波形的采集存儲與回放系統(tǒng)

隨著電子信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，醫(yī)療、衛(wèi)星、雷達、現(xiàn)代航空等眾多領(lǐng)域都需要實現(xiàn)對數(shù)據(jù)進行存儲，回放等要求，信號的采集、存儲在信息技術(shù)行業(yè)中應(yīng)用的也越來越廣泛。

本設(shè)計采用單片機作為總控制芯片，分別用A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器進行模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換，并將采集到的波形數(shù)據(jù)存儲到Flash存儲器中。按下采集鍵后，該系統(tǒng)對0~+5v變化的波形進行采樣并將采樣的數(shù)據(jù)存儲起來；按下回放鍵后，該系統(tǒng)將采樣波形進行循環(huán)回放；在采集時可改變幅值，并且采集到的數(shù)據(jù)也會同時在回放的時候變化；在回放時，若按下存儲鍵，將停止波形的回放，顯示一條直線；若按下回放鍵，將終止當(dāng)前波形，并采集新的波形。

電子信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，現(xiàn)代航空、雷達、衛(wèi)星、醫(yī)療等眾多領(lǐng)域常常需要對波形進行采集、存儲和回放，波形信號的采集、存儲在信息技術(shù)行業(yè)應(yīng)用的越來越廣泛。從常規(guī)的波形發(fā)生器、波形顯示器到現(xiàn)在的數(shù)碼管顯示液晶等都有了本質(zhì)性的變化。從以前的模擬信號到現(xiàn)在越來越應(yīng)用廣泛的數(shù)字信號，無處不顯示電子信息技術(shù)的快速發(fā)展。所以在波形采集存儲方面也應(yīng)用了更為穩(wěn)定和方便的數(shù)字信號直接進入液晶顯示器的顯示。眾所周知,近幾十年以來,對于高速、海量數(shù)據(jù)的采集、存儲和回放一般都是采用FPGA或者是DSP來處理的。然而FPGA和DSP技術(shù)來處理這些數(shù)據(jù)所需要的功耗是一個很大的麻煩。 然而現(xiàn)在的產(chǎn)品對于功耗的要求越來越苛刻。人們對于產(chǎn)品有兩個顯著的要求，第一：功耗低,耐持久。第二：便攜,最好能隨身攜帶。從而在設(shè)計本系統(tǒng)時，基于數(shù)字存儲示波器的原理，以單片機AT89S52為控制核心通過高速AD對信號的實時采樣。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，一般是由單片機為核心及其一些外圍芯片構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。單片機具有體積小、功耗低、成本低、可靠性高、靈活方便、價廉以及控制功能強特點而得到廣泛的應(yīng)用。基本組成如圖1-1所示。

圖1-1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成

采集系統(tǒng)硬件主要包括傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、單片機、輸入/輸出接口電路等。由單片機作為控制單元的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的工作過程可分為以下幾個步驟：數(shù)據(jù)采集是將被測量的信號轉(zhuǎn)換為能夠被單片機所識別的信號并輸入給單片機；數(shù)據(jù)處理是由單片機執(zhí)行以測試為目的的算法程序后，得到與被測參數(shù)對應(yīng)的測量值或形成相應(yīng)的決策與判斷；數(shù)據(jù)輸出是將處理結(jié)果送給輸出設(shè)備，進行顯示、儲存等操作。

隨著計算機的產(chǎn)生與發(fā)展，電子信息技術(shù)也發(fā)展的越來越快。為了便于人們更快捷的運算，便有了數(shù)字系統(tǒng)。如今數(shù)字系統(tǒng)也被應(yīng)用到國民經(jīng)濟、國防建設(shè)和科學(xué)試驗的各個領(lǐng)域。但是數(shù)字系統(tǒng)只能處理離散的數(shù)字信號，外部世界提供給我們的卻是大量的模擬信號，我們就需要把這些模擬信號轉(zhuǎn)換為便于處理和儲存的數(shù)字信號。作為信息科學(xué)的一個重要分支，數(shù)據(jù)的采集技術(shù)應(yīng)運而生。將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號或者直接來自傳感器的其他數(shù)字信號送往計算機，并進一步予以處理、顯示、傳輸與記錄的過程就成為數(shù)據(jù)采集。

目前國內(nèi)外，在許多應(yīng)用場合，人們需要高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，甚至超高速系統(tǒng)。目前就采集系統(tǒng)的研究有很多種。從計算機并口采集到串口采集，從基于ISA總線的采集系統(tǒng)到基于PCI總線的采集系統(tǒng)，從聲音信號的采集到圖像數(shù)據(jù)的采集都有以下相關(guān)的資料和文獻。并且在設(shè)計方面也有不同的設(shè)計方法，取得了很大的成就。

