波形采集储存与回放系统毕业论文.doc

波形采集储存与回放系统毕业论文目 录第一章 方案设计与论证11.1 要求11.1.1 基本要求11.1.2 发挥部分21.3 方案论证21.3.3 方案一21.3.4 方案二21.3.5 方案三3第二章 理论分析与计算42.1 主芯片分析42.2 ADC12模块52.3 扫描速度与采样频率的关系52.4 信号采样技术的基本原理52.4.1 实时采样52.4.2 顺序采样62.4.3 随机采样6第三章 系统设计与框图73.1 输入输出电路83.1.1 A路输入83.1.2 A路输出83.1.3 B路输入93.1.4 B路输出93.2 电源电路103.3 MSP430F1479最小系统103.4 显示与控制模块113.5 掉电保护电路控制12第四章 软件设计13第五章 系统测试145.1 测试仪器145.2 输入阻抗145.3 测试方案145.3.1 基本要求测试145.3.2 发挥部分测试15第六章 实验结果分析与讨论166.1 实验结果16第七章 结论及意义18参考文献19致 谢20附 录21- ii - 1 -桂林航天工业学院毕业论文第一章 方案设计与论证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1.1 要求1.1.1 基本要求（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 k?，输出阻抗不大于1k?。 （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）系统功耗50mW，尽量降低系统功耗，系统内不允许使用电池。 1.1.2 发挥部分（1）增加 B 通道对双极性、电压峰峰值为 100mV、频率为 10Hz10kHz 信号的采集。可同时采集、存储与连续回放A、B两路信号，并分别测量和显示A、B两路信号的周期。B通道原信号与回放信号幅度峰峰值之差的绝对值10 mV，周期之差的绝对值5%。 （2）A、B两路信号的周期不相同时，以两信号最小公倍周期连续回放信号。 （3）可以存储两次采集的信号，回放时用按键或开关选择显示指定的信号波形。1.2 题目要求及相关指标分析题目的要求是将待测信号进行数字存储，并通过普通示波器将被测信号显示出来。由于等测信号为模拟信号，存储过程为数字方式，故应该将模拟信号进行量化处理，然后存储到存储器中，当需要显示的时候，从存储器读出数据并恢复为模拟信号，并送往普通示波器Y输入端，在X输入端加入相应的扫描信号，采有X-Y方式观察信号的波形。因此，设计的重点是模拟信号的处理与采样、数字信号的存储、普通示波器的显示控制、系统的控制4个方面。1.3 方案论证1.3.3 方案一以单片机89s51为系统核心，以外部AD、存储、DA等器件实现信号的采集、存储与回放功能，整个系统简单灵活，便于实现，但无法完成对高速信号的处理，而且功率消耗过大。1.3.4 方案二以带有IP核的FPGA/CPLD完成对信号的采集、存储、显示以及ADDA转化等功能，由IP核实现人机交互及信号处理等功能。该方案结构紧凑、可以实现复杂测量与控制只是操作过于繁琐、系统功耗也很大。1.3.5 方案三核心采用MSP430F149单片机，利用单片机内部的12位高精度AD转换器实现对信号的采集，采用外挂AT24C512存储信号数据，并由D/A完成DA功能转换，配合相应的输入输出电路完成相应的电压转换，1602液晶显示输出相应的各项信息，整个电路需要的相应外围电路少，功耗低简洁易行经过以上各个方案的分析比较，次设计采用方案三- 59 -第二章 理论分析与计算题目的要求是将待测信号进行数字存储，并通过普通示波器将信号显示出来，由于被测信号为模拟信号，存储过程为数字方式，故应将模拟信号进行量化处理，然后存储到存储器中，当需要显示的时候，从存储器读出数据并回复成模拟信号，并送到普通示波器的Y输入端，在X输入端加上相应的扫描信号，采用x-y方式观察信号的波形。因此，设计的重点是模拟信号的处理与采样，数字信号的存储、普通示波器的显示控制，系统的控制四方面2.1 主芯片分析MSP430是TEAXS INSTRUMENTS(TI)生产的16位单片机的统称，该系列是一种RISC结构的16位单片机，其突出特点是功耗极低（在3V、1Mhz的工作方式下，电流消耗是250uA休眠方式只有0.1uA的电流）；其次是他的内部资源相当丰富全系列中总共包含以下模块：12-bit、8通道AD转换，带3-10个单独的捕获、比较功能的定时器Timer-A和Timer-B，1-2路USART通信口，多至160段LED驱动，硬件乘法器，模拟信号比较器，FLL频率锁相环，2-3个时钟系统等等。以上片内资源，可以极大限度的简化本题的设计。2.2 ADC12模块MSP430单片机的ADC12模块是一个12位的A/D转换模块，具有高速度，通用性等特点。它具有5大功能模块，都可以独立配置，即具有采样、保持的ADC功能内核；可控制的转换存储；可控制的参考电平发生器；可控制和选择的时钟；可控制的采样及转换时序电路。ADC12的主要特点是最大的采样速度达到200Ksps：转换为12位精度，1位差分非线性，1位积分非线性：8个可配置的外部信号采集通道。