摘 要

伴随数字电路和植入式系统不断发展，波形信号发生器在电子测量，电路调试以及实验教学等诸多领域得到更为全面的应用，传统信号源往往结构繁杂，造价偏高且功能较为单一，很难适应各种不同场景之下的灵活需求，于是，本文规划出一款依托STM32F103C8T6单片机的多功能波形信号发生器，该系统把AD9833当作核心波形产生芯片，并结合OLED屏幕，按键输入组件，RGB状态指示灯以及串口通讯，从而达成正弦波，方波，三角波等基础波形的输出，而且允许对频率，幅值等参数执行动态调整并及时显现出来。
用户通过五个功能按键来达成波形切换以及参数设置，OLED屏幕会及时显现当前信号的频率，幅值和波形种类，从而改善交互感受，该系统所产生的波形信号可借助外接示波器随时予以观测，以保证波形的精准度和稳定性，电路设计较为紧凑，构造明晰，程序控制逻辑稳固，具备较好的拓展能力和实用价值，此系统既适合于基本的实验教学，又能够充当低成本的植入式信号源供各类电子开发环境使用。

关键词：STM32；AD9833；波形发生器；OLED显示；示波器输出

第2章 系统总体设计

2.1 设计目标
本设计意在研发一款依靠STM32F103C8T6单片机的多功能波形信号发生器，针对教学实验，电路调整以及便携检测等应用场合，该发生器具有产生标准波形，动态调节参数，实施人机交互和即时显示等主要功能，系统通过整合波形生成芯片，显示单元，输入按键以及输出观测接口，给出一种低成本，易获取的小型信号源解决办法，总体设计要达成如下功能目的：：
（1） 波形输出功能： 把AD9833当作核心DDS波形产生器件之后，系统就能稳固地输出正弦波，方波以及三角波这三种基本波形，其频率范围从Hz到MHz不等，而且波形转换反应迅速，所产生的输出信号可以接到示波器上以便随时观察并验证精度。
（2） 参数调节功能： 系统设置有五个功能按键，这些按键可用来执行不同的操作，其中包含波形类型选择，频率上升/下降，幅值增减以及操作模式转换等操作，它具有分级控制能力，可以实施细步长频率调节，从而符合对信号精度控制的要求。
（3） OLED显示功能： 采用0.96英寸OLED液晶屏作为人机交互界面，可以随时显现当下的波形种类，频率数值，幅值，电压单位以及占空比等重要信息，给予明晰而直观的界面回馈，提升用户操作的直观感受和方便程度。
（4） 状态提示功能： 通过一颗共阳极RGB三色LED灯来实施状态指示，不同颜色代表不同的波形种类或者工作状况，从而帮助用户迅速判别当前所处的系统模式，加强交互的速度与可视性。
（5） 通信扩展功能： 系统保留了 USART 串口接口，这给后续连接上位机实施波形设置，参数调试或者远程控制留下了拓展余地，提升了系统的可升级性和工程适配性。
整体电路设计遵循简洁、 高效且便于守护的准则，模块划分恰当，软件逻辑明晰稳定，硬件选取考虑实用性并控制成本，从而保证系统运行时可靠又灵活，这个信号发生器既可用作教学实验平台，又能成为工程开发场合的便捷检测和调节器具，有着宽广的应用前景和推行意义。
2.2 系统方案设计
按照设计目的，本系统把 STM32F103C8T6 单片机当作控制核心，再加上 AD9833 数字波形产生芯片，OLED 显示屏，LED 状态指示灯以及五个功能按键，从而形成起一套功能较为全面，结构比较简单的多波形信号产生系统，该系统通过 AD9833 模块达成对正弦波，方波，三角波等常规波形的输出，并显现于外接示波器之上，而且允许对频率，幅值等参数实施动态调节，适合用在电子检测或者教学示范方面，使用者借助按键能够执行波形种类的转换，频率的调节，幅值的更改等操作，其操作逻辑较为直观，利于迅速完成目标输出信号的设置。
OLED显示屏可随时显示当下波形名称，输出频率，幅值以及占空比这些重要参数信息，从而优化了系统的可视化程度及其给使用者带来的感受，LED灯在不同状态时会用不一样的颜色来指示当前系统所处的是设置，输出还是等待状态，这样就加强了操作进程中反馈的直观程度，该系统还设有USART通信接口，这对之后达成PC端关联控制，远距离数据传送或者调试之类的功能给予了拓展方面的支撑。
电源部分通过 USB Type - C 接口供电，其通用性与稳定性较好，该系统能够输出到示波器上实施波形观察及参数核对，保证输出信号品质优良，频率稳定且波形完好，从而符合日常电子工程方面的需求，整个系统的总体架构可看图 2-1。

