摘要：本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于ARM微處理器和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ的簡(jiǎn)易幅頻特性測(cè)試儀，給出了硬件結(jié)構(gòu)圖和用戶任務(wù)函數(shù)。充分利用了ARM7系列微處理器的強(qiáng)大功能，最大程度的減少了外圍電路，降低了系統(tǒng)的功耗。并成功地在微處理器上移植了實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：ARM微處理器；μC/OS-Ⅱ；幅頻特性

中圖分類號(hào)：TP249文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-3044(2008)30-0756-02

The Design of Simple Low-frequency Magnitude-Frequency Characteristics Tester Based on ARM

ZHANG Yan-wei

(Air Defense Forces Command Academy，Zhengzhou 450052，China)

Abstract： This design realizes a low-frequency magnitude-frequency characteristics tester based on the ARM microprocessor and the real-time operating system μC/OS-Ⅱ.It gives the hardware structure drawings and the user tasks functions， has actual using value and significance of studies.

Key words：ARM microprocessor; μC/OS-Ⅱ; magnitude-frequency

1 引言

幅頻特性是一個(gè)電子網(wǎng)絡(luò)的傳輸特性，它是網(wǎng)絡(luò)對(duì)不同頻率信號(hào)的作用效果的重要技術(shù)指標(biāo)。以常用的低通濾波器為例，它的作用就是使頻率高于某一特定頻率的信號(hào)得到最大的衰減，從而得到低于該特定頻率的信號(hào)。幅頻特性曲線可以直觀地反映濾波器對(duì)不同頻率信號(hào)的衰減程度，利用特性曲線可以衡量濾波器的性能。傳統(tǒng)的幅頻特性測(cè)量方法，是在一系列規(guī)定的頻率點(diǎn)上，逐點(diǎn)測(cè)量網(wǎng)絡(luò)增益（或衰減），從而確定幅頻特性曲線。用這種方法得到的幅頻特性曲線比較精確，但其缺點(diǎn)是操作繁瑣、工作量大、容易漏測(cè)某些細(xì)節(jié)，不能反映出被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)特性[1]。而現(xiàn)有的幅頻特性測(cè)試儀也不能很好地滿足用戶的需求，要么存在設(shè)備體積大，易有故障，并且操作復(fù)雜等缺點(diǎn)，難以滿足尤其是現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)測(cè)試的要求的缺點(diǎn)，要么就是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴、維護(hù)困難。

某些基于八位單片機(jī)（如51系列單片機(jī)）的幅頻特性測(cè)試儀，由于八位機(jī)自身的限制，其系統(tǒng)不得不加上龐大的外圍器件（如信號(hào)發(fā)生單元、ADC、DAC等），這就從根本上決定了其系統(tǒng)在開(kāi)發(fā)調(diào)試、測(cè)量精度、系統(tǒng)維護(hù)等方面存在缺陷。隨著ARM技術(shù)的發(fā)展，某些微控制器內(nèi)部集成了ADC、DAC等大量外設(shè)，這為我們?cè)O(shè)計(jì)生產(chǎn)測(cè)量精度更高、系統(tǒng)使用和維護(hù)更為快捷方便的新型幅頻特性測(cè)試儀提供了條件。

2 系統(tǒng)工作原理

本系統(tǒng)結(jié)合了點(diǎn)頻法和掃頻法的優(yōu)點(diǎn)，利用ARM單片機(jī)產(chǎn)生一個(gè)幅度恒定且頻率隨時(shí)間連續(xù)變化的信號(hào)作為被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的掃頻信號(hào)，掃頻信號(hào)經(jīng)過(guò)被測(cè)網(wǎng)絡(luò)后，其幅度會(huì)根據(jù)被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性做一定變化，ARM單片機(jī)對(duì)被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的輸出信號(hào)進(jìn)行采樣和處理，得到輸出信號(hào)的幅度有效值，然后送到液晶顯示模塊或者經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后送到示波器，通過(guò)液晶顯示器或者示波器就可以直觀的得到被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性曲線。系統(tǒng)原理圖如圖1。

