第6章 附加于普通模拟示波器的多功能智能装置.ppt

1、单片机应用系统设计,第六章 附加于普通模拟示波器 的多功能智能装置,6.1 引言 6.2 多功能智能装置的系统设计要求与设计方案 6.3 主控模块设计 6.4 人机界面与参数设计开关量信号模块设计 6.5 信号输入通道与信号采样模块的设计 6.6 信号复现模块的设计 6.7 数据通信借口模块 6.8 容错设计原理及其实现,单片机应用系统设计,示波器作为一种十分有效的信号测试、调试工具，已从20 世纪五六十年代的电子管示波器，发展到目前功能齐全、性能先进的多种数字示波器。,6.1 引言,单片机应用系统设计,国内还普遍使用各种传统模拟示波器。尽管模拟示波器在技 术上已非常成熟，但存在以下缺陷: 模

2、拟示波器普遍采用分立元件 由于模拟示波器采用模拟电路，温度漂移、蠕动等问题无法从根本上得到解决，不可避免地会出现稳定性差等可靠性方面的问题。 由于模拟示波器无智能或智能化程度低，操作繁琐，使用不便。 对非实验条件下的单次脉冲等信号的测试，模拟示波器显得无能为力。 目的：开发一种具有信号采集、存储、重现及其分析处理功能的 智能化装置，作为普通模拟示波器的扩展部分，以此增强模拟示波 器的功能。,单片机应用系统设计,6.2 多功能智能装置的系统设计要求与设计方案,6.2.1 系统设计任务与要求 6.2.2 系统总体方案的设计,单片机应用系统设计,具体设计要求如下： 被测信号与极性 要求能采集10 k

3、Hz 以下各种周期和非周期低频信号，具有自动触发采样、手动采样2 种方式。信号极性选择： 直流：用于选择被采样信号为纯直流，或虽有交流分 量，但幅值小于直流分量的信号 交流：用于输入信号中交流分量幅值可能超过直流分量的情况。,6.2.1 系统设计任务与要求,单片机应用系统设计,2 信号存储 采样后的信号既能存储于具有掉电保护功能的RAM 介质中，又能发送到PC机，以磁盘文件形式保存。RAM 的容量为8 KB 。 3 信号复现为了便于分析处理，要求采样后的信号能借助于模拟示波器的CRT 以下方式显示： 固定显示：将采集的波形完整地显示出来，即将1024 点数据1 次显示在CRT 上。 分页显示：

4、将存储的波形数据按每页256 点分4 页显示，每页保持4s ，在示波器CRT的右上角同时显示页号。 滑移显示：将存储的波形数据自右向左平滑显示，屏上波形宽为256B ，并可有暂停控制功能。,单片机应用系统设计,4 数据处理 被采集后的信号要求能采用2 种方式进行分析处理： 以汉字形式在示波器上显示被采样单次脉冲波形的峰值、均值及脉宽，周期波形的周期、峰值。 通过RS-232C 串行通信口将波形数据送往PC 机模拟显示、打印以及快速傅里叶变换（FFT ）分析等。 5 容错能力容错能力通过2 种方式实现： 系统上电自检 检0 与校正,单片机应用系统设计,6.2.2 系统总体方案的设计,总体方案 按

5、照设计要求，作为一种附加装置应在保证 实现基本功能的基础上，尽可能降低系统成本。按照系统设计要求，整个系统可从功能上划 分为5 大模块。,单片机应用系统设计,由于设计要求系统能独立运行并能到测试现场采集信号，主控模块应当是以单片机为核心的最小系统。由于MCS-51 单片机具有扩展性强等特点，本系统采用MCS-51 系列单片机。根据系统设计要求，监控软件的大小应该不超过8 KB ，因此，采用ATMEL的89C52 单片机。该型号单片机内部集成了8 KB 的电可擦除E EPROM 程序存储器，采用CMOS 工艺，功耗低，非常适合嵌入式应用场合。外部扩展8KB信号，即可满足数据容量要求。为了适合系统

6、的便携性要求，必须设计数据的掉电保护电路考虑功耗问题，以适应电池供电的状况。, 主控制模块,单片机应用系统设计,由于系统对信号频宽的要求等综合因素，同时为了减少软件的工作量，用于人机交流的人机模块主要是一些系统参数的设定开关，以及用于系统运行状态的必要指示的发光二极管。, 人机界面接口,单片机应用系统设计,信号输入通道即前向通道，主要负责对模拟信号的采样。在该模块中，核心是模拟信号的A / D 转换。A / D 的方式主要有并行式A / D 、串行式A / D 以及积分式A / D 等。积分式A / D 的转换周期一般为几十ms ，速率低，不适合系统频率响应要求。由于系统必须外部扩展数据存储单

