圖形液晶顯示器在簡易存儲示波器中的應(yīng)用

林凡強(qiáng)，張俊斌

LIN Fan-qiang, ZHANG Jun-bin

（成都理工大學(xué)，成都 610059）

0 引言

自然界運(yùn)行著多種形式的波，如聲波、地震波、波浪等等。通過傳感器進(jìn)行信號變換后，就能將這些信號轉(zhuǎn)變?yōu)槭静ㄆ骺蛇M(jìn)行觀察、研究和分析的電信號。如今數(shù)字示波器迅速普及，已經(jīng)成為各行業(yè)工程師必備的工具之一，示波器的功能越來越多，構(gòu)造也越來越復(fù)雜。

本文從對存儲式數(shù)字示波器基本概念出發(fā)，設(shè)計(jì)了具有示波器基本功能的波形顯示和實(shí)時(shí)存儲系統(tǒng)。其硬件電路包括信號調(diào)理電路、ADC采樣與存儲電路、采樣時(shí)鐘產(chǎn)生電路、信號整形電路、測頻電路、鍵盤和T6963C[1～4]液晶接口電路。系統(tǒng)采用TI公司的雙MSP430[5,6]系列雙MCU作為系統(tǒng)的核心。F149主要完成電路的控制、測頻和發(fā)送數(shù)據(jù)。F169主要完成波形的顯示和波形參數(shù)的顯示。

1 硬件原理及框圖

簡易數(shù)字式存儲示波器框圖如圖1所示。系統(tǒng)主要包括了模擬信號的前端處理、信號的采樣、數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲與顯示和鍵盤輸入控制。

圖1 系統(tǒng)框圖

1.1 信號調(diào)理電路

A/D采集是系統(tǒng)非常重要的環(huán)節(jié)[7]，但是信號具體是什么樣的，對于系統(tǒng)來說是不可預(yù)知的，因此就需要對來源信號進(jìn)行預(yù)處理，在這主要是對信號的幅度進(jìn)行分析，使得被測信號的幅度能恰好在系統(tǒng)AD轉(zhuǎn)換器的采樣幅值范圍內(nèi)，即：微弱的信號進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯?，過高的信號進(jìn)行適當(dāng)?shù)乃p，同時(shí)，起到對系統(tǒng)后級電路的過壓保護(hù)。

通過鍵盤進(jìn)行LCD顯示的控制，使得波形能完整的顯示，示意波形如圖2所示。

圖2 預(yù)處理后波形圖

其中：Vm表示ADC的輸入最大值；

Vn表示ADC的輸入最小值。

由此，得到信號調(diào)理的流程框圖，如圖3所示。

依據(jù)圖3中各個(gè)框圖，設(shè)計(jì)了如圖4所示的無源衰減網(wǎng)絡(luò),提供了1MΩ的輸入阻抗，繼電器RE1的開關(guān)狀態(tài)代表信號的耦合方式，電容CP1～CP4為補(bǔ)償電容，通過調(diào)節(jié)CP1和CP2可使高頻信號獲得最佳的補(bǔ)償。輸入信號衰減倍數(shù)由多路復(fù)用器MAX379和繼電器RE2配合完成。MAX379的控制端A0、A1由單片機(jī)控制，用來以滿足不同的采樣速度[8]，流水線型的ADC輸出大都是并行接口，另外，就需要確定ADC的位數(shù)，由于系統(tǒng)采用的是240×128的液晶屏，垂直分辨率最大128點(diǎn)。由此，采用8位的ADC分辨率為256點(diǎn)已經(jīng)足夠了，綜合上述條件我們選擇設(shè)置垂直靈敏度檔A0、A1的控制字，選擇輸入信道。

圖3 信號調(diào)理框圖

圖4 無源衰減網(wǎng)絡(luò)

要得到圖2的波形，還需要電位平移電路和峰值檢測電路。電平移位電路由運(yùn)算放大器構(gòu)成的加法電路實(shí)現(xiàn)，如圖5給出可同時(shí)進(jìn)行峰值和谷值采樣的電路。

