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G题：数字信号时序分析装置（湖北省“TI”杯） 获奖队员：程自强 詹震 吴凡
作品简介: 本作品以STM32F103RB、STM32F407VGT6两个单片机为控制核心，通过对单片机编程、搭建外围扩展电路实现赛题要求功能。其中，STM32F103RB单片机产生电路移位时钟及8路数字信号。STM32F407VGT6单片机搭载外围扩展电路进行信号采集及存储，拨码开关预置8位触发字TW。满足触发条件情况下，STM32F407VGT6单片机对信号进行时序分析并计算输出值，经板载高速DA转换输出模拟量控制X-Y通道在示波器上不重叠地自左向右显示对应的时序波形。外围电路由按键、电位器、拨码开关等器件组成控制面板，通过与STM32F407单片机主控组成装置的控制部分，实现触发时间位置可调、时间标志线可手动位移、LED灯显示标志线对应的状态字、回放2个移位循环周期时序波形等功能。 经测试，整个系统能够完全实现简易数字信号分析时序装置设计要求，测试波形图如图1所示。
心得体会: 首先感谢组委会让我们有幸参加这次比赛，同时感谢TI公司为我们提供的便利，也非常感谢我们的指导老师。 纵观比赛全过程，从参赛队员选定、赛前认真备赛开始，到比赛开始选题目、定方案、执行计划，再到赛后的作品评测，我们不断地发现问题，也一直在寻求解决问题的方法。通过比赛让我们意识到个人有时会存在知识面不够广、思考问题不够全面等问题，但往往团队协作能够共同创造最佳的解决方案。 在整个比赛过程中，尽管团队成员之间会有不同想法，但我们的目标是一致的，那就是共同努力把比赛做好，尽管那四天三夜我们待在实训室里几乎是不眠不休，每个人都全身心的投入，最后我们交上的作品是令人满意的。通过比赛我们理解了团队协作的重要性，通过比赛使我们快速成长，它们是我们宝贵的精神食粮，将陪伴我们一生，带给我们满满的正能量。再次感谢TI公司、赛务组、学校和老师给予我们的支持！
本作品设计实现了数字信号分析时序装置，可在示波器上同时显示8路数字信号时序，能调节8路数字信号时序波形的触发时间，可选择不同触发模式，可在屏幕上添加可手动位移时间标志线，能用8个LED显示时间标线对应时刻的8路数字信号状态，能对8路数字信号的逻辑状态的采集与存储，并可在示波器上回放2个位移循环周期的8路数字信号。 关键词：信号发生 时序分析 单片机 X-Y模式
一．方案设计与论证。 1.1、时钟信号发生模块的论证与选择。 方案一： 通过搭建外围电路结合晶振，将晶振产生的波形进行分频。受电路频率和阻抗等因素造成的影响过大，稳定性无法保证，且不容易实现，有难度。 方案二： 通过单片机编程来产生所需的100KHZ的时钟脉冲，编程实现较为简单，经示波器检测，输出的脉冲也很稳定。 综合比较，考虑到时钟的稳定性对整个系统很重要，因此采用方案二。
1.2、8位数字信号发生模块的论证与选择。 方案一： 用74LS164产生8路数字信号。设置一个预置数，给它一个时钟脉冲，每个脉冲依次移动一个bit，在输入端输出。该方案基本电路结构简单，成本低，但稳定性不高。 方案二： 通过单片机的八个IO口同时输出八路信号。此方案，可靠性强，易于修改和调整。 经实际测试，为了降低整个系统的复杂性和稳定性，采用方案二。
1.3、波形显示模块的论证分析与选择。 示波器的XY模式显示8路波形的原理：示波器X通道波形电压决定了光点偏离X轴的距离。示波器Y通道波形电压决定了光点偏离Y轴的距离。X通道输入斜升波，Y通道循环输入与触发字匹配的一路数字信号波形即可在示波器上输出一路波形。要在示波器上同时显示8路波形，则X通道需要输入8个斜升波，分别用于8路波形的完整显示。Y通道的8路波形要做抬压处理，否则光点会发生混叠，所以8路波形需要设置在不同的基准电压上。 由于示波器X-Y模式波形显示对输入信号频率要求较高，低频信号容易造成显示图形失真。这也是最重要的问题，满足不了这点，就无法在示波器XY模式下同时显示八路不混淆的信号。 方案1： 使用51单片机和利用DAC0832数模转换器、LM358功率放大器搭建外围电路实现单片机输出信号的DA转换，产生供示波器显示的XY通道的模拟信号。 方案2： 选用STM32F407VGT6型单片机，此型号单片机主频较高、内部含有高速的DA转换、集成度高。 经测试与分析，方案一51单片机的速度和搭建电路构成DA转换的速度都达不到要求。方案二，可以减少许多外围电路的搭建，较快的扫描速度和转换速度可以在示波器XY模式下不重叠的显示相对应的时序波形，即满足人眼惰性的0.05S。采用方案二。
1.4、调节设置模块的论证与选择 方案一：通过8位拨码开关设置8位触发字TW；调节电位器，屏幕上手动位移时间标志线，LED灯显示标志线对应8路数字信号状态字SW；按键A设置三种触发时间位置；按键B切换显示回放存储的2个周期8路时序波形和正常状态时序波形。 方案二： 使用4*4矩阵式按键，使用不同的功能。 经实际测试，考虑到题目要求功能的精确控制，采用方案一，使功能清晰易操作。
二、系统原理分析。 整个系统主要由8位数字信号发生电路和数字信号时序分析装置组成。采用单片机STMF103RB产生频率为100KHz移位时钟clock和8位并行移位循环输出的TTL电平信号。单片机主控每隔80 us的移位循环周期对8路数字信号进行采样和时序分析。通过拨码开关预置8位单级触发字TW，当满足触发条件（即D0～D7刚好为预置的TW），主控单片机经采样后由内部DA转换输出X-Y通道两路控制信号，在示波器上不重叠地自左向右同时显示8路数字信号时序波形。通过拨码开关预置8位有效单级触发字TW。调节电位器，屏幕上手动位移时间标志线，LED灯显示标志线对应8路数字信号状态字SW；按键A设置三种触发时间位置；按键B切换显示回放存储的2个周期8路时序波形和正常状态时序波形。系统框架图如下所示：
经测试，我们的作品完全实现了赛题要求.
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