マイコンを用いたA/D変換後のシリアル通信時の波形の乱れ

Question

前提・実現したいこと

オシロスコープに出力された波形をdsPICでA/D変換したのち、波形の最大値を求めシリアル通信でPCに送りたいと考えています。

発生している問題・エラーメッセージ

図や動画のように計測を開始するとオシロスコープ上の波形が乱れてしまいます。
また、シリアル通信後の値も不定期に別の値に飛んでしまいます。

![

計測動画

マイコンの割り込みによる問題が考えられますが、このような現象はあり得ますでしょうか。

###ソースコード

#include<p30f3013.h>
#include<dsp.h>
#include<uart.h>
#include<timer.h>
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<math.h>
#include<spi.h>
#include<adc12.h>
#define UART_RX_TX 0xFBE7
#define UART_ALTRX_ALTTX 0xFFE7
#define CLOCK 117964800 //clock=(7.3728*16)=118MHz
#define Fcy CLOCK/4 //system clock=118/4=30MHz
#define BAUD 115200 //最大で57600bps

/*** dsPIC_config ***/
_FOSC(CSW_FSCM_OFF & XT_PLL16 )//XT_PLL16 or FRC_PLL8
_FWDT(WDT_OFF)
_FBORPOR(MCLR_EN & PBOR_OFF & PWRT_OFF)
_FGS(CODE_PROT_OFF)

/***  ﾊｰﾄﾞｳｪｱピン設定 ***/
#define Green    LATBbits.LATB5
#define Red      LATBbits.LATB4
#define SPI_CS   LATFbits.LATF5
#define dds_CTRL LATDbits.LATD8
#define dds_Int  LATDbits.LATD9
#define A2       LATBbits.LATB8
#define A1       LATBbits.LATB9
#define A0       LATBbits.LATB7
#define Triger   LATBbits.LATB6

/*** 定数定義 ***/
#define PI 3.141593

/***  Grobal変数定義 ***/
unsigned long SetTime1;
unsigned long SetTime2;
unsigned long Fs1;
unsigned long Fs2;
unsigned int cmnd;
unsigned int Data[5];
unsigned int Data_new;
unsigned int Data_old;
unsigned int TopDataV;
unsigned int TopDataf;
unsigned int i=0;
unsigned int n=0;
unsigned int fmin[100];
unsigned int Vmin[100];
unsigned int TX;
unsigned int RX;
unsigned int ch=1;
unsigned int h;
unsigned int count=0;
unsigned int flag=0;
unsigned int ftx=0;
unsigned int frx=0;


/*** ADコンバータ初期設定パラメータ(符号付固定少数で扱う) ***/
unsigned int Config1 = ADC_MODULE_ON & ADC_IDLE_CONTINUE & ADC_FORMAT_SIGN_FRACT &
                       ADC_CLK_AUTO & ADC_AUTO_SAMPLING_ON & ADC_SAMP_OFF;
unsigned int Config2 = ADC_VREF_EXT_AVSS & ADC_SCAN_OFF & ADC_SAMPLES_PER_INT_1 &
                       ADC_ALT_BUF_OFF & ADC_ALT_INPUT_OFF;
unsigned int Config3 = ADC_SAMPLE_TIME_5 & ADC_CONV_CLK_SYSTEM &
                       ADC_CONV_CLK_32Tcy;
unsigned int ConfigPort = ENABLE_AN2_ANA;
unsigned int ConfigScan = 0x000;
unsigned int Channel0 = ADC_CH0_POS_SAMPLEA_AN2 & ADC_CH0_NEG_SAMPLEA_NVREF;

/*** UARTの初期設定パラメータ ***/
unsigned int UMODEValue = UART_EN & UART_IDLE_CON & UART_ALTRX_ALTTX & 
                          UART_DIS_WAKE & UART_DIS_LOOPBACK &
                          UART_DIS_ABAUD & UART_NO_PAR_8BIT & UART_1STOPBIT;
unsigned int USTAValue =  UART_INT_TX_BUF_EMPTY & UART_TX_PIN_NORMAL &
                          UART_TX_ENABLE & UART_INT_RX_CHAR &
                          UART_ADR_DETECT_DIS & UART_RX_OVERRUN_CLEAR;
unsigned int ubrg=(Fcy/(16*BAUD))-1;

