基于单片机的嵌入式简易数字示波器设计-文献综述

苏州大学本科生毕业设计（论文）附件：文献综述第1页开题报告（文献综述）1.引言示波器是现代电子测量中最常用的仪器，它是一种可以用来观察、测量、记录各种瞬时电压，并以波形方式显示其与时间关系的电子仪器。这一简单的波形能够说明信号的许多特性:信号的时间和电压值、振荡信号的频率、信号所代表电路中“变化部分”信号的特定部分相对于其它部分的发生频率、是否存在故障部件使信号产生失真、信号的直流成份和交流成份、信号的噪声值和噪声随时间变化的情况、比较多个波形信号等。示波器的直观显示效果有助于对被测对象的深入理解。典型的示波器产生一个二维的波形，输入端接收电压信号显示在v轴方向上，而时间参数则显示在x轴方向上。传统的示波器是模拟的，用CRT作为显示器件。在电子枪内形成电子束，经过加速、聚焦，然后打在荧屏上，使受撞点发出可见光。9模拟示波器对于非周期性的单次瞬变信号的观测是非常困难的，有时甚至是不可能的。为了将各种信号无失真地显示并存储，就必须采用数字技术。数字存储示波器(DSO,DigitalStorageOscilloscope)是随着模一数转换器(ADC)的发展而趋于实用化的示波器。ADC把输入示波器的瞬时值转化为对应数字值，并保存在数字示波器中。采集完成后，从数字示波器中取出这一系列数字，经过适当处理后再现电压对时间的波形。由于数字存储示波器与计算机技术的紧密结合。使其发展非常迅速，目前以成为示波器市场上的主流产品，并逐渐地完全取代模拟示波器。单片机是为满足工业控制而设计的，所以实时控制功能特别强，其CPU可以对I/O接口直接进行操作，位操作能力更是其它计算机无法比拟的。另外，由于CPU、存储器及I/O接口集成在同一芯片内，各部件间的连接紧凑，数据在传输时受到的干扰较小，且不易受环境条件的影响，所以单片机的可靠性非常高。近期推出的单片机产品，内部集成有高速I/O接口、ADC、PWM、WDT等部件，并在低电压、低功耗、串行扩展总线、控制网络总线和开发方式（如在系统编程ISP）等方面都有了进一步的增强。单片机体积小、价格低、可靠性高，其非凡的嵌入式应用形态对于满足嵌入式应用需求具有独特的优势。目前，单片机应用技术已经成为电子应用系统设计最为常用的技苏州大学本科生毕业设计（论文）附件：文献综述第2页术手段，学习和掌握单片机应用技术具有极其重要的现实意义。单片机体积小、价格低、可靠性高，其非凡的嵌入式应用形态对于满足嵌入式应用需求具有独特的优势。目前，单片机应用技术已经成为电子应用系统设计最为常用的技术手段，学习和掌握单片机应用技术具有极其重要的现实意义。2.方案选择2.1.方案一、使用AT89S52单片机采用AT89S52单片机为控制核心，将输入信号通过A/D转换后将模拟信号转换成数字信号，再通过AT89S52单片机将数据锁存至外部RAM，然后由单片机控制将数据送至D/A输出。该方案结构较为简洁，A/D的最高采样速度也比较低，但是对于本设计设计简易的数字示波器是足够的。单片机价格也便宜，无需花费太大的成本就能完成设计。12.2.方案二、使用FPGA可编程逻辑器件用FPGA可编程逻辑器件作为控制和数据处理的核心，利用FPGA的层次化存储器系统结构，使用FPGA内部集成的基本逻辑功能块配置成双端口同步RAM对采集信号进行存储，完成设计指标。因为FPGA可在线编程，从而大大加快了开发速度。电路中的绝大部分逻辑控制功能都是由单片FPGA完成。同样多个功能模块如采样频率控制模块、数据存储模块都集中在单个芯片上，因此大大简化了外围硬件电路设计，增加了系统的稳定性和可靠性。FPGA的高速性能比其他控制芯片更适合于高速数据采集和处理，FPGA是由存放在片内RAM中的程序来设置其工作状态的，因此，工作时需要对片内的RAM进行编程。