综合硬件设计报告.doc

成都信息工程学院电子工程学院硬 件 设 计实 验 报 告题 目： 硬 件 设 计 专 业： 电 子 与 通 信 工 程 班 级： 2012级 姓 名： * * * 指导教师： * * * 评 分： 2013年 01 月 09日 目 录1 硬件设计概述22 设计主要内容32.1 模拟低通滤波42.2 放大52.3 AD转换62.4 数字带通滤波73 软硬件测试93.1 软件仿真93.1.1 模拟低通滤波仿真93.1.2 放大电路仿真11 3.1.3 软件框架123.2 硬件调试134 设计总结134.1 存在的问题与解决的方法134.2 设计感想145 附录15综合硬件设计1 硬件设计概述此次设计主要包括模拟滤波电路、放大电路、AD转换电路、数字滤波电路等部分。数据采集，又称数据获取，是利用一种装置，从系统外部采集数据并输入到系统内部的一个接口。数据采集技术广泛引用在各个领域。比如摄像头，麦克风，都是数据采集工具。被采集数据是已被转换为电讯号的各种物理量，如温度、水位、风速、压力等，可以是模拟量，也可以是数字量。在互联网行业快速发展的今天，数据采集已经被广泛应用于互联网及分布式领域，数据采集领域已经发生了重要的变化。而在数据采集中存在着各种噪声。滤除噪声的方法有很多种，既有数字滤波器，也有模拟滤波器。这里我们采用了基于单片机和C语言来设计并开发数字滤波系统。我们针对于单片机数据采集系统中经常出现的随机干扰，通过手动输入来模拟数据采集过程，验证了几种使用较为普遍的克服随机干扰的单片机数字滤波算法，并给出了相应的C程序。总的来说就是输入信号经过模拟滤波，进行预处理，保留感兴趣的信号，再通过放大器对其进行放大，以便进行AD转换，然后将放大后的模拟信号经过ADC转换成数字信号，最后通入单片机完成数字滤波。2 设计主要内容 设计内容主要包括模拟滤波、放大以及数字滤波部分。这里我们使用了51系列单片机AT89C51，利用这个单片机进行编程，实现对输入信号的滤波。我使用了P0口作为接受AD转换的结果的端口。另外还利用了P2作为控制端口，P2.0-P2.2用来控制AD转换器，而P2.3-P2.6外接四个开关，用来实现滤波方式的选择。下图2-1是基本的流程图：图2-1 基本流程图 主要原理图如下：2.1 模拟低通滤波根据要求设计一个模拟低通滤波器，滤波器要求通带范围为040K Hz ，在50K Hz处衰减要达到40dB。当椭圆滤波器通带和阻带波纹幅度固定时，阶数越高，则过渡带越窄，鉴于椭圆滤波器的这一特性，又考虑到过渡带10K Hz内要达到40dB的衰减，选择设计一个5阶的椭圆滤波器。设计主要通过filter solutions 10.0 进行： 设计参数如图2.1-1所示：图2.1-1 椭圆低通滤波器设计参数通过设置参数后，自动生成电路以及滤波器的基本信息如图2.1-2所示，040K Hz通带最大衰减1dB，阻带50K Hz处衰减达到41.95dB，满足滤波器的性能需求。图2.1-2 椭圆低通滤波器电路与基本信息图2.1-3是椭圆滤波器的频率响应图，从图中可以看出在040K Hz通带范围内，几乎没有衰减且呈现等波纹幅频特性，50K Hz时幅度衰减了40dB，同时阻带也呈现出等波纹幅频特性。相位特性的非线性是由于椭圆滤波器本身特性造成，在本次过程中不影响使用。图2.1-3 椭圆低通滤波器频率响应图2.2 放大由于有的ADC无法采集负电压信号，所以在进行放大之前应先把交流信号的负电压部分上拉成正电压，这样ADC才能采集到。上拉负电压方法如图2.2-1所示，运放采用芯片LM324。图2.2-1 上拉交流信号负电压电路图如图2.2-1所示，将输入的交流信号加上一个直流信号，以达到拉高负电压的目的。通过调节电位器R4的阻值，可以控制它分压的大小，调节直流信号的幅度，由于输入的是300mV的交流信号，所以加的直流信号至少为150mV。进行完成之后紧接着对交流信号进行放大，放大电路如图2.2-2所示，同相放大电路，通过调节电位器R3，控制放大倍数。 图2.2-2 同相放大电路2.3 AD转换ADC芯片选用ADC0804，ADC0804是8位COMS 依次逼近型的A/D 转换器。它的模拟电压输入范围为0+5V，那么其能转换的最小电压由式（2.3）可求得为19.5mV，满足本次实验需求。 