基于LPC1758的波形采集存儲與回放系統設計

羅 樂，李可為，笪賢進

(成都工業學院 通信工程系，成都 610031)

信號采集、處理及回放是現代電子制作中經常遇到的問題，但對于多路高頻輸入信號、要求實時不失真顯示、同時系統必須具有極低功耗等特點，如2011年全國大學生電子設計競賽試題H題，制作難度相對較大，成功案例極少。本文詳細介紹了基于LPC1758的波形采集、存儲及回放系統的基本原理、電路及程序設計。系統要求輸入信號頻率為10 Hz～10 kHz，幅值0～4 V，原信號與回放信號電平之差絕對值≤50 mV，周期之差絕對值≤5%，系統功耗≤100 mW［1］。

1 系統硬件電路設計

1．1 系統總體框圖

系統具有A、B兩個通道，其中A為單極性通道，B為雙極性通道。信號經過前級處理后，將其送入單片機自帶的A/D轉換器，將轉換后的數據存入RAM中，因RAM中的數據在掉電后不能保存，故通過IAP在線應用編程，將RAM中的數據存入片內的Flash中，從而實現存儲數據的功能。系統上電后，通過查找Flash的地址并取出數據，將D/A轉換后的信號經過后級處理后送入顯示器中，此時的信號即為回放的信號。系統方案框圖如圖1所示。

圖1 系統方案框圖

1．2 A通道電路圖

1．2．1A通道前級信號處理電路圖

A通道輸入的單極性信號，其幅值為0～4 V，且輸入阻抗大，輸出阻抗小。采用電壓跟隨器可以達到輸入阻抗≥10 kΩ。由運放TL061構成的電壓跟隨器，其輸出與輸入之間的固定直流電壓極小，負反饋量大，輸出與輸入基本無差別。當輸入阻抗很高時，對前級電路相當于開路;當輸出阻抗很低時，對后級電路就相當于一個恒壓源，即輸出電壓不受后級電路阻抗影響。因其輸出具有低阻抗特性，使得它在電路中可以起到阻抗匹配的作用，能夠使得后一級的放大電路更好的工作。電路如圖 2 所示［2－3］。

因本系統A通道輸入的電壓信號約為4 V，大于A/D轉換器所能處理信號的電壓，故采用運放TL061做衰減電路，如圖3所示。

1．2．2A通道后級信號處理電路圖

1)A通道后級信號處理框圖

將存放在Flash中的數據取出送入片內RAM中，通過RAM傳入單片機內部D/A轉換器中，D/A轉換的輸出信號經過一級固定增益放大和濾波后，即可達到所要求的波形，然后再將其送入示波器顯示，這樣就形成了一個信號回放系統。

2)固定增益放大電路

3)阻抗匹配電路

為達到設計要求的阻抗匹配(輸出阻抗＜1 kΩ)，在濾波電路后加一個共集電路，如圖5所示。

圖2 電壓跟隨器

圖3 信號衰減電路

1．3 B通道電路圖

1．3．1B通道前級信號處理系統框圖與電路原理圖

因B通道的輸入為雙極性的信號，峰峰值為100 mV，頻率為10 Hz～10 kHz，故可以直接用儀表放大器將信號放大到A/D轉換器所能處理的范圍。因為A/D轉換器不能采集負電壓，故要將放大后的信號加一個偏置電壓。本系統采用儀表放大INA129和INA118構成的雙儀表放大，將處理后的信號送入單片機內部的A/D轉換器中。通過－Vref(其中，V為偏置電壓，Vin為放大后的輸入信號，Vref為參考電壓)計算和調節偏置電壓的大小。電路如圖6所示。

圖4 固定增益電路 圖5 射極跟隨電路

1．3．2B通道后級信號處理電路圖

將存放在Flash中的數據取出，經RAM傳入外圍的D/A器，由D/A轉換后的信號是經過前級放大后的信號，需要將信號進行衰減濾波后送入示波器中。其后級處理原理如圖7所示［4］。

2 系統軟件設計

2．1 程序功能描述

軟件部分主要實現數據的采集、存儲與回放、顯示和按鍵控制等功能［5－6］。

圖6 B通道前級信號處理電路

圖7 B通道信號的后級處理原理圖

數據采集:本系統通過單片機內部自帶的D/A對數據進行采集。采樣時間利用LPC1758的定時器來完成;通過Per=2×TA×N(其中:Per為信號的周期，TA為AD采樣的周期，N為采樣的次數。)求出信號周期的最大值與最小值，從而計算出極值之間的計數值的大小，通過異常數據拋除法來準確地找到采樣數據的相臨最小值，從而準確計算信號的周期。

數據存儲:利用IAP在線應用編程，將采集后RAM里的信號數據存入Flash存儲器中，使數據掉電后不會丟失。

波形形狀判斷:采用跳變沿算法實現對波形形狀的判斷，即通過相鄰采樣點數據的變化來推斷波形形狀。

數據回放:系統上電后，通過查找Flash存儲器中的地址，將數據存入RAM中，再將數據送至D/A轉換器，從而實現數據回放功能。

顯示功能:顯示輸入信號的極大值、極小值和周期的大小。

2．2 程序流程圖

主程序流程圖、波形采集子程序流程圖、極值與周期計算程序流程圖如圖8所示。

圖8 程序流程圖

3 測試結果及分析

3．1 測試儀器及型號

LTD2102CEL示波器、VICTOR VC890D萬用表、SG1080A數字合成信號發生器［7］。

3．2 測試方案

1)功能測試如表1所示。

2)A通道電平測試條件:輸入電壓峰峰值4 V，輸入頻率1 kHz，測試結果如表2所示。

3)B通道指標測試，輸入雙極性信號Vpp=100 mV，測試結果如表3所示。

表1 功能測試結果

表2 A通道波形測試結果

表3 B通道波形測試結果

3．3 測試結果分析

由表1、表2、表3可知，本設計能完成對A通道單極性信號、頻率約1 kHz信號的采集、存儲與連續回放。可以完成B通道雙極性信號采集和回放。采集、回放時能測量并顯示信號的高電平、低電平和信號的周期。原信號與回放信號電平之差的絕對值小于50 mV，周期之差的絕對值小于5%。由于本系統采用的是LPC1758控制器，并且使用了內部集成的高速A/D、D/A，加上顯示及模擬信號調理電路，因此系統功耗略高。

4 結語

在設計過程中，原理圖的元器件參數的選擇都是通過計算而來，對程序編寫采用了相應的新算法，從理論上保證結果的正確性。從結果演示可以看出，系統完全滿足設計要求。采樣信號的上限及下限頻率都能達到，信號周期計算準確，波形回放圖形質量較好，系統功耗較低，而且具有實時性。

［1］黃智偉．全國大學生電子設計競賽訓練教程［M］．北京:電子工業出版社，2007．

［2］周雪．模擬電子技術［M］．西安:西安電子科技大學出版社，2005．

［3］JUNG W，張樂鋒，張鼎．運算放大器應用技術手冊［M］．北京:人民郵電出版社，2009．

［4］楊欣，王玉鳳，劉湘黔．電子設計從零開始［M］．2版．北京:清華大學出版社，2010．

［5］李朝青．單片機原理及接口技術［M］．北京:北京航空航天大學出版社，2009．

［6］高西全，丁玉美．數字信號處理［M］．3版．西安:西安電子科技大學出版，2008．

［7］陸綺榮．電子測量技術［M］．2版．北京:電子工業出版社，2009．