7、元，因而必须使用外部总线，因此该系统宜采用并行式A / D 转换。考虑到系统对采样周期较高的要求，前向通道必须设计信号采样保持环节。, 信号输入通道,单片机应用系统设计,信号复现模块即后向通道，主要负责将采集的数据还原为模拟信号在该模块中，核心是D / A 转换。 由于系统作为模拟示波器的附加装置，毫无疑问地要借助于示波器的CRT 作为显示还原后的信号及定量参数的界面；因此必须采用双通道，以适应示波器X, Y 通道结构和同步的需要。 为了适应设计要求中一屏显示的需要，必须设计另外一个X 通道，称之为X 通道。在该模块中设计作为横向扫描通道的X 通道的原因，还在于普通模拟示波器往往存在稳定性较差

8、的问题。系统专门设计了用以产生同步锯齿波的X 通道。, 信号复现模块,单片机应用系统设计,该装置设计了与上位PC 机通信的通信接口模块：单片机组成的系统对数据的处理能力相对较弱为了对采集的数据做进一步分析处理系统对通信无实时性要求，因此采用RS-232C 串行通信。 利用PC 机强大的数据处理能力，可以方便地进行FFT 等定量分析处理，以便对信号进行进一步的研究。 FFT变换的好处：在时域处理图像并不能得到很好的结果，需要把图像转化到频域空间去处理。 在频域空间里，Fourier 变换具有很好的性质，使我们能够定量地分析诸如数字化系统、采样点、电子放大器、卷积滤波器、噪声、显示点等的作用。,

9、数据通信接口,单片机应用系统设计,2 系统框架的确定,系统功能框图,单片机应用系统设计,6.3 主控模块设计,6.3.1 主控模块硬件设计6.3.2 软件结构及程序设计,单片机应用系统设计,6.3.1 主控模块硬件设计,特点： 与MCS 一51 产品兼容； 8KB 的在线可重复编程闪烁存储器 寿命：1 000 次写擦除周期， 数据保存期：10 年； 宽工作电压范围：Vcc = 2 . 7 6V ; 全静态工作方式：0 24 MHz ; 3 级程序存储器锁定；,256X8 位内部RAM ; 32 条可编程1 / 0 口线； 3 个16 位定时计数器； 5 个中断源； 可编程串行中断； 低功耗的闲

10、置与掉电模式。,1 . 89C52单片机由ATMEL 公司生产的此型号的单片机是一种低功耗、高性能的8 位CMOS 微处理器芯片。,单片机应用系统设计,根据系统设计要求，89C52 单片机最小系统： 8 KB RAM 复位电路 地址译码电路 时钟电路 复位电路,2 最小系统设计,单片机应用系统设计,主模块原理图,单片机应用系统设计,( 1 ) 片内RAM 单元的分配 2EH.0 中断诊断标志； F0 自检出口标志； 30H 当前显示字符代码； 31H 当前显示字符原点X 坐标； 32H 当前显示字符原点Y 坐标； 33H 当前显示字符点阵数据在字库中存放单元地址高字节； 34H 当前显示字符点

11、阵数据在字库中存放单元地址低字节； 35H 各采样数据中的极大值二进制数； 36H 各采样数据中的极大值二进制数整数部分； 37H 各采样数据中的极大值二进制数小数部分； 38H 采样信号宽度计算值低字节；,3 系统资源使用分配,单片机应用系统设计,39H 采样信号宽度计算值高字节； 3AH 存储指针低字节；3BH 存储指针高字节； 3CH 采样周期定时时间常数低字节； 3DH 采样周期定时时间常数高字节； 3EH 采样周期定时标志 40H43H 数据运算暂存单元； 45H 定时器T1定时时间常数低字节； 46H 定时器T2定时时间常数低字节； 48H49H 冷热启动标志； 50H 堆栈区；,

12、单片机应用系统设计,外部扩展的RAM区容量为8KB，其中系统只是用了2KB： 0000H0018H 显示字符代码； 0019H 采样周期标志； 001AH 分压衰减比标志； 0020H 采样数据存储区； A/D转换接口电路片选信号：2000H3FFFFH D/A转换接口电路片选信号：X轴：4000H5FFFFHY轴：6000H7FFFFH D/A转换接口数据传输选通信号：第一级：0A000H0BFFFH第二级：8000H9FFFFH 显示方式读取选通信号：0C000H0DFFFH； 电压分压衰减标志读取选通信号：0E00H0FFFFH；,(2) 片外扩展RAM 单元与 接口电路的地址分配,单片

