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1.3设计目标和设计内容
本课题的设计目标是:
在参考国内外研究成果的基础上分析各类模拟及数字示波器的性能指标,设计一个基于单片机的便携式数字示波器,它具有便携,价格便宜,运行速度快,实时性强,测量精度高,稳定性好,智能化的特点。
本课题的设计内容主要有:
(1)在此基础上,设计基于单片机的便携式数字示波器,具体包括控制器、A/D转换输入、人机接口模块。
(2)系统软件设计:
利用keilc51编写并调试单片机的目标程序,并利用proteus实现对软件部分的仿真与调试。
(3)用电子电路仿真与设计软件对硬件电路进行仿真与设计,并制成电路板。
(4)调试电路板,确认硬件部分无误后,将软件程序写到单片机中,进行系统级联。
第二章硬件电路设计
2.1总体研究思路
在对示波器工作原理了解的基础上,以单片机为控制核心,编写相应的控制程序,同时设计并制作硬件电路板,经过系列调试,最终完成整个系统的设计。
该数字示波器由5个部分组成:
1、单片机微控制器部分;
2、信号调理电路;
3、A/D信号采集模块;
4、人机接口及交互界面部分,包括LCD12864显示模块和功能键盘;
5、波形存储模块。
各模块如图2.1所示:
图2.1系统原理图
2.2AT89C52单片机简介
AT89C52是一种带8K字节闪烁可编程可檫除只读存储器(FPEROM-FlashProgramableandErasableReadOnlyMemory)的低电压,高性能COMOS8的微处理器,俗称单片机[1]。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造,与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
单片机总控制电路如图2.2所示。
图2.2单片机总控制电路
1.时钟电路
AT89C52内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器,引脚RXD和TXD分别是此放大器的输入端和输出端[2]。
时钟可以由内部方式产生或外部方式产生。
内部方式的时钟电路如图2.3(a)所示,在RXD和TXD引脚上外接定时元件,内部振荡器就产生自激振荡。
定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。
晶体振荡频率可以在1.2~12MHz之间选择,电容值在5~30pF之间选择,电容值的大小可对频率起微调的作用。
外部方式的时钟电路如图2.3(b)所示,RXD接地,TXD接外部振荡器。
对外部振荡信号无特殊要求,只要求保证脉冲宽度,一般采用频率低于12MHz的方波信号。
片内时钟发生器把振荡频率两分频,产生一个两相时钟P1和P2,供单片机使用。
(a)内部方式时钟电路(b)外部方式时钟电路
图2.3时钟电路
2.复位及复位电路
(1)复位操作
复位是单片机的初始化操作。
其主要功能是把PC初始化为0000H,使单片机从0000H单元开始执行程序。
除了进入系统的正常初始化之外,当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时,为摆脱困境,也需按复位键重新启动。
除PC之外,复位操作还对其他一些寄存器有影响,它们的复位状态如表2.1所示。
表2.1一些寄存器的复位状态
寄存器
复位状态
PC
0000H
TCON
00H
ACC
TL0
PSW
TH0
SP
07H
TL1
DPTR
TH1
P0-P3
FFH
SCON
IP
XX000000B
SBUF
不定
IE
0X000000B
PCON
0XXX0000B
TMOD
(2)复位信号及其产生
RST引脚是复位信号的输入端。
复位信号是高电平有效,其有效时间应持续24个振荡周期(即二个机器周期)以上。