图2-1 系统整体结构示意图

2.3 主要器件选型
2.3.1 主控芯片选型
方案一： 选定STM32F030C8T6当作主控芯片，这款芯片属于意法半导体（ST）公司所推出的32位ARMCortex - M0内核微控制器，它能够达到48MHz的主频率，有着比较丰富的外设资源，而且支持库函数开发，存在不错的开发生态[11]，其编程手段包含ST - LINK，J - LINK，串口等多种途径，可以满足各类嵌入使用需求，芯片内部整合了Flash，RAM，ADC，定时器，串口等资源，有益于展开复杂控制逻辑的设计，适宜于完成本系统里针对众多传感器数据的即时收集和控制任务。
方案二： 选定STC12C5A60S2作为主控芯片，此款芯片属于国内宏晶公司所推出的一种8位加强型8051核心单片机，其最高工作频率可达35MHz，该芯片性能稳定，而且其最小系统结构很简单，在上电之后无需再接上晶振或者复位电路就能够运行程序，适宜于那些对资源需求较少的简单系统，它还支持串口下载程序，调试方法比较基本[12]。
选型分析： 二者价格接近，不过STM32F030C8T6在性能及功能拓展性上占据上风，它有着更强的处理能力以及更多的I/O接口，可以应对本系统中多个传感器一起采集数据，OLED显现，蜂鸣器控制，WiFi通讯等诸多任务的并发运行状况，而且STM32容许通过STM32CubeIDE来执行图形化的引脚设置并自动创建初始化代码，这对改善开发效率和稳定性很有帮助，所以从各个方面权衡之后，STM32F030C8T6更为合适。如图2-2所示。

图2-2 STM32单片机实物图

第3章 硬件设计

3.1 STM32最小系统电路
STM32最小系统电路依托STM32F103C8T6核心板形成，重点在于对芯片电源引脚，复位引脚以及基本功能引脚执行连接设置，从而保证系统能够基本运作并达成控制逻辑，这款单片机采用LQFP48封装形式，具备诸多GPIO资源，利于使用者灵活增添外围设备[17]。
在供电方面，第1脚VBAT属于备用电源输入，可用来接入电池电压，当出现掉电情况时，它能保存实时时钟等数据，第19脚和第40脚接上3.3V系统电源（3V3_SYS），第20脚和第39脚则是接地（GND）引脚，这样就形成了主供电通道，给单片机营造出运行所必需的稳定电压环境。
复位功能依靠第18脚NRST来达成，当系统加电或者有外部复位信号的时候，就会执行芯片复位初始化工作，通过外部电阻电容网络再加上按键，可以做到手动复位或者上电自动复位，从而保证系统能够稳固地启动起来。
主控芯片供应许多通用IO口来应对拓展需求，其通用性很强，被全面用在按键输入或者LED控制之类的地方，第2到第5脚（PC13 - PC15，PA0）再加上第6脚PA1常常会被结合起来用作低速IO拓展。
STM32芯片有两个3V3供电口（第19脚和第40脚）以及两个GND地线（第20脚和第39脚），以此来满足可靠供电需求，借助这些引脚，STM32F103C8T6能够在最少的硬件支撑之下达成基本的程序运行，IO读取以及外设初始化任务，其属于整个系统的控制中枢。如图 3-1所示。

图 3-1 STM32最小系统电路图
3.2 显示模块电路
系统选取了型号为HS96L03W2C03的0.96英寸OLED显示屏当作信息输出终端，用来显现当前的波形种类，频率，幅值，占空比这些重要参数，这个OLED模块采取IIC通讯形式，具备分辨率高，能耗小，体积小，显示对比强烈的特性，很适宜于在植入式信号系统当中及时表现动态消息和状况参数[18]。

此款OLED模块存在4个引脚，即GND，VCC，SCL以及SDA，GND引脚接系统地，起到形成电气回路的作用，VCC引脚连到3.3V系统电源（3V3_SYS）上，给OLED模块供应工作电压，SCL引脚属于IIC通信的时钟线，在此系统里它接到STM32单片机的PB6引脚上，SDA引脚则是IIC通信的数据线，其对应接到STM32的PB7引脚上，并且在电路中分别被标记为OLED_SCL和OLED_SDA。如图 3-2所示。