13、机应用系统设计,外部扩展RAM 单元采用CMOS 工艺的6264 芯片。配合系统功耗要求，适应电池供电的需要；芯片也充分考虑了掉电保护的需要，具有双片选结构。系统的掉电保护比较特殊，当采样周期开关打在“9 ”档时，则表示不采样数据，系统转入掉电保护状态。 ( l ) 数据掉电保护的实质 单片机应用系统存储在RAM 中的数据在系统主电源失效或撤消的情况下，能有效地保存下来，以便主电源恢复后使用的一种措施。RAM 介质数据掉电保护的实质是，在主电源失效的全过程中和失效期间使数据不被改写并维持下来。具体地说有2 个方面： 封锁失效过程和失效期间的写操作； 维持系统主电源失效后RAM 介质的电源，以保

14、存数据不被挥发。,4 数据的掉电保护,单片机应用系统设计,数据掉电保护采用的方法： 采用EEPROM 介质或FIASH 介质等新型介质，作为数据的存储介质，代替单片机应用系统原来采用的传统的RAM 介质。 采用传统RAM 介质，但采用新型的掉电保护电路，实现数据的掉电保护。一般来说，常采用电源监视芯片来实现，如MAX813L 或IMP 公司的IMP805L 。 直接采用封装的不挥发掉电保护芯片代替“RAM 掉电保护电路”。本系统采用第2 种方法。,(2) 数据掉电保护的实现方式,单片机应用系统设计,IMP805L 是用于电源监视和控制电路。它有4 个功能： 复位控制：在上电和断电时微处理器的V

15、cc 复位门限为4 . 40V 或4 .65V ; 看门狗监视：看门狗定时器对微处理器的响应为1.65 s; 备用电池切换：如果Vcc 失效，单刀双掷（SPDT ) PMOS 开关将备用电源接到RAM; 电源失效监视：用于掉电或通用电压监视的1 . 25V 门限检测器。除了在上电和断电条件下的微处理器复位外，该器件还提供备用电池切换功能，以维持对掉电和电压降低的控制。附加的监控能力可以对不规则的电源掉电在稳压电源降落以前，提供一个早期的警告。 当电源电压降落到4.40V （或4.65V ）时，IMP805L产生一个高电平有效的复位脉冲，电源失效的精度为士2 。,(3) 电源监视芯片IMP805

16、L 与数据保护,单片机应用系统设计,IMP805L与MAXIM 同型号比较： IMP805L 可以减少功耗70 %，这些器件也同时具有短路保护和过热保护;较MAXIM 的电流小70 % ，最大100 A; RESET 工作至1 .1V 。 IMP805L 是用于： 嵌入式控制系统； 电池工作的系统； 智能仪表； 无线通信系统；PDAs 及手持设备； P C 电源监控。,IMP805L 引脚图,单片机应用系统设计,IMP8051 引脚功能,单片机应用系统设计,备用电池电压选择：虽然大多数满足4 .80 V要求的电池是可采用的，但锂电池由于它的高容量和很低的“自放电率”，成为很好的备用电源 。PF

17、I 功能可以提供一个电源失效的早期检测： 通过在备用电池切换电路感知稳压电路的电压变化之前，检测到未稳压的DC 电压变化来达到的。PFI 引脚与内部基准1.25V 比较如果在PFI 引脚上的电压低于这个基准电压，则PFO 引脚变为低电平。通过检测未稳压，微处理器系统可以应付即将来临的掉电。由于本系统要求进行保护的掉电状态是人为掌握的，因此，系统只要在掉电过程中和期间封锁RAM 的读写并及时切换上备用电源即可，没有必要用中断方式将数据转移。这里将IMP805L 的PFO输出作为6264 的第2 片选CS。,单片机应用系统设计,主程序框架,6. 3. 2 软件结构及程序设计,单片机应用系统设计,6

18、.4 人机界面与参数 设定开关量信号模块设计,6.4.1 人机界面与参数设定开关量信号电路设计,单片机应用系统设计,单片机应用系统作为智能系统，应当为用户提供一个友善的人机界面。人机界面包含2 个方面的内容： 系统从操作者那里得到各种控制命令和参数； 将各种结果包括中间结果、出错告警等信息输出给操作者。人机界面的功能是由软硬件配合实现的。由于本系统的特点，人机界面设计的重点主要在于按键、声光指示以及借助于示波器CRT 以实现系统的自检结果提示、各种结果输出等方面。,6.4.1 人机界面与参数设定 开关量信号电路设计,单片机应用系统设计,主要介绍开关电路设计 1 显示方式设定电路与衰减分压设定电

