【正文】 .................................................................................. 21 結(jié) 論 .......................................................................................................................... 23 參考文獻(xiàn) ...................................................................................................................... 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(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文 ） 緒 論 1 第 1 章 緒 論 在實(shí)際的生產(chǎn)、科研等過(guò)程中 ,數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)壓縮存儲(chǔ)，波形分析與統(tǒng)計(jì)，圖形繪制，頻譜分析，波形組合運(yùn)算，諧波分析，有效值計(jì)算，功率計(jì)算，三相對(duì)稱性分析等 對(duì)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(shí)間效率較差 ,就是 價(jià)格昂貴 ,要求較高的購(gòu)買(mǎi)力 ,難以滿足一般的 用戶 需要 。而波形記錄儀廣泛用于工業(yè)監(jiān)測(cè)、地質(zhì)勘測(cè)等方面。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(fù)雜的可編程邏輯器件或現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列等可編程器件作為核心部件實(shí)現(xiàn)高速數(shù)字 的 存儲(chǔ)。 目前，市場(chǎng)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(shí)現(xiàn)高速數(shù)字存儲(chǔ)，同時(shí)外帶友好的人機(jī)交互界面，采用 LCD 顯示，但隨之而來(lái)的是成本的快速 上升，市場(chǎng)價(jià)格昂貴，不適合廣泛運(yùn)用。 2. 測(cè)試、實(shí)驗(yàn)中對(duì)測(cè)試對(duì)象的運(yùn)行狀態(tài)的波形記錄與分析是測(cè)試與實(shí)驗(yàn)的重要手段和對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)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(kāi)波形記錄儀提供的依據(jù)。設(shè)計(jì)中采用自頂向下的方法，先確定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，再將系統(tǒng)劃分為幾個(gè)模塊設(shè)計(jì)。 圖 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能圖 被測(cè)信號(hào)的采樣、存儲(chǔ)和 重現(xiàn)信號(hào)波形 過(guò)程如下： 、存儲(chǔ) 輸入的被測(cè)信號(hào)的大小是一個(gè)可變化的值，在進(jìn)行 A/D轉(zhuǎn)換前，信號(hào)通 過(guò)調(diào)理，以適合 A/D轉(zhuǎn)換器。在中斷處理中保存采樣數(shù)據(jù)。 ： 緩慢變化的信號(hào)，先經(jīng)慢速的 A/D采樣，然后再以幾倍的速度進(jìn)行 D/A轉(zhuǎn)換，使信號(hào)波形的時(shí)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(hào)的功能。軟件的設(shè)計(jì)也按模塊劃分為： 主程序設(shè)計(jì)和鍵盤(pán)掃描子程序的設(shè)計(jì)、 A/D 轉(zhuǎn)換子程序的設(shè)計(jì)、 D/A 轉(zhuǎn)換子程序的設(shè)計(jì)、 LED 顯示子程序的設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 子程序和延時(shí)子程序的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)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(pán)顯示電 路、控制 存儲(chǔ) 電路和輸出 電路 。逐次逼近式 A/D 轉(zhuǎn)換器其原理電路如圖 。如此經(jīng)過(guò) 8 個(gè)時(shí)鐘脈沖，就將逐次逼近寄存器的八位確定下來(lái)。 東華理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文 ） 第三章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 6 圖 逐次逼近式 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(yùn)算放大的同相輸入電壓跟隨電路，同時(shí)考慮到信號(hào)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(hào)帶寬的要求，同時(shí)將輸入阻抗提升到 1000MΩ以上。