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单片机波形记录器论文

发布时间:2019-12-22 10:41    点击次数:173次   

  题目:单片机波形记录器Title: Chip waveform recorder 学生姓名: GRADUATIONDESIGN (DISSERTATIONS) English Title: Chip waveform recorder Name: FuKailiang Student number: 08061239 Teacher: LiHongjun Professional: Electronic June 2012东华理工大学毕业设计(论文) 波形记录在教学科研和地质勘测等方面有着广泛的应用。波形的记录也方便我们后期对图形的分析和运算,频谱的分析,曲线相关性分析等操作。通用电子 示波器价格低廉 ,是我们配备的常规仪器 ,但不具备信号记录功能 ,因此 计一种信号波形记录器,使之能与通用电子示波器结合 ,用来观测非重复性信 号波形 ,是很有实际意义的。本论文是基于单片机而设计的波形记录器,波形存 储系统配备了A/D转换器、数据存储器、采用双极性输出的D/A转换器等器件。系 统有八个输入通道,采用分区储存波形。同时给外部数据存储器配置了掉电保护 电路,可长期保存数据。设计中采用自顶向下的方法,系统共有四个功能模块: 输入电路、键盘和显示电路、控制和存储电路以及输出电路。该设计使波形记录 与通用电子很好的结合在一起,具有很强实用性。 关键词:单片机;波形记录;实用性 东华理工大学毕业设计(论文) ABSTRACT waveformrecording has been widely used teachingscientific research, geologicalresearch Waveformrecording alsoconvenient ourlater graphicalanalysis calculation,spectrum analysis, correlation analysis otheroperation curve. Universal electronic oscilloscope low prices, we conventionalinstruments, signalrecording function, therefore, signalwaveform recorder, which can combine generalelectronic oscilloscope, nonrepetitive signal waveform, greatpractical significance. singlechip microcomputer waveformrecorder, waveform storage system equipped converter,data memory, using bipolar output prosperity converterdevice. systemhas eight input channels, using partition stored waveform. sametime externaldata memory configured electricityprotection circuit, can long-termpreservation usingtop-down method, systemhas four modules: input circuit, keyboard displaycircuit, control circuit storagecircuit outputcircuit. designenables waveformrecord electronictogether well, has verystrong practical. Keywords: Single chip microcomputer; Waveform recording; Practicability 东华理工大学毕业设计(论文) 1.1课题背景与研究现状 1.2课题的意义 2.1系统功能分析 2.2总体设计思想 3.1输入电路的设计 3.1.2缓冲器的选择 