19、路 这部分电路共用P1 口的高4 位，采用四2 选一TTL芯片74HC298 。由译码器输出HC298-1与HC298-2 切换，软件读取后判断。 由于系统要求衰减分压为6 档，因此设定电路如直接采用口线方式，则需要6 条口线；而系统已无法满足，这里采用了一个8-3 优先编码器电路，对分压设定输入信号进行编码，送往74HC298 。所有信号采用低电平有效方式，可提高系统抗干扰能力。原理见下图。,单片机应用系统设计,部分人机界面接口电路,单片机应用系统设计,2 采样周期选择电路 采样周期选择开关量输入电路的核心是8421BCD 拨码盘。BCD 拨码盘的码元可拨定为09 。利用Pl 口的低4 位口

20、线，由软件读取后根据BCD 码的组合情况，即可区分10 种采样周期的设定情况。 3 手动自动采样触发信号产生电路 设计本电路的目的是适应各种被采样信号的需要。在工程测试中，被测信号一般分为2 类： 可人为掌握的信号：手动方式控制采集 带有偶发性的不可重复的信号：用自动触发方式自动触发方式的本质是判断信号是否过0，一旦过0则产生触发脉冲启动采集过程，以保证信号被及时捕捉到。,单片机应用系统设计,本电路的功能主要由4 比较器L M339 实现。图中S2 为自动手动选择开关，上档为手动，下档为自动；SW 为手动开关，按1 次启动1 次数据采集过程。平时INT0 为高电平，在手动方式下按一下SW 或自

21、动方式下IN 信号过0 ，均会使比较器产生从“高”到“低”的跳变，从而引起外中断INT0。启动采集过程。 输入信号IN 经一级电压跟随，输入阻抗极高。比较器的0 点可根据实际情况调整。,手动自动触发信号产生电路,单片机应用系统设计,6.5 信号输入通道与信号 采样模块的设计,6.5.1 A / D 芯片的选用及说明 6.5.2 信号采样模块电路的设计 6.5.3 信号采样模块中的采集软件设计,单片机应用系统设计,分析：从国外数字示波器的现状看，其工作频率范围达到几十MHz，甚至更高 ，但不适合。由于单片机选的89C52 ，工作主频选为12 MHz ，一个机器周期为1 s 。由于数据采样后有个转

22、存至RAM 的过程，必然会占用不少机时，最低限也要有15 20 s；因此，从成本和实际情况出发，数模转换芯片的转换速率不宜选择太高。,6.5.1 A / D 芯片的选用及说明,单片机应用系统设计,如果要提高频宽的话，还必须有其他复杂的硬件加以支持， 如采用光电耦合存储器（CCD ) ，或者采用多通道分时转换（即一旦某一通道采样转换完成后，用读信号读该通道的转换数据并触发下一通道转换的启动）。考虑到硬件工艺的复杂性，从性价比这个角度出发，本装置选用了比较适中的数模转换芯片AD670。AD670模拟数字转换器是一种完整的8 位信号处理逐次逼近模拟数字转换器。它是由仪表放大器、DAC 、比较器、逐次

23、逼近寄存器（SAR）、精密基准电压源及3 态输出缓冲器组成，并集成在一块单片上。AD670 输入级提供了良好的共模抑制，使之可以和各种传感器连接。器件的输入量程电路使转换器具有4 级输入范围：0 255V ( 1 mV / LSB ）和02.55SV ( 10 mV / LSB ）。输入端电压转换为电流是由片上的仪表放大器来完成的。差分输入是放大的传感器信号和共模电压叠加在一起的信号。,单片机应用系统设计,AD670综合了先进的电路设计和工艺逐次逼近功能是用集成注入逻辑实现的 。其主要性能如下： AD670是具有3态输出的完整的8位A/D ，可和8位数据总线直接连接； 输入级为一个具有良好共模

24、抑制的差分仪表运算放大器，这就使得它无须预放大就可直接与传感器连接； 无需用户调整即具有8位精度性能； 工作电源电压为+5V，使D670可和微处理器共用一个电源； 经过内部电阻分压，AD670具有4级输入范围：0255V (1mV/LSB）和0 2.55V (10 mV/LSB)； 软件控制输出模式，用户可以很方便地选择单极性或双极性输入、二进制原码或2的补码输出。,单片机应用系统设计,AD670功能说明如下 : DlD7 8 位数字量输出端； EOC 转换状态输出端； FORMAT 输出格式控制端： BPO/ UPO 输入量程选择端； CS 片选； CE 使能端； R / W 读写控制端；