图 3-2 显示模块电路图

第4章 软件设计

4.1 主程序
本系统的软件部分主要围绕波形信号的精准控制、用户输入的及时回应以及参数的动态表现来执行设计，主程序属于系统运作的核心逻辑框架，它担负着硬件设备的启动设置、按键检测、波形设置、参数更新和状态回馈之类的任务，保证整个系统能够稳定而连续地运行，程序在上电之后先做各模块的启动设置，其中涵盖GPIO口设置、OLED屏幕设置、AD9833波形芯片的GPIO和SPI接口设置、按键模块设置等等，使得全部外围设备都处在一种清楚而且可控制的起始状况之下。
完成初始化之后，程序便踏入主循环状态，不断监测按键事件，并遵照用户输入来动态调节波形输出，而且会同步刷新OLED显示内容，从而达成完整的人机交互闭合，主程序的主要逻辑包含如下几部分：：
（1） 按键状态检测： 系统定时对这五个独立按键的状态执行扫描，通过判断按键有无触发以及当前的按键编号，来识别用户当下的操作行为，涉及波形种类转换，频率增大/减小，幅值调节等，程序按照不同的按键事件调用相应的处理函数，从而做到参数更新和操作模式的转换。
（2） 波形信号设置： 检测到用户参数变更请求之后，系统依照当前设置产生新的频率控制字和波形控制指令，再通过SPI接口把这些数据传送到AD9833芯片里面去，写入操作包含对频率寄存器以及控制寄存器执行更新处理，从而保证芯片所输出的信号同设置参数完全相同，达成稳定的信号产生目标。
（3） OLED参数显示刷新： 主程序依照当前工作状况把波形种类，频率数值，幅度等重要信息实施格式化处理之后传送到OLED模块予以显示，频率显示具备Hz，kHz，MHz这三个单位之间的转换功能，而幅度则以数字形式直接表现出来，这样就能让使用者及时知晓当下的信号设置情况，从而提升整个系统的可视化程度以及互动性能。
（4） 状态指示灯控制： 系统控制RGB三色LED灯在不同波形或者模式之下显示不同的颜色，以此来表现当前系统的运行状况或者参数改变的结果，这个功能加强了系统的物理状态回馈能力，属于一种有效的辅助提示手段。
（5） 循环执行与信号输出： 主循环逻辑每完成一次这样的操作就会自动重新开始，不断地去监听用户输入，控制波形输出以及维持系统状态，直到系统断电或者被人工复位为止，而此时波形信号则通过系统输出口一直传送到外接示波器的端口上，以使用户能够随时观察到信号波形及其测试成果。
主程序的总体设计采用模块化结构和循环调度机制，其流程明晰，反应快速，并且考虑到了系统的稳定，可扩展以及用户感受等方面，属于该信号发生器达成功能完备性的关键掌控部分。

图4-1 主程序流程图

第5章 系统测试

5.1 电路板焊接测试
系统焊接结束之后，先针对主控芯片，模块插针，电源部分，通信线路这些关键之处展开全方位检测，用万用表逐个测量电源电压，各条连接线是否接通，保证每个模块都能得到正常供电，不存在虚焊，短路或者断路情况。针对OLED显示模块，LED灯，波形发生器等功能单元执行通电检测，以验证它们之间的连接无误，系统接上电源以后，查看有无不正常的发热，异味或者被烧毁的迹象，还要确定OLED屏幕能不能正常显示最初的界面，接着再去检查STM32主控芯片是否可以正确识别各个外接设备模块，比如按键输入是不是能够快速反应。通过初步的硬件调试之后，可以证明电路板的结合稳固而可靠，各个模块均处于正常运行的状态，这样系统便具有了开展后续功能检测的基本条件，实际的焊接检测可看图中所展示的内容，如图5-1所示。

图5-1 实物通电测试图
5.2 波形输出功能测试
要想检测系统的波形输出功能是不是正常，就把AD9833模块的信号输出端接到示波器上，然后逐个按波形切换按键，这样就能依次设置成输出正弦波，方波和三角波。在做测试的时候看着示波器的界面，把波形形状的改变情形记下来，从结果来看，系统可以很平稳地输出相应的标准波形，这些波形的边沿很清楚，周期也很稳定，没有显著的变形或者受到干扰，达到了设计所要求的输出精度和显现效果，从而证明了波形切换以及输出功能是可靠的，如图5-2至5-4所示。

图5-2 波形输出正弦波功能测试

图5-3 波形输出方波功能测试

图5-4 波形输出三角波功能测试

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