基于單片機的波形采集、存儲與回放系統設計

◆梁麗

基于單片機的波形采集、存儲與回放系統設計

◆梁麗

系統以單片機為核心，以低功耗運放構成輸入輸出電路，選用外部低功耗存儲芯片作存儲，軟件系統控制外部A/D轉換器實現對輸入信號的采集、數據存儲，并通過外部D/A轉換器實現對已采集信號的回放，系統的各種信息及采集波形信息由液晶顯示輸出。

單片機；接口電路；波形采集

1 前言

采用AT89C52單片機作為整個控制核心，通過軟件編程實現對模擬信號的采集、存儲數據的輸出以及各種測量、邏輯控制的功能。現從系統單元電路設計、單片機與外部設備的接口電路設計和系統軟件設計的角度，闡述基于單片機的波形采集、存儲與回放系統的設計思想。

2 單元電路設計

通道調理電路 將ADC0809轉換器的基準電壓輸入端接至+5 V電源，它可對0～5 V的模擬信號進行轉換。A通道輸入信號是單極性的，輸入電壓范圍為0～4 V，符合A/D轉換器對輸入信號的要求。A通道的輸入、輸出電路均選用電壓跟隨器，電壓跟隨器具有輸出電壓跟隨輸入電壓、輸入阻抗高、輸出阻抗低的特點，使得整個通道的放大倍數為1。

B通道輸入信號是雙極性的，輸入電壓范圍為-50～+50 mV。為此，在B通道輸入端需將信號電壓由雙極性轉換為單極性，并調理為0～4 V電壓輸出，以匹配A/D轉換器的輸入電壓范圍；在B通道輸出端則需將信號電壓的極性和幅度范圍進行還原。B通道輸入電路如圖1所示，它由三級運放構成：

第一級運放構成電壓跟隨器；

第二級運放構成反相比例電路，其交流放大倍數為-40，作用是將信號電壓由-50～+50 mV調理到+2～-2 V范圍內；

第三級運放構成反相求和電路，其交流放大倍數為-1，調節電位器給信號電壓+2 V的電平平移，將雙極性信號轉換為單極性，即將信號電壓由+2～-2 V調理到0～4 V范圍內。

B通道輸出電路也由三級運放構成：

第一級運放構成電壓跟隨器；

第二級運放構成反相求和電路，其交流放大倍數為-1，調節電位器給信號電壓-2 V的電平平移，將單極性信號還原為雙極性，即將信號電壓由0～4 V調理到+2～-2 V范圍內；

第三級運放構成反相比例電路，其交流放大倍數為-0.025，作用是將信號電壓由+2～-2 V還原到-50～+50 mV范圍內。

由此可見，整個通道的放大倍數為1，滿足了信號回放的要求。

濾波、緩沖輸出電路 為了使產生的回放信號平滑且具有負載能力，采用濾波電路、輸出緩沖電路對D/A輸出的信號進行后級處理。由于信號的頻率范圍為10 Hz～5 kHz，選用壓控電壓源二階低通濾波電路來濾除高頻噪聲；選用電壓跟隨器作為輸出緩沖電路，以提高電路帶負載能力。

圖1 B通道輸入電路

作者：梁麗，北京工商大學計算機與信息工程學院副教授，研究方向為電子技術及應用（100048）。

圖2 AT89C52單片機與ADC0809中斷方式的接口電路

3 單片機與外部設備的接口電路

外部數據存儲器的擴展 AT89C52內部只有256 B RAM，需要擴展外部數據存儲器。AT89C52擴展一片32 K外部數據存儲器62256，數據線D0～D7直接與單片機的數據地址復用口P0相連，地址的低8位A0～A7由鎖存器74LS273獲得，地址的高7位A8～A14直接與單片機的A8～A14（P2.0～P2.6）相連，電路中用地址線A15（P2.7）來進行片選。

A/D轉換器的接口電路 ADC0809采用逐次比較的方法完成A/D轉換，片內帶有鎖存功能的8路選1的模擬開關，由C、B、A引腳上的編碼來決定所選的通道，AT89C52單片機與ADC0809中斷方式的接口電路如圖2所示。由于ADC0809具有三態輸出鎖存器，故可與單片機的數據總線直接相連，作為單片機的一個擴展口；電路中用地址線P2.7來進行片選，地址鎖存信號ALE、啟動信號START及輸出允許信號OE分別由單片機讀寫信號和P2.7通過或非門來控制；當OE為邏輯1時選通三態門，使鎖存器中的A/D轉換結果送入地址總線；轉換結束信號EOC經過反相器接單片機的中斷請求端P3.2，由外中斷服務程序讀A/D轉換結果，并啟動下一次轉換［1］。

D/A轉換器的接口電路 DAC0832是具有內部輸入數據寄存器和DAC寄存器的8位D/A轉換器，它能直接與AT89C52連接，可以有3種連接方式：直通方式、單緩沖方式和雙緩沖方式。

LCDI602模塊的接口電路 液晶顯示模塊選用LCDl602即可滿足系統顯示要求。LCDl602是一種專門用于顯示字母、數字、符號的點陣式LCD，顯示字符為16字×2行。單片機與LCDl602接口簡單，使用靈活方便，控制程序簡單，通過單片機向LCDl602寫入相應的命令和數據，就可對顯示方式和顯示內容做出選擇。

4 系統軟件設計

軟件采用模塊化程序設計方法構建，軟件關鍵部分為信號采集、數據存儲子程序和顯示子程序。信號采集、數據存儲子程序控制A/D轉換進行信號采集，并直接把數據送入內存，顯示子程序把存儲在內存中的數據送到D/A轉換，信號波形在示波器上回放，采集波形的周期、幅度等信息在液晶顯示器上顯示。

5 結語

單片機是一個用于測控目的的微型計算機，因此，只要在其外部適當增加一些必要的外圍擴展電路，就可以靈活地構成各種應用電路，如數據采集系統、自動控制系統和智能儀器儀表等。

［1］李廣第，朱月秀，等.單片機基礎（修訂本）［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2001.

G642

B

1671-489X（2016）18-0032-02

10.3969/j.issn.1671-489X.2016.18.032