基于MSP430实现的简易信号发生器

第二章 作品硬件系统设计

第一节 MSP430G2系列Launchpad开发板介绍

• USB 调试与编程接口无需驱动即可安装使用，且具备高达9600 波特的UART 串行通信速度

• 支持所有采用PDIP14 或PDIP20 封装的MSP430G2xx 和MSP430F20xx 器件

• 分别连接至绿光和红光LED 的两个通用数字I/O 引脚可提供视觉反馈

• 两个按钮可实现用户反馈和芯片复位

• 器件引脚可通过插座引出，既可以方便的用于调试，也可用来添加定制的扩展板

• 高质量的20引脚DIP插座，可轻松简便地插入目标器件或将其移除

• 16位RISC指令集处理器

• 128字节RAM(数据)+2K字节Flash存储器（代码）

• 一个16位TA定时器

• 内置数控振荡器（DCO），最高频率可达21MHz

• 9个双向I/O口，每个I/O口都可以作为中断源

• 自带BOR检测电路，能自动避开上电瞬间的毛刺并产生可靠的复位信号

• 内置低功耗低频振荡器（VLO）

• 可通过软件配置的8通道比较器

第二节 方案论证、比较与选择

• 方案一：
控制部分由MSP430G2211实现，波形产生采用低温漂、低失真、高线性单片压控函数发生器（如ICL8038、MAX038等）。它们可同时产生频率可控可变的三角波、正弦波、脉冲波等。用D/A转换器的输出来改变调节电压，也可以实现频率的数控调整。
优缺点：方法简单易行，采用单片专用芯片，系统体积大大减小。但由于压控的非线性，频率步进的步长控制困难。而且整个设计中MSP430G2211仅仅完成简单的控制功能，资源得不到充分的利用。

• 方案二：
控制部分由MSP430G2211实现，波形产生部分使用FPGA或CPLD芯片采用波形查找表结合高速的DAC产生。
优缺点：此方案自由度大，符合现在的发展趋势。但是，FPGA或CPLD芯片价格相对比较高，加上高速的DAC芯片，使设计成本大大提高。而且整个设计中MSP430G2211仅仅完成简单的控制功能，资源得不到充分的利用。

• 方案三：
由MSP430G2211实现对专门的DDS芯片（如AD9850、AD9833）的控制，来产生各种波形。
优缺点：利用此方案产生波形的频率稳定度高，易于程控。但是，专门的DDS芯片价格高，系统成本高。

• 方案四：
由MSP430G2211结合低通滤波器电路来模拟实现DDS芯片的功能，进而产生各种波形。
优缺点：利用此方案可以充分利用MSP430G2211上资源，使系统成本大大降低。但是此方案只能产生低频率的波形。

第三节 主要模块电路

1. 电源模块
本作品中总共使用了三种电源：5V、3.6V、-5V。其中3.6V的产生是在1117-3.3的参考端加了一个二极管1N5819。由于1N5819的导通电压大约为0.3V，可将1117-3.3的输出电压太高0.3V，变为3.6V。-5V由负压产生芯片ICL7660产生。电源模块电路如图2.2所示。

2. 滤波电路模块
滤波电路模块主要有低通滤波器和高通滤波器（隔直电路）组成。前面的R15、R16、R17、C10、C11和C12组成三阶低通滤波器。3dB点为600Hz，可以有效的将信号中的高频成分滤除。
高通滤波器电路。C9和R19组成高通滤波电路，3dB点为362mHz，可以将信号中的直流成分有效的滤除。滤波电路如图2.3所示。

3. 幅度调节及信号输出模块
幅度调节电路是由运算放大器LM358和一些电阻电容组成的反相放大电路。其中R10是精密可调电位器，方便用户对信号的幅度进行调节。
信号输出电路有一个50Ω的电阻和SMA头组成。50Ω的电阻可以保证整个信号发生器的输出阻抗为50Ω。信号幅度调节和输出部分电路如图2.4所示。

4. 菜单按键和指示模块
作品设计了四个菜单按键，如下图所示。各自的功能见表2.1。

按键	S3	S4	S5	S6
功能	信号输出使能键	频率-	频率+	信号选择键

表2.1 菜单按键功能
系统开机启动后，默认输出的波形是10Hz的正弦波。通过点按S5和S4可以实现频率的加1减1，长按可以实现频率的快速加减。通过点按S6，可以切换波形，同时相应的LED灯会亮（各LED灯代表的波形见表二）。切换波形时，为了保护用户电路，禁止信号输出。当用户切换到需要的波形时，可以点按S3，使能信号输出。
灯亮代表输出波形如表2.2所示。

