基于物聯網的信號發生器設計

摘 要：信號發生器在當今通信、電子測量儀表等電子系統中起著至關重要的作用，它用于產生穩定的頻率和幅度信號。為了契合目前電子設計研究的發展目標與要求，信號發生器系統應朝著簡單化、便攜化、可控化的方向發展。文中實現了一種基于物聯網的信號發生器。該信號發生器系統主要由STM32單片機主控模塊、AD9833信號發生器模塊、HC-05藍牙模塊、LCD液晶屏顯示模塊構成。其中，AD9833芯片的功能是使信號發生器模塊產生三角波、正弦波和方波信號。STM32單片機主控模塊與信號發生器模塊相連，從而實現對信號波形的調制功能。而后，借助HC-05藍牙模塊，上位機能夠對信號發生器產生的波形進行遠程控制調節。采用這種設計方法的信號發生器系統可工作于調制狀態，它不但能調節輸出電平，而且可輸出各種波形，從而能夠適應大多數應用場合。

關鍵詞：物聯網；信號發生器；STM32；AD9833；藍牙；調制波形

中圖分類號：TP39；TN923 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）07-0-04

0 引 言

信號發生器能夠產生穩定的頻率和幅度信號，具備高精確度、高性能和便攜性等特點。在當今的通信、電子測量儀表等電子系統里，它發揮著極為重要的作用。幾乎在對所有電子設備電參數值進行檢測時，都會用到信號發生器，比如在生物醫學電子信息領域，它可作為模擬生物醫學電信號的設備[1]。DDS技術的誕生改變了傳統信號發生的方式，它采用數字頻率合成技術，根據奈奎斯特采樣定理從連續信號的相位出發，對信號進行取樣、編碼，形成對應的函數表存放在系統ROM中；在合成時，利用頻率控制字改變相位的增量（即步長），不同的相位增量可產生不同頻率的信號。采用這種方法設計的信號發生芯片大大簡化了電路結構，且有較高的靈活性[2]。在傳統信號發生器的研究中，基本都著眼于提高其精度，少有對信號發生器的數據傳輸和遠程調制進行研究。在一些特殊的使用環境下，這會極大地增加信號發生器的使用困難和成本。因此，本文設計了一款基于物聯網的信號發生器，通過與物聯網技術相結合，可實現對輸出信號的遠程調制功能。

1 總體設計

該信號發生器系統以STM32F103RCT6單片機為主控模塊，該模塊的主要作用為分析處理數據信息。AD9833被用作信號發生器模塊，重點實現正弦波、三角波、方波的輸出功能。HC-05藍牙模塊是系統無線通信的基礎，它將單片機與手機或其他上位機相連以進行通信，使系統具備物聯網功能，進而實現遠端調控波形參數的功能。LCD液晶顯示屏作為系統的顯示模塊，用于顯示從上位機接收的數據信息和藍牙連接狀態，如此便實現了信號源的遠程調制。系統的設計框圖如圖1所示。

2 信號發生器模塊

信號發生器模塊采用AD9833芯片集成模塊。AD9833是一款可編程波形發生器，具有高精度、低功耗、結構簡單、體積小等特點，具備串行接口功能[3]。它板載25 MHz有源晶振、100 Mb/s高速放大器，還具備低通濾波功能。該模塊能產生0～12.5 MHz的正弦波、三角波、方波信號，信號頻率分辨率可達0.1 Hz。通過單片機可對其進行數控調頻、調幅和波形切換，易于調節[4]。AD9833適用于各種簡單和復雜的調制方案，運用DSP技術能簡化復雜的調制算法且保證精確性，這一調制方案在各個設計領域得到了廣泛應用。

為控制AD9833輸出正弦波與三角波的峰峰值，引入數字電位器MCP41010以實現對輸出信號的分壓。通過調節數字電位器的抽頭位置來改變抽頭電壓值[5]。如此一來，單片機只需向AD9833發送頻率和波形數據，再向MCP41010數字電位器發送幅值數據，就能對輸出信號的參數進行調節與控制。AD9833芯片和MCP41010電位器共用數據口與時鐘口，且各自采用不同的片選，因此單片機只需4個I/O接口即可。AD9833信號發生器模塊原理圖如圖2所示。

STM32單片機與信號發生器模塊的硬件連接如下：將AD9833的VDD引腳連接到3.3 V電源，GND引腳接地；AD9833的SDATA、SCLK和FSYNC引腳連接到SPI接口對應的引腳，其中SDATA引腳連接到STM32的SPI數據線，SCLK引腳連接到STM32的SPI時鐘線，FSYNC連接任意GPIO引腳用于選擇頻率或相位寄存器。AD9833芯片的管腳定義如圖3所示，信號發生器模塊與STM32單片機連接線如圖4所示。

3 主控模塊

STM32F103RCT6主控模塊具備以下特點：其一，高性能。STM32F103系列單片機采用ARM Cortex-M3內核，運算速度快，處理能力強大，可迅速處理各類復雜算法與任務。其二，低功耗。該系列單片機擁有多種低功耗模式，既能有效延長設備使用壽命，又能確保芯片的穩定性與可靠性。其三，豐富的外設接口。STM32F103系列單片機集成了諸如SPI接口、I2C接口、UART接口等多種外設接口，便于與外部設備通信和控制。基于以上特點，選擇STM32F103RCT6作為主控芯片。目前，該芯片在醫療設備、智能家居、智能儀表、電子產品等各種嵌入式應用中被廣泛使用。STM32的I/O口管腳圖如圖5所示。

