張 瑩, 司元雷, 張 進(jìn)
(江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息與電子工程學(xué)院,江蘇 徐州 221116)
傳統(tǒng)的示波器只能顯示信號(hào)波形信息,而對(duì)于某些某些場合常常需要將單次波形記錄下來,實(shí)現(xiàn)斷電后還能將波形輸出。隨著微電腦的廣泛應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)波形的采集、存儲(chǔ)和回放輸出變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)[1],本文介紹利用 C8051F020微控制器組成波形信號(hào)存儲(chǔ)、回放系統(tǒng)和通用的示波器連接起來,構(gòu)成一個(gè)波形采集、存儲(chǔ)、回放和顯示系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)示波器的智能化。
C8051F020微控制器,它的指令以時(shí)鐘周期為運(yùn)行單位,大大提高了指令的運(yùn)行速度,同時(shí)也具有高精度的A/D、D/A轉(zhuǎn)換功能,一個(gè)增強(qiáng)型SPI接口,每種串行總線完全用硬件實(shí)現(xiàn),都能向CIP-51產(chǎn)生中斷。C8051F020有兩個(gè) ADC,分別是 12位的ADC0和8位的ADC1,ADC0的最高轉(zhuǎn)換速度為100 k/s,由于第二路輸入信號(hào)為小信號(hào),需要精確采樣。因此選擇ADC0來轉(zhuǎn)換信號(hào)。
FM25l256是串行鐵電隨機(jī)存儲(chǔ)器(FRAM,Ferroelectric Random Access Memory)。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)形式為 32K×8位,地址范圍為 00000H~7FFFH,采用 16位地址尋址方式,SPI總線方式。FM25L256支持SPI方式0和方式3,具有先進(jìn)的寫保護(hù)設(shè)計(jì),包括硬件保護(hù)和軟件保護(hù)雙重保護(hù)功能。FM25L256的數(shù)據(jù)讀寫速度能達(dá)到25 MHz,可以與當(dāng)前的告訴RAM相媲美,并具有傳統(tǒng)的非易失特性[2]。
由于輸入信號(hào)頻率為 10~10 kHz,最高頻率為10 kHz.根據(jù)采樣定理,為保證回放不失真,在一個(gè)周期內(nèi)必須采兩次信號(hào)。因此采樣頻率最大于等于20 kHz,對(duì)于本設(shè)計(jì),采樣頻率設(shè)置為50 kHz。
本系統(tǒng)可以完成兩路信號(hào)的采集、存儲(chǔ)和回放功能。一路為單極性信號(hào),另一路為小信號(hào)雙極性信號(hào)。
系統(tǒng)以C8051F020核心,通過C8051集成的A/D和 D/A完成信號(hào)的模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換[4],正弦波方波或者三角波送入輸入電路,完成波形信號(hào)波形雙單極性的轉(zhuǎn)換,小信號(hào)波形的信號(hào)放大,目的使信號(hào)能夠與C8051單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換的信號(hào)相匹配[5-6]。完成處理后送入C8051單片機(jī),單片機(jī)對(duì)鍵盤電路掃描,完成信號(hào)的采集,存儲(chǔ),回放,同時(shí)通過液晶顯示器顯示波形的高低電平及周期[7],經(jīng)波形輸出電路,完成信號(hào)的逆處理,輸出顯示波形原始信號(hào)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總體框圖
由于C8051F020的A/D只能采集0~2 V的電壓,因此要對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行分壓,經(jīng)分壓處理后經(jīng)過電壓跟隨器輸出,得到的信號(hào)電壓控制在0~2 V,采用電壓跟隨器,可以增加電路輸入阻抗,降低輸出阻抗。如圖2所示。
圖2 單極性信號(hào)輸入電路
經(jīng)過C8051F020的D/ A輸出來的信號(hào)送入運(yùn)放的同向端,經(jīng)同相比例運(yùn)放電路輸出,,恢復(fù)出原始的信號(hào)[8],如圖3所示。
圖3 單極性信號(hào)輸出電路
由于雙極性信號(hào)只有100 mV,非常小,為了保證信號(hào)能夠采集到,首先要對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大,采用反相比例放大電路對(duì)其放大10倍,同理,在信號(hào)輸出來時(shí),也采用比例放大電路對(duì)其縮小 10倍,如圖4所示。
圖4 雙極性信號(hào)輸入電路
C8051F020的AD轉(zhuǎn)換的參考電壓是2 V,輸入為單極性信號(hào),而系統(tǒng)信號(hào)為雙極性信號(hào),為了保證能將信號(hào)無損失的采集,將信號(hào)抬高至1 V附近,圖中,運(yùn)算放大器的反向端輸入為放大10倍雙極性小信號(hào),同相端為+5 V的直流電壓,經(jīng)過R5,R6,R3,R4分壓之后,R6的電壓為1 V,R 6為可調(diào)電阻,R6=13.3 k?,運(yùn)放電路和電阻原件構(gòu)成差分電路Uo=-U1+1,這樣可以無失真的進(jìn)行信號(hào)的采集。如圖5所示。
經(jīng)C8051F020的D/ A輸出來的信號(hào)經(jīng)過電壓跟隨器電路,通過電容濾波,濾掉直流分量。
由于FM25L256與其他標(biāo)準(zhǔn)SPI設(shè)備一樣,可以直接掛在 SPI總線上[3],因此需要額外的片選信號(hào)CS,同時(shí)也可以通過HOLD控制線達(dá)到暫停操作。/WP引腳接高電平不進(jìn)行硬件寫保護(hù),SI信號(hào)為串行數(shù)據(jù)輸入,SO為串行數(shù)據(jù)輸出,SCK為串行數(shù)據(jù)輸入時(shí)鐘。連接圖如圖6所示。
圖5 雙極性信號(hào)輸出電路
圖6 MCU與存儲(chǔ)器的連接圖
系統(tǒng)上電后,首先完成一些列初始化,包括時(shí)鐘初始化,I/O口輸入輸出的設(shè)置、SPI的兩個(gè)控制寄存器的初始化以及開中斷允許等。然后從I/O口檢測各個(gè)按鍵的狀態(tài),當(dāng)有按鍵時(shí),進(jìn)入采集程序,采集結(jié)束后,發(fā)采集結(jié)束信號(hào),置工作標(biāo)志,進(jìn)入輸出顯示程序。同理,如果檢測到存儲(chǔ)按鍵按下,通過SPI接口的寫入操作,對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行相應(yīng)的寫入操作;斷電后,重新進(jìn)行上電,進(jìn)行初始化和檢測,按下回放鍵,單片機(jī)對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀操作,結(jié)束后,置工作標(biāo)志,進(jìn)入顯示程序。總體流程圖如圖7所示。
圖7 系統(tǒng)總體流程
單片機(jī)數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)和回放系統(tǒng)對(duì)于各種周期信號(hào)和單次信號(hào)可重復(fù)穩(wěn)定的顯示,同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的存儲(chǔ)和回放,增強(qiáng)了傳統(tǒng)示波器的功能,使其性能進(jìn)一步得到完善,實(shí)現(xiàn)了以往難以實(shí)現(xiàn)的功能,對(duì)于儀器的智能化,具有一定的意義。
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