5V/(28)=19.5mV （式2.3）ADC模块电路如图2.3-1所示，图2.3-1 ADC0804模块电路2.4 数字带通滤波单片机设计一个带通滤波器，要求中心频率为10K Hz,带宽2K Hz，通带最大衰减1dB，阻带最小衰减35dB。数字带通滤波器首先通过Matlab设计，得到传输函数，再通过单片机实现。Matlab主要设计程序如图2.4-1，同样采用椭圆滤波器，先设计模拟滤波器，再转成数字滤波器，最后通过函数变换得到二阶节型传输函数。 图2.4-1 数字带通滤波器Matlab主要设计程序数字带通滤波器的幅频相频特性如图2.4-2所示，达到设计的要求。 图2.4-2 数字带通滤波器幅频与相频特性鉴于以上的结果，然后用函数tf2sos将数字带通滤波器的传输函数转换成二阶节的形式，最后通过单片机实现。3 软硬件测试测试主要分为两个部分，第一部分为制板之前对设计方案的软件仿真，主要使用Multisim软件，第二部分是对成品的硬件调试。3.1 软件仿真3.1.1 模拟低通滤波仿真在Multisim中搭建如图2.1-2所示电路，用Agilent的函数发生器模拟输入不同频率的信号，用Tektronix的示波器观察输出信号的衰减情况，具体设置如图3.1-1所示。图3.1-1 模拟低通滤波器仿真电路通过调节输入信号的频率，观察不同频率下电路的滤波情况，这里在通带频率与阻带频率中各进行几次仿真，结果如图3.1-2，3.1-3，3.1-4所示。 图3.1-2 10K Hz输入输出情况图3.1-3 40K Hz输入输出情况图3.1-2与图3.1-3上方的波形为输入信号波形，幅度为300mV，频率分别为10K Hz和40K Hz，下方的波形为输出波形，可见信号经过设计的模拟滤波器后幅度上有固定的衰减，大概160mV左右，这是由于设计的滤波器主要由无源器件搭建，在能量上必然有所损耗，这也是在滤波后级联放大电路的主要原因之一。由图3.1-2和图3.1-3可以看出设计的滤波器在通带范围内有较好的一致性，除去固定衰减，滤波衰减较小，下面通过图3.1-4观察滤波器阻带范围衰减的情况。图3.1-4 50K Hz输入输出情况图3.1-4所示，上方为输入信号波形，下方为输出波形，50K Hz信号在通过低通滤波器后有了较大的衰减，除开电路的固定衰减，阻带的幅度衰减也达到了100倍左右。综上可知，模拟低通滤波器的设计方案可行。3.1.2 放大电路仿真放大电路分成上拉电压与放大两部分，在Multisim中搭建图2.2-1与图2.2-2中的电路，效果如图3.1-5所示。图3.1-5 放大电路仿真图输入30K Hz，300mV交流信号，示波器中得到的图型如图3.1-6所示，图3.1-6 放大电路示波器图形图3.1-6所示，由上到下依次为输入信号波形，上拉后的信号波形以及放大后的信号波形。从图中可以看出，输入信号的负电压加上一个直流信号后，已经被拉到了正电压上，再通过同相放大，幅值放大了6.8倍，根据式（3.1）计算可得放大倍数为7，基本符合。 （式3.1）实际电路中，R8与R6使用电位器，这样只要控制R8与R6的阻值大小，就可以调节输入信号的上拉幅度和放大倍数。以上仿真验证了放大电路的可行性。 3.1.3 软件框架3.2 硬件调试 硬件调试部分由老师现场亲自检查。4 设计总结4.1 存在的问题与解决的方法在上拉交流信号负电压的电路中，会出现“直流不直”的现象。设计中为了采集到负电压信号，理论上使用的方法是加入直流信号，以达到上拉负电压的目的。但在实际操作过程中，加入的并不是标准的直流，图4.1-1是上拉电压仿真图，图4.1-2是电路各点信号图。图4.1-1 上拉电压仿真图图4.1-2 上拉电压各点信号图通道1是5V直流电源，通道4是函数发生器输出的30K Hz交流信号，通道2是分压后的直流电源，但可以看到此时直流信号已经受到了交流干扰，这个交流干扰应该来自于函数发生器输出的交流信号。本身设想的是通道1的直流信号与通道3信号相加，实际上却是形如通道2的信号与通道3信号相加，但这不会对我们的设计产生影响。通过观察可以看到通道2的信号与通道3的信号周期一致，相位也相同或者相差整数个周期，且波峰对波峰，波谷对波谷，这样不仅起到了上拉的作用，而且还对信号进行了放大。4.2 设计感想 这次整个综合设计通过了软件和硬件上的调试。我想这对于我们以后的学习和工作都会有很大的帮助。在这次设计中遇到了很多实际性的问题，在实际设计中才发现，书本上理论性的东西与在实际运用中的还是有一定的出入的，所以有些问题不但要深入地理解，而且要不断地更正以前的错误思维。