海濤 陸代澤 韋文 吳宗霖 海藍(lán)天

摘? 要：為了實(shí)現(xiàn)對(duì)各類信號(hào)源的模擬、捕獲和顯示，基于STM32設(shè)計(jì)了一個(gè)綜合實(shí)驗(yàn)方案，并采取“信號(hào)發(fā)生+信號(hào)捕獲”的設(shè)計(jì)理念.以方波信號(hào)為例，利用STM32開發(fā)板，設(shè)計(jì)了一套方波信號(hào)源和相應(yīng)的檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用一塊STM32按要求輸出不同類型的方波信號(hào)，另一塊STM32對(duì)方波信號(hào)進(jìn)行捕獲.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：?jiǎn)纹瑱C(jī)1可成功實(shí)現(xiàn)對(duì)方波信號(hào)的模擬，單片機(jī)2則實(shí)現(xiàn)了對(duì)信號(hào)的捕獲與顯示，證實(shí)了方案的正確性與可行性.該方案是一種拓寬單片機(jī)實(shí)驗(yàn)范圍的新思路，可應(yīng)用于對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)各類信號(hào)源的模擬及捕獲.

關(guān)鍵詞：STM32;信號(hào)源;方波信號(hào);輸入捕獲

中圖分類號(hào)：TP368;TN409? ? ? ? DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2021.01.004

0? ? 引言

目前，國(guó)內(nèi)高校的單片機(jī)教學(xué)都是以51系列單片機(jī)為教學(xué)對(duì)象，實(shí)驗(yàn)裝置多以51系列單片機(jī)為控制核心[1-4].雖然可以使用ATmega 16等性能更強(qiáng)的單片機(jī)替代51系列單片機(jī)，從而完成對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置的升級(jí)改造[5].但是實(shí)驗(yàn)裝置采取的是實(shí)驗(yàn)箱的形式，不僅笨重而且大都是偏向于驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)[6].當(dāng)學(xué)生需要進(jìn)行一些創(chuàng)新性設(shè)計(jì)時(shí)，實(shí)驗(yàn)裝置無法滿足要求，迫切需要新的單片機(jī)及理念來滿足學(xué)生的學(xué)習(xí)需求.與51單片機(jī)相比，STM32具有內(nèi)核先進(jìn)、高度集成、性能出眾、易于開發(fā)、便于攜帶的特點(diǎn)[7]，且相關(guān)軟件、硬件資料完全公開[8].以STM32開發(fā)板代替原有的實(shí)驗(yàn)裝置或?qū)嶒?yàn)平臺(tái)，作為單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的延伸，有助于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新能力，為單片機(jī)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)開拓了一種新的思路.

本文基于STM32開發(fā)了一個(gè)方波信號(hào)發(fā)生器及其檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，即實(shí)驗(yàn)由兩個(gè)綜合實(shí)驗(yàn)構(gòu)成（一個(gè)模擬輸出與輸入實(shí)驗(yàn)）.通過該實(shí)驗(yàn)可使學(xué)生掌握STM32的信號(hào)發(fā)生、輸入捕獲、LED顯示以及定時(shí)器的原理和應(yīng)用，起到舉一反三的作用.

1? ? 總體設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)目標(biāo)是：使用STM32單片機(jī)1（簡(jiǎn)稱單片機(jī)1）產(chǎn)生一個(gè)可調(diào)的方波信號(hào)，通過另一塊STM32單片機(jī)2（簡(jiǎn)稱單片機(jī)2）捕獲方波信號(hào)并進(jìn)行顯示.實(shí)現(xiàn)方式為：通過按鍵電路在單片機(jī)1上產(chǎn)生可調(diào)的方波信號(hào)，再由單片機(jī)2來捕獲單片機(jī)1產(chǎn)生的方波信號(hào)，最終利用液晶屏、示波器等對(duì)方波信號(hào)進(jìn)行顯示.本次設(shè)計(jì)的方波信號(hào)發(fā)生與檢測(cè)系統(tǒng)的原理圖如圖1所示：?jiǎn)纹瑱C(jī)1通過PB5與PE5端口產(chǎn)生方波信號(hào)，單片機(jī)2使用PA0與PE3端口進(jìn)行方波信號(hào)的捕獲檢測(cè).

