微機原理綜合實驗報告_nexys4_簡易數(shù)字信號發(fā)生器_HUST_華中科技大學

1、微機原理綜合項目報告基于nexys4簡易數(shù)字信號發(fā)生器 班 級： 通信1301班學 號： HUST 姓 名： 華中科技大學 指導老師: 左冬紅 羅 杰 目錄一、項目簡介 .11.設計思路12.任務分配13.功能描述.1二、項目構(gòu)成及概要設計21. 硬件模塊構(gòu)成.22. 軟件實現(xiàn)流程.2三、項目詳細設計.41.硬件的內(nèi)部構(gòu)成.42.硬件平臺的搭建.93. 軟件模塊的構(gòu)成及其實現(xiàn)13 波形產(chǎn)生模塊.13 頻率調(diào)節(jié)模塊.15 幅度調(diào)節(jié)模塊.16 方波占空比調(diào)節(jié)模塊.16四、 項目操作說明18五、 附錄19六、 心得體會及建議201、 項目簡介1.設計思路 本次項目我們小組選擇的是信號發(fā)生器，由于之前

2、做過D/A顯示鋸齒波的實驗，便想到在該實驗的基礎(chǔ)上進行功能的擴充，這樣思路比較清晰。首先我們想到在上次實驗的基礎(chǔ)上加上方波、三角波和正弦波這幾種常見波形，實現(xiàn)起來也與鋸齒波較為類似，只是在正弦波的顯示上花了點功夫，最后決定通過MATLAB取值來實現(xiàn)，最后能正常顯示。而幾種波形的切換我們則想到了開關(guān)，通過添加開關(guān)的GPIO核來獲取開關(guān)的狀態(tài)，預留了三位用于波形的切換。僅僅幾種波形的顯示是遠不夠的，所以我們決定添加頻率的調(diào)節(jié)和幅度的調(diào)節(jié)部分，實現(xiàn)時發(fā)現(xiàn)幅度調(diào)節(jié)容易實現(xiàn)但頻率調(diào)節(jié)有些難度，最后從代碼產(chǎn)生波形的原理上來分析想到通過改變?nèi)拥拇螖?shù)來調(diào)節(jié)頻率的增減，而選擇用一位開關(guān)用于切換頻率增加和減小，

3、這樣會節(jié)省資源。 當添加了方波后又發(fā)現(xiàn)其占空比也應該實現(xiàn)調(diào)節(jié)的功能，想到通過開發(fā)板上的按鈕來實現(xiàn)，通過建立按鈕的中斷控制，來調(diào)節(jié)時間延時的增減，從而控制占空比的實現(xiàn)。 當實現(xiàn)了MATLAB取數(shù)進行正弦波的顯示時，小組一位成員提出顯示心形的設計想法，通過類似的思路也得到了實現(xiàn)。 具體的設計原理及流程后面會有詳細說明。2.任務分配 小組成員、貢獻比例及具體分工： 1硬件平臺的搭建，軟件代碼的實現(xiàn)以及各功能的設計 2心形顯示的提出和設計，正弦波MATLAB取值的實現(xiàn) 3項目整體框圖的設計和繪制 實驗報告、PPT以及視頻的拍制則是由小組成員一起完成。3. 功能描述 該信號發(fā)生器工程能顯示方波，鋸齒波，

4、正弦波，三角波以及“愛心”形狀（ch1、ch2分別顯示“愛心”上下部分再拼接成完整的“愛心”）。通過開發(fā)板按鈕能調(diào)節(jié)各個波形的頻率、幅度和方波的占空比，通過led燈能反映開關(guān)狀態(tài)，通過數(shù)碼管能反映當前顯示的波形序號。 Switch<2>-Switch<0>：選擇波形 Switch<8>-Switch<3>：調(diào)節(jié)頻率 Switch<9>：控制頻率增加和減小 Switch<15>-Switch<10>：調(diào)節(jié)幅度 BTNU：增加占空比 BTND：減小占空比192、 項目構(gòu)成及概要設計1. 硬件模塊構(gòu)成 本項目用到的硬

5、件平臺包括SPI IP核與D/A芯片構(gòu)成數(shù)據(jù)的傳輸和數(shù)模轉(zhuǎn)換的功能，4個GPIO IP核分別用于開關(guān)狀態(tài)的讀取，按鈕狀態(tài)的讀取，LED燈的顯示，數(shù)碼管的段選和位選。一個INTC IP核用于接受來自于SPI和按鈕的GPIO的中斷，并將中斷發(fā)送給microblaze核來控制。 硬件整體框圖：2. 軟件實現(xiàn)流程 配置好各GPIO、SPI和INTC中斷控制器的連接，初始化各個模塊并進行設置，讀取開關(guān)的狀態(tài)并寫入LED燈的GPIO來控制其顯示獲取波形選擇、頻率調(diào)節(jié)和幅度調(diào)節(jié)的信息根據(jù)波形選擇信息來顯示相應的波形并通過數(shù)碼管顯示波形對應的序號調(diào)節(jié)波形的頻率和幅度當為方波時，可通過按鈕來調(diào)節(jié)方波的占空比各種