3.1.3同步触发电路设计 3.1.4程控基准电源设计 3.2显示电路设计 3.3键盘接口电路 3.3.1按键的消抖问题 3.3.2键盘与单片机的接口电路的设计 3.4控制和存储电路的设计 3.4.1控制器的选择 3.4.2单片机晶振电路的设计 3.4.3单片机复位电路的设计 103.4.4 数据存储器的选择与掉电保护电路的设计 113.4.5 单片机与62256 的接口电路的设计 123.5 输出电路的设计 133.5.1 数摸转换器的选择 173.5.2 双极性输出电路的设计 183.6 电源电路的设计 204.1 数据的定义与存储器的分配 204.2 主程序的设计 214.2.1 键盘扫描中断子程序 214.2.2 204.2.3 204.3 软件抗干扰措施 23参考文献 25附录一:源程序 30附录二 总电路图 37东华理工大学毕业设计(论文) 在实际的生产、科研等过程中,数据采集,数据压缩存储,波形分析与统计,图形绘制,频谱分析,波形组合运算,谐波分析,有效值计算,功率 计算,三相对称性分析等对于工作的研究很重要,而所有这些必须建立在波 形记录的前提下,传统的波形记录仪器,不是时间效率较差,就是价格昂贵,要求 较高的购买力,难以满足一般的用户需要。再如科研工作常常依赖波形记录仪记 录、收集信息。本章主要介绍了波形记录的背景与研究现状、课题意义。 1.1 课题背景与研究现状 随着微电子技术应用的迅猛发展,人们开始利用微处理器的数据存储和数据 处理能力,并使之与A/D转换技术相结合来研制功能强大、结构轻巧、使用灵活 方便、数据处理能力强的新型波形记录仪。而波形记录仪广泛用于工业监测、地 质勘测等方面。如导弹飞行记录器用来记录导弹的运行状况,为导弹的评估好坏 提供重要的数据;心电记录仪用于记录人体有异常感受时的心电图,为医生的诊 断带来方便;在野外测图时,必须带有电子记录器,用于地形空间数据的采集; 气象站需要自动记录降水的记录器,广泛用于汽车,飞机,轮船上的各种黑匣子 也是记录器的一种;在地震的预测中也离不开波形记录仪。对记录仪的性能要求 不断提高,促使技术不断的进步,而微控技术的出现为数字式波形记录仪的发展 带来了新的生机。 目前,国内的高性能的波形记录器的研究主要在信息数据采集及处理和数模 信号的转换电路方面。其主要方向是提高采样频率,如采用更高精度的A/D转换 器件;提高数据转化速率以及多样的触发功能电路,如采用复杂的可编程逻辑器 件或现场可编程门阵列等可编程器件作为核心部件实现高速数字的存储。另一方 面,采用计算机与软件结合的方法设计虚拟波形记录器。目前许多虚拟仪器已经 可以实现大部分的波形记录器功能,同时虚拟波形记录器的存储空间更大。但是 由于受到计算机接口总线速度的影响,其性能也受到一定的限制。 目前,市场上的波形记录器大多采用 CPLD、FPGA 等可编程器件作为核心部 件实现高速数字存储,同时外带友好的人机交互界面,采用LCD 显示,但随之而 来的是成本的快速上升,市场价格昂贵,不适合广泛运用。针对目前国内缺少结 构简单,功能适中,造价低的波形记录器的情况,本文设计了一基于 51 系列单 片机控制的单片机波形记录器,用于记录如温度、湿度等缓慢变化信号波形。通 过信号采集,数据转换等过程将波形存储,通过接入示波器使波形得以复现。 东华理工大学毕业设计(论文) 1.2课题的意义 波形的记录和分析是许多实际工作的基础: 测试、实验中对测试对象的运行状态的波形记录与分析是测试与实验的重要手段和对实验结果进行评价的重要依据; 科研工作常常依赖波形记录仪记录、收集信息;事故分析更是离不开波形记录仪提供的依据。 因此该课题的设计具有实际意义,通过设计可以提高独立分析问题和解决问 题的能力;可以培养创新意识和创新能力;可以增强个人理论分析、实验研究、 文献查阅、计算机运用和文字表达等方面的能力;可以加深自己对理论知识的理 解,以及实际操作的经验。 东华理工大学毕业设计(论文) 第二章 系统总体设计 系统总体设计本系统利用微机控制技术和数字存储技术,用于记录如温度、湿度等缓慢变 化信号的波形。它首先对模拟信号进行采样获得相应的数字信号并存储,存储器 中储存的数据可用来在示波器的屏幕上重现信号波形,从而获得所需要的各种信 号参数。设计中采用自顶向下的方法,先确定系统的设计方案,再将系统划分为 几个模块设计。本章主要介绍了系统设计的主要功能,设计方案的确定和设计的 主要思想。 