基于单片机的波形采集、存储与回放系统设计

◆梁丽

基于单片机的波形采集、存储与回放系统设计

◆梁丽

系统以单片机为核心，以低功耗运放构成输入输出电路，选用外部低功耗存储芯片作存储，软件系统控制外部A/D转换器实现对输入信号的采集、数据存储，并通过外部D/A转换器实现对已采集信号的回放，系统的各种信息及采集波形信息由液晶显示输出。

单片机；接口电路；波形采集

1 前言

采用AT89C52单片机作为整个控制核心，通过软件编程实现对模拟信号的采集、存储数据的输出以及各种测量、逻辑控制的功能。现从系统单元电路设计、单片机与外部设备的接口电路设计和系统软件设计的角度，阐述基于单片机的波形采集、存储与回放系统的设计思想。

2 单元电路设计

通道调理电路 将ADC0809转换器的基准电压输入端接至+5 V电源，它可对0～5 V的模拟信号进行转换。A通道输入信号是单极性的，输入电压范围为0～4 V，符合A/D转换器对输入信号的要求。A通道的输入、输出电路均选用电压跟随器，电压跟随器具有输出电压跟随输入电压、输入阻抗高、输出阻抗低的特点，使得整个通道的放大倍数为1。

B通道输入信号是双极性的，输入电压范围为-50～+50 mV。为此，在B通道输入端需将信号电压由双极性转换为单极性，并调理为0～4 V电压输出，以匹配A/D转换器的输入电压范围；在B通道输出端则需将信号电压的极性和幅度范围进行还原。B通道输入电路如图1所示，它由三级运放构成：

第一级运放构成电压跟随器；

第二级运放构成反相比例电路，其交流放大倍数为-40，作用是将信号电压由-50～+50 mV调理到+2～-2 V范围内；

第三级运放构成反相求和电路，其交流放大倍数为-1，调节电位器给信号电压+2 V的电平平移，将双极性信号转换为单极性，即将信号电压由+2～-2 V调理到0～4 V范围内。

B通道输出电路也由三级运放构成：

第一级运放构成电压跟随器；

第二级运放构成反相求和电路，其交流放大倍数为-1，调节电位器给信号电压-2 V的电平平移，将单极性信号还原为双极性，即将信号电压由0～4 V调理到+2～-2 V范围内；

第三级运放构成反相比例电路，其交流放大倍数为-0.025，作用是将信号电压由+2～-2 V还原到-50～+50 mV范围内。

由此可见，整个通道的放大倍数为1，满足了信号回放的要求。

滤波、缓冲输出电路 为了使产生的回放信号平滑且具有负载能力，采用滤波电路、输出缓冲电路对D/A输出的信号进行后级处理。由于信号的频率范围为10 Hz～5 kHz，选用压控电压源二阶低通滤波电路来滤除高频噪声；选用电压跟随器作为输出缓冲电路，以提高电路带负载能力。

图1 B通道输入电路

作者：梁丽，北京工商大学计算机与信息工程学院副教授，研究方向为电子技术及应用（100048）。

图2 AT89C52单片机与ADC0809中断方式的接口电路

3 单片机与外部设备的接口电路

外部数据存储器的扩展 AT89C52内部只有256 B RAM，需要扩展外部数据存储器。AT89C52扩展一片32 K外部数据存储器62256，数据线D0～D7直接与单片机的数据地址复用口P0相连，地址的低8位A0～A7由锁存器74LS273获得，地址的高7位A8～A14直接与单片机的A8～A14（P2.0～P2.6）相连，电路中用地址线A15（P2.7）来进行片选。

A/D转换器的接口电路 ADC0809采用逐次比较的方法完成A/D转换，片内带有锁存功能的8路选1的模拟开关，由C、B、A引脚上的编码来决定所选的通道，AT89C52单片机与ADC0809中断方式的接口电路如图2所示。由于ADC0809具有三态输出锁存器，故可与单片机的数据总线直接相连，作为单片机的一个扩展口；电路中用地址线P2.7来进行片选，地址锁存信号ALE、启动信号START及输出允许信号OE分别由单片机读写信号和P2.7通过或非门来控制；当OE为逻辑1时选通三态门，使锁存器中的A/D转换结果送入地址总线；转换结束信号EOC经过反相器接单片机的中断请求端P3.2，由外中断服务程序读A/D转换结果，并启动下一次转换［1］。

D/A转换器的接口电路 DAC0832是具有内部输入数据寄存器和DAC寄存器的8位D/A转换器，它能直接与AT89C52连接，可以有3种连接方式：直通方式、单缓冲方式和双缓冲方式。

LCDI602模块的接口电路 液晶显示模块选用LCDl602即可满足系统显示要求。LCDl602是一种专门用于显示字母、数字、符号的点阵式LCD，显示字符为16字×2行。单片机与LCDl602接口简单，使用灵活方便，控制程序简单，通过单片机向LCDl602写入相应的命令和数据，就可对显示方式和显示内容做出选择。

4 系统软件设计

软件采用模块化程序设计方法构建，软件关键部分为信号采集、数据存储子程序和显示子程序。信号采集、数据存储子程序控制A/D转换进行信号采集，并直接把数据送入内存，显示子程序把存储在内存中的数据送到D/A转换，信号波形在示波器上回放，采集波形的周期、幅度等信息在液晶显示器上显示。

5 结语

单片机是一个用于测控目的的微型计算机，因此，只要在其外部适当增加一些必要的外围扩展电路，就可以灵活地构成各种应用电路，如数据采集系统、自动控制系统和智能仪器仪表等。

［1］李广第，朱月秀，等.单片机基础（修订本）［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2001.

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1671-489X（2016）18-0032-02

10.3969/j.issn.1671-489X.2016.18.032