微机接口课设报告数字存储示波器设计.doc

1 河北科技大学河北科技大学 课程设计报告 学生姓名： 田继辉 学 号： 130701213 专业班级： 电信 132 课程名称： 微机接口技术 学年学期： 2016 年第二学期 指导教师： 马洪涛 201 6 年 6 月 28 日 2 课程设计成绩评定表课程设计成绩评定表 学生姓名田继辉学 号130701213成绩 专业班级电信 132起止时间 2016.6.272016.6.28 同组人赵广涛 设计题目数字存储示波器设计数字存储示波器设计 指 导 教 师 评 语 指导教师： 年 月 日 3 目录目录 一、一、 设计任务与要求设计任务与要求 4 4 二、二、 总体方案设计总体方案设计 4 4 1、工作原理、工作原理 4 2 2、电路组成及功能作用、电路组成及功能作用 4 三、三、 硬件电路设计硬件电路设计 5 5 1.1. 设计思路设计思路 5 2.2. 芯片应用及工作原理芯片应用及工作原理 5 四、四、 数字存储示波器程序设计数字存储示波器程序设计 7 7 1 1、 程序流程图：程序流程图：.7 2 2、 程序清单程序清单.9 五、五、 调试说明调试说明 1010 1 1、硬件电路调试及方法、硬件电路调试及方法 .10 2 2、程序调试方法及过程、程序调试方法及过程 .10 六、六、 结论结论 1111 1 1、 课程设计结果课程设计结果11 2 2、 收获及体会收获及体会11 七、七、 参考文献参考文献 1212 八、八、 附录附录 1212 4 一、设计任务与要求 本设计通过简单的 A/D 转换接口电路，配合汇编语言程序设计，实现最基本的信号波形采 集与存储，并通过简单的 D/A 转换接口电路，将存储的数据还原为信号波形，在普通示波器 的屏幕上显示出来。 当按下 S1 时，电容 C5 完全放电，A/D 转换器输入电压为零；抬起 S1 时，电容 C5 开始 充电，A/D 转换器输入电压按 RC 过渡过程开始上升，最终达到+5V。图中 RC 时间常数约为 10ms，整个充电过程需要 35 倍的 RC 时间常数时间。设计要求使用 A/D 转换器捕捉电容 C5 充电的完整过程，并将采样数据存储起来。然后依次将采样数据通过 D/A 转换器循环输出， 产生一定频率的重复波形，送到普通示波器显示。 基本要求：使用一个 D/A 转换器通道，将信号波形施加到示波器的 Y 轴，X 轴扫描信号 由示波器产生并调节，实现 RC 充电过程的波形稳定显示。 发挥部分：将示波器调整在 X-Y 方式，采样数据的 D/A 转换器输出接到 Y 轴输入端，增 加一个 D/A 转换器通道，产生频率可变的 X 轴扫描信号，接到示波器 X 轴外部输入端，使 RC 充电过程的波形稳定显示。 二、总体方案设计 1、工作原理、工作原理 使用 ADC0809、DAC0832 和相关外围电路元件，组成最基本的 A/D 转换和 D/A 转换电 路。要求具有单通道 05V 的电压输入范围，双通道 05V 的电压输出功能。由 A/D 采集电 容 C5 充电时的信号，将模拟波形变换成数字信息存储于单片机外部 RAM 中，需要显示时再 从存储器中读出，通过 D/A 将数字信息变换成模拟电压值，死循环输出，产生重复波形并显 示。 2、电路组成及功能作用、电路组成及功能作用 由 ADC0809 和相关外围电路元件组成最基本的 A/D 转换器，实现模拟量触发点的捕捉、 被测信号的采集及模拟量到数字量的转换。由 DAC0832 和相关外围电路元件组成最基本的 D/A 变换器，实现数字量到模拟量的转换。单片机 MCS-51 的 RAM（本实验起始地址为 C000H）区用于存储模拟波形转换得到的数字信息。通过读出显示，将 D/A 变换器转换得到 的模拟量通过示波器输出显示，显示 RC 的充电过程波形。 电路中各部分通过数据总线、地址总线和若干控制线互相联系和交换信息。 采 集 到 的 信 号 A/D 模数 转换 DA 数模 转换 单 片 机 MCS -51 示 波 器 复位 电路 5 三、硬件电路设计 1.设计思路设计思路 数字存储示波器主要通过 A/D 转换器接口电路、数据的存储和 D/A 转换器接口电路实现。 A/D 接口电路主要应用的芯片是 ADC0809。ADC0809 的数据线、地址线、读/写信号与单片机 试验系统板连接，其片选信号来自实验系统板的地址译码器，有效地址范围为 F000F3FFH（PS4） 。