内容介绍

1、项目概况

本设计旨在利用RP2350B核心板+综合训练扩展板建一个DDS信号发生器，主要的需求如下：

能够产生正弦波、三角波、方波、直流，可以通过核心板的拨码开关控制波形的切换
产生信号的幅度0-3Vpp之间可调，可以通过电位计进行调节
产生信号的频率100Hz-200KHz之间可调
产生的波形、波形的幅度、波形的频率都实时显示在OLED屏幕上

根据以上需求，可以细化上述需求，主要的DDS信号发生器功能如下：

通过R-2R电阻网络和控制GPIO口来模拟DAC输出不同的电压，从而生成不同的波形，
通过SPI读出ADS7868 AD采样器，从而可以读出电位计数据，结合波形生成策略，可控制波形赋值
核心板AD采样按键电阻网络，从而判断按键的类型。
根据按键的类型可以切换波形，也可以调节波形的频率
通过SPI控制OLED显示波形的类型、赋值和频率。
IIC读取姿态传感器数据，可用于控制波形的切换。
数码管可用于显示波形类型编码
LED灯指示按键的按下

主要使用的RP2350B核心板和综合训练扩展板如下：

RP2350 - 正反图(1000px).png

Training扩展板图(1000px）.png

2、项目总体方案框图

项目总体框图如下：

DDS信号发生器总体框图2.png

根据细化的需求，拆分相关的模块如下:

adc：采集电阻按键网站的电压值，用于检查哪个按键或者拨码开关按下
ads7868：通过spi采集电位计数据，用于模块波形幅值
angle：iic读取姿态传感器数据，用于波形类型控制
blink：led闪烁，系统运行指示灯
dac：R-2R电阻网络电压输出，用于生成波形
key：对adc采集的电压进行滤波以及按键值的检查
oled：spi 协议控制波形、幅值等数据显示
multi_core：core1处理函数，接收core的数据，用于控制dac数据输出，电位计控制幅值输出，以及频率的控制
segment_scan：利用74hc595 串转并显示对应的数据，显示波形编码值
main：core0上运行，用于处理电位计、姿态传感器数据、按键逻辑控制、OLED显示以及core1的通信控制数据传输。

3、硬件使用介绍

使用到的硬件主要有如下图所示：

DDS信号发生器硬件.png

OLED：128*64 液晶显示屏
数码管：IO驱动数码管和74HC595串转并驱动数码管
74HC595：串转并驱动芯片
按键：拨码以及点击按键
ads7868：ad采样芯片，spi协议数据读出
R-2R电阻网络以及TLV271：运算放大器，
KXTJ3-1057：姿态传感器，IIC协议总线，x,y,z三轴数据
LED灯：数量为8个

3.1、R-2R电阻网络DAC

R-2R无需与并行数据同步的时钟，直接IO口并行数据输出到10个电阻节点即可
基准电压为3.3V，因此在R-2R上得到的模拟波形的峰峰值也就是3.3Vpp
10个IO口，从DA0-DA9，可看出10位数据，数值越大，则幅值越大，基于此可调整不同的电压生成不同的波形。

R-2R电阻网络DAC电路图如下所示：

3.2、74HC595控制数码管

2个74HC595 来控制2个数码管，主要使用三个管脚，SER，SRCLK，RCLK，时钟频率为40KHZ

SER：串行数据输入管脚，数据从SER口排着队依次进入。
SRCLK：移位寄存器的时钟输入
- 数据从SER口排着队等待进入，该管脚输入低电平，则SER接收一位数据。
RCLK：存储计时器时钟的输入引脚
- 把SER输入的8位数据存储起来，输入高电平，把移位寄存器中的8位数据一次性转存到存储时钟当中。

实验中有2个数码管，则需要2个74HC595芯片控制，一个控制数码管的位置，一个控制数码管的数据。

首先初始化管脚状态
其次把控制的数码管位置以及数码管封住成整体数据，1个16位数据
接着通过sclk时钟，逐位通过SER管脚输出，则点亮单个数码管
最后扫描2个数码管，通过状态机逐个数码管显示对应数据

具体电路与时序图如下

3.3、姿态传感器数据读取

KXTJ3-1057姿态传感器：使用IIC总线通信，400KHZ频率，通过读取固寄存器地址，可以分多次将数据读出。寄存器列表如下：

首先写0x1B 地址，初始化传感器，主要是控制传感器位数，以及精读量程
其次写0x1D地址，传感器输出数据频率
最后就通过0x06/07、0x8/09、0xA/B读取接近传感器数值，可以有8/12/16位数值