用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。52.3.以Cortex-M3内核的STM32为主控制器微处理器采用意法半导体的32位处理器STM32F103VET6,其内部是ARM公司Cortex-M3内核,再在其上面移植开源的实时操作系统C/OS-II系统，确保系统的实时性和稳定性。由于高速A/D转换器的速度太快，STM32处理数据的速度跟不上，所以在中间加入FIFO高速缓存器。利用STM32内部自带的FSMC(灵活的静态存储器控制器)来控制TFT液晶屏刷新波形，可实现更高频率的信号的波形刷新和显示。此为，利用STM32的高级定时器可输出很高的时钟，可以作为高速A/D转换器的采样时钟和FIFO存储器的控制时钟，苏州大学本科生毕业设计（论文）附件：文献综述第3页从而避免了一大堆由有源晶振和数字芯片组成的时钟电路。112.4.方案比较：方案一简单能够在短时间内完成设计且做成实物，而且这种示波器能够简易的显示常规信号的波形、幅度、频率，实现数字示波器的基本指标；方案二采用FPGA虽然能深入开发数字示波器，然而，其成本偏高，即使加入可编程片上系统（SOPC)，其软件压力也很大。难度大难以在短时间内完成任务。方案三是能够实现嵌入式数字示波器基本指标的方案，虽然该方案是完成该任务的最好的方案，能够实时操作系统简化编程，提供系统实时性和稳定性，但是ARM成本目前较高，短时间内不能够完成设计及做成实物。因此，本设计最终选择方案一开展设计。3.软件系统方案选择3.1.方案一采用C语言环境编写C是结构式语言。这种结构化方式可使程序层次清晰，便于使用、维护以及调试。它简单、灵活、对各种需要的适应性强。C语言功能齐全，具有各种各样的数据类型、运算符、表达式、数组、结构体以及共用体，并引入了指针的概念，可使程序效率更高，而且C语言是以函数形式提供给用户的，这些函数可方便的调用，用户还可以自定义函数，这使得C语言的使用更加方便。且我们学的就是C语言，有一定的功底运用比较方便。43.2.方案二采用汇编语言环境编写汇编语言比机器语言易于读写、易于调试和修改，同时也具有机器语言执行速度快，占内存空间少等优点，但在编写复杂程序时具有明显的局限性，汇编语言依赖于具体的机型，不能通用，也不能在不同机型之间移植。虽然学过汇编，但是编写难度较大。为了方便编写、修改，后期维护选择了方案一。84.系统总体设计以AT89S52单片机为控制核心的方案如下面图4-1所示：苏州大学本科生毕业设计（论文）附件：文献综述第4页图4-1系统结构图信号输入之前手动调整信号电平调整成为符合AD转换要求的05V电压。之后输出的模拟信号经过高速AD转换器TLC2543实时采样变成数字信号，经过AT89S52单片机后储存在存储器中。单片机从存储器中读出信号进行运算处理，将波形显示在LCD液晶屏上。2苏州大学本科生毕业设计（论文）附件：文献综述第5页参考文献1.俞方炜.单片机在数字示波器设计中的应用J.通信技术,2009,42(209):269-2712.刘杨斌,刘其峰,华慧.基于AT89S52单片机的简易数字示波器设计.J.现代技术.2011,34(14):138-1403.徐僖,杨传顺.基于PIC单片机的简易数字示波器设计.J.电子测量技术,2012,10(23):72-754.梁志恒,王军锋.基于VC+环境下的单片机数字数字示波器设计J.中国信息化,2013,05:48-485.王浩宇.基于单片机和CPLD便携式数字示波器硬件平台研究实现.D.西安电子科技大学,20106.李璐,李腾飞,李飞飞.基于单片机和FPGA的数字示波器的设计R.电子设计工程,2011,19(18):78-817.刘伟,丁雷,许婷,卢传涛,杨世江,汤东东.基于单片机微控制器的简易数字示波器设计D.湖南:吉首大学,20108.程娅荔,王巧玲.C语言与汇编语言在单