把 A/D 采集到的数据存储到单片机外部数据存储区。D/A 接口电路主要 应用的芯片是 DAC0832。DAC0832 的数据线、地址线、读/写信号与单片机试验系统板连接， 其片选信号来自实验系统板的地址译码器，U2输出端为 VO1的有效地址范围为 F800FBFFH(PS6)。 U3（输出端为 VO2）的有效地址范围为 F400F7FFH（PS5） 。 2.芯片应用及工作原理芯片应用及工作原理 A/D、D/A 接口实验的电路原理如图所示。芯片 ADC0809。 A/D 接口电路主要应用的芯片是 ADC0809。ADC0809 是一个典型的逐次逼近型 8 位 A/D 转换器。它由 8 路模拟开关、8 位 A/D 转换器、三态输出锁存器及地址锁存译码器等组成。它 允许 8 路模拟量分时输入，转化后的数字量输出是三态的（总线型输出） ，可以直接与单片机 数据总线相连接。ADC0809 采用+5V 电源供电，外接工作时钟。U8A 将 ALE 信号 2 分频，产 生 500kHz 的转换时钟，转换时间约为 128s。U7B 和 U7C 与片选信号 PS4 配合，完成 ADC0809 的通道选择、启动转换和数据读取。U8B 将 EOC 信号转换极性，生成 INT0 信号， 向单片机提出中断请求，同时驱动 L2 发光，指示 A/D 转换已经完成。 ADC0809 引脚图 ADC0809 内部结构图 当 S1 从按下状态抬起时，IN-6 引脚将产生 RC 充电过程的电压变化，该变化过程可由 ADC0809 定时取样捕捉到，用于实现存储示波器的相关实验。输入端 VIN1 和 V IN2 引到了 实验卡的连接器 J1 上，用于连接外部的电压输入，相关的串联电阻和嵌位二极管组成保护电 路，防止外部的电压输入过高造成 ADC0809 的损坏。通过不同输入通道的选择和相关的电压 调节，配合不同的试验程序，可以对 ADC0809 进行不同的实验测试。 Iout1 模拟电流输出端 1： 6 当输入数字为全”1”时, 输出电流最大，约为：Iout1=255VREF/256RFB 当输入数字为全”0”时, 输出电流为 0 Iout2 模拟电流输出端 2： ADC0809 与单片机链接 芯片 DAC0832 D/A 接口电路主要应用的芯片是 DAC0832。数字量的值是由每一位的数字权叠加而得的。 一个 8 位 D/A 转换器有 8 个输入端（其中每个输入端是 8 位二进制数的一位） ，有一个模拟输 出端。输入可有 28=256 个不同的二进制组态，输出为 256 个电压之一，即输出电压不是整个 电压范围内任意值，而只能是 256 个可能值。 如果一个二进制数据为 1111，运算放大器的输入电流 I=-VREF/（2R）-VREF/（4R）-VREF/（8R）-VREF/（16R） =-VREF/（2R） （20+2-1+2-2+2-3） =-VREF/（24R） （23+22+21+20） 相应的输出电压 V0=IR0=-VREFR0（24R） （23+22+21+20） 将资料推广到 n 位，输出模拟量与输入数字量之间关系的一般表达式为： V0=-VREFR0/（2nR） （Dn-12n-1+Dn-2 2n-2+D121+D020） (Di=1 或 0) 上式表明，输出电压 V0 除了和待转换的二进制数成比例外，还和网络电阻 R、运算放大器 反馈电阻 R0、标准参考电压 VREF 有关。 D/A 转换：VO1 的电压与 DAC 对应数据值的关系 VO1=date(DAC)/(FF+1)*VREF 通过拨码开关 SW1 的选择，可分别接入低通滤波电容 C2（闭合 SW1-1）和 C3（闭合 SW1-2） ，也可以改变参考电压的极性（SW1-3 闭合时为-5V）和的工作模式（SW1-4 闭合时为 单缓冲） 。SW1-4 断开时两片 DAC0832 均工作在双缓冲模式，第二级缓冲器的选通信号来自 实验系统板地址译码器的 PS7 输出，其有效地址范围为 FC00FFFFH。 7 DAC0832 引脚图 DAC0832 内部结构 DAC 直流输出型 8 位数摸转换器 输出端 VO1 和 VO2 引到了实验卡的连接器 J1 上，可用于连接外部电路，也可以连接万 用表和示波器，以便测量输出电压和输出波形。