基于ARDUINO與MATLAB的簡(jiǎn)易示波器研制

陸強(qiáng)++顏加仁++林定能++沈歡勝

摘 要：利用Arduino標(biāo)準(zhǔn)化單片機(jī)集成模塊和Matlab軟件，從硬件和軟件兩方面論述了一種簡(jiǎn)易示波器的設(shè)計(jì)思路，該示波器可以測(cè)量直流和交流電壓波形。Arduino將數(shù)據(jù)采集后，通過(guò)串口傳輸?shù)絇C機(jī)，利用PC機(jī)的Matlab程序，將數(shù)據(jù)進(jìn)行圖形化顯示，從而構(gòu)成示波器。

關(guān)鍵詞：Arduino Matlab 跨步電壓 電壓檢測(cè)

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）10（b）-0009-02

Arduino是一塊基于開(kāi)放源代碼的SimpleI/O平臺(tái)，該平臺(tái)由硬件和軟件兩部分組成，這兩部分都是開(kāi)源的。在硬件上，Arduino提供了6個(gè)模擬量輸入端，相對(duì)誤差為0.1%左右[1]，可以滿足一般的測(cè)量精度要求。開(kāi)發(fā)語(yǔ)言類似java、C語(yǔ)言，具有開(kāi)發(fā)環(huán)境簡(jiǎn)單、易理理解的特點(diǎn)[2]。

Arduino把單片機(jī)編程中很多常用的功能，如延時(shí)、數(shù)據(jù)讀寫、中斷等模塊化封裝成一個(gè)個(gè)子程序供程序開(kāi)發(fā)者調(diào)用，程序開(kāi)發(fā)者只需著眼于程序的邏輯結(jié)構(gòu)，而不必關(guān)心底層函數(shù)的具體設(shè)計(jì)，從而大大降低了程編程的復(fù)雜程度[3]。

Matlab是由美國(guó)MATHw0RKs公司開(kāi)發(fā)的面向研究和工程設(shè)計(jì)處理的一套具有強(qiáng)大功能的軟件系統(tǒng)。Matlab集數(shù)學(xué)計(jì)算結(jié)果可視化和編程于一體，能夠方便地進(jìn)行科學(xué)計(jì)算和大量工程運(yùn)算[4]。

該文提出了一種基于Arduino標(biāo)準(zhǔn)化單片機(jī)集成模塊和Matlab數(shù)據(jù)處理的簡(jiǎn)易示波器設(shè)計(jì)方法，可以用于測(cè)量常見(jiàn)的電壓波形，成本低廉，使用方便。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

簡(jiǎn)易示波器從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上分為前部數(shù)據(jù)采集端和PC機(jī)波形顯示器兩部分構(gòu)成，兩者用串口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

前部數(shù)據(jù)采集端通過(guò)分壓電路將電壓降低到合適的數(shù)值以供Arduino測(cè)量；由于Arduino只能測(cè)量5V以內(nèi)的直流電壓，對(duì)于交流電壓，要加一級(jí)極性轉(zhuǎn)換電路，將雙極性電壓轉(zhuǎn)換為單極性電壓。完成AD轉(zhuǎn)換后，Arduino將數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳到PC機(jī)，PC機(jī)利用Matlab的強(qiáng)大分析處理能力，對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理和圖形顯示。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

該文設(shè)計(jì)的示波器主要用于測(cè)量和顯示常規(guī)直流電壓和交流電壓，測(cè)量的最大電壓為50 V，并設(shè)置一個(gè)壓敏電阻來(lái)保護(hù)電路，以免電壓過(guò)高時(shí)損壞裝置。對(duì)于電流電壓，由于Arduino所用的Atmel Atmega328單片機(jī)AD轉(zhuǎn)換速率為13～260 μs，所測(cè)量的電流電壓頻率一般不應(yīng)高于2 kHz。

2.1 降壓電路設(shè)計(jì)

降壓電路采用線性電阻進(jìn)行分壓，并串聯(lián)一個(gè)可調(diào)電阻以便微調(diào)。降壓后通過(guò)電壓跟隨器，使得輸入、輸出信號(hào)的幅值保持不變，且輸入阻抗高，輸出阻抗低，起到了現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)與系統(tǒng)的隔離、互不干擾的作用。電路原理如圖2所示。