同步觸發(fā)電路選用運(yùn)算放大器構(gòu)成的電平比較器來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖 。 東華理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文 ） 第三章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 7 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN um be r R e vi s i onS i z eBD a t e : 6 J un 20xx S he e t of F i l e : C : \ D oc um e nt s a nd S e t t i ngs \ us e r \桌面 \記錄器 \原理圖 \波形記錄器設(shè)計(jì)原理圖 .ddbD r a w n B y :872U 1AL F 356872U 2AL F 356D1D2R110k R210k R4RWR3 I nputR5+ 12GNDP 10 圖 同步觸發(fā)電路 程控基準(zhǔn)電源設(shè)計(jì) 程控基準(zhǔn)電源主要是為 ADC0809 提供可變的參考電壓，以適用不同幅度的輸入信號(hào)，擴(kuò)大信號(hào)的輸入范圍，采用此方法可降低系統(tǒng)對(duì)前端電路的要求，電路如圖 所示。 東華理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文 ） 第三章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 8 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:abfcgdeD P Y1 2 3 4 5 6 7a b c d e f g8dpdpD P Y _7 S E G _D PA1B2Q03Q14Q25Q36Q410Q511Q612Q713C L K8MR97 4H C 1 6 4+5 R X DT X D 圖 通道顯示電路 該電路占用 I/O 接口資源少，且編程容易、管理簡(jiǎn)單、顯示亮度高、穩(wěn)定性好，占用 CPU 時(shí)間較少。要使每次按鍵只作一次響應(yīng)，就必須考慮如何去除抖動(dòng)，常用的去抖動(dòng)的方法有兩種：軟件方法和硬件方法。鍵盤(pán)的檢測(cè)方式采用中斷查詢：當(dāng)有按鍵按下時(shí)，都會(huì)使與門(mén)輸出低電平，從而引起單片 機(jī)的中斷，單片機(jī)再判斷鍵號(hào)并轉(zhuǎn)入相應(yīng)的處理。本系統(tǒng)中需要并行輸入 /輸出口較多， AT89C51 有 4 個(gè)八位的并行 I/O 口，通過(guò)數(shù)據(jù)地址線的分時(shí)復(fù)用，可以滿足系統(tǒng)的要求； AT89C51 單片機(jī)帶 4KB片內(nèi) ROM，可存儲(chǔ) 4KB 的程序，而本系統(tǒng)的程序初步估計(jì)為一千個(gè)字節(jié)左右，因此程序存儲(chǔ)器可滿足系統(tǒng)要求，并留有相當(dāng)大的剩余空間；方案中設(shè)計(jì)的顯示電路采用串行口方式連接，而 AT89C51 有一個(gè)全雙工串行口；另外設(shè)計(jì)中還用到了兩個(gè)中斷，而 AT89C51 有 6 個(gè)中斷源，兩個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)的中斷結(jié)構(gòu)， 所 以采用 AT89C51 單片機(jī)能滿足設(shè)計(jì)的要求。同時(shí)，復(fù)位電路也是容易受干擾的敏感部位之一。如圖 為單片機(jī)復(fù)位電路，本系統(tǒng)單片機(jī)的晶振為 6MHz，實(shí)踐證明，只要 RESET 引腳的脈沖保持 10ms 以上的高電平，就能使單片機(jī)復(fù)位。這些噪聲雖然不會(huì)完全導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)位，但有時(shí)會(huì)破壞 CPU 內(nèi)的程序狀態(tài)字的某些位的狀態(tài)，對(duì)控制產(chǎn)生不良的影響。電路中放電二極管 D不可缺少，當(dāng)電源斷電后，電容通過(guò)二極管 D 迅速放電，待電源恢復(fù)時(shí)可實(shí)現(xiàn)可靠的上電復(fù)位。示波器顯示屏水平刻度一般為 l0div，水平分辨率一般為 20 點(diǎn)/div。 2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 62256 的掉電保護(hù) 當(dāng) 系統(tǒng)中的 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 設(shè)有掉電保護(hù)措施時(shí)，系統(tǒng)即使經(jīng)關(guān)機(jī)斷電后還能隨時(shí)再現(xiàn)原來(lái)的波形信號(hào)，這樣系統(tǒng)就具有記憶的功能。圖 ，采用線性集成電路 LM324做信號(hào)比較器，當(dāng)正常電源供電時(shí)， LM324輸出高電平， CS2選通，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器可以在 CS1的控制下工作，當(dāng)電源斷電或電壓下降到 ,LM324輸出低電平 ,這樣數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器不被選中 ,其數(shù)據(jù)也不會(huì)沖失 ,當(dāng)電源恢復(fù)正常時(shí) ,數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器可正常工作。