多功能波形发生器的设计与实现.doc

序号: 学号: 硬 件 实 习 报 告题 目： 多功能波形发生器的设计与实现 学 生 姓 名： 学 院（系）： 信息科学与工程学院 专 业 班 级： 指 导 教 师： 专业技术职务： 实习时间： 2010 年 6 月 21 日 2010 年 7 月 2日硬件实习任务书一、设计题目多功能波形发生器的设计与实现二、实习目的硬件实习是计算机应用专业重要的一个实践性内容。 其目的和作用是使学生能将已学过的模拟电路、数字电路、微机原理与接口技术、EDA以及单片机等知识综合运用于电子系统的设计中，从而培养学生对电子系统的设计和实现能力，培养学生的团结合作精神，培养学生的自主学习、实践能力，培养学生的创新思维。三、课题背景1 单片机控制、微机控制越来越广泛地用于各行各业，身为工科院校的学生理应掌握其在工业领域的一些应用；2 作为本专业硬件课程的一次综合性实践；3 提高工厂此类产品质检的效率，准确完成质检要求；4 便于用户对产品功能的确认。四、设计内容及目标给定一组集成电路芯片：（一） 基本要求：1利用单片机CPU、可编程并行接口芯片8255、数模转换芯片DAC0832和相应输入输出外设（拨键开关和发光数码管等）；2 编写软件实现多种波形选择显示功能（具体设计如下：K0总体开关键、K1方波显示、K2三角波显示、K3锯齿波显示、K4正弦波显示）；3进行软、硬件的调试，实现要求的功能。（二） 扩展要求：输入输出界面：信息显示友好，含义明确，易理解；（采用按键和LCD来控制显示）五、进度安排时间工 作 内 容预 定 目 标第十七周星期一布置分析实习课题；图书馆查阅相关资料。完成课题需求分析星期二至星期三进行硬件设计及软件设计，完成硬件设计草图、程序流程图；星期四上午设计成果检查及指导确定硬件、软件设计方案星期四下午完善硬件及软件设计完成硬件设计图、源程序；星期五实施硬件及软件设计进行硬件接线、软件编程第十八周星期一至星期四实施测试，完成实习任务，准备实习报告。提交合格的硬件设计图、程序流程图、源程序；完成实习报告草稿 星期五在实习现场进行结果演示及答辩；完成答辩；完成实习报告。星期五下午提交实习报告提交合格的实习报告六、设计时间： 2010 年 6 月 21 日到 2010 年 7 月 2 日 计算机科学与技术 系 指导教师 潘 操 _目 录1.前言11.1设计背景11.2设计内容11.3硬件实习的目的12.课题设计22.1 8255可编程芯片介绍22.2 8位D/A转换器DAC0832介绍53.设计步骤83.1硬件设计83.2软件设计83.2.1软件设计程序流程图83.2.2软件设计程序代码及分析114.设计结果154.1设计效果154.2调试错误及处理情况155.设计心得16参 考 文 献17常州大学硬件实习报告1.前言1.1设计背景在电子测量仪器家族中，信号发生器即流于波形发生器是一种很重要的仪器，它是电子测试系统的重要部件，是决定电子测试系统性能的关键设备。 在70年代前，信号发生器主要有两大类：正弦波发生器和脉冲发生器，介于两者之间的还有函数发生器，它提供了正弦，余弦，方波，三角波，斜波等集中的特殊波形。 在70年代后，微处理器的出现，利用信号处理器，A/D和D/A以及软件使函数产生器的功能扩大，能够产生更复杂的波形。 80年代情况有很大的变化，随着现代信息事业的发展，测试对象不断丰富，现代通信系统和电子系统对测试系统提出了越来超高的要求，进而对信号发生器也提出了更高的要求，需要模拟一作现场的情况来对产品进行测试，而工作现场的信号往往是多种多样的，传统的模拟信号发后器显然是不能满足客观的需要的，这时就需要一种能产生用户定义的波形的仪器。 早期的信号源主要是基于模拟电路实现，而智能波形发生器是以数字电路和计算机技术为 基础的产品，因此可使它成为此时系统通用的好性能，多功能的激励源，因此将有很广阔的发展前景。1.2设计内容（1）利用8086CPU或单片机8051、可编程并行接口芯片8255、数模转换芯片DAC0832和相应输入输出外设（拨键开关和发光数码管等）；（2）编写软件实现多种波形选择显示功能（具体设计如下：K0总体开关键、K1三角波显示、K2锯齿波显示、K3方波显示、K4正弦波显示）；（3）进行软、硬件的调试，实现要求的功能。1.3硬件实习的目的（1）进一步掌握硬件电路和软件功能的设计方法。（2）了解8255可编程并行接口芯片的工作原理，掌握8255的各种模式编程方法。