基于ARDUINO與MATLAB的簡易示波器研制

陸強++顏加仁++林定能++沈歡勝

摘 要：利用Arduino標準化單片機集成模塊和Matlab軟件，從硬件和軟件兩方面論述了一種簡易示波器的設計思路，該示波器可以測量直流和交流電壓波形。Arduino將數(shù)據(jù)采集后，通過串口傳輸?shù)絇C機，利用PC機的Matlab程序，將數(shù)據(jù)進行圖形化顯示，從而構成示波器。

關鍵詞：Arduino Matlab 跨步電壓 電壓檢測

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）10（b）-0009-02

Arduino是一塊基于開放源代碼的SimpleI/O平臺，該平臺由硬件和軟件兩部分組成，這兩部分都是開源的。在硬件上，Arduino提供了6個模擬量輸入端，相對誤差為0.1%左右[1]，可以滿足一般的測量精度要求。開發(fā)語言類似java、C語言，具有開發(fā)環(huán)境簡單、易理理解的特點[2]。

Arduino把單片機編程中很多常用的功能，如延時、數(shù)據(jù)讀寫、中斷等模塊化封裝成一個個子程序供程序開發(fā)者調(diào)用，程序開發(fā)者只需著眼于程序的邏輯結構，而不必關心底層函數(shù)的具體設計，從而大大降低了程編程的復雜程度[3]。

Matlab是由美國MATHw0RKs公司開發(fā)的面向研究和工程設計處理的一套具有強大功能的軟件系統(tǒng)。Matlab集數(shù)學計算結果可視化和編程于一體，能夠方便地進行科學計算和大量工程運算[4]。

該文提出了一種基于Arduino標準化單片機集成模塊和Matlab數(shù)據(jù)處理的簡易示波器設計方法，可以用于測量常見的電壓波形，成本低廉，使用方便。

1 系統(tǒng)結構

簡易示波器從系統(tǒng)結構上分為前部數(shù)據(jù)采集端和PC機波形顯示器兩部分構成，兩者用串口實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

前部數(shù)據(jù)采集端通過分壓電路將電壓降低到合適的數(shù)值以供Arduino測量；由于Arduino只能測量5V以內(nèi)的直流電壓，對于交流電壓，要加一級極性轉換電路，將雙極性電壓轉換為單極性電壓。完成AD轉換后，Arduino將數(shù)據(jù)通過串口傳到PC機，PC機利用Matlab的強大分析處理能力，對收到的數(shù)據(jù)進行分析、處理和圖形顯示。系統(tǒng)的結構如圖1所示。

2 硬件設計

該文設計的示波器主要用于測量和顯示常規(guī)直流電壓和交流電壓，測量的最大電壓為50 V，并設置一個壓敏電阻來保護電路，以免電壓過高時損壞裝置。對于電流電壓，由于Arduino所用的Atmel Atmega328單片機AD轉換速率為13～260 μs，所測量的電流電壓頻率一般不應高于2 kHz。

2.1 降壓電路設計

降壓電路采用線性電阻進行分壓，并串聯(lián)一個可調(diào)電阻以便微調(diào)。降壓后通過電壓跟隨器，使得輸入、輸出信號的幅值保持不變，且輸入阻抗高，輸出阻抗低，起到了現(xiàn)場信號與系統(tǒng)的隔離、互不干擾的作用。電路原理如圖2所示。

2.2 極性轉換電路設計

在模擬量的測量中最常見的莫過于交流電壓及交流電流的測量，而單片機內(nèi)的AD轉換器通常是用來測量直流或脈動直流的，因輸入腳不允許輸入負電平。需要增加一些外圍電路方能實現(xiàn)對交流電的測量[5]。

這些外圍電路就是極性轉換電路，如圖3所示。

本電路采用了電壓基準芯片AMS1117

-2.5產(chǎn)生一個幅值為2.5 V的基準電壓Vout，通過電阻R4加到運算放大器的“+”輸入端。

由圖3可知：

其中=2.5V。取R1=R4=2.4K，R2=R3=1.2 K，則有=+1.25，即輸入信號正向平移了1.25 V。

2.3 模塊電路連接

降壓模塊和極性轉換模塊可以用萬能板焊接，Arduino模塊采用標準的成品，各模塊的電路連接比較簡單，降壓電路的端外接需要測試的信號源，降壓電路的與極性轉換電路輸入端相連，極性轉換電路的輸出端與Arduino模塊的模擬輸入口A0相連，Arduino模塊的USB口與PC機的USB口相連，如圖4所示。

3 軟件設計

軟件設計的思路是，Arduino通過模擬輸入口A0采集交直流電壓量，并通過內(nèi)置的USB轉串口芯片，將采集后的數(shù)據(jù)通過串口傳輸?shù)絇C機，PC機進行簡單數(shù)據(jù)處理后，調(diào)用畫圖工具顯示波形。

3.1 數(shù)據(jù)采集程序

數(shù)據(jù)采集直接調(diào)用模擬量讀取函數(shù)analogRead，如下所示。

Vinput=analogRead（0）；//讀取電壓量，數(shù)值從0到1023。

為了提高抗干擾性，得到更加穩(wěn)定的讀數(shù)，可以多次讀取數(shù)據(jù)并計算平均值。

3.2 串口通信程序

Matlab 6.X或之后的版本提供了對串口對象的支持，可以很方便地訪問外設，通過建立串口對象，能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀寫、存儲、事件回調(diào)等功能。

