论文部分内容阅读
摘 要：随着电子通信以及教学事业的发展，示波器的应用越来越广泛，它在教学中所起到的作用越来越重要，示波器可以测量信号的幅度，频率以及波形等等，但是高精度的示波器非常昂贵，对于非盈利事业的教学组织来说无疑不合适，所以提出了一种以单片机为控制核心的简易示波器设计方案。它由前向控制部分，数据采集和存储部分，51 单片机控制部分以及按键和MS12864R 显示部分组成。
关键词：系统；数据采集；数据处理；图形显示
高速数字化采集技术和FPGA技术的发展已经对传统测试仪器产生了深刻的影响。数字存储示波器（DSO）是模拟示波器技术、数字化测量技术、计算机技术的综合产物，他主要以微处理器、数字存储器、A/D转换器和D/A转换器为核心，输入信号首先经A/D转换器转换成数字信号，然后存储在RAM中，需要时再将RAM中的内容读出，经D/A转换器恢复为模拟信号显示在示波器上，或者通过接口与计算机相连对存储的信号作进一步处理，这样可大大改进显示特性，增强功能，便于控制和智能化。
一、系统总体方案设计
本设计硬件电路部分由单片机控制系统电路，前向输入调理电路，模数转换和存储电路，以及按键显示电路组成。其工作的基本思路就是以单片机为控制核心，让AD 芯片完成数据的离散化，采集数据经过缓冲暂存于存储器里面，当波形显示时，单片机从存储器的读使能端读取采集数据存于数组中，然后进行相应的数据处理并把所存取得数据按一定的顺序打在液晶显示器相应的位置上，从而再现波形信号；其中输入调理电路由阻抗变换电路， 信号抬升电路以及频率测量电路构成，阻抗变换电路是为了提高输入阻抗，信号抬升是为了使信号的幅度满足AD 芯片的输入幅度要求，频率测量电路主要是测量周期性信号的频率。总体设计框图如图1 所示
二、硬件设计
1.前端信号的处理。本模块具有两大功能，一是输入信号位置的变换；二是信号波形的变换。信号位置的变换主要由阻抗变换电路，信号抬升电路构成，阻抗变换采用ua741构建的阻随放大电路，信号抬升电路采用ua741构成的加法电路，信号位置的处理主要是对被测输入信号在幅度与偏移方面进行线性处理，使信号在垂直方向上处于A/D转换器的输入范围内。波形变换电路是用来测量输入信号的频率，但是单片机属于数字器件，为此，我们需要对输入信号进行波形变换以及脉冲整形；硬件电路设计如图2所示。
试验中波形的显示是借助Ms12864R，采用8位并行数据处理，利用了液晶的打点功能，数据采集的先后顺序体现在液晶的横轴上面，也就是波形显示的时间先后，而数据值的大小则体现在液晶的纵轴上面，也就是波形的幅度体现。由于采用FIFO，所以先采样的点后显示，这是波形显示的核心。12864主要有4个编程端口，RS（数据命令选择），RW（读写选择），EN（使能端）以及PSB（串并选择），电路连接中分别接到单片机的某一I/O口上。
2. 按键电路。本设计需要按键较少， 因为设计要求X 方向能够设置10us/div，20us/div，40us/div 三档水平扫描速度，Y 方向能够设置0.5V/div、1V/div 二档垂直灵敏度， 加之幅度和频率的测量，所以本设计要6 个独立按键就够了。
三、软件设计与实现
1.初始化。初始化程序包括： 外部电路的初始化、单片机各硬件模块初始化、液晶屏初始化。其中，液晶屏初始化就是设置液晶屏的显示模式、亮度、清屏等。点阵液晶清屏只需将每一个点写“0”即可。
2.数据处理。数据处理部分包括： 数据采集、数据处理、频率测量。