（3）了解D/A转换的基本原理，掌握基于0832D/A转换芯片的电路设计和程序设计方法。2.课题设计2.1 8255可编程芯片介绍 8255A是目前应用最广的可编程并行接口电路。不可编程并行接口电路的特点是电路简单，使用方便。但是，它们在硬件连接好了之后，功能就很难改变。可编程并行接口电路的特点就在于使用灵活，可以在不改变硬件的情况下通过软件编程来改变芯片的功能1。1、8255芯片的外部引脚如图21所示。由图可见，8255由以下几个部分组成：数据端口A、B、C（其中，C口被分成C口上半部分和C口下半部分两个部分），A组和B组控制逻辑，数据总线缓冲器和读/写控制逻辑。8255部包含3个8位的输入输出端口A、B和C，通过外部的24根输入输出线与外设交换数据或进行通信联络。端口A和端口B都可以用作一个8位的输入口或8位的输出口，C口既可以作为一个8位的输入口或输出口用，又可作为两个4位的输入输出口（C口上半部分和C口下半部分）使用，还常常用来配合A口和B口工作，分别用来产生A口和B口的输出控制信号和输入A口和B口的端口状态信号2。图2.1 8255引脚图 表2.1 8255引脚功能28255A的内部结构8255A的内部结构见图2-2。由图可见，8255A由数据总线缓冲器、读/写控制逻辑电路、A组和B组控制电路以及数据端口A、B和C组成。数据总线缓冲器是8255A与系统数据总线的接口，CPU输入输出的数据、CPU输出的控制字和外设的状态信息都是通过这个缓冲器传送的。读/写控制逻辑电路把CPU的控制命令或输出数据送至相应的端口，把外设的状态信息或输入数据通过相应的端口送至CPU。数据端口PA和PB都包含一个8位输出锁存器/缓冲器和一个8位输入锁存器，PC口包含一个8位输出锁存器/缓冲器和一个8位输入缓冲器（不锁存输入信号）。在工作方式1或方式2下，PC口分成高4位和低4位两个输入口作为PA和PB的控制信号输出或状态信号输入3。、A、A、和决定端口的地址。图2.2 8255内部结构图8255A的PC是一个特殊的端口，除作为数据口外，还有一些特殊的功能：(1)A口和PB口可借用PC口的一些口线编程产生PA和PB口的中断请求输出线和中断响应输入线、编程产生PA和PB口作为输入口时的选通输入信号和输入缓冲器满信号、编程产生PA和PB口作为输出口时的输出缓冲器满信号，输出给外设作为选通信号，指示CPU已输出数据。(2)PC口有位操作功能，即PC口任一位均可用一条输出指令置成1或置成0。例如：MOV DX，0FFFEH ；设为8255A控制字地址MOV AL，00000000B ；PC0置0OUT DX，ALMOV AL，00000001B ；PC0置1OUT DX，AL(3)PA和PB作为输入口，而PC口有关位作为外设的中断请求输入信号时，可以通过PC口的PC4位对PA口输入中断允许触发器INTEA1置1（允许中断）和清0（禁止中断），而PC2位对PB口的INTEB1置1或清0。(4)PA和PB作为输出口，而PC口有关位作为外设的中断请示（请求CPU继续发下一个字节）时，用PC6对PA口的输出中断允许触发器INTEA2置1或清0，用PC2对PB口的输出中断允许触发器INTEB2置1或清0。3.工作原理(1)数据端 A、B和C8255内部包含3个8位的输入输出端口A、B和C，通过外部的24根输入输出线与外设交换数据或进行能信联络。端口A和端口B都可以用作一个8位的输入口或8位的输出口，C口既可以作为一个8位的输入口或输出口用，又可作为两个4位的输入输出口C口上半部分和C口下半部分）使用，还常常用来配合A口和B口工作，分别用来产生A口和B口的输出控制信号和输入A口和B口的端口状态信号4。（2）读/写控制逻辑这部分电路用来管理所有的内部或外部数据信息、控制字或状态字的传送过程。它接收从CPU的地址总线的控制总线来的信号，并产生对A组和B组控制逻辑进行操作的控制信号。系统送到读/写控制逻辑的信号包括：RESET复位信号，高电平有效。该信号有效时，将8255控制寄存器内容都清0，并将所有的端口（A、B和C）都置成输入方式。CS片选信号，低电平有效，由地址总线经I/O端口译码电路产生。只有当该信号有效时，CPU与8255之间才能进行通信，也就是CPU可对8255进行读/写等操作。RD读信号，低电平有效。当RD为低进，CPU可从8255读取数据或状态信息。WR写信号，低电平有效。当WR有效时，CPU可向8255写入数据或控控制字A1A0端口选择信息。在8255内部有3个数据端口（A、B、C）和一个控制字寄出存器端口。