【正文】 ............................................... 20 軟件抗干擾措施 ........................................................................................... 21 結(jié) 論 .......................................................................................................................... 23 參考文獻 ...................................................................................................................... 24 致 謝 .......................................................................................................................... 25 附錄一：源程序 .......................................................................................................... 30 附錄二 總電路圖 ...................................................................................................... 37 東華理工大學畢業(yè)設(shè)計 （ 論文 ） 緒 論 1 第 1 章 緒 論 在實際的生產(chǎn)、科研等過程中 ,數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)壓縮存儲，波形分析與統(tǒng)計，圖形繪制，頻譜分析，波形組合運算，諧波分析，有效值計算，功率計算，三相對稱性分析等 對于工作的 研究 很重要 ， 而所有這些必須建立在波形 記錄的前提下 ,傳統(tǒng)的波形記錄儀器 ,不是時間效率較差 ,就是 價格昂貴 ,要求較高的購買力 ,難以滿足一般的 用戶 需要 。 再如科研工作常常依賴波形記錄儀記錄、收集信息 。本章主要介紹了 波形記錄的 背景與研究現(xiàn)狀、 課題意義 。 課題背景 與研究現(xiàn)狀 隨著微電子技術(shù)應(yīng)用的迅猛發(fā)展，人們開始利用微處理器的數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)處理能力，并使之與 A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)相結(jié)合來研制功能強大、結(jié)構(gòu)輕巧、使用靈活方便、數(shù)據(jù)處理能力強的新型波形記錄儀。而波形記錄儀廣泛用于工業(yè)監(jiān)測、地質(zhì)勘測等方面。如導彈飛行記錄器用來記錄導彈的運行狀況，為導彈的評估好 壞提供重要的數(shù)據(jù)；心電記錄儀用于記錄人體有異常感受時的心電圖，為醫(yī)生的診斷帶來方便；在野外測圖時，必須帶有電子記錄器，用于地形空間數(shù)據(jù)的采集；氣象站需要自動記錄降水的記錄器，廣泛用于汽車，飛機，輪船上的各種黑匣子也是記錄器的一種；在地震的預測中也離不開波形記錄儀。對記錄儀的性能要求不斷提高，促使技術(shù)不斷的進步，而微控技術(shù)的出現(xiàn)為數(shù)字式波形記錄儀的發(fā)展帶來了新的生機。 目前，國內(nèi)的高性能的波形記錄器的研究主要在信息數(shù)據(jù)采集及處理和數(shù)模信號的轉(zhuǎn)換電路方面。其主要方向是提高采樣頻率，如采用更高精度的 A/D轉(zhuǎn)換器件；提高數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化速率以及多樣的觸發(fā)功能電路，如采用復雜的可編程邏輯器件或現(xiàn)場可編程門陣列等可編程器件作為核心部件實現(xiàn)高速數(shù)字 的 存儲。另一方面，采用計算機與軟件結(jié)合的方法設(shè)計虛擬波形記錄器。目前許多虛擬儀器已 經(jīng)可以實現(xiàn)大部分的波形記錄器功能，同時虛擬波形記錄器的存儲空間更 大。但是由于受到計算機接口總線速度的影響，其性能也受到一定的限制。 目前，市場上的波形記錄器大多采用 CPLD、 FPGA 等可編程器件作為核心部件實現(xiàn)高速數(shù)字存儲，同時外帶友好的人機交互界面，采用 LCD 顯示，但隨之而來的是成本的快速 上升，市場價格昂貴，不適合廣泛運用。針對目前國內(nèi)缺少結(jié)構(gòu)簡單，功能適中，造價低的波形記錄器的情況，本文設(shè)計了一基于 51 系列單片機 控制的單片機波形記錄器，用于記錄如溫度、濕度等緩慢變化信號波形。通過信號采集，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等過程將波形存儲，通過接入示波器使波形得以復現(xiàn)。 東華理工大學畢業(yè)設(shè)計 （ 論文 ） 緒 論 2 課題的意義 波形的記錄和分析是許多實際工作的基礎(chǔ)： 1. 