基于單片機(jī)的波形采集、存儲(chǔ)與回放系統(tǒng)設(shè)計(jì)

◆梁麗

基于單片機(jī)的波形采集、存儲(chǔ)與回放系統(tǒng)設(shè)計(jì)

◆梁麗

系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，以低功耗運(yùn)放構(gòu)成輸入輸出電路，選用外部低功耗存儲(chǔ)芯片作存儲(chǔ)，軟件系統(tǒng)控制外部A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并通過(guò)外部D/A轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)對(duì)已采集信號(hào)的回放，系統(tǒng)的各種信息及采集波形信息由液晶顯示輸出。

單片機(jī)；接口電路；波形采集

1 前言

采用AT89C52單片機(jī)作為整個(gè)控制核心，通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬信號(hào)的采集、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的輸出以及各種測(cè)量、邏輯控制的功能?，F(xiàn)從系統(tǒng)單元電路設(shè)計(jì)、單片機(jī)與外部設(shè)備的接口電路設(shè)計(jì)和系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的角度，闡述基于單片機(jī)的波形采集、存儲(chǔ)與回放系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想。

2 單元電路設(shè)計(jì)

通道調(diào)理電路 將ADC0809轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓輸入端接至+5 V電源，它可對(duì)0～5 V的模擬信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。A通道輸入信號(hào)是單極性的，輸入電壓范圍為0～4 V，符合A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入信號(hào)的要求。A通道的輸入、輸出電路均選用電壓跟隨器，電壓跟隨器具有輸出電壓跟隨輸入電壓、輸入阻抗高、輸出阻抗低的特點(diǎn)，使得整個(gè)通道的放大倍數(shù)為1。

B通道輸入信號(hào)是雙極性的，輸入電壓范圍為-50～+50 mV。為此，在B通道輸入端需將信號(hào)電壓由雙極性轉(zhuǎn)換為單極性，并調(diào)理為0～4 V電壓輸出，以匹配A/D轉(zhuǎn)換器的輸入電壓范圍；在B通道輸出端則需將信號(hào)電壓的極性和幅度范圍進(jìn)行還原。B通道輸入電路如圖1所示，它由三級(jí)運(yùn)放構(gòu)成：

第一級(jí)運(yùn)放構(gòu)成電壓跟隨器；

第二級(jí)運(yùn)放構(gòu)成反相比例電路，其交流放大倍數(shù)為-40，作用是將信號(hào)電壓由-50～+50 mV調(diào)理到+2～-2 V范圍內(nèi)；

第三級(jí)運(yùn)放構(gòu)成反相求和電路，其交流放大倍數(shù)為-1，調(diào)節(jié)電位器給信號(hào)電壓+2 V的電平平移，將雙極性信號(hào)轉(zhuǎn)換為單極性，即將信號(hào)電壓由+2～-2 V調(diào)理到0～4 V范圍內(nèi)。

B通道輸出電路也由三級(jí)運(yùn)放構(gòu)成：

第一級(jí)運(yùn)放構(gòu)成電壓跟隨器；

第二級(jí)運(yùn)放構(gòu)成反相求和電路，其交流放大倍數(shù)為-1，調(diào)節(jié)電位器給信號(hào)電壓-2 V的電平平移，將單極性信號(hào)還原為雙極性，即將信號(hào)電壓由0～4 V調(diào)理到+2～-2 V范圍內(nèi)；

第三級(jí)運(yùn)放構(gòu)成反相比例電路，其交流放大倍數(shù)為-0.025，作用是將信號(hào)電壓由+2～-2 V還原到-50～+50 mV范圍內(nèi)。

由此可見(jiàn)，整個(gè)通道的放大倍數(shù)為1，滿足了信號(hào)回放的要求。

濾波、緩沖輸出電路 為了使產(chǎn)生的回放信號(hào)平滑且具有負(fù)載能力，采用濾波電路、輸出緩沖電路對(duì)D/A輸出的信號(hào)進(jìn)行后級(jí)處理。由于信號(hào)的頻率范圍為10 Hz～5 kHz，選用壓控電壓源二階低通濾波電路來(lái)濾除高頻噪聲；選用電壓跟隨器作為輸出緩沖電路，以提高電路帶負(fù)載能力。