输出端 VO1 还通过限流电阻连接 LED 指示灯 L1，可以观察到输出电压变化引起 LED 亮度的变化情况。 四、数字存储示波器程序设计 根据数字存储示波器的基本工作原理编写实验程序，实现触发点的捕捉、被测信号的采集 和数据的存储以及信号波形的再现功能。 1、 程序流程图：程序流程图： 程序“开始”部分是初始化内容，包括指定堆栈指针 SP；设定采集数据的存储首地址， 本设计为单片机外部 RAM 的 C000H。 “数据采集”部分包括启动 A/D 转换、执行延时程序等待转换结束、取回转换结果，为 S1 是否按下提供参考数据。 “S1 按下吗？”部分为按键 S1 是否按下判断程序。本设计采用上升沿触发方式，S1 按下 时产生下降沿。当 A/D 采样数据大于判断点（20H）时，表明按键尚未按下，当 A/D 采样数据 小于触发点时，表明按键已经按下，转入触发检测环节，循环存储采样数据。当 A/D 采样值重 新上升到大于或等于触发点数据时，便认为触发信号到来，转入下面的采样程序。 “采集并存储”部分包括启动 A/D 转换、执行延时程序等待转换结束、取回转换结果并存 8 储到 C000H 开始的 RAM 中和存储器地址加 1，为下次存储做准备等程序。其中延时程序决定了 数据采样周期，采样周期（延时时间）可初步设定在 200s，全部程序调试完成后，本设计 数据存储深度为 256 字节，存满 256 字节后自动从头开始刷新。 “有触发吗？”部分为触发点（触发点数据要大于等于 S1 按下判断点数据）判断程序。 本设计采用上升沿触发方式，当 A/D 采样数据小于触发点时，表明按键按下尚未抬起，继续循 环存储采样数据。当 A/D 采样值上升到大于或等于触发点数据时，表明按键按已抬起，便认为 触发信号到来，转入下面的采样程序。 “设定存储字节数”程序将触发后的采样点数设定在 128 个字节。接下来的“采集并存储” 部分与前面叙述的完全相同。“完成吗？”判断 128 个字节的采样是否完成，如果完成就进入 下面的 D/A 转换程序。这样在 256 个字节的存储器中，就包含了触发前、后各 128 字节的采样 数据，可完全记录电容 C5 充电前后的电压变化波形。 “设定初始地址”部分将数据指针重新设定在 C000H。“输出存储的数据”程序将数据存 储器中的 A/D 采样值送到 D/A 转换器输出。 “地址1”程序修改数据指针的低 8 位地址，使 数据存储器地址在 C000HC0FFH 之间自动循环。这样便可以通过 D/A 转换器反复重现电容 C5 充电过程的完整波形，实现存储波形的稳定显示。 N Y N Y N 开始 采集并存储 有触发吗？ 设定存储字节数 完成吗？ 采集并存储 设定初始地址 设定存储字节数 输出存储的数据 地址+1 S1 按下吗？ 数据采集 9 2 2、程序清单程序清单 ORG:0100H地址机器码 MOV DPTR , #0F006H0100H: 90H,0F0H,06H MOV P2， #0C0H0103H: 75H,0A0H,0C0H MOV R0， #00H0106H: 78H,00H NEXT: LCALL AD0108H: 12H,03H,00H CLR C010BH: 0C3H CJNE A, #20H, CP010CH: 0B4H,20H,00H CP:JNC NEXT010FH: 50H,0F7H P1：LCALL AD0111H: 12H,03H,00H MOVX R0，A0114H: 0F2H INC R00115H: 08H CLR C0116H: 0C3H CJNE A, #30H, P20117H: 0B4H,30H,00H P2：JC P1011AH: 40H,0F5H MOV P2， #0C0H011CH: 75H,0A0H,0C0H MOV R3， #80H011FH: 7BH,80H P3：LCALL AD0121H: 12H,03H,00H MOVX R0，A0124H: 0F2H INC R00125H: 08H DJNZ R3，P30126H: 0DBH,0F9H DA:MOV P2，#0C0H0128H: 75H,0A0H,0C0H MOV R0，#00H012BH: 78H,00H P4：MOV DPTR, #0F800H012DH: 90H,0F8H,00H MOVX A, R00130H: 0E2H