以后不論是什么，都要朝著簡便、快速的方向發(fā)展，波形的采集、存儲與回放系統(tǒng)也一樣，要越來越簡便，讓別人可以很明確的知道系統(tǒng)的作用、組成等一些只是，而且系統(tǒng)也要功耗低，耐持久，這也就要求本系統(tǒng)里面的元器件更加精煉，對元器件的要求也會增加，將要找到更合適的元器件來代替之前所用的元器件。以后發(fā)展的趨勢會是將系統(tǒng)如何的簡化，而且可以實現(xiàn)更多的功能。

在本設(shè)計系統(tǒng)中，將采用一種基于AT89S52單片機的兩路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計方案，以實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)采集會存儲回放的功能。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖如圖所示：

圖2-1 總體結(jié)構(gòu)圖

各模塊的功能如下：

A/D轉(zhuǎn)換器：將電信號（模擬信號）轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。

D/A轉(zhuǎn)換器：將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號輸出。

A路輸入模塊：采集單極性模擬信號并進行處理，然后輸入到轉(zhuǎn)換器中，進行模數(shù)的轉(zhuǎn)化。

B路輸入模塊：采集雙極性模擬信號并進行處理，然后輸入到轉(zhuǎn)換器中，進行模數(shù)的轉(zhuǎn)化。

液晶顯示模塊：顯示所采集的信號的電壓，幅度等數(shù)值。

(a)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(xù)回放。要求系統(tǒng)輸入阻抗不小于 ，輸出阻抗不大于 。

(b)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 ，周期之差的絕對值 。

(c)本系統(tǒng)處理的正弦波信號頻率范圍限定在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。

(d)預(yù)留電源電流的測試點。

(e)采集與回放時采用示波器監(jiān)視。

(f)采集、回放時顯示的周期和幅度應(yīng)是信號的實際測量值，規(guī)定采用十進制數(shù)字顯示，周期以“ms”為單位，幅度以“V”為單位。

（a）A/D位數(shù)選擇依據(jù)

通用示波器垂直方向共8格，要求每格32級，共有 級。

                                                     （1-1）

因此采用8位A/D以上的即可。

（b）采用頻率選擇依據(jù)

假設(shè)掃描速度為t s/div,每格點數(shù)為n，采樣頻率為 ，則：

                                （1-2）

當(dāng)n=20時，針對不同的掃描速度，可得到不同的采樣頻率。在一定的情況下，掃描速度的改變是通過改變采樣頻率實現(xiàn)的。對于10KHz的正弦波，采樣頻率為1MHz時，每周期可采樣100個點，由采樣值可以很好地恢復(fù)采樣前的信號。因而，選用采樣頻率為1MHz以上的A/D即可滿足單路輸入時對頻率范圍的要求。若考慮到雙路輸入的情況，所需A/D最高采樣頻率應(yīng)為2MHz。因而，應(yīng)選擇采樣頻率為2MHz以下的A/D。

（c）波形回放頻率選擇依據(jù)

顯示屏上顯示的信號是從存儲器中讀出的信號，只要使觀察到的波形不閃爍即可。本設(shè)計中，單通道時刷新頻率為200Hz；雙蹤示波時，每通道刷新頻率為100HZ。通過計算，每秒讀出的點數(shù)為 。即RAM讀出頻率為40KHz，要求D/A轉(zhuǎn)換速率高于40KHz。

本章主要是研究了波形采集存儲與回放系統(tǒng)的大概設(shè)計原理與各個部分模塊的作用，說明了本設(shè)計所要求達到的目標以及為了達到目標所要的技術(shù)指標對整個系統(tǒng)有了一定的了解，并且為以后的著手設(shè)計提供了方便之處。

模擬信號數(shù)字化方式很多，不同的方法有不同的應(yīng)用，采用方式對信號的影響最大。通常采用的方案有：

方案一：等效時間采樣法。采用中高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器，對于頻率較高的周期性信號采用等效時間采樣的方法，即對每個周期僅采樣一個點，經(jīng)過若干個周期后就可對信號各個部分采樣一遍。而這些點可以借助步進延遲方法均勻地分布于信號波形的不同位置。其中步進延遲是每一次采樣比上一次樣點的位置延遲 時間。只要精確控制從觸發(fā)獲得采樣的時間延遲，就能夠準確地恢復(fù)出原始信號。

方案二：實時采樣。實時采樣是在信號存在期間對其采樣。根據(jù)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(nèi)應(yīng)該大于兩個采樣點。為了不失真的恢復(fù)原被測信號，獲得比較好的信號，根據(jù)實踐經(jīng)驗。一個信號周期內(nèi)對信號取23個點進行采樣。

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(shù)與電路較為復(fù)雜。再者，它只限于處理周期信號，而且對單次觸發(fā)采樣無能為力。實時采樣可以實現(xiàn)整個頻段的全速采樣，因此設(shè)計采用實時采樣。

方案一：采用ADC0809的8位單斷模擬輸入信號中的一個進行A/D轉(zhuǎn)換，允許8路模擬量分時輸入，共用一個A/D轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換，可以進行多數(shù)據(jù)采集。而地址鎖存與譯碼電路完成對A、B、C三個地址位進行鎖存和譯碼，轉(zhuǎn)換結(jié)果通過三態(tài)輸出鎖存器存放、輸出。