波形記錄儀器是生產(chǎn)、科研和工程調(diào)試等工作必備的工具。 2. 測試、實驗中對測試對象的運行狀態(tài)的波形記錄與分析是測試與實驗的重要手段和對實驗結(jié)果進行評價的重要依據(jù)； 3. 科研 工作常常依賴波形記錄儀記錄、收集信息；事故分析更是離不開波形記錄儀提供的依據(jù)。 因此該課題的設(shè)計具有實際意義，通過設(shè)計可以提高獨立分析問題和解決問題的能力；可以培養(yǎng)創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力；可以增強個人理論分析、實驗研究、文獻查閱、計算機運用和文字表達等方面的能力；可以加深自己對理論知識的理解，以及實際操作的經(jīng)驗。 東華理工大學畢業(yè)設(shè)計 （ 論文 ） 第二章 系統(tǒng)總體設(shè)計 3 第 2 章 系統(tǒng)總體設(shè)計 本 系統(tǒng) 利用微機控制技術(shù)和數(shù)字存儲技術(shù)，用于記錄如溫度、濕度等緩慢變化信號的波形。它首先對模擬信號進行采樣獲得相應(yīng)的數(shù)字信號并存儲，存儲器中儲存的數(shù)據(jù)可用來 在示波器的屏幕上重現(xiàn)信號波形，從而獲得所需要的各種信號參數(shù)。設(shè)計中采用自頂向下的方法，先確定系統(tǒng)的設(shè)計方案，再將系統(tǒng)劃分為幾個模塊設(shè)計。本章主要介紹了系統(tǒng)設(shè)計的主要功能，設(shè)計方案的確定和設(shè)計的主要思想。 系統(tǒng)功能分析 根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計的要求，系統(tǒng)的主要工作為被測信號的采樣、存儲和 重現(xiàn)信號波形 。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)功能圖如圖 所示。 圖 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能圖 被測信號的采樣、存儲和 重現(xiàn)信號波形 過程如下： 、存儲 輸入的被測信號的大小是一個可變化的值，在進行 A/D轉(zhuǎn)換前，信號通 過調(diào)理，以適合 A/D轉(zhuǎn)換器。單片機在啟動 A/D轉(zhuǎn)換時還需考慮到與信號的同步問題。同時信號的采樣次數(shù)和存儲地址的分配也要求合理設(shè)計。每完成一次采樣， A/D轉(zhuǎn)換器向單片機申請中斷，單片機接受中斷，轉(zhuǎn)入 中斷處理。在中斷處理中保存采樣數(shù)據(jù)。 ： 波形重構(gòu)是通過 D/A轉(zhuǎn)換器不斷快速重復地把 A/D轉(zhuǎn)換過程中存儲在數(shù)據(jù)存儲器中的數(shù)字信號進行 D/A轉(zhuǎn)換，并按固定頻率輸出至通用模擬東華理工大學畢業(yè)設(shè)計 （ 論文 ） 第二章 系統(tǒng)總體設(shè)計 4 示波器完成的 。 為 了 使呈現(xiàn)在示波器屏幕上的波形清晰無閃爍， D/A轉(zhuǎn)換必須足夠快。 通過初步的分析與思考，將本系統(tǒng)配合通用示 波器，需實現(xiàn)如下功能： ： 將通用示波器難以觀察的單次變化的信號轉(zhuǎn)換為周期性的重復信號，實現(xiàn)對單次變化的信號進行連續(xù)的觀察；并且，系統(tǒng)中的 RAM需設(shè)有掉電保護措施，系統(tǒng)即使經(jīng)關(guān)機斷電后還能隨時再現(xiàn)原來的波形信號，達到了采樣存儲示波器的記憶功能效果。 ： 緩慢變化的信號，先經(jīng)慢速的 A/D采樣，然后再以幾倍的速度進行 D/A轉(zhuǎn)換，使信號波形的時間軸得以壓縮，壓縮的效果等效于示波器掃描速度的減小，使通用示波器具備觀察變化慢的信號的功能。 總體設(shè)計思想 本設(shè)計采用單片機做控制器，系統(tǒng)的設(shè)計包括硬件的設(shè)計和軟件的設(shè)計。根據(jù) 系統(tǒng)的 結(jié)構(gòu)框圖，設(shè)計時將硬件分為四部分：輸入電路、鍵盤顯示電 路、控制存儲 電路和輸出電路。輸 入 電路將待測模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù) 字 量； 鍵盤和顯示電 路用于 選擇、顯示輸入通道，啟動采樣和啟動波形的輸出； 輸出電路包括 D/A 轉(zhuǎn)換電路 以及 雙極性變換 電路，用以將數(shù)字量變?yōu)槟M量； 控制部分需要結(jié)合軟件的設(shè)計，輸出各種控制邏輯。軟件的設(shè)計也按模塊劃分為： 主程序設(shè)計和鍵盤掃描子程序的設(shè)計、 A/D 轉(zhuǎn)換子程序的設(shè)計、 D/A 轉(zhuǎn)換子程序的設(shè)計、 LED 顯示子程序的設(shè)計、數(shù)據(jù)存儲 子程序和延時子程序的設(shè)計。設(shè)計的程序主要的功能是實現(xiàn)鍵盤的控制與管理，控制波形的采樣和存儲以及波形的復現(xiàn)。當然在設(shè)計時各個模塊也不是完全獨立，在每一步的設(shè)計中均需要綜合考慮系統(tǒng)的性能，同時在設(shè)計系統(tǒng)的硬件時便著手軟件的設(shè)計，注意了軟硬件的配合。 