張仁民，錢(qián)瑩晶，伍 清

（懷化學(xué)院 物理與信息工程系，湖南 懷化 418008）

波形采集、存儲(chǔ)和回放系統(tǒng)廣泛地應(yīng)用于工業(yè)總線(xiàn)測(cè)試、電力系統(tǒng)、醫(yī)療、教學(xué)科研等領(lǐng)域[1-3]。隨著科技的發(fā)展和應(yīng)用環(huán)境的拓寬，特別是一些特殊的生產(chǎn)、生活場(chǎng)合，傳統(tǒng)的需要外接市電電源的大型測(cè)量?jī)x器（示波器）已經(jīng)不能滿(mǎn)足測(cè)試、調(diào)試、維護(hù)的要求[4]。設(shè)計(jì)和制造一種新型的便攜式的波形采集、存儲(chǔ)和回放系統(tǒng)有重要的工程價(jià)值和實(shí)際意義。

這種設(shè)備的基本特點(diǎn)有：體積小、重量輕、易于攜帶；用電池供電，能連續(xù)工作5 h以上；具有參數(shù)測(cè)量的功能；具有較大的存儲(chǔ)空間；具有多種觸發(fā)方式[5]。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

該系統(tǒng)是一個(gè)手持式雙通道低頻信號(hào)波形采集、存儲(chǔ)回放系統(tǒng)，其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

該系統(tǒng)主要由多通道信號(hào)輸入調(diào)理電路、微處理器、人機(jī)接口、DAC和輸出調(diào)理電路組成。各部分功能和工作流程分配如下：輸入調(diào)理電路主要包括前置放大、衰減及整形變換電路，其中前置放大、衰減是為了保證信號(hào)能合理地被A/D采樣 （滿(mǎn)足采樣范圍和最佳精度），整形變換電路是為了將正弦波變換成為方波信號(hào)以便測(cè)量信號(hào)頻率；微處理器是系統(tǒng)的核心包括系統(tǒng)的控制、數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、處理和參數(shù)的測(cè)量，特別說(shuō)明的是該處理器自帶多通道ADC；人機(jī)接口是為了設(shè)定參數(shù)、功能和顯示測(cè)量數(shù)據(jù)及波形；DAC及低通濾波器是為了很好地還原前端的模擬信號(hào)，濾除信號(hào)中夾帶的高頻成分，在濾波以后，再將信號(hào)進(jìn)行放大和衰減，完全還原輸入信號(hào)的波形。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 輸入信號(hào)調(diào)理電路

輸入調(diào)理電路主要包括前置放大、衰減和整形變換電路兩部分組成。

（1）前置放大、衰減電路

該部分電路采NE5532運(yùn)放及外圍元器件組成，主要是考慮到和單片機(jī)片內(nèi)ADC接口。由于MSP430片內(nèi)的A/D的采樣范圍是0到2.5 V，同時(shí)保證采樣的精度，需要把信號(hào)調(diào)理到500 mV到2.5 V這一范圍內(nèi)[6]。設(shè)計(jì)時(shí)還需要考慮：信號(hào)的極性問(wèn)題，如是雙極性信號(hào)還需要加上加法器；輸入信號(hào)和進(jìn)A/D采集的阻抗問(wèn)題，輸入和輸出均加上射隨器。

（2）整形電路

整形電路是由四部分構(gòu)成：第一部分是放大，第二部分是比較器過(guò)零比較，第三部分是施密特觸發(fā)器電平觸發(fā)，第四部分是電平的調(diào)整。因?yàn)檩斎胄盘?hào)比較小，如果直接送入比較器過(guò)零比較，可能會(huì)存在有錯(cuò)誤的比較輸出，所以前端加了電壓放大。信號(hào)經(jīng)過(guò)放大器以后進(jìn)入由LM311組成的比較器進(jìn)行過(guò)零比較以后，輸出信號(hào)在上升沿和下降沿存在有多次跳變，針對(duì)這種情況在比較器輸出后面加了一個(gè)施密特觸發(fā)器[7]。但是施密特觸發(fā)器輸出的高電平在5 V左右，所以就在后面加了一個(gè)3 V的穩(wěn)壓管和電阻進(jìn)行限流和穩(wěn)定電壓和限制電流輸出。具體電路如圖2所示。

