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波形采集、存储与回放系统 课程设计报告.doc

发布时间：2022-06-18 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：1.04M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    一、选题的背景
    1、选题的来源、意义和目的
    二、课题总体设计说明
    1、总体开发计划
    2、课题所达到的功能目标、技术指标
    3、课题总体设计方案，比较几个备选方案，确定最终方案
    （1）采样方式
    三、硬件设计说明
    VREF：基准电源端
    2、硬件总体设计方案
    ①主控芯片
    ②采集、回放电路
    ③控制按键
    ④显示模块
    四、软件设计说明
    1、软件总体设计方案
    （1）软件设计目标
    （2）软件功能模块划分
    ①主程序
    ②LCD显示子程序
    ③PCF8591数模与模数转换程序
    PCF8591采用典型的I2C总线接口器件寻址方法，即总线地址由器件地址、引脚地址和方向位组成，A/
    在进行数据操作时，首先是主控器发出起始信号，然后发出读寻址字节，被控器做出应答后，主控器从被控器读出
    ⑤I2C24C02存储功能程序
    五、硬件调试说明
    1、硬件性能测试
    2、软件性能测试
    六、课题开发总结
    七、用户操作说明
    八、参考资料
    1、元件清单
    2、原理图
    单片机课程设计报告 题目： 波形采集、存储与回放系统 设计者 1： 刘洪荣 负责任务：程序编写、报告 专业班级/学号：09 应用电子技术⑤ 0906020149 设计者 2： 邓才英 负责任务： 整合、调试、报告 专业班级/学号：09 应用电子技术⑤ 0906020131 指导教师 1： 陈玉琼老师 答辩时间： 2011-11-20
    目录 一、选题的背景··················································································3 1、选题的来源、意义和目的·········································································· 3 2、课题承担人员及分工说明·········································································· 3 二、课题总体设计说明························································································3 1、总体开发计划························································································· 3 2、课题所达到的功能目标、技术指标······························································ 4 3、课题总体设计方案，比较几个备选方案，确定最终方案···································4 （1）采样方式···························································································· 4 三、硬件设计说明······························································································ 5 1、硬件总体设计方案··················································································· 6 ①主控芯片··························································································· 6 ②采集、回放电路··················································································6 ③控制按键··························································································· 7 ④显示模块··························································································· 7 四、软件设计说明······························································································8 1、软件总体设计方案··················································································· 8 （1）软件设计目标················································································ 8 （2）软件功能模块划分·········································································· 8 五、硬件调试说明···························································································· 11 1、硬件性能测试························································································11 2、软件性能测试························································································11 六、课题开发总结···························································································· 