Документация Engee
Notebook

Генерация кода для Arduino (Прямой цифровой синтез)

Открыть пример в Engee

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 $f_{PWM} = 62.5 кГц$, частота среза RC-фильтра $f_{c} = 14.185 кГц$, порядок фильтра - 2. Параметры RC-цепи: $R_ф = 330 Ом ,\ C_ф = 34 нФ$.

Сигнал переключения формы выходного сигнала поступает на цифровой вход № 2 от кнопочного контакта со схемой устранения дребезга на подтягивающем резисторе $R_п = 10 кОм$ и шунтирующем конденсаторе $C_ш = 75 нФ$.

Для регулирования частоты и амплитуды выходного сигнала на аналоговые входы A0 и A1 отладочной платы Arduino подключены потенциометры с сопротивлением $R_{reg} = 10 кОм$.

Схема соединения элементов представлена на рисунке ниже.

arduino_dds_bb.png

Выходной сигнал снимается осциллографом Hantec DSO на выходе фильтра нижних частот. Также для вывода сигнала на динамик после фильтра через токоограничивающий резистор $R_д = 10 кОм$ 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 счётчика ModeCounter и переключения формы выходного сигнала.
  • AnalogInput_Freq - опрашивает значение частоты на аналоговом входе A0. При моделировании в Engee задаёт условную частоту выходного сигнала $frequency = 0.5$.
  • AnalogInput_Amp - опрашивает значение амплитуды на аналоговом входе A1. При моделировании в Engee задаёт условную амплитуду выходного сигнала $amplitude = 1.0$.
  • 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.

image_2.png

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:

In [ ]: 
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:

In [ ]: 
using Plots
plotlyjs()
plot(data["pwmduty"].time, data["pwmduty"].value,
    legend=false, size=(900,300), lw=2, st=:step)
xlabel!("Время, сек")
ylabel!("Значение")
Out[0]:

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:

In [ ]: 
engee.generate_code( "$(@__DIR__)/arduino_dds.engee",
                     "$(@__DIR__)/arduino_dds_code")

[ Info: Generated code and artifacts: /user/start/examples/codegen/arduino_dds/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.