]);send_byte(FTW1_3,table9854[3]);send_byte(FTW1_2,table9854[4]);send_byte(FTW1_1,table9854[5]);}voidAD9854_V(floatv){if(v>=1){table9854[6]=0xff;table9854[7]=0xff;}else{table9854[6]=((u16)(v*4096))/256;table9854[7]=((u16)(v*4096))%256;}send_byte(OSKI_2,table9854[6]);send_byte(OSKI_1,table9854[7]);send_byte(OSKQ_2,table9854[6]);send_byte(OSKQ_1,table9854[7]);}5.3模数AD采集配置STM32的PB.0和PB.1是AD采集的通道，PB.0是AD采集的通道8，PB.1是AD采集的通道9，AD采集的软件设计主要步骤为：（1）开启PB口时钟和ADC1时钟，设置PB.0、PB.1为模拟输入。RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1|RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);GPIO_InitTypeDefGPIO_InitStructure;GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_0|GPIO_Pin_1;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AIN;GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_InitStructure);（2）开初始化ADC1参数，设置ADC1的工作模式以及规则序列的相关信息ADC_InitTypeDefADC_InitStructure;ADC_RegularChannelConfig(ADC1,ADC_Channel_8,1,ADC_SampleTime_55Cycles5);ADC_RegularChannelConfig(ADC1,ADC_Channel_9,2,ADC_SampleTime_55Cycles5);（3）开启DMA时钟及参数设定RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_DMA1,ENABLE);DMA_InitTypeDefDMA_InitStructure;DMA_DeInit(DMA1_Channel1);DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr=DR_ADDRESS;DMA_InitStructure.DMA_MemoryBaseAddr=(uint32_t)&AD_Value;DMA_Init(DMA1_Channel1,&DMA_InitStructure);DMA_Cmd(DMA1_Channel1,ENABLE);（4）使能ADC并校准①使能指定的ADC：ADC_Cmd(ADC1,ENABLE);②执行复位校准：ADC_ResetCalibration(ADC1);③执行ADC校准：ADC_StartCalibration(ADC1);（5）读取ADC值ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1,ENABLE);ADC_GetConversionValue(ADC1);5.4液晶显示屏的控制（1）初始化STM32与TFTLCD模块相连接的IO口（部分代码）GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_0|GPIO_Pin_1|GPIO_Pin_4|GPIO_Pin_5|GPIO_Pin_8|GPIO_Pin_9|GPIO_Pin_10|GPIO_Pin_14|GPIO_Pin_15;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AF_PP;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOD,&GPIO_InitStructure);（2）初始化FSMCFSMC_NORSRAMInitStructure.FSMC_Bank=FSMC_Bank1_NORSRAM4;FSMC_NORSRAMInitStructure.FSMC_DataAddressMux=FSMC_DataAddressMux_Disable;FSMC_NORSRAMInitStructure.FSMC_MemoryType=FSMC_MemoryType_SRAM;FSMC_NORSRAMInitStructure.FSMC_MemoryDataWidth=FSMC_MemoryDataWidth_16b;（3）初始化TFTLCD模块通过向TFTLCD寄存器中写入一系列的数据，来启动TFTLCD的显示。写入寄存器地址的函数：voidLCD_WR_REG(u16regval){LCD->LCD_REG=regval;}写入数据的函数：voidLCD_WR_DATA(u16data){LCD->LCD_RAM=data;}（4）通过函数将字符和数字显示到TFTLCD模块上①显示数字的函数：voidLCD_ShowxNum(u16x,u16y,u32num,u8len,u8size,u8mode)②显示字符串的函数：voidLCD_ShowString(u16x,u16y,u16width,u16height,u8size,u8*p)5.5按键对LED的控制按键（USER1）与STM32的PA.8相连，指示灯（LED）与PF.6相连。按键配置成上拉输入，LED配置成推挽输出模式。voidKEY_Init(void){GPIO_InitTypeDefGPIO_InitStructure;RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_8;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_IPU;GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);}voidLED_Init(void){GPIO_InitTypeDefGPIO_InitStructure;RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOF,ENABLE);GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_6;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_Out_PP;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOF,&GPIO_InitStructure);GPIO_SetBits(GPIOF,GPIO_Pin_6);}5.6计算阻抗值由STM32完成两路AD采集，通过计算得出阻抗的幅值和相位voidV0PhaseCovertValue(void){doubleVAL1,VAL2;doubleV0AmpValue,V0temp;VAL1=(double)value1;VAL2=(double)value2;VAL1=VAL1/1000;VAL2=VAL2/1000;V0PhaseValue=atan2(VAL2,VAL1);V0PhaseValue=V0PhaseValue*DU;V0temp=cos(V0PhaseValue);V0AmpValue=VAL1/K1;V0AmpValue=V0AmpValue/V0temp;ZKAmpValue=V0AmpValue/K2;ZKAmpValue=ZKAmpValue-K3;}5.7系统仿真选用一阶RC低通滤波器，电路较易搭建，其中电阻R的阻值100K，电容C的容值为0.01F。电路原理图如图5.2所示，通过试验得到的实验数据如表5.1所示。图图5-2一阶RC低通滤波器R100K阻抗测量系统C0.01Uf表5-1系统仿真结果频率/Hz测试阻抗相位/°理论阻抗相位/°误差/%测试阻抗幅值/Ω理论阻抗幅值/Ω误差/%1.000-89.122-89.6400.5815918811.39115916323.1591.48e-65.000-86.825-88.2011.563186261.9683186282.9906.60e-610.000-85.608-86.4050.921595472.4531595493.5981.33e-550.000-75.607-76.5621.25333700.256333705.5921.60e-5100.000-57.618-57.8710.43188029.870188031.9071.10e-51K.000-9.102-9.0480.60101255.579101259.8644.23e-510K.000-0.903-0.9