信號采集與分析系統實驗一、 實驗目的本實驗目的是利用實驗箱構建一個信號采集和分析系統。二、 實驗內容三、 實驗步驟1、鍵盤及LED的設計與制作 編寫單片機程序，控制按鍵，控制燈的亮滅， 測試所有能控制的按鍵和LED 2、液晶屏顯示的設計與制作 測試在液晶屏上顯示波形和數據 3、以信號發生器輸入單頻正弦波，以16個 指示燈代表16個單頻點，頻點在200Hz 10kHz任選，信號發生器每次產生一種頻點 正弦波，AD采集，對應頻點的指示燈會亮；4、把指示燈顯示頻點改成用液晶顯示 5、液晶屏同時顯示頻譜和時域波形四、實驗原理1、AD采樣模塊在這個模塊中，每過一段時間，AD采樣器采集一個數據存入數組中，并將存儲的二進制數轉換成對應的電壓值，通過代碼：collect0t.real = ADC12MEM0*3.0 / 0x03ff;實現。采集滿N個值之后，令標志變量flag=1，表示一組數據采集完畢，進入下一模塊，即FFT變換。我們將信號發生器輸出的模擬電壓范圍設定為0V2V ，這是因為：若電壓值太大，會導致結果波形失真；若出現負電壓，則因為AD模塊不支持負電壓的采集，結果可能會出現錯誤。2、FFT處理模塊該模塊將采集進來的數據進行FFT變換，變換后的實部即為頻譜，用于LCD的頻譜繪制。繪制時，以各頻點的幅頻值與最大幅頻值的相對大小進行繪制；變換后模值最大的頻點對應的頻率即為待測頻率，用fre表示，便于屏幕及LED頻率顯示；根據求得的fre，可求得若干函數值，用于LCD的時域波形繪制。3、 LCD液晶屏顯示模塊該模塊用于顯示時域波形、頻譜、學號、所測頻率等內容。關鍵語句：清屏：etft_AreaSet(0,0,239,319,0);/清屏顯示：sprintf(buffer, Frequency: %5d Hz,fre);etft_DisplayString(buffer, 0, 32, 0xFFFF, 0x0000);/顯示頻率同時，在模塊中加入了延時語句，使得波形可以保持一定的時間。時間到后，LCD會進行刷新，重新顯示波形和數據。4、LED燈顯示模塊LED1作為采樣指示燈，ADC模塊每采一次樣閃爍一次，由于采樣頻率極高，但中斷調用間隔較長，實際顯示為每次進入ADC采樣中斷LED1閃爍一下。使用LED2、LED3、LED4、LED5顯示頻率，標號分別為5.7、4.7、4.6、4.5。受LED燈數目的限制，當用LED顯示頻率時（二進制表示），只能精確到1kHz。如當1500=fre2500時，用2kHz表示，燈顯示為0010；當5500=fre6500時，用6kHz表示，燈顯示為0110，其余類似。通過以上模塊，可以實現以下功能：AD模塊采集N個數據后，FFT模塊對數據進行處理，FFT變換后，實部為頻譜，用于LCD的頻譜繪制；模值最大的頻點為所求頻率，在LED和LCD上顯示；再求得一些采樣點的函數值，在LCD上繪制時域波形。最終，頻率顯示在LED燈和LCD上，波形和頻譜顯示在LCD上。圖像保持一段時間后，LCD會進行刷新，重新顯示波形和數據。附錄：1、 鍵盤及LED的設計與制作#include #include #include #include dr_i2c.h#include dr_tft.h#define TEMP_ADDR 0x2A#define TEMP_LOCAL 0x00#define TEMP_REMOTE 0x01#define TEMP_CONFIG1 0x09#define TEMP_CONFIG2 0x0A#define TEMP_NCORR 0x21#define BATT_ADDR 0x55#define BATT_VOLTAGE 0x04#define BATT_CURRENT 0x10#define BATT_SOC 0x1C#define BATT_CAPA 0x0C#define BATT_FLAG 0x06int TEMP_LOCAL_INDEX;int TEMP_REMOTE_INDEX;int BATT_VOLTAGE_INDEX;int BATT_CURRENT_INDEX;int BATT_SOC_INDEX;int BATT_CAPA_INDEX;int BATT_FLAG_INDEX;typedef struct const volatile uint8_t* PxIN; volatile uint8_t* PxOUT; volatile uint8_t* PxDIR; volatile uint8_t* PxREN; volatile uint8_t* PxSEL; GPIO_TypeDef;const GPIO_TypeDef GPIO4 = &P4IN, &P4OUT, &P4DIR, &P4REN, &P4SEL;const GPIO_TypeDef GPIO5 = &P5IN, &P5OUT, &P5DIR, &P5REN, &P5SEL;const GPIO_TypeDef GPIO8 = &P8IN, &P8OUT, &P8DIR, &P8REN, &P8SEL;const GPIO_TypeDef* LED_GPIO5 = &GPIO4, &GPIO4, &GPIO4, &GPIO5, &GPIO8;const uint8_t LED_PORT5 = BIT5, BIT6, BIT7, BIT7, BIT0;void initClock() while(BAKCTL & LOCKIO) / Unlock XT1 pins for operation BAKCTL &= (LOCKIO); UCSCTL6 &= XT1OFF; /啟動XT1 P7SEL |= BIT2 + BIT3; /XT2引腳功能選擇 UCSCTL6 &= XT2OFF; /啟動XT2 while (SFRIFG1 & OFIFG) /等待XT1、XT2與DCO穩定 UCSCTL7 &= (DCOFFG+XT1LFOFFG+XT2OFFG); SFRIFG1 &= OFIFG; UCSCTL4 = SELA_XT1CLK + SELS_XT2CLK + SELM_XT2CLK; /避免DCO調整中跑飛 UCSCTL1 = DCORSEL_5; /6000kHz23.7MHz UCSCTL2 = 20000000 / (4000000 / 16); /XT2頻率較高，分頻后作為基準可獲得更高的精度 UCSCTL3 = SELREF_XT2CLK + FLLREFDIV_16; /XT2進行16分頻后作為基準 while (SFRIFG1 & OFIFG) /等待XT1、XT2與DCO穩定 UCSCTL7 &= (DCOFFG+XT1LFOFFG+XT2OFFG); SFRIFG1 &= OFIFG; UCSCTL5 = DIVA_1 + DIVS_1 + DIVM_1; /設定幾個CLK的分頻 UCSCTL4 = SELA_XT1CLK + SELS_DCOCLK + SELM_DCOCLK; /設定幾個CLK的時鐘源int main( void ) / Stop watchdog timer to prevent time out reset WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD; initClock(); initI2C(); initTFT(); etft_AreaSet(0,0,319,239,0); int i; for(i=0;iPxDIR |= LED_PORTi; /設置各LED燈所在端口為輸出方向 P4REN |= 0x1F; /使能按鍵端口上的上下拉電阻 P4OUT |= 0x1F; /上拉狀態 uint8_t last_btn = 0x1F, cur_btn, temp; while(1) int temp1, temp2; char buffer41; cur_btn = P4IN & 0x1F; temp = (cur_btn last_btn) & last_btn; /找出剛向下跳變的按鍵 last_btn = cur_btn; int i; for(i=0;i5;+i) if(temp & (1 PxOUT = LED_PORTi; /翻轉對應的LED _delay_cycles(3276); /延時大約100ms temp1=7-i; temp2=5-i; sprintf(buffer, Switch %d LED %d, temp1, temp2); etft_DisplayString(buffer, 0, 0, 0xFFFF, 0x0000); sprintf(buffer, temp %d, temp); etft_DisplayString(buffer, 0, 16, 0xFFFF, 0x0000); _delay_cycles(2000000); 2、信號采集與顯示#include #include #include #include math.h#include dr_tft.h#define N 256 /FFT點數#define PI 3olatile long IntDegF;volatile long IntDegC;void initClock() while(BAKCTL & LOCKIO) / Unlock XT1 pins for operation BAKCTL &= (LOCKIO); UCSCTL6 &= XT1OFF; /啟動XT1 P7SEL |= BIT2 + BIT3; /XT2引腳功能選擇 UCSCTL6 &= XT2OFF; /啟動XT2 while (SFRIFG1 & OFIFG) /等待XT1、XT2與DCO穩定 UCSCTL7 &= (DCOFFG+XT1LFOFFG+XT2OFFG); SFRIFG1 &= OFIFG; UCSCTL4 = SELA_XT1CLK + SELS_XT2CLK + SELM_XT2CLK; /避免DCO調整中跑飛 UCSCTL1 = DCORSEL_5; /6000kHz23.7MHz UCSCTL2 = 20000000 / (4000000 / 16); /XT2頻率較高，分頻后作為基準可獲得更高的精度 UCSCTL3 = SELREF_XT2CLK + FLLREFDIV_16; /XT2進行16分頻后作為基準 while (SFRIFG1 & OFIFG) /等待XT1、XT2與DCO穩定 UCSCTL7 &= (DCOFFG+XT1LFOFFG+XT2OFFG); SFRIFG1 &= OFIFG; UCSCTL5 = DIVA_1 + DIVS_1 + DIVM_1; /設定幾個CLK的分頻 UCSCTL4 = SELA_XT1CLK + SELS_DCOCLK + SELM_DCOCLK; /設定幾個CLK的時鐘源struct compxfloat real,imag;struct compx collectN,collect0N; /AD采集到的值unsigned long fs = 28500; /采樣頻率int i,j,fre;float temp_frc,z;unsigned int t=0,k=0,flag=0,n=0,c=0;/*函數原型：struct compx EE(struct compx b1,struct compx b2)函數功能：對兩個復數進行乘法運算輸入參數：兩個以聯合體定義的復數a,b輸出參數：a和b的乘積，以聯合體的形式輸出*/struct compx EE(struct compx a,struct compx b)struct compx c;c.real=a.real*b.real-a.imag*b.imag;c.imag=a.real*b.imag+a.imag*b.real;return(c);/*函數原型：void FFT(struct compx *xin)函數功能：對輸入的復數組進行快速傅里葉變換（FFT）輸入參數：*xin復數結構體組的首地址指針，struct型*/void FFT(struct compx *xin) int f,m,nv2,nm1,i,k,l,j=0; struct compx u,w,t;int le,lei,ip; /FFT運算核，使用蝶形運算完成FFT運算nv2=N/2; /變址運算，即把自然順序變成倒位序，采用雷德算法 nm1=N-1; for(i=0;inm1;i+) if(ij) /如果ij,即進行變址 t=xinj; xinj=xini; xini=t; k=nv2; /求j的下一個倒位序 while(k=j) /如果k=j,表示j的最高位為1 j=j-k; /把最高位變成0 k=k/2; /k/2，比較次高位，依次類推，逐個比較，直到某個位為0 j=j+k; /把0改為1f=N; for(l=1;(f=f/2)!=1;l+) /計算l的值，即計算蝶形級數 ; for(m=1;m=l;m+) / 控制蝶形結級數 /m表示第m級蝶形，l為蝶形級總數l=log（2）N le=2(m-1); /le蝶形結距離，即第m級蝶形的蝶形結相距le點 lei=le/2; /同一蝶形結中參加運算的兩點的距離 u.real=1.0; /u為蝶形結運算系數，初始值為1 u.imag=0.0; w.real=cos(PI/lei); /w為系數商，即當前系數與前一個系數的商 w.imag=-sin(PI/lei); for(j=0;j=lei-1;j+) /控制計算不同種蝶形結，即計算系數不同的蝶形結 for(i=j;i=N-1;i=i+le) /控制同一蝶形結運算，即計算系數相同蝶形結 ip=i+lei; /i，ip分別表示參加蝶形運算的兩個節點 t=EE(xinip,u); /蝶形運算，詳見公式 xinip.real=xini.real-t.real; xinip.imag=xini.imag-t.imag; xini.real=xini.real+t.real; xini.imag=xini.imag+t.imag; u=EE(u,w); /改變系數，進行下一個蝶形運算 void main( void )float yN;/ Stop watchdog timer to prevent time out reset WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD; initClock(); initTFT(); REFCTL0 &= REFMSTR; / Reset REFMSTR to hand over control to / ADC12_A ref control registers ADC12CTL0 = 0x0050 ; / Internal ref = 1.5V ADC12CTL1 = ADC12SHP; / enable sample timer ADC12MCTL0 = ADC12INCH_13; / ADC i/p ch A10 = temp sense i/p ADC12IE = 0x001; / ADC_IFG upon conv result-ADCMEMO _delay_cycles(75); / 75us delay to allow Ref to settle ADC12CTL0 |= ADC12ENC; P8DIR |= BIT0; P5DIR |= BIT7; P4DIR |= BIT5+BIT6+BIT7; char buffer81; etft_AreaSet(0,0,239,319,0);/清屏 sprintf(buffer, Name:Zhao Zhenqi); etft_DisplayString(buffer, 0, 0, 0xFFFF, 0x0000); sprintf(buffer, Student Number:22920132203719); etft_DisplayString(buffer, 0, 16, 0xFFFF, 0x0000); while(1) ADC12CTL0 |= ADC12SC; / Sampling and conversion start _bis_SR_register(LPM4_bits + GIE); / LPM0 with interrupts enabled _no_operation(); if(flag=1) /FFT處理模塊 FFT(collect); for(i=0;iN;i+) /求變換后結果的模值，存入復數的實部部分 collecti.real=sqrt(collecti.real*collecti.real+collecti.imag*collecti.imag); temp_frc=collect1.real; fre=1; for(i=2;itemp_frc)/求出最大幅值對應的頻點 temp_frc=collecti.real; fre=i; fre=fre*fs/N;/所測頻率 for(i=0;i80;i+) yi=sin(float)i*PI*fre/2/fs); /LCD液晶屏顯示模塊etft_AreaSet(32,0,239,319,0);/清屏 sprintf(buffer, Frequency: %5d Hz,fre); etft_DisplayString(buffer, 0, 32, 0xFFFF, 0x0000); sprintf(buffer,.); for(i=0;i80;i+) etft_DisplayString(buffer,(i)*4,(int)(yi+1)*10+90),0xFFFF,0x0000);/繪制波形 sprintf(buffer,*); for(j=1;j=500&fre=1500&fre=2500&fre=3500&fre=4500&fre=5500&fre=6