若使用颇率为6MHz的晶振,则复位信号持续时间应超过4us才能完成复位操作。
产生复位信号的电路逻辑如图2.4所示。
图2.4复位信号的电路逻辑图
整个复位电路包括芯片内、外两部分。
外部电路产生的复位信号(RST)送至施密
特触发器,再由片内复位电路在每个机器周期的S5P2时刻对施密特触发器的输出进行采样,然后才得到内部复位操作所需要的信号。
复位操作有上电自动复位相按键手动复位两种方式。
上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的,其电路如图2.5(a)所示。
这佯,只要电源Vcc的上升时间不超过1ms,就可以实现自动上电复位,即接通电源就成了系统的复位初始化。
按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种[3]。
其中,按键电平复位是通过使复位端经电阻与Vcc电源接通而实现的,其电路如图2.5(b)所示;
而按键脉冲复位则是利用RC微分电路产生的正脉冲来实现的,其电路如图2.5(c)所示:
(a)上电复位(b)按键电平复位(c)按键脉冲复位
图2.5复位电路
上述电路图中的电阻、电容参数适用于6MHz晶振,能保证复位信号高电平持续时间大于2个机器周期。
本系统的复位电路采用图2.5(b)上电复位方式。
AT89C52具体介绍如下:
①主电源引脚(2根)
VCC(Pin40):
电源输入,接+5V电源
GND(Pin20):
接地线
②外接晶振引脚(2根)
XTAL1(Pin19):
片内振荡电路的输入端
XTAL2(Pin20):
片内振荡电路的输出端
③控制引脚(4根)
RST/VPP(Pin9):
复位引脚,引脚上出现2个机器周期的高电平将使单片机复位。
ALE/PROG(Pin30):
地址锁存允许信号
PSEN(Pin29):
外部存储器读选通信号
EA/VPP(Pin31):
程序存储器的内外部选通,接低电平从外部程序存储器读指令,如果接高电平则从内部程序存储器读指令。
④可编程输入/输出引脚(32根)
AT89C52单片机有4组8位的可编程I/O口,分别位P0、P1、P2、P3口,每个口有8位(8根引脚),共32根。
P0口(Pin39~Pin32):
8位双向I/O口线,名称为P0.0~P0.7
P1口(Pin1~Pin8):
8位准双向I/O口线,名称为P1.0~P1.7
P2口(Pin21~Pin28):
8位准双向I/O口线,名称为P2.0~P2.7
P3口(Pin10~Pin17):
8位准双向I/O口线,名称为P3.0~P3.7
AT89C52主要功能如表2.2所示。
表2.2AT89C52主要功能
主要功能特性
兼容MCS51指令系统
8K可反复擦写FlashROM
32个双向I/O口
256x8bit内部RAM
3个16位可编程定时/计数器中断
时钟频率0-24MHz
2个串行中断
可编程UART串行通道
2个外部中断源
共6个中断源
2个读写中断口线
3级加密位
低功耗空闲和掉电模式
软件设置睡眠和唤醒功能
2.3数字示波器原理
数字示波器是数据采集,A/D转换,软件编程等一系列的技术制造出来的高性能示波器。
数字示波器一般支持多级菜单,能提供给用户多种选择,多种分析功能。
还有一些示波器可以提供存储,实现对波形的保存和处理。
目前高端数字示波器主要依靠美国技术,对于300MHz带宽之内的示波器,目前国内品牌RIGOL做的示波器在性能上已经可以和国外品牌抗衡,且具有明显的性价比优势。
数字示波器因具有波形触发、存储、显示、测量、波形数据分析处理等独特优点,其使用日益普及。
由于数字示波器与模拟示波器之间存在较大的性能差异,如果使用不当,会产生较大的测量误差,从而影响测试任务。
带宽是示波器最重要的指标之一。
模拟示波器的带宽是一个固定的值,而数字示波器的带宽有模拟带宽和数字实时带宽两种。