2.2 極性轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

在模擬量的測(cè)量中最常見(jiàn)的莫過(guò)于交流電壓及交流電流的測(cè)量，而單片機(jī)內(nèi)的AD轉(zhuǎn)換器通常是用來(lái)測(cè)量直流或脈動(dòng)直流的，因輸入腳不允許輸入負(fù)電平。需要增加一些外圍電路方能實(shí)現(xiàn)對(duì)交流電的測(cè)量[5]。

這些外圍電路就是極性轉(zhuǎn)換電路，如圖3所示。

本電路采用了電壓基準(zhǔn)芯片AMS1117

-2.5產(chǎn)生一個(gè)幅值為2.5 V的基準(zhǔn)電壓Vout，通過(guò)電阻R4加到運(yùn)算放大器的“+”輸入端。

由圖3可知：

其中=2.5V。取R1=R4=2.4K，R2=R3=1.2 K，則有=+1.25，即輸入信號(hào)正向平移了1.25 V。

2.3 模塊電路連接

降壓模塊和極性轉(zhuǎn)換模塊可以用萬(wàn)能板焊接，Arduino模塊采用標(biāo)準(zhǔn)的成品，各模塊的電路連接比較簡(jiǎn)單，降壓電路的端外接需要測(cè)試的信號(hào)源，降壓電路的與極性轉(zhuǎn)換電路輸入端相連，極性轉(zhuǎn)換電路的輸出端與Arduino模塊的模擬輸入口A0相連，Arduino模塊的USB口與PC機(jī)的USB口相連，如圖4所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)的思路是，Arduino通過(guò)模擬輸入口A0采集交直流電壓量，并通過(guò)內(nèi)置的USB轉(zhuǎn)串口芯片，將采集后的數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳輸?shù)絇C機(jī)，PC機(jī)進(jìn)行簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)處理后，調(diào)用畫(huà)圖工具顯示波形。

3.1 數(shù)據(jù)采集程序

數(shù)據(jù)采集直接調(diào)用模擬量讀取函數(shù)analogRead，如下所示。

Vinput=analogRead（0）；//讀取電壓量，數(shù)值從0到1023。

為了提高抗干擾性，得到更加穩(wěn)定的讀數(shù)，可以多次讀取數(shù)據(jù)并計(jì)算平均值。

3.2 串口通信程序

Matlab 6.X或之后的版本提供了對(duì)串口對(duì)象的支持，可以很方便地訪問(wèn)外設(shè)，通過(guò)建立串口對(duì)象，能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀寫、存儲(chǔ)、事件回調(diào)等功能。

Matlab儀器控制工具箱可實(shí)現(xiàn)硬件端口的采集。其采集原理是：先建立虛擬設(shè)備對(duì)象，再設(shè)置設(shè)備對(duì)象的屬性，最后通過(guò)設(shè)備對(duì)象實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件的操作[6]。

（1）Arduino端的數(shù)據(jù)上傳。

在void setup（）函數(shù)里設(shè)置波特率，如Serial.begin （9600），即將串口比特率設(shè)置為9600。并利用Serial.read（）讀取特定的數(shù)據(jù)作為握手信號(hào)，待兩端握手正確后再進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

握手成功后，在void loop（）函數(shù)中利用函數(shù)Serial.println（Voutput）不斷地將轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)發(fā)送到PC機(jī)。

（2）PC機(jī)端的數(shù)據(jù)接收

Matlab可以用查詢和中斷兩種方式接收數(shù)據(jù)，這兩種方式各具特點(diǎn)，這里選用查詢方式，將接收到的數(shù)據(jù)匯總到一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)組dataOut中，填滿后立即繪圖，然后清0并重新填入數(shù)據(jù)，周而復(fù)始。PC機(jī)端的數(shù)據(jù)傳輸有以下幾個(gè)步驟。endprint

