基于LPC1758的波形采集存储与回放系统设计

罗 乐，李可为，笪贤进

(成都工业学院 通信工程系，成都 610031)

信号采集、处理及回放是现代电子制作中经常遇到的问题，但对于多路高频输入信号、要求实时不失真显示、同时系统必须具有极低功耗等特点，如2011年全国大学生电子设计竞赛试题H题，制作难度相对较大，成功案例极少。本文详细介绍了基于LPC1758的波形采集、存储及回放系统的基本原理、电路及程序设计。系统要求输入信号频率为10 Hz～10 kHz，幅值0～4 V，原信号与回放信号电平之差绝对值≤50 mV，周期之差绝对值≤5%，系统功耗≤100 mW［1］。

1 系统硬件电路设计

1．1 系统总体框图

系统具有A、B两个通道，其中A为单极性通道，B为双极性通道。信号经过前级处理后，将其送入单片机自带的A/D转换器，将转换后的数据存入RAM中，因RAM中的数据在掉电后不能保存，故通过IAP在线应用编程，将RAM中的数据存入片内的Flash中，从而实现存储数据的功能。系统上电后，通过查找Flash的地址并取出数据，将D/A转换后的信号经过后级处理后送入显示器中，此时的信号即为回放的信号。系统方案框图如图1所示。

图1 系统方案框图

1．2 A通道电路图

1．2．1A通道前级信号处理电路图

A通道输入的单极性信号，其幅值为0～4 V，且输入阻抗大，输出阻抗小。采用电压跟随器可以达到输入阻抗≥10 kΩ。由运放TL061构成的电压跟随器，其输出与输入之间的固定直流电压极小，负反馈量大，输出与输入基本无差别。当输入阻抗很高时，对前级电路相当于开路;当输出阻抗很低时，对后级电路就相当于一个恒压源，即输出电压不受后级电路阻抗影响。因其输出具有低阻抗特性，使得它在电路中可以起到阻抗匹配的作用，能够使得后一级的放大电路更好的工作。电路如图 2 所示［2－3］。

因本系统A通道输入的电压信号约为4 V，大于A/D转换器所能处理信号的电压，故采用运放TL061做衰减电路，如图3所示。

1．2．2A通道后级信号处理电路图

1)A通道后级信号处理框图

将存放在Flash中的数据取出送入片内RAM中，通过RAM传入单片机内部D/A转换器中，D/A转换的输出信号经过一级固定增益放大和滤波后，即可达到所要求的波形，然后再将其送入示波器显示，这样就形成了一个信号回放系统。

2)固定增益放大电路

3)阻抗匹配电路

为达到设计要求的阻抗匹配(输出阻抗＜1 kΩ)，在滤波电路后加一个共集电路，如图5所示。

图2 电压跟随器

图3 信号衰减电路

1．3 B通道电路图

1．3．1B通道前级信号处理系统框图与电路原理图

因B通道的输入为双极性的信号，峰峰值为100 mV，频率为10 Hz～10 kHz，故可以直接用仪表放大器将信号放大到A/D转换器所能处理的范围。因为A/D转换器不能采集负电压，故要将放大后的信号加一个偏置电压。本系统采用仪表放大INA129和INA118构成的双仪表放大，将处理后的信号送入单片机内部的A/D转换器中。通过－Vref(其中，V为偏置电压，Vin为放大后的输入信号，Vref为参考电压)计算和调节偏置电压的大小。电路如图6所示。

图4 固定增益电路 图5 射极跟随电路

1．3．2B通道后级信号处理电路图

将存放在Flash中的数据取出，经RAM传入外围的D/A器，由D/A转换后的信号是经过前级放大后的信号，需要将信号进行衰减滤波后送入示波器中。其后级处理原理如图7所示［4］。

2 系统软件设计

2．1 程序功能描述

软件部分主要实现数据的采集、存储与回放、显示和按键控制等功能［5－6］。

图6 B通道前级信号处理电路

图7 B通道信号的后级处理原理图

数据采集:本系统通过单片机内部自带的D/A对数据进行采集。采样时间利用LPC1758的定时器来完成;通过Per=2×TA×N(其中:Per为信号的周期，TA为AD采样的周期，N为采样的次数。)求出信号周期的最大值与最小值，从而计算出极值之间的计数值的大小，通过异常数据抛除法来准确地找到采样数据的相临最小值，从而准确计算信号的周期。

数据存储:利用IAP在线应用编程，将采集后RAM里的信号数据存入Flash存储器中，使数据掉电后不会丢失。

波形形状判断:采用跳变沿算法实现对波形形状的判断，即通过相邻采样点数据的变化来推断波形形状。

数据回放:系统上电后，通过查找Flash存储器中的地址，将数据存入RAM中，再将数据送至D/A转换器，从而实现数据回放功能。

显示功能:显示输入信号的极大值、极小值和周期的大小。

2．2 程序流程图

主程序流程图、波形采集子程序流程图、极值与周期计算程序流程图如图8所示。

图8 程序流程图

3 测试结果及分析

3．1 测试仪器及型号

LTD2102CEL示波器、VICTOR VC890D万用表、SG1080A数字合成信号发生器［7］。

3．2 测试方案

1)功能测试如表1所示。

2)A通道电平测试条件:输入电压峰峰值4 V，输入频率1 kHz，测试结果如表2所示。

3)B通道指标测试，输入双极性信号Vpp=100 mV，测试结果如表3所示。

表1 功能测试结果

表2 A通道波形测试结果

表3 B通道波形测试结果

3．3 测试结果分析

由表1、表2、表3可知，本设计能完成对A通道单极性信号、频率约1 kHz信号的采集、存储与连续回放。可以完成B通道双极性信号采集和回放。采集、回放时能测量并显示信号的高电平、低电平和信号的周期。原信号与回放信号电平之差的绝对值小于50 mV，周期之差的绝对值小于5%。由于本系统采用的是LPC1758控制器，并且使用了内部集成的高速A/D、D/A，加上显示及模拟信号调理电路，因此系统功耗略高。

4 结语

在设计过程中，原理图的元器件参数的选择都是通过计算而来，对程序编写采用了相应的新算法，从理论上保证结果的正确性。从结果演示可以看出，系统完全满足设计要求。采样信号的上限及下限频率都能达到，信号周期计算准确，波形回放图形质量较好，系统功耗较低，而且具有实时性。

［1］黄智伟．全国大学生电子设计竞赛训练教程［M］．北京:电子工业出版社，2007．

［2］周雪．模拟电子技术［M］．西安:西安电子科技大学出版社，2005．

［3］JUNG W，张乐锋，张鼎．运算放大器应用技术手册［M］．北京:人民邮电出版社，2009．

［4］杨欣，王玉凤，刘湘黔．电子设计从零开始［M］．2版．北京:清华大学出版社，2010．

［5］李朝青．单片机原理及接口技术［M］．北京:北京航空航天大学出版社，2009．

［6］高西全，丁玉美．数字信号处理［M］．3版．西安:西安电子科技大学出版，2008．

［7］陆绮荣．电子测量技术［M］．2版．北京:电子工业出版社，2009．