25、士VINL ，士VINI 模拟输入,单片机应用系统设计,信号采样模块电路,单片机应用系统设计,1 信号采样模块电路设计 此电路的关键是A / D转换所要求的时序配合的实现。 2 电路设计说明 信号采集模块作为输入通道的主要部分，在整个系统中是至关重要的。从减少“自动”启动误触发的可能性，提高系统的输入阻抗，减少对被测信号的衰减影响等诸方而考虑，采用了以LM310 为核心的1 级电压跟随。 电压跟随器一般采用2 种方法： 直接采用集成跟随器 采用通用运放设计,6.5.2 信号采样模块电路的设计,单片机应用系统设计,( l ) 采用集成跟随器的电压跟随电路 可采用CF110系列或LM110系列等单

26、片集成电压跟随器。该系列器件有3 种工作温度范围： CF11055125 ； CF21025 85 ； CF3 10 C 0 7 0 。,引脚符号说明： BOOSTER 负和能力扩张； IN 输入： OA1, OA2调零； OUT输出； V十正电源； V_负电源。,CF110 引脚图,单片机应用系统设计,采用双通用、单电源运算放大器LM358或CF358， CF358可在较宽电压范围的单电源下工作。该系列器件可用于换能放大器、直流增益单元及通常的运算放大电路。 该系列器件主要特点： 输入偏置电流是温度补偿的； 无须外接频率补偿； 无需2 个电源； 与数字集成电路兼容； 共模输入电压范围包括地电

27、位；较小的输入电流。,(2)采用通用运放设计的电服跟随器,单片机应用系统设计,该系列器件有3 种工作温度范围： CF158M 55 125 ， CF258L25 85 ； CF358C 0 70 。 由普通运放CF358 或LM358 实现的电压跟随器电路简单，不须调0，精度也非常高，实践证明是一种有效、简便的电压跟随器 。,用普通运放LM358 构成的 电压跟随器,单片机应用系统设计,为了减小转换误差，在采样保持器前加了一“直流交流”转换开关。即如果被测量信号中有负极性而且交流成分超过直流成分，则必须切换至交流档，以使A / D 芯片工作在单极性方式。 “交流 直流”转换可采用以下2 种方法

28、实现： 在交流信号基础上直接迭加1.25V 干电池，只要在输入回路中串联进去即可；由于电池会自然放电，使得电压跌落，导致误差。 采用MC1403 集成基准源，生成1.25V 参考电压。,单片机应用系统设计,直流/交流转换电路,运放采用OP07D 。其中运放A 接成跟随器形式，用于为1 . 25V 参考电压提供缓冲隔离；运放B 为反相输入的加法电路，反相输入形式因为“虚地”，具有抗共模干扰能力强的特点；运放C 为反相器。输出OUT 与输入IN 的关系为：Vout=Vin+1.25假设交流输入信号经过衰减电路后为-1.25V+1 . 25 V”转换后的信号变为直流：02.5V ，达到转换目的。,单

29、片机应用系统设计,采样保持器采用LF398 。这种芯片货源较充足，调0简单。 采样保持电容采用漏电较少的无极性小电感CBB 电容，目的也是为了提高精度。,即先由CPU 向采样保持器LF398 发一个采样信号，这里脉宽为4 s，与保持电容1 000 pF 的值相适应，使其充电；然后，采样保持的选通信号恢复为低电平，使采样保持器转入保持阶段；同时，触发AD670 ，使其启动转换过程，这个触发信号为1 s 宽的负脉冲。为了实现这种时序配合，采用了一片双重触发单稳触发器74HC123 。该芯片的上升沿触发( +TR ）和下降沿触发输入为使用带来方便。清除端R 可防止接通电源产生不希望的输出脉冲。当R

30、端不用时，将它接到Vcc上；当整个触发器不用时，需将R 端接到Vss ( GND）上。,采样保持与A / D 转换时序配合图,单片机应用系统设计,一般情况下，AD670 片选信号为无效态“1”；因此，触发脉冲输入端为低电平。一旦AD670片选信号为有效态“0”，并且RD 或WD中有一个信号有效时，与非门的2 输入端均为低电平，从而在触发脉冲输入端产生正跳变，而脉冲、脉宽由Rext , Cext 控制。,A/D转换时序产生电路,单片机应用系统设计,一旦转换完成，AD670的转换状态引脚9 有效，经反相后，变为高电平，触发数据锁存器74HC373 ，并由MOVX DPTR , A 指令读走，同时此

