基于LPC1758的波形采集存儲(chǔ)與回放系統(tǒng)設(shè)計(jì)

羅 樂，李可為，笪賢進(jìn)

(成都工業(yè)學(xué)院 通信工程系，成都 610031)

信號(hào)采集、處理及回放是現(xiàn)代電子制作中經(jīng)常遇到的問題，但對(duì)于多路高頻輸入信號(hào)、要求實(shí)時(shí)不失真顯示、同時(shí)系統(tǒng)必須具有極低功耗等特點(diǎn)，如2011年全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽試題H題，制作難度相對(duì)較大，成功案例極少。本文詳細(xì)介紹了基于LPC1758的波形采集、存儲(chǔ)及回放系統(tǒng)的基本原理、電路及程序設(shè)計(jì)。系統(tǒng)要求輸入信號(hào)頻率為10 Hz～10 kHz，幅值0～4 V，原信號(hào)與回放信號(hào)電平之差絕對(duì)值≤50 mV，周期之差絕對(duì)值≤5%，系統(tǒng)功耗≤100 mW［1］。

1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

1．1 系統(tǒng)總體框圖

系統(tǒng)具有A、B兩個(gè)通道，其中A為單極性通道，B為雙極性通道。信號(hào)經(jīng)過前級(jí)處理后，將其送入單片機(jī)自帶的A/D轉(zhuǎn)換器，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)存入RAM中，因RAM中的數(shù)據(jù)在掉電后不能保存，故通過IAP在線應(yīng)用編程，將RAM中的數(shù)據(jù)存入片內(nèi)的Flash中，從而實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的功能。系統(tǒng)上電后，通過查找Flash的地址并取出數(shù)據(jù)，將D/A轉(zhuǎn)換后的信號(hào)經(jīng)過后級(jí)處理后送入顯示器中，此時(shí)的信號(hào)即為回放的信號(hào)。系統(tǒng)方案框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)方案框圖

1．2 A通道電路圖

1．2．1A通道前級(jí)信號(hào)處理電路圖

A通道輸入的單極性信號(hào)，其幅值為0～4 V，且輸入阻抗大，輸出阻抗小。采用電壓跟隨器可以達(dá)到輸入阻抗≥10 kΩ。由運(yùn)放TL061構(gòu)成的電壓跟隨器，其輸出與輸入之間的固定直流電壓極小，負(fù)反饋量大，輸出與輸入基本無差別。當(dāng)輸入阻抗很高時(shí)，對(duì)前級(jí)電路相當(dāng)于開路;當(dāng)輸出阻抗很低時(shí)，對(duì)后級(jí)電路就相當(dāng)于一個(gè)恒壓源，即輸出電壓不受后級(jí)電路阻抗影響。因其輸出具有低阻抗特性，使得它在電路中可以起到阻抗匹配的作用，能夠使得后一級(jí)的放大電路更好的工作。電路如圖 2 所示［2－3］。

因本系統(tǒng)A通道輸入的電壓信號(hào)約為4 V，大于A/D轉(zhuǎn)換器所能處理信號(hào)的電壓，故采用運(yùn)放TL061做衰減電路，如圖3所示。

1．2．2A通道后級(jí)信號(hào)處理電路圖

1)A通道后級(jí)信號(hào)處理框圖

將存放在Flash中的數(shù)據(jù)取出送入片內(nèi)RAM中，通過RAM傳入單片機(jī)內(nèi)部D/A轉(zhuǎn)換器中，D/A轉(zhuǎn)換的輸出信號(hào)經(jīng)過一級(jí)固定增益放大和濾波后，即可達(dá)到所要求的波形，然后再將其送入示波器顯示，這樣就形成了一個(gè)信號(hào)回放系統(tǒng)。

2)固定增益放大電路

3)阻抗匹配電路

為達(dá)到設(shè)計(jì)要求的阻抗匹配(輸出阻抗＜1 kΩ)，在濾波電路后加一個(gè)共集電路，如圖5所示。

圖2 電壓跟隨器

圖3 信號(hào)衰減電路

1．3 B通道電路圖

1．3．1B通道前級(jí)信號(hào)處理系統(tǒng)框圖與電路原理圖

因B通道的輸入為雙極性的信號(hào)，峰峰值為100 mV，頻率為10 Hz～10 kHz，故可以直接用儀表放大器將信號(hào)放大到A/D轉(zhuǎn)換器所能處理的范圍。因?yàn)锳/D轉(zhuǎn)換器不能采集負(fù)電壓，故要將放大后的信號(hào)加一個(gè)偏置電壓。本系統(tǒng)采用儀表放大INA129和INA118構(gòu)成的雙儀表放大，將處理后的信號(hào)送入單片機(jī)內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器中。通過－Vref(其中，V為偏置電壓，Vin為放大后的輸入信號(hào)，Vref為參考電壓)計(jì)算和調(diào)節(jié)偏置電壓的大小。電路如圖6所示。

