靳羚 龍建軍 張根明 陸艷

摘要：目前對(duì)海底冷泉滲漏氣體流量聲波測(cè)量運(yùn)用較多且方便有效的一種方法是投射聲波波形-幅度法，并且激發(fā)換能器的聲波個(gè)數(shù)需要控制在一定范圍。該文提出一種以DDS技術(shù)為基礎(chǔ)的信號(hào)發(fā)生器。采用單片機(jī)STC12C5A60S2控制DDS芯片AD5930產(chǎn)生正弦高頻信號(hào)，同時(shí)通過可編程計(jì)數(shù)器芯片82C54來實(shí)現(xiàn)對(duì)波的個(gè)數(shù)的控制。該信號(hào)源電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于控制、且頻率可調(diào)，具有非常廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：信號(hào)發(fā)生器；AD5930；掃頻；82C54

中圖分類號(hào)：TP311.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）13-0218-02

Design of Signal Source Based on Acoustic Wave Measurement of Leakage Gas Flow in Seafloor Cold Spring

JIN Ling，LONG Jian-Jun， ZHANG Gen-ming，LU Yan

（School of Information Engineering， GDUT， Guangzhou 510006， China）

Abstract：At present， one of the most effective and convenient methods for the acoustic measurement of leaking gas flow in subsea cold springs is the sound wave waveform-amplitude projection method， and the number of sound waves that excite the transducer needs to be controlled within a certain range. This article proposes a signal generator based on DDS technology. The use of single-chip STC12C5A60S2 control DDS chip AD5930 produces sinusoidal high-frequency signal， and at the same time through the programmable counter chip 82C54 to achieve the control of the number of waves. The signal source circuit has a simple structure， is easy to control， and has adjustable frequency， and has a very broad market application prospect.

Key words： Signal generator；AD5930；frequency sweep ；DDS

因聲波在海水中具有能有效遠(yuǎn)距離的傳播、傳播過程中衰減小、傳播方向性好等優(yōu)點(diǎn)，所以目前聲波測(cè)量法已經(jīng)成為測(cè)量海底冷泉滲漏的重要方法之一。在聲波的測(cè)量過程中波的個(gè)數(shù)不能太少，不能準(zhǔn)確測(cè)量，波的個(gè)數(shù)也不能太多，因?yàn)闇y(cè)量通道的內(nèi)壁對(duì)聲波的反射，當(dāng)聲波個(gè)數(shù)過多時(shí)，反射的聲波會(huì)與測(cè)量聲波互相疊加出現(xiàn)聲波幅度不穩(wěn)定的現(xiàn)象。本文提出的設(shè)計(jì)思路是以單片機(jī)作為主控系統(tǒng)，控制AD5930信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生方便易于調(diào)節(jié)頻率的高頻信號(hào)，然后再通過82C54計(jì)數(shù)器來實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)板輸出波形個(gè)數(shù)控制的功能。

1信號(hào)發(fā)生器電路設(shè)計(jì)

直接數(shù)字式頻率綜合器DDS，實(shí)際上是一種分頻器：通過編程頻率控制字來分頻系統(tǒng)時(shí)鐘以產(chǎn)生所需要的頻率。DDS 有兩個(gè)突出的特點(diǎn)，一方面，DDS工作在數(shù)字域，一旦更新頻率控制字，輸出的頻率就相應(yīng)改變，其跳頻速率高：另一方面，由于頻率控制字的寬度寬（48bit 或者更高），頻率分辨率高。

AD5930是一款支持可編程頻率掃描和輸出突發(fā)功能的波形發(fā)生器。AD5930支持三種工作模式。在連續(xù)輸出模式下，該器件在定義時(shí)長(zhǎng)內(nèi)輸出所需頻率，然后步入下一頻率。針對(duì)該器件輸出特定頻率的時(shí)長(zhǎng)，可進(jìn)行預(yù)先編程并讓器件自動(dòng)遞增該頻率，或者通過CTRL引腳進(jìn)行外部遞增。在突發(fā)模式下，該器件在一定時(shí)長(zhǎng)內(nèi)輸出其頻率，接著在另一預(yù)定義時(shí)長(zhǎng)內(nèi)返回到中間電平，然后步入下一頻率。在MSB模式下，該器件產(chǎn)生數(shù)字輸出。對(duì)器件進(jìn)行編程時(shí)，用戶需要輸入起始頻率、頻率步進(jìn)、增量數(shù)量，以及器件在各頻率點(diǎn)停留的時(shí)間間隔。頻率配置文件可通過切換CTRL引腳來啟動(dòng)。