/***  SPI設定パラメータ クロック15MHz(Max20MHz) ***/
unsigned int SPICONValue =  FRAME_ENABLE_OFF & FRAME_SYNC_INPUT &
                            ENABLE_SDO_PIN & SPI_MODE16_ON & SPI_SMP_ON & SPI_CKE_ON&
                            CLK_POL_ACTIVE_HIGH & MASTER_ENABLE_ON &
                            SEC_PRESCAL_1_1 & PRI_PRESCAL_1_1;
unsigned int SPISTATValue = SPI_ENABLE & SPI_IDLE_CON &
                            SPI_RX_OVFLOW_CLR;


/*** delay_ms,delay_usの作成 ***/
void delay_ms(unsigned int N)
{
  __delay32((Fcy/1000)*N);
}

void delay_us(unsigned int N)
{
  __delay32((Fcy/1000000)*N);
}

void delay_ns(unsigned int N)
{
  __delay32((Fcy/1000000000)*N);
}


/** DDSの初期設定 **/
void DDSset(void)
{
/* コントロールレジスタ書き込み */
 SPI_CS=0;
 WriteSPI1(0x6F7);
 delay_ns(500);
 SPI_CS=1;
 delay_ns(1000);
/* 開始周波数設定 */
 SPI_CS=0;
 WriteSPI1(0xC312);//LSB
 delay_ns(500);
 SPI_CS=1;
 delay_ns(1000);
 SPI_CS=0;
 WriteSPI1(0xD008);//MSB
 delay_ns(500);
 SPI_CS=1;
 delay_ns(1000);
/* 周波数インクリメント設定 */
 SPI_CS=0;
 WriteSPI1(0x20F3);//LSB
 delay_ns(500);
 SPI_CS=1;
 delay_ns(1000);
 SPI_CS=0;
 WriteSPI1(0x3000);//MSB
 delay_ns(500);
 SPI_CS=1;
 delay_ns(1000);
/* インクリメント数設定 */
 SPI_CS=0;
 WriteSPI1(0x1FA0);
 delay_ns(500);
 SPI_CS=1;
 delay_ns(1000);
/* インクリメント・インターバル設定 */
 SPI_CS=0;
 WriteSPI1(0x4000);
 delay_ns(500);
 SPI_CS=1;
 delay_ns(1000);
}

/***1point measure***/
void OnePoint(void)
{
 Red=0;
 WriteUART1((unsigned int)(0x02));
 while(BusyUART1());
for(h=1; h<=2; h++)
 {
  WriteUART1((unsigned int)(0x41+((Vmin[h]>>12) & 0x000F)));
  while(BusyUART1());
  WriteUART1((unsigned int)(0x41+((Vmin[h]>>8) & 0x000F)));
  while(BusyUART1());
  WriteUART1((unsigned int)(0x41+((Vmin[h]>>4) & 0x000F)));
  while(BusyUART1());
  WriteUART1((unsigned int)(0x41+((fmin[h]>>8) & 0x000F)));
  while(BusyUART1());
  WriteUART1((unsigned int)(0x41+((fmin[h]>>4) & 0x000F)));
  while(BusyUART1());
  WriteUART1((unsigned int)(0x41+((fmin[h]>>0) & 0x000F)));
  while(BusyUART1());
 }
 WriteUART1((unsigned int)(0x03));
 while(BusyUART1());
 CRLF();
 Red=1;
}

/***復帰改行関数***/
void CRLF(void)
{
  WriteUART1((unsigned int)(0x0a));
  while(BusyUART1());
  WriteUART1((unsigned int)(0x0d));
  while(BusyUART1());
}

void dtime (void){delay_ns(1000);}

/*** タイマ1 割り込み処理関数 ***/
void __attribute__((__interrupt__, __shadow__))_T1Interrupt(void)
{
 IFS0bits.T1IF=0;//割込みフラグクリア
 OnePoint();//1point送信
}