方案二：PCF8591是具有IIC接口，有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I2C總線。通過時鐘線SCL和數(shù)據(jù)線SDA與單片機之間的數(shù)據(jù)進行傳輸。

經(jīng)比較，我們選擇方案一。

要使屏幕上顯示穩(wěn)定的波形，則需將被測信號本身或者與被測信號有一定時間關(guān)系的觸發(fā)信號加到觸發(fā)電路。觸發(fā)源選擇確定觸發(fā)信號由何處供給。通常有三種觸發(fā)源：內(nèi)觸發(fā)（INT）、電源觸發(fā)（LINE）、外觸發(fā)（EXT）。題目要求選擇內(nèi)觸發(fā)，即使用被測信號作為觸發(fā)信號。

方案一：采用數(shù)字觸發(fā)方式。對波形信號進行采集，將采集到的波形數(shù)據(jù)和觸發(fā)電平（可由鍵盤設(shè)置）進行比較，找到波形在上升過程中大于或等于該觸發(fā)電平的點，即得到觸發(fā)，此時開始對波形進行存儲。因為本來就需要對波形信號進行采集，使用這種方法無需要增加額外的硬件電路，實現(xiàn)方便。但是，對波形每個周期只采集有限個點，不可能每次都能采集到等于觸發(fā)電平的點（這時不得不以大于該電平的值為觸發(fā)電平），從而使觸發(fā)位置不穩(wěn)定，連續(xù)觸發(fā)時輸出波形會有抖動現(xiàn)象。

方案二：采用模擬觸發(fā)方式。通過比較器LM324測波形信號和觸發(fā)電平進行比較，大于觸發(fā)電平時輸出為高電平，小于觸發(fā)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(xiàn)了觸發(fā)存儲的功能。這種觸發(fā)方式穩(wěn)定，故我們采用了這種方案。

輸入電路主要由比較電路和放大電路組成，主要完成對波形的采集、放大。

A路輸入：系統(tǒng)要求A路輸入信號為單極性（0~4V），采集后在ADC0809中進行模數(shù)的轉(zhuǎn)換，計算出相應(yīng)的真正輸入值，從而顯示A路的最大值和最小值。最后輸出送入單片機里面進行采樣。

圖3-1 A路輸入電路圖

系統(tǒng)要求B路輸入信號為雙極性,因此需要將電壓放大至A/D轉(zhuǎn)換器所能判別的范圍內(nèi)，這樣可以提高系統(tǒng)對B路信號的分辨率，同時需要將輸入雙極性信號轉(zhuǎn)換為單極性信號，這樣才能便于AD轉(zhuǎn)換器識辨。

圖3-2 B路輸入電路圖

本系統(tǒng)采用ADC0809作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器。ADC0809引腳圖如下：

圖3-3 ADC0809引腳圖與元件圖

D7-D0：8位數(shù)字量輸出引腳；IN0-IN7：8位模擬量輸入引腳；VCC：+5V工作電壓；GND：地；REF（+）：參考電壓正端；REF（—）：參考電壓負端，兩種信號用于啟動A/D轉(zhuǎn)換；START：A/D轉(zhuǎn)換啟動信號輸入端；ALE：地址鎖存允許信號輸入端；EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號輸出引腳，開始轉(zhuǎn)換時為低電平，當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束時為高電平；OE：輸出允許控制端，用以打開三態(tài)數(shù)據(jù)輸出鎖存器；CLK：時鐘信號輸入端（一般為500KHz）；A、B、C：地址輸入線。

ADC0809對輸入模擬量要求：信號單極性，電壓范圍是0-5V，若信號太小，必須進行放大；輸入的模擬量在轉(zhuǎn)換過程中應(yīng)該保持不變，如若模擬量變化太快，則需在輸入前增加采樣保持電路。

應(yīng)用說明如下：

（a）ADC0809內(nèi)部帶有輸出鎖存器，可以與AT89S52單片機直接相連。

（b）初始化時，使ST和OE信號全為低電平。

（c）送要轉(zhuǎn)換的哪一通道的地址到A，B，C端口上。

（d）在ST端給出一個至少有100ms寬的正脈沖信號。

（e）是否轉(zhuǎn)換完畢，我們根據(jù)EOC信號來判斷。

（f）當(dāng)EOC變?yōu)楦唠娖綍r，這時給OE為高電平，轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)就輸出給單片機了。地址輸入和控制線：4條。ALE為地址鎖存允許輸入線，高電平有效。當(dāng)ALE線為高電平時，地址鎖存與譯碼器將A，B，C三條地址線的地址信號進行鎖存，經(jīng)譯碼后被選中的通道的模擬量進入轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換。A，B和C為地址輸入線，用于選通IN0－IN7上的一路模擬量輸入。