31、读信号又启动下一次采保一转换。,采样过程框图,单片机应用系统设计,采样转换过程主要由外中断INT0的中断服务程序完成。经主程序初始化后，主程序等待INT0中断，转入INT 0中断服务程序。其中T0定时器用来控制采样周期，由定时时间常数决定；中断触发信号由“手动自动电路”产生。,6.5.3 信号采样模块中的采集软件设计,单片机应用系统设计,INT0中断程序清单,T0定时服务程序,单片机应用系统设计,6.6 信号复现模块的设计,6.6.1 普通模拟示波器的波形显示原理 6.6.2 信号复现模块的硬软件设计,单片机应用系统设计,6.6.1 普通模拟示波器的波形显示原理,1 普通摸拟示波器的组成 示波

32、器通常由垂直偏转系统、水平偏转系统、电源供给3 部分组成。,示波器原理框图,单片机应用系统设计,( 1 ) 垂直偏转系统垂直放大电路的作用是将被测号放大后，送到示波管的垂直偏转板，使光点在垂直方向上随被测信号的变化而产生移动，形成光点运动轨迹。 （2） 水平偏转系统 扫描电路产生锯齿波信号，经水平放大电路放大后，送到示波管的水平偏转板，使光点在水平方向上随时间线性偏移，形成时间基线。( 3 ) 示波管电路 示波管是显示器件，故又称显示器，是示波器的核心部件。示波管各极加上相应的控制电压，使高速而集中的电子束打击荧光屏形成光点。( 4 ) 电源供给部分示波器的电源除灯丝供电外，其直流供电分为2

33、部分，即直流低电压和直流高电压。低压供给仪器各个单元电路的工作电源，高压供给示波管各极的控制电压。( 5 ) 辅助电路 辅助电路产生校幅信号、时标信号等。,单片机应用系统设计,(1) 垂直偏转板上加正弦电压 (2) 水平偏转板上加锯齿波电压 (3) 波形的合成 (4) 扫描与同步,2 普通模拟示波器的波形显示原理,单片机应用系统设计,3 信号复现的各种具体要求,提供了4 种复现功能： (1) 固定显示 从x通道输出锯齿波同步信号，从y 通道输出被采样波形信号,送至示波器的x轴、y 轴输入；调整增益，便可在示波器CRT 上完整显一帧波形。 (2) 分页显示将被采样的波形分4 页显示在CRT上，同

34、时显示该页页号。 (3) 滑移显示 从头至尾移动显示波形。 (4) 字符显示在示波器CRT显示各种类型的字符，如显示单脉冲的峰值、均值、脉宽。,单片机应用系统设计,6.6.2 信号复现模块的硬件设计,1 设计的基本思路 从普通示波器波形显示原理可知，只要在y 轴输入波形的同时，在x轴加同频、同相的扫描锯齿波，便可实现在示波器上波形的复现。 设计相应的x、y输出通道，并经数模转换电路D / A 分别向示波器x、y输出锯齿波同步信、被采样波形信号，以复现被采样存储的波形。,单片机应用系统设计,由于本装置的功能要求有2 种类型的输出通道，即8位输出通道（包括8位x通道，8位Y 通道）、10 位输出x

35、通道。必须有2 种类型的数模转换芯片。8位通道采用DAC0832 , 10位通道选AD 7520。,2 关键芯片的选用及说明,单片机应用系统设计,( 1 ) AD7520 的结构与应用特性AD7520是一种廉价的D / A 转换芯片，由CMOS 电流开关和梯形电阻网络构成，结构简单，通用性好，配置灵活。B1B10为数据输入线；Vcc为主电源输入端（-5 5V ) ; VREF 为参考电压输入端（-10 10V) ;RFB为反馈输入端，GND 为数字地；Iout1 , Iout2 为电流输出端。 D / A 转换器各位位电流的产生决定于无源电阻网络，不具有电流源特性，输出端一般不能直接带负载，必

36、须通过运算放大器将Iout1或Iout2端保持地。,AD7520引脚图,单片机应用系统设计,(2) DAC0832 的结构与应用特性,由8 位DAC 寄存器、8 位D / A 转换电路及转换控制电路组成，为20脚双列直插式封装。,DAC0832逻辑框图,单片机应用系统设计,8 位输出通道有2 个，一个是x 轴输出通道，用以向示波器输出分页、滑移等所需的同步锯齿波；另一个是y 轴通道，用以输出被显示的波形信息。 电路的工作原理： 程序先向y 轴送入1B 的被采样存储在RAM 中的波形数据，它选通y 轴DAC0832 中第1 锁存器并被锁存；接着向x 轴送入1B 对应的锯齿波数据（该锯齿波数据共2