LED灯	D3 黄色LED灯	D4 绿色LED灯	D5 红色LED灯
输出波形	锯齿波	三角波	正弦波

表2.2 LED指示灯代表波形
菜单按键和LED信号指示灯的电路见图2.5。

第四节 系统组成原理图及元器件清单

第五节 PCB板的设计

• 电源线尽量粗一点。比如主电源线可以选30mil，分支电源线可以选用15mil。

• 芯片的退耦电容应尽量靠近芯片。并且退耦电容的连接线尽量粗一点。

• 由于本作品是信号发生器，所以尽量保证地平面的完整性。

• 注意大型元器件的安装位置，不要影响LaunchPad的安装。比如本作品中的精密电位器体积比较大，应注意安装位置。

• 与用户交互功能的器件应注意安装位置。比如，四个菜单按键的位置，应该便于用户操作；信号指示灯的位置，应便于用户观察；精密电位器的位置，应便于用户调节；SMA信号输出头的位置，应便于用户连线。

第六节 硬件的安装调试

1. 安装电源模块。安装完成后测试各个电压输出是否正常。整个系统的电压有：+5V，+3.6V，-5V。

2. 安装低通滤波器模块。可以先在LaunchPad板子上先写一个简单的信号测试程序，当低通滤波器安装完成后，测试输出波形是否正常。

3. 安装高通滤波器模块。安装完成后测试波形中的低频（直流）成分是否滤除。

4. 安装增益控制模块。安装完成后测试精密电位器是否能控制信号的增益。如果正常，说明信号处理电路部分已经可以正常工作。

5. 安装菜单按键和指示模块。安装完成后写一个简单的程序进行调试，测试各个器件都可以正常工作。

第三章 作品软件系统设计

第一节 DDS原理及在作品中的实现

1. DDS原理
DDS是直接数字式频率合成器（Direct Digital Synthesizer）的缩写。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。下面对DDS的原理进行介绍。
对于一个频率为 的正弦信号 ，可以用下式来描述：
其相位为：
现将正弦信号的相位和幅值均进行数字化，使用频率为 的基准时钟对正弦信号进行抽样
将2π切割成2N等份作为最小量化单位，从而得到 的数字量 M 为：
当M取1时，可以得到输出信号的最小频率步进为
由于正弦函数为非线性函数，很难实时计算，一般通过查表的方法来快速获得函数值。

2. DDS在作品中的实现
下面以正弦波为例对DDS在作品中是如何实现的进行介绍，三角波和锯齿波同理。
首先，对正弦波的幅值进行量化，公式1中的A为256。之所以选择256，是由于本作品中生成的1024个点的正弦波相位和幅值量化表中的数值使用的是8位的char型。1024个点占用1K字节的存储空间。在正弦波相位和幅值量化表中存储的数值相对于是以256个时钟为总周期的PWM调制波的高电平值。
PWM调制的本质是改变波形中高电平的比例，实际是波形在一个周期内的“面积”。如果将PWM调制波进行低通滤波，取出其直流成分（平均值），滤除后的输出电压将线性正比于PWM的占空比。根据这个原理可以利用PWM输出作为低速DAC使用。
在软件中，DCO的时钟被配置为15.25MHz，但实际测试为15.802368MHz。SMCLK的时钟源为DCOCLK。定时器TA的时钟源为SMCLK。定时器TA的CCR0为256，而且为了得到稳定的幅值，让正弦波的一个点持续输出占空比相同的60个PWM波形。相当于采样频率为：
则由公式6得：
当M=2时，相当于在1029Hz的采样率下，一个波形只取了512个点，输出波形为2Hz。所以可得 。利用此原理本作品实现了1到100Hz正弦波的产生。
以上对DDS原理和如何在软件中实现进行了介绍，下面软件具体内容进行介绍。

第二节 程序流程图进行介绍

1. 主程序流程图
开机后，主程序首先关闭看门狗，接着对相应的I/O口、系统时钟、定时器TA进行初始化，完成后开总中断。然后，执行main函数。主程序流程图如图3.1所示。

