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摘 要：介绍了基于单片机的波形采集、存储与回放系统的设计思想和实现过程，对系统实现过程中的采样频率选取、滤波电路设计、输入输出电路设计、接口电路设计和软件设计等问题进行了讨论。
关键词：波形采集 存储与回放 单片机 ADC DAC
1 方案论证
笔者设计并制作了一个波形采集、存储与回放系统，示意图如图1所示。该系统能同时采集两路周期信号波形，能连续回放已采集的信号，显示在示波器上。
以单片机为系统核心，外挂A/D、存储、D/A、显示、输入和输出等外围电路，实现对输入信号的采集、存储与回放功能。整个系统简单灵活，便于实现，但系统功耗大，适于对低速信号的处理。本设计采用该方案，旨在让刚接触单片机的学生，尽快掌握基于单片机的电子系统设计方法。
将A/D，D/A，显示驱动等周边器件集成到微控制单元是当前应用较多的器件设计方式。TI公司的微控制器产品MSP430，集成了ADC，DAC，运放，显示驱动和SPI等丰富的内部资源。整个系统所需外围电路少，功耗低，但软件编程比较复杂。
该系统采用单片机和FPGA/CPLD结合方式，以单片机作为控制核心，以FPGA/CPLD作为主要执行机构。FPGA/CPLD完成对信号的采集、存储、显示以及A/D和D/A转换等功能，由单片机实现人机交互及信号处理等功能。整个系统结构紧凑、可以实现复杂测量与控制，只是操作过于繁琐。
2 理论分析
2.1 采样频率的选取
系统处理的正弦波频率范围为10 Hz～5 kHz，三角波频率范围为10 Hz～2 kHz，方波频率范围为10 Hz～1 kHz。由于题目要求的正弦波的频率较高，故采样频率的选取以正弦波为主。理论上采样频率fS只要大于被采样信号最高频率分量fM的2倍即可。工程上在选取采样频率时通常分两种情况：一般要求（如语音信号的数字化）取fS ≥2.5 fM，高精度要求（如数字化测量仪器）取fS ≥（5～10）fM，这样选取采样频率即可较好地恢复信号。
2.2 滤波电路设计
D/A输出的回放信号是离散信号，直接接输出电路恢复信号、送示波器显示波形，波形失真比较严重。因此，为了将D/A所产生的高频干扰滤除，D/A输出端需要接低通滤波器来改善输出信号的波形。本设计选用了无限增益多路反馈二阶低通滤波器来实现，其电路如图2所示。
在图2所示电路中，当f =0时，C1和C2均开路，故通带放大倍数为：
电路传递函数Au（s）和f0为：
3 硬件设计
3.1 输入输出电路的设计
系统对A，B通道输入信号的极性和幅度范围有不同的要求，因此需要对A，B通道分别进行输入输出电路设计。
3.1.1 A通道电路
A通道输入信号是单极性的，输入信号电压范围为0～4 V。系统设置的A/D，D/A参考电平VREF为2.5 V，故在A通道输入端需先将信号电压由0～4 V转换到0～2.5 V范围内，再接至A/D输入端；而在A通道输出端需先将信号电压由0～2.5 V还原到0～4 V范围内，再接至示波器输入端。
A通道的输入电路如图3所示，其为电压跟随器，输入信号uI通过电阻R1，R2的分压，使得输出信号uO=0.5 uI。A通道的输出电路如图4所示，其为同相比例放大电路，使得输出信号uO=2 uI。可见，整个通道的放大倍数为1，满足了信号回放的要求。
3.1.2 B通道电路
B通道输入信号是双极性的，输入信号电压范围为VPP= 100 mV。系统设置的A/D，D/A参考电平VREF为2.5 V，故需将输入信号放大至A/D所能判别的范围内，以提高系统对B通道信号的分辨率。在B通道输入端需先将信号电压由双极性转换为单极性并放大（VPP可达2.5 V），再接至A/D输入端；而在B通道输出端需先将信号电压由单极性还原为双极性并衰减（VPP可达100 mV），再接至示波器输入端。
B通道输入电路如图5所示，输出电路如图6所示，两者均为差分放大电路结构，实际上是一个直流偏移电路加上一个反向比例放大电路。在B通道输入电路中，直流偏移电路给输入信号加上一个1.25 V的偏移电压，将双极性信号转换为单极性；反向比例放大电路对输入信号进行放大，其交流放大倍数为：；在B通道输出电路中，直流偏移电路给输入信号减去一个1.25 V的偏移电压，将单极性信号还原为双极性；反向比例放大电路对输入信号进行衰减，其交流放大倍数为：；可见，整个通道的放大倍数为1，满足了信号回放的要求。
