简易数字存储示波器设计的报告.docx

简易数字存储示波器设计报告书 学 院 电子与信息工程学院专 业 电子信息工程摘 要本作品是以MSP430F169和MSP430F149芯片为主控制器，以LCD12864液晶屏和1602液晶屏作为显示模块制作的简易数字存储示波器，能够很好的实现正弦波、方波和三角波波形以及常见波形的正常显示，同时可以显示被测波形的峰峰值，有效值和频率等相关特性。关键词：MSP430 LCD液晶屏 调理电路 AD转换 采样ABSTRACTThis work is based on the MSP430F169 and the MSP430F149 chip as the main controller, using 12864 LCD liquid crystal screen and 1602 LCD as display simple digital oscilloscope module, very good realization of sine wave, triangle wave, Fang Bo and common waveform display, and can display the measured waveform peak, RMS and frequency correlation. Keywords: MSP430 LCD AD conversion sampling目 录一 前言1二 作品设计要求1三 总体方案设计23.1方案比较23.2方案选择43.3总体方案设计参数计算4四 电路单元模块设计44.1单片机主控芯片电路模块44.2液晶显示电路模块64.2.1LCD12864液晶模块的特点64.2.2液晶屏芯片管脚与功能64.2.3液晶屏的读写时序6五 辅助电源电路7六 程序软件部分9 6.1 软件设计流程图 9 6.2 部分程序代码10七 作品的调试与测试 12八 测试数据统计及分析 13 8.1测试数据统计 13 8.2测试数据分析与结论 13九 作品电路图的PCB制作14十 作品实物图片 15前言 数字示波器是一种用途十分广泛的电子测量仪器，与传统模拟示波器相比，数字存储示波器不仅具有可存储波形、体积小、功耗低，使用方便等优点，而且还具有强大的信号实时处理分析功能，在电子电信类实验室中使用越来越广泛。如今由于数字集成电路技术的发展而出现的新型智能化示波器，己经成为电子测量领域的基础测试仪器。随着新技术、新器件的发展，它正在向宽带化、模块化、多功能和网络化的方向发展，数字存储示波器的优势是可以实现高带宽及强大的分析功能。现在高端数字存储示波器的实时带宽已达到20GHz，可以广泛应用于各种千兆以太网、光通讯等测试领域。而低端数字存储示波器几乎可以应用于国民经济各个领域的通用测试，同时可广泛应用于高校及职业学校的教学，为社会培养众多的后备人才。数字存储示波器的技术基础是数据采集，其设计技术可以应用于更广泛的数据采集产品中，具有深远的意义。二 作品设计要求要求基于单片机设计一具有远程控制功能的简易数字存储示波器。具体要求如下：（1）输入信号范围可达010Vpp，分辨率可达0.4Vpp。（2）输入信号频率范围可达100Hz10KHz，频率分辨率可达100Hz。（3）实时显示输入波形（至少1个周期）（4）具有波形存储功能，能存储至少1组波形，存储深度至少为1屏数据，并可回调存储波形。（5）实时显示输入信号的峰峰值（Vpp）、有效值（Vrms）和频率。（6）具有远程控制功能，通过远程终端控制该示波器的采样运行、停止、回放等操作。（7）自制电源。（8）其它。（在满足上述要求的基础上，自行增加功能或提高性能指标。如扩展输入信号幅度和频率范围、提高幅度和频率分辨率、增加保护电路、提高人机交互友好程度、实现远程波形数据的传输等）三 总体方案设计3.1方案比较 方案一：利用一片430单片机作为主控芯片，对函数发生器传输过来的波形进行采样，并将采样数据送到LCD液晶屏上进行实时显示。同时通过红外装置进行无线传输，将波形数据传输给另一片430单片机，对波形的参数（频率、幅值、相位）进行实时显示。其电路方框图如下图1所示： 图1 方案二：它的工作原理是：对于输入的信号，首先由信号调理电路将信号进行整形，滤波处理，然后将处理后的信号送入到A/D转换器的模拟输入端，由A/D转换器对输入的模拟信号进行数字化处理，数字化处理后的数据存储在定义的数组中，一帧数据采集完成后，经过一定的数字信号处理算法，计算出波形的相关参数，并对波形进行重建送入到LCD液晶显示器中显示。基于模数转换电路在给定采样时钟的节拍下把输入模拟信号转换为离散的数据值，然后送入到两片430单片机中分别实现波形的实时显示和波形相关数据的显示的功能。其电路方框图如下图2所示： 图 23.2方案选择 对于方案一，其实现结果效果较好，但是红外无线传输电路较复杂，且程序较繁琐；相比之下方案二则整体思路比较明确，单片机直接对调理电路调理过后的信号采样和取值，分别显示波形和波形相关参数。故本作品采用方案二作为设计方案。