基于单片机简易数字示波器设计.pdf-资料库

数字示波器的仿真设计丁林基于新型 51 单片机 STC12C5A60S2 硬件资源，想构思一个数字示波器的方案，不过一个稍微复杂一些的想法是要时间来实现的，所幸现在正处于暑假期间，于是利用proteus 仿真完成了一个基于 LCD12864 显示的数字示波器设计。在此声明，这个教程是写给初学者看的，我会从简单到复杂一步一步详细介绍设计过程，甚至是调试的过程，还包括一些经验总结，特别是提供了完整的 keil 工程附件。希望读者立足示波器项目，学到更多关于软硬件开发的一些经验技巧。 1 简易数字示波器原理数字示波器基本原理可以简单理解为：数据采集+图形显示，该过程循环进行，如图 1-1 所示。图 1-1 简易数字示波器原理图首先是数据采集，这里我们直接用 STC12C5A60S2 单片机上的 ADC 来进行数据的采集。（如果你没有 ADC，也可能没有信号发生器，但后面会介绍一种正弦表调试方法。）注：由于 keil C51 中没有 STC12C5A60S2，所以这里的参考程序均改自 STC89C52，两款单片机是兼容的，只是资源和速度(大约是 STC89C52 的 8-12 倍)不同而已。本文档所有程序均位于灰色方框中宏晶公司所给驱动函数 INT8U get_AD_result(INT8U channel)。清 0 高 5 位 //INT8U 是 typedef unsigned char INT8U; 即已重定义的一种类型 INT8U get_AD_result(INT8U channel) { INT8U AD_finished=0; // 存储 A/D 转换标志 ADC_RES = 0; ADC_RESL = 0; channel &= 0x07; //0000,0111 ADC_CONTR = AD_SPEED; _nop_(); ADC_CONTR |= channel; // 选择 A/D 当前通道 _nop_(); ADC_CONTR |= 0x80; // 启动 A/D 电源 delay(1); // ADC_CONTR |= 0x08; //0000,1000 令 ADCS = 1, 启动 A/D 转换, AD_finished = 0; while (AD_finished ==0 ) // 等待 A/D 转换结束 { AD_finished = (ADC_CONTR & 0x10); //0001,0000 测试 A/D 转换结束否 } ADC_CONTR &= 0xE7; //1111,0111 使输入电压达到稳定清 ADC_FLAG 位, 关闭 A/D 转换, 第 1 页，共 42 页

return (ADC_RES); // } 返回 A/D 高 8 位转换结果以上是宏晶公司所给的与 STC12C5A60S2 片上 ADC 配套的数据采集驱动函数，使用该函数需要注意的是，两次调用该函数之间的间隔要超过 ADC 的采样时间，具体可参考 STC12C5A60S2 的数据手册(datasheet)，AD 转换是要一段时间的，在高速系统中时间控制尤其关键。STC12C5A60S2 单片机在 11.0592M 晶振时钟频率下运行，连续两次 AD 采集数据并将数据写入 RAM 变量缓冲区，之间的时间间隔肯定小于 21us 的，需要适当延时。这在高速档数据采集时增加了一定延时等待就是这个原因。图形显示有很多种，LCD 显示稍难，ADC 得到的结果如何在 LCD 上描点，这确实是一个难点，涉及 LCD 驱动问题，需要花费很大篇幅才能完成。最初调试我们可以选用串口来做，借助他人现成的工具软件。下面介绍基于串口和上位机工具软件的波形显示程序设计。串口初始化函数 void initiate_RS232 (void)。波特率 //--------------------------------------------------------------------- #define Fosc 11059200 #define BAUD 115200 // #define RELOAD_115200 (256 - (Fosc/16*10/BAUD+5)/10 ) //1T 模式, 波特率加倍 #define BRTx12_enable() AUXR |= 0x04 //BRT 独立波特率发生器的溢出率快 12 倍 #define BRT_start() AUXR |= 0x10 // 启动独立波特率发生器 BRT 计数。 void initiate_RS232 (void) // 串口初始化 { ES = 0; // SCON = 0x50; // AUXR |= 0x01; // PCON |= 0x80; // BRTx12_enable(); //BRT BRT = RELOAD_115200; // 设置独立波特率发生器 BRT 的自动重装数 BRT_start(); // ES = 1; } 禁止串口中断可变波特率. 8 位无奇偶校验使用独立波特率发生器波特率加倍独立波特率发生器的溢出率快 12 倍启动独立波特率发生器 BRT 计数。往串口写 1 字节函数 void Send_Byte(INT8U one_byte)。 //--------------------------------------------------------------------- void Send_Byte(INT8U one_byte) // 发送一个字节 { TI = 0; // SBUF = one_byte; while (TI == 0); TI = 0; // 清零串口发送中断标志清零串口发送中断标志第 2 页，共 42 页