3.4、ADA采样芯片数据读取

ADS7868 ADA采样芯片：spi协议读取采样数据，其时序图和电路图如下

需要三个IO口，其中一个输入SD，用于读取数据，其他IO口用于输出，clk是时钟，cs是片选使能
cs使能的时候进行读数据
clk 时钟下拉时，读取sdo数据
读取sdo数据时，前三个为0，需要过滤掉，数据总共8位。

3.5、8个LED控制

多个IO口控制来确定不同的LED灯亮
不需要的IO口需要设置高组态，不然导致其他LED灯亮

3.6、按键控制：

ADC 采集电压，按键按下电阻不同，则电压不同，根据电压的范围，确定哪个电阻按下
adc采集的值需要均值滤波，且需要消抖，不然有很大概率出现误触按下情况

4、功能模块设计与展示

4.1、任意波形生成

利用R-2R DAC可生成不同的电压幅值，如果在不同的时刻输出不同的值，则可以用于生成波形。

正弦波：查表生成，正弦波属于中心对称以及轴对称，因此只需要生成1/4波形数据，然后通过基础值+逆序的方式就可以生成余下的波形。

uint16_t sine_wave_data[] = 
{
    0x0,   0xC,   0x19,  0x25,  0x32,  0x3E,  0x4B,  0x57,  
    0x63,  0x70,  0x7C,  0x88,  0x94,  0xA0,  0xAC,  0xB8,  
    0xC3,  0xCF,  0xDA,  0XE6,  0xF1,  0XFC,  0x107, 0x111, 
    0x11C, 0x126, 0x130, 0x13A, 0x144, 0x14E, 0x157, 0x161,   
    0x16A, 0x172, 0x17B, 0x183, 0x18B, 0x193, 0x19B, 0x1A2,
    0x1A9, 0x1B0, 0x1B7, 0x1BD, 0x1C3, 0x1C9, 0x1CE, 0x1D4,
    0x1D9, 0x1DD, 0x1E2, 0x1E6, 0x1E9, 0x1ED, 0x1F0, 0x1F3,   
    0x1F6, 0x1F8, 0x1FA, 0x1FC, 0x1FD, 0x1FE, 0x1FF, 0x1FF,
};

        case SINE_WAVE_SEL:
        {
            int8_t i;
            for(i=0;i<64;i++)
            {
                dac_io_value_set((0x1FF + sine_wave_data[i])*ad_data_g/1024);
                sleep_us(fre);
            }
            for(i=63;i>=0;i--)
            {
                dac_io_value_set((0x1FF + sine_wave_data[i])*ad_data_g/1024);
                sleep_us(fre);
            }
            for(i=0;i<64;i++)
            {
                dac_io_value_set((0x1FF - sine_wave_data[i])*ad_data_g/1024);
                sleep_us(fre);
            }
            for(i=63;i>=0;i--)
            {
                dac_io_value_set((0x1FF - sine_wave_data[i])*ad_data_g/1024);
                sleep_us(fre);
            }
        }break;

方波：控制DAC输出0，以及输出有电压幅值，如此循环往复可以生成方波。

        case SQUARE_WAVE_SEL:
        {
            dac_io_value_set(ad_data_g);
            sleep_us(fre);
            dac_io_value_set(0);
            sleep_us(fre);
        }break;

三角波：控制DAC输出按照阶梯输出到最大值，然后再减小到0值。这里笔者的阶梯值可以根据幅值调控

        case TRIANGULAR_WAVE_SEL:
        {
            int8_t i;
            uint16_t value = 0;
            uint16_t avg = ad_data_g>>5;
            for(i=0;i<32;i++)
            {
                dac_io_value_set(value);
                sleep_us(fre);
                value+=avg;
            }
            for(i=0;i<32;i++)
            {
                value-=avg;
                dac_io_value_set(value);
                sleep_us(fre);
            }
        }break;

锯齿波：相比三角波，只需要阶梯式增大即可。

        case SAWTOOTH_WAVE_SEL:
        {
            int8_t i;
            uint16_t value = 0;
            uint16_t avg = ad_data_g>>5;
            for(i=0;i<32;i++)
            {
                dac_io_value_set(value);
                sleep_us(fre);
                value+=avg;
            }
        }break;

直流偏置：直接输出电压

        case DC_WAVE_SEL:
        {
            dac_io_value_set(ad_data_g);
        }break;

4.2、波形幅值与频率控制

电位计由ADS7868 采样，通过SPI协议读出，这里SPI协议通过IO口模拟生成（硬件SPI 与当前口无法对应上）
频率由按键控制，可以进行增减。
通过拨码开关，可以控制波形的类型
通过按键，可以控制波形的频率，通过控制波形数据点位之间的延时，可以控制波形的频率
电位计数据通过SPI读出，用于控制波形的幅值，例如对于方波，用于控制高电平的幅值，即可输出不同幅值的方波，对于正弦波，幅值与最大值成比例，然后作为输出系数，对于三角波和锯齿波，幅值可用于控制阶梯式大小，然后就可以控制波形幅值。