/*** タイマ2 割り込み処理関数 ***/
void __attribute__((__interrupt__, __shadow__))_T2Interrupt(void)
{

 IFS0bits.T2IF=0;//割込みフラグクリア
 dds_CTRL=1;
 delay_ns(200);
 dds_CTRL=0;
 SigIn[0] = ReadADC12(0);// Input to A/D converter ()
 Data_new = SigIn[0]+0x8000;//0～FFFFで与える 
 n=n+1;

 // 最大値検出(トーナメント) //
 if(Data_new > TopDataV)
 {
  TopDataV = Data_new;
  TopDataf = n;
 }

/***  掃引終了判定* **/
 if(n>=4000)
 {
  Green=1;
  count=count+1;
  Vmin[count]=TopDataV;
  fmin[count]=TopDataf;
  TopDataV=0;
  TopDataf=0;
 
  dds_Int=1;
  delay_ns(200);
  n=0;
  dds_Int=0;

 }
}

/*** メイン関数 ***/
void main(void)
{
  /// UART初期設定
 OpenUART1(UMODEValue,USTAValue,ubrg);
 IPC2bits.U1TXIP=5;
 IPC2bits.U1RXIP=6;

 /// PORT初期設定
 ADPCFG=0xFFFF;//アナログなし
 TRISB=0x0007;//0,1,2入力用,他出力用
 TRISF=0x0000;//RF(2,3,6)SPI出力用
 TRISD=0x0000;//RD8-SPI出力,RD9-INT0入力用
 TRISC=0x1000;//UARTRX用(RC13=High)
 PORTB=0xFFFF;//all LED off
 PORTF=0xFFFF;//RF3=High
 PORTD=0xFFFF;//RD8=High

  /// Open SPI クロック 30MHz/1=30MHz(33ns)
 OpenSPI1(SPICONValue,SPISTATValue); 
 INTCON1bits.NSTDIS=1;//多重割り込み禁止
 SPI_CS=1;
 dds_CTRL=1;

 /** DDSの初期設定 **/
 DDSset();
 dds_Int=0;
 CloseSPI1();

  /// ADC初期設定 
 OpenADC12(Config1,Config2,Config3,ConfigPort,ConfigScan);	
 SetChanADC12(Channel0);

 ///DDS tart
 //タイマ2設定,OPEN
 Fs2=240000;//Tscan=0.2s_20000,Tscan=0.05s_80000
 SetTime2 = ((Fcy/Fs2)+1);
 OpenTimer2(T2_ON & T2_GATE_OFF & T2_PS_1_1 & T2_SOURCE_INT , SetTime2);
 ConfigIntTimer2(T2_INT_PRIOR_3 & T2_INT_ON); 

 while(1)
 {
  while(!DataRdyUART1());
  cmnd = ReadUART1();
  ///受信コマンドの処理
  switch(cmnd)
  {     
     case'1':
 
    ///1point measure
     OnePoint();
     break;

     case'2':

     break;

      default : break;
    }

 }

}

試したこと

最大値を求めるアルゴリズムを変更してみました。
しかし、根本を解決しないことには問題であると考えます。

補足情報（FW/ツールのバージョンなど）

4ピンへの入力回路：TIAによる電流電圧変換、包絡線検波回路による搬送波除去

dsPIC周辺

STコネクタより波形発生器で生成された交流電圧の周波数を掃引

###回路動作
①波形発生器から一定範囲（1M~3MHz）の交流電圧の周波数を掃引、STより出力する
②モノがその電流を受け取った際、アナログ素子として回路上に設置したコイルとモノの抵抗、静電容量によって共振回路が生成され、STから出力された周波数を用いて共振点（オシロスコープの波形の最大値）が検出される。
③RX部分から共振点が決まった波形が入力され、12bitのA/D変換を行った後、A/D変換の最大値を求め、Bluetooth通信でPCに送信する。

Comments

[yoorwm]

アナログ波形にノイズが乗るとか普通にある事だと思いますが。

[sotooki]

シリアル通信動作時にオシロスコープ上で波形が不自然な形になるのはなぜでしょうか。

[y_waiwai]