方波信號(hào)發(fā)生器在設(shè)計(jì)時(shí)要求具有待機(jī)、PB5端口輸出方波、PE5端口輸出方波以及可調(diào)相位差等4種狀態(tài)，并通過STM32上的LED燈DS0、DS1來顯示其狀態(tài).設(shè)計(jì)的方波信號(hào)發(fā)生器預(yù)計(jì)能實(shí)現(xiàn)的功能如圖2所示.

從圖2可知，按鍵KEY0與按鍵KEY1是低電平有效，按鍵KEY_UP為高電平有效.由KEY0來實(shí)現(xiàn)狀態(tài)的切換選擇，通過KEY1與KEY_UP對(duì)方波信號(hào)進(jìn)行控制.

2? ? 方波信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)

2.1? ?硬件設(shè)計(jì)及與傳統(tǒng)發(fā)生器的對(duì)比

STM32常用的有STM32F103～F107系列，基于Cortex-M3內(nèi)核且采取的是馮·諾依曼結(jié)構(gòu)[9-10].本次實(shí)驗(yàn)的單片機(jī)選取STM32F103系列，其芯片為STM32F103ZET6，用到的硬件資源有：指示燈DS0、DS1、按鍵KEY_UP、按鍵KEY0、按鍵KEY1.通過按鍵電路與STM32單片機(jī)結(jié)合產(chǎn)生相位不同、頻率不同的方波信號(hào)，并通過LED進(jìn)行顯示.基于STM32F103ZET6方波信號(hào)發(fā)生器的電路原理圖如圖3所示.

傳統(tǒng)的方波信號(hào)發(fā)生器如圖4所示，由純硬件電路所組成，包括振蕩器、變換器、輸出級(jí)、電源等部分.方波信號(hào)的調(diào)頻、調(diào)幅等一系列控制操作均是通過旋鈕改變?cè)骷碾娮柚怠㈦娙葜祦韺?shí)現(xiàn)，但此方法存在較大的不足：通過旋鈕調(diào)節(jié)很難準(zhǔn)確調(diào)節(jié)出所需要的變量，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)耗時(shí)較大且容易存在誤差;同時(shí)，頻繁地對(duì)元器件進(jìn)行調(diào)節(jié)操作會(huì)造成器件的快速磨損，嚴(yán)重降低器件壽命，發(fā)生故障的概率相對(duì)較高.

而基于STM32的方波信號(hào)發(fā)生器是由硬件和軟件相結(jié)合來產(chǎn)生方波信號(hào)，其核心部分是由芯片STM32F103ZET6結(jié)合所編程序來實(shí)現(xiàn)方波信號(hào)的產(chǎn)生.與傳統(tǒng)信號(hào)發(fā)生器相比，其頻率和幅值的調(diào)節(jié)都是通過修改程序來實(shí)現(xiàn)，在相同實(shí)驗(yàn)條件下，可克服傳統(tǒng)純硬件方波信號(hào)發(fā)生器的一些缺點(diǎn).此外，其產(chǎn)生的方波信號(hào)可以通過單片機(jī)自身的顯示裝置進(jìn)行驗(yàn)證，更加直觀和易于操作.

2.2? ?軟件設(shè)計(jì)

方波信號(hào)實(shí)際上是一個(gè)二值函數(shù)，要使STM32產(chǎn)生一個(gè)可調(diào)的方波信號(hào)，即通過編程控制STM32的定時(shí)器，調(diào)節(jié)其I/O口電平輸出頻率.STM32擁有多個(gè)GPIO，且每個(gè)GPIO組都有16個(gè)I/O口[11].本次設(shè)計(jì)需要用到的I/O口數(shù)量為5個(gè)，其I/O分配表如表1所示.

本次實(shí)驗(yàn)以MDK5.14為STM32的開發(fā)環(huán)境，根據(jù)要求在MDK Keil軟件使用C語(yǔ)言編寫程序，并燒錄到單片機(jī)中，調(diào)整定時(shí)器參數(shù)改變I/O口輸出頻率.方波信號(hào)發(fā)生器的程序設(shè)計(jì)流程示意圖如圖5所示.