37、56B ，呈线性递增关系），这个写信号选通x 轴DAC0832 中的第1 锁存器；然后通过向外部存储器写数据指令产生的译码信号DAC -x +y ，将在x , y 轴第1 锁存器锁存的数据同步送出并进行D / A 转换，依次送出第2 字节、第3 字节， 从而达到在示波器CRT 上显示波形的目的。,3 8位输出通道的设计,单片机应用系统设计,信号复现模块电路原理图,单片机应用系统设计,10 位输出通道的设计 89C52 单片机是8 位单片机，即数据总线每次只能送出8 位数据。为了形成10 位的数据，以作为10 位数模转换AD7520 输入，在硬件上采用了2 片双上升沿D 触发器74 LS74 ,

38、 作为最高2 位数据的2 级缓存。 2级缓冲触发信号产生电路图,单片机应用系统设计,5 在普通示波器上显示汉字及字符,( l ) 原理 普通示波器是靠加在x , y 轴方向上的电磁场控制电子束偏转，从而在CRT 上某一位置显示一个亮点。这种波形显示的机理与汉字点阵显示原理吻合。按照这个思路，我们实现了在普通示波器CRT 上的汉字和字符显示。,CRT16等分图,单片机应用系统设计,为了在图中阴影位置显示字符“1” ，先在CRT16等分图坐标纸上打点（在示波器CR T 上该点为亮点）；然后按高4 位为x 坐标，低4 位为y 坐标的原则坐标数据，例如字符， 1 ”的点阵数据为：,字符1的16点阵图,

39、单片机应用系统设计,该字符上某一亮点在CRT 上的绝对坐标由下式计算而得：设该字符在CRT16等分图中的左下角坐标（x, y）, 例如CRT16等分图中阴影的坐标为（6 0H , 50H），则该字符上某一点坐标为：x=x 点阵数据的高4 位y = y 点阵数据的低4 位将这x ，y的数据同时送往8 位x , y 输出通道，即可在CRT 上显示该字符上的某一点。,单片机应用系统设计,信号复现模块主要是完成被采样存储信号的复现及基本分析。按本系统设计要求即实现波形的固定显示、分页显示、滑移显示、字符显示等。( 1 ) 固定显示子程序设计 固定显示，即是将所有采集波形数据1 次完整地显示在CRT 上

40、。为了保证波形显示的稳定性，示波器采用外同步触发方式，即借助于10 位的DAC 通道形成同步锯齿波。,6 信号复现模块的软件设计,单片机应用系统设计,固定显示子程序框图,单片机应用系统设计,该程序实现了带暂停的滑移显示。在波形滑移过程中，可通过按“暂停”键S5 ，实现波形的滑移暂停，便于细部观察。,带暂停功能的滑移显示子程序框图,(2)滑移显示子程序设计,单片机应用系统设计,该子程序的功能是，实现波形分析数据在示波器CRT 上的直观显示。波形分析结果包括：波形峰值、脉宽、均值以及采样周期等采集参数。,字符及汉字显示子程序框图,(3)字符显示子程序设计,单片机应用系统设计,分页显示子程序完成1

41、024 点波形数据的分页显示，每页显示256 点，分4 页显示。上页显示一定时间后显示下页，自动循环，并在示波建器的右上角显示当前页号。,分页显示子程序框图,（4）分页显示子程序设计,单片机应用系统设计,6.7 数据通信接口模块,1 串行通信接口芯片MAX232 MAX232 是一种双组驱动器接收器，片内含有一个电容性电压发生器，以便在单5V 电源供电时，提供EIA / TIA -232E 电平 。MAX232 的特性如下： 工作温度范围有2 种：0 70 ，-40 85 ； 单5V 电源工作，LinBiCMOS 工艺技术； 2 个驱动器及2 个接收器； 士30v 输入电平； 低电源电流：典型

42、值是8 mA ; 符合甚至优于ANSI 标准EIA / TIA -232E 及ITU 推荐标准V . 2 可与MAXIM 公司的MAX232 互换； EDS 保护大于MlL-STD -883 标准的2 O00V 。,单片机应用系统设计,将它设置为方式3 ，用第9 位数据作为奇偶校验位；波特率由定时器1的方式2（重装入方式）产生，考虑到速度与可靠性，定为1200。,2 通信接口程序设计,单片机应用系统设计,串行通信子程序,单片机应用系统设计,串行中断子程序框图,单片机应用系统设计,6.8 容错设计原理及其实现,6.8.1 容错设计的一般思想 6.8.2 系统的自诊断设计 6.8.3 自诊断的软件