当A1A0=000时，选中端口A；A1A0=01时，选中端口B；A1A0=10时，选中端口C；A1A0=11时，选中控制字寄存器端口。与8253一样，当8255用在8位数据总线的微处理器系统中时，端口选择信号输入端A1A0分别与地址总线的A1A0相边即可；而在16位数据总线的系统中，通常将地址总线的A2A1连到8255的A1A0端。若它的数据线D7D0接在CPU数据总线的低8位上，则要用偶端口地址来寻址8255；而当D7D0接在数据总线的高8位上进，要用奇地址口。8255A有两类控制字。一类控制字用于定义各端口的工作方式，称为方式选择控制字;另一类控制字用于对C端口的任一位进行置位或复位操作，称为置位复位控制字。对8255A进行编程时，这两种控制字都被写入控制字寄存器中。但方式选择控制字的D7位总是1，而置位复位控制字的D7位总是0。8255A正是利用这一位来区分这两个写入同一端口的不同控制字的，D7位也称为这两个控制字的标志位。下面介绍这两个控制字的具体格式。方式选择控制字8255A具有3种基本的工作方式，在对8255A进行初始化编程时，应向控制字寄存器写入方式选择控制字，用来规定8255A各端口的工作方式。这3种基本工作方式是：方式0基本输入输出方式；方式1选通输入输出方式；方式2双向总线I/O方式。 当系统复位时，8255A的RESET输入端为高电平，使8255A复位，所有的数据端口都被置成输入方式；当复位信号撤除后，8255A继续保持复位时预置的输入方式。如果希望它以这种方式工作，就不用另外再进行初始化。 通过用输出指令对8255A的控制字寄存器编程，写入设定工作方式的控制字，可以让3个数据口以不同的方式工作。其中，端口A可工作于3种方式中的任一种；端口B只能工作于方式0和方式1，而不能工作于方式2；端口C常被分成两个4位的端口，除了用作输入输出端口外，还能用来配合A口和B口工作，为这两个端口的输入输出操作提供联络信号。 方式选择控制字的格式如图所示图2.3 方式选择控制字格式 其中，D7位为标志位，它必须等于1；D6D5位用于选择A口的工作方式；D2位用于选择B口的工作方式；其余4位分别用于选择A口、B口、C口高4位和C口低4位的输入输出功能，置1时表示输入，置0表示输出。2.2 8位D/A转换器DAC0832介绍DAC0832当今世界在以电子信是8位分辨率的D/A转换集成芯片，与微处理器完全兼容，这个系列的芯片 以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到了广泛的应用。这类D/A转换器由8位输入锁存器，8位DAC寄存器，8位DA转换电路及转换控制电路构成。1、DAC0832的引脚及功能：DAC0832芯片是一种具有两个输入数据寄存器的8位DAC，它能直接与MCS51单片机接口，其主要特性参数如下：分辨率为8位；电流稳定时间1us;可单缓冲、双缓冲或直接数字输入；只需在满量程和下调整其线性度；单一电源供电（5V15V）；低功耗，200mW。为便于DAC0832的使用，特将其应用特性总结如下：DAC0832是微处理器兼容型D/A转换器，可以充分利用微处理器的控制能力实现对D/A转换的控制。这种芯片有许多控制引脚，可以和微处理器控制线相连，接受微处理器的控制，如ILE、/CS、/WR1、/WR2、/XFER端。有两级锁存控制功能，能够实现多通道D/A的同步转换输出。DAC0832内部无参考电压源；须外接参考电压源。DAC0832为电流输入型D/A转换器，要获得模拟电压输出时，需要外加转换电路。DAC0832的引脚图及逻辑结构如下图： 图 2.4 DAC0832结构框图及引脚排列DAC0832各引脚的功能如下：DI0DI7： 数据输入线。ILE ： 数据允许锁存信号，高电平有效；/CS： 输入寄存器选择信号，低电平有效。/WR1为输入寄存器的写选通信号。输入寄存器的锁存信号/LE1由ILE 、/CS、/WR1的逻辑组合产生。当ILE 为高电平、/CS为低电平、/WR1输入负脉冲时，在/LE1产生正脉冲；/LE1为高电平，输入锁存器的状态随数据输入线的状态变化，/LE1的负跳变将数据线上的信息锁入输入寄存器。/XFER: 数据传送信号， 低电平有效。/WR2为DAC寄存器的写选通信号。DAC寄存器的锁存信号/LE2,由/XEFR、/WR2的逻辑组合产生。