3.2 MUC功能简介
AT89C52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8 kB的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 B的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。
3.3 外部数据存储器的扩展
对于10 Hz的信号，采样频率为50 kHz时，每周期可采样5 000个点，需要5 k的存储空间。为了准确地计算周期值、最高电平和最低电平，需要采样3个周期的数据，取多周期数据的平均值。这样，10 Hz信号存储空间需要15 kB，A，B两路同时采集存储空间需要30 kB，还有一些相关数据和计算结果也需要存储，至少需要32 kB RAM。AT89C52单片机内部有256 B RAM，必须扩展外部数据存储器，AT89C52单片机最多能扩展64 kB RAM（2片62256芯片）。为了减少系统功耗，在保证再生信号质量的前提下应尽量减少数据存储量。 3.4 A/D，D/A转换器与单片机的接口
ADC0809是CMOS 8位8通道逐次逼近型A/D转换器，图7给出了ADC0809与AT89C52单片机接口电路的一个例子。ADC0809的8位数据输出引脚D0～D7与单片机的P0口相连；地址译码引脚C，B，A分别与地址总线的低三位A2，A1，A0相连，以选择IN0～IN7中的一个通道；地址锁存信号ALE、启动信号START及输出允许信号OE分别由单片机读写信号和P2.7通过或非门来控制；转换结束信号EOC经过反相后接至中断请求端。
DAC0832是具有两级输入数据寄存器的8位D/A转换器。设计DAC0832与AT89C52单片机的接口电路时，常用单缓冲方式或双缓冲方式的单极性输出。多路的D/A转换要求同步输出时，必须采用双缓冲同步方式，此时数字量的输入锁存和D/A转换输出是分两步完成的。
3.5 显示与控制模块
根据设计要求，显示内容为测试的信号周期值及单位、幅度高低电平值及单位，采集和回放时系统的各种信息采用十进制数字显示，周期以“ms”为单位，幅度以“mV”为单位。液晶显示器（LCD）具有省电、抗干扰能力强等优点，被广泛应用在智能仪表和单片机测控系统中。本设计采用LCDl602模块（LCM）既可满足系统显示要求，可将LCM挂接在AT89C52单片机的总线上，通过数据总线的读写实现对LCM的控制。
波形显示采用示波器的X—Y方式。在X—Y方式下，示波器的垂直轴与水平轴的偏转电压均由外部提供。屏幕上每一个位置都对应一个X—Y坐标。因此，只要提供波形的坐标数据，经D/A转换送至X，Y轴即可。
4 软件设计
系统启动后，首先对外部设备进行初始化，然后判断是否有按键按下。若有按键按下，则读入键值，确定按键的功能，以实现对输入信号的采集、存储和回放。若按键为信号采集、数据存储功能，则系统控制A/D转换器实现对输入信号的采集，并把A/D转换结果依次存入外部存储芯片中；若按键为回放功能，则从存储单元调用A路或（和）B路采集数据输出到D/A转换单元，并在示波器上回放信号波形，由液晶显示器输出系统的各种信息及采集波形的周期、幅度等信息。
5 结束语
系统以单片机AT89C52为核心，以低功耗运放LM358构成输入输出电路，选用外部低功耗芯片62256作存储，软件系统控制A/D转换器实现对输入信号的采集、数据存储，通过D/A转换器对存储数据进行数模转换，输出到示波器上显示，采集波形信息由LCD1602显示输出，实现对已采集信号的回放。
参考文献
[1] 张毅刚.单片机原理及接口技术（C51编程）[M].北京：人民邮电出版社，2011.
[2] 先锋工作室.单片机程序设计实例[M].北京：清华大学出版社，2004.
[3] 葛纫秋.实用微机接口技术[M].北京：高等教育出版社，2003.