（g）ST為轉(zhuǎn)換啟動信號。當(dāng)ST上跳沿時，所有內(nèi)部寄存器清零；下跳沿時，開始進行A/D轉(zhuǎn)換；在轉(zhuǎn)換期間，ST應(yīng)保持低電平。EOC為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號。當(dāng)EOC為高電平時，表明轉(zhuǎn)換結(jié)束；否則，表明正在進行A/D轉(zhuǎn)換。OE為輸出允許信號，用于控制三條輸出鎖存器向單片機輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。OE＝1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)；OE＝0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻狀態(tài)。D7－D0為數(shù)字量輸出線。

（h）CLK為時鐘輸入信號線。因ADC0809的內(nèi)部沒有時鐘電路，所需時鐘信號必須由外界提供，通常使用頻率為500KHz。

AT89S52是一種帶8K字節(jié)Flash可編程可擦除只讀存儲器（EPROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。AT89S52是一種帶2K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89S52是一種高效微控制器，AT89S52是它的一種精簡版本。AT89S52單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。

與MCS-51兼容,8K字節(jié)可編程閃爍存儲器,壽命：1000寫/擦循環(huán),數(shù)據(jù)保留時間：10年,全靜態(tài)工作：0Hz-33Hz，三級程序存儲器鎖定，128*8位內(nèi)部RAM，32可編程I/O線，三個16位定時器/計數(shù)器，八個中斷源，可編程串行通道，低功耗的閑置和掉電模式，掉電后中斷可喚醒，看門狗定時器，片內(nèi)振蕩器和時鐘電路。

圖3-4 AT89S52最小系統(tǒng)

VCC：供電電壓。

GND：接地。

P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時，P0口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。

P1口：P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。

P2口：P2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。

P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。

P3口：P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。

P3口也可作為AT89S52的一些特殊功能口，如下表所示：

P3.0 RXD（串行輸入口）；P3.1 TXD（串行輸出口）；P3.2 /INT0（外部中斷0）；P3.3 /INT1（外部中斷1）；P3.4 T0（記時器0外部輸入）；P3.5 T1（記時器1外部輸入）；P3.6 /WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）；P3.7 /RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）；P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。

RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。

PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。

EA/VPP：當(dāng)EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時，EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)EA端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。

XTAL1：反相振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。

本系統(tǒng)采用DAC0832作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器。DAC0832引腳圖如圖3-5。

圖3-5 DAC0832的引腳圖與元件圖

D0~D7：數(shù)字信號輸入端；ILE：輸入寄存器允許，高電平有效；CS：片選信號，低電平有效；WR1：寫信號1，低電平有效；XFER：傳送控制信號，低電平有效；WR2：寫信號2，低電平有效；IOUT1、IOUT2：DAC電流輸出端；Rfb：是集成在片內(nèi)的外接運放的反饋電阻；Vref：基準電壓（-10~10V）；Vcc：是源電壓（+5~+15V）；AGND：模擬地；NGND：數(shù)字地，可與AGND接在一起使用。

DAC0832輸出的是電流，一般要求輸出是電壓，所以還必須經(jīng)過一個外接的運算放大器轉(zhuǎn)換成電壓。

第一種方法是使輸入寄存器工作在鎖存狀態(tài)，而DAC寄存器工作在直通狀態(tài)。具體地說，就是使 和 都為低電平，DAC寄存器的鎖存選通端得不到有效電平而直通；此外，使輸入寄存器的控制信號ILE處于高電平、 處于低電平，這樣，當(dāng) 端來一個負脈沖時，就可以完成1次轉(zhuǎn)換。

第二種方法是使輸入寄存器工作在直通狀態(tài)，而DAC寄存器工作在鎖存狀態(tài)。就是使和 為低電平，ILE為高電平，這樣，輸入寄存器的鎖存選通信號處于無效狀態(tài)而直通；當(dāng)和端輸入1個負脈沖時，使得DAC寄存器工作在鎖存狀態(tài)，提供鎖存數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換。

根據(jù)上述對DAC0832的輸入寄存器和DAC寄存器不同的控制方法，DAC0832有如下3種工作方式：

（a）單緩沖方式。單緩沖方式是控制輸入寄存器和DAC寄存器同時接收資料，或者只用輸入寄存器而把DAC寄存器接成直通方式。此方式適用只有一路模擬量輸出或幾路模擬量異步輸出的情形。

（b）雙緩沖方式。雙緩沖方式是先使輸入寄存器接收資料，再控制輸入寄存器的輸出資料到DAC寄存器，即分兩次鎖存輸入資料。此方式適用于多個D/A轉(zhuǎn)換同步輸出的情節(jié)。

（c）直通方式。直通方式是資料不經(jīng)兩級鎖存器鎖存，即，，，均接地，ILE接高電平。此方式適用于連續(xù)反饋控制線路，不過在使用時，必須通過另加I/O接口與CPU連接，以匹配CPU與D/A轉(zhuǎn)換。

（a）分辨率。分辨率是指最小輸出電壓（對應(yīng)于輸入數(shù)字量最低位增1所引起的輸出電壓增量）和最大輸出電壓（對應(yīng)于輸入數(shù)字量所有有效位全為1時的輸出電壓）之比。                           