当/XFER为低电平，/WR2输入负脉冲，则在/LE2产生正脉冲；/LE2为高电平是时，DAC寄存器的输出和输入寄存器的状态一致，/LE2负跳变，输入寄存器的内容打入DAC寄存器。VREF ： 基准电源输入引脚 。Rfb ： 反馈信号输入引脚，反馈电阻在芯片内部。IOUT1、IOUT2 ： 电流输出引脚。电流IOUT1、IOUT2 的和为常数，IOUT1、IOUT2 随DAC寄存器的内容线性变化。VCC： 电源输入引脚。AGND： 模拟信号地DGND： 数字地。2、DAC0832三种数据输入方式： （1）双缓冲方式：即数据经过双重缓冲后再送入DA转换电路，执行两次写操作才能完成一次DA转换。这种方式可在DA转换的同时，进行下一个数据的输入，可提高转换速率。更为重要的是，这种方式特别适用于要求同时输出多个模拟量的场合。此时，要用多片DAC0832组成模拟输出系统，每片对应一个模拟量。 （2）单缓冲方式：不需要多个模拟量同时输出时，可采用此种方式。此时两个寄存器之一处于直通状态，输入数据只经过一级缓冲送入DA转换电路。这种方式只需执行一次写操作，即可完成DA转换。 （3）直通方式：此时两个寄存器均处于直通状态，因此要将、和端都接数字地，ILE接高电平，使LE1、LE2均为高电平，致使两个锁存寄存器同时处于放行直通状态，数据直接送入DA转换电路进行DA转换。这种方式可用于一些不采用微机的控制系统中或其他不须0832缓冲数据的情况。3.设计步骤3.1硬件设计图3.1 系统结构图3.2软件设计3.2.1软件设计程序流程图系统软件由主程序和产生波形的子程序组成，软件设计主要是产生各种波形的子程序的编程，通过编程可得到各种波形。主程序和几种常用波形子程序的流程图如图所示。图3.2 主程序流程图 图3.3三角波发生子程序形流程图 图3.4 锯齿波发生子程序流程图 图3.5方波发生子程序流程图 图3.6正弦波发生子程序流程图3.2.2软件设计程序代码及分析;-主程序- C8255 EQU 0F22BH ;命令字 P8255A EQU 0F228H ;A口地址 P8255B EQU 0F229H ;B口地址 P8255C EQU 0F22AH ;C口地址 D_APORT EQU 0F218H;-初始化- ORG 0000H LJMP STARTSTART: MOV SP,#60H MOV DPTR,#C8255 ;PB口输入，PA,PC输出 MOV A,#82H MOVX DPTR,A;-NEXT1: MOV DPTR,#P8255B MOVX A,DPTR CJNE A,#00H,NEXT2 ;是否有键按下 LJMP NEXT1NEXT2: CJNE A,#0E3H,NEXT3 ;K0、K1键是否按下 LCALL FANGBO NEXT3: CJNE A,#0E5H,NEXT4 ;K0、K2键是否按下 LCALL SANJIAO NEXT4: CJNE A,#0E9H,NEXT5 ;K0、K3键是否按下 LCALL JVCHI NEXT5: CJNE A,#0F1H,NEXT6 ;K0、K4键是否按下 LCALL ZHENGXIAN NEXT6: LCALL FENGMING LJMP START;-产生锯齿波-JVCHI: MOV DPTR,#P8255B MOVX A,DPTR ;读入PB口数值 MOV DPTR,#P8255C MOV A,0FFH MOVX DPTR,A ;PC口置1,灯全熄灭 MOV DPTR,#C8255 MOV A,#02H MOVX DPTR,A ;点亮L2 MOV R0,#00H MOV A,#00H MOV DPTR,#D_APORTBB: MOVX DPTR,A INC A CJNE A,#0FFH,BB DJNZ R0,BB RET;-产生三角波-SANJIAO:MOV DPTR,#P8255B MOVX A,DPTR ;读入PB口数值 MOV DPTR,#P8255C MOV A,0FFH MOVX DPTR,A ;PC口置1,灯全熄灭 MOV DPTR,#C8255 MOV A,#00H MOVX DPTR,A ;点亮L1 MOV R0,#00H MOV A,#00H MOV DPTR,#D_APORTCC: MOVX DPTR,A INC A CJNE A,#0FFH,CCDD: MOVX DPTR,A DEC A CJNE A,#0FFH,DD DJNZ R0,CC RET;-产生方波-FANGBO:MOV DPTR,#P8255B MOVX A,DPTR ;读入PB口数值 