アナログ入力回路周りがなにか間違えてるように思いますが

[sotooki]

PORT初期設定の部分ということでしょうか？

[y_waiwai]

それはもちろんのこと、入力回路はどうなってる？

[sotooki]

11,12ピンにUART用Bluetoothモジュール・14,15,16,17,21ピンにプログラマブル周波数スキャン波形発生器・23,24,25ピンにチャンネル変更マルチプレクサ・4ピンに入力波形が入ってきます

[sotooki]

計測したい波形は4ピンから入ってきてフィルタ処理されたのち、A/D変換が行われます。

[y_waiwai]

信号源からA/D入力ピンに至る回路図が見たいんだがｗ

[sotooki]

失礼いたしました。入力信号の配線にはGNDシールディング等のノイズ対策は行っております。

[coco_bauer]

オシロスコープ上の波形というのは、どこ（どのような機器）から出力された信号のもので、信号源、dsPIC、PC(シリアル通信でdsPICと接続されている)、オシロスコープなどの機器がどのように接続されているのか判らないので、状況が把握できません。　また、波形が乱れるという現象は、アースの取り方、配線の引き回しなどに影響を受けていますか？

[ozwk]

プログラマブル周波数スキャン波形発生器とやらに何をどう使っていますか?　picから一定周期でパルス与えないと動かなかったりするやつだったりしませんか?

[sotooki]

補足させていただきました。オシロスコープは入力回路のENVタグで計測しています。

[ozwk]

原理的に、波形発生機の周波数がインクリメントされない期間があると、観測波形に平坦な部分ができますか?

[sotooki]

はい、メイン関数で周波数発生の割り込みタイミングを決めています。

Answer 1

パッと絵を見た感じでは、A/Dからデータ取り込みに失敗しています。データを取りこぼしているように見えます。

1sec ぶんだけまとめてデータ処理する仕様として、1secのデータをCPUが処理している間もデータ取り込みを並行して行う必要があります。
その並行処理がうまくできていないために、取りこぼしがあり、結果が不連続になっています。
測定開始0.0secから1.0を取り込み、処理している途中、1.0後から1.2はデータを取りこぼし、再び1.2から2.2secの部分を取り込む..
みたいな。

対策としては、

1. とにかく長い今のプログラムを1/10くらいの長さを目標に短くする。
2. 実際に取り込めたデータの総サンプル数が、サンプル期間とあっているか考える。
3. データ取り込みの割り込み処理がメインタスクの影響を受けていないかデバッグする。

Answer 2

波形が平らな部分が出るのをどうにかしたいという話だとして、
波形が平らになるには波形発生機の周波数インクリメントが止まっているはずで、
その波形発生機の周波数インクリメントはT2の割り込みでやっているので、
割り込みが何らかの理由で発生していないんでしょう。

で、UARTが動いていると波形が平らな部分がたまに出るということなので（ですよね?）
そのあたりをよく見直してください。
正直コード見てても結果をPCに送るタイミングが測定と全然同期していないように見えます。

Comments

[sotooki]

確かに、波形発生器をオシロスコープで観察すると高周波なので見にくいですが、挙動がおかしい部分が見受けられます。
確認させていただきます。

Answer 3

まず、dsPICのデータシートを見ると、A/D入力ピンは、アナログSWを介した後、直接S/H回路に入っていることが見て取れます。
で、このおかげで信号源インピーダンスは最大2.5KΩと規定されているようです

ということで、この入力回路では、A/Dの動作状況によって、入力電圧が振られてしまうのは想像に難くありません

で、不定期に別の値に飛ぶというのも、なにか動作不良を匂わせるものなので、まずはソフト面から、この別の値に飛ぶバグを潰してしまいましょう
＃もしかしたらこのバグで波形が乱れているということも考えられる

ここらへんをしっかりデバッグし、出力数値も入力電圧に追従している、という状況にした後、この波形が乱れるというのをどうにかすることにしましょう

Comments

[sotooki]

やはりデータシートを見ないといけないですね(笑)
正直、マイコンの動作が理解できていないのも問題かと思います。
身につくように取り組みたいと思います。