数字示波器对重复信号采用顺序采样或随机采样技术所能达到的最高带宽为示波器的数字实时带宽,数字实时带宽与最高数字化频率和波形重建技术因子K相关(数字实时带宽=最高数字化速率/K),一般并不作为一项指标直接给出。
从两种带宽的定义可以看出,模拟带宽只适合重
复周期信号的测量,而数字实时带宽则同时适合重复信号和单次信号的测量。
厂家声称示波器的带宽能达到多少兆,实际上指的是模拟带宽,数字实时带宽是要低于
这个值的。
例如说TEK公司的TES520B的带宽为500MHz,实际上是指其模拟带宽为500MHz,而最高数字实时带宽只能达到400MHz远低于模拟带宽。
所以在测量单次信号时,一定要参考数字示波器的数字实时带宽,否则会给测量带来意想不到的误差。
数字示波器主要利用A/D转换技术和数字存储技术来工作,它将模拟信号经过A/D实时采样后产生数字信号并在存储器中长期保存,存储器中储存的数据用来在LCD的屏幕上重建信号波形,然后利用数字信号处理技术对采样得到的数字信号进行相关处理与运算,从而获得所需要的各种信号参数。
最后,该示波器根据得到的信号参数绘制信号波形,并对被测信号进行实时瞬态分析,以方便用户了解信号质量。
2.4A/D转换及ADC0809的基本介绍
2.4.1A/D转换
将模拟量转换成数字量,是模/数转换,或称A/D(Analogue/Digital)转换。
将数字量转换成模拟量,是数/模转换,或称D/A(Digital/Analogue)转换。
完成A/D转换的器件,叫A/D转换器(ADC),完成D/A转换的器件,叫D/A转换器(DAC)。
2.4.2模/数转换器ADC0809
1.A/D转换器芯片ADC0809简介
八路模拟信号的分时采集,片内有八路模拟选通开关,以及相应的通道抵制锁存用译码电路,其转换时间为100μs左右。
ADC0809的引脚图如图2.6所示。
图2.6ADC0809引脚图
2.ADC0809的内部结构
ADC0809的内部逻辑结构图如图2.7所示。
图2.7ADC0809内部逻辑结构
图中多路开关可选通八个模拟通道,允许八路模拟量分时输入,共用一个A/D转换器进行转换,这是一种经济的多路数据采集方法。
地址锁存与译码电路完成对A、B、C三个地址位进行锁存和译码,其译码输出用于通道选择,其转换结果通过三态输出锁存器存放、输出,因此可以直接与系统数据总线相连[4]。
表2.3为通道选择表。
表2.3通道选择表
C
B
A
被选择的通道
IN0
1
IN1
IN2
IN3
IN4
IN5
IN6
IN7
启动A/D转换只需要一条MOVX指令。
在此之前,要将P2.0清零并将最低三位与所选择的通道对应的口地址送入数据指针DPTR中。
例如要选择IN0通道时,可采用如下两条指令,即可启动A/D转换:
MOVDPTR,#FE00H;
送入0809的口地址
MOVX@DPTR,A;
启动A/D转换(IN0)
注意:
此处的A与A/D转换无关,可为任意值。
3.转换数据的传送
A/D转换后得到的数据应及时传送给单片机进行处理。
数据传送的关键问题是如何确认A/D转换的完成,因为只有确认完成后,才能进行传送。
为此可采用下述三种方式。
(1)定时传送方式
对于一种A/D转换其来说,转换时间作为一项技术指标是已知的和固定的。
例如ADC0809转换时间为128μs,相当于6MHz的MCS-51单片机共64个机器周期。
可据此设计一个延时子程序,A/D转换启动后即调用此子程序,延迟时间一到,转换肯定已经完成了,接着就可进行数据传送。
(2)查询方式
A/D转换芯片由表明转换完成的状态信号,例如ADC0809的EOC端。
因此可以用查询方式,测试EOC的状态,即可确定转换是否完成,并接着进行数据传送。
(3)中断方式
把表明转换完成的状态信号(EOC)作为中断请求信号,以中断方式进行数据传送。
本设计采用了中断方式,因此一旦确定转换完成,即可通过指令进行数据传送。
首先送出口地址并以
信号有效时,OE信号即有效,把转换数据送上数据总线,供单片机接受。