3.3总体方案设计参数计算本作品的设计要求中，由于输入信号要求010Vpp，分辨率可达0.4Vpp，输入信号频率范围可达100Hz10KHz，频率分辨率可达100Hz。故在前级调理电路中，可以采用集成运放将基线和幅值调理成MSP430单片机能够采集的范围之内。由于波形显示需要不失真，因而在AD采样时采用单片机内部AD定时器采样，最高可达200kbps。采样数据存放在数组中，利用给液晶屏地址赋值的方式将波形显示出来。四 电路单元模块设计4.1 单片机主控芯片电路模块430单片机主控芯片模块电路图如下图所示：图3 单片机主控芯片模块电路图此模块电路主要负责对接收的信号进行AD转换，取样，再把得到的数据传送给12864液晶屏进行实时显示。信号调理主要是对被测输入信号在幅度与偏移方面进行线性处理，使信号在垂直方向上处于A/D转换器的输入范围内。待测模拟信号输入到数字示波器时首先要经过相关的处理才能够送给ADC，因为ADC对输入电压的幅度有一定的要求，一般为0-5V，或者0-2V等。对于输入的模拟信号，要根据不同的垂直灵敏度做出调整，具体说就是把小电压信号放大，将大电压信号衰减使之符合ADC的输入电压范围。因此，需要对电压大小不同的信号进行增益调整。当然，如果调理电路工作效果不是很好，就需要在函数发生器上讲波形进行适当调整，在把调整后的波形送入到430单片机中。4.2液晶显示器电路模块4.2.1 LCD12864液晶模块的特点是：* LCD12864显示内容12864点阵，点大小0.480.48mm2，点间距0.04mm* 显示类型：STN蓝白模式、LED背光；工作电压：5V* 控制器为KS01074.2.2 12864液晶屏芯片管脚与功能见表一 表一 液晶模块LCM12864管脚说明标号引脚功能VSS1地VDD2逻辑部分电源VO3对比度调节R/S4指令/数据寄存器R/W5读写选择信号E6使能信号DB0-DB77-14数据线0-7CS115左半屏片选信号CS216右半屏片选信号/RST17复位信号Vout18负电源输出A19背光正极K20背光负极4.2.3 液晶模块的读写时序液晶模块的读写时序如下图所示 图4 液晶模块的写时序E为使能信号，高电平有效，在E的下降沿锁存数据。图5 液晶显示接口电路液晶显示接口电路上图所示，图中：电位器w1用来调节对比度；DB0DB7为8位数据线，与AT89S52的P0.0P0.7相连；CS1为左半屏片选信号，CS2为右半屏片选信号；P3.4接入液晶显示的的使能端；P3.1接至液晶显示器的R/W端；P3.0接至液晶显示的指令/数据寄存器（RS端）。五 辅助电源电路根据交流电变成直流电的原理，该设计问题按先后顺序可分为变压电路、整流电路、滤波电路、稳压电路，其流程图如图6所示。电源变压器整流电路滤波电路稳压电路220VVO图6 电源电路流程图系统电源电路的电路图如图7所示：图7 系统可调电源电路电路图为保证空载情况下输出电源稳定，R1不宜高于240。取R1=200。由LM317的性质可得：当输出为+3到+18V可调时，经计算得R2= 280，RV1min = 0,RV1max= 2400。实际上不可能达到这一要求，以防实际工作中出现误差，保留一定的余度。故取R2为选用一个500的电位器，因此可调500电位器可以满足R2=280,RV1 = 2.5K的可调电位器，由于资源有限，所以本设计就选用了5.1K的电位器并联上一个5.1K的电阻，其有效电阻了2.55K的可调电位器，此值可满足RV1max= 2400的要求。六 程序软件部分6.1软件流程图软件设计部分主要包括主程序模块、AD转换模块、LCD显示模块、按键处理模块，其流程图如下图8所示。图8 软件设计流程图6.2 部分程序代码#include msp430.h#include cry12864.h#include qq.h#define uint unsigned int#define uchar unsigned char#define Num_of_Results 128int x,y;unsigned int YNum_of_Results; /测试用Y坐标（12位AD值）uint t,max;/*主函数*/void main( void ) /*下面六行程序关闭所有的IO口*/ P1DIR = 0XFF;P1OUT = 0XFF; P2DIR = 0XFF;P2OUT = 0XFF; P3DIR = 0XFF;P3OUT = 0XFF; P4DIR = 0XFF;P4OUT = 0XFF; P5DIR = 0XFF;P5OUT = 0XFF; P6DIR = 0XFF;P6OUT = 0Xff; WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD; /关闭看门狗 P6DIR |= BIT2;P6OUT |= BIT2; Ini_Lcd(); Clear_GDRAM(); P6SEL |= 0x04; / 使能ADC通道 ADC12CTL0 = ADC12ON + SHT0_8 + MSC; / 打开ADC，设置采样时间 ADC12CTL1 =SHP + CONSEQ_2 + CSTARTADD_2; / 使用采样定时器 ADC12MCTL2 = INCH_2 + EOS; ADC12IE = 0x04; / 使能ADC中断 ADC12CTL0 |= ENC; / 使能转换 ADC12CTL0 |= ADC12SC; / 开始转换 _EINT(); LPM4; /实际显示X坐标 while(1); #pragma vector=ADC_VECTOR_interrupt void ADC12ISR (void) static uint index = 0; Yindex+ = ADC12MEM2; / Move results if(index = Num_of_Results) for(x=0;x(x%8); Draw_PM(Msk); _NOP(); /在这里设置断点观察液晶屏幕显示 GUI_PrtPic(0, 0, 239, 319, gImage_root01);/ 示波器面板（背景）图显示 GUI_Line(224, 268, 224, 315, 0xffff);/Running至Off间6根短白线 GUI_Line(184, 268, 184, 315, 0xffff); GUI_Line(144, 268, 144, 315, 0xffff); GUI_Line(104, 268, 104, 315, 0xffff); GUI_Line( 64, 268, 64, 315, 0xffff); GUI_Line( 24, 268, 24, 315, 0xffff); WaveTrackCnt = 0; GUI_PrtStr(208, 270, Coupling, 0xfee4, 0x0274); / Coupling和 DC 显示 GUI_PrtStr(188, 280, DC , 0x0000, 0xffff); GUI_PrtStr(168, 273, Volt/Div, 0xfee4, 0x0274);/ Volt/Div和 0.42V 显示 GUI_PrtStr(148, 275, 0.42V , 0x0000, 0xffff); GUI_PrtStr(128, 270, Time/Div, 0xfee4, 0x0274); / Time/Div和 60uS 显示 GUI_PrtStr(108, 275, 60uS , 0x0000, 0xffff); GUI_PrtStr( 88, 274, TrigVolt, 0xfee4, 0x0274);/ TrigVolt显示 sprintf(UART0_StrBuff, %1.2fV , CH1TptVal*3.3/255); GUI_PrtStr( 68, 276, UART0_StrBuff, 0x0000, 0xffff); GUI_PrtStr( 48, 280, Invert, 0xfee4, 0x0274);/ Invert和 Off 显示 GUI_PrtStr( 28, 283, Off , 0x0000, 0xffff); 七 作品的调试和测试简单系统硬件的调试通常采用载入简单的测试程序并运行，使用数字表或示波器观察；对有些硬件例如显示器、键盘等可直接编入程序观察程序执行状态。 首先上电复位后用示波器观察LCD屏上是否有波形输出，如有表明单片机已激活，接下来用和标准示波器相比较的方法去观察显示的波形。其简易方框图如下图9所示：图9 比较法测试方案方框图用标准信号发生器在输入端分别加正弦波、三角波和矩形波信号，通过调理电路后输入到单片机中。观察标准示波器显示波形的和该作品显示的波形的差异大小，适当的进行程序代码和硬件电路的调试。八 测试数据统计及分析8.1测试数据统计幅度和频率的测量输入电压 (V)(550Hz)输入频率(Hz)（1V）显示的频率(Hz)相对误差1.050050001.255055001.46005990.17%1.665065001.870070002.07507510.13%2.28007980.25%2.485085002.690090008.2测试数据分析及结论由上述测试结果可知，在低频段范围内，该作品能够很好地显示正弦波、三角波和方波，并且能够实时的显示相应波形的频率数值。频率的测量在0900Hz范围内，误差小于1%，可能由于硬件电路或软件编程的影响，致使其测量范围比设计要求稍小，但整体符合设计要求，能够满足该作品的性能指标。九 作品电路图的PCB制作作品的整体电路图绘制出来后，在Altium Designer 软件中画出相应的原理图并制作对应的PCB图，采取手动布线完成整个PCB图的制作。PCB效果图如下图10所示：图10 整体电路PCB图十 作品实物图片10.1 整体作品实物图展示图11 作品整体效果图10.2方波、正弦波和三角波波形的实物显示图片袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