AD5930關(guān)鍵引腳的功能介紹：FSADJUST：這個(gè)引腳必須在與模擬地之間連接一個(gè)電阻，通常這個(gè)電阻的取值是6.8kΩ。REF：內(nèi)部參考電壓引腳，應(yīng)用時(shí)需要在其與模擬地之間連接一個(gè)10nf的去耦電容。COMP：這個(gè)引腳加一個(gè)去耦電容用于對(duì)AVDD的電壓值穩(wěn)壓的目的。MCLK：電路主時(shí)鐘。SYNCOUT：掃頻信息狀態(tài)輸出引腳，如果要啟用這個(gè)功能需要將控制寄存器位SYNCOPEN設(shè)置為1。INTERRUPT：這個(gè)引腳扮演在掃頻的過程當(dāng)中中斷的作用，其上升沿被內(nèi)部主時(shí)鐘采樣之后，讓內(nèi)部狀態(tài)復(fù)位，并且其數(shù)模轉(zhuǎn)換的結(jié)果輸出中間電平。CTRL：當(dāng)這個(gè)引腳有一個(gè)上升沿之后，則啟動(dòng)內(nèi)部的初始化狀態(tài)，然后執(zhí)行已經(jīng)預(yù)編程的程序；當(dāng)處于自動(dòng)遞增狀態(tài)時(shí)，一個(gè)單一的脈沖就會(huì)啟動(dòng)執(zhí)行掃頻信號(hào)；當(dāng)處于外部遞增模式時(shí)輸出頻率的增加是隨著外部的上升沿的變化從而改變。SDATA：串行數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)位寬是16bit。SCLK：串行時(shí)鐘輸入，每一個(gè)SCLK的下降沿將數(shù)據(jù)送入到AD5930。FSYNC：處于工作狀態(tài)的時(shí)候低電平有效。STANDBY：掉電休眠功能，當(dāng)處于高電平的時(shí)候，AD5930的內(nèi)部MCLK處于無效狀態(tài)。IOUT/IOUTB：是一對(duì)差分信號(hào)，電流輸出，使用的時(shí)候必須在引腳外分別加上一個(gè)200歐姆的電阻與模擬地相連接。

當(dāng)在編程的時(shí)候需要定義：起始頻率，頻率間隔，步進(jìn)頻率的數(shù)量，和兩個(gè)頻率之間的時(shí)間間隔，當(dāng)運(yùn)行的時(shí)候有兩種頻率增加模式分別是自動(dòng)增加模式和外部硬件引腳增加模式。當(dāng)處于自動(dòng)增加模式的時(shí)候，在CTRL引腳輸入一個(gè)脈沖波就開始啟動(dòng)產(chǎn)生輸出信號(hào)；當(dāng)設(shè)置為外部增加模式的時(shí)候，在CTRL引腳輸入脈沖波來開啟掃頻工作，但是其掃頻的時(shí)間間隔則是根據(jù)其引腳輸入的脈沖波的頻率變化而變化，這與前面的自動(dòng)增加模式是靠?jī)?nèi)部設(shè)置的時(shí)間不一樣。頻率掃描的方式有鋸齒波和三角波兩種，輸出的波形也有連續(xù)輸出和突發(fā)輸出模式兩種差別。

在編程的時(shí)候需要設(shè)置起始頻率，寄存器中定義起始頻率大小的位寬是24bit，如果不需要這么大的數(shù)值也可以通過設(shè)置控制寄存器的B24bit來設(shè)置是否將其拆分為兩個(gè)各12位的起始頻率寄存器。步進(jìn)頻率增量表示每一次頻率的最小增加量，是一個(gè)23位的寄存器，其高位寄存器的D11位設(shè)置為1表示從頻率遞增，設(shè)置為0表示頻率。最終的頻率等于起始頻率加上步進(jìn)頻率乘以步進(jìn)數(shù)值。AD5930的數(shù)據(jù)輸入接口是串行外設(shè)接口SPI，和單片機(jī)ST12C5A60S2相連接。其電路原理設(shè)計(jì)如圖1所示：

2計(jì)數(shù)器電路設(shè)計(jì)

82C54是一種在微處理器系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)定時(shí)和計(jì)數(shù)功能的外圍接口芯片，其內(nèi)擁有三個(gè)獨(dú)立的16位的計(jì)數(shù)器。有六種可編程方式，與最常見的TTL電平可以完全兼容，以二進(jìn)制計(jì)數(shù)，還擁有狀態(tài)讀返回功能。82C54的體系結(jié)構(gòu)包括一個(gè)8位的雙向數(shù)據(jù)總線D0--D7。寄存器地址輸入信號(hào)A0和A1用來選擇要訪問內(nèi)部四個(gè)寄存器的具體哪一個(gè)。讀控制信號(hào)（RD）和寫控制信號(hào)（WR）用來指明要對(duì)哪些寄存器地址進(jìn)行讀出或者寫入操作。另外還提供片選（CS）輸入信號(hào)，以開啟82C54的微處理器接口。82C54的數(shù)據(jù)總線緩沖器是與系統(tǒng)控制總線相連接傳輸數(shù)據(jù)的接口，它是一種3態(tài)、雙向8位的緩沖器，因?yàn)槭侨龖B(tài)所以決定了其編程方式既可以用I/O的方式也可以利用總線的方式（總線只允許同時(shí)只有一個(gè)器件工作）對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

3信號(hào)發(fā)生器程序設(shè)計(jì)

