基于STC单片机虚拟示波器的设计

接口实验报告

题目：基于STC单片机虚拟示波器的设计院（系）：电子工程与自动化学院

专业：测试计量技术及仪器

姓名：

学号：

指导老师：李智

职称：教授

2012年8月1日

一．实验目的及意义

（1）用单片机控制 AD7862 实现对交流电压、电流信号的采集和计算；

（2）将测量数据发送给PC机显示，并能响应PC机下传的指令将电压电流的波形数据上传至PC机显示；

（3）学习用 VC 编写相应适合于虚拟仪器界面并显示数据与波形。通过实验掌握了计算机的串口通信方法，掌握了单片机接口电路的设计，掌握了 PC 机VC 界面程序的设计。

二．方案论证

本设计中AD转换芯片选用的是AD7862-10.AD7862是AD公司推出的一个高速，低功耗，双12位的A/D转换，单+5V供电，功率为60m。它包含两个4us

的延时的ADC，两个锁存器，一个内部的+2.5V参考电压和一个高速并行输出端口。有四个模拟输入通道，分为两组，由A0选择。每一组通道有两个输入(VA1和VA2,VB1和VB2），它们能同时的被采样和转化，保存相对的信号信息。它可以接受+10、+2.5V或0-2.5V的输入电压范围。对模拟电压输入，具有过电保护功能，相对地，允许输入电压到达+17V，+7V，+7V，而不会造成损害。

本实验采用的微处理器是STC单片机。STC单片机使用方便，内存有256Bytes 片内RAM、8K Flash ROM,支持串口下载，易于在线编程调试。由于A/D的输出是12位，单片机的寄存器是8位的，所以要分成两次才能读得A/D转换的结果。故需将单片机的两个口（P0、P2）分别与AD7862的DB0-DB11相连，即可完成数据的采集。

本设计利用MAX232芯片实现RS-232电平与TTL电平转换，利用串行通信方式1将数据发给PC机，波特率为9600bit/s、无校验位；用VC++6.0编写相应的界面进行数据处理，控制和显示。

在实验的初级阶段采用的是每采集一次模拟电压值，就直接把12位的并行数据，利用串行通信方式1直接发给上位机。这时发现A/D7862每采样一个数据只需要4μs，单片机采用11.0592MHz的晶振，即单片机采集一次数据真正需要的时间只有十几μs，以正弦波每个周期至少20个点来表示计算，对于采集4KHz 以下的正弦波是没有问题的。而如果从串口通信的波特率来说，如采用19200bit/s 来计算，则只有44Hz以下的波形能采集了。对比之下可以看出，影响这种方案采集波形的主要瓶颈是波特率，如果在不变硬件的基础上采用其最高波特率57600bit/s的波特率传输数据，理论计的测量范围也只是0~130Hz。

在此基础上为了提高采样波形的频率范围，最后采用先采集保存再群组发送的方式，首先采集100个点，并将数字量存储在单片机的RAM中，然后群组发给上位机，这样可以大大的提高采样率，根据AD7862的时序图，还有单片机的一个机器周期大约1微秒，这样可以得出采理论上采样率大约40KHZ，要使得波形比较平滑的话，每个信号周期内至少应该采集20个点，这样算起来能采样到2KHZ的波形。经实验采样率最大只能达到20KHZ左右，同样换算最大能采样到1KHZ左右的波形。在下位机里采用定时器0的方式2对采样率进行设定，设定不同的采样率，就可以采样到低于1KHZ的不同频率段的波形。由于定时的时间比较短，采用方式2比较精确，但是最大只能定时255微秒，经换算最大能采样到196HZ，经调试最小频率能采集到10HZ左右。故采样的波形频率范围在

10HZ-1000HZ。

最终利用上位机对采集的数据进行处理，画出模拟信号的波形，并显示模拟信号的电压值、最大值、最小值和峰峰值等。

三、系统工作原理

系统由电源模块、AD 采样模块、STC 单片机控制模块、串口通信模块、计算机处理与显示模块组成。电源模块提供总个系统工作的电压，保证系统正常工作。STC 单片机控制AD 采样电压值，并将电压值通过串口传送给上位机，上位机通过VC 程序对数据进行处理和显示。上位机通过串口发送不同的标志位给下位机，控制下位机在不同的采样率下对模拟电压值进行采样。

四、硬件电路

1、AD 硬件电路设计如下。为了使得单片机能够更有效地控制AD7852工作，在连线的时候尽可能多地把AD7862的控制端与单片机的I/O 相连接，以便供以后升级使用。DB0-DB11是A/D 转换后的数字量输出端口，它们分别与单片机的P2和

P0口P1.1-P1.4相连接，以便单片机把数字量读走。CONVST 是AD7862转换开始触发端口，与单片机的P0.0连接，是为了利用单片机的外部中断0来提高模拟电压信号的采样率，使得AD7862更有效的工作起来。VA1和A2，VB1和VB2分别是模拟电压信号的四个输入通道。当A0为低电平的时候选择VA0或VA1，当A0为高电平的时候选择VB1或VB2，此电路图中将A0接地，选择VA0或VA1.

2、PC机通过串口进行通信，电路如图所示。单片机串口为TTL电平，PC机串口为232电平，通过MAX232与单片机和DB9连接，DB9通过USB转串口线与PC机相连，实现电平转换和下位机和上位机的通信。

3.单片机控制模块电路图如图所示，单片机的控制AD采样，要保证电容和晶振振荡器给单片机提供合适的工作频率。

4.电源模块

电源模块电路图如图所示，电源模块给系统提供5V的恒定电压，保证系统正常工作。

五、系统软件设计

1、下位机设计

下位机处理三方面的工作，一是控制AD7862采集VA1端得模拟电压信号，得到数字量，并保存到单片机内部的RAM单元；二是是通过定时器0的方式2定不同的采样率，得出所采波形的采样周期；三是负责与PC通信，将保存的数据发送到PC，让上位机做处理。

控制数据采集主要依据AD7862工作时序来完成。下图即使AD7862的工作时序图

如图所示，CONVST、CS、RD、A0由单片机来控制，让AD采哪个通道、何时采集等；BUSY与单片机的INT0管脚相连从而通过外部中断0来提高AD7862的工作效率，当CONVST下降沿一来，AD转换开始，这时两个锁存器同时锁存两个通道的模拟量，在大约3.6us之后，转换完成同时BUSY的下降沿向单片