基于单片机波形采集存储和回放系统

张 莹， 司元雷， 张 进

（江苏建筑职业技术学院信息与电子工程学院，江苏 徐州 221116）

0 引言

传统的示波器只能显示信号波形信息，而对于某些某些场合常常需要将单次波形记录下来，实现断电后还能将波形输出。随着微电脑的广泛应用，实现波形的采集、存储和回放输出变为现实[1]，本文介绍利用 C8051F020微控制器组成波形信号存储、回放系统和通用的示波器连接起来，构成一个波形采集、存储、回放和显示系统，实现示波器的智能化。

1 C8051F020微控制器和FM25L256存储器

C8051F020微控制器，它的指令以时钟周期为运行单位，大大提高了指令的运行速度，同时也具有高精度的A/D、D/A转换功能，一个增强型SPI接口，每种串行总线完全用硬件实现，都能向CIP-51产生中断。C8051F020有两个 ADC,分别是 12位的ADC0和8位的ADC1，ADC0的最高转换速度为100 k/s,由于第二路输入信号为小信号，需要精确采样。因此选择ADC0来转换信号。

FM25l256是串行铁电随机存储器（FRAM,Ferroelectric Random Access Memory）。其内部结构存储形式为 32K×8位，地址范围为 00000H～7FFFH，采用 16位地址寻址方式，SPI总线方式。FM25L256支持SPI方式0和方式3，具有先进的写保护设计，包括硬件保护和软件保护双重保护功能。FM25L256的数据读写速度能达到25 MHz，可以与当前的告诉RAM相媲美，并具有传统的非易失特性[2]。

由于输入信号频率为 10～10 kHz,最高频率为10 kHz.根据采样定理，为保证回放不失真，在一个周期内必须采两次信号。因此采样频率最大于等于20 kHz，对于本设计，采样频率设置为50 kHz。

2 系统总体结构框图

本系统可以完成两路信号的采集、存储和回放功能。一路为单极性信号，另一路为小信号双极性信号。

系统以C8051F020核心，通过C8051集成的A/D和 D/A完成信号的模数和数模转换[4]，正弦波方波或者三角波送入输入电路，完成波形信号波形双单极性的转换，小信号波形的信号放大，目的使信号能够与C8051单片机的A/D转换的信号相匹配[5-6]。完成处理后送入C8051单片机，单片机对键盘电路扫描，完成信号的采集，存储，回放，同时通过液晶显示器显示波形的高低电平及周期[7]，经波形输出电路，完成信号的逆处理，输出显示波形原始信号。系统结构框图如图1所示。

图1 系统结构总体框图

3 各单元电路

3.1 单极性信号输入输出电路

由于C8051F020的A/D只能采集0～2 V的电压，因此要对输入信号进行分压，经分压处理后经过电压跟随器输出，得到的信号电压控制在0～2 V，采用电压跟随器，可以增加电路输入阻抗，降低输出阻抗。如图2所示。

图2 单极性信号输入电路

经过C8051F020的D/ A输出来的信号送入运放的同向端，经同相比例运放电路输出，，恢复出原始的信号[8]，如图3所示。

图3 单极性信号输出电路

3.2 双极性小信号输入输出电路

由于双极性信号只有100 mV，非常小，为了保证信号能够采集到，首先要对信号进行放大，采用反相比例放大电路对其放大10倍，同理，在信号输出来时，也采用比例放大电路对其缩小 10倍，如图4所示。

图4 双极性信号输入电路

C8051F020的AD转换的参考电压是2 V,输入为单极性信号，而系统信号为双极性信号，为了保证能将信号无损失的采集，将信号抬高至1 V附近，图中，运算放大器的反向端输入为放大10倍双极性小信号，同相端为+5 V的直流电压，经过R5，R6，R3，R4分压之后，R6的电压为1 V，R 6为可调电阻，R6=13.3 kΩ，运放电路和电阻原件构成差分电路Uo=-U1+1,这样可以无失真的进行信号的采集。如图5所示。

经C8051F020的D/ A输出来的信号经过电压跟随器电路，通过电容滤波，滤掉直流分量。

3.3 存储电路

由于FM25L256与其他标准SPI设备一样，可以直接挂在 SPI总线上[3]，因此需要额外的片选信号CS，同时也可以通过HOLD控制线达到暂停操作。/WP引脚接高电平不进行硬件写保护，SI信号为串行数据输入，SO为串行数据输出，SCK为串行数据输入时钟。连接图如图6所示。

图5 双极性信号输出电路

图6 MCU与存储器的连接图

4 软件设计

系统上电后，首先完成一些列初始化，包括时钟初始化，I/O口输入输出的设置、SPI的两个控制寄存器的初始化以及开中断允许等。然后从I/O口检测各个按键的状态，当有按键时，进入采集程序，采集结束后，发采集结束信号，置工作标志，进入输出显示程序。同理，如果检测到存储按键按下，通过SPI接口的写入操作，对存储器进行相应的写入操作；断电后，重新进行上电，进行初始化和检测，按下回放键，单片机对存储器进行读操作，结束后，置工作标志，进入显示程序。总体流程图如图7所示。

图7 系统总体流程

5 结语

单片机数据采集、存储和回放系统对于各种周期信号和单次信号可重复稳定的显示，同时可以实现信号的存储和回放，增强了传统示波器的功能，使其性能进一步得到完善，实现了以往难以实现的功能，对于仪器的智能化，具有一定的意义。

[1]黄晓林,马庆卫.在通用示波器上实现波形记忆功能[J].电气应用,1987(07):4-7.

[2]周欣.铁电存储器在风速仪中的应用[J].电器电子教学学报,2009,31(03):62-63.

[3]RAMITRON.FM25L256256KB FRAM Serial 3V Memory Datasheet[M].USA:[s.n.],2005.

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[5]汤德荣.浅谈多路数据采集与通信系统设计方案[J].通信技术,2010,43(02):95-97.

[6]吴宇佳,浦伟,周妍,等.Linux下多线程数据采集研究与实现[J].信息安全与通信保密,2012(07):92.

[7]汤德荣.基于 PCI总线的双通道数据采集系统[J].信息安全与通信保密,2010(06):57-59.

[8]胡宴如.模拟电子技术[M].北京:高等教育出版社,2008:225-234.