（1） 数据采集。A/D 采样芯片的最高采样速率为60MHz，而液晶屏12864 每行只能显示128 个点。当外部信号频率很低（ 如100kHz ） ，且采样速率很高时（ 如10MHz） ，一屏数据只能显示信号波形一个周期的很小一部分。为了避免这种问题，程序中做如下处理：读取2000 个数据，根据信号与采样频率之比均匀舍弃部分数据，以达到能显示一个完整的信号周期波形。
（2） 频率测量。正弦波通过整形电路后变成了占空比一定的方波，通过测量单位时间内的跳变可得出信号的频率。
3.显示设置。显示设置部分包括：画网格、坐标值转换、矢量作图。
（1）画网格。为了更清晰地观察波形，同时也增加美观性，在初始化液晶屏后进行画网格操作。本系统采用120×60的坐标系，即横坐标x∈[0，120]，纵坐标y∈[0，60]。画网格时，纵轴方向：从第1列开始为横坐标0，每隔10列画一直线，只需每页对应第1列、11列、21列、…、第121列写入0xff。横轴方向：从第3行开始每隔10行画一直线。
（2）坐标值转换。本文采用的液晶模块支持显示自动加1，所以横坐标无需设置，下面主要介绍纵坐标转化的算法分析。根据上面所提到的，对液晶屏操作时只能进行页操作。在已知纵坐标y的情况下，将y转化为写入液晶的数据是本文需要考虑的。
（3）矢量作图。如不采用矢量作图法，则画出的波形为一系列离散的不连续的点。在波形绘图区，每列只有一个点，相邻点与点之间无连线。矢量作图是在相邻点与点之间拉线，用“直线”连接相邻两列的点。
四、结语
本系统设计包括硬件电路设计和软件程序编写两个方面。设计步骤为：系统方案论证设计、模块化硬件设计、软件程序设计、硬件调试、系统调试以及系统联合调试。从本系统的实验结果可知，该简易示波器实现了简易示波器设计的功能，可以在高校电工电子实验室广泛推广，对降低实验室运行成本有积极的意义。
参考文献：
[1]李苏扬.数字示波器设计[J].设计研究，2010（36）：127-129.
[2]张宝泰，王省书，战德军，等.基于AD9501串联的顺序等效时间采样设计[J].电子测量技术，2008（11）：66-77.
[3]高路，王兴和，孙航嘉.波形产生与测频模块的应用设计[J].南京师范大学学报：工程技术版，2011（6）：43-46.
关键词：系统；数据采集；数据处理；图形显示
高速数字化采集技术和FPGA技术的发展已经对传统测试仪器产生了深刻的影响。数字存储示波器（DSO）是模拟示波器技术、数字化测量技术、计算机技术的综合产物，他主要以微处理器、数字存储器、A/D转换器和D/A转换器为核心，输入信号首先经A/D转换器转换成数字信号，然后存储在RAM中，需要时再将RAM中的内容读出，经D/A转换器恢复为模拟信号显示在示波器上，或者通过接口与计算机相连对存储的信号作进一步处理，这样可大大改进显示特性，增强功能，便于控制和智能化。
一、系统总体方案设计
本设计硬件电路部分由单片机控制系统电路，前向输入调理电路，模数转换和存储电路，以及按键显示电路组成。其工作的基本思路就是以单片机为控制核心，让AD 芯片完成数据的离散化，采集数据经过缓冲暂存于存储器里面，当波形显示时，单片机从存储器的读使能端读取采集数据存于数组中，然后进行相应的数据处理并把所存取得数据按一定的顺序打在液晶显示器相应的位置上，从而再现波形信号；其中输入调理电路由阻抗变换电路， 信号抬升电路以及频率测量电路构成，阻抗变换电路是为了提高输入阻抗，信号抬升是为了使信号的幅度满足AD 芯片的输入幅度要求，频率测量电路主要是测量周期性信号的频率。总体设计框图如图1 所示
二、硬件设计
1.前端信号的处理。本模块具有两大功能，一是输入信号位置的变换；二是信号波形的变换。信号位置的变换主要由阻抗变换电路，信号抬升电路构成，阻抗变换采用ua741构建的阻随放大电路，信号抬升电路采用ua741构成的加法电路，信号位置的处理主要是对被测输入信号在幅度与偏移方面进行线性处理，使信号在垂直方向上处于A/D转换器的输入范围内。波形变换电路是用来测量输入信号的频率，但是单片机属于数字器件，为此，我们需要对输入信号进行波形变换以及脉冲整形；硬件电路设计如图2所示。
