基于單片機(jī)波形采集存儲(chǔ)和回放系統(tǒng)

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）

0 引言

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。

1 C8051F020微控制器和FM25L256存儲(chǔ)器

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。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

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

3 各單元電路

3.1 單極性信號(hào)輸入輸出電路

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

3.2 雙極性小信號(hào)輸入輸出電路

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。

3.3 存儲(chǔ)電路

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

4 軟件設(shè)計(jì)

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

5 結(jié)語

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。

[1]黃曉林,馬慶衛(wèi).在通用示波器上實(shí)現(xiàn)波形記憶功能[J].電氣應(yīng)用,1987(07):4-7.

[2]周欣.鐵電存儲(chǔ)器在風(fēng)速儀中的應(yīng)用[J].電器電子教學(xué)學(xué)報(bào),2009,31(03):62-63.

[3]RAMITRON.FM25L256256KB FRAM Serial 3V Memory Datasheet[M].USA:[s.n.],2005.

[4]王浩,李希友,秦同杰.多通道同步數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[J].通信技術(shù),2011,44(01):145-147.

[5]湯德榮.淺談多路數(shù)據(jù)采集與通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案[J].通信技術(shù),2010,43(02):95-97.

[6]吳宇佳,浦偉,周妍,等.Linux下多線程數(shù)據(jù)采集研究與實(shí)現(xiàn)[J].信息安全與通信保密,2012(07):92.

[7]湯德榮.基于 PCI總線的雙通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].信息安全與通信保密,2010(06):57-59.

[8]胡宴如.模擬電子技術(shù)[M].北京:高等教育出版社,2008:225-234.