如圖5所示：在STM32中，進(jìn)行外設(shè)的配置操作之前先使能該外設(shè)時(shí)鐘，時(shí)鐘的使能通過調(diào)用函數(shù)RCC_APB2PeriphClockCmd（）實(shí)現(xiàn).而PB5與PE5初始化通過調(diào)用函數(shù)GPIO_Init（）實(shí)現(xiàn)，目的是為了配置I/O口模式和速度.開啟AFIO時(shí)鐘，是為了對(duì)AFIO_EXTICRx（x=1～4）寄存器進(jìn)行讀/寫操作而準(zhǔn)備.按照?qǐng)D5的流程圖編寫好程序后，通過與按鍵電路相結(jié)合，即可控制I/O口輸出電平的高低、頻率及脈沖寬度.

3? ? 方波信號(hào)的檢測(cè)

在STM32中，其輸入捕獲模式可以用來測(cè)量高電平的脈沖寬度或信號(hào)的頻率[12].若使用單片機(jī)2來檢測(cè)單片機(jī)1產(chǎn)生的方波信號(hào)，則需要通過STM32的定時(shí)器實(shí)現(xiàn)輸入捕獲[13].本次實(shí)驗(yàn)使用TIM5_CH1（PA0端口）來捕獲高電平脈沖，方波信號(hào)捕獲主程序的部分代碼如下：

STM32輸入捕獲的原理為：對(duì)TIMx_CHx上的邊沿信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，若檢測(cè)的邊沿信號(hào)發(fā)生突變（上升沿突變或者下降沿突變），則將定時(shí)器的當(dāng)前值TIMx_CNT存放到與其相對(duì)應(yīng)的捕獲/比較寄存器TIMx_CCRx中，從而實(shí)現(xiàn)一次信號(hào)的捕獲.

本次實(shí)驗(yàn)TIM5的CH1先設(shè)置為上升沿捕獲，在第一次捕獲到上升沿的時(shí)候，清除TIM5的計(jì)數(shù)值、計(jì)數(shù)溢出次數(shù)等計(jì)時(shí)變量與相關(guān)寄存器，再設(shè)置PA0端口為下降沿捕獲.成功捕獲下降沿后，按照TIM5的計(jì)時(shí)公式算出高電平脈寬，并進(jìn)行記錄，然后再次把PA0端口配置為上升沿捕獲，TIM5也重新計(jì)時(shí).第二次捕獲到上升沿的時(shí)候，同理，算出時(shí)長(zhǎng)，最后將前后兩個(gè)時(shí)間相加再運(yùn)算，即可計(jì)算出方波信號(hào)頻率與周期.在知道方波信號(hào)周期的前提下，通過信號(hào)捕獲功能，即可得到兩個(gè)方波信號(hào)之間的相位差.

為了實(shí)現(xiàn)方波信號(hào)的捕獲與參數(shù)顯示，還需要加入LCD液晶顯示器的顯示程序，STM32的TFTLCD顯示模塊是一塊分辨率為240*320 的電阻觸摸屏，使用16位并口驅(qū)動(dòng)[14]，單片機(jī)2信號(hào)捕獲與顯示的程序設(shè)計(jì)流程圖如圖6所示.

4? ? 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證單片機(jī)1是否可以產(chǎn)生方波以及單片機(jī)2是否可以捕獲單片機(jī)1產(chǎn)生的方波，通過? ? FlyMcu軟件將MDK Keil中編譯無誤的方波信號(hào)發(fā)生器的程序與信號(hào)捕獲與顯示的程序分別燒錄到兩塊STM32開發(fā)板中進(jìn)行驗(yàn)證.同時(shí)使用杜邦線將單片機(jī)1的PB5和單片機(jī)2的PA0相連接，單片機(jī)1的PE5和單片機(jī)2的PE3相連接.觀察是否可以通過單片機(jī)1上的按鍵產(chǎn)生方波和對(duì)方波信號(hào)進(jìn)行控制，且由單片機(jī)2捕獲其頻率并顯示.

方波信號(hào)發(fā)生器的輸出模式由KEY0進(jìn)行選擇，當(dāng)KEY0按下不同的次數(shù)時(shí)，單片機(jī)1的輸出模式及開發(fā)板上的指示燈DS0、DS1的顯示結(jié)果如表2所示.

