Прямой цифровой синтез (DDS) на Arduino
alexevsГенерация кода для Arduino (Прямой цифровой синтез)
В этом примере представлена модель прямого цифрового синтеза (DDS) сигналов с последующим выполнением на Arduino.
Введение
Задача прямого цифрового синтеза заключается в формировании сигналов заданной формы на выходе генератора с регулируемыми параметрами. В этом примере будет реализовано переключение по внешнему дискретному сигналу между пятью формами выходного сигнала - пилообразный с положительным и отрицательным наклоном, треугольный, синусоидальный и меандр. По двум внешним аналоговым сигналам будет регулироваться частота и амплитуда выходного сигнала.
Аппаратная часть
В этом примере в качестве целевого устройства используется отладочная плата Arduino MEGA 2560. Выходной сигнал формируется на выходе № 9. Цифро-аналоговое преобразование сигнала выполняется при помощи ШИМ и RC-фильтра нижних частот. Частота ШИМ составляет , частота среза RC-фильтра , порядок фильтра - 2. Параметры RC-цепи: .
Сигнал переключения формы выходного сигнала поступает на цифровой вход № 2 от кнопочного контакта со схемой устранения дребезга на подтягивающем резисторе и шунтирующем конденсаторе .
Для регулирования частоты и амплитуды выходного сигнала на аналоговые входы A0 и A1 отладочной платы Arduino подключены потенциометры с сопротивлением .
Схема соединения элементов представлена на рисунке ниже.
Выходной сигнал снимается осциллографом Hantec DSO на выходе фильтра нижних частот. Также для вывода сигнала на динамик после фильтра через токоограничивающий резистор подключено гнездо аудиовыхода 3.5 мм.
Описание модели
Для взаимодействия с периферией контроллера в модели arduino_dds используется четыре блока C Function:
DigitalInput_Mode- инициализирует цифровой вход № 2, опрашивает состояние входа. При моделировании в Engee формирует периодический пилообразный сигнал для организации отрицательного фронта на входе блока счётчикаModeCounterи переключения формы выходного сигнала.AnalogInput_Freq- опрашивает значение частоты на аналоговом входе A0. При моделировании в Engee задаёт условную частоту выходного сигнала .AnalogInput_Amp- опрашивает значение амплитуды на аналоговом входе A1. При моделировании в Engee задаёт условную амплитуду выходного сигнала .HFPWM_Output- инициализирует работу ШИМ на выходе № 9 с максимально доступной частотой (62.5 кГц) и передаёт в модуль ШИМ контроллера новое значение скважности.
Подробности о работе блоков периферии даны в комментариях к коду в этих блоках.
Алгоритмы расчёта пяти заданных форм сигнала определены в подсистемах: PositiveSaw - пилообразный с положительным наклоном, NegativeSaw - пилообразный с отрицательным наклоном, Triangle - треугольный, Sinusoidal - синусоидальный и Square - меандр со скважностью 50 %. Для переключения между алгоритмами формы выходного сигнала используется блок Multiport Switch, управление на который поступает из подсистемы ModeCounter. В подсистеме ModeCounter выделяется отрицательный фронт входного сигнала и подсчитывается число нажатий на кнопочный контакт.
Таким образом, при моделировании в Engee выходной сигнал с неизменяемыми установками частоты и амплитуды будет периодически переключаться между заданными формами сигнала.
Результаты моделирования
Загрузим и выполним созданную модель:
Pkg.add(["WAV"])
if "arduino_dds" in [m.name for m in engee.get_all_models()]
m = engee.open( "arduino_dds" );
else
m = engee.load( "$(@__DIR__)/arduino_dds.engee" );
end
data = engee.run(m);
Из полученных данных модели построим график генерируемого сигнала:
using Plots
plotlyjs()
plot(data["pwmduty"].time, data["pwmduty"].value,
legend=false, size=(900,300), lw=2, st=:step)
xlabel!("Время, сек")
ylabel!("Значение")
Как это можно заметить, приблизительно каждые 0.2 секунды выходной сигнал изменяет свою форму.
Генерация кода для Arduino
Для загрузки на Arduino необходимо сгенерировать код из разработанной модели:
engee.generate_code( "$(@__DIR__)/arduino_dds.engee",
"$(@__DIR__)/arduino_dds_code")
Сгенерированные в указанной директории файлы подключим в пользовательском скетче arduino_dds.ino. Скачаем эти файлы и загрузим в Arduino MEGA при помощи Arduino IDE.
В приложенном скетче происходит определение макросов и глобальных переменных, подлкючение пользовательских сгенерированных файлов и сторонних библиотек, вызов функций инициализации и циклического расчёта модели. В скетче также приведены комментарии для пояснения работы кода.
Работа программы на Arduino
После успешной компиляции и загрузки скетча в целевое устройство на выходе RC-фильтра подключим цифровой осциллограф Hantec DSO и снимем форму генерируемого сигнала. В опыте измерений показано переключение между генерируемыми формами, затем - генерация пилообразного сигнала с регулируемой частотой, после - с регулируемой амплитудой.
Для большей репрезентативности работы модели DDS на выход RC-цепочки был подключен динамик, а полученный звук записан в файле arduino_dds_audio.wav. Следующая ячейка кода позволяет загрузить в скрипт полученный аудио-файл и воспроизвести его. Проиграйте аудиодорожку, чтобы убедиться в работоспособности разработанной модели. В нём записан звук при последовательном переключении формы выходного сигнала, а затем регулировании частоты и амплитуды пилообразного сигнала с положительным наклоном.
using WAV, Base64
x, fs = wavread( "$(@__DIR__)/arduino_dds_audio.wav" );
buf = IOBuffer();
wavwrite(x, buf; Fs=fs);
data = base64encode(unsafe_string(pointer(buf.data), buf.size));
markup = """<audio controls="controls" {autoplay}>
<source src="data:audio/wav;base64,$data" type="audio/wav" />
Your browser does not support the audio element.
</audio>"""
display( "text/html", markup );