试验中波形的显示是借助Ms12864R，采用8位并行数据处理，利用了液晶的打点功能，数据采集的先后顺序体现在液晶的横轴上面，也就是波形显示的时间先后，而数据值的大小则体现在液晶的纵轴上面，也就是波形的幅度体现。由于采用FIFO，所以先采样的点后显示，这是波形显示的核心。12864主要有4个编程端口，RS（数据命令选择），RW（读写选择），EN（使能端）以及PSB（串并选择），电路连接中分别接到单片机的某一I/O口上。
2. 按键电路。本设计需要按键较少， 因为设计要求X 方向能够设置10us/div，20us/div，40us/div 三档水平扫描速度，Y 方向能够设置0.5V/div、1V/div 二档垂直灵敏度， 加之幅度和频率的测量，所以本设计要6 个独立按键就够了。
三、软件设计与实现
1.初始化。初始化程序包括： 外部电路的初始化、单片机各硬件模块初始化、液晶屏初始化。其中，液晶屏初始化就是设置液晶屏的显示模式、亮度、清屏等。点阵液晶清屏只需将每一个点写“0”即可。
2.数据处理。数据处理部分包括： 数据采集、数据处理、频率测量。
（1） 数据采集。A/D 采样芯片的最高采样速率为60MHz，而液晶屏12864 每行只能显示128 个点。当外部信号频率很低（ 如100kHz ） ，且采样速率很高时（ 如10MHz） ，一屏数据只能显示信号波形一个周期的很小一部分。为了避免这种问题，程序中做如下处理：读取2000 个数据，根据信号与采样频率之比均匀舍弃部分数据，以达到能显示一个完整的信号周期波形。
（2） 频率测量。正弦波通过整形电路后变成了占空比一定的方波，通过测量单位时间内的跳变可得出信号的频率。
3.显示设置。显示设置部分包括：画网格、坐标值转换、矢量作图。
（1）画网格。为了更清晰地观察波形，同时也增加美观性，在初始化液晶屏后进行画网格操作。本系统采用120×60的坐标系，即横坐标x∈[0，120]，纵坐标y∈[0，60]。画网格时，纵轴方向：从第1列开始为横坐标0，每隔10列画一直线，只需每页对应第1列、11列、21列、…、第121列写入0xff。横轴方向：从第3行开始每隔10行画一直线。
（2）坐标值转换。本文采用的液晶模块支持显示自动加1，所以横坐标无需设置，下面主要介绍纵坐标转化的算法分析。根据上面所提到的，对液晶屏操作时只能进行页操作。在已知纵坐标y的情况下，将y转化为写入液晶的数据是本文需要考虑的。
（3）矢量作图。如不采用矢量作图法，则画出的波形为一系列离散的不连续的点。在波形绘图区，每列只有一个点，相邻点与点之间无连线。矢量作图是在相邻点与点之间拉线，用“直线”连接相邻两列的点。
四、结语
本系统设计包括硬件电路设计和软件程序编写两个方面。设计步骤为：系统方案论证设计、模块化硬件设计、软件程序设计、硬件调试、系统调试以及系统联合调试。从本系统的实验结果可知，该简易示波器实现了简易示波器设计的功能，可以在高校电工电子实验室广泛推广，对降低实验室运行成本有积极的意义。
参考文献：
[1]李苏扬.数字示波器设计[J].设计研究，2010（36）：127-129.
[2]张宝泰，王省书，战德军，等.基于AD9501串联的顺序等效时间采样设计[J].电子测量技术，2008（11）：66-77.
[3]高路，王兴和，孙航嘉.波形产生与测频模块的应用设计[J].南京师范大学学报：工程技术版，2011（6）：43-46.