由于STM32的DS0與DS1是低電平有效，因此，表2中，“1”代表指示燈不亮，“0-”代表指示燈交替閃爍.當(dāng)單個(gè)指示燈交替閃爍時(shí)，相應(yīng)端口產(chǎn)生方波信號(hào)，同時(shí)閃爍則說明兩個(gè)端口產(chǎn)生方波.

實(shí)驗(yàn)中，單個(gè)方波信號(hào)的初始周期設(shè)定為? ?0.2 s，通過按鍵可在原有周期的基礎(chǔ)上增多或減少0.2 s.PB5與PE5同時(shí)產(chǎn)生方波信號(hào)時(shí)，兩個(gè)信號(hào)的周期均為1.2 s，周期的最大值設(shè)定為3.6 s.當(dāng)存在相位差時(shí)，通過按鍵每次可在原有相位差上增加或減少36°.若方波信號(hào)同相，按鍵按下5次則將使方波信號(hào)反相（180°），再按5次又將恢復(fù)同相.

為了探究所設(shè)計(jì)方案的可靠性與準(zhǔn)確性，首先以單片機(jī)1隨機(jī)產(chǎn)生12組不同頻率、不同周期以及不同相位差的方波信號(hào)，并以單片機(jī)2對(duì)其進(jìn)行捕獲測(cè)量，通過多次反復(fù)試驗(yàn)來觀測(cè)單片機(jī)2可否較好捕獲單片機(jī)所產(chǎn)生的方波信號(hào).實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的匯總結(jié)果如表3所示.

表3中，[T1]、[f1]和[T2]、[f2]為單片機(jī)1的PB5與PE5產(chǎn)生的方波信號(hào)的周期、頻率，[T12]、[f12]和[T22]、[f22]為單片機(jī)2的PA0與PE3檢測(cè)到的周期、頻率，[θ1]為單片機(jī)1發(fā)生的兩個(gè)波形的相位差，[θ12]為單片機(jī)2檢測(cè)到的兩個(gè)波形的相位差.

由表3的數(shù)據(jù)對(duì)比可知，在PB5或PE5端口單獨(dú)產(chǎn)生方波信號(hào)、PB5和PE5端口同時(shí)產(chǎn)生方波信號(hào)等不同情況時(shí)，單片機(jī)2捕獲后測(cè)量到的周期、頻率以及相位差等參數(shù)與單片機(jī)1產(chǎn)生的信號(hào)相差無幾.單片機(jī)1成功實(shí)現(xiàn)了方波信號(hào)的發(fā)生，單片機(jī)2則實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的捕獲與檢測(cè)，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo).同時(shí)，多次反復(fù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也從側(cè)面證實(shí)了本文所設(shè)計(jì)方案的可行性與可靠性.

方波信號(hào)并不能直觀地看出，但在單片機(jī)1上可通過LED燈DS0和DS1來判斷是否有方波產(chǎn)生.當(dāng)PB5端口產(chǎn)生方波時(shí)LED燈DS0閃爍;當(dāng)PE5端口產(chǎn)生方波時(shí)LED燈DS1閃爍;當(dāng)PB5與PE5同時(shí)產(chǎn)生方波時(shí)，DS0與DS1同時(shí)閃爍.以PB5端口產(chǎn)生方波為例，單片機(jī)1上的紅色LED燈閃爍（DS0），并且單片機(jī)2通過捕獲單片機(jī)1的方波信號(hào)后在液晶屏顯示其頻率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果及實(shí)物圖如圖7所示.

為了更加直觀地觀察出方波信號(hào)的相位差及其變化情況，當(dāng)單片機(jī)1的PB5端口與PE5端口同時(shí)產(chǎn)生方波（可調(diào)相位差狀態(tài)）時(shí)，使用型號(hào)為TDS1001B-SC的示波器對(duì)單片機(jī)2捕獲后的波形進(jìn)行測(cè)量.