[4] 全国大学生电子设计竞赛组委会.2011年全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编[M].北京：北京理工大学出版社，2012.
关键词：波形采集 存储与回放 单片机 ADC DAC
1 方案论证
笔者设计并制作了一个波形采集、存储与回放系统，示意图如图1所示。该系统能同时采集两路周期信号波形，能连续回放已采集的信号，显示在示波器上。
以单片机为系统核心，外挂A/D、存储、D/A、显示、输入和输出等外围电路，实现对输入信号的采集、存储与回放功能。整个系统简单灵活，便于实现，但系统功耗大，适于对低速信号的处理。本设计采用该方案，旨在让刚接触单片机的学生，尽快掌握基于单片机的电子系统设计方法。
将A/D，D/A，显示驱动等周边器件集成到微控制单元是当前应用较多的器件设计方式。TI公司的微控制器产品MSP430，集成了ADC，DAC，运放，显示驱动和SPI等丰富的内部资源。整个系统所需外围电路少，功耗低，但软件编程比较复杂。
该系统采用单片机和FPGA/CPLD结合方式，以单片机作为控制核心，以FPGA/CPLD作为主要执行机构。FPGA/CPLD完成对信号的采集、存储、显示以及A/D和D/A转换等功能，由单片机实现人机交互及信号处理等功能。整个系统结构紧凑、可以实现复杂测量与控制，只是操作过于繁琐。
2 理论分析
2.1 采样频率的选取
系统处理的正弦波频率范围为10 Hz～5 kHz，三角波频率范围为10 Hz～2 kHz，方波频率范围为10 Hz～1 kHz。由于题目要求的正弦波的频率较高，故采样频率的选取以正弦波为主。理论上采样频率fS只要大于被采样信号最高频率分量fM的2倍即可。工程上在选取采样频率时通常分两种情况：一般要求（如语音信号的数字化）取fS ≥2.5 fM，高精度要求（如数字化测量仪器）取fS ≥（5～10）fM，这样选取采样频率即可较好地恢复信号。
2.2 滤波电路设计
D/A输出的回放信号是离散信号，直接接输出电路恢复信号、送示波器显示波形，波形失真比较严重。因此，为了将D/A所产生的高频干扰滤除，D/A输出端需要接低通滤波器来改善输出信号的波形。本设计选用了无限增益多路反馈二阶低通滤波器来实现，其电路如图2所示。
在图2所示电路中，当f =0时，C1和C2均开路，故通带放大倍数为：
电路传递函数Au（s）和f0为：
3 硬件设计
3.1 输入输出电路的设计
系统对A，B通道输入信号的极性和幅度范围有不同的要求，因此需要对A，B通道分别进行输入输出电路设计。
3.1.1 A通道电路
A通道输入信号是单极性的，输入信号电压范围为0～4 V。系统设置的A/D，D/A参考电平VREF为2.5 V，故在A通道输入端需先将信号电压由0～4 V转换到0～2.5 V范围内，再接至A/D输入端；而在A通道输出端需先将信号电压由0～2.5 V还原到0～4 V范围内，再接至示波器输入端。
A通道的输入电路如图3所示，其为电压跟随器，输入信号uI通过电阻R1，R2的分压，使得输出信号uO=0.5 uI。A通道的输出电路如图4所示，其为同相比例放大电路，使得输出信号uO=2 uI。可见，整个通道的放大倍数为1，满足了信号回放的要求。
3.1.2 B通道电路
B通道输入信号是双极性的，输入信号电压范围为VPP= 100 mV。系统设置的A/D，D/A参考电平VREF为2.5 V，故需将输入信号放大至A/D所能判别的范围内，以提高系统对B通道信号的分辨率。在B通道输入端需先将信号电压由双极性转换为单极性并放大（VPP可达2.5 V），再接至A/D输入端；而在B通道输出端需先将信号电压由单极性还原为双极性并衰减（VPP可达100 mV），再接至示波器输入端。
B通道输入电路如图5所示，输出电路如图6所示，两者均为差分放大电路结构，实际上是一个直流偏移电路加上一个反向比例放大电路。在B通道输入电路中，直流偏移电路给输入信号加上一个1.25 V的偏移电压，将双极性信号转换为单极性；反向比例放大电路对输入信号进行放大，其交流放大倍数为：；在B通道输出电路中，直流偏移电路给输入信号减去一个1.25 V的偏移电压，将单极性信号还原为双极性；反向比例放大电路对输入信号进行衰减，其交流放大倍数为：；可见，整个通道的放大倍数为1，满足了信号回放的要求。