11 七、用户操作说明···························································································· 11 八、参考资料·································································································· 11 1、元件清单······························································································ 12 2、原理图································································································· 12 ３、硬件电路板外观图片············································································· 12 九、附件·········································································································13 1、元件清单······························································································ 14 2、原理图································································································· 14 3、PCB 版图·······························································································15 4、仿真图································································································· 15 5、硬件电路板外观图片···············································································15 十、课题开发总结 1、任务完成情况总结··················································································16 2、设计体会······························································································ 16 3、设计工具······························································································ 16 2
    【摘要】 本设计是设计一款基于单片机 STC85C52 的波形采集存储与回放控制系统，其中单片机是 整个控制系统的核心，结合 AT24C04 存储及 PDF8591 芯片 A/D 数据采集模块，可 靠地实现对一路外部信号进行采集与存储。系统硬件可以分为模拟部分和数字部 分。模拟电路主要包括按键电路、单片机的外围基本模块及 A/D 模块、D/A 模 块。数字部分主要由单片机 STC85C52 实现与 AT24C04，用于数据的存储、传输 和信号处理等。 关键词：单片机 STC85C52；AT24C04；PDF8591；波形采集存储与回放； 一、选题的背景 1、选题的来源、意义和目的 来源：2011 全国大学生电子设计竞赛试题； 意义：使我们更加理解全国大学生电子设计竞赛； 目的：通过波形采集、存储与回放系统的学习，学会液晶 LCD1602、AD/DA 模块和 EEPROM 存储模块的使用 2、课题承担人员及分工说明 刘洪荣: 模块整合、编写程序、程序调试、画 PCB 板 邓才英: 软硬件调试、报告、做板、绘制 PROTEL 与 PROTUES 原理图、写课程设计报告。 二、课题总体设计说明 1、总体开发计划 设计并制作一个波形采集、存储与回放系统，示意图如图1 所示。该系统能同时采集两 路周期信号波形，要求系统断电恢复后，能连续回放已采集的信号，显示在示波器上。如图 2-1 所示。 图 2-1 采集回放系统示意图 3
    2、课题所达到的功能目标、技术指标 （1）能完成对A 通道单极性信号（高电平约4V、低电平接近0V）、频率约1kHz 信号 的采集、存储与连续回放。要求系统输入阻抗不小于 10 kΩ，输出阻抗不大于 1kΩ； （2）采集、回放时能测量并显示信号的高电平、低电平和信号的周期。原信号与回放 信号电平之差的绝对值≤50 mV，周期之差的绝对值≤5%。 3、课题总体设计方案，比较几个备选方案，确定最终方案 （1）采样方式 方案一：实时采样。实时采样是在信号存在期间对其采样。根据采样定理，采用速率必 须高于信号最高频率分量的两倍。对于周期的正弦信号，一个周期内应该大于两个采样点。 为了不失真的恢复原被测信号，通常一个周期内就需要采样八个点以上。 方案二：等效时间采样法。采用中高速模数转换器，对于频率较高的周期性信号采用等 效时间采样的方法，即对每个周期仅采样一个点，经过若干个周期后就可对信号各个部分采 样一遍。而这些点可以借助步进延迟方法均匀地分布于信号波形的不同位置。其中步进延迟 是每一次采样比上一次样点的位置延迟△t 时间。只要精确控制从触发获得采样的时间延迟， 就能够准确地恢复出原始信号。 等效时间采样虽然可以对很高频率的信号进行采样，可是步进延迟的采样技术与电路较 为复杂。再者，它只限于处理周期信号，而且对单次触发采样无能为力。实时采样可以实现 整个频段的全速采样，因此本设计采用方案一。 （2）A/D、D/A 转换方式 方案一：采用 ADC0809 的 8 位单断模拟输入信号中的一个进行 A/D 转换，允许 8 路模拟量 分时输入，共用一个 A/D 转换器进行转换，可以进行多数据采集。而地址锁存与译码电路 完成对 A、B、C 三个地址位进行锁存和译码，转换结果通过三态输出锁存器存放、输出。 方案二：PCF8591 是具有 IIC 接口，有 AIN0~AIN3 四个模拟输入通道和一个模拟输出通道， 最多可以有 8 片 8591 连接到 IIC 总线。通过时钟线 SCL 和数据线 SDA 与单片机之间的数 据进行传输，故我们选择此方案。 （3）触发方式选择 要使屏幕上显示稳定的波形，则需将被测信号本身或者与被测信号有一定时间关系的 触发信号加到触发电路。触发源选择确定触发信号由何处供给。通常有三种触发源：内触发 (INT)、电源触发(LINE)、外触发 EXT)。题目要求选择内触发，即使用被测信号作为触发信 号。 方案一：采用数字触发方式。对波形信号进行采集，将采集到的波形数据和触发电平（可 由键盘设置）进行比较，找到波形在上升过程中大于或等于该触发电平的点，即得到触发， 此时开始对波形进行存储。因为本来就需要对波形信号进行采集，使用这种方法无需要增加 额外的硬件电路，实现方便。但是，对波形每个周期只采集有限个点，不可能每次都能采集 到等于触发电平的点（这时不得不以大于该电平的值为触发电平），从而使触发位置不稳定， 连续触发时输出波形会有抖动现象。 方案二：采用模拟触发方式。通过比较器 LM358 将被测波形信号和触发电平进行比较， 大于触发电平时输出为高电平，小于触发电平时则输出低电平，即可得到信号被整形后的脉 4
    冲序列，再在该脉冲序列的上升沿开始存储波形即实现了触发存储的功能。这种触发方式稳 定，故我们采用了这种方案。 三、硬件设计说明 1、本系统使用的芯片有：STC89C52、AT24C04、PCF8591。 （1）核心控制芯片 STC89C52 STC89C52 是一种低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器。在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash，使得 STC89C52 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 具有以下标准功能： 8k 字节 Flash，512 字节 RAM， 32 位 I/O 口线，看门狗定时器，内置 4KB EEPROM，MAX810 复位电路，三个 16 位 定时器/计数器，一个 6 向量 2 级中断结构，全双工串行口。 另外 STC89X52 可降至 0Hz 静态逻辑操作，支持 2 种软件可选择节电模式。空闲模 式下，CPU 停止工作，允许 RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护 方式下，RAM 内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或 硬件复位为止。最高运作频率 35Mhz，6T/12T 可选。 接口下图所示 主要芯片 I/O 口分配： 液晶 AT24C04 PCF8591 RS、P1.0，RW、P1.1，EN、P1.2 SCL、P2.2，SDA、P2.3 SCL、P2.2，SDA、P2.3 （2）程序存储芯片 AT24C04 AT24C04 是一个 4K 位串行 CMOS E2PROM， 内部含有 256 个 8 位字节，CATALYST 公司的先进 CMOS 技术实质上减少了器件的功耗。AT24C02 有一个 16 字节页写缓冲器。 该器件通过 IIC 总线接口进行操作，有一个专门的写保护功能。 管脚与管脚功能如下图： 5
    （3）AD/DA 转换芯片 PCF8591 PCF8591 是一个单片集成、单独供电、低功耗、8-bit CMOS 数据获取器件。PCF8591 具有 4 个模拟输入、1 个模拟输出和 1 个串行 I2C 总线接口。PCF8591 的 3 个地址引 脚 A0, A1 和 A2 可用于硬件地址编程，允许在同个 I2C 总线上接入 8 个 PCF8591 器件， 而无需额外的硬件。在 PCF8591 器件上输入输出的地址、控制和数据信号都是通过双 线双向 I2C 总线以串行的方式进行传输。 管脚与管脚功能如下图： AIN0～AIN3：模拟信号输入端。 A0～A2：引脚地址端。 VDD、VSS：电源端。（2.5～6V） SDA、SCL：I2C 总线的数据线时钟线。 OSC：外部时钟输入端，内部时钟输出端。 EXT：内部、外部时钟选择线，使用内部时钟时 EXT 接地。 AGND：模拟信号地。 AOUT：D/A 转换输出端。 VREF：基准电源端 2、硬件总体设计方案 (1)硬件设计目标：最终实现波形的采集、存储、回放。 (2)硬件模块划分：AT89S51 主控制模块、PCF8591 模块、24C02 模块。 ①主控芯片 AT89S51 带 8KB 闪存，工作电压 5V。 ②采集、回放电路 图 3-1 PCF8591 是具有 I2C 总线接口的 A/D 转换芯片。在与 CPU 的信息传输过程中仅 靠时钟线 SCL 和数据线 SDA 就可以实现，8 位 A/D 及 D/A 转换器，有 4 路 A/D 转换输入， 1 路 D/A 模拟输出。AIN0～AIN3：模拟信号输入端。 A0～A3：引脚地址端。VDD、VSS：电源端（2.5～6V） 6
    SDA、SCL：I2C 总线的数据线、时钟线； EXT：内部、外部时钟选择线，使用内部时钟时 EXT 接地 AGND：模拟信号地； AOUT：D/A 转换输出端； VREF：基准电源端。 AOUT 为 D/A 转换输出端，AIN0～AIN3 为 A/D 的模拟信号输入端，输入输出的地址、控制和 数据信号都是通过双线双向 I2C 总线以串行的方式进行传输。 OSC：外部时钟输入端，内部时钟输出端； 图 3-1 采集回放电路图 ③控制按键 控制铵键用于信号确认。按键分别接 AT89S51 的 P1.5，如图 3-2。 图 3-2 按键控制图 ④显示模块 利用 LCD1602，数据 D0~D7 接 AT89S51 的 P0 口，RS\RW\E 分别接位接 AT89S51 的 P2.0、P2.1、P2.2 接口，如图 3-3。 图 3-3 LCD 液晶显示图 ⑤转换电路 7
    利用 LM358 将正弦波、三角波转换成矩形波，将输出的波形通过 PNP 三极管，CPU 输出高 电平时三极管关断；CPU 输出低电平时，三极管导通，从而输出波形。 图 3-4 转换电路图 四、软件设计说明 1、软件总体设计方案 （1）软件设计目标 最终能实现同时采集两路周期信号波形，要求系统断电恢复后，能连续回放已采集的信 号，显示在LCD上。 1、按P1.5的按键,依次进入回放已采集的信号状态。 2、按下回放键后，该系统将 1ms 的采样波形进行循环回放（重现）； 3、在采集时可改变幅值，并且采集到的数据也会同时在回放的时候变化； 4、在回放时，若按下回放键，将停止波形的回放；若按下采集键，将终止当前波形的 回放，并采集新的波形。 （2）软件功能模块划分 ①主程序 主程序循环调用 LCD 显示子程序、PCF8591 数模与模数转换、IIC24C04 存储程序，当 端口上电时，转入相应功能程序。如图 4-2 所示： 8
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