3 硬件結(jié)構(gòu)

根據(jù)幅頻特性測(cè)試儀的特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮系統(tǒng)的低功耗，掃頻信號(hào)的精確性和可控性，數(shù)據(jù)采集和處理準(zhǔn)確而快速，以及顯示直觀等方面。本系統(tǒng)采用philips公司生產(chǎn)的LPC2132單片機(jī)作為主控MCU，該單片機(jī)具有16KB片內(nèi)靜態(tài)RAM，64KB片內(nèi)Flash程序存儲(chǔ)器，1個(gè)8路10位A/D轉(zhuǎn)換器和1個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器，使系統(tǒng)外圍不需要擴(kuò)展存儲(chǔ)器和D/A和A/D轉(zhuǎn)換模塊，大大節(jié)省了成本，降低了功耗[2]。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2。

3.1 信號(hào)發(fā)生電路

LPC2132具有一個(gè)10位數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，其輸出信號(hào)的幅度和頻率可編程設(shè)置。輸出信號(hào)的幅度范圍0~Vref，Vref為參考電壓。輸出信號(hào)的初始頻率在程序中設(shè)定，并可根據(jù)用戶的要求，通過(guò)鍵盤改變掃頻信號(hào)的頻率步進(jìn)。掃頻正弦波信號(hào)通過(guò)Aout引腳輸出到被測(cè)網(wǎng)絡(luò)。掃頻信號(hào)經(jīng)過(guò)被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的濾波等操作后輸出，此時(shí)信號(hào)即為被測(cè)幅度信號(hào)。

3.2 數(shù)據(jù)采樣電路

被測(cè)幅度信號(hào)經(jīng)過(guò)整流電路后，變?yōu)閺?qiáng)度為幅度信號(hào)強(qiáng)度有效值的直流信號(hào)，通過(guò)AD0.0引腳輸入到LPC2132的A/D轉(zhuǎn)換模塊。該模塊為10位逐次逼近式模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，其電壓測(cè)量范圍為0-3.3V，因此要求掃頻信號(hào)的強(qiáng)度不能高于3.3V，即參考電壓（不管是ADC還是DAC）不能超過(guò)3.3V。該模塊的轉(zhuǎn)換時(shí)鐘和轉(zhuǎn)換精度可以根據(jù)系統(tǒng)需要編程設(shè)定。

3.3 液晶顯示電路

為了使用戶能夠直觀地觀察到被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性，我們通過(guò)液晶顯示器直觀地顯示被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性曲線，并在截止頻率對(duì)應(yīng)位置以豎線和字母ω0和ω1明確顯示。而且，用戶還可以通過(guò)鍵盤選擇粗顯或精顯，選擇粗顯可以對(duì)被測(cè)網(wǎng)絡(luò)對(duì)高帶寬信號(hào)的整體幅頻特性進(jìn)行觀察，選擇精顯則可以對(duì)截止頻率附近頻率幅頻特性的細(xì)微變化進(jìn)行觀察。基于以上考慮，我們?cè)谙到y(tǒng)中選擇使用了OCM12864-3液晶顯示模塊。OCM12864-3是128×64點(diǎn)陣型液晶顯示模塊，可顯示各種字符及圖形，可與CPU直接接口，具有8位標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)總線、6條控制線及電源線?？紤]到充分利用LPC2132的強(qiáng)大功能，我們?cè)谙到y(tǒng)中沒(méi)有使用液晶控制模塊，而是利用軟件對(duì)液晶顯示進(jìn)行管理。這樣就節(jié)省了設(shè)計(jì)成本并降低了系統(tǒng)的功耗。