AD5930一開始上電的時(shí)候內(nèi)部的狀態(tài)是沒有確切定義的狀態(tài)，所以先讓AD5930擁有一個(gè)確定的狀態(tài)。由其數(shù)據(jù)手冊(cè)可知，CTRL引腳的上升沿用于初始化和啟動(dòng)內(nèi)部狀態(tài)，因此在初始化的設(shè)置中這個(gè)引腳先設(shè)定為低電平0。STANDBY引腳為0 的時(shí)候是關(guān)閉元器件掉電休眠模式，所以初始化時(shí)設(shè)為0。SCLK引腳的下降沿會(huì)將數(shù)據(jù)鎖存到內(nèi)部寄存器，所以初始化時(shí)設(shè)為1。FSYNC引腳為低電平的時(shí)候表示新的數(shù)據(jù)即將加載到元器件內(nèi)部，所以初始化時(shí)設(shè)置為1。INTERRUPT引腳在被內(nèi)部主時(shí)鐘檢測(cè)到上升沿時(shí)，會(huì)復(fù)位內(nèi)部狀態(tài)，所以在初始化的時(shí)候應(yīng)設(shè)置為0。當(dāng)初始化程序加載之后，其余寄存器的加載順序分別是：先加載控制寄存器，再加載起始頻率寄存器，然后加載頻率增量，最后加載步進(jìn)點(diǎn)數(shù)和時(shí)間間隔。AD5930如果需要產(chǎn)生單頻信號(hào)，則可以把步進(jìn)頻率，步進(jìn)點(diǎn)數(shù)和每個(gè)頻點(diǎn)上停留的時(shí)間三個(gè)參數(shù)都設(shè)置為0即可。AD5930與上位機(jī)的數(shù)據(jù)是通過SPI串行外設(shè)接口進(jìn)行傳輸?shù)?，其工作時(shí)序圖如圖2所示：

4計(jì)數(shù)器程序設(shè)計(jì)

82C54的內(nèi)部結(jié)構(gòu)分為：數(shù)據(jù)總線緩沖器、讀/寫邏輯部件和控制字寄存器。數(shù)據(jù)總線緩沖器，它是82C54與系統(tǒng)總線的接口，它是一種3態(tài)、雙向8位的緩沖器。讀/寫邏輯部件是接受來自系統(tǒng)總線的輸入信息，并且還會(huì)產(chǎn)生控制控制82C54其他功能的模塊信號(hào)，用A1和A0從三個(gè)計(jì)數(shù)器中選擇其中的一個(gè)計(jì)數(shù)器或者是控制字寄存器來進(jìn)行讀/寫操作。當(dāng)A0A1=11時(shí)，由讀/寫控制部件來選擇控制字寄存器。若CPU此時(shí)正在對(duì)82C54進(jìn)行一次寫操作，則把數(shù)據(jù)存放在控制字寄存器內(nèi)，且被當(dāng)成控制字去規(guī)定各計(jì)數(shù)器的操作。它實(shí)際上由三個(gè)8位的寄存器構(gòu)成，用他們來設(shè)置計(jì)數(shù)器0、1和2的操作。

82C54的控制字是8位，第8位和第7位00代表計(jì)數(shù)器0，01代表計(jì)數(shù)器1，10代表計(jì)數(shù)器2，11代表讀回命令。第6位和第5位00代表將計(jì)數(shù)器中的數(shù)據(jù)鎖存到緩沖器，01代表只讀寫低8位，10代表只讀寫高8位，11代表先低8位后高8位。第4位、第3位和第2位000代表方式0，001代表方式1，010代表方式2，011代表方式3，100代表方式4，101代表方式5，111代表方式6，最低位為0代表數(shù)值是二進(jìn)制的形式。

82C54既可以與單片機(jī)STC12C5A60S2的數(shù)據(jù)傳輸采用I/O口模式，也可以采用總線的方式，因?yàn)榭偩€的方式編程比較簡(jiǎn)單，方便故本文采用總線式來進(jìn)行程序編程。 采用總線方式編程的時(shí)候需要對(duì)其初始化，此時(shí)讓其門控信號(hào)均為0，然后寫入控制字（確定工作的計(jì)數(shù)器和其對(duì)應(yīng)的工作方式），再寫入初值，然后計(jì)數(shù)執(zhí)行單元開始對(duì)輸入的時(shí)鐘脈沖CLK進(jìn)行減1計(jì)數(shù)，在減到0時(shí)，從OUT端輸出一個(gè)信號(hào)。

5 結(jié)論

本文介紹了一種基于DDS技術(shù)的信號(hào)發(fā)生器和可編程數(shù)字芯片從而使用上位機(jī)可方便實(shí)現(xiàn)控制發(fā)射聲波個(gè)數(shù)的高頻聲波。該電路板設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，上位機(jī)可以很方便控制其波形和頻率，同時(shí)具有低功耗、高可靠性以及成本低廉等特點(diǎn)，具有實(shí)用價(jià)值。

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