高 5 位由 P2口輸出，高 2 位和低 8 位由 P0輸出。目前常用的地址鎖存芯片有： 74HC27 74HC373 等，本設(shè)計(jì)電路中選擇 74HC373，74HC373 有三種工作狀態(tài)： (1) 當(dāng) OE為低電平， LE 為高電平時(shí)，輸出和輸入狀態(tài)相同，即輸出跟隨輸入。 除同 62256 相接的 P2口地址線外，其余高位地址線共同通過(guò)一個(gè)譯碼器產(chǎn)生一個(gè) CS1的片選信號(hào)（這種譯碼連接方式稱為全地址譯碼連接）。 “頁(yè)碼”確定后的尋 址范圍唯一地確定為 8000H9FFFH。 本電路中除基本的連接外還在總線上安裝了上拉電阻，上拉電阻的安裝可以提高總線信號(hào)傳輸?shù)目煽啃?，另外還可以提高信號(hào)的高電平，也就提高了噪聲容限，這樣就提高了抗干擾的能力。 形成示波信號(hào)的電路核心是 D/A轉(zhuǎn) 換器 。 DAC0832 是一款常用的數(shù)摸轉(zhuǎn)換器，它的輸入數(shù)字量為 8位邏輯電平能與 TTL 兼容，參考電壓的工作范圍為 +10V～ 10V，具有直通 工作方式 、 單緩沖工作方式 、 雙緩沖工作方式三種工作方式。此后，WR1由低變高時(shí)， ILE 變?yōu)榈碗娖?，此時(shí)，數(shù)據(jù)被鎖存到輸入寄存器中。 東華理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文 ） 第三章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 14 圖 DAC0832 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 雙極性輸出電路的設(shè)計(jì) DAC0832 是電流型器件， 直接輸出的是電流信 號(hào)，為 能引至示波器，需 轉(zhuǎn)換成電壓輸出。在該電路中 LF356A1 為電流電壓轉(zhuǎn)換，為單極性輸出， LF356A2 運(yùn)算放大器，起反相求和作用，即 OP07 提供的參考電壓提供偏流 I1，與 LF356A1 輸出提供的偏流 I2相反。而該系統(tǒng)需要 +5V， +12V， 12V三種直流電源， 設(shè)計(jì)的電路 如圖 。三端穩(wěn)壓器（ 780 781 7912）的輸出級(jí)接入兩個(gè)濾波電容，用于減小因?yàn)殡娫床▌?dòng)對(duì)系統(tǒng)造成的影響和濾波。軟件部分包括主程序設(shè)計(jì)和鍵盤(pán)掃描子程序的設(shè)計(jì)、 A/D 轉(zhuǎn)換子程序的設(shè)計(jì)、 D/A 轉(zhuǎn)換子程序的設(shè)計(jì)、 LED 顯示子程序的設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)子程序和延時(shí)子程序的設(shè)計(jì) 。 主程序的設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的軟件部分以主程序?yàn)槿肟?，在初始化之后調(diào)用鍵盤(pán)管 理程序，完成對(duì)鍵盤(pán)的掃描，讀入鍵值，并根據(jù)相應(yīng)的鍵值調(diào)用 D/A 轉(zhuǎn)換子程序或 A/D 轉(zhuǎn)換子程序。主程序流程圖如圖 所示，具體程序見(jiàn)程序詳單。軟件主要是根據(jù) KEY 存儲(chǔ)器中的鍵值，選擇不同的通道和參考電壓。 D/A 轉(zhuǎn)換子程序的流程圖 D/A 轉(zhuǎn)換子程序是波形重構(gòu)的組成，主要的任務(wù)是完成輸出數(shù)據(jù)區(qū)的選擇，啟動(dòng) D/A 轉(zhuǎn)換。所以在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)做好抗干擾設(shè)計(jì)，以求將干擾對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響降到最低，而軟件抗干擾具有投資低的優(yōu) 點(diǎn)。 (2) 軟件陷阱 當(dāng)彈飛的程序落到非程序區(qū)（如 ROM 中未使用的空閑和程序中的數(shù)據(jù)表格區(qū)）時(shí)，就形成了死循環(huán) ，解決的辦法就是用一條引導(dǎo)指令強(qiáng)行將捕獲的程序轉(zhuǎn)到一個(gè)指定的地址，為了加強(qiáng)捕獲的效果，一般還在其前面加兩條NOP 指令。 當(dāng)然，系統(tǒng)同時(shí)也存在幾點(diǎn)缺點(diǎn)。當(dāng)然，如果將系統(tǒng)升級(jí)，配備其他的控制 器，增加良好的人機(jī)交換界面，可在實(shí)際應(yīng)用中無(wú)處不在。 很顯然，基于單片機(jī)的波形記錄器能夠滿足一般溫度、濕度等緩慢變化的信號(hào)的采集和記錄。 在硬件的設(shè)計(jì)中，輸入信號(hào)的 調(diào)理結(jié)合了 A/D 轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)，通過(guò)改變參考電壓來(lái)改變輸入信號(hào)電壓的范圍，簡(jiǎn)化了前端處理電路。因此，常在一些對(duì)程序的流向起決定作用的指令之前插入兩條 NOP 指令，以保證彈飛的程序迅速納入正確的控制軌道。在本設(shè)計(jì)中， DAC0832 采用的是雙緩沖方式，其實(shí)現(xiàn) D/A 轉(zhuǎn)換的程序如下： MOV DPTR， DATA； DAC0832 的地址 MOV A， DATA； 數(shù)據(jù)地址 MOVX DPTR， A； 輸出到 DAC0832 D/A 轉(zhuǎn)換 子程序流程圖見(jiàn)圖 ，其程序見(jiàn)程序詳單。 同時(shí)在