MOV DPTR,#P8255C MOV A,0FFH MOVX DPTR,A ;PC口置1,灯全熄灭 MOV DPTR,#C8255 MOV A,#04H MOVX DPTR,A ;点亮L0 MOV DPTR,#D_APORT MOV A ,#0FFH MOVX DPTR,A LCALL Delay MOV A ,#00H MOVX DPTR,A LCALL Delay RET ;-125ms延时子程序(单片机晶振12MHZ)- Delay: MOV R2, #30H Dely1: MOV R1, #30H Dely2: DJNZ R1, Dely2 DJNZ R2, Dely1 RET;-产生正弦波-ZHENGXIAN:MOV DPTR,#P8255B MOVX A,DPTR ;读入PB口数值 MOV DPTR,#P8255C MOV A,0FFH MOVX DPTR,A ;PC口置1,灯全熄灭 MOV DPTR,#C8255 MOV A,#06H MOVX DPTR,A ;点亮L3 MOV DPTR,#sinTabLOOP: MOV R0,#00HLOOP2: MOV A,R0 MOVC A,A+DPTR MOV DPTR,#D_APORT MOVX DPTR,A CJNE A,#129,LOOP1 LJMP STARTLOOP1: INC R0 MOV DPTR,#sinTab LJMP LOOP2 RET;-启动蜂鸣器- FENGMING:MOV DPTR,#C8255 MOV A,#09H MOVX DPTR,A RET;-sinTab:DB 128,132,137,141,146,150,154,159,163,167 DB 171,176,180,184,188,191,195,199,203,206 DB 210,213,216,219,222,225,228,231,233,236 DB 238,240,242,244,246,247,249,250,251,252 DB 253,254,254,255,255,255,255,255,254,254 DB 253,252,251,250,249,247,246,244,242,240 DB 238,236,233,231,228,225,222,219,216,213 DB 210,206,203,198,195,192,188,184,180,176 DB 172,167,163,159,155,150,146,141,137,133 DB 128,124,119,115,111,106,102,97,93,89,85 DB 81,77,73,69,65,61,57,54,50,47,43,40,37 DB 34,31,28,25,23,20,18,16,14,12,10,9,7 DB 6,5,4,3,2,2,1,1,1,1,1,2,2,3,4,5,6 DB 7,9,10,12,14,16,18,20,23,25,28,30,33,36 DB 40,43,46,50,53,57,60,64,68,72,76,80,84 DB 88,93,97,101,106,110,114,119,123,128,129;- END4.设计结果4.1设计效果程序运行后，没有灯亮。设波形选择开关状态为：K0总体开关键打开时，初始状态为L0、L1、L2、L3全亮。按下K1方波显示，同时只有L0亮、按下K2三角波显示，同时只有L1亮、按下K3锯齿波显示，同时只有L2亮、按下K4正弦波显示，同时只有L3亮。其他情况下蜂鸣器报警。4.2调试错误及处理情况（1）程序运行后，方波没有显示。经分析，由于延时时间设置过大，导致方波周期过大，示波器显示不完全，又来把源程序中延时参数改小后波形显示正确。（2）在波形能正确显示的情况下，小灯始终全亮。经分析，查看程序代码后发现在对8255A芯片PC口进行位寻址过程中，少写一条“MOVX DPTR,A”，导致没有点亮相应小灯，加上这条指令后重新运行程序，显示正确。5.设计心得二周的硬件实习设计结束了，本次课程设计题目是波形发生器的设计，虽然设计的时间不是很长，但在这短短的二周时间里确实使我学到了很多东西，在潘老师的细心教导下，我学会了使用单片机进行编程，也知道了一个单片机的工作过程，与此同时，还在对一些硬件的使用上，电路板的设计上有了很大的进步，对今后的学习有很大的帮助。 设计刚开始时，我们通过潘老师给的教学讲义，学习了本次实习的内容和设计思