實(shí)驗(yàn)的步驟為：首先將KEY0按鍵按下3次使DS0、DS1同時(shí)閃爍，此時(shí)通過單片機(jī)1上的按鍵KEY1與按鍵KEY_UP對(duì)頻率進(jìn)行調(diào)整，對(duì)相位差進(jìn)行控制;之后通過這兩個(gè)按鍵對(duì)方波信號(hào)的相位進(jìn)行調(diào)整和控制，并觀察示波器上波形的變化情況.示波器導(dǎo)出的測(cè)量結(jié)果如圖8所示.

5? ? 結(jié)語(yǔ)

通過利用STM32片機(jī)，成功設(shè)計(jì)了一個(gè)方波信號(hào)發(fā)生器及其檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng).單片機(jī)1產(chǎn)生了可調(diào)的方波信號(hào)，單片機(jī)2則實(shí)現(xiàn)了捕獲與顯示，并通過多次反復(fù)的實(shí)驗(yàn)證實(shí)了設(shè)計(jì)方案的準(zhǔn)確性與可行性.單片機(jī)1產(chǎn)生的方波信號(hào)亦可以由單片機(jī)1自己捕獲并顯示，其原理與單片機(jī)2的捕獲原理一致.本文成功實(shí)現(xiàn)了方波信號(hào)的模擬輸出和輸入捕獲，能推廣到對(duì)正弦波、鋸齒波、三角波和諧波等各類信號(hào)源的模擬上，也可以模擬應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)的信號(hào)并進(jìn)行發(fā)生和捕捉，降低實(shí)驗(yàn)開發(fā)的成本及周期，拓寬了單片機(jī)的實(shí)驗(yàn)范圍，也為綜合實(shí)驗(yàn)開拓了一種新的思路.本次實(shí)驗(yàn)綜合應(yīng)用了STM32的定時(shí)器、I/O口、按鍵電路、輸入捕獲、LED顯示等多個(gè)模塊與功能，有助于學(xué)生掌握這些模塊的功能與應(yīng)用，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和自主創(chuàng)新能力.

參考文獻(xiàn)

[1]? ? ?王琳霖，王偉，曹國(guó)強(qiáng)，等. 基于單片機(jī)的機(jī)電控制實(shí)訓(xùn)平臺(tái)設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2018，35（4）：82-85.

[2]? ? ?朱向慶，黎東濤，蘇超益，等. 適合于項(xiàng)目教學(xué)法的三合一單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2013，30（7）：55-59.

[3]? ? ?徐小棟，胡春，董守昆，等. 利用Proteus軟件構(gòu)建單片機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室[J].計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2012，40（1）：154-157.

[4]? ? ?許京雷. 嵌入式系統(tǒng)課程內(nèi)容設(shè)置[J].中國(guó)教育技術(shù)裝備，2017（8）：85-86.

[5]? ? ?海濤，陳明媛，駱武寧，等. 一種單片機(jī)實(shí)驗(yàn)裝置升級(jí)改造的實(shí)現(xiàn)方案[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2010，29（3）：76-79，87.

[6]? ? ?朱向慶，何昌毅，朱萬(wàn)鴻，等. 基于STM32單片機(jī)的通信技術(shù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2019，36（8）：81-84.

[7]? ? ?湯澤坤，唐培和，徐奕奕. 基于Stm32的光伏監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].廣西科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，26（4）：54-59.

[8]? ? ?劉軍，張洋，嚴(yán)漢宇. 例說STM32[M].3版. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2018.

[9]? ? ?沈紅衛(wèi)，任沙浦，朱敏杰，等. STM32單片機(jī)應(yīng)用與全案例實(shí)踐[M].北京：電子工業(yè)出版社，2017.

[10]? ?魏永輝. 嵌入式STM32下無源蜂鳴器發(fā)聲[J].科技展望，2016，26（24）：163.

[11]? ?盧有亮. 基于STM32的嵌入式系統(tǒng)原理與設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014.

[12]? ?潘宇. 基于FPGA和STM32的脈寬頻率測(cè)量方法[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2017，36（2）：83-86.

[13]? ?張洋，劉軍，嚴(yán)漢宇，等. 原子教你玩STM32：庫(kù)函數(shù)版[M].2版. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2015.

[14]? ?潘盛輝，曹蓬，吳甜甜，等. 基于STM32的障礙物定位檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].廣西科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，28（3）：97-102.