①用g=serial（'COMx'）創(chuàng)建設(shè)備對(duì)象。

②用set（）設(shè)置設(shè)備對(duì)象屬性，如波特率、終止符、輸入和輸出緩沖區(qū)大小等。

③用fopen（）實(shí)現(xiàn)設(shè)備對(duì)象與硬件設(shè)備連接。

④用fread（）、fwrite（）等實(shí)現(xiàn)硬件設(shè)備數(shù)據(jù)的讀寫。

⑤用fclose（）和delete（）、clear（）關(guān)閉和刪除設(shè)備對(duì)象。

3.3 波形顯示程序

利用PC機(jī)的Matlab強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和圖形顯示功能進(jìn)行波形顯示，在標(biāo)準(zhǔn)數(shù)組dataOut填滿后，調(diào)用plot函數(shù)來(lái)完成數(shù)據(jù)的可視化處理，如下所示。

plot（x，dataOut）；

x是時(shí)間標(biāo)量，與dataOut數(shù)組的采集時(shí)刻對(duì)應(yīng)，可以根據(jù)數(shù)據(jù)采集的間隔，在PC端用linspace（）函數(shù)生產(chǎn)。這里要注意的是，由于在輸入時(shí)人為添加了1.25 V的直流偏置，并在AD轉(zhuǎn)換時(shí)將其放大了1023/5倍，因此在調(diào)用plot函數(shù)前應(yīng)將接收到的數(shù)據(jù)減去1.25 V直流偏置的影響，并借助于標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字萬(wàn)用表，算出電壓輸入量和輸出量之間的系數(shù)，對(duì)輸出進(jìn)行倍率校準(zhǔn)。

圖5是利用該示波器顯示的RC電路放電的波形，前面波動(dòng)處是開(kāi)關(guān)合閘時(shí)的干擾電平。

由圖5可見(jiàn)，電容充滿電后為5 V，并從50 s開(kāi)始放電（在50s時(shí)斷開(kāi)電源開(kāi)關(guān)），經(jīng)過(guò)約170 s后電壓變?yōu)? V，由，求得て=105 s。

本電路用的電阻為R=1M，電容C=100 mf，理論上て=RC=100 s。

可見(jiàn)實(shí)際值與理論值仍有一定的差距，這個(gè)差距主要是Arduino采集數(shù)據(jù)時(shí)，設(shè)定每隔5 ms進(jìn)行一次AD轉(zhuǎn)換（使用函數(shù)delay（5）進(jìn)行5 ms延時(shí)），但是這個(gè)延時(shí)并沒(méi)有考慮AD轉(zhuǎn)換的時(shí)間，數(shù)據(jù)上傳的時(shí)間，以及Arduino執(zhí)行其他指令所用的時(shí)間，從而導(dǎo)致總的時(shí)間有些許誤差。

4 結(jié)語(yǔ)

該文利用Arduino標(biāo)準(zhǔn)化單片機(jī)集成模塊和Matlab數(shù)據(jù)處理軟件，設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)易示波器，可以用于測(cè)量常見(jiàn)的交流和直流電壓波形。在實(shí)際使用過(guò)程中，雖然該裝置在時(shí)間量度方面仍有一些誤差，但是能夠真實(shí)反映波形情況，而且成本低廉，使用方便。

如果對(duì)時(shí)間標(biāo)量的精度要求嚴(yán)格，可以在arduino采集數(shù)據(jù)時(shí)，同時(shí)記錄當(dāng)時(shí)的時(shí)標(biāo)，并通過(guò)串口與所采集的數(shù)據(jù)一起上傳給PC，但是會(huì)大大增加傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。還可以采取一個(gè)折中的方法，每采集一定個(gè)數(shù)的數(shù)量時(shí)記錄并傳輸一個(gè)時(shí)標(biāo)，比如100個(gè)或1000個(gè)。

另外，由于Matlab具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，讀者還可以加入數(shù)據(jù)濾波處理、保存、截波、數(shù)據(jù)分析等功能，同時(shí)采用Matlab的GUI可視化設(shè)計(jì)界面，可以設(shè)計(jì)出一套更加友好的界面，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的處理和系統(tǒng)的控制，從而大大增加示波器的實(shí)用性。

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