2.3 扫描速度与采样频率的关系假设扫描速度为t s/div，每格点数为n采样频率为fs，则：fs=n/t，当t=20的时候，针对不同的扫描速度，可得到不同的采样频率。在一定的情况下扫描速度的改变是通过改变采样频率来实现的。对应10KHz的正弦波采样频率为200KHz时每周期可采集20个点，由采集值可以很好的恢复采集前的信号，按照系统结构，只需要2通道的A/D采样输入信号的最高频率为10KHz。以MSP430D149为核心，外挂一个防掉电保护的EEPROM就可以完成系统设置的要求，系统功耗也能控制在要求之中。2.4 信号采样技术的基本原理采样分实时采样和非实时采样两种。从一个信号波形中取得所需样点称为实时采样。从被测信号许多相邻波形上取得样点，以表示一个信号波形称为非实时采样，或者称为等效采样。其实，对于非实时采样，还可以每隔10个、100个甚至更多个波形上取一个样点。这样更有利于观测高速信号，当然这种高速信号必须是重复的。2.4.1 实时采样实时采样是数字信号采集技术的最直接应用。在这种方法下，示波器根据一次触发事件连续的捕获被测量波形的n个采样数据，而后屏幕上显示波形的每个点都是在一次采样周期中获取的，它可以完成单次非重复信号的捕捉。实时采样有三个重点特点：（1） 示波器先将一段完整的波形数据存入存储器，然后再进行显示和分析。（2） 在触发事件前，示波器开始对信号进行连续采样。（3） 自动完成多信号的同时采样。能够观测触发前信号的能力称为负触发延迟，它在故障分析中特别有用。2.4.2 顺序采样顺序采样是对每一个信号周期仅采样一个点，用步进延迟的方法，对每个周期信号波形的不同点进行采样，从而获取整个波形的采样数据2.4.3 随机采样与顺序采样相对应，随机采样的采样脉冲是由一个独立电路产生，它和被测信号是不相关的。因此，随机采样有三个特点：（4） 样点在信号波形上的排列是随机的。（5） 可以观测到触发前的信号。随机采样过程中样点在信号波形上的位置是无序的，即时随机的，但是在对这些样点进行屏幕显示时必须反映原波形的变化规律。否则，测量将没有实用价值。因此，在采样过程中应该同时记录各个采样点在信号波形上的相对位置。第三章 系统设计与框图系统整体设计框图如图所示。模拟信号通过信号调理模块（阻抗变换、程控放大、触发电路），将模拟信号的幅值大小调理到高速AD（AD9225）的输入范围04V。然后通过AD9225对信号进性采样。我们采用外部有源晶振作为高速AD的采样时钟来控制恒定的采样率4MHz（晶振的固有振荡频率），在FPGA内部增加波形存储控制模块，当满足触发条件时FPGA以下抽样的方式对AD转换得到的数据进行存储，抽样频率由可水平分辩率来控制（若为AUTO功能，则与信号的频率有关）。将抽样的数据分别存储到双口RAM中,在送入行列扫描电路（2片DAC0800）前经过了波形显示控制模块，它的作用是对RAM的数据及读入起始地址的进行处理。从而实现波形在模拟示波器上的左右平移。同时在FPGA内部实现了512点的FFT计算，成功得分析了输入信号的频谱。 3.1 输入输出电路3.1.1 A路输入A路输入：系统要求A路输入信号为单极性（0-4V），而单片机设置A/D参考电平为2.5V，因此需要将输入信号变换为0-2.5V之内，采集后在单片机内部再做相应的运算处理，计算出相应的真正输入值，从而显示A路的最大值和最小值。如图输入信号经过UIA同向跟随后，经R7做相应衰减送入单片机A/D进行采样，适当调节R7就可以进入A/D的值限幅在0-2.5V之内3.1.2 A路输出为保证回复A路信号（0-4V），故运放供电电压必须用5V供电，而D/A输出最高只能达到2.5V，故该电路需要具有一定的放大功能，且要有一定的过滤作用。这样才可以将D/A所产生的高频干扰滤除3.1.3 B路输入系统要求D路输入信号为双极性（100mV VPP），因此需要将100mV放大至单片机A/D所所能判别的范围内，这样可以提高系统对B路信号的分辨率，同时需要将输入双极性信号转换为单极性信号，这样才能便于单片机识辨，图中VRF为1/2单片机A/D参考电压即1.25V，这样做的目的是给熟人信号加上一个1.25V的片子电压之后再进行放大，如图输入信号经过U1B同向放大至0-2.5V后送给单片机A/D采样，适当调节R14即可改变放大器的放大倍数。3.1.4 B路输出为保证B路信号（100mV VPP），输出采用电容交流隔直，而D/A输出为输入信号经放大后采集到的信号，其VPP可达到2.5V，故用R38进行相应衰减，适当调整E38可以输出幅值与输入一致，U28为1:1同向放大，可将D/A所能产生的高频干扰滤波，C11可将单极性信号转为双极性信号，与输入保持一致。3.2 电源电路TPS78001将5V转为3.3V供给单片机工作，5V用于运放和液晶以及24C512工作。3.3 MSP430F1479最小系统单片机最小系统，或称为最小应用系统，是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。对于MSP430系列单片机来说，最小系统一般应该包括：单片机、晶振电路、复位电路。