2.1 系统功能分析 根据系统设计的要求,系统的主要工作为被测信号的采样、存储和重现信号 波形。系统的结构功能图如图2.1 所示。 图2.1 系统结构功能图 被测信号的采样、存储和重现信号波形过程如下: 1.被测信号的采样、存储 输入的被测信号的大小是一个可变化的值,在进 行A/D转换前,信号通过调理,以适合A/D转换器。单片机在启动A/D转换时还需 考虑到与信号的同步问题。同时信号的采样次数和存储地址的分配也要求合理设 计。每完成一次采样,A/D转换器向单片机申请中断,单片机接受中断,转入中 断处理。在中断处理中保存采样数据。 2.重现信号波形:波形重构是通过D/A转换器不断快速重复地把A/D转换过程 中存储在数据存储器中的数字信号进行D/A转换,并按固定频率输出至通用模拟 东华理工大学毕业设计(论文) 第二章 系统总体设计 示波器完成的。为了使呈现在示波器屏幕上的波形清晰无闪烁,D/A转换必须足够快。 通过初步的分析与思考,将本系统配合通用示波器,需实现如下功能: 1.采样存储的基本功能:将通用示波器难以观察的单次变化的信号转换为周 期性的重复信号,实现对单次变化的信号进行连续的观察;并且,系统中的RAM 需设有掉电保护措施,系统即使经关机断电后还能随时再现原来的波形信号,达 到了采样存储示波器的记忆功能效果。 2.慢扫描的基本功能:缓慢变化的信号,先经慢速的A/D采样,然后再以几 倍的速度进行D/A转换,使信号波形的时间轴得以压缩,压缩的效果等效于示波 器扫描速度的减小,使通用示波器具备观察变化慢的信号的功能。 2.2 总体设计思想 本设计采用单片机做控制器,系统的设计包括硬件的设计和软件的设计。根 据系统的结构框图,设计时将硬件分为四部分:输入电路、键盘显示电路、控制 存储电路和输出电路。输入电路将待测模拟信号转变为数字量;键盘和显示电路 用于选择、显示输入通道,启动采样和启动波形的输出;输出电路包括D/A 转换 电路以及双极性变换电路,用以将数字量变为模拟量;控制部分需要结合软件的 设计,输出各种控制逻辑。软件的设计也按模块划分为:主程序设计和键盘扫描 子程序的设计、A/D 转换子程序的设计、D/A 转换子程序的设计、LED 显示子程 序的设计、数据存储子程序和延时子程序的设计。设计的程序主要的功能是实现 键盘的控制与管理,控制波形的采样和存储以及波形的复现。当然在设计时各个 模块也不是完全独立,在每一步的设计中均需要综合考虑系统的性能,同时在设 计系统的硬件时便着手软件的设计,注意了软硬件的配合。 东华理工大学毕业设计(论文) 第三章 系统的硬件设计 系统的硬件设计根据上章的分析,系统硬件的主要功能是:对模拟信号进行采样;将获得的 数字数据存储;利用存储器中储存的数据重建信号波形,用示波器观察。设计中 采用自顶向下的方法,把系统电路按功能模块分为四部分:输入电路、键盘显示 电路、控制存储电路和输出电路。 3.1 输入电路的设计 输入电路包括缓冲器、程控基准电源、同步触发电路、采样保持器及模数变 换器(ADC),在输入电路中的核心器件是 转换器,缓冲器、程控基准电源、同步触发电路、采样保持器都是为A/D 转换器设计的,因而A/D 转换器的选择是 输入电路设计的核心。针对本课题的要求,选用8 拟多路转换开关及相应的通道地址锁存及译码电路,并带有数据锁存器的ADC0809。 3.1.1 转换器的选择ADC0809 是逐次逼近式A/D 转换器,逐次逼近式A/D 转换器的转换速度较快, 是用得最多的一种A/D 转换集成电路,A/D 芯片多采用这种方式工作。逐次逼近 转换器其原理电路如图3.1所示。其工作过程为当启动转换负脉冲加入时 逐次逼近寄存器清零,由于 Vo 0,启动信号变为高电平后,逐次逼近寄存器在CLK 信号同步下开始计数,但与普通计数器不同,它是从最高位开始计数的, 转换器来说,在启动后的第一个时钟,逐次逼近寄存器就输出10000000,这个数字一出现,D/A 转换器的输出Vo 就变为满量程的128/255。若 Vo

  Vi,比较器输出负电平,控制电路据此就会清除逐次逼近寄存器中的最高位; 保留下来。第二个时钟脉冲将对次高位置1,于是逐次逼近寄存器变为11000000,D/A 变换器输出值为 的192/255,若Vo

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