圖1 B通道輸入電路

作者：梁麗，北京工商大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院副教授，研究方向?yàn)殡娮蛹夹g(shù)及應(yīng)用（100048）。

圖2 AT89C52單片機(jī)與ADC0809中斷方式的接口電路

3 單片機(jī)與外部設(shè)備的接口電路

外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展 AT89C52內(nèi)部只有256 B RAM，需要擴(kuò)展外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。AT89C52擴(kuò)展一片32 K外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器62256，數(shù)據(jù)線D0～D7直接與單片機(jī)的數(shù)據(jù)地址復(fù)用口P0相連，地址的低8位A0～A7由鎖存器74LS273獲得，地址的高7位A8～A14直接與單片機(jī)的A8～A14（P2.0～P2.6）相連，電路中用地址線A15（P2.7）來(lái)進(jìn)行片選。

A/D轉(zhuǎn)換器的接口電路 ADC0809采用逐次比較的方法完成A/D轉(zhuǎn)換，片內(nèi)帶有鎖存功能的8路選1的模擬開(kāi)關(guān)，由C、B、A引腳上的編碼來(lái)決定所選的通道，AT89C52單片機(jī)與ADC0809中斷方式的接口電路如圖2所示。由于ADC0809具有三態(tài)輸出鎖存器，故可與單片機(jī)的數(shù)據(jù)總線直接相連，作為單片機(jī)的一個(gè)擴(kuò)展口；電路中用地址線P2.7來(lái)進(jìn)行片選，地址鎖存信號(hào)ALE、啟動(dòng)信號(hào)START及輸出允許信號(hào)OE分別由單片機(jī)讀寫(xiě)信號(hào)和P2.7通過(guò)或非門來(lái)控制；當(dāng)OE為邏輯1時(shí)選通三態(tài)門，使鎖存器中的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果送入地址總線；轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)EOC經(jīng)過(guò)反相器接單片機(jī)的中斷請(qǐng)求端P3.2，由外中斷服務(wù)程序讀A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，并啟動(dòng)下一次轉(zhuǎn)換［1］。

D/A轉(zhuǎn)換器的接口電路 DAC0832是具有內(nèi)部輸入數(shù)據(jù)寄存器和DAC寄存器的8位D/A轉(zhuǎn)換器，它能直接與AT89C52連接，可以有3種連接方式：直通方式、單緩沖方式和雙緩沖方式。

LCDI602模塊的接口電路 液晶顯示模塊選用LCDl602即可滿足系統(tǒng)顯示要求。LCDl602是一種專門用于顯示字母、數(shù)字、符號(hào)的點(diǎn)陣式LCD，顯示字符為16字×2行。單片機(jī)與LCDl602接口簡(jiǎn)單，使用靈活方便，控制程序簡(jiǎn)單，通過(guò)單片機(jī)向LCDl602寫(xiě)入相應(yīng)的命令和數(shù)據(jù)，就可對(duì)顯示方式和顯示內(nèi)容做出選擇。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件采用模塊化程序設(shè)計(jì)方法構(gòu)建，軟件關(guān)鍵部分為信號(hào)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)子程序和顯示子程序。信號(hào)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)子程序控制A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)行信號(hào)采集，并直接把數(shù)據(jù)送入內(nèi)存，顯示子程序把存儲(chǔ)在內(nèi)存中的數(shù)據(jù)送到D/A轉(zhuǎn)換，信號(hào)波形在示波器上回放，采集波形的周期、幅度等信息在液晶顯示器上顯示。

5 結(jié)語(yǔ)

單片機(jī)是一個(gè)用于測(cè)控目的的微型計(jì)算機(jī)，因此，只要在其外部適當(dāng)增加一些必要的外圍擴(kuò)展電路，就可以靈活地構(gòu)成各種應(yīng)用電路，如數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)和智能儀器儀表等。

［1］李廣第，朱月秀，等.單片機(jī)基礎(chǔ)（修訂本）［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2001.

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10.3969/j.issn.1671-489X.2016.18.032