Matlab儀器控制工具箱可實現(xiàn)硬件端口的采集。其采集原理是：先建立虛擬設備對象，再設置設備對象的屬性，最后通過設備對象實現(xiàn)對硬件的操作[6]。

（1）Arduino端的數(shù)據(jù)上傳。

在void setup（）函數(shù)里設置波特率，如Serial.begin （9600），即將串口比特率設置為9600。并利用Serial.read（）讀取特定的數(shù)據(jù)作為握手信號，待兩端握手正確后再進行數(shù)據(jù)傳輸。

握手成功后，在void loop（）函數(shù)中利用函數(shù)Serial.println（Voutput）不斷地將轉換好的數(shù)據(jù)發(fā)送到PC機。

（2）PC機端的數(shù)據(jù)接收

Matlab可以用查詢和中斷兩種方式接收數(shù)據(jù)，這兩種方式各具特點，這里選用查詢方式，將接收到的數(shù)據(jù)匯總到一個標準數(shù)組dataOut中，填滿后立即繪圖，然后清0并重新填入數(shù)據(jù)，周而復始。PC機端的數(shù)據(jù)傳輸有以下幾個步驟。endprint

①用g=serial（'COMx'）創(chuàng)建設備對象。

②用set（）設置設備對象屬性，如波特率、終止符、輸入和輸出緩沖區(qū)大小等。

③用fopen（）實現(xiàn)設備對象與硬件設備連接。

④用fread（）、fwrite（）等實現(xiàn)硬件設備數(shù)據(jù)的讀寫。

⑤用fclose（）和delete（）、clear（）關閉和刪除設備對象。

3.3 波形顯示程序

利用PC機的Matlab強大的數(shù)據(jù)處理和圖形顯示功能進行波形顯示，在標準數(shù)組dataOut填滿后，調(diào)用plot函數(shù)來完成數(shù)據(jù)的可視化處理，如下所示。

plot（x，dataOut）；

x是時間標量，與dataOut數(shù)組的采集時刻對應，可以根據(jù)數(shù)據(jù)采集的間隔，在PC端用linspace（）函數(shù)生產(chǎn)。這里要注意的是，由于在輸入時人為添加了1.25 V的直流偏置，并在AD轉換時將其放大了1023/5倍，因此在調(diào)用plot函數(shù)前應將接收到的數(shù)據(jù)減去1.25 V直流偏置的影響，并借助于標準數(shù)字萬用表，算出電壓輸入量和輸出量之間的系數(shù)，對輸出進行倍率校準。

圖5是利用該示波器顯示的RC電路放電的波形，前面波動處是開關合閘時的干擾電平。

由圖5可見，電容充滿電后為5 V，并從50 s開始放電（在50s時斷開電源開關），經(jīng)過約170 s后電壓變?yōu)? V，由，求得て=105 s。

本電路用的電阻為R=1M，電容C=100 mf，理論上て=RC=100 s。

可見實際值與理論值仍有一定的差距，這個差距主要是Arduino采集數(shù)據(jù)時，設定每隔5 ms進行一次AD轉換（使用函數(shù)delay（5）進行5 ms延時），但是這個延時并沒有考慮AD轉換的時間，數(shù)據(jù)上傳的時間，以及Arduino執(zhí)行其他指令所用的時間，從而導致總的時間有些許誤差。

4 結語

該文利用Arduino標準化單片機集成模塊和Matlab數(shù)據(jù)處理軟件，設計了一個簡易示波器，可以用于測量常見的交流和直流電壓波形。在實際使用過程中，雖然該裝置在時間量度方面仍有一些誤差，但是能夠真實反映波形情況，而且成本低廉，使用方便。

如果對時間標量的精度要求嚴格，可以在arduino采集數(shù)據(jù)時，同時記錄當時的時標，并通過串口與所采集的數(shù)據(jù)一起上傳給PC，但是會大大增加傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。還可以采取一個折中的方法，每采集一定個數(shù)的數(shù)量時記錄并傳輸一個時標，比如100個或1000個。

另外，由于Matlab具有強大的數(shù)據(jù)處理能力，讀者還可以加入數(shù)據(jù)濾波處理、保存、截波、數(shù)據(jù)分析等功能，同時采用Matlab的GUI可視化設計界面，可以設計出一套更加友好的界面，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的處理和系統(tǒng)的控制，從而大大增加示波器的實用性。

參考文獻

[1] 陳倩詒.單片機片內(nèi)A/D轉換器應用于交流量的測量[J].電子技術，2003（10）：21-23.

[2] 蔡睿妍.Arduino的原理及應用[J].電氣設計工程，2012（16）：155-156.

[3] 紀欣然.基于arduino開發(fā)環(huán)境的智能尋光小車設計[J].現(xiàn)代電子技術，2012（15）：161-163.

[4] 梁湘.基于MATLAB的數(shù)據(jù)實時采集與處理的實現(xiàn)[J].科技信息，2008（9）：44-45.

[5] 陳再清.用單片機如何實現(xiàn)交流量的A/D轉換[J].電子世界，2003（11）：29-30.

[6] 劉秀.用Matlab實現(xiàn)硬件端口采集的方法[J].兵工自動化，2003（3）：58-60.endprint