使用中断方式,只要一旦确认转换结束,便可通过指令进行数据传送。
所用的指令为MOVX读指令,有:
MOVDPTR,#FE00H
MOVXA,@DPTR
该指令在送出有效口地址的同时,发出
有效信号,使0809的输出允许信号OE有效,从而打开三态门输出,是转换后的数据通过数据总线送入A累加器中。
这里需要说明的示,ADC0809的三个地址端A、B、C即可如前所述与地址线相连,也可与数据线相连,例如与D0~D2相连。
这是启动A/D转换的指令与上述类似,只不过A的内容不能为任意数,而必须和所选输入通道号IN0~IN7相一致。
例如当A、B、C分别与D0、D1、D2相连时,启动IN0的A/D转换指令如下:
MOVDPTR,#FE00H;
MOVA,#07H;
D2D1D0=000选择IN0通道
MOVX@DPTR,A;
启动A/D转换
2.5系统各模块设计方案
1.微控制器设计方案
本系统的微控制器部分采用Atmel公司的AT89C52单片机,该器件具有外设集成度高,程序存储器容量大,运算速度高,I/O口资源丰富,容易控制等特点。
2.信号调理电路设计方案
信号调理电路—取样脉冲发生器由驱动级和形成级两部分组成。
驱动级的作用是对步进系统生成的步进脉冲信号整形,以产生高速、大幅度取样脉冲信号。
驱动级电路通常采用雪崩晶体三极管电路和间歇振荡器电路两种形式。
高速半导体器件雪崩晶体三极管可以较方便地产生具有纳秒和亚纳秒上升时间以及很大峰值功率的脉冲信号。
因此,采用雪崩晶体三极管电路形式。
形成级的作用是将取样脉冲进一步整形为边沿更加陡峭、底宽很窄的脉冲信号,一般由阶跃恢复二极管和微分电路组成[5]。
当阶跃恢复二极管处于正向导通状态的二极管突然加上反向电压时,瞬态反向电流立即达到最大值并维持一段时间,接着又立即恢复到零,利用阶跃二极管的这种阶跃特性,可以将脉冲信号整形为边沿更快的脉冲信号。
图2.8雪崩晶体三极管电路
图2.8中Q1是雪崩晶体三极管,基极通过R1接地,使雪崩管平时处在截止状态。
集电极由+30V电源通过R2供电,当取样指令脉冲到达Q1基极时,雪崩过程发生,从而在集电极产生负极性脉冲而在发射极产生正极性脉冲。
这组脉冲再通过C3,R4和C4,R5微分电路以及阶跃二极管组成的形成电路处理后,就产生了幅度约5V、前沿不小于4ns、底宽不大于10ns的取样脉冲。
3.A/D信号采集设计方案
A/D信号采集电路主要由两部分组成,第一部分是电压变换,将输入信号的幅度调整到A/D转换器允许的电压范围内,第二部分是A/D部分。
设计示波器功能要求垂直灵敏度挡位范围在0.01V/div~1V/div之间,示波器显示屏的垂直刻度为8div,则对应被测信号电压幅度的范围应在0.08V~8V之间。
如果选择的A/D转换器最大输入电压幅度为2V,则计算得到对应的输入电路的衰减放大系数的范围应为0.25~25。
很显然,输入电路应是一个宽带的数控衰减放大电路。
输入电路可以由二挡量程的程控衰减器(×
1、0.1)和四挡量程的程控放大器(×
2.5、×
5、×
12.5、×
25)组合而成,或者采用具有7挡量程的程控衰减器和放大倍数固定为25的放大器组成等方案。
本设计示波器输入带宽不小于50kHz,选用集成运放LF356(GBW为5MHz);
实际输入电路设计有时还要考虑双踪输入,单双踪控制由多路选择器IC6完成,当P1.1为高电平时,仪器为双踪示波功能;
主放大器IC3是根据设计的需要选择具有X挡量程的程控放大器,通过控制模拟选择开关IC7实现垂直灵敏度的选择;
IC4组成电平移位电路,以使输入信号的电平移位到A/D转换器所要求的0~2V范围内,变换后将信号送入A/D进行转换。
4.人机接口的设计方案:
键盘选用非编码式4×
4矩阵键盘,采用此类型的键盘具有按键多、占用I/0资源少的优势,设计时将其排成一个矩阵,总共引8根线,一对一接至单片机I/0端口,按键状态由单片机程序获取,并在程序中定义相应的功能,如运行/停止,调节采样垂直分辨率,水平分辨率。