MOVX DPTR, A0131H: 0F0H INC R00132H: 08H SJMP P40133H: 80H,0F8H ORG:0300H AD: MOV DPTR,#0F006H0300H: 90H,0F0H,06H 10 MOVX DPTR, A0303H: 0F0H LCALL DELAY0304H: 12H,04H,00H MOVX A, DPTR0307H: 0E0H RET0308H: 22H ORG:0400H DELAY:MOV R6, #32H0400H: 7EH,32H DJNE R6,$0402H: 0DEH,0FEH RET0403H: 22H ;发挥部分 将 DA 部分改为 DA: MOV P2, #0C0H0128H: 75H,0A0H,0C0H MOV R0, #00H012BH: 78H,00H MOV R5, #00H012DH: 7DH,00H P4：MOV DPTR, #0F800H012FH: 0E2H MOVX A, R00130H: 90H,0F8H,00H MOVX DPTR, A0133H: 0F0H MOV DPTR, #0F400H0134H: 90H,0F4H,00H MOV A, R50137H: 0EDH MOVX DPTR, A0138H: 0F0H INC R00139H: 08H INC R5013AH: 0DH SJMP P4013BH: 80H,0F2H 五、调试说明 1、硬件电路调试及方法、硬件电路调试及方法 RP2 为参考电压调节电位器，RP3 为 VO1 输出的调零电位器，RP1 为 VO1 输出的满度调 节电位器。RP4 为参考电压调节电位器，RP5 为 ADC0809 的 IN-7 输入电压调节电位器。可以 通过 SW1-3 改变参考电压的极性（SW1-3 闭合时为-5V） 。 2、程序调试方法及过程、程序调试方法及过程 存储示波器的硬件电路调试分为 A/D 和 D/A 两个部分，参见附录电路原理图。A/D 转换 器部分只要调节 RP4 使基准电压 VREF2 为最大值（VCC）即可。D/A 转换器部分，首先调节 RP2 和 SW1-3，使基准电压 VREF1 为-5.00V。然后向 D/A 转换器写入 00H，调节 RP3，使 11 VO1 输出电压为 0V；再向 D/A 转换器写入 FFH，调节 RP1，使 VO1 输出电压为 5.00V。 存储示波器的控制程序可分为三个步骤进行调试： （1）A/D 转换部分调试。无条件循环执行数据采集和存储程序，分别在 S1 按下和抬起状 态终止程序的执行（按 MON 键） ，观察存储器中采集到的数据是否全部为 00H 或 FFH。如果 是，则说明 A/D 转换和数据存储程序工作正常，否则说明 A/D 转换和数据存储程序不正常工 作。 （2）D/A 转换部分调试。将存储器中输入一些有规律的数据，例如多个 FFH 和 OOH， 循环执行 D/A 转换程序，看示波器中是否有对应的高、低电压波形出现。如果有，则说明 D/A 转换程序工作正常，否则说明 D/A 转换程序没有正常工作。 （3）触发点捕捉部分调试。连续执行全部程序，在不断的按下和抬起 S1 时，按下 MON 键，根据当前 PC 值，确定程序终止在哪个部分的循环程序中，判断相关指令的使用是否正确。 在程序调试期间出现了很多问题：在 S1 按下和抬起状态终止程序的执行（按 MON 键） ， 观察存储器中采集到的数据不全部为 00H 或 FFH，既没有采集到数据，导致不能循环输出存 储器中采集到的数据，经过仔细分析采集数据和存储的过程，发现跳转的偏移量计算错误。纠 正错误后 C000H 里储存的数据变化正确，但示波器中波形出现是干扰波，不是理想充电波形。 通过单步执行程序发现在 D/A 输出的时候，程序机器码查错了，经过调试终于出现了预期的 波形。 六、结论 1、 课程设计结果课程设计结果 RC 充电过程波形 发挥部分波形 2、 收获及体会收获及体会 每学期末都会有课程设计，这是锻炼我们实践操作的机会，每次结束后都会学到很多东西， 更深刻的理解理论知识。接口课设我掌握了多种接口的软硬件设计基本思路和调试方法，对数 字存储示波器的工作原理有了更深刻的认识，同时在设计过程中应用到了实验中的 A/D、D/A 转换实验，前面的实验基础对这次课设有很大帮助，完成后我更加了解了