本文介绍了MSP430F149单片机的特点，设计了MSP430最小系统中电源模块、晶振电路模块、复位电路模块、串口通讯模块和数据存储模块的电路原理图，3.4 显示与控制模块 题目的要求采集和回放时规定采用十进制数字显示，周期以“ms”为单位，幅度以“mv”为单位。没有要求做人机界面，所以现有常用的LCD1602即可以满足要求，控制部分也只要求几个简单的功能选择题，所以显示和控制模块直接到MCU的最小系统即可3.5 掉电保护电路控制 采用12C串行EEPROM非易失性存储器AT24C512实现掉电存储数据系统掉电恢复后，能连续回放以采集的信号。AT24C512是ATMEL公司生产的64KB串行电可擦的可编程存储器，内部有512页，每一页为128字节，任一单元的地址为16位，地址范围为0000-0FFFH.它采用8引脚封装，具有结构紧凑，存储容量大等特点，可以在2线总线上并接4片芯片，特别适用于具有大容量数据存储要求的数据采集系统，因此在测控系统中被大量采用。第四章 软件设计依据题目要求，在设计中，系统启动后先检测是否有信号输入，若存在输入信号，则判断输入信号的通道，并为信号做标记（即A/B信号）且启动AD转换与计数定时。转换结束，并将转换数据与信号的输入通道标记进行整合并暂存等待处理。转换结束，由按键控制存储数据与回显，若存储侧调用存储单元对采集数据进行保存，若回显，则从存储单元调用采集数据并输出到DA转换单元处理等待显示。整个操作过程由液晶显示程序提供周期、幅度等信号信息。 第五章 系统测试5.1 测试仪器 SS2323双路可跟踪直流恒压电源 TFG6060 DDS信号源 岩崎 7802 模拟示波器5.2 输入阻抗经测试本系统输入阻抗为5.32K。满足题目中输入阻抗不大于10K的要求。输出阻抗为134满足不大于1K的要求。5.3 测试方案5.3.1 基本要求测试 功能测试功能测试结果高低电平显示功能完成周期显示完成采样、回放功能完成 电平测试测试条件：输入电压峰-峰值4V，最大电压4V的方波输入频率：1 KHz输入输出误差高电平4V 4.12V 0.1%周期1ms 1ms 05.3.2 发挥部分测试 功能测试功能 测试结果采集、回放功能 完成测量周期功能 完成波形检测功能 完成掉电存储功能 完成功能的测试过程为，依次输入高电平4V，低电平20mV的正弦波、三角波、方波，用示波器观察A通道输出，系统可以正确检测波形并输出。 B通道指标测试输入双极性信号，Vpp=100mV输入周期输出周期周期误差输出峰-峰值峰-峰值误差100ms99.9 ms0.1%100.30.3%10ms9.99 ms0.1%100.10.1%1ms0.99 ms0.1%100.20.2%0.1ms0.96 ms0.4%100.20.2%第六章 实验结果分析与讨论经测试，本设计能完成对A通道单极性信号、频率约1KHz信号的采集、存储与连续回放。可以完成B通道双极性信号采集和回放。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小于50mV,周期之差的绝对整理值小于50mV。由于本系统采用的是STM32控制器，并且使用了内部集成的高速AD、DA，加上显示及模拟信号调理电路，因此系统功耗略高。可同时采集、存储与连续回放A、B两路信号，并分别测量和现实A、B两路信号的周期。 6.1 实验结果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 k?，输出阻抗不大于1k?。 （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）系统功耗50mW，尽量降低系统功耗，2本系统处理的正弦波信号频率范围限定在 10Hz10kHz，三角波信号频率范围限定在10Hz 2kHz，方波信号频率范围限定在10Hz 1kHz。 。 3采集、回放时显示的周期和幅度应是信号的实际测量值，规定采用十进制数字显示，周期以“ms”为单位，幅度以“mV”为单位。4. 增加 B 通道对双极性、电压峰峰值为 100mV、频率为 10Hz10kHz 信号的采集。可同时采集、存储与连续回放A、B两路信号，并分别测量和显示A、B两路信号的周期。B通道原信号与回放信号幅度峰峰值之差的绝对值10 mV，周期之差的绝对值5%。 （2）A、B两路信号的周期不相同时，以两信号最小公倍周期连续回放信号。 （3）可以存储两次采集的信号，回放时用按键或开关选择显示指定的信号波形。第七章 结论及意义经过努力，基于终于设计完成了，过去一段时间的辛酸以及遇到难题时的郁闷一挥而散了，现在回味起来真有点小小的成就感。经过这次课程设计得到的收获还是特别多的，它不仅让我了解了做一个单片机系统的各项工作流程，让我在这个过程中学到了很多过去不知道的东西以及课本上所不能讲述给你的东西，同时也让我深刻地认识到我对知识的理解程度以及掌握程度还是极其有限的。生命是有限的，我们就应该抓住每一个机会来锻炼自己、提高自己，只有在工作中你才能发现你自身的不足，才能让你端正学习、工作、生活态度，并且只有在工作中你才能真正细致地去学习一个东西、去研究一个东西。可见生产实践是何其重要啊，它是你提升你自己的有效平台。