虚拟示波器的设计与实现

虚拟示波器的设计与实现

田　华,李志华

(河北大学电子信息工程学院,河北保定　071002)

摘　要:介绍了一种实现虚拟示波器的方法,单片机子系统对输入电压信号进行采集,通过RS-232标准串行接口与微型计算机通信,由微型计算机实现虚拟示波器软面板的功能,给出了系统的硬件组成及软件流程图.

关键词:虚拟仪器;微型计算机;单片机系统;虚拟示波器中图分类号:TP391.9

　文献标识码:A 文章编号:1000-1565(2002)01-0059-04

从传统的模拟式仪表到模拟-数字式仪表再向虚拟仪器发展已成为仪器发展的趋势.所谓虚拟仪器,就是一种外围硬件与计算机软件相结合的现代化仪表,硬件主要解决信号的输入、输出,软件是实现仪器功能多样化的关键,有“软件就是仪器(SoftwareisInstrument )”之说.虚拟仪器通过软件编程可以方便地扩展仪器的功能,克服传统仪表功能单一、不易升级的缺点;其软面板显示数据、图形准确直观,避免读取数据时产生误差.将虚拟仪器引入实验教学可以实现一机多用,减少实验配置;降低学生接线、调试仪器的工作量,留给学生更多分析和思考的时间,避免读数误差,提高实验效果.

本文介绍的虚拟示波器基于虚拟仪器的设计思想,系统由两部分组成,单片机子系统完成数据采集,微型计算机实现虚拟示波器软面板的功能.

1　系统硬件及软件组成

系统由主机和从机组成,主机为微型计算机,从机为单片机子系统.从机采集输入电压信号,主机完成虚拟示波器软面板的功能,实现对双通道电压的波形及数据显示.由于测量主要针对超低频对象,考虑性能价格比,系统采用串行数据处理代替常规虚拟仪器所采用的并行数据处理,可测量输入信号带宽减小.系统工作原理如图1所示.

图1　系统结构图

Fig.1　Structureofthes ystem

1.1　系统硬件组成

系统硬件包括微型计算机、单片机数据采集子系统及二者之间的串行通信线路.系统自带+5V 和

±15V 的电源.　

收稿日期:2001-06-28　作者简介:田　华(1973-),女,河北沧州人,河北大学助理实验师,主要从事自动控制及单片机实验教学.

第22卷　第1期

2002年　3月河北大学学报(自然科学版)JournalofHebeiUniversit y (NaturalScienceEdition )Vol.22No.1Mar.2002

1.1.1　单片机数据采集子系统

单片机子系统采用高性能8位单片机AT89C51控制八路选择器CD4051、采样/保持器LF398和12位A/D 转换器AD574A 实现数据采集.根据硬件线路,AD574启动12位模数转换的地址为1FFFH;接收高8位转换结果的地址为9FFFH;接收低4位转换结果的地址为0CFFFH.系统采用11.0592MHz 晶振,可精确产生串行通信所需的19.2k 波特率.

需注意:单片机的控制信号电平为TTL 电平,而CD4051的通道选择控制电平为CMOS 电平,两者之间需要进行电平转换.本设计中并未采用电平转换电路实现电平转换,而是利用降低CD4051的工作电压,将CD4051的工作电压由+15V 降至+5V,来实现单片机的TTL 电平对CD4051的控制.但这样会使CD4051的允许输入电压的最大幅值降低,解决这一问题的方法是在CD4051的信号输入端加入分压电阻R 1,R 2,R 3,R 4,将输入电压的40%作为信号电压输入,在软件编程中进行补偿.为了防止输入电压过高损坏元件,在输入端加入稳压二极管钳位电路,实现过压保护.电路如图

2.

图2　采样/保持电路

Fig.2　Circuitofthedatacollectorandholder

1.1.2　串行通信

主、从机之间通过RS-232标准串行接口实现串行异步通信.RS-232规定的逻辑电平与单片机的逻辑电平不一致,必须对两者进行转换.设计中采用一片+5V 供电的ICL-232取代传统的两片12V 供电的MC1488和MC1489进行电平转换,简化了硬件电路及电源设计.接口电路如图3.RXD

89C51　

TXD 10　1112 13ICL23211 14TXD 计算机RXD

图3　串行通信接口

Fig.3　Serialcomunicationinterface

1.2　系统软件设计

1.2.1　从机数据采集、串行通信

系统对输入电压采用定时采样方式,每隔1.2ms 中断一次,在中断过程中完成对数据的采集.这样能够保证采样间隔和采样值的可靠性,也为微型计算机进行频率、周期的计算提供了时间信息.数据采集程序包括主程序和中断子程序,主程序完成对定时器和串口的初始化,判断通道等,中断子程序实现数据采集.单片机串行口工作模式选择模式1,传输10位数据:1位起始位(0)、8位数据(低位在先)和1位停止位(1).中断

・06・河北大学学报(自然科学版)2002年

子程序流程图如图4.

主程序中初始化部分:

MOVPCON,#80H

MOVTMOD,#21H;定时器1工作模式2,定时器0工作模式1

MOVTH1,#0FDH

MOVTL1,#0FDH;

定时器1产生19200波特率SETBTR1

SETBEA

MOVTH0,#0FBH

MOVTL0,#0ADH;

定时器0定时1.2ms 采样间隔MOVSCON,#70H;串行口工作模式

1

图4　从机中断子程序流程图

Fig.4　Softwareblockdia gramoftheinterru pt programoftheslavecom puter

1.2.2　

主机侧通信及图形显示

图5　主机侧通信及图形显示流程图

Fig.5　Softwareblockdia gramofthemastermicrocom puter

・16・第1期田　华等:虚拟示波器的设计与实现