數(shù)字示波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

何佳林 鄭琳

【摘要】本文提出了一種簡(jiǎn)易數(shù)字示波器的設(shè)計(jì)方案。其設(shè)計(jì)方案基于STM32103C8T6單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字示波器基本功能。系統(tǒng)將傳感器輸出的4～20mA的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)通過以A/D轉(zhuǎn)換電路調(diào)理后，經(jīng)由單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最后由LCD顯示波形相關(guān)值。與傳統(tǒng)的模擬示波器相比有許多優(yōu)點(diǎn)，易操作、體積小、精度高、可永久存儲(chǔ)波形數(shù)據(jù)、反復(fù)重現(xiàn)波形數(shù)據(jù)等。特別適合電子制作群體，故其使用面更加廣。

【關(guān)鍵詞】波形檢測(cè);上位機(jī)開發(fā);A/D轉(zhuǎn)換;

1. 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

數(shù)字示波器由7部分組成：?jiǎn)纹瑱C(jī)部分;信號(hào)調(diào)理電路A/D轉(zhuǎn)換部分;人機(jī)界面和交互式界面部分。系統(tǒng)組成框圖如圖1.1所示。

2. 硬件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用STM32103C8T6作為主控芯片，通過液晶屏幕顯示數(shù)據(jù)。整個(gè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)大致可以分為四個(gè)模塊，分別是：電源電路、串口模塊、單片機(jī)最小系統(tǒng)（晶振電路和復(fù)位電路）、波形檢測(cè)電路。電源電路負(fù)責(zé)為單片機(jī)、復(fù)位電路、串口模塊和波形檢測(cè)電路供電，從而使單片機(jī)波形檢測(cè)電路和串口模塊正常運(yùn)行，綠色指示燈也因此點(diǎn)亮，表示當(dāng)前供電正常。整個(gè)系統(tǒng)的智能控制部分是單片機(jī)最小系統(tǒng)，該系統(tǒng)也是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分。

2.2顯示電路設(shè)計(jì)

JLX2.4TFT液晶模塊也叫JLX2.4TFT字符型液晶其是一種專門用來顯示字母、數(shù)字以及符號(hào)等的點(diǎn)陣型液晶集成模塊，該模塊有很多個(gè)5x7或者5x11等的點(diǎn)陣字符位構(gòu)成，每個(gè)點(diǎn)陣字符位都能夠顯示一個(gè)字符的功能。每個(gè)顯示的位之間有一個(gè)點(diǎn)距將其隔開，每一行顯示的字符之間也有間隔，起到了字符間距和行間距等的的作用，但是其不能顯示圖形（用自定義CGRAM，顯示效果也不好）JLX2.4TFT液晶顯示的內(nèi)容可以顯示多行，每行有128X64個(gè)字符液晶模塊（可以顯示字符和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)）目前市面上字符液晶模塊大多是基于HD44780液晶芯片控制的，控制原理是差不多相同的，因此以HD44780為基礎(chǔ)寫的控制程序可以很方便地應(yīng)用于市面上絕大部分的字符型。

2.3按鍵電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)有四個(gè)按鍵分別為，波形對(duì)應(yīng)PB12，倍率對(duì)應(yīng)PB13，數(shù)值+對(duì)應(yīng)PA11，數(shù)值對(duì)應(yīng)PA12，PB12起到了波形調(diào)節(jié)的作用，選擇不同的波形，PB13為倍率設(shè)計(jì)按鍵，當(dāng)設(shè)定過波形后通過PA11和PA12進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2.4通訊電路設(shè)計(jì)

串口模塊采用HC-05主從一體的串口模塊。模塊為單電壓輸入電壓為3.3V。整個(gè)板子由Micro USB接口供電，兼容安卓手機(jī)的充電線，對(duì)應(yīng)該USB口添加了一個(gè)發(fā)光二極管D8，用于指示整版上電。模塊旁邊放置了電源開關(guān)SW110，左右波動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)模塊的單獨(dú)上電和掉電。對(duì)應(yīng)電源開關(guān)有一個(gè)發(fā)光二極管D110，用于指示模塊上電。當(dāng)串口設(shè)備連接后，可以忽視串口內(nèi)部的通信協(xié)議。當(dāng)建立連接時(shí)，只需觀察串口是否已經(jīng)設(shè)置完成AT模式是否連接好。