圖4 固定增益電路 圖5 射極跟隨電路

1．3．2B通道后級(jí)信號(hào)處理電路圖

將存放在Flash中的數(shù)據(jù)取出，經(jīng)RAM傳入外圍的D/A器，由D/A轉(zhuǎn)換后的信號(hào)是經(jīng)過前級(jí)放大后的信號(hào)，需要將信號(hào)進(jìn)行衰減濾波后送入示波器中。其后級(jí)處理原理如圖7所示［4］。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2．1 程序功能描述

軟件部分主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)與回放、顯示和按鍵控制等功能［5－6］。

圖6 B通道前級(jí)信號(hào)處理電路

圖7 B通道信號(hào)的后級(jí)處理原理圖

數(shù)據(jù)采集:本系統(tǒng)通過單片機(jī)內(nèi)部自帶的D/A對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。采樣時(shí)間利用LPC1758的定時(shí)器來完成;通過Per=2×TA×N(其中:Per為信號(hào)的周期，TA為AD采樣的周期，N為采樣的次數(shù)。)求出信號(hào)周期的最大值與最小值，從而計(jì)算出極值之間的計(jì)數(shù)值的大小，通過異常數(shù)據(jù)拋除法來準(zhǔn)確地找到采樣數(shù)據(jù)的相臨最小值，從而準(zhǔn)確計(jì)算信號(hào)的周期。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ):利用IAP在線應(yīng)用編程，將采集后RAM里的信號(hào)數(shù)據(jù)存入Flash存儲(chǔ)器中，使數(shù)據(jù)掉電后不會(huì)丟失。

波形形狀判斷:采用跳變沿算法實(shí)現(xiàn)對(duì)波形形狀的判斷，即通過相鄰采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)的變化來推斷波形形狀。

數(shù)據(jù)回放:系統(tǒng)上電后，通過查找Flash存儲(chǔ)器中的地址，將數(shù)據(jù)存入RAM中，再將數(shù)據(jù)送至D/A轉(zhuǎn)換器，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)回放功能。

顯示功能:顯示輸入信號(hào)的極大值、極小值和周期的大小。

2．2 程序流程圖

主程序流程圖、波形采集子程序流程圖、極值與周期計(jì)算程序流程圖如圖8所示。

圖8 程序流程圖

3 測試結(jié)果及分析

3．1 測試儀器及型號(hào)

LTD2102CEL示波器、VICTOR VC890D萬用表、SG1080A數(shù)字合成信號(hào)發(fā)生器［7］。

3．2 測試方案

1)功能測試如表1所示。

2)A通道電平測試條件:輸入電壓峰峰值4 V，輸入頻率1 kHz，測試結(jié)果如表2所示。

3)B通道指標(biāo)測試，輸入雙極性信號(hào)Vpp=100 mV，測試結(jié)果如表3所示。

表1 功能測試結(jié)果

表2 A通道波形測試結(jié)果

表3 B通道波形測試結(jié)果

3．3 測試結(jié)果分析

由表1、表2、表3可知，本設(shè)計(jì)能完成對(duì)A通道單極性信號(hào)、頻率約1 kHz信號(hào)的采集、存儲(chǔ)與連續(xù)回放。可以完成B通道雙極性信號(hào)采集和回放。采集、回放時(shí)能測量并顯示信號(hào)的高電平、低電平和信號(hào)的周期。原信號(hào)與回放信號(hào)電平之差的絕對(duì)值小于50 mV，周期之差的絕對(duì)值小于5%。由于本系統(tǒng)采用的是LPC1758控制器，并且使用了內(nèi)部集成的高速A/D、D/A，加上顯示及模擬信號(hào)調(diào)理電路，因此系統(tǒng)功耗略高。

4 結(jié)語

在設(shè)計(jì)過程中，原理圖的元器件參數(shù)的選擇都是通過計(jì)算而來，對(duì)程序編寫采用了相應(yīng)的新算法，從理論上保證結(jié)果的正確性。從結(jié)果演示可以看出，系統(tǒng)完全滿足設(shè)計(jì)要求。采樣信號(hào)的上限及下限頻率都能達(dá)到，信號(hào)周期計(jì)算準(zhǔn)確，波形回放圖形質(zhì)量較好，系統(tǒng)功耗較低，而且具有實(shí)時(shí)性。

［1］黃智偉．全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽訓(xùn)練教程［M］．北京:電子工業(yè)出版社，2007．

［2］周雪．模擬電子技術(shù)［M］．西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2005．

［3］JUNG W，張樂鋒，張鼎．運(yùn)算放大器應(yīng)用技術(shù)手冊［M］．北京:人民郵電出版社，2009．

［4］楊欣，王玉鳳，劉湘黔．電子設(shè)計(jì)從零開始［M］．2版．北京:清華大學(xué)出版社，2010．

［5］李朝青．單片機(jī)原理及接口技術(shù)［M］．北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2009．

［6］高西全，丁玉美．?dāng)?shù)字信號(hào)處理［M］．3版．西安:西安電子科技大學(xué)出版，2008．

［7］陸綺榮．電子測量技術(shù)［M］．2版．北京:電子工業(yè)出版社，2009．