43、实现 6.8.4 系统的抗干扰设计,单片机应用系统设计,6.8.1 容错设计的一般思想,一个单片机应用系统能否正常工作是由很多因素决定的，其外因为各类干扰，其内因为该系统本身的素质。容错原理与实现： 系统自检设计 系统的抗干扰设计诊断过程是“检查思考判断”的过程；因此一个系统的硬件容错能力在很大程度上是先天的，系统定型之后，硬件容错的极限也就定下来了。,单片机应用系统设计,6.8.2 系统的自诊断设计,硬件自诊断的常用方法 自检的方法：(1)上电自检上电时自动进行，自检中如果没有发现问题，则转入系统的正常运行；如果发现问题，则及时报警。(2)定时自检 由系统时钟定时启动自检功能，对系统进行周期

44、性在线检查，以便及时发现运行中故障。 (3)键控自检通过某一键盘操作启动一次自检过程，以便操作者消除对系统的疑惑，或发现系统的故障。,单片机应用系统设计,6.8.3 自诊断的软件实现,1 CPU 的诊断 指令系统的诊断 片内RAM 的诊断 定时器的诊断 中断功能的诊断,单片机应用系统设计,(1) 指令系统的诊断,8051 指令系统能否被正确执行，是诊断CPU 中指令译码器是否有故障的基本方法。 指令系统自诊断的具体思路是，通过几类比较常用的指令编制一段程序，执行后取累加器A 中的结果，看其是否与预定结果相符，如果不符，则证明CPU 有问题。,单片机应用系统设计,(2) 片内RAM 的诊断,一般

45、片内RAM 指00H7FH 通用寄存器。 片内RAM 自诊断的思路是：先将其内容读出并保存副本，取反后写入原地址，再读出进行一次判断，如果没问题，再复原，并验证复原完整与否。此过程是非破坏性的诊断，只影响A，B，PSW3个专用寄存器的内容，正常时出口标志F0清0，否则置1。,单片机应用系统设计,片内RAM的自诊断程序框图,单片机应用系统设计,（3）定时器的诊断,诊断的思路是：将定时计数器设置为定时工作方式志，看其是否能按时溢出（即置位溢出标志），如能则表明该定时计数器基本上没有故障。,单片机应用系统设计,（4）中断功能的诊断,诊断的思路是：允许某一个定时器中断，并设置自诊断标志，且在该定时器的

46、中断服务开头，判断诊断标志是否置位。如是，表明是自检，则清诊断标志，中断返回；否则进行正常的中断服务。这样可以根据诊断标志是否清。，判断中断系统的运行状况，如是，表明该中断源工作正常。,单片机应用系统设计,2 ROM的诊断,ROM 的自检常采用“检验和”的方法。本装置程序空间地址为0000H 1FFFH 。将定型的监控程序送往开发机的RAM 中（如9000H 0AFFFH ) ，求出这8 KB （最后1B 除外）的校验和（异或和），把它存入最后1 个单元（0AFFFH ) ；然后，将9000H 0AFFFH 单元的内容写入EPROM 中。这样，就可以编一段子程序自诊断ROM 的工作状况了。,单

47、片机应用系统设计,3 片外RAM的诊断,与片内RAM的自诊断相似。,单片机应用系统设计,6.8.4 系统的抗干扰设计,干扰既可以从线路侵入系统，也可以以场的形式从空间侵入系统。任何一种干扰都有可能使系统工作失常，尤其是在比较恶劣的现场，这种可能性就更大；因此一个单片机系统不能忽视这种干扰的存在，必须采取一定的抗干扰措施。 抗干扰措施： 硬件抗干扰措施 软件抗干扰措施,单片机应用系统设计,(1) 加大电源的滤波电容;(2) 在关键元件中串人0.1F 的无感瓷片电容、云母电容或CBB 电容 ;(3) 采用金属外壳也可使系统在一定程度上屏蔽掉一些杂散的场干扰。,1 硬件抗干扰措施,单片机应用系统设计,采用软件陷阱技术，即： 在程序区的断层（即不使用的区域），以NOP 指令填空，以保证因干扰而造成弹飞的程序尽快步入正常运行轨道。 设置软件陷阱，就是用一条引导指令强行将捕获的程序引向一个指足的地址。为增强捕获效果，在它前面还加了2 条NOP 指令；软件陷阱实际由下列3 条指令构成：NOP NOP LJMP 0030H,2 软件抗干扰措施,