3. 軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

本數(shù)字示波器的軟件設(shè)計(jì)部分采用模塊化程序設(shè)計(jì)，主要由A/D轉(zhuǎn)換子程序，LCD液晶顯示子程序，EEPROM讀寫子程序，按鍵處理子程序組成。通過AD采集波形數(shù)據(jù)然后用按鍵調(diào)節(jié)波形，最后進(jìn)行波形處理，就可以在LCD上顯示完整的波形，整個(gè)系統(tǒng)的主程序流程圖如圖2.1所示。

3.2 串口通訊程序設(shè)計(jì)

串口通訊子程序的功能主要是作為調(diào)試時(shí)使用，由于單片機(jī)采集信號(hào)數(shù)據(jù)后，是存儲(chǔ)在RAM中的，有時(shí)候需要對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，這時(shí)就使用串口，將RAM中的這些數(shù)據(jù)信息發(fā)送到電腦的串口上，這樣就能很方便的對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

從機(jī)器端的通信協(xié)議是：①關(guān)閉中斷以判斷當(dāng)前狀態(tài)是否是接收狀態(tài)（EA=0、RI=1），如果是則開始計(jì)數(shù)（記錄所收到的數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)）;如果不是則直接清除接收到的信息同時(shí)打開中斷（EA=1、RI=0）。②根據(jù)第一個(gè)字節(jié)是否為0xAA來判斷所接收到的數(shù)據(jù)幀是否為命令幀。③根據(jù)字節(jié)數(shù)是否大于5字節(jié)來判斷所接收到的數(shù)據(jù)幀的字節(jié)是否符合要求。④按字節(jié)逐個(gè)個(gè)判斷所接收到的信息：首先確定是不是本機(jī)的地址、校驗(yàn)是否正確;如果判斷及效驗(yàn)正確則繼續(xù)判斷主機(jī)是向哪種類型數(shù)據(jù)發(fā)出要求命令，并在發(fā)送數(shù)據(jù)的命令后做出對(duì)應(yīng)的反應(yīng)，檢驗(yàn)完一幀數(shù)據(jù)后直接將數(shù)據(jù)接收（RI=0），并打開中斷等待下一次的命令的到來。該模塊主要包括串口數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。

4. 系統(tǒng)調(diào)試

基于PC控制的硬件模塊和軟件模塊全部調(diào)試調(diào)試完成后，下面就可以對(duì)系統(tǒng)的整體進(jìn)行調(diào)試。首要部分依然是檢查整個(gè)電路的連接是否正常，將整個(gè)電路通過USB連接到電腦上之后。指示燈點(diǎn)亮，表示整個(gè)電路運(yùn)行正常。將PC串口助手打開，搜索到COM后，再進(jìn)行測(cè)試。用波形發(fā)生器發(fā)生波形然后手動(dòng)調(diào)試接收到的波形形態(tài)，并嘗試復(fù)位能功能。如果全部都能實(shí)現(xiàn)，那么總體的調(diào)試基本完成，該設(shè)計(jì)與預(yù)期相比能實(shí)現(xiàn)示波器基本功能，但后期波形調(diào)試還可以加以改善。與傳統(tǒng)模擬示波器相比，該設(shè)計(jì)不僅具有可存儲(chǔ)波形、體積小、功耗低，使用方便等優(yōu)點(diǎn)，而且還具有強(qiáng)大的信號(hào)實(shí)時(shí)處理分析功能。

5. 結(jié)論

簡(jiǎn)易示波器的工作流程分為三步：采集、存儲(chǔ)、顯示，其工作原理為由高速A/D器件采集待測(cè)波形的電壓值，并將采集到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到RAM區(qū)，然后由單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，并控制波形的顯示，本設(shè)計(jì)解決了如下問題：1.在本設(shè)計(jì)中所采用的核心控制器為STM32單片機(jī)，該單片機(jī)的主頻比較低，所以對(duì)于采集較高頻率的波形比較困難。采取的措施為提高單片機(jī)的晶振頻率，改進(jìn)示波器數(shù)據(jù)采集算法。2.由于波形顯示的問題，ADC0809所采用的時(shí)鐘為500KHz，可以通過單片機(jī)的ALE信號(hào)分頻得來，單片機(jī)晶振采用12MHz，則ALE信號(hào)的頻率為2MHz，產(chǎn)生500KHz的時(shí)鐘，需經(jīng)過74LS908分頻后得到。

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作者簡(jiǎn)介：何佳林，男，沈陽工學(xué)院，學(xué)生。鄭琳（通訊作者），女，漢族，遼寧人，沈陽工學(xué)院，教師，講師，碩士學(xué)位。