3.4 鍵盤電路

為了方便用戶的操作使用，并使系統(tǒng)更為人性化，我們?yōu)橛脩籼峁┝税藗€(gè)按鍵，用戶可以通過(guò)按鍵選擇開(kāi)始停止測(cè)試、掃描步進(jìn)、粗精顯選擇等功能。按鍵按下后產(chǎn)生外部中斷，使系統(tǒng)可以更快速地響應(yīng)用戶要求，并降低了軟件設(shè)計(jì)的難度。

4 軟件設(shè)計(jì)

為了提高系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性，充分利用LPC2132的資源，我們?cè)谙到y(tǒng)中嵌入了實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ，μC/OS-Ⅱ是一個(gè)源碼開(kāi)放的搶占式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。它內(nèi)核短小精悍、可裁減、執(zhí)行時(shí)間確定。系統(tǒng)大部分代碼采用C語(yǔ)言編寫，與硬件有關(guān)的部分都集中在兩個(gè)文件中，給出了規(guī)范的接口說(shuō)明，移植相當(dāng)方便，可應(yīng)用于目前大多數(shù)型號(hào)的8位、16位、32位CPU[4]。我們已經(jīng)成功地將該操作系統(tǒng)移植到LPC2132中，由于篇幅所限，這里沒(méi)有給出移植過(guò)程，具體移植細(xì)節(jié)參考參考數(shù)目5、6。根據(jù)系統(tǒng)工作特點(diǎn)，我們主要建立了以下幾個(gè)任務(wù)：（優(yōu)先級(jí)從高到低）

按鍵處理任務(wù)：

void Key(void *pdata) 該任務(wù)優(yōu)先級(jí)最高，運(yùn)行后建立一個(gè)信號(hào)量，并開(kāi)始等待該信號(hào)量，其他任務(wù)得到CPU的使用權(quán)。當(dāng)有按鍵按下后，產(chǎn)生外部中斷，中斷服務(wù)程序發(fā)出該信號(hào)量，然后退出。任務(wù)得到信號(hào)量后開(kāi)始處理用戶按鍵要求。

掃頻信號(hào)輸出任務(wù)：

void OutSignal(void *pdata) 該任務(wù)的主要功能是根據(jù)用戶要求產(chǎn)生掃頻信號(hào)，在輸入信號(hào)采樣完成后，根據(jù)設(shè)定步進(jìn)改變掃頻信號(hào)的頻率值，并將掃頻信號(hào)的頻率值放入消息隊(duì)列，供輸入信號(hào)使用；

輸入信號(hào)采樣任務(wù)：

void Insig(void *pdata) 在采樣任務(wù)中，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行數(shù)次采樣，計(jì)算均值，得到輸入信號(hào)的幅度，并將該幅度值和掃頻信號(hào)的頻率值（由掃頻信號(hào)輸出任務(wù)提供）保存在一個(gè)全局?jǐn)?shù)組中，供采樣數(shù)據(jù)處理任務(wù)使用。

采樣數(shù)據(jù)處理任務(wù)：

void SampData(void *pdata) 在該任務(wù)中，對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，舍棄誤差較大的數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)的整體特征填入合適的值。計(jì)算截至頻率，并將采樣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為顯示數(shù)據(jù)，填入顯示緩沖區(qū)。

液晶顯示控制任務(wù)：

void LCDDisp(void *pdata) 主要根據(jù)用戶需求（粗顯或精顯），分別把顯示緩沖區(qū)里的內(nèi)容送給液晶顯示器，在顯示器上顯示特性曲線和截至頻率。

掃頻信號(hào)輸出任務(wù)和輸入信號(hào)采樣任務(wù)之間的通信使用消息隊(duì)列。輸入信號(hào)采樣任務(wù)、采樣數(shù)據(jù)處理任務(wù)和液晶顯示控制任務(wù)之間的通信則使用了全局變量。

4 測(cè)量結(jié)果分析

本系統(tǒng)基本掃描頻率為100Hz至200KHz，按照步進(jìn)10Hz掃描，在截至頻率附近按照步進(jìn)1Hz掃描，得到的截至頻率可精確到1Hz，能滿足使用要求。

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注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文