（b）轉(zhuǎn)換精度。如果不考慮D/A轉(zhuǎn)換的誤差，DAC轉(zhuǎn)換精度就是分辨率的大小，因此，要獲得高精度的D/A轉(zhuǎn)換結(jié)果，首先要選擇有足夠高分辨率的DAC。

（c）非線性誤差。D/A轉(zhuǎn)換器的非線性誤差定義為實際轉(zhuǎn)換特性曲線與理想特性曲線之間的最大偏差，并以該偏差相對于滿量程的百分數(shù)度量。轉(zhuǎn)換器電路設(shè)計一般要求非線性誤差不大于±1/2LSB。

（d）轉(zhuǎn)換速率/建立時間。轉(zhuǎn)換速率實際是由建立時間來反映的。建立時間是指數(shù)字量為滿刻度值（各位全為1）時，DAC的模擬輸出電壓達到某個規(guī)定值（比如，90%滿量程或±1/2LSB滿量程）時所需要的時間。

圖3-6 輸出電路圖

LM324的5管腳與DAC0832的（IOUT2）12管腳相連，LM324的6管腳與DAC0832的（IOUT1）11管腳相連，LM324的7管腳與DAC0832的REF（9）管腳相連.

第一級運算放大器的作用是將DAC0832輸出的電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號V1，第二級運算放大器的作用是將V1通過反向放大電路放大（R2/R1）倍。

圖3-7 LCD1602電路圖

顯示采用的是LCD1602液晶顯示屏，LCD1602是工業(yè)字符型液晶，能夠同時顯示16x02即32個字符。1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號等的點陣型液晶模塊。它由若干個5X7或者5X11等點陣字符位組成，每個點陣字符位都可以顯示一個字符，每位之間有一個點距的間隔，每行之間也有間隔，起到了字符間距和行間距的作用，正因為如此所以它不能很好地顯示圖形（用自定義CGRAM，顯示效果也不好）。

1602LCD是指顯示的內(nèi)容為16X2,即可以顯示兩行，每行16個字符液晶模塊（顯示字符和數(shù)字）。

存儲模塊使用AT24C02存儲數(shù)據(jù)。AT24C02的最小系統(tǒng)如圖3-8，芯片的5、6口分別與單片機的P06、P05接口相連，以便達到數(shù)據(jù)的存儲功能。

圖3-8 AT24C02最小系統(tǒng)

本章在前一章討論分析本系統(tǒng)所要求達到的技術(shù)指標熟悉模塊的基礎(chǔ)上，介紹了系統(tǒng)的硬件方面的知識，有不同的模塊的功能以及它們各自的電路圖、引腳圖，然后著手的是硬件的設(shè)計以及電路的連接問題，和電路的處理問題。

最終能實現(xiàn)同時采集兩路周期信號波形，要求系統(tǒng)斷電恢復(fù)后，能連續(xù)回放已采集的信號，顯示在LCD上。（a）按K1按鍵,依次進入回放已采集的信號狀態(tài)。（b）按下回放鍵后，該系統(tǒng)將采樣波形進行循環(huán)回放（重現(xiàn)）；（c）在采集時可改變幅值，并且采集到的數(shù)據(jù)也會同時在回放的時候變化；（d）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(dāng)前波形的回放，并采集新的波形。

本程序的程序流程圖如下所示：

圖4-1 程序總體流程圖

最終目標是實現(xiàn)同時能夠采集兩路周期信號波形，當(dāng)系統(tǒng)斷電恢復(fù)后，能連續(xù)回放已采集的信號，并且顯示在示波器上。

（a）按按鍵,進入采集信號狀態(tài)。

（b）按下回放鍵后，該系統(tǒng)將所采樣波形進行循環(huán)回放；

（c）在采集時可改變幅值和頻率，并且采集到的數(shù)據(jù)也會同時在回放的時候變化；

（d）在回放時，若按下存儲鍵，將停止當(dāng)前波形的回放并且示波器上顯示直線,若按下回放鍵，即采集到新的波形。

（e）能夠?qū)崿F(xiàn)方波、三角波以及正弦波的采集和回放。

模擬信號通過信號調(diào)理模塊（阻抗變換、固定衰減/放大、觸發(fā)電路）將模擬信號的幅值大小調(diào)理到高速AD的輸入范圍0~3.3V。同時，兩路信號經(jīng)比較器得到方波，送處理器AT89S52進行測頻。處理器測得輸入信號頻率后控制內(nèi)部AD以輸入信號頻率的80倍速率采樣。在AT89S52內(nèi)部增加波形存儲控制模塊，當(dāng)滿足觸發(fā)條件時ARM對AD轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)進行存儲。

首先，“開始”部分是將程序內(nèi)容進行初始化，設(shè)定需采集數(shù)據(jù)的存儲首地址。

“采集存儲”部分啟動對輸入信號的A/D轉(zhuǎn)換、執(zhí)行延時程序等待轉(zhuǎn)換結(jié)束、取回轉(zhuǎn)換結(jié)果并存儲和存儲器地址加1，為下次存儲做準備等程序。