STM32F103RCT6可以與ATK-MD0280液晶顯示屏直接連接，ATK-MD0280模塊屬于模塊化數字化電子產品，專為嵌入式系統設計，是一款高性能2.8英寸TFTLCD電阻觸摸屏模塊，其擁有320×240的分辨率，支持16位色顯示；該模塊的性能和穩定性非常好，被廣泛應用于工業控制、通信、醫療設備等領域。它采用先進的技術，具有強大的處理能力和豐富的接口，可以方便地與其他設備進行連接和通信[6]。

4 藍牙模塊

本設計選用HC-05藍牙模塊，這是一種主從一體的藍牙串口模塊[7]。它能夠與各類帶有藍牙功能的上位機（如電腦、手機等）配對，并且兼容5 V或3.3 V的單片機系統。它通過串口與單片機進行數據交互，通過設定特定的波特率，可與STM32單片機進行串口連接[8]。該藍牙模塊配對連接成功后可當作全雙工串口使用。具體操作流程為：首先將藍牙參數設置為該設計的對應參數，然后把STM32單片機與藍牙連接，接著將藍牙與上位機進行配對連接，如此便能夠實現單片機與上位機的無線通信功能。此功能就如同在STM32單片機和上位機之間虛擬出一根串口線，以進行串口通信。

HC-05藍牙模塊存在命令響應工作（AT）和自動連接這兩種工作模式。在本次設計中，首先在命令響應工作模式下把藍牙模塊設定為從機工作模式，并選擇波特率為9 600；接著，在自動連接工作模式下讓藍牙模塊與單片機連接，且與上位機配對。之后，上位機向HC-05藍牙模塊發送簡單指令，HC-05藍牙模塊通過串口把數據傳輸給單片機，以供單片機進行分析處理。單片機分析完成后，依據分析出的結果控制AD9833產生波形信號，從而實現輸出信號的遠程調制。HC-05藍牙模塊引腳功能詳述見表1。HC-05藍牙模塊與開發板相應端口的連接關系見表2。

5 程序設計

在該信號發生器系統的設計過程中，開發工具選用Keil μVision5，編程使用C語言庫函數。程序主要包含三個模塊：AD9833芯片寫入模塊、HC-05藍牙模塊以及LCD顯示模

塊[9]。其內容涵蓋單片機的時鐘初始化、端口初始化、AD9833初始化、LCD初始化和藍牙初始化等。首先，將編寫無誤的程序燒錄進單片機。接著，在斷電狀態下把STM32單片機與各模塊的硬件進行連接，連接無誤后給STM32單片機上電。上電后，要依次完成藍牙模塊與STM32單片機的連接以及藍牙模塊與上位機的配對連接。上位機向HC-05藍牙模塊發送簡單指令，HC-05藍牙模塊通過串口將數據傳輸給單片機，STM32單片機對接收到的指令進行分析，然后根據分析結果控制AD9833產生波形信號，從而實現上位機遠端控制AD9833產生波形的功能。軟件設計流程如圖6所示。

6 系統測試

為保障該系統后續穩定運作并避免可能出現的故障，針對該系統設計了一個功能實現實驗，以觀察該設計的功能能否達到設計要求。

在本次測試中，需要不斷改變波形的頻率和幅值，具體方式為：本次試驗程序設置上位機向藍牙發送指令“1～25”表示產生頻率范圍為1～25 kHz、幅值為100 mV的正弦波/三角波；發送指令“20～255”表示將波形幅值調節為296～3 580 mV（該數據由后續測試得出，程序輸入可調幅值范圍為0～255，即0～3 580 mV）。然后將示波器檢測到的波形參數記錄下來與程序編寫的參數值進行對比。

正弦波的測試結果見表3；三角波的測試結果見表4。

從測試結果來看，本信號發生器系統所實現的功能基本符合預期。盡管其上位機控制產生的實際波形參數和實際程序輸入的參數值之間存在微小誤差，但就總體的驗證與測試結果而言，本次設計的信號發生器系統基本滿足預期要求。

7 結 語

本文介紹了一種基于物聯網的信號發生器。該信號發生器可工作于調制狀態，不僅可以控制輸出波形信號的類型，也可以遠端調制輸出波形信號的幅值，具有工作穩定、頻率精確度高、結構簡單、體積小等優點[10]，更能適應大多數應用場合，具有廣闊的應用前景。

參考文獻

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[9] 陳孟臻，陳瑩.基于DDS技術的函數信號發生器設計[J].沿海企業與科技，2018（6）：18-21.

[10] 孫瑩瑩，盧京陽，劉思久，等.基于DDS與數字電位器的正弦信號發生器設計[J].電測與儀表，2012，49（7）：93-96.

收稿日期：2024-05-10 修回日期：2024-06-13

基金項目：廣西醫科大學“未來學術之星-大學生課外創新科研課題”（WLXSZX23077）

作者簡介：周詩玲（2001—），女，研究方向為醫學圖像處理與物聯網應用。