Σχεδιασμός και υλοποίηση διάταξης αναλυτή φάσματος

Abstract

Αρχικά δίνεται μια σύντομη περιγραφή στους αναλυτές φάσματος. Στη συνέχεια αναφερόμαστε στον αναλυτή που αναπτύχθηκε στα πλαίσια της παρούσας πτυχιακής εργασίας. Παρουσιάζονται λεπτομέρειες της κατασκευής του, Αναφέρονται όλα τα βήματα που ακολουθήθηκαν για την υλοποίηση του και οι δυσκολίες που αντιμετωπίστηκαν. Επίσης, αναλύουμε τα υλικά κατασκευής και το λογισμικό του αναλυτή φάσματος και περιγράφουμε πως δουλεύει και τι πληροφορία μας παρέχει το καθένα. Δημιουργήθηκε σχηματικό με το κύκλωμα που θα έχει η πλακέτα το όποιο περιλαμβάνει: Tην πλακέτα CYBLE_PSoC6_416045 με τον μικροελεγκτή PSoC6, τον σταθεροποιητή τάσης BU33TD3WG-TR και το ολοκληρωμένο κύκλωμα FT234XD-R που πραγματοποιεί μετατροπή σειριακού interface σε USB. Στην συνέχεια σχεδιάστηκε το τυπωμένο κύκλωμα της πλακέτας με το πρόγραμμα kicad 7.0. Έπειτα επιλέχθηκαν όλα τα απαραίτητα στοιχεία, όπως πυκνωτές και αντιστάσεις σύμφωνα με της απαιτήσεις της κάθε μονάδος. Στη συνέχεια στάλθηκαν τα gerber files σε εργοστάσιο για την κατασκευή της πλακέτας. Μετά την κατασκευή της πλακέτας έγινε η συναρμολόγηση πραγματοποιώντας τη συγκόλληση των εξαρτημάτων. Έχοντας το υλικό στη διάθεσή μας ακολούθησε η ανάπτυξη του firmware για τον μικροελεγκτή PSoC6 χρησιμοποιώντας το IDE PSoC Creator. Το firmware υλοποίησε τις εξής λειτουργίες: • Ανάγνωση αναλογικού σήματος και μετατροπή σε ψηφιακό από τον ADC του μικροελεγκτή μέχρι τη συμπλήρωση 1024 δειγμάτων. • Εφαρμογή αλγορίθμου CooleyTuckey για τον υπολογισμό του FFT πάνω στα δείγματα του σήματος που διαβάστηκε. • Αποστολή του FFT στον υπολογιστή μέσω USB χρησιμοποιώντας την UART του μικροελεγκτή και τον εξωτερικό μετατροπέας USB-to-serial (FT234XD-R). • Για σκοπούς ελέγχου καλής λειτουργίας και αποσφαλμάτωσης υλοποιήθηκε στον μικροελεγκτή η δημιουργία τεσσάρων σημάτων. Ένα ημιτονοειδές σήμα, ένα τετραγωνικό σήμα, ένα σήμα τριγωνικό και ένα σήμα παλμού με DutyCycle 20%, Η δημιουργία των σημάτων πραγματοποιήθηκε φορτώνοντας τα δείγματα μιας περιόδου σε πίνακα εσωτερικά στον μικροελεγκτή και μεταφορά τους με χρήση DMA σε εσωτερικό DAC ώστε να εμφανίζονται σε έναν ακροδέκτη του μικροελεγκτή ο οποίος μπορεί με εξωτερική σύνδεση να οδηγηθεί στην αναλογική είσοδο που πραγματοποιεί FFT. Τέλος, αναπτύχθηκε λογισμικό σε Python για τη λήψη των δεδομένων που στέλνονται στον υπολογιστή καθώς επίσης και για την αναπαράστασή τους σε γράφημα.

First a brief description of spectrum analyzers is given. Next, we refer to the spectrum analyzer developed in the context of this thesis. Details of its construction are presented, all the steps followed for its implementation and the difficulties encountered are mentioned. We also analyze the components used for the implementation and the software of the spectrum analyzer, and we describe how it works and what information each component provides us. A schematic design was created for the circuit which includes: The CYBLE_PSoC6_416045 board with the PSoC6 microcontroller, the BU33TD3WG-TR voltage regulator and the FT234XD-R integrated circuit that converts a serial interface to USB. Then the printed circuit of the board was designed with the kicad 7.0 program. Then all the necessary components, such as capacitors and resistors, were selected according to the requirements of each unit. The gerber files were sent to a factory to manufacture the board. After the construction of the board, the assembly was done by soldering the parts. Having the hardware available, we proceeded to develop the firmware for the PSoC6 microcontroller using the PSoC Creator IDE. The firmware implemented the following functions: • Read analog signal and convert to digital by the ADC until 1024 samples are completed. • Use of Cooley Tuckey algorithm to calculate the FFT on the samples of the signal. • Send the FFT to the PC via USB using the microcontroller's UART and the external USB-to-serial converter (FT234XD-R). • For the purposes of checking functionality and debugging, four signals were implemented inside microcontroller. A sine signal, a square signal, a triangle signal and a pulse signal with a Duty Cycle of 20%, The generation of the signals was done by loading the samples of one period into an array internal to the microcontroller and transferring them using DMA to an internal DAC for display on a pin which can be externally connected to the analog input which performs FFT. Finally, software was developed in Python to receive the data sent to the computer as well as to present it in a graph.