基于單片機(jī)的簡易多通道虛擬示波器的設(shè)計

　　虛擬儀器是基于PC技術(shù)發(fā)展起來的，所以完全"繼承"了以現(xiàn)成即用的PC技術(shù)為主導(dǎo)的最新商業(yè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，包括功能超卓的處理器和文件I/O，使在數(shù)據(jù)導(dǎo)入磁盤的同時就能實(shí)時地進(jìn)行復(fù)雜的分析。為了實(shí)時、準(zhǔn)確地測量輸入波形的參數(shù)，本文采用自帶8路10位ADC的單片機(jī)ATmega16，結(jié)合簡單的外圍電路，即可將輸入波形實(shí)時傳送給PC機(jī)進(jìn)行處理。通過PC機(jī)上虛擬儀器平臺LabVIEW開發(fā)的上位機(jī)軟件對波形進(jìn)行顯示和處理，從而達(dá)到簡易虛擬示波器的效果。

　　1 簡易多通道虛擬示波器系統(tǒng)的設(shè)計

　　簡易多通道虛擬示波器系統(tǒng)的原理方框圖如圖1所示，數(shù)據(jù)采集由主控芯片ATmega16進(jìn)行，采集后的數(shù)據(jù)通過RS232串口通信芯片Max232將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS232電平，提供與PC機(jī)的接口，將數(shù)據(jù)量傳送給PC機(jī)的LabVIEW開發(fā)平臺，平臺內(nèi)上位機(jī)軟件接收來自串口的數(shù)據(jù)，經(jīng)校驗等處理后通過波形顯示控件將采集到的波形顯示出來。同時單片機(jī)能接收上位機(jī)傳送來的數(shù)據(jù)，從而控制數(shù)據(jù)采集的速度和精度以及采集的通道。

圖1 虛擬示波器原理方框圖。

　　1.1 數(shù)據(jù)采集電路

　　ATmega16單片機(jī)是美國Atmel公司生產(chǎn)的基于增強(qiáng)的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8 位CMOS微控制器。ATmega16有如下特點(diǎn):16k字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash(具有同時讀寫的能力，即RWW)，512字節(jié)EEPROM，1k字節(jié)SRAM，32個通用I/O口線，32個通用工作寄存器，用于邊界掃描的JTAG接口，支持片內(nèi)調(diào)試與編程，三個具有比較模式的靈活的定時器/計數(shù)器(T/C)，片內(nèi)/外中斷，可編程串行USART，有起始條件檢測器的通用串行接口，8路10位具有可選差分輸入級可編程增益(TQFP封裝)的ADC，具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器，一個SPI 串行端口，以及六個可以通過軟件進(jìn)行選擇的省電模式。

　圖2 采樣電路原理圖。

　　本設(shè)計正是利用ATmega16的8路10位可編程增益的逐次比較型ADC及可編程異步串行接口的內(nèi)部資源，從而簡化了電路設(shè)計的難度及編程難度。采樣電路的電路圖如圖2所示，ATmega16只需結(jié)合簡單的晶振電路和復(fù)位電路就可以完成本設(shè)計的需求。模擬信號通過8路模擬輸入的任意端口輸入即可，通過單片機(jī)內(nèi)部程序控制，很容易就將輸入模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量。單片機(jī)再通過串行接口傳輸給PC機(jī)， 串行通信通過串行發(fā)送引腳TXD(PD1)和串行接收引腳RXD(PD0)連接串行通信接口電路實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的串行傳送與接收。

　　1.2 串口通信接口電路

　　本系統(tǒng)設(shè)計中通過Max232連接單片機(jī)和PC機(jī)。

　　ATmega16 具有異步串行通訊接口(UART)，UART是為能與計算機(jī)通訊的全雙工異步系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用RS232接口方式, 由于RS232信號電平與AVR單片機(jī)信號電平(TTL 電平)不一致，因此在采用RS232標(biāo)準(zhǔn)時必須進(jìn)行信號電平轉(zhuǎn)換。在串行通信的接口電路中選用MAX232芯片作為信號電平轉(zhuǎn)換芯片，實(shí)現(xiàn)TTL電平和RS232接口電平之間的轉(zhuǎn)換。從而把ATmega16內(nèi)部需要傳送的數(shù)字信號準(zhǔn)確無誤地傳輸給PC機(jī)，供上位機(jī)軟件讀取并進(jìn)行信號處理。

　　串行接口電路原理圖如圖3所示，TTL電平引腳輸入引腳9、10，連接ATmega16的串行發(fā)送接口TXD和串行接收接口RXD，通過電平轉(zhuǎn)換為RS232電平，通過7腳和8腳連接串行接口的2腳和3腳，串行接口通過串行通信線連接采樣模塊的串行接口和PC機(jī)的串行接口。ATmega16通過內(nèi)部編程很方便地把數(shù)據(jù)傳送給PC機(jī)。

圖3 串口通信接口電路圖。

　　1.3 多通道采樣原理

　　由于ATmega16內(nèi)部ADC為8選1數(shù)據(jù)通道，在具體實(shí)現(xiàn)某路數(shù)據(jù)采集時就必須更改多工選擇寄存器ADMUX的數(shù)值。為能隨時更改通道，本設(shè)計采用主從方式，通過上位機(jī)發(fā)送給ATmega16的數(shù)值來改變通道。在ATmega16的串行中斷的接收中斷中， 通過判斷接收的數(shù)值更改ADMUX的數(shù)值。同時，在串行接口接收中斷中，通過接收的數(shù)值的編碼也可用來改變ADC相鄰兩次轉(zhuǎn)換之間的延時值，從而達(dá)到改變轉(zhuǎn)換速率的效果。

　　當(dāng)需要采集雙通道數(shù)值時，單片機(jī)內(nèi)部ADC可采用分時復(fù)用的原則，同時將獲得的八位數(shù)據(jù)加一個最高標(biāo)志位，擴(kuò)展為九位數(shù)據(jù)位。上位機(jī)通過對數(shù)據(jù)的最高位的校驗，可以很方便地區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)，在顯示界面上將雙通道波形實(shí)時顯示更新。

　　2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　2.1 下位機(jī)軟件設(shè)計

　　下位機(jī)軟件設(shè)計的關(guān)鍵是能使程序正確響應(yīng)中斷服務(wù)程序，從而準(zhǔn)確地完成ADC的轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳送。

　　圖4即為下位機(jī)程序的程序流程圖。主函數(shù)運(yùn)行隨即進(jìn)行串口和ADC寄存器的初始化，然后啟動ADC的第一次轉(zhuǎn)換，隨即進(jìn)入等待中斷狀態(tài)，若接收到停止信號，系統(tǒng)馬上停止。在串口接收中斷中，進(jìn)入中斷隨即讀取中斷接收值，通過判斷接收值的大小，改變系統(tǒng)采樣通道值和ADC轉(zhuǎn)換速率值。改變完成后中斷返回。此時，系統(tǒng)根據(jù)新的參數(shù)值運(yùn)行。ADC轉(zhuǎn)換完成中斷產(chǎn)生后，讀取當(dāng)前轉(zhuǎn)換值，讀取完成后進(jìn)行數(shù)字均值濾波，降低輸入信號的干擾。濾波完成后將結(jié)果通過串行通信傳送給PC機(jī)。