基于單片機(jī)的數(shù)字存儲(chǔ)示波器設(shè)計(jì)

王 娟，王仁波，魏 雄

（東華理工大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，江西 南昌 330013）

1 原理與設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

待測(cè)信號(hào)經(jīng)限幅放大電路分兩路進(jìn)入單片機(jī)系統(tǒng)，一路送入施密特觸發(fā)器整形得到單片機(jī)計(jì)數(shù)所需的矩形波信號(hào)，通過(guò)選擇測(cè)量頻率的方法進(jìn)行頻率測(cè)量；一路經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集與存儲(chǔ)，然后通過(guò)數(shù)/模轉(zhuǎn)換器將還原的模擬信號(hào)在示波器上顯示出來(lái)。這樣我們的整個(gè)硬件設(shè)計(jì)工作便有兩大部分組成：頻率測(cè)量、存儲(chǔ)顯示。

圖1 系統(tǒng)硬件原理框圖

（1）頻率測(cè)量部分。正弦波或方波信號(hào)的頻率是由每秒鐘振蕩的次數(shù)來(lái)表示的。為了檢測(cè)一個(gè)持續(xù)的信號(hào)的頻率，我們僅僅只需數(shù)它的振蕩次數(shù)就可以了。假設(shè)我們所取樣的信號(hào)在某個(gè)時(shí)間段內(nèi)頻率是不變的。我們采用應(yīng)用比較普遍的單片機(jī)AT89C51來(lái)實(shí)現(xiàn)頻率測(cè)量。頻率測(cè)量分三步進(jìn)行：①通過(guò)一個(gè)施密特觸發(fā)器74LS132（整形芯片）把經(jīng)放大后的信號(hào)轉(zhuǎn)換成單片機(jī)所需的方波信號(hào)。②先通過(guò)測(cè)頻法測(cè)出其大致頻率最后決定用測(cè)周法或測(cè)頻法。③然后將計(jì)的數(shù)送AT89C51，進(jìn)行處理，送數(shù)碼管顯示得出頻率。

（2）波形存儲(chǔ)與顯示部分。被測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)放大整形電路,進(jìn)入ADC0809（模／數(shù)轉(zhuǎn)換器）進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量送入單片機(jī)。由單片機(jī)根據(jù)不同的要求對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和運(yùn)算，將存儲(chǔ)后的結(jié)果在通過(guò)DAC0832（數(shù)／模轉(zhuǎn)換器）在示波器上復(fù)現(xiàn)出來(lái)，并可通過(guò)運(yùn)算放大器部件對(duì)輸出波形進(jìn)行放大、縮小的變換。

1.2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中人通過(guò)對(duì)鍵盤(pán)的控制，可以控制和干預(yù)整個(gè)數(shù)據(jù)采集及處理的全過(guò)程，因此，各鍵的功能及其軟件實(shí)現(xiàn)就尤為重要，各鍵的功能及定義如下：

K1：?jiǎn)?dòng)頻率測(cè)量并進(jìn)行數(shù)字顯示。

K2：?jiǎn)?dòng)A/D轉(zhuǎn)換對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并存儲(chǔ)到6264里。

K3：?jiǎn)?dòng)D/A轉(zhuǎn)換用示波器顯示波形。

K4：輸出波形的放大。

具體描述如下：

當(dāng)接通電源后，系統(tǒng)進(jìn)行自檢，然后CPU進(jìn)行對(duì)按鍵的查詢，當(dāng)按下K1鍵時(shí)，CPU查到K1鍵，通過(guò)延時(shí)去抖，既而跳轉(zhuǎn)到K1鍵的處理程序?qū)︻l率進(jìn)行實(shí)時(shí)的測(cè)量并在數(shù)碼管上顯示。顯示完畢CPU又進(jìn)入對(duì)按鍵的查詢。當(dāng)按下K2鍵時(shí)，啟動(dòng)ADC0809進(jìn)行轉(zhuǎn)換，其中程序設(shè)定A/D0809對(duì)數(shù)據(jù)采集10次，并存儲(chǔ)到6264里。存儲(chǔ)完畢，CUP又跳回查詢狀態(tài)。當(dāng)K3按下時(shí)，啟動(dòng)D/A0832，用示波器顯示前段時(shí)間的頻率波形。K4鍵為手動(dòng)的對(duì)示波器顯示的波形進(jìn)行放大。

因此，本設(shè)計(jì)主要分為以下幾個(gè)部分：

>頻率的測(cè)量部分

>數(shù)據(jù)的采集及A/D轉(zhuǎn)換部分

>數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及讀寫(xiě)部分

>數(shù)據(jù)的顯示部分

>數(shù)據(jù)的D/A轉(zhuǎn)換部分

圖2 系統(tǒng)流程圖

2 系統(tǒng)調(diào)試

（1）A/D、D/A轉(zhuǎn)換程序的調(diào)試。我們?cè)谕ǖ?口接入一個(gè)0～5V電源，對(duì)于不同的值，應(yīng)該分別得到不同的數(shù)字量，看看數(shù)字量是否與預(yù)期的值相同，相同的話，說(shuō)明A/D轉(zhuǎn)換器能夠正常工作，看是否能夠正常工作，不能的話，就檢查是不是A/D轉(zhuǎn)換器被損壞，還是軟件編程有問(wèn)題，同樣的道理，首先我們可以向D/A轉(zhuǎn)換器發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)，通過(guò)示波器觀察，是否有誤，確定D/A轉(zhuǎn)換器的完好，再進(jìn)行程序的調(diào)試。

（2）中斷服務(wù)程序的調(diào)試。在中斷程序中多采用全速運(yùn)行的調(diào)試方法，有多個(gè)中斷中斷的話，應(yīng)該一個(gè)一個(gè)調(diào)試，若中斷不能正常返回的話，應(yīng)該把下一步不用的中斷關(guān)掉，把用到的中斷打開(kāi)且設(shè)初值，這點(diǎn)尤為重要，當(dāng)單個(gè)中斷都沒(méi)有問(wèn)題時(shí)，再進(jìn)行統(tǒng)調(diào)。

（3）顯示模塊的調(diào)試。顯示模塊的調(diào)試，首先應(yīng)該確認(rèn)LED能夠正常顯示，若能正常顯示的話，可以先在顯示緩沖區(qū)中預(yù)先放入自己預(yù)置的值，若能正常顯示的話，說(shuō)明顯示無(wú)誤。

3 結(jié)論

在理論基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了頻率測(cè)量、波形存儲(chǔ)以及輸出再現(xiàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能對(duì)頻率進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量、數(shù)據(jù)顯示，并能對(duì)一段時(shí)間內(nèi)的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)并用示波器顯示。