一種手持式波形采集、存儲及回放系統(tǒng)＊

張仁民，錢瑩晶，伍 清

（懷化學院 物理與信息工程系，湖南 懷化 418008）

波形采集、存儲和回放系統(tǒng)廣泛地應用于工業(yè)總線測試、電力系統(tǒng)、醫(yī)療、教學科研等領域[1-3]。隨著科技的發(fā)展和應用環(huán)境的拓寬，特別是一些特殊的生產(chǎn)、生活場合，傳統(tǒng)的需要外接市電電源的大型測量儀器（示波器）已經(jīng)不能滿足測試、調(diào)試、維護的要求[4]。設計和制造一種新型的便攜式的波形采集、存儲和回放系統(tǒng)有重要的工程價值和實際意義。

這種設備的基本特點有：體積小、重量輕、易于攜帶；用電池供電，能連續(xù)工作5 h以上；具有參數(shù)測量的功能；具有較大的存儲空間；具有多種觸發(fā)方式[5]。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

該系統(tǒng)是一個手持式雙通道低頻信號波形采集、存儲回放系統(tǒng)，其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

該系統(tǒng)主要由多通道信號輸入調(diào)理電路、微處理器、人機接口、DAC和輸出調(diào)理電路組成。各部分功能和工作流程分配如下：輸入調(diào)理電路主要包括前置放大、衰減及整形變換電路，其中前置放大、衰減是為了保證信號能合理地被A/D采樣 （滿足采樣范圍和最佳精度），整形變換電路是為了將正弦波變換成為方波信號以便測量信號頻率；微處理器是系統(tǒng)的核心包括系統(tǒng)的控制、數(shù)據(jù)的采集、存儲、處理和參數(shù)的測量，特別說明的是該處理器自帶多通道ADC；人機接口是為了設定參數(shù)、功能和顯示測量數(shù)據(jù)及波形；DAC及低通濾波器是為了很好地還原前端的模擬信號，濾除信號中夾帶的高頻成分，在濾波以后，再將信號進行放大和衰減，完全還原輸入信號的波形。

2 硬件設計

2.1 輸入信號調(diào)理電路

輸入調(diào)理電路主要包括前置放大、衰減和整形變換電路兩部分組成。

（1）前置放大、衰減電路

該部分電路采NE5532運放及外圍元器件組成，主要是考慮到和單片機片內(nèi)ADC接口。由于MSP430片內(nèi)的A/D的采樣范圍是0到2.5 V，同時保證采樣的精度，需要把信號調(diào)理到500 mV到2.5 V這一范圍內(nèi)[6]。設計時還需要考慮：信號的極性問題，如是雙極性信號還需要加上加法器；輸入信號和進A/D采集的阻抗問題，輸入和輸出均加上射隨器。

（2）整形電路

整形電路是由四部分構成：第一部分是放大，第二部分是比較器過零比較，第三部分是施密特觸發(fā)器電平觸發(fā)，第四部分是電平的調(diào)整。因為輸入信號比較小，如果直接送入比較器過零比較，可能會存在有錯誤的比較輸出，所以前端加了電壓放大。信號經(jīng)過放大器以后進入由LM311組成的比較器進行過零比較以后，輸出信號在上升沿和下降沿存在有多次跳變，針對這種情況在比較器輸出后面加了一個施密特觸發(fā)器[7]。但是施密特觸發(fā)器輸出的高電平在5 V左右，所以就在后面加了一個3 V的穩(wěn)壓管和電阻進行限流和穩(wěn)定電壓和限制電流輸出。具體電路如圖2所示。

圖2 整形電路

2.2 處理器選擇

該系統(tǒng)為手持式系統(tǒng)，在考慮功能和參數(shù)測量的基礎上核心問題是低功耗的電池供電，而功耗的核心是微處理器?？紤]到這一因素，該系統(tǒng)采用MSP430F5438作為信號處理和控制部分。MSP430是TI公司推出的一款低功耗混合信號處理器，片內(nèi)有豐富的資源：如該系統(tǒng)必須用到的片內(nèi)定時器、片內(nèi)A/D、中斷源等，24 MHz主頻。而且TI的單片機不但功耗低，而且信號處理能力也較強。所以該系統(tǒng)采用MSP430F5438。

2.3 人機接口

鍵盤采用普通的非編碼鍵盤以控制成本。

考慮到功耗的問題，顯示部分采用低功耗的諾基亞顯示屏。該顯示屏工作在非背光模式下，功耗很低，同時能保持上次顯示的數(shù)據(jù)。只有在數(shù)據(jù)更新的時候才需重新控制液晶屏，其余的時間單片機可以不控制液晶屏。從而可以節(jié)約功耗和節(jié)約單片機的時間。諾基亞控制采用軟件模擬SPI進行控制，顯示效果良好。

2.4 DAC和輸出調(diào)理電路

由于需要在一定意義上實現(xiàn)雙通道的同時采樣和輸出，所以要求處理器的速度足夠快。如果采用串行的D/A芯片，那么在回放的時候，占用處理器的時間相當多，不可能做到名義上的同時采集和回放。在回放的時候占用處理器的時間最好是能只占用處理器一兩個時鐘周期，而且要求該D/A的功耗較低，這樣才能滿足電池供電的要求?？紤]到這些因素，這里采用TI公司的DAC7621[8]。