6、波形的具體實現(xiàn)。 流程圖：3、 項目詳細設計1. 硬件的內(nèi)部構(gòu)成 SPI IP核內(nèi)部框圖：接口寄存器定義：SPICR寄存器各位的含義如下：SPISR寄存器各位的含義如下：SPISSR寄存器各位的含義如下： SPISSR寄存器bit0bitn-1分別對應控制SS(0n-1)的輸出IPISR寄存器各位的含義如下： DA芯片DAC121S101S是12位D/A轉(zhuǎn)換芯片，可以采用SPI串行接口進行數(shù)據(jù)輸入，其引腳定義和結(jié)構(gòu)圖如下圖所示：其工作原理可以描述為：串行接口模塊按照一定的時序?qū)⒋袛?shù)據(jù)采樣送到輸入移位寄存器；移位寄存器將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)將一部分并行數(shù)據(jù)（低12位）送入12位D/A轉(zhuǎn)換寄存

7、器，另一部分送入電源下拉控制邏輯。 12位D/A轉(zhuǎn)換寄存器的數(shù)據(jù)同時送入D/A轉(zhuǎn)換寄存器，將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號后，再經(jīng)過輸出放大電路以及電源下拉控制邏輯的控制之后輸出到Vout。 其中Vout輸出的模擬電壓范圍為0VA。其中Vout與輸入數(shù)據(jù)D的關(guān)系為：Vout= VA（D/4096）,D為12位輸入的數(shù)字量，其取值范圍為04095 DAC121S101要求每次傳輸16位數(shù)據(jù)，這16位串行數(shù)據(jù)的含義為：D0D11為12位DA轉(zhuǎn)換的數(shù)字量， PD0PD1為電源下拉控制邏輯的輸入，控制電源下拉模塊的工作方式，改變輸出Vout的 GPIO IP核AXI GPIO控制器包括AXI總線接口模塊、中斷

8、產(chǎn)生邏輯模塊以及雙通道輸入/輸出模塊。內(nèi)部框圖：GPIO內(nèi)部寄存器定義如下：寄存器名稱偏移地址初始值含義讀寫操作GPIO_DATA0x00通道1數(shù)據(jù)寄存器通道1數(shù)據(jù)GPIO_TRI0x40通道1三態(tài)控制寄存器寫控制通道1傳輸方向GPIO2_DATA0x80通道1數(shù)據(jù)寄存器通道2數(shù)據(jù)GPIO2_TRI0xC0通道1三態(tài)控制寄存器寫控制通道1傳輸方向GPIO_TRI的各位分別控制GPIO_DATA的各位為輸入或輸出：當GPIO_TRI某位為0時，GPIO相應的I/O引腳配置為輸出；當GPIO_TRI某位為1時，GPIO相應的I/O引腳配置為輸入。GPIO內(nèi)部中斷相關(guān)寄存器：名稱偏移地址含義讀寫操作

9、GIER0x11C全局中斷屏蔽寄存器最高位bit31控制GPIO是否輸出中斷信號IrqIP IER0x128中斷屏蔽寄存器控制各個通道是否允許產(chǎn)生中斷bit0-通道1；bit1-通道2IP ISR0x120中斷狀態(tài)寄存器各個通道的中斷請求狀態(tài)，寫1將清除相應位的中斷狀態(tài)bit0-通道1；bit1-通道2AXI INTC主要包括AXI總線接口模塊，INTC從設備接口模塊，中斷控制器核心模塊。其構(gòu)成原理框圖為：寄存器各位的定義如圖：2. 硬件平臺的搭建 添加SPI IP核，按鈕、LED燈、開關(guān)和數(shù)碼管的GPIO核以及中斷控制器INTC核，外部連線如圖： 各GPIO核、SPI IP核及INTC中斷控

10、制器配置如下： 按鈕的GPIO配置： 開關(guān)的GPIO配置： LED燈的GPIO配置： 數(shù)碼管的GPIO配置： SPI的配置： 將SPI和按鈕的GPIO作為中斷源，觸發(fā)INTC的中斷，INTC的配置：得到各模塊分配的地址，如圖：配置各模塊的引腳： 至此已經(jīng)配置好完整的硬件平臺，生成bit流文件并導出到SDK即可進行軟件代碼的設計。3.軟件模塊的構(gòu)成及其實現(xiàn) 波形產(chǎn)生模塊 鋸齒波：while(Count<4096)value=Count;WriteBuffer0=(u8)(value);WriteBuffer1=(u8)(value>>8)&0x0f;TransferIn

