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一种手持式波形采集、存储及回放系统

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  • 发布时间:2017-01-12
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The handheld waveform acquisition storage playback systemZhang Renmin,Qian Yingjing,Wu Qing(Department of Physics and Information Engineering,Huaihua Colege,Huaihua 418008,China)Abstract: This paper mainly introduces the design of waveform acquisition, storage and playback system based onMSP430F5438 single chip computer,including signal conditioning circuit,circuit designs of A/D sampling,D/A transform and filters。

Through operational amplifier of NE5532,the input signal system is transferred to pretreatment circuits.After pretreatment circnits areadjusted and sent to the processor with high speed A/D to be sampled,quantized and stored,they wil be transferred into analogsignals through D/A transform , with their noise interferences being eliminated by active low-pass filters and finaly they arepresented on osciloscopes through signal conditioning circuit。

Key words:MSP430F5438;A/D sampling;D/A transform;signal acquisition波形 采集 、存储 和 回放 系 统 广泛 地 应用 于工业 总 线测试 、电力系统 、医疗 、教学科研等领域l。1。随着科技的发展 和 应用 环 境 的拓 宽 ,特 别 是- 些 特 殊 的 生产 、生 活诚 传统 的需要外接市电电源的大型测量仪器 (示波器 )已经不能满足测试 、调试 、维护的要求4J。设计和制造-种新型的便携式 的波形采集 、存储 和回放系统有重要 的 工程 价值 和实 际意 义 。

这 种设 备 的基 本 特 点有 :体 积 小 、重 量 轻 、易 于 携带 ;用电池供 电,能连续工作 5 h以上;具有参数测量的功 能 :具 有较 大 的存储 空 间 ;具 有 多种触 发 方式1 5]。

1 系统组成 及 工作原 理该系统是-个手持式双通道低频信号波形采集 、存储 回放系统 ,其系统框图如图 1所示。

该 系统 主要 由多通道信号输入调理 电路 、微处 理基金项 目:湖南食化 学院科研 资助项 目(HHUY2008-07);湖南 侍育厅科学技术研究项 目(10C1057)《微型机与应用》2013年第 32卷第 3期图 1 系统组成框 图器、人机接口、DAC和输出调理电路组成 。各部分功能和工 作 流 程 分 配如 下 :输人 调 理 电路 主要 包 括 前 置放大、衰减及整形变换电路 ,其中前置放大、衰减是为了保证信号能合理地被 A/D采样 (满足采样范围和最佳精度),整形变换电路是为了将正弦波变换成为方波信号以便测量信号频率 ;微处理器是系统的核心包括系统的控制 、数据 的采集 、存储 、处理和参数的测量 ,特别说 明的是该处理器 自带多通道 ADC;人机接 口是为了设定参数 、功能和显示测量数据及波形;DAC及低通滤波器是为了很好地还原前端 的模拟信号 ,滤除信号中夹带的高频成分 ,在滤波以后 ,再将信号进行放大和衰减 ,完全还欢 迎 网上 投 稿 le of Applicati-on原输入信号的波形。

2 硬件 设计2.1 输入信 号 调理 电路输入调理电路主要包括前置放大 、衰减和整形变换电路两部分组成。

(1)前置放大 、衰减电路该部分 电路采 NE5532运放及外围元 器件组成 ,主要 是考 虑到 和单 片机 片 内 ADC接 口。由下 MSP430片内的 AID 的采 样 范 同是 0到 2.5 V,同 时 保 证 采 样 的 精度 ,需 要把 信号 调理 到 500 mV 到 2.5 V这 - 范 围 内t6]。

设计时还需要考虑 :信号 的极性问题 ,如是双极性信号还需要加上加法器 ;输入信号和进 A/D采集的阻抗 问题 ,输入和输出均加上射随器。

(2)整形 电路整形 电路是由四部分构成 :第 -部分是放大 ,第二部分是比较器过零比较 ,第三部分是施密特触发器电平触发 ,第 四部分是电平的调整。因为输入信号比较小 ,如果 直接送 入 比较器过 零 比较 ,可 能会 存在 有 错误 的 比较输出,所 以前端加了电压放大。信号经过放大器以后进人由 LM3l1组成的比较器进行过零 比较 以后 ,输 出信号在上升沿和下降沿存在有多次跳变,针对这种情况在比较 器输 出后 面加 了-个 施密特 触 发器[71。但是 施密 特触发器输出的高电平在 5 V左右,所以就在后面加了-个3 V的稳压管和电阻进行限流和稳定 电压和限制 电流输出。具体电路如图 2所示。