通过本次课程设计让我认识到了以下几点：（1）自己的科研能力有待提高。做一个单片机系统，大部分电路原理图都是在网上借鉴别人的，有很少是自己的，可见科研能力有待提高，要能够根据电路要求自行设计电路。（2）自己的态度不太端正。做一个项目就要坚持不懈、持之以恒，不做完美决不罢休，我在这点做的不是太好，也有最近课程比较多的原因，但最主要的还是自身定力不够的原因造成的，这是需要改正的。（3）知识欠缺，创新能力不够。这就要求我在课下尽可能多地进行知识积累。（4）整体意识不足。在焊硬件电路以及做软件设计时，这个问题表现得比较明显，所以在下面就要接受这次课程设计的教训，努力培养自身的整体意识。参考文献1董先明信息与电脑(理论版) 科学出版社，2010,(05), 1922魏宁 中国信息技术教育北京大学出版社，2009,(15), 91-933童文军汪仁煌 .单片机与嵌入式系统应用维普资讯网,2003 第6期 , 1-184ISMAIL A B M, YOSHINOBU T, IWASAKI H. Investigation on lightaddressable potentiometric sensor as a possible cellsemiconductor hybrid J. Biosensors and Bioelectronics, 2003, 18 (12): 1509-1514.5 沈建华,杨艳琴,翟骁曙MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应用M北京:清华大学出版社,2004: 231-242. 6 Texas Instruments. MSP430FG4619 datasheet EB/OL. (2007-10-15)2009-06-30.http:/cn/lit/gpn/msp430fg4619. 桂林航天工业学院毕业论文致 谢本论文的工作是在我的导师蒋志勇教授的悉心指导下完成的，蒋志勇教授严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来蒋志勇老师对我的关心和指导。蒋志勇教授悉心指导我们完成了毕业论文工作，在学习上和生活上都给予了我很大的关心和帮助，在此向蒋志勇老师表示衷心的谢意。蒋志勇教授对于我的论文提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心的感谢。在撰写论文期间，*等同学对我论文中的msp430研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。附 录/*程序功能：静态显示各种字符-测试说明：观察液晶显示*/#include void delay_1ms(void) /1ms延时函数 unsigned int i; for (i=0;i1140;i+);void delay_nms(unsigned int n) /N ms延时函数 unsigned int i=0; for (i=0;i P40-P47/数据口#define DatO P4OUT /写 #define DatI P4IN /读#define DatD P4DIR /方向/-/EN-P32 RW-P31 RS-P30/命令口#define ComO P3OUT#define ComD P3DIR/-#define SET_E ComO|=(12) /E=1#define CLE_E ComO&=(12) /E=0#define SET_RW ComO|=(11) /RW=1#define CLE_RW ComO&=(11) /RW=0#define SET_RS ComO|=(10) /RS=1#define CLE_RS ComO&=(10) /RS=0/-void Wait(void); / 等待函数/-void Write(unsigned char style, unsigned char input); / 向LCD写入命令或数据#define COMMAND 0 / style#define DATA 1 / style#define CLEAR 0x01 / 清屏#define HOMING 0x02 / 光标返回原点#define PutChar(x) Write(DATA, x)kljo#define ClearScreen(); Write(COMMAND,CLEAR); _delay_ms(100);/-void Goto(unsigned char x, unsigned char y); / 跳到LCD的某个坐标点/-/* DisplayMode */void SetDisplay(unsigned char DisplayMode); / 设置显示模式#define SHOW 0x04 #define HIDE 0x00 / default #define CURSOR 0x02 #define NO_CURSOR 0x00 / default #define FLASH 0x01 / 光标闪动#define NO_FLASH 0x00 / default/* End DisplayMode */ /-/* InputMode */void SetInput(unsigned char InputMode); / 设置输入模式#define AC_UP 0x02#define AC_DOWN 0x00 / default#define MOVE 0x01 / 画面可平移#define NO_MOVE 0x00 /default/* End InputMode */-void Move(unsigned char object, unsigned char direction); / 移动光标或屏幕 #define CURSOR 0x02 #define SCREEN 0x08#define LEFT 0x00#define RIGHT 0x04/-void Print(unsigned char *str); / 显示字符串str/-void LCD_Initial(void); / 液晶初始化函数/-void LoadChar(unsigned char user8, unsigned char place); /加载自定义点阵信息/-/-/ 等待函数void Wait(void)DatD=0x00;/设置为输入CLE_RS;SET_RW;asm(nop);SET_E;asm(nop);while(DatI&0x80);/检测忙DatD=0xFF; /设置为输出/-/ 向LCD写入命令或数据void Write(unsigned char style,unsigned char data)if(style) SET_RS; else CLE_RS;CLE_RW;asm(nop);SET_E;asm(nop);DatO=data;CLE_E;asm(nop);Wait();/-/ 移动光标void Goto(unsigned char x, unsigned char y) if(y=0) Write(COMMAND,0x80|x); if(y=1) Write(COMMAND,0x80|(x-0x40);/-/ 设置显示模式void SetDisplay(unsigned char DisplayMode) Write(COMMAND, 0x08|DisplayMode);/-/ 设置输入模式void SetInput(unsigned char InputMode) Write(COMMAND, 0x04|InputMode);/-/ 移动光标或屏幕 void Move(unsigned char object, unsigned char direction) if(object=CURSOR) Write(COMMAND,0x10|direction); if(object=SCREEN) Write(COMMAND,0x18|direction);/-/ 将待显示的内容写入LCDvoid Print(unsigned char *str) while(*str!=0) Write(DATA,*str); str+; /-/ 向LCD初始化void LCD_Initial(void) DatD=0xFF; ComD=0xFF; CLE_E; Write(COMMAND,0x38); /8位数据端口,2行显示,5*7点阵 Write(COMMAND,0x38); SetDisplay(SHOW|NO_CURSOR); /开启显示, 无光标 Write(COMMAND,CLEAR); /清屏 Goto(0,0); /回起点 SetInput(AC_UP|NO_MOVE); /AC递增, 画面不动/-/ 加载自定义点阵信息void LoadChar(unsigned char user8, unsigned char place) unsigned char i; Write(COMMAND,0x40|(place*8); for(i=0; i12); a0=voltage/1000+0x30; a1=(voltage%1000)/100+0x30; a2=(voltage%100)/10+0x30; a3=(voltage%10)+0x30; a4=0; Goto(0,0); Print(a);/计算temp2实际电压 value=min_data1; voltage=(value*v_ref1)12); a0=voltage/1000+0x30; a1=(voltage%1000)/100+0x30; a2=(voltage%100)/10+0x30; a3=(voltage%10)+0x30; a4=0; Goto(6,0); Print(a);/计算周期 if(ADC1_data600) /10mS以内 voltage=ADC1_data601; a0=voltage/100+0x30; a1=.; a2=(voltage%100)/10+0x30; a3=(voltage%10)+0x30; else voltage=ADC1_data601; a0=voltage/100+0x30; a1=(voltage%100)/10+0x30; a2=.; a3=(voltage%10)+0x30; a4=0;