11、Progress=TRUE;XSpi_Transfer(&SpiInstance,WriteBuffer,(void *)0,2);while(TransferInProgress); Count=Count+1;分析：value值每傳輸一次增加1；當value=4096時令其為0；得到一個鋸齒波，循環(huán)執(zhí)行便可顯示出鋸齒波。方波：for(i=0;i<5000;i+)value=4095;WriteBuffer0=(u8)(value);WriteBuffer1=(u8)(value>>8)&0x0f;TransferInProgress=TRUE;XSpi_T

12、ransfer(&SpiInstance,WriteBuffer,(void *)0,2);while(TransferInProgress);for(i=0;i<5000;i+)value=0;WriteBuffer0=(u8)(value);WriteBuffer1=(u8)(value>>8)&0x0f;TransferInProgress=TRUE;XSpi_Transfer(&SpiInstance,WriteBuffer,(void *)0,2);while(TransferInProgress); 分析：令value=4095即最大值，通

13、過for循環(huán)使其維持一段時間，循環(huán)執(zhí)行完成后，令value=0并維持相同的時間，執(zhí)行完成后重復執(zhí)行上述步驟，得到完整的方波。三角波：Count=0;while(Count<4096) value=Count;WriteBuffer0=(u8)(value); WriteBuffer1=(u8)(value>>8)&0x0f;TransferInProgress=TRUE;XSpi_Transfer(&SpiInstance,WriteBuffer,(void *)0,2);while(TransferInProgress);Count=Count+1;Coun

14、t=4095;while(Count>=0)value=Count;WriteBuffer0=(u8)(value);WriteBuffer1=(u8)(value>>8)&0x0f;TransferInProgress=TRUE;XSpi_Transfer(&SpiInstance,WriteBuffer,(void *)0,2);while(TransferInProgress);Count=Count-1;分析：首先令Count=0,當其小于4096時讓其每次傳輸后增加1，直至其值超過4096，令其為4095，并在每次傳輸后減1直至為0,重復執(zhí)行上述計算

15、，得到三角波。正弦波：Count=0;while(Count<=4000)value=sinCount;WriteBuffer0=(u8)(value);WriteBuffer1=(u8)(value>>8)&0x0f;TransferInProgress=TRUE;XSpi_Transfer(&SpiInstance,WriteBuffer,(void *)0,2);while(TransferInProgress); Count=Count+1;分析：正弦波的產(chǎn)生不同于上述方法，因為正弦波不能直接通過Count的加減簡單的實現(xiàn)，故選擇通過MATLAB計算的

16、方式得到4000組數(shù)據(jù)，依次傳輸?shù)玫秸也?。MATLAB取值的具體實現(xiàn)見附錄。心形：心形的實現(xiàn)與正弦波的實現(xiàn)類似，同樣是通過MATLAB取值，分別得到心形的上下部分，通過示波器兩個通道拼接得到完整的心形。具體實現(xiàn)見附錄。 頻率的調(diào)節(jié)模塊本項目通過開關(guān)的switch<8>-switch<3>這6位實現(xiàn)頻率的調(diào)節(jié)，而switch<9>則實現(xiàn)頻率增加和減小的選擇。具體頻率的調(diào)節(jié)如下，以鋸齒波為例：while(Count<4096)for(i=0;i<=defre;i+)value=Count/(mag+1);WriteBuffer0=(u8)(valu

17、e);WriteBuffer1=(u8)(value>>8)&0x0f;TransferInProgress=TRUE;XSpi_Transfer(&SpiInstance,WriteBuffer,(void *)0,2);while(TransferInProgress);Count=Count+1+infre;分析：增加頻率是通過Count每次增加的幅度來改變，Count每次增加的幅度越大，取樣的周期就越短，頻率就會增加。減小頻率則是通過重復傳輸同一個數(shù)來實現(xiàn)時間的延時，這樣增加了周期，減小了頻率。除了方波，其余波形的頻率增減均是通過上述方式得到的。方波：for

18、(i=0;i<5000*(1+defre)/(1+infre);i+)value=4095;WriteBuffer0=(u8)(value);WriteBuffer1=(u8)(value>>8)&0x0f;TransferInProgress=TRUE;XSpi_Transfer(&SpiInstance,WriteBuffer,(void *)0,2);while(TransferInProgress);for(i=0;i<5000*(1+defre)/(1+infre);i+)value=0;WriteBuffer0=(u8)(value);Wri

