基于單片機的波形采集回放系統設計

摘 要：文章完成了一款基于單片機STC12C5A60S2的波形采集存儲與回放控制系統，其中單片機是整個控制系統的核心，結合AT24C04存儲，可靠地實現對兩路外部信號進行采集與存儲。系統分為軟件和硬件兩個部分。硬件電路主要包括單片機的外圍基本模塊、按鍵電路、波形采集回放電路等。軟件部分包括了按鍵觸發、信號存儲、數模信號轉換程序設計。

關鍵詞：波形；存儲；回放

引言

波形采集回放系統是目前檢測電子電路的重要技術手段，已廣泛應用于各式各樣的技術行業，例如電力系統、醫療系統、教學科研系統等等。但隨著工作環境的日益復雜，傳統的示波器在狹小的空間中已不能滿足測量要求，因此設計一款輕便的數字濾波器對特殊工業環境有著較高的應用價值。

1 系統參數設計

首先，需對系統實現的功能和相關參數進行設計。要求能同時采集兩路周期信號波形，系統斷電恢復后，能連續回放已采集的信號，顯示在示波器上。并且能完成對A通道單極性信號（高電平約4V、低電平接近0V）、頻率約1kHz信號的采集、存儲與連續回放。此外，要求系統輸入阻抗不小于10kΩ，輸出阻抗不大于1kΩ。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≤50mV，周期之差的絕對值≤5%。

2 系統方案設計

采樣方式選擇：等效時間采樣雖然可以對很高頻率的信號進行采樣，可是步進延遲的采樣技術與電路較為復雜。再者，它只限于處理周期信號，而且對單次觸發采樣無能為力。實時采樣可以實現整個頻段的全速采樣。實時采樣是在信號存在期間對其采樣。根據采樣定理，采用速率必須高于信號最高頻率分量的兩倍。對于周期的正弦信號，一個周期內應該大于兩個采樣點。為了不失真地恢復原被測信號，通常一個周期內就需要采8個點以上，故文章采用實時采樣方式。

A/D、D/A轉換方式選擇：采用芯片PCF8591轉換，其具有IIC接口，AIN0～AIN3四個模擬輸入通道和一個模擬輸出通道，最多可以有8片8591連接到IIC總線。可通過時鐘線SCL和數據線SDA與單片機之間的數據進行傳輸。

觸發方式選擇：要使屏幕上顯示穩定的波形，需將被測信號本身或者與被測信號有一定時間關系的觸發信號加到觸發電路。觸發源選擇確定觸發信號由何處供給。通常有三種觸發源：內觸發（INT）、電源觸發（LINE）、外觸發（EXT）。文章采用內觸發方式，即使用被測信號作為觸發信號。通過比較器LM358將被測波形信號和觸發電平進行比較，大于觸發電平時輸出為高電平，小于觸發電平時則輸出低電平，即可得到信號被整形后的脈沖序列，再在該脈沖序列的上升沿開始存儲波形即實現了觸發存儲的功能。這種觸發方式穩定，故采用了這種方案。

3 硬件設計

如圖1所示，設計了A、B雙通道波形輸入通道，進行A/D轉換后，存儲并顯示在示波器上。波形回放時，將波形進行D/A轉換再由雙通道輸出回放。

如圖2所示，設計了以PCF8591為核心的波形采集回放電路。將其輸出口接在示波器通道上便于觀測波形。AOUT為D/A 轉換輸出端，AIN0～AIN3為A/D的模擬信號輸入端，輸入輸出的地址、控制和數據信號都是通過雙線雙向I2C總線以串行的方式進行傳輸。此外，還設計了回放按鍵，按下按鍵即可進行波形回放。

如圖3所示，液晶顯示屏LCD用來顯示電壓幅值和信號周期。LCD1602數據D0～D7接 AT89S51的P0口，RS＼RW＼E分別接位接AT89S51的P2.0、P2.1、P2.2接口。

如圖4所示，在進行波形采集時要把三角波和正弦波轉換成矩形波。利用LM358將正弦波、三角波轉換成矩形波，將輸出的波形通過PNP三極管，CPU輸出高電平時三極管關斷；CPU輸出低電平時，三極管導通，從而輸出波形。

4 系統軟件設計

電路硬件設計了一個回放鍵，按下時即可依次進入回放已采集的信號狀態，該系統將1ms的采樣波形進行循環回放（重現）。在采集時可改變幅值，并且采集到的數據也會同時在回放的時候變化。在回放時，若按下回放鍵，將停止波形的回放；若按下采集鍵，將終止當前波形的回放，并采集新的波形。如圖5所示，在回放鍵按下時，進行波形回放同時液晶顯示屏顯示波形相關數據。

LCD軟件設計：LCD液晶顯示數據存放在內存單元5EH～6CH中。其中5EH-66H存放LCD上排顯示，67H～6CH存放LCD下排顯示。從P0口輸出數據，由P2.0～P2.1對LCD進行數據操作選擇，就能顯示該地址單元的數據值。

A/D轉換軟件設計：PCF8591采用典型的I2C總線接口器件尋址方法，在進行數據操作時，首先是主控器發出起始信號，然后發出讀尋址字節，被控器做出應答后，主控器從被控器讀出第一個數據字節，主控器發出應答，主控器從被控器讀出第二個數據字節，主控器發出應答，直到主控器從被控器中讀出第n個數據字節，主控器發出非應答信號，最后主控器發出停止信號。

5 結束語

經過軟硬件調試，系統可處理的正弦波信號頻率范圍限定10Hz～10kHz，三角波信號頻率范圍限定在10Hz～2kHz，方波信號頻率范圍限定在10Hz～1kHz。該設計簡單，能穩定實現波形采集存儲以及回放功能，功耗低，體積小，具有一定的應用價值。