按键的削抖动问题采取软件控制。
5.波形存储模块设计方案:
该模块的存储芯片采用24C02系列的存储芯片,这种类型的存储芯片采用PHILIPS公司的I2C总线结构,只需要占用单片机2个I/0口,即可实现数据的存储,读写,能最大限度的降低对I/0资源的占用情况,并且具有掉电后不丢失的特点。
设计时只需将该芯片的SCL,SDA信号线与单片机的I/0口相连接,VCC接单片机VCC,GND接单片机的GND。
2.6硬件电路设计
2.6.1电源模块
系统中的控制核心为8051单片机,其工作电压为5V,所以采用稳压芯片LM7805将输入的电压稳到5V左右,然后给单片机供电。
如图2.9所示。
图2.9电源模块电路图
2.6.2串口通讯模块
AT89C52单片机自带有一个标准的串口,但是电平是TTL电平,与PC机的串口电平不兼容,所以采用一片MAX232作为电平转换芯片来控制电压的转换。
如图2.10所示。
图2.10串口通讯模块电路图
2.6.3数据采集模块
系统中数据采集采用的是高速A/D转化芯片ADC0809,该芯片的典型时钟为500KHZ,其数据口和单片机的P1口直接相连。
产生500KHZ的时钟信号有多种产生方案,一种方案就是外接时钟信号,这样会影响系统的便携性,优点是实现简单。
第二种方案是采用单片机定时器产生500KHZ的方波信号,但是这样会增加系统的负担,占用CPU的时间。
第三种方案是对单片机的ALE信号分频,产生500KHZ的信号,这种方案不会增加系统的负载,而且比较稳定,所以采用了此种方案。
采用74LS390对ALE信号进行分频,然后输入到ADC0809的时钟输入端。
ADC模块电路图如图2.11所示。
图2.11ADC模块电路图
2.6.4存储模块及液晶显示模块
存储部分选用ATMEL公司AT24CXX系列的AT24C01,AT24C01是美国Atmel公司的低功耗CMOS型E2PROM,内含256×
8位存储空间,具有工作电压宽、擦写次数多、写入速度快、抗干扰能力强、数据不易丢失、体积小等特点。
而且他是采用了I2C总线式进行数据读写的串行器件,占用很少的资源和I/O线,并且支持在线编程,进行数据实时的存取十分方便。
存储模块电路图如图2.12所示。
图2.12存储模块电路图
液晶显示模块选用YB12864ZB,该液晶提供8位,4位并行接口及串行接口可选,具有64×
16位字符显示RAM,2M位中文字型ROM,16K位半宽字型ROM,具有文字与图形混合显示功能,考虑到显示波形时的要求高速显示,使用8位并行接口模式。
液晶具有128×
64的分辨率,对于波形的显示来说可以满足要求。
单片机最小系统以及显示电路如图2.13所示。
图2.13单片机最小系统及显示电路
第三章软件设计
3.1设计思路
本示波器的工作原理是:
对于输入的信号,首先由信号调理电路将信号进行整形,滤波处理,然后将处理后的信号送入到A/D转换器的模拟输入端,由A/D转换器对输入的模拟信号进行数字化处理,数字化处理后的数据存储在AT89C52的RAM中,一帧数据采集完成后,经过一定的数字信号处理算法,计算出波形的相关参数,并对波形进行重建送入到LCD液晶显示器中显示。
3.2主程序设计
本数字示波器的软件设计部分采用模块化程序设计,主要由A/D转换子程序,LCD液晶显示子程序,EEPROM读写子程序,按键处理子程序组成[6]。
主程序流程图如图3.1所示。
主要源程序见附录B。
图3.1主程序流程图
3.3A/D转换子程序
A/D转换程序的主要功能是在一定的采样时间内,对输入的模拟信号进行数据采样,采样的原理是由定时器定时产生中断,在中断中开启A/D转换,A/D转换结束后数据存储到指定的区域[7]。
通过控制定时器定时的时间即可控制不同的采样率,从而实现对不
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