其次，判斷是否有觸發(fā)。該課題設(shè)計采用單次觸發(fā)方式，即可以按下設(shè)定的功能鍵，在滿足觸發(fā)條件后，進行一次采集存儲。

最后，通過設(shè)定初始地址，連續(xù)輸出存儲的數(shù)據(jù)，顯示存儲的波形。

Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過一個集成開發(fā)環(huán)境（UVISION）將這些組合在一起。

Keil有以下幾個特點：

（a）全功能的源代碼編輯器。

（b）器件庫用來配置開發(fā)工具設(shè)置。

（c）項目管理器用來創(chuàng)建和維護用戶的項目。

（d）集成的MAKE工具可以匯編、編譯和連接用戶嵌入式應(yīng)用。

（e）所有開發(fā)工具的設(shè)置都是對話框形式的。

（f）真正的源代碼級的對CPU和外圍器件的調(diào)試器。

（g）高級GDI（AGDI）接口用來在目標硬件上進行軟件調(diào)試以及和Monitor-51進行通信。

主程序循環(huán)調(diào)用的主要程序有：LCD顯示子程序、按鍵處理、周期處理、幅度處理、二進制到ASCII碼轉(zhuǎn)換、Flash存儲等程序，當(dāng)端口上電時，轉(zhuǎn)入相應(yīng)功能程序。

圖4-2 主程序流程圖

    系統(tǒng)開始工作的時候，整個系統(tǒng)就開始初始化，包括液晶還有A/D、D/A轉(zhuǎn)換器，都會進行初始化，然后系統(tǒng)會開始按鍵掃描，當(dāng)我們按下采集按鍵的時候，會掃描到按鍵的電平發(fā)生改變，之后就會進行采集處理，當(dāng)采集完成后，會產(chǎn)生一個EOC有效信號，之后則會對采集好的波形進行存儲，但是如果沒有得到有效的EOC信號，則會繼續(xù)采集。然后系統(tǒng)繼續(xù)掃描按鍵，當(dāng)掃描到回放按鍵有電平變化的時候就會進行回放的處理，沒有回放則會繼續(xù)進行采集。

圖4-3 LCD應(yīng)用的流程圖

按鍵子程序：定義IOB4、IOB6分別為通道的采集按鍵與回放按鍵；IOB5為選擇通道按鍵。

圖4-4 按鍵應(yīng)用流程圖

圖4-5 回放子程序流程圖

首先系統(tǒng)會分別為A、B兩通道設(shè)置數(shù)據(jù)指針，初始的數(shù)據(jù)個數(shù)為0，當(dāng)A通道進行波形的采集的時候，則會讀取數(shù)據(jù)，然后送到DA1中，這樣數(shù)據(jù)個數(shù)加1，不斷的累計，知道檢測到輸出的數(shù)據(jù)滿1024的時候會回放采集波形。

圖4-6 采集并存儲子程序流程

    對于采集的部分，系統(tǒng)首先判斷出是A通道還是B通道進行的采集，之后再選擇不同的通道設(shè)置DPTR，如果有信號的出入，則啟動A/D轉(zhuǎn)換器，在AD轉(zhuǎn)換結(jié)束的時候會產(chǎn)生一個狀態(tài)信號，系統(tǒng)這時檢測如果發(fā)現(xiàn)EOC有效，會讀取AD轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，精心存儲，反之如果沒有檢測到有效的EOC信號，則會繼續(xù)進行采集命令，知道可以達到存儲條件為止。

圖4-5 存儲處理應(yīng)用流程圖

本章分別介紹了系統(tǒng)的軟件方面的設(shè)計，分為不同的模塊設(shè)計，也是整個系統(tǒng)看起來比較易懂。如果出現(xiàn)問題的話，也可以在相應(yīng)的模塊上去發(fā)現(xiàn)問題。

表5-1 測試儀器

連接各部分電路，分別對A、B通道進行設(shè)計要求的測試。

（1）輸入、輸出阻抗：通過在輸入、輸出口并上相應(yīng)電阻觀看回放出來的波形幅度變化，從而得出答案輸入、輸出阻抗分別小于 、 電阻，滿足題目要求。

（2）A通道輸出電壓、頻率有效值測量：從A輸入端輸入單極性0~4V、10Hz~10kHz正弦波，經(jīng)采樣、儲存再斷電后再上電回放的測試數(shù)據(jù)如表5-2，測量數(shù)據(jù)結(jié)果顯示基本上滿足了設(shè)計要求。

表5-2 正弦波測試數(shù)據(jù)

（3）B通道輸出電壓、頻率有效值測量：從B輸入端輸入雙極性、電壓峰峰值為 、頻率為10Hz~10kHz正弦波，經(jīng)采樣、儲存再斷電后再上電回放的測試數(shù)據(jù)如表5-3所示，測量數(shù)據(jù)結(jié)果顯示基本上滿足了設(shè)計要求。