3.2 MUC功能简介
AT89C52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8 kB的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 B的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。
3.3 外部数据存储器的扩展
对于10 Hz的信号，采样频率为50 kHz时，每周期可采样5 000个点，需要5 k的存储空间。为了准确地计算周期值、最高电平和最低电平，需要采样3个周期的数据，取多周期数据的平均值。这样，10 Hz信号存储空间需要15 kB，A，B两路同时采集存储空间需要30 kB，还有一些相关数据和计算结果也需要存储，至少需要32 kB RAM。AT89C52单片机内部有256 B RAM，必须扩展外部数据存储器，AT89C52单片机最多能扩展64 kB RAM（2片62256芯片）。为了减少系统功耗，在保证再生信号质量的前提下应尽量减少数据存储量。 3.4 A/D，D/A转换器与单片机的接口
ADC0809是CMOS 8位8通道逐次逼近型A/D转换器，图7给出了ADC0809与AT89C52单片机接口电路的一个例子。ADC0809的8位数据输出引脚D0～D7与单片机的P0口相连；地址译码引脚C，B，A分别与地址总线的低三位A2，A1，A0相连，以选择IN0～IN7中的一个通道；地址锁存信号ALE、启动信号START及输出允许信号OE分别由单片机读写信号和P2.7通过或非门来控制；转换结束信号EOC经过反相后接至中断请求端。
DAC0832是具有两级输入数据寄存器的8位D/A转换器。设计DAC0832与AT89C52单片机的接口电路时，常用单缓冲方式或双缓冲方式的单极性输出。多路的D/A转换要求同步输出时，必须采用双缓冲同步方式，此时数字量的输入锁存和D/A转换输出是分两步完成的。
3.5 显示与控制模块
根据设计要求，显示内容为测试的信号周期值及单位、幅度高低电平值及单位，采集和回放时系统的各种信息采用十进制数字显示，周期以“ms”为单位，幅度以“mV”为单位。液晶显示器（LCD）具有省电、抗干扰能力强等优点，被广泛应用在智能仪表和单片机测控系统中。本设计采用LCDl602模块（LCM）既可满足系统显示要求，可将LCM挂接在AT89C52单片机的总线上，通过数据总线的读写实现对LCM的控制。
波形显示采用示波器的X—Y方式。在X—Y方式下，示波器的垂直轴与水平轴的偏转电压均由外部提供。屏幕上每一个位置都对应一个X—Y坐标。因此，只要提供波形的坐标数据，经D/A转换送至X，Y轴即可。
4 软件设计
系统启动后，首先对外部设备进行初始化，然后判断是否有按键按下。若有按键按下，则读入键值，确定按键的功能，以实现对输入信号的采集、存储和回放。若按键为信号采集、数据存储功能，则系统控制A/D转换器实现对输入信号的采集，并把A/D转换结果依次存入外部存储芯片中；若按键为回放功能，则从存储单元调用A路或（和）B路采集数据输出到D/A转换单元，并在示波器上回放信号波形，由液晶显示器输出系统的各种信息及采集波形的周期、幅度等信息。
5 结束语
系统以单片机AT89C52为核心，以低功耗运放LM358构成输入输出电路，选用外部低功耗芯片62256作存储，软件系统控制A/D转换器实现对输入信号的采集、数据存储，通过D/A转换器对存储数据进行数模转换，输出到示波器上显示，采集波形信息由LCD1602显示输出，实现对已采集信号的回放。
参考文献
[1] 张毅刚.单片机原理及接口技术（C51编程）[M].北京：人民邮电出版社，2011.
[2] 先锋工作室.单片机程序设计实例[M].北京：清华大学出版社，2004.
[3] 葛纫秋.实用微机接口技术[M].北京：高等教育出版社，2003.
[4] 全国大学生电子设计竞赛组委会.2011年全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编[M].北京：北京理工大学出版社，2012.