} 从串口读 1 字节函数 unsigned char uart_get_uchar()。 unsigned char uart_get_uchar() //从串口读 1 字节无符号数据 { } while(!RI); RI = 0; return SBUF; 以上这几个函数是学单片机的人一定要掌握的，能够随手拿来就用，通过串口调试程序，很方便。有了以上 4 个函数，再建一个 keil 工程，添加一个主函数，就可以演示了。 initiate_RS232 (); // 串口初始化 for(i=0;i<128;i++){ #include #include "STC_NEW_8051.H" /// 与 STC12C5A60S2 单片机有关的参数定义 void main() { ADC_result = get_AD_result(7);//P1.7 为 A/D 当前通道, 测量并发送结果 Send_Byte(ADC_result); } } } 在主程序循环中，读取 ADC 数据并发送一次，在串口调试助手（例如 SSCOM）里，设置相关端口和波特率后，就可以看到 ADC 的结果，如图 1-2 所示。第 3 页，共 42 页

图 1-2 串口调试 ADC 调试 ADC 还有一种更方便的方法，结果直接在数码管上显示出来，不管你对数码管硬件熟悉不熟悉，只要使用模板程序提供的数码管驱动函数 led_disp(uint number)即可。数码管驱动函数 led_disp(unsigned int)。 { void led_disp(uint number) //Mini51板数码管显示函数，传入整数 0～9999 { unsigned char code tab1[20]= {0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,}; unsigned char temp,flag=0; if(number < 10000) SEG_B = 0xff;//数码管熄灭 flag = 0; SEG_B = tab1[temp]; flag = 1; SEG_Q = tab1[temp]; flag = 1; SEG_Q = 0xff; //数码管熄灭 flag = 0; temp = number/1000%10; //千位数码管 if (temp) { } else { } temp = number/100%10; //百位数码管 if(flag | temp) } else { } temp = number/10%10; //十位数码管 if(flag | temp) SEG_S = tab1[temp]; else SEG_S = 0xff; // 数码管熄灭 temp = number%10; // 个位数码管 { 第 4 页，共 42 页

SEG_G = tab1[temp]; SEG_Q = 0xbf;//"-" SEG_B = 0xbf; SEG_S = 0xbf; SEG_G = 0xbf; } else { } } 1以上演示源程序 keil 工程请参考附件【串口调试 1】这里再介绍两款串口绘图软件【MyOsc】和【ComCalWave】，可以直接把串口接收到的数据按 X-Y 轴绘图，显示结果更直观。主程序这样改： initiate_RS232 (); // 串口初始化 for(i=0;i<128;i++){ #include #include "STC_NEW_8051.H" /// 与 STC12C5A60S2 单片机有关的参数定义 void main() { ADC_result = get_AD_result(7);//P1.7 为 A/D 当前通道, 测量并发送结果 Send_Byte(ADC_result); } } } 运行【MyOsc】，设置串口和波特率后“OPEN”，适当调节输入信号频率后可以看到如图 1-3 所示的图案。第 5 页，共 42 页

图 1-3 串口绘图软件示例运行【ComCalWave】，选择正确的串口号和波特率，“Open COM”，再设置“Wave Show”，看到了什么？图形！在图形窗口尝试用鼠标右键操作，还可选择特定范围显示，如图 1-4 所示。图 1-4 串口绘图软件示例 2 要看到以上漂亮的波形，还有一些硬件连接要做，需要将信号发生器和最小系统板上面的 P1.7 口相连接，注意，本 ADC 只能进行 0 到 5V 之间的信号转换，你还需要调整信号发生器，产生满足条件的信号才行。 1以上演示源程序 keil 工程请参考附件【串口调试 2】第 6 页，共 42 页