表5-3 正弦波測試數(shù)據(jù)

（4）A通道輸出電壓、頻率有效值測量：從A輸入端輸入單極性0~4V、10Hz~2kHz三角波，經(jīng)采樣、儲存再斷電后再上電回放的測試數(shù)據(jù)如表5-4所示，測量數(shù)據(jù)結(jié)果顯示基本上滿足了設(shè)計要求。

表5-4 三角波測試數(shù)據(jù)

（5）B通道輸出電壓、頻率有效值測量：從B輸入端輸入雙極性、電壓峰峰值為 、頻率為10Hz~2kHz三角波，經(jīng)采樣、儲存再斷電后再上電回放的測試數(shù)據(jù)如表5-5所示，測量數(shù)據(jù)結(jié)果顯示基本上滿足了設(shè)計要求。

表5-5 三角波測試數(shù)據(jù)

(6) A通道輸出電壓、頻率有效值測量：從A輸入端輸入單極性0~4V、10Hz ~1kHz方波，經(jīng)采樣、儲存再斷電后再上電回放的測試數(shù)據(jù)如表5-6所示，測量數(shù)據(jù)結(jié)果顯示基本上滿足了設(shè)計要求。

表5-6 方波測試數(shù)據(jù)

(7)從B輸入端輸入雙極性、電壓峰峰值為、頻率為10Hz ~1kHz方波，

表5-7 方波測試數(shù)據(jù)

經(jīng)采樣、儲存再斷電后再上電回放的測試數(shù)據(jù)如表5-7所示，測量數(shù)據(jù)結(jié)果顯示基本上滿足了設(shè)計要求。

（8）用萬用表對系統(tǒng)功耗進行測試，現(xiàn)在待測點測出電壓，再串入測的電流由 的系統(tǒng)功耗大于 ，沒有滿足設(shè)計要求。

我們測量的誤差主要來源是程序設(shè)計上，由于能力有限，設(shè)計程序時計算的精度還不很高而導(dǎo)致。而功耗沒有滿足設(shè)計要求是因為輸入和輸出電路采用了較多的分離原件，我們是已犧牲功耗這一項而使的整個系統(tǒng)電路簡單。

還有就是在焊電路板的時候，在排線的問題是上有比較大的問題。把元器件的引腳都焊的比較近，所以可能在整個電路上有些問題。

整個系統(tǒng)在程序設(shè)計和調(diào)試中遇到的問題比較多，需要一一考慮清楚，采用合理的方法解決。本系統(tǒng)為波形采集、存儲與回放系統(tǒng)，程序上需要考慮怎樣把輸入進來的的模擬信號進行采集轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后存儲起來，后又將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號回放出來的問題，這是最主要的；模擬設(shè)計就是輸入、輸出電路的設(shè)計，輸入電路要求單極性A通道輸入的4V電壓和雙極性B通道輸入的峰值都轉(zhuǎn)換成約2V再輸入到主控電路里進行A/D轉(zhuǎn)換、采集、存儲、D/A轉(zhuǎn)換，D/A轉(zhuǎn)換后從主控電路輸出再由輸出電路進行放大實現(xiàn)回放輸出采集進來的信號。由于采用的是AT89S52單片機，所以還要采用外部的A/D和D/A轉(zhuǎn)化器，以及AT24C02的存儲器，這樣的話使得外圍電路比較復(fù)雜，還是花了很多時間，最終在老師的指導(dǎo)及同組人共同努力下基本通過調(diào)試設(shè)計，把最難的程序設(shè)計完成了。

但是在設(shè)計的過程中還是有不少的問題，比如說電路的設(shè)計、單雙極性的轉(zhuǎn)換、以及在編程方面還是存在著很多毛病。

經(jīng)過測試，系統(tǒng)采集不同種類不同范圍的波形，經(jīng)系統(tǒng)斷電恢復(fù)后的回放波形與實際的有一點點差距，正弦波差距隨著頻率的增加差距較為明顯。這主要是程序算法不夠精確。

本人在這里只是實現(xiàn)了波形采集、存儲與回放系統(tǒng)的初步設(shè)計，它還可以進行功能的擴展，在已經(jīng)完成的基礎(chǔ)上，提高系統(tǒng)的智能性，使得適用本系統(tǒng)能采集、存儲與回放頻率更高及更準確的任意波形。

下面我將對自己在畢業(yè)設(shè)計過程中一些印象深刻的東西做些簡單的闡述。
              (1)分析題目確定設(shè)計方案。在分析題目的過程中一定要多查資料多聽取老師同學(xué)的意見，盡量站在別人的肩膀上少走彎路。對所選的題目也大概有了一些了解，下一步就是在這樣一個基礎(chǔ)上，綜合已有的資料來更透徹的分析題目。分析一下題目屬于哪種類型，因為題目類型一般情況下分為兩大類：一類是研究型的，即只是理論上的設(shè)想和創(chuàng)新，目前幾乎沒有人研究出可以實用的東西，另一類是應(yīng)用型的，即可以編寫出程序源代碼的，能夠做出實際的、具體實現(xiàn)的東西，這在各個領(lǐng)域是很有前途的，這類題目也比較多。我的畢業(yè)設(shè)計的題目就屬于后一種了。題目類型確定后，就要仔細研究這個題目在哪些方面是還沒有完全發(fā)揮潛力的，然后確定一個具體的方向，那么就可以動工了。