主放大器采用的是專用可編程增益放大器PGA205，增益檔級為1、2、4、8V/V,由可編程引腳A0和A1控制，最大增益誤差為±0.05%。電路芯片經(jīng)激光校正，最大失調(diào)電壓僅50uV，失調(diào)溫漂為0.25uV/℃。

1.2 ADC采樣與存儲電路

圖5 峰值檢測電路

示波器需要的ADC應(yīng)具有寬范圍的采樣頻率TI公司高速的AD轉(zhuǎn)換器ADS830E，采樣頻率為10kSa/s～ 60MSa/s。

存儲器我們選擇了常見的FIFO存儲器IDT7204，容量為4K，成品示波器都有存儲深度這個(gè)指標(biāo)，具體是指示波器所能存儲的采樣點(diǎn)多少的量度。之所以要加FIFO存儲器是因?yàn)锳DC的工作頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于單片機(jī)的速度。為了FIFO與ADC同步工作，F(xiàn)IFO的寫輸入端由74HC08間接控制。

ADS830E的RSEL引腳用來控制輸入電壓范圍，當(dāng)RSEL引腳為高電平時(shí)，ADS830E的輸入電壓范圍是1.5V～3.5V，即2Vpp。當(dāng)RSEL引腳為低電平時(shí)ADS830E的輸入電壓范圍是2V～3V，即1Vpp。我們選擇了輸入電壓范圍為2Vpp。其操作時(shí)序參考器件的數(shù)據(jù)使用手冊，由時(shí)序圖得知在時(shí)鐘的每個(gè)周期都進(jìn)行一次AD轉(zhuǎn)換，所以采樣速率就是時(shí)鐘頻率，能夠很方便地通過控制采樣時(shí)鐘來控制采樣頻率。

圖6 AD轉(zhuǎn)換及存儲

另外，簡要介紹一下FIFO關(guān)鍵的引腳，22腳(RS)復(fù)位引腳,低電平有效，復(fù)位時(shí)內(nèi)部的讀指針和寫指針都被設(shè)置到初始位置，在上電后在寫操作之前我們有必要復(fù)位一下器件。第8腳(FF)滿標(biāo)志,FIFO存儲器存滿時(shí)，寫操作被禁止，F(xiàn)F被拉低；當(dāng)FF為高時(shí)表明FIFO沒有存滿。第21腳(EF)空標(biāo)志，當(dāng)讀指針和寫指針相等時(shí)，表明FIFO為空，標(biāo)志位置低。

1.3 鍵盤控制電路

基于掃描式的矩陣鍵盤，效率比較低，而且占用過多的I/O口資源。本系統(tǒng)中采用了ZLG7290鍵盤專用芯片，實(shí)現(xiàn)硬件抖動、連擊處理等功能，避免了繁瑣的軟件去抖動和連續(xù)掃描。ZLG7290是I2C接口的芯片，其操作簡單，在此不再贅述。

1.4 圖形顯示電路

本系統(tǒng)中用到的是由東芝公司的T6963C為控制器的240×128圖形點(diǎn)陣式液晶。液晶顯示器的可編程引腳都由從機(jī)MSP430F169對應(yīng)的引腳連接，具體連接如圖7所示。

圖7 液晶接口電路

1.5 測頻電路

為進(jìn)行較為精確的頻率測量，系統(tǒng)采用了多周期測頻法，之所以能夠比較精確測頻，關(guān)鍵是設(shè)置計(jì)數(shù)器，而相關(guān)計(jì)數(shù)器的實(shí)質(zhì)，就是測量的fx的脈沖個(gè)數(shù)。如圖8所示為系統(tǒng)的測頻電路。

圖8 測頻電路

與非門CD4011的輸出端接到F149的P1.0口作定時(shí)器A的輸入時(shí)鐘完成對fx脈沖的計(jì)數(shù)，P1.3口用定時(shí)器控制輸出脈沖實(shí)現(xiàn)預(yù)置閘門的功能。