圖2 整形電路

2.2 處理器選擇

該系統(tǒng)為手持式系統(tǒng)，在考慮功能和參數(shù)測(cè)量的基礎(chǔ)上核心問(wèn)題是低功耗的電池供電，而功耗的核心是微處理器。考慮到這一因素，該系統(tǒng)采用MSP430F5438作為信號(hào)處理和控制部分。MSP430是TI公司推出的一款低功耗混合信號(hào)處理器，片內(nèi)有豐富的資源：如該系統(tǒng)必須用到的片內(nèi)定時(shí)器、片內(nèi)A/D、中斷源等，24 MHz主頻。而且TI的單片機(jī)不但功耗低，而且信號(hào)處理能力也較強(qiáng)。所以該系統(tǒng)采用MSP430F5438。

2.3 人機(jī)接口

鍵盤(pán)采用普通的非編碼鍵盤(pán)以控制成本。

考慮到功耗的問(wèn)題，顯示部分采用低功耗的諾基亞顯示屏。該顯示屏工作在非背光模式下，功耗很低，同時(shí)能保持上次顯示的數(shù)據(jù)。只有在數(shù)據(jù)更新的時(shí)候才需重新控制液晶屏，其余的時(shí)間單片機(jī)可以不控制液晶屏。從而可以節(jié)約功耗和節(jié)約單片機(jī)的時(shí)間。諾基亞控制采用軟件模擬SPI進(jìn)行控制，顯示效果良好。

2.4 DAC和輸出調(diào)理電路

由于需要在一定意義上實(shí)現(xiàn)雙通道的同時(shí)采樣和輸出，所以要求處理器的速度足夠快。如果采用串行的D/A芯片，那么在回放的時(shí)候，占用處理器的時(shí)間相當(dāng)多，不可能做到名義上的同時(shí)采集和回放。在回放的時(shí)候占用處理器的時(shí)間最好是能只占用處理器一兩個(gè)時(shí)鐘周期，而且要求該D/A的功耗較低，這樣才能滿(mǎn)足電池供電的要求?？紤]到這些因素，這里采用TI公司的DAC7621[8]。

系統(tǒng)采用兩路D/A實(shí)現(xiàn)雙通道的回放，每一路DAC7621的數(shù)據(jù)位選擇連接MSP430的PA和PE口。D/A與單片機(jī)的連接如圖3所示。

圖3 D/A轉(zhuǎn)換電路

重構(gòu)濾波器采用NE5532構(gòu)成四階低通巴特沃斯濾波器。

3 軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)采樣、存儲(chǔ)、回放、測(cè)頻、測(cè)幅和掉電存儲(chǔ)等功能。系統(tǒng)的軟件部分分為主程序、A/D中斷部分和部分功能程序設(shè)計(jì)。

3.1 主程序設(shè)計(jì)

主程序主要負(fù)責(zé)判斷信號(hào)頻率或信號(hào)類(lèi)型是否發(fā)生變化，因此主程序一直在檢測(cè)外部信號(hào)是否發(fā)生變化。一旦檢測(cè)到外部信號(hào)發(fā)生變化，立即使新數(shù)據(jù)覆蓋到指定地址的Flash中，然后更新回放RAM中的數(shù)據(jù)，最后將新的信號(hào)的參數(shù)送到液晶上顯示。與此同時(shí)，在主程序中還要判斷當(dāng)信號(hào)的頻率過(guò)低時(shí)要改變A/D的采樣速率，以便采集合適數(shù)量的點(diǎn)。其流程如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

3.2 A/D中斷程序

A/D中斷程序負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和回放。當(dāng)進(jìn)入中斷后開(kāi)啟下一次中斷并將這次采到的數(shù)據(jù)保存至存儲(chǔ)RAM中，回放RAM1的數(shù)據(jù)后返回主程序等待下一次中斷。A/D中斷程序流程圖如圖5所示。

圖5 中斷程序流程圖

3.3 功能程序設(shè)計(jì)

