基于單片機波形采集存儲和回放系統

張 瑩， 司元雷， 張 進

（江蘇建筑職業技術學院信息與電子工程學院，江蘇 徐州 221116）

0 引言

傳統的示波器只能顯示信號波形信息，而對于某些某些場合常常需要將單次波形記錄下來，實現斷電后還能將波形輸出。隨著微電腦的廣泛應用，實現波形的采集、存儲和回放輸出變為現實[1]，本文介紹利用 C8051F020微控制器組成波形信號存儲、回放系統和通用的示波器連接起來，構成一個波形采集、存儲、回放和顯示系統，實現示波器的智能化。

1 C8051F020微控制器和FM25L256存儲器

C8051F020微控制器，它的指令以時鐘周期為運行單位，大大提高了指令的運行速度，同時也具有高精度的A/D、D/A轉換功能，一個增強型SPI接口，每種串行總線完全用硬件實現，都能向CIP-51產生中斷。C8051F020有兩個 ADC,分別是 12位的ADC0和8位的ADC1，ADC0的最高轉換速度為100 k/s,由于第二路輸入信號為小信號，需要精確采樣。因此選擇ADC0來轉換信號。

FM25l256是串行鐵電隨機存儲器（FRAM,Ferroelectric Random Access Memory）。其內部結構存儲形式為 32K×8位，地址范圍為 00000H～7FFFH，采用 16位地址尋址方式，SPI總線方式。FM25L256支持SPI方式0和方式3，具有先進的寫保護設計，包括硬件保護和軟件保護雙重保護功能。FM25L256的數據讀寫速度能達到25 MHz，可以與當前的告訴RAM相媲美，并具有傳統的非易失特性[2]。

由于輸入信號頻率為 10～10 kHz,最高頻率為10 kHz.根據采樣定理，為保證回放不失真，在一個周期內必須采兩次信號。因此采樣頻率最大于等于20 kHz，對于本設計，采樣頻率設置為50 kHz。

2 系統總體結構框圖

本系統可以完成兩路信號的采集、存儲和回放功能。一路為單極性信號，另一路為小信號雙極性信號。

系統以C8051F020核心，通過C8051集成的A/D和 D/A完成信號的模數和數模轉換[4]，正弦波方波或者三角波送入輸入電路，完成波形信號波形雙單極性的轉換，小信號波形的信號放大，目的使信號能夠與C8051單片機的A/D轉換的信號相匹配[5-6]。完成處理后送入C8051單片機，單片機對鍵盤電路掃描，完成信號的采集，存儲，回放，同時通過液晶顯示器顯示波形的高低電平及周期[7]，經波形輸出電路，完成信號的逆處理，輸出顯示波形原始信號。系統結構框圖如圖1所示。

圖1 系統結構總體框圖

3 各單元電路

3.1 單極性信號輸入輸出電路

由于C8051F020的A/D只能采集0～2 V的電壓，因此要對輸入信號進行分壓，經分壓處理后經過電壓跟隨器輸出，得到的信號電壓控制在0～2 V，采用電壓跟隨器，可以增加電路輸入阻抗，降低輸出阻抗。如圖2所示。

圖2 單極性信號輸入電路

經過C8051F020的D/ A輸出來的信號送入運放的同向端，經同相比例運放電路輸出，，恢復出原始的信號[8]，如圖3所示。

圖3 單極性信號輸出電路

3.2 雙極性小信號輸入輸出電路

由于雙極性信號只有100 mV，非常小，為了保證信號能夠采集到，首先要對信號進行放大，采用反相比例放大電路對其放大10倍，同理，在信號輸出來時，也采用比例放大電路對其縮小 10倍，如圖4所示。

圖4 雙極性信號輸入電路

C8051F020的AD轉換的參考電壓是2 V,輸入為單極性信號，而系統信號為雙極性信號，為了保證能將信號無損失的采集，將信號抬高至1 V附近，圖中，運算放大器的反向端輸入為放大10倍雙極性小信號，同相端為+5 V的直流電壓，經過R5，R6，R3，R4分壓之后，R6的電壓為1 V，R 6為可調電阻，R6=13.3 k?，運放電路和電阻原件構成差分電路Uo=-U1+1,這樣可以無失真的進行信號的采集。如圖5所示。

經C8051F020的D/ A輸出來的信號經過電壓跟隨器電路，通過電容濾波，濾掉直流分量。

3.3 存儲電路

由于FM25L256與其他標準SPI設備一樣，可以直接掛在 SPI總線上[3]，因此需要額外的片選信號CS，同時也可以通過HOLD控制線達到暫停操作。/WP引腳接高電平不進行硬件寫保護，SI信號為串行數據輸入，SO為串行數據輸出，SCK為串行數據輸入時鐘。連接圖如圖6所示。

圖5 雙極性信號輸出電路

圖6 MCU與存儲器的連接圖

4 軟件設計

系統上電后，首先完成一些列初始化，包括時鐘初始化，I/O口輸入輸出的設置、SPI的兩個控制寄存器的初始化以及開中斷允許等。然后從I/O口檢測各個按鍵的狀態，當有按鍵時，進入采集程序，采集結束后，發采集結束信號，置工作標志，進入輸出顯示程序。同理，如果檢測到存儲按鍵按下，通過SPI接口的寫入操作，對存儲器進行相應的寫入操作；斷電后，重新進行上電，進行初始化和檢測，按下回放鍵，單片機對存儲器進行讀操作，結束后，置工作標志，進入顯示程序。總體流程圖如圖7所示。

圖7 系統總體流程

5 結語

單片機數據采集、存儲和回放系統對于各種周期信號和單次信號可重復穩定的顯示，同時可以實現信號的存儲和回放，增強了傳統示波器的功能，使其性能進一步得到完善，實現了以往難以實現的功能，對于儀器的智能化，具有一定的意義。

[1]黃曉林,馬慶衛.在通用示波器上實現波形記憶功能[J].電氣應用,1987(07):4-7.

[2]周欣.鐵電存儲器在風速儀中的應用[J].電器電子教學學報,2009,31(03):62-63.

[3]RAMITRON.FM25L256256KB FRAM Serial 3V Memory Datasheet[M].USA:[s.n.],2005.

[4]王浩,李希友,秦同杰.多通道同步數據采集與處理系統的實現[J].通信技術,2011,44(01):145-147.

[5]湯德榮.淺談多路數據采集與通信系統設計方案[J].通信技術,2010,43(02):95-97.

[6]吳宇佳,浦偉,周妍,等.Linux下多線程數據采集研究與實現[J].信息安全與通信保密,2012(07):92.

[7]湯德榮.基于 PCI總線的雙通道數據采集系統[J].信息安全與通信保密,2010(06):57-59.

[8]胡宴如.模擬電子技術[M].北京:高等教育出版社,2008:225-234.