波形频率与幅值控制.png

void core1_fifo_irq() {
    // Just record the latest entry
    uint32_t value;
    while (multicore_fifo_rvalid())   
    {
        value = multicore_fifo_pop_blocking();
        ad_data_g = ((value & 0xFF) << 2);
        wave_select = (value >> 8) & 0xFF;
        fre  = (value>>16);
    }
    multicore_fifo_clear_irq();
}

core0 输出的控制波形数据，通过fifo irq获取，共32位数据
低16位中的低8位是幅值数据
低16位中的高8位是波形选择数据
高16位为频率控制数据

4.3、OLED波形信息显示

OLED显示通过SPI控制，这里同样采样IO口模拟（硬件SPI 与当前口无法对应上）
OLED的波形通过图案进行显示
core0发送给core1的波形控制数据同时显示在OLED上面。
100HZ利用定时器定时刷新OLED显示数据

OLED刷新显示.png

void wave_info_show()
{
    uint8_t buf[128];
    uint32_t ad_data = ad_read_data();
    sprintf(buf,"Vol:%.2f V", (float)ad_data*3.0/254);
    show_common_string(40, 4, buf, 16);
    switch(wave_set)
    {
        case SQUARE_WAVE_SEL:
        {
            uint16_t fre = 1000000/wave_fre/2;
            if(fre>1000)
                sprintf(buf,"Fre:%.1f kHz", (float)fre/1000.0);
            else
                sprintf(buf,"Fre:%04d Hz", fre);
            OLED_DrawBMP(0,0, 40, 64, square_wave);
        }break;
        case SINE_WAVE_SEL:
        {
            uint16_t fre = 1000000/wave_fre/256;
            sprintf(buf,"Fre:%04d Hz", fre);
            OLED_DrawBMP(0,0, 40, 64, sine_wave);
        }break;
        case TRIANGULAR_WAVE_SEL:
        {
            uint16_t fre = 1000000/wave_fre/64;
            sprintf(buf,"Fre:%04d Hz", fre);
            OLED_DrawBMP(0,0, 40, 64, triangular_wave);
        }break;
        case SAWTOOTH_WAVE_SEL:
        {
            uint16_t fre = 1000000/wave_fre/32;
            sprintf(buf,"Fre:%04d Hz", fre);
            OLED_DrawBMP(0,0, 40, 64, sawtooth_wave);
        }break;
        case DC_WAVE_SEL:
        {
            sprintf(buf,"Fre:%04d Hz", 1);
            OLED_DrawBMP(0,0, 40, 64, dc_wave);
        }break;
        default:
        break;
    }
    show_common_string(40, 1, buf, 16);
    multicore_fifo_push_blocking((wave_fre<<16) | (wave_set<<8) | (ad_data));
}

5、项目实物展示

项目仓库地址为：DDS 信号发生器

项目硬件展示如下图所示：

波形：正弦波
幅值：1.95V
频率：38HZ

项目展示效果图2.jpg

波形：三角波
幅值：1.89V
频率：156HZ

项目展示效果图8-三角波.jpg

波形：锯齿波
幅值：1.89V
频率：312HZ

项目展示效果图10-锯齿.jpg

波形：方波
幅值：1.97V
频率：4.95KHZ

项目展示效果图6-方波.jpg

波形：直流偏置
幅值：1.9V
频率：0HZ

项目展示效果图3-直流.jpg

6、项目总结与展望

6.1、项目总结与展望

DDS任意波形发生器总体难度不是很大，核心的控制还是波形的频率控制，单片机不像FPGA那样，频率可以达到很高，且控制相对容易，单片机如果输出相对较高的IO还是相对困难的，因为需要精准的去控制频率，如果有其他程序运行，就会干扰频率范围，笔者采样core1运行DAC，没有其他程序感染，延时精准控制频率，但是频率范围有限，后续考虑DMA控制IO或者PWM控制IO输出。
DDS信号发生器当前功能还是相对简单，后续考虑串口接收上位机数据来进行频率生成以及显示
DDS信号发生器如果要生成任意波形，考虑上位机传输波形数据下来生成，定义好相关格式，比如点位数据等等，然后可以显示任意波形。

6.2 、心得与感受

本次硬禾推出全新RP2350B核心板内置姿态传感器，数码管，按键以及LED灯，外设功能相对丰富，对于初学者来说，还是相对友好的，且按键以及LED灯控制，电路相对有趣，也可以学到很多基础知识。
RP2350B核心板相对较小，如果用来做物联网等场景的控制板，还是很有竞争力
综合外设扩展板板载OLED，电位计，DAC等外设，满足对基本外设的需求，且相对较小，个人还是比较喜欢这样小巧的扩展板。