(2)查閱資料。上網(wǎng)查資料是必不可少的，目前各大搜索引擎都推出有自己特色的搜索服務(wù)，一定要找到適合自己的東西。好的開端就相當(dāng)于成功了一半，因此資料是否全面、是否可靠，關(guān)系到整個畢業(yè)設(shè)計的進程。資料的查找方式有很多種，網(wǎng)上的信息包羅萬象，可以通過各個搜索引擎進行搜索，還有老師介紹的專門的論文期刊網(wǎng)，搜索時通過某個關(guān)鍵字段或幾個關(guān)鍵字進行搜索，搜索出許多站點然后進行篩選和查詢，關(guān)鍵字段的確定很重要，選錯了自然白白浪費了時間。我一開始的時候就開始鉆牛角尖，吃了很大的虧。搜索了很長時間，也沒什么進展，感到非常迷茫、苦惱，心想真是很郁悶我就請教老師和同學(xué)，在大家的幫助下，終于使自己從迷茫中走出來。另外，到圖書館、書店、資料室去雖說是比較原始的方式，但也有可取之處的。總之，不管通過哪種方式查的資料都是有利用價值的，要一一記錄下來以備后用。

(3)學(xué)習(xí)的能力。明確了問題并且分析了題目然后就是如何實現(xiàn)的問題了。這個時候?qū)W習(xí)能力顯得特別的重要。如何通過自己的努力把不明白的東西搞明白，這對學(xué)習(xí)的能力有很高的要求。接著自己開始編寫簡單的程序來檢驗一下學(xué)習(xí)的效果，理論學(xué)習(xí)和工作實際緊密結(jié)合起來，互相參照，學(xué)習(xí)進展快，掌握牢，可以取得事半功倍的效果。應(yīng)該根據(jù)自己的知識結(jié)構(gòu)和水平確定一個合理的攻關(guān)順序，并大體上擬定一個進度表，根據(jù)自己完成的情況進行調(diào)整，如果碰到不理解的概念、原理和方法，給學(xué)習(xí)帶來困難，甚至無法做下去的時候，就要和導(dǎo)師進行溝通，也許老師的一句話就會給自己很多的啟示。

(4)要實際動手，防止眼高手底。很多事情想起來是一回事真正做起來就不是那么簡單了,一定要有恒心,這樣才能克服困難,這點我深有體會。在剛開始的一個月里認為畢業(yè)設(shè)計已經(jīng)基本結(jié)束，因為想的比較簡單，而且考慮的不夠全面。但是隨著工作的進展，很多問題就暴露出來了。軟件比想象的要復(fù)雜的多，整天編程序搞的頭都大了，后來休息調(diào)整后才算是順利的完成了任務(wù)。

以上就是我的一些心得，現(xiàn)實比想象的要困難比較多。只有在實際動手的過程中才會學(xué)到很多知識。想起了一句話：在實踐中檢驗真理并發(fā)展真理。在設(shè)計過程中，我通過查閱大量有關(guān)資料，與同學(xué)交流經(jīng)驗和自學(xué)，并向老師請教等方式，使自己學(xué)到了不少知識，也經(jīng)歷了不少艱辛，但收獲同樣巨大。在整個設(shè)計過程中我懂得了許多東西，也培養(yǎng)了我獨立工作的能力，樹立了對自己工作能力的信心，相信會對今后的學(xué)習(xí)工作生活有非常重要的影響。而且大大提高了動手的能力，使我充分體會到了在創(chuàng)造過程中的探索的艱難和成功的喜悅。在這個過程中我學(xué)習(xí)到了很多東西，這些肯定會伴隨我的一生，認識到了自己需要提高的地方還很多，自己還需要用以后的時間來不斷學(xué)習(xí)不斷提高。

本論文的工作是在指導(dǎo)老師張俊濤老師的悉心指導(dǎo)下完成的，張俊濤老師嚴謹?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和科學(xué)的工作方法給了我極大的幫助和影響。在此衷心感謝張俊濤老師對我的關(guān)心和指導(dǎo)。

張俊濤老師在畢業(yè)設(shè)計上給我們幫助，悉心指導(dǎo)我們完成了畢業(yè)論文工作，在學(xué)習(xí)上和生活上都給予了我很大的關(guān)心和幫助，在此向張俊濤老師表示衷心的謝意。

張俊濤老師對于我的論文提出了許多的寶貴意見，在此表示衷心的感謝。

另外還要感謝師母陳曉莉老師對我的幫助，在張老師有事無法給我指導(dǎo)的情況下，陳老師也在電路圖的方面給予了我很大的幫助，在此也要向陳曉莉老師表示衷心的謝意。