東華理工大學畢業(yè)設(shè)計 （ 論文 ） 第三章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計 5 第 3 章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計 根據(jù)上章的分析，系統(tǒng)硬件的主要功能是：對模擬信號進行采樣；將獲得的數(shù)字數(shù)據(jù)存儲；利用存儲器中儲存的數(shù)據(jù)重建信號波形，用示波器觀察。設(shè)計中采用自頂向下的方法，把系統(tǒng)電路按功能模塊分為四部分：輸入電路、鍵盤顯示電 路、控制 存儲 電路和輸出 電路 。 輸入電路的設(shè)計 輸入電路包括 緩沖器、程控基準電源、同步觸發(fā)電路、采樣保持器及模數(shù)變換器 (ADC)， 在輸入電路中的核心器件是 A/D 轉(zhuǎn)換器， 緩沖器、程控基準電源、同步觸發(fā)電路、采樣保持器都是為 A/D 轉(zhuǎn)換器設(shè)計的，因而 A/D 轉(zhuǎn)換器的選擇是輸入電路設(shè)計的核心。針對本課題的要求，選用 8位 A/D 轉(zhuǎn)換器，并內(nèi)帶 8 路模擬多路轉(zhuǎn)換開關(guān)及相應(yīng)的通道地址鎖存及譯碼電路，并帶有數(shù)據(jù)鎖存器的ADC0809。 A/D 轉(zhuǎn)換器的選擇 ADC0809 是逐次逼近式 A/D轉(zhuǎn)換器，逐次逼近式 A/D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度較 快，是用得最多的一種 A/D 轉(zhuǎn)換集成電路， A/D 芯片多采用這種方式工作。逐次逼近式 A/D 轉(zhuǎn)換器其原理電路如圖 。其工作過程為當啟動轉(zhuǎn)換負脈沖加入時逐次逼近寄存器清零，由于 Vo 為 0，啟動信號變?yōu)楦唠娖胶螅鸫伪平拇嫫髟?CLK 信號同步下開始計數(shù)，但與普通計數(shù)器不同，它是從最高位開始計數(shù)的，對 8 位 A/D 轉(zhuǎn)換器來說，在啟動后的第一個時鐘，逐次逼近寄存器就輸出10000000，這個數(shù)字一出現(xiàn)， D/A 轉(zhuǎn)換器的輸出 Vo就變?yōu)闈M量程的 128/255。若VoVi，比較器輸出負電平，控制電路據(jù)此就會清除逐次逼近寄存器 中的最高位；若 VoVi，則比較器輸出高電平，控制電路使最高位的 1 保留下來。第二個時鐘脈沖將對次高位置 1，于是逐次逼近寄存器變?yōu)?11000000， D/A 變換器輸出值為的 192/255，若 VoVi，比較器輸出低電平，控制電路將使次高位清 0；若 VoVi，次高位的 1就會保留下來。如此經(jīng)過 8 個時鐘脈沖，就將逐次逼近寄存器的八位確定下來。逐次逼近寄存器中的位就是轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，這種方法就像在天平上由大到小加減法碼一樣。轉(zhuǎn)換結(jié)束，控制電路立即輸出一個低電平作為結(jié)束信號。這個信號的下降沿將逐次逼近寄存器中的值鎖存到緩沖 寄存器，從而得到輸出的數(shù)字量。 東華理工大學畢業(yè)設(shè)計 （ 論文 ） 第三章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計 6 圖 A/D轉(zhuǎn)換器工作原理圖 緩沖器的選擇 緩沖器主要用于提升本系統(tǒng)的輸入阻抗，選用運算放大的同相輸入電壓跟隨電路，同時考慮到信號帶寬的要求，選用寬帶低噪聲器 LF356（單位增益帶寬為5MHZ），采用此電路滿足信號帶寬的要求，同時將輸入阻抗提升到 1000MΩ以上。電路如圖 所示。 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN u m be r R e v i s i o nS i z eBD a t e : 1 2 M a y 20 0 6 S he e t o f F i l e : E : \談量 \原理圖 \波形記錄器 .d db D r a w n B y:872 AL F 3 5 6I N P U TO U T P U T 圖 緩沖器 同步觸發(fā)電路設(shè)計 為了保證采樣所得數(shù)據(jù)的真實有效，必須要求采樣的時間與輸入信號存在的期間同步，該同步信號由 同步觸發(fā)電路實現(xiàn)。具體是把輸入信號分為兩路，一路直接送到 ADC0809作采樣輸入信號；另一路則送到同步觸發(fā)電路，使其產(chǎn)生并輸出一個觸發(fā)脈沖，微處理器把該脈沖作為啟動 ADC0809開始采樣的起始同步信號，從而保證了采樣所得的數(shù)據(jù)適時有效。同步觸發(fā)電路選用運算放大器構(gòu)成的電平比較器來實現(xiàn)，如圖 。為了適用不同幅度的信號幅度，將此比較器 U2的比較基準電壓設(shè)為可調(diào)，并將調(diào)節(jié)電位器 RW置于儀表面板上。同時在這級后面還采用穩(wěn)壓管 D2設(shè)計了電平變換級，以適用單片機的接口，同時此級還可保護比較器 U2。觸發(fā)比較電路如 圖 。 東華理工大學畢業(yè)設(shè)計 （ 論文 ） 第三章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計 7 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN um be r R e vi