2. 定时器中断服务程序流程图
定时器TA的中断服务程序中主要处理将相应频率的波转化成对应的PWM波输出。定时器中断服务程序流程图如图3.2所示。

3. 按键中断服务程序流程图
按键中断服务程序中主要处理波形的选择、频率的加减、信号输出使能等功能。按键中断服务程序流程图见图3.3。

第三节 子程序API介绍

1. 函数名：void Port_init(void)
输入输出变量：无
功能：IO口初始化

2. 函数名：void Sys_clock_init(void)
输入输出变量：无
功能：系统时钟配置

3. 函数名：void TA_init(void)
输入输出变量：无
功能：定时器TA初始化

4. 函数名：__interrupt void TA_ISR (void)
输入输出变量：无
功能：定时器TA中断服务程序

5. 函数名：__interrupt void P1_ISR_KEYS(void)
输入输出变量：无
功能：P1口按键中断服务程序

6. 函数名：__interrupt void P2_ISR_KEYS(void)
输入输出变量：无
功能：P2口按键中断服务程序

7. 正弦波幅值和相位量化表

第四节 各功能子程序在CCS环境下的设计与调试

1. 主函数main()
主函数中主要是对系统的一些初始化。如对I/O口的初始化函数Port_init()；系统时钟的初始化函数Sys_clock_init()；TA的初始化函数TA_init()。在设计的过程中，有时某个模块的初始化设置失败，则可通过CCS提供的断点、单步调试等功能查出错误。例如：
在P2口的初始化语句为：
在第一次设计过程中，没有关闭P2.6，P2.7的第二功能，结果程序不能进P2口的中断服务程序。检测方法：在P2口中断服务程序中设置断点，全速运行程序，按下按键后程序不停止，说明没进中断程序。硬件检查没有问题，说明P2口初始化不正确。经过检查初始化语句后发现没关闭第二功能。因为P2.6，P2.7脚默认情况是晶体整荡器的两个输入脚，只有关闭第二功能后，才可以作为普通I/O口来使用。

2. 定时器TA的中断服务程序TA_ISR (void)
在设计过程中，曾经出现过这样一个问题：程序可以进入TA的中断服务程序中，单产生的PWM波形却不正常。
通过CCS的Registers观察窗口，发现TA0的标志位能正常置位，但却不能产生正确的波形。后来经过检查发现，是中断向量入口写错了，写成#pragma vector=TIMERA1_VECTOR；正确的应该是#pragma vector=TIMERA0_VECTOR。改正后，波形产生正常。

第四章 总结与思考

1. 总结
本文完成了基于MSP430G2211的简易信号发生器的设计与实现，从硬件和软件两方面，对使用PWM波模拟DAC和利用DDS技术实现信号发生器进行了研究。经过近两个月的研究设计，完成了作品的设计与制作，输出波形稳定。可以输出0~100Hz的正弦波、三角波、锯齿波，波形幅度在0~10V范围内连续可调，波形频率可调。另外，作品还设计了输出使能的功能，使在切换波形时，禁止输出，保护后级电路的安全。
虽然本作品设计完成了一个简易的信号发生器。但由于时间仓促和本人能力有限，本作品还有许多需要完善和改进的地方。下面列出几条改进意见：
1. 优化软件程序，完善功能。MSP430G2211的Flash大小是2KB，作品中正弦波幅值和相位量化表是1024个点，在Flash中正好占用1KB的存储空间。相当于留给程序代码的空间只有1KB。由于受到代码空间大小的限制，本作品只产生了正弦波、三角波、锯齿波。因此可以对系统软件进行优化，充分利用这1KB的空间，开发出结构更紧凑，功能更完善的程序。
2. 使用LCD显示。由于受Flash容量的限制，本作品使用LED来指示波形。除了对软件进行优化外，还可以减少部分功能，以实现LCD显示。这需要根据设计要求灵活掌握。作品的硬件设计中预先留有LCD端口。
3. 优化硬件设计。可以在输出端增加功率放大电路，增加信号的驱动能力。如果实现了LCD显示，还可以使用MSP430G2231中的AD功能对输出信号的幅度进行回采，并显示。

2. 思考
在作品设计的过程中，曾经考虑过其他方案和实现方法。下面提出几个问题，以供大家思考：
1. 如果不采用PWM波模拟DAC的方式，直接使用一个DAC芯片，电路会发生哪些改变？单片机资源是否够用？
2. 进一步增加输出波形的种类，电路和软件需要做哪些修改？
3. 如果使用FPGA+MSP430G2211的方式来实现一个函数信号发生器，MSP430G2211将在该系统中发挥什么样的作用？