15 VR1l kn图 2 整形电路2.2 处 理器 选择该系统为手持式系统 ,在考虑功能和参数测量的基础上核心问题是低功耗的电池供电,而功耗的核心是微处理器〖虑到这-因素 ,该系统采用 MSP430F5438作为信号处理和控制部分。MSP430是 TI公司推出的-款低功耗混合信号处理器 ,片内有丰富的资源 :如该系统必须用到的片内定时器 、片 内 A/D、中断源等 ,24 MHZ86主频 。而且 TI的单 片机 不但 功耗低 ,而且 信号 处理 能力也较 强 。所 以该 系统 采 用 MSP430F54382.3 人 机接 口键盘采 用普 通 的非 编码键 盘 以控制 成本 。

考虑到功耗的问题 ,显示部分采用低功耗的诺基业显示屏。该显示屏工作在非背光模式下 ,功耗很低 ,同时能保持上次显示的数据。只有在数据更新的时候才需重新控制液晶屏 ,其余的时间单 片机可以不控制液晶屏。

从而 可以节约功耗和节约单片机的时间。诺基亚控制采用软件模拟 SPI进行控制 ,显示效果良好。

2.4 DAC 和输 出调 理 电路由于需 要 在 - 定 意义 上 实 现 双 通 道 的 同时 采 样 和输出,所 以要求处理器的速度足够快 。如果采用串行的D/A芯片 ,那么在 回放的时候 ,占用处理器的时间相当多,不可能做到名义上的同时采集和回放 。在回放 的时候 占用 处 理器 的时 间最 好 是 能 只 占用处 理 器 - 两个 时钟周期 ,而且要求该 D/A的功耗较低 ,这样才能满足电池供电的要求 〖虑到这些 因素,这里采用 TI公司的DAC7621引。

系 统 采 用 两 路 D/A 实 现 双 通 道 的 回 放 , 每 - 路DAC7621的数据位选择连接 MSP430的 PA和 PE 口 D/A与单片机的连接如图 3所示。

5 VJ2 42 l33 l24 5 l06 97 8HEADER 7X2U42341ONU DB1l 6DBl0 7DB9 8DB8 9DB7 1019l8l7 DBO16 DB115 DB2l4 DB313 DB412 DB51l DB6J812l3J4CON4IJAC 762 J图 3 D/A转换 电路重构 滤 波器 采用 NE5532构 成 四阶低 通 巴特 沃 斯 滤波器 。

3 软件设计该系统需要实现采样 、存储 、回放 、测频 、测幅和掉电存储等功能 。系统的软件部分分为主程序 、A/D中断部分 和部分 功 能程序设 计 。

3.1 主 程序设 计主程序主要负责判断信号频率或 信号类型是 否发生变化 ,因此主程序~直在检测外部信号是否发生变化。-旦检测到外部信号发生变化 ,立即使新数据覆盖《微型机与应用》2013年第 32卷第3期肋 略阱 肺 RDDDDDDD氓呻 曲骼盯 CVOADDDDDD- -nr . Example of Application到指定地址的 Flash中,然后更新回放 RAM中的数据 ,最后将新的信号 的参数送到液晶上显示 。与此 同时,在主程序中还要判断当信号的频率过低时要改变 A/D的采样速率 ,以便采集合适数量的点。其流程如图 4所示 。

降低A/D采样率重新采数据测量参数拷 贝 RAM 到 RAM1存储数据- - - - -皇--- 采样数据有效Y初始化读取Flash值到 RAMI里噩叁塑i- - - - - - - - - - - - - - 开启 A/D中断采样样点数发生改变 / N兰兰图4 主程序流程图3.2 A/D 中断程 序A/D 中 断 程 序 负 责 数 据 的 采集和 回放 。当进 人 中断后 开启 下-次中断并将这 次采到的数据保存至存储 RAM 中,回放 RAM1的数据后返 回主程序等待下-次中断。

3.3 功 能程序 设计3.3.1 信 号频 率 与幅 度测 量MSP430F5438片内的定时器 自带捕获功能[91。在这种模式下 ,对形信号即可以无失真地进行回放原信号 。在具体采集过程 中可以通过所测信号的周期和已知的采样频率确定当前采样点数 ,从而采集得到-个周期的波形。因为本系统中没有特意添加测频拈 ,只能通过检测信号的幅值确定是 否采集到-个完 整 周期 信 号 。具 体 流 程 图如 图 7所 示图 7 信 号单J司期采集流程 图本 系统 采 用 ADI公 司 的精 密集 成 运 放 OP07、TI公司 的 双 运 放 NE5532、TI公 司 的 高 速 施 密 特 触 发 器SN74LVC1G14进行前置信号调理电路和整形 电路 :采用TI公司的低功耗 MSP430系列单片机作为主控制器 ,其内部 自带的 ADC对信号进行采样 ;采用 TI公 司的并行低 功 耗 D/A(DAC7621),有源 低 通 滤波 器 作 为重 构 滤 波器。实验结果表明,实现了对 10 kHz以下方波等信号的双通道采集 、存储和回放等功能,系统功耗低 、廉价 、稳定。

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