系統(tǒng)采用兩路D/A實現(xiàn)雙通道的回放，每一路DAC7621的數(shù)據(jù)位選擇連接MSP430的PA和PE口。D/A與單片機的連接如圖3所示。

圖3 D/A轉(zhuǎn)換電路

重構濾波器采用NE5532構成四階低通巴特沃斯濾波器。

3 軟件設計

該系統(tǒng)需要實現(xiàn)采樣、存儲、回放、測頻、測幅和掉電存儲等功能。系統(tǒng)的軟件部分分為主程序、A/D中斷部分和部分功能程序設計。

3.1 主程序設計

主程序主要負責判斷信號頻率或信號類型是否發(fā)生變化，因此主程序一直在檢測外部信號是否發(fā)生變化。一旦檢測到外部信號發(fā)生變化，立即使新數(shù)據(jù)覆蓋到指定地址的Flash中，然后更新回放RAM中的數(shù)據(jù)，最后將新的信號的參數(shù)送到液晶上顯示。與此同時，在主程序中還要判斷當信號的頻率過低時要改變A/D的采樣速率，以便采集合適數(shù)量的點。其流程如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

3.2 A/D中斷程序

A/D中斷程序負責數(shù)據(jù)的采集和回放。當進入中斷后開啟下一次中斷并將這次采到的數(shù)據(jù)保存至存儲RAM中，回放RAM1的數(shù)據(jù)后返回主程序等待下一次中斷。A/D中斷程序流程圖如圖5所示。

圖5 中斷程序流程圖

3.3 功能程序設計

3.3.1 信號頻率與幅度測量

MSP430F5438片內(nèi)的定時器自帶捕獲功能[9]。在這種模式下，對于10 kHz以內(nèi)方波信號的測量精度很高，對于10 kHz以內(nèi)的正弦波測量精度相對較低，但也可達99%。其余周期性信號如三角波、鋸齒波等周期信號測量精度和正弦波的測量精度相當。在本系統(tǒng)中，系統(tǒng)對頻率的精度要求不是很高<5%，故采用通過采樣點數(shù)確定當前信號的頻率。而高低電平的幅值通過比較一個周期信號的幅度最大最小值決定。通過比較一個周期的八分之一處的幅值確定波形的種類，從而決定是否要存儲到Flash中及更新回放RAM的數(shù)據(jù)。做到當輸入改變的時候輸出馬上改變的特點，提高系統(tǒng)的實時性。測頻、測幅流程圖流程圖如6所示。

圖6 測頻測幅流程圖

3.3.2 信號單周期采集

由于要連續(xù)回放周期性信號，只有存儲的波形為周期信號波形周期的整數(shù)倍的時候才能不失真地回放出想要的信號，在實際操作中只要完整存儲一個周期的波形信號即可以無失真地進行回放原信號。在具體采集過程中可以通過所測信號的周期和已知的采樣頻率確定當前采樣點數(shù)，從而采集得到一個周期的波形。因為本系統(tǒng)中沒有特意添加測頻模塊，只能通過檢測信號的幅值確定是否采集到一個完整周期信號。具體流程圖如圖7所示。

圖7 信號單周期采集流程圖

本系統(tǒng)采用 ADI公司的精密集成運放 OP07、TI公司的雙運放NE5532、TI公司的高速施密特觸發(fā)器SN74LVC1G14進行前置信號調(diào)理電路和整形電路；采用TI公司的低功耗MSP430系列單片機作為主控制器，其內(nèi)部自帶的ADC對信號進行采樣；采用TI公司的并行低功耗D/A（DAC7621），有源低通濾波器作為重構濾波器。實驗結果表明，實現(xiàn)了對10 kHz以下方波等信號的雙通道采集、存儲和回放等功能，系統(tǒng)功耗低、廉價、穩(wěn)定。

[1]李彤，屈金標，李闖.基于物理層的車載CAN總線測試系統(tǒng)[J].四川兵工學報，2011（5）：113-114.

[2]苗盈瀛，高艷霞，李南.IGBT參數(shù)辨識中的波形采集技術[J].電氣傳動自動化，2007（2）：34-37.

[3]季鑫源.脈搏波形采集與輔助診斷系統(tǒng)的設計[J].中國組織工程研究與臨床康復，200（4）：655-658.

[4]方志宏，張克南.便攜式流體壓力波形采集儀的設計[J].自動化儀表，1997（10）：11-14.

[5]魏坤.手持式數(shù)字存儲示波器的制作[DB/OL].http：//www.ourdey.cn，2011-09-12.

[6]Texas Instruments.MSP430F5438 Experimenter Board User′sGuide[DB/OL].http：/www.ti.com，2009-1.

[7]National Semiconductor.Op Amp Circuit Collection[Z].ApplicationNote31，F(xiàn)ebruary 1978.

[8]Texas Instruments.DAC7621 datasheet.http：//www.ti.com.cn/product/cn/DAC7621.

[9]Texas Instruments.MSP430F5438 datasheet.http：//www.ti.com.cn/product/cn/MSP430F5438.