基于單片機和FPGA的掃頻信號發生器

冷建偉 徐瓊瓊

(1.天津市復雜系統控制理論及應用重點實驗室，天津 300384；2.天津理工大學自動化學院，天津 300384)

鋸齒波信號經常被用作一種基準信號，廣泛應用于測距系統、激勵和時域響應電路系統中[1]。產生鋸齒波信號的傳統方法之一是直接用信號發生器，但信號發生器體積龐大、不便移動且不利于控制。另一種方法是設計振蕩電路產生鋸齒波，如555振蕩電路。這種電路不需要單片機或FPGA控制，設計電路非常復雜，若要改變其頻率必須改變外圍電路中的電容和電阻，頻率可調范圍很小，而且這種信號源的電容、電阻很大，增加了元器件的制作難度[2]。在工業控制、激光測距及生物醫學等研究領域，都要求基準信號源的可調范圍較寬，針對這一問題，筆者以單片機為主控器，FLASH作為FPGA的外部存儲器存儲波形數據，配合DA轉換器，設計了一種頻率、幅值和直流分量可調的鋸齒波信號發生器，產生的掃頻鋸齒波信號用于雷達測距系統輸入壓控振蕩器(VCO)產生電調電壓。

1 系統設計原理①

本設計采用M430F169單片機，FPGA選用Altera公司的CycloneII系列EP2C8Q208C8N芯片，配合高速數模轉換芯片AD768，作為掃頻信號發生器的主要控制和轉換部分。系統的組成框圖如圖1所示。

圖1 鋸齒波信號發生器組成框圖

系統主要采用單片機進行控制，所需的波形數據由上位機提供，上位機通過RS232串口和單片機實現通信，單片機將波形數據讀、寫到存儲器FLASH中。由于雷達測距精度與電調電壓的線性度成正比，需要通過調頻電壓來補償，若DA輸出電壓不可調會影響測距精度[3]。因此，本設計利用FPGA內部豐富的資源解決這一問題，同樣也解決了單片機與FLASH連接端口復用的問題。當系統開始工作時，FPGA控制邏輯會從FLASH中讀取波形，并輸出至DAC進行模數轉換輸出。信號的頻率由硬件撥碼開關控制[4]。

2 系統硬件

2.1 單片機外圍電路

本設計中單片機的主要作用是將上位機提供的波形數據存儲到FLASH中。與上位機的通信通過RS232電路完成，RS232電路設計采用MAX232標準串口設計芯片。該芯片采用+5V單電源供電。MAX232外圍電路如圖2所示。

M430單片機的接口采用標準JTAG模式，將波形程序燒寫至單片機，再存儲到存儲器FLASH中[5]。單片機引腳與JTAG接口電路如圖3所示。

2.2 FLASH接口電路與FPGA控制時序

由于系統掉電后FPGA不保存數據，所以通常在應用中設計外部存儲電路。本設計選用的FLASH存儲器為AT49BV320，該芯片為3.3V單電源供電芯片。FLASH外圍電路設計如圖4所示。

圖2 MAX232外圍電路

圖3 單片機JTAG接口電路

圖4 FLASH外圍電路

AT49BV320 FLASH具有20條地址線和16條數據線，1MByte內存。該芯片用于存儲鋸齒波數據，FPGA為其提供地址線和數據線的控制時序。圖5所示為FPGA控制FLASH的邏輯電路，該電路采用QuartusII原理的硬件編程方式繪制。74157的SEL信號由單片機控制選擇FLASH的讀/寫模式。FLASH的硬件地址由4個四位二選一74157和計數器提供。

圖5 FLASH控制信號邏輯

2.3 DA外圍電路與FPGA控制邏輯

數模轉換的輸出控制信號由FPGA分頻提供，FPGA的外部晶振選用24.48MHz，應用中設計撥碼開關來選擇輸出頻率。FPGA內部分頻邏輯如圖6所示。

圖6 FPGA內部分頻

數模轉換模塊采用16位高精度芯片AD768。為滿足整個系統的需要，本設計中掃頻信號發生器的輸出電壓為0～10V可調，采用ML358運算放大器將AD的輸出電流轉換成電壓信號輸出。DA轉換電路如圖7所示。

DA數據線控制邏輯由兩個三態總線驅動控制器產生，如圖8所示，D0～D7為單片機數據線，DAD0～DAD7為FLASH數據線。輸出方向控制信號由DIR提供，當DIR為1時，數據由A輸出至B，并往FLASH里寫程序；DIR為0時，數據輸出由B至A，FPGA從FLASH中讀取數據。

圖7 DA轉換電路

圖8 DA數據線產生邏輯

3 仿真實驗結果

本設計的單片機軟件環境為IAR for MSP430，將程序燒寫至單片機的存儲器FLASH中。FPGA軟件環境為Altera QuartusII9.0，對FPGA控制邏輯進行功能仿真，仿真部分結果如圖9所示，DA0～DA19為FPGA為FLASH提供的時序控制邏輯。XZCS7、XWE0和XRD信號由單片機控制。

圖9 FPGA仿真測試結果

由仿真結果可以看出這種方法提供的信號精確穩定，并且方法簡單方便。

通過LabVIEW示波器觀察系統最終的輸出波形，如圖10所示，發現鋸齒波的波形在上升至4.9V時并不是立即開始下一個波形，這是由于硬件原因造成的延遲，因此在實際項目中要根據需要進行去回掃等改進才能獲得更準確的雷達信號。

圖10 信號發生器輸出鋸齒波信號

4 結束語

通過示波器觀察分析，筆者設計的信號發生器實現了觸發雷達信號所需要的4種頻率的鋸齒波信號的輸出，且幅值、直流分量可調。信號發生器硬件電路簡單、成本較低，可以根據實際應用的要求，通過更改軟件程序來實現不同信號的輸出。實驗結果表明：本設計中輸出的信號頻率穩定可調、抗干擾能力強，同時系統具有很強的靈活性。