基于单片机的波形采集回放系统设计

摘 要：文章完成了一款基于单片机STC12C5A60S2的波形采集存储与回放控制系统，其中单片机是整个控制系统的核心，结合AT24C04存储，可靠地实现对两路外部信号进行采集与存储。系统分为软件和硬件两个部分。硬件电路主要包括单片机的基本模块、按键电路、波形采集回放电路等。软件部分包括了按键触发、信号存储、数模信号转换程序设计。

关键词：波形；存储；回放

引言

波形采集回放系统是目前检测电子电路的重要技术手段，已广泛应用于各式各样的技术行业，例如电力系统、医疗系统、教学科研系统等等。但随着工作环境的日益复杂，传统的示波器在狭小的空间中已不能满足测量要求，因此设计一款轻便的数字滤波器对特殊工业环境有着较高的应用价值。

1 系统参数设计

首先，需对系统实现的功能和相关参数进行设计。要求能同时采集两路周期信号波形，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。并且能完成对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。此外，要求系统输入阻抗不小于10kΩ，输出阻抗不大于1kΩ。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≤50mV，周期之差的绝对值≤5%。

2 系统方案设计

采样方式选择：等效时间采样虽然可以对很高频率的信号进行采样，可是步进延迟的采样技术与电路较为复杂。再者，它只限于处理周期信号，而且对单次触发采样无能为力。实时采样可以实现整个频段的全速采样。实时采样是在信号存在期间对其采样。根据采样定理，采用速率必须高于信号最高频率分量的两倍。对于周期的正弦信号，一个周期内应该大于两个采样点。为了不失真地恢复原被测信号，通常一个周期内就需要采8个点以上，故文章采用实时采样方式。

A/D、D/A转换方式选择：采用芯片PCF8591转换，其具有IIC接口，AIN0～AIN3四个模拟输入通道和一个模拟输出通道，最多可以有8片8591连接到IIC总线。可通过时钟线SCL和数据线SDA与单片机之间的数据进行传输。

触发方式选择：要使屏幕上显示稳定的波形，需将被测信号本身或者与被测信号有一定时间关系的触发信号加到触发电路。触发源选择确定触发信号由何处供给。通常有三种触发源：内触发（INT）、电源触发（LINE）、外触发（EXT）。文章采用内触发方式，即使用被测信号作为触发信号。通过比较器LM358将被测波形信号和触发电平进行比较，大于触发电平时输出为高电平，小于触发电平时则输出低电平，即可得到信号被整形后的脉冲序列，再在该脉冲序列的上升沿开始存储波形即实现了触发存储的功能。这种触发方式稳定，故采用了这种方案。

3 硬件设计

如图1所示，设计了A、B双通道波形输入通道，进行A/D转换后，存储并显示在示波器上。波形回放时，将波形进行D/A转换再由双通道输出回放。

如图2所示，设计了以PCF8591为核心的波形采集回放电路。将其输出口接在示波器通道上便于观测波形。AOUT为D/A 转换输出端，AIN0～AIN3为A/D的模拟信号输入端，输入输出的地址、控制和数据信号都是通过双线双向I2C总线以串行的方式进行传输。此外，还设计了回放按键，按下按键即可进行波形回放。

如图3所示，液晶显示屏LCD用来显示电压幅值和信号周期。LCD1602数据D0～D7接 AT89S51的P0口，RS＼RW＼E分别接位接AT89S51的P2.0、P2.1、P2.2接口。

如图4所示，在进行波形采集时要把三角波和正弦波转换成矩形波。利用LM358将正弦波、三角波转换成矩形波，将输出的波形通过PNP三极管，CPU输出高电平时三极管关断；CPU输出低电平时，三极管导通，从而输出波形。

4 系统软件设计

电路硬件设计了一个回放键，按下时即可依次进入回放已采集的信号状态，该系统将1ms的采样波形进行循环回放（重现）。在采集时可改变幅值，并且采集到的数据也会同时在回放的时候变化。在回放时，若按下回放键，将停止波形的回放；若按下采集键，将终止当前波形的回放，并采集新的波形。如图5所示，在回放键按下时，进行波形回放同时液晶显示屏显示波形相关数据。

LCD软件设计：LCD液晶显示数据存放在内存单元5EH～6CH中。其中5EH-66H存放LCD上排显示，67H～6CH存放LCD下排显示。从P0口输出数据，由P2.0～P2.1对LCD进行数据操作选择，就能显示该地址单元的数据值。

A/D转换软件设计：PCF8591采用典型的I2C总线接口器件寻址方法，在进行数据操作时，首先是主控器发出起始信号，然后发出读寻址字节，被控器做出应答后，主控器从被控器读出第一个数据字节，主控器发出应答，主控器从被控器读出第二个数据字节，主控器发出应答，直到主控器从被控器中读出第n个数据字节，主控器发出非应答信号，最后主控器发出停止信号。

5 结束语

经过软硬件调试，系统可处理的正弦波信号频率范围限定10Hz～10kHz，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。该设计简单，能稳定实现波形采集存储以及回放功能，功耗低，体积小，具有一定的应用价值。