实际在调试程序中，缺少必要硬件设备(如使用普通的 51 单片机且没有 ADC)，还可以用正弦表代替实际 ADC，这里再介绍一款正弦表生成器软件【正弦表发生器】，软件界面如图 1-5 所示。图 1-5 正弦表发生器【量化阶数】就是 ADC 位数，例如 STC12C5A60S2ADC 是 10 阶，ADC0809 是 8 阶；【采样点数】就是在一个正弦周期内，均匀分布多少个采样点，例如在 128 点的 lcd 上显示 2 个以上周期的话，采样点数要小于 64 点，这里选用 30 点数来举例，源程序如下。 0x80,0x9a,0xb4,0xcb,0xdf,0xee,0xf9,0xff,0xff,0xf9, 0xee,0xdf,0xcb,0xb4,0x9a,0x80,0x65,0x4c,0x34,0x21, 0x11,0x6,0x0,0x0,0x6, 0x10,0x20,0x34,0x4b,0x65, #include "mini51b.h" // 所有与硬件相关的接口函数定义 #include "uart.h" unsigned char code dot[30]={ // 正弦表，注意数据类型是“code”，存放在 rom 当中 }; void main() { } unsigned char i; rs232_port_init(); delay_ms(1); while(1) { } for(i=0;i<128;i++) { } uart_put_uchar(dot[i%30]); delay_ms(1);//此处延时当于调节了采样率用以上调试软件同样可以看到漂亮的正弦信号图形。以上调试成功后，感觉应该还可以吧，如果你是第一次亲自完成 ADC 将数据采集，再用软件绘图显示还原信号波形图，一定是一件特别令人激动的事情(Dare to Create and Enjoy)。第 7 页，共 42 页

2 图形液晶 LCD12864 绘图驱动设计基础（以下均用仿真来代替）下面我们学习如何在 LCD12864 上显示同样的正弦波形。关于 LCD 的硬件接口电路，在前面的教程中有详细介绍，涉及单片机总线知识和 CPLD 内部电路，需要专门学习，这里我们借助现成的驱动函数，重点讲解 LCD 绘图程序设计。 LCD12864 的电路接口在【STC51.h】头文件中定义。 #define LCD_LCW XBYTE[0xf4ea] // 左屏命令写入 #define LCD_LDW XBYTE[0xf5ea] //左屏数据写入 #define LCD_LCR XBYTE[0xf6ea] // 左屏命令读出 #define LCD_LDR XBYTE[0xf7ea] // 左屏数据读出 #define LCD_RCW XBYTE[0xf8ea] // 右屏命令写入 #define LCD_RDW XBYTE[0xf9ea] //右屏数据写入 #define LCD_RCR XBYTE[0xfaea] // 右屏命令读出 #define LCD_RDR XBYTE[0xfbea] //右屏数据读出后面所有对 LCD 的编程操作都是基于以上接口定义（总线编址）进行的读写操作。首先来看 LCD 点阵结构图，这里以不带字库的 LCD12864 来讲解，如图 2-1 所示。图 2-1 LCD 点阵分布结构图此 LCD 屏由水平 128 列，垂直 64 行组成。水平 128 列分左右各 64 列两个半屏构成。垂直 64 行又分 8 页，每页 8 行（1 列 8 点刚好 1 字节）。程序每次对 LCD 的绘图操作就是以最小单位 1 字节进行操作的。理解这点至关重要。也就是每次只能针对 8 点进行操作，而不是 1 点进行操作。左右屏由单独地址线控制（前面的接口定义就是分左右屏定义的）。实际打点只需往指定“位置”写入数据，“1”亮，“0”暗(在前面的教程里我已经说过，对 LCD 编程实际上就是在对相应的 RAM 单元进行写“1”操作)。 LCD 驱动函数：忙检测函数 void loop_lcd12864_is_busy(unsigned char right)。 void loop_lcd12864_is_busy(unsigned char right) { 第 8 页，共 42 页

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