3.3.1 信號(hào)頻率與幅度測(cè)量

MSP430F5438片內(nèi)的定時(shí)器自帶捕獲功能[9]。在這種模式下，對(duì)于10 kHz以?xún)?nèi)方波信號(hào)的測(cè)量精度很高，對(duì)于10 kHz以?xún)?nèi)的正弦波測(cè)量精度相對(duì)較低，但也可達(dá)99%。其余周期性信號(hào)如三角波、鋸齒波等周期信號(hào)測(cè)量精度和正弦波的測(cè)量精度相當(dāng)。在本系統(tǒng)中，系統(tǒng)對(duì)頻率的精度要求不是很高<5%，故采用通過(guò)采樣點(diǎn)數(shù)確定當(dāng)前信號(hào)的頻率。而高低電平的幅值通過(guò)比較一個(gè)周期信號(hào)的幅度最大最小值決定。通過(guò)比較一個(gè)周期的八分之一處的幅值確定波形的種類(lèi)，從而決定是否要存儲(chǔ)到Flash中及更新回放RAM的數(shù)據(jù)。做到當(dāng)輸入改變的時(shí)候輸出馬上改變的特點(diǎn)，提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。測(cè)頻、測(cè)幅流程圖流程圖如6所示。

圖6 測(cè)頻測(cè)幅流程圖

3.3.2 信號(hào)單周期采集

由于要連續(xù)回放周期性信號(hào)，只有存儲(chǔ)的波形為周期信號(hào)波形周期的整數(shù)倍的時(shí)候才能不失真地回放出想要的信號(hào)，在實(shí)際操作中只要完整存儲(chǔ)一個(gè)周期的波形信號(hào)即可以無(wú)失真地進(jìn)行回放原信號(hào)。在具體采集過(guò)程中可以通過(guò)所測(cè)信號(hào)的周期和已知的采樣頻率確定當(dāng)前采樣點(diǎn)數(shù)，從而采集得到一個(gè)周期的波形。因?yàn)楸鞠到y(tǒng)中沒(méi)有特意添加測(cè)頻模塊，只能通過(guò)檢測(cè)信號(hào)的幅值確定是否采集到一個(gè)完整周期信號(hào)。具體流程圖如圖7所示。

圖7 信號(hào)單周期采集流程圖

本系統(tǒng)采用 ADI公司的精密集成運(yùn)放 OP07、TI公司的雙運(yùn)放NE5532、TI公司的高速施密特觸發(fā)器SN74LVC1G14進(jìn)行前置信號(hào)調(diào)理電路和整形電路；采用TI公司的低功耗MSP430系列單片機(jī)作為主控制器，其內(nèi)部自帶的ADC對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣；采用TI公司的并行低功耗D/A（DAC7621），有源低通濾波器作為重構(gòu)濾波器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，實(shí)現(xiàn)了對(duì)10 kHz以下方波等信號(hào)的雙通道采集、存儲(chǔ)和回放等功能，系統(tǒng)功耗低、廉價(jià)、穩(wěn)定。

[1]李彤，屈金標(biāo)，李闖.基于物理層的車(chē)載CAN總線(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)[J].四川兵工學(xué)報(bào)，2011（5）：113-114.

[2]苗盈瀛，高艷霞，李南.IGBT參數(shù)辨識(shí)中的波形采集技術(shù)[J].電氣傳動(dòng)自動(dòng)化，2007（2）：34-37.

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[5]魏坤.手持式數(shù)字存儲(chǔ)示波器的制作[DB/OL].http：//www.ourdey.cn，2011-09-12.

[6]Texas Instruments.MSP430F5438 Experimenter Board User′sGuide[DB/OL].http：/www.ti.com，2009-1.

[7]National Semiconductor.Op Amp Circuit Collection[Z].ApplicationNote31，F(xiàn)ebruary 1978.

[8]Texas Instruments.DAC7621 datasheet.http：//www.ti.com.cn/product/cn/DAC7621.

[9]Texas Instruments.MSP430F5438 datasheet.http：//www.ti.com.cn/product/cn/MSP430F5438.