19、teBuffer1=(u8)(value>>8)&0x0f;TransferInProgress=TRUE;XSpi_Transfer(&SpiInstance,WriteBuffer,(void *)0,2);while(TransferInProgress);分析：通過改變延時的時間得到頻率的變化。當增加頻率時，循環(huán)次數(shù)減少，周期減少，頻率增加；當減小頻率時，循環(huán)次數(shù)增加，周期增加，頻率減小。 幅度的調(diào)節(jié)模塊本項目中幅度的調(diào)節(jié)采用的都是相同的方式，由于D/A新芯片支持的最大電壓為3.3V，采用的初始電壓也為3.3V，故只能減小電壓幅度。以鋸齒波為例：while(

20、Count<4096)for(i=0;i<=defre;i+)value=Count/(mag+1);WriteBuffer0=(u8)(value);WriteBuffer1=(u8)(value>>8)&0x0f;TransferInProgress=TRUE;XSpi_Transfer(&SpiInstance,WriteBuffer,(void *)0,2);while(TransferInProgress);Count=Count+1+infre;分析：只需將要傳輸?shù)闹党噪妷旱乃p值便可實現(xiàn)電壓幅度的改變。 方波占空比的調(diào)節(jié)模塊通過按鈕來實現(xiàn)

21、占空比的調(diào)節(jié)，由于按鈕需要產(chǎn)生中斷來進行控制，需要添加按鈕的中斷控制及處理程序，并在硬件平臺上配置好。將開發(fā)板上的BTNU和BTND分別用于占空比的增加和減小，通過以下代碼實現(xiàn)：if(state1=0x1)blank+;state1=0;else if(state1=0x8)blank-;state1=0;for(i=0;i<5000*(1+defre)/(1+infre)+100*blank;i+)value=4095/(mag+1);WriteBuffer0=(u8)(value);WriteBuffer1=(u8)(value>>8)&0x0f;Transfer

22、InProgress=TRUE;XSpi_Transfer(&SpiInstance,WriteBuffer,(void *)0,2);while(TransferInProgress);for(i=0;i<5000*(1+defre)/(1+infre)-100*blank;i+)value=0;WriteBuffer0=(u8)(value);WriteBuffer1=(u8)(value>>8)&0x0f;TransferInProgress=TRUE;XSpi_Transfer(&SpiInstance,WriteBuffer,(void *)

23、0,2);while(TransferInProgress);分析：首先定義一個靜態(tài)的全局變量blank用于改變占空比，當中斷是由BTNU產(chǎn)生時，blank會增加，且每按一次按鈕其值均會增加一次，同理當中斷是由BTND產(chǎn)生時，blank會減小，且每按一次按鈕其值均會減小一次，由于blank為靜態(tài)全局變量，其每次改變的值均會保留，故增加占空比和減小占空比可隨意進行，且都是通過增加某項的延時時間和減小另一項的延時時間來實現(xiàn)的。4、 項目操作說明 將代碼下載到開發(fā)板中，數(shù)碼管會顯示當前波形的序號，通過開關(guān)控制波形的一系列操作。switch<2>-swich<0>控制波形的切換

24、，三個開關(guān)構(gòu)成的二進制數(shù)值記為wave，wave=0顯示鋸齒波，wave=1顯示方波，wave=2顯示三角波，wave=3顯示正弦波，wave=4和5時分別顯示“心形”的上下部分。 switch<9>用于控制是增加頻率還是減小頻率。當switch<9>=0時，switch<8>-switch<3>用于增加頻率，記switch<8>-switch<3>構(gòu)成的二進制數(shù)值為infre，此時頻率會變?yōu)樵瓉淼模╥nfre+1）倍；當switch<9>=1時，switch<8>-switch<3>用

25、于減小頻率，記switch<8>-switch<3>構(gòu)成的二進制數(shù)值為defre，此時頻率會變?yōu)樵瓉淼模╠efre+1）倍。 switch<15>-switch<10>用于控制電壓的變化，由于DA限制的電壓最大值為3.3V，而設置的初始電壓為3.3V，故只能減小電壓，記switch<15>-switch<10>構(gòu)成的二進制數(shù)值為mag，此時電壓會變?yōu)樵瓉淼?/(mag+1)。 按鈕BTNU和BTND分別用于調(diào)節(jié)方波的占空比，BTNU用于增加占空比，每按一次按鈕占空比會比原來增加1%，BTND用于減小占空比，每按一次按鈕占空比會比原來減小1%，可隨意調(diào)節(jié)占空比。 Switch<2>-Switch<0>：選擇波形 Switch<8>-Switch<3>：調(diào)節(jié)頻率 Switch<9>：控制頻率增加和減小 Switch<15>-Switch<10>：調(diào)節(jié)幅度