一切问题必须要靠自己一点一滴的解决，而在解决的过程当中你会发现自己在飞速的提升。对于数字滤波系统，其程序不是很难的，主要是解决程序设计中的问题，而程序设计是一个很灵活的东西，它反映了你解决问题的逻辑思维和创新能力，它才是一个设计的灵魂所在。这次课程设计让我充分认识到要学会借鉴别人的思想的重要性，很多子程序是可以借鉴书本上的，但怎样衔接各个子程序才是关键的问题所在，这需要对系统的结构很熟悉。因此可以说系统的设计是软件和硬件的结合，二者是密不可分的。通过这次课程设计我也发现了自身存在的不足之处，虽然感觉理论上已经掌握，但在运用到实践的过程中仍有意想不到的困惑，经过一番努力才得以解决。小组人员的配合相处，以及自身的动脑和努力，都是以后工作中需要的。所以我认为这次的课程设计意义很深，和*，*2位同学的共同学习配合努力的过程也很愉快。5 附录相关模块如下; AD程序模块:#include #include /包含单片机内部资源预定义_CONFIG(0x1832);/芯片配置字，看门狗关，上电延时开，掉电检测关，低压编程关，加密，4M晶体HS振荡const char TABLE=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0X82,0XF8,0X80,0X90; /定义常数0-9的数据表格void DELAY(); /delay函数申明void init(); /I/O口初始化函数申明void display(int x); /显示函数申明 /主程序开始void main() int result=0x00; /定义转换结果寄存器 while(1) /死循环 int i; /定义循环次数控制寄存器 result=0x00; /转换结果清0 for(i=5;i0;i-) /求5次转换结果的平均值 init(); /调用初始化函数 ADGO=0X1; /开启转换过程 while(ADGO); /等待转换完成 result=result+ADRESL; /累计转换结果 result=result/5; /求5次结果的平均值 display(result); /调用显示函数 /初始化函数void init() PORTA=0XFF; PORTD=0XFF; /熄灭所有显示 TRISA=0X1; /设置RA0为输入，其他为输出 TRISD=0X00; /设置D口全为输出 ADCON1=0X8E; /转换结果左对齐，RA0做模拟输入口，其它做普通I/O ADCON0=0X41; /系统时钟Fosc/8，选择RA0通道，允许ADC工作 DELAY(); /保证采样延时 /显示函数void display(int x) int bai,shi,ge,temp; /定义4个临时变量 temp=x; /暂存AD转换的结果 bai=temp/0x64; /求显示的百位 shi=(temp%0x64)/0xa; /求显示的十位 ge=(temp%0x64)%0xa; /求显示的个位 PORTD=TABLEbai; /查表得百位显示的代码 PORTA=0x37; /RA3输出低电平，点亮百位显示 DELAY(); /延时一定时间，保证显示亮度 PORTD=TABLEshi; /查表得十位显示的代码 PORTA=0x2F; /RA4输出低电平，点亮十位显示 DELAY(); /延时一定时间，保证亮度 PORTD=TABLEge; /求个位显示的代码 PORTA=0x1F; /RA5输出低电平，点亮个位显示 DELAY(); /延时一定时间，保证亮度 void DELAY() /延时程序 int i; /定义整形变量 for(i=0x100;i-;); /延时 数字滤波器模块：#include #define unsigned int uint#define unsigned char uchar #define a0 1#define a1 -6.7556#define a2 20.9092#define a3 -38.5192#define a4 46.0971#define a5 -36.67#define a6 18.9498#define a7 -5.8288#define a8 0.8215#define b0 0.0105#define b1 -0.0676#define b2 0.2033#define b3 -0.3714