2 控制及圖形顯示代碼分析

主機(jī)系統(tǒng)路的控制和測頻，并通過SPI總線將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綇臋C(jī)。以下這部介紹這幾部分程序的設(shè)計(jì)?？刂萍皥D形顯示流程如圖9所示。

圖9 主機(jī)流程圖

2.1 耦合方式函數(shù)

由信號調(diào)理電路繼電器RE1就是用來控制耦合方式的。先給出硬件層(硬件層的含義是通過參數(shù)控制引腳直接對硬件進(jìn)行操作)的代碼如下：

2.2 鍵盤處理函數(shù)

系統(tǒng)在進(jìn)行對被測信號進(jìn)行的同時(shí)，負(fù)責(zé)控制部件的單片機(jī)F149同時(shí)進(jìn)行鍵盤的處理。

2.3 測頻函數(shù)

測頻需要初始化定時(shí)器A和定時(shí)器B以及需要單片機(jī)產(chǎn)生一個(gè)閘門信號。如下給出測頻程序。

2.4 雙MCU數(shù)據(jù)傳輸函數(shù)

主機(jī)和從機(jī)通過SPI總線進(jìn)行通信，MSP430具有硬件的SPI接口，SPI接口分為3線制和4線制，本系統(tǒng)的兩個(gè)MCU之間采用3線制接口方式通信。下面給出發(fā)送頻率值的函數(shù)：

2.5 波形顯示函數(shù)

ADS830E的中心電壓是2.5V對應(yīng)的輸出10000000也就是128[9]，一屏的數(shù)據(jù)為160個(gè)。用程序進(jìn)行打點(diǎn)時(shí)，在液晶上基線值為64。于是從IDT7204讀取值temp與液晶點(diǎn)的位置locate坐標(biāo)關(guān)系為。Locate=64-(temp-128)。于是locate=192-temp。下面給出畫波形的函數(shù)。

3 測試結(jié)果

網(wǎng)格的繪制就是為了畫出一個(gè)T6963C控制器LCD顯示模塊的波形顯示區(qū)[10]，網(wǎng)格的邊框用實(shí)線繪制，里面內(nèi)部用虛線繪制，這樣顯示就比較美觀。系統(tǒng)采用了用液晶取模軟件，手工打點(diǎn)繪制波形圖，如圖10所示為實(shí)際工作時(shí)，對信號源進(jìn)行采樣的圖形顯示。

圖10 示波器顯示

4 結(jié)論

測試效果說明整體設(shè)計(jì)方案是正確的,各項(xiàng)功能均在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)中由于采用了雙端口RAM，所以系統(tǒng)的實(shí)時(shí)反應(yīng)較快，這是本設(shè)計(jì)的一個(gè)特色，這樣可使系統(tǒng)的復(fù)雜程度大大降低，提高了系統(tǒng)性能。采用雙MCU控制方式是本系統(tǒng)的另一大特色，兩個(gè)MCU分別獨(dú)立控制各自的功能，F(xiàn)149負(fù)責(zé)電路的控制和測頻，F(xiàn)169主要負(fù)責(zé)顯示。經(jīng)測試，被測波形很很好地顯示在240×128液晶上，通過輸入TTL波形明顯看出交直流耦合的區(qū)別，鍵盤與液晶提供了很好的人機(jī)接口，鍵盤調(diào)節(jié)波形的幅度和頻率，可以在液晶上實(shí)時(shí)看到波形的變化，具有一定的參考價(jià)值。

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[5]MSP430F149 datasheet[EB/OL].http://www.ti.com.

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[9]ADS830 datasheet[EB/OL]. http://www.ti.com.

[10]T6963C datasheet[EB/OL]. http://www.toshiba.com.cn.

[11]IDT7204 datasheet[EB/OL]. http://www.idt.com.