1、綜合應(yīng)用計(jì)算機(jī)    綜合應(yīng)用計(jì)算機(jī)-開發(fā)多功能測試儀  陳奇明  摘要：介紹利用計(jì)算機(jī)與單片機(jī)開發(fā)實(shí)驗(yàn)儀器結(jié)合，應(yīng)用單片機(jī)作為控制核心，結(jié)合外圍集成芯片，開發(fā)示波器測量，信號發(fā)生器，萬用表測量，開發(fā)出獨(dú)立的多功能測試儀器。當(dāng)與計(jì)算機(jī)連機(jī)使用時(shí)，又成為大的測試儀，功能更加強(qiáng)大，操作更加簡便，更利于研究實(shí)驗(yàn)。本系統(tǒng)開發(fā)多使用現(xiàn)代的大規(guī)模功集成電路，體積小，可靠性高，價(jià)格低廉，實(shí)用性強(qiáng)。 關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)，測試儀，測試摸塊，數(shù)據(jù)傳輸  引言  開展教學(xué)研究，實(shí)驗(yàn)是關(guān)鍵，而實(shí)驗(yàn)的儀器

2、設(shè)備是研究的重要工具，在學(xué)校中由于大量的測量儀器價(jià)格昂貴，體積大，攜帶不便，使學(xué)校中的科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究難以普及深入，開發(fā)創(chuàng)新科學(xué)研究僅僅停留在一個(gè)理念上，缺乏大量實(shí)際的實(shí)驗(yàn)操作。 計(jì)算機(jī)的普及應(yīng)用，及大規(guī)模集成電路的發(fā)展，為開發(fā)高質(zhì)量低成本的教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備提供了可能，這里設(shè)計(jì)的綜合應(yīng)用計(jì)算機(jī)-開發(fā)多功能測試儀，是利用單片機(jī)進(jìn)行開發(fā)的多功能測試儀，它可以作為獨(dú)立的多功能儀器操作和使用，每一種功能的測試儀器操作控制與傳統(tǒng)的儀器操作控制相對應(yīng)。設(shè)計(jì)中增加了單片機(jī)通訊接口與計(jì)算機(jī)的連接，使測試儀的功能更全面得以發(fā)揮，操作更方便，觀察更直觀，使用更安全和研究更方便。 1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)&

3、#160; 本系統(tǒng)是由單片機(jī)構(gòu)成中央處理模塊，連接信號發(fā)生器模塊、萬用表測量模塊、示波器探測模塊（此模塊要與計(jì)算機(jī)連接使用）、儀器轉(zhuǎn)換控制模塊和液晶顯示模塊構(gòu)成獨(dú)立多功能測試儀，通過儀器轉(zhuǎn)換控制模塊控制相應(yīng)的按鍵，可轉(zhuǎn)到對應(yīng)測量模塊上，并在液晶顯示模塊上顯示對應(yīng)的測量參數(shù)。當(dāng)使用單片機(jī)通信接口與計(jì)算機(jī)連接時(shí)，打開相應(yīng)的應(yīng)用軟件系統(tǒng)，通過鍵盤和鼠標(biāo)可以方便的對儀器進(jìn)行操作，使多功能測試儀的性能的得到擴(kuò)展。如圖1為系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖。 2 硬件電路設(shè)計(jì)   在多功能測試儀系統(tǒng)中，單片機(jī)控制處理模塊是關(guān)鍵的部分，它控制著系統(tǒng)中的各個(gè)模塊，并對測試中的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收傳

4、輸和處理，同時(shí)還對測試中的各種狀態(tài)進(jìn)行跟蹤、檢測和判斷。因此單片機(jī)型號選用對開發(fā)周期，產(chǎn)品性能和質(zhì)量有著極大的影響，為了降低成本，這里選性價(jià)比極高的STC12C5A60S2單片機(jī)作為主控芯片,其主要性能和功能如圖2所示。 單片機(jī)工作頻率是重要選擇參數(shù)，直接影響測試模塊的精確度， STC12C5A60S2單片機(jī)工作頻率為：035MHz,在設(shè)置高速模式下：1個(gè)時(shí)鐘/機(jī)器周期，相當(dāng)于普通8051：0420MHz。ISP/IAP為在系統(tǒng)可編程/在應(yīng)用可編程，利于產(chǎn)品開發(fā)中的調(diào)整和測試，縮短開發(fā)周期。單片機(jī)內(nèi)部的大量的EEPROM為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)測量的存儲提供空間。其內(nèi)部本身還帶有8路10位高速A/

5、D轉(zhuǎn)換器，速度可達(dá)250KHz(25萬次/秒)，在STC12C5A60S2單片機(jī)中還有兩路可編程計(jì)數(shù)器陣列PCA/PWM，PCA是一個(gè)特殊的16位定時(shí)器，有2個(gè)16位的捕獲/比較模塊與之相連，每個(gè)模塊可編程在4種模式下：上升/下降沿捕獲，軟件定時(shí)器，高速輸出或可調(diào)制脈沖輸出。可方便設(shè)計(jì)為電壓測試，按鍵掃描，頻譜檢測等，使電路設(shè)計(jì)更為方便。2.1 信號發(fā)生器模塊的設(shè)計(jì) 信號發(fā)生器主要是輸出各種信號波形，對設(shè)備進(jìn)行調(diào)整測試，因此要求輸出的信號要穩(wěn)定，頻率可根據(jù)測試要求調(diào)整，幅度可調(diào)。其頻率的變化可以使用單片機(jī)中的一個(gè)時(shí)間/計(jì)數(shù)器T0,產(chǎn)生的脈沖去控制信號發(fā)生器模塊。要取得穩(wěn)定的輸出信號，

6、本系統(tǒng)使用AD7008集成電路來實(shí)現(xiàn)直接數(shù)字頻率合成的信號。其原理是根據(jù)奈奎斯特取樣，從連續(xù)信號的相位考慮，對一個(gè)正弦信號進(jìn)行取樣，量化，編碼，形成一個(gè)正弦函數(shù)表，存儲在存儲器中。合成時(shí)，通過改變相位累加器的頻率控制字，來改變相位增量，相位增量的不同將導(dǎo)致一周的取樣點(diǎn)的的不同，因角頻率=/t，在取樣頻率不變的情況下，通過改變相位累加器的頻率控制字，將這種變化的相位/幅值量化的數(shù)字信號通過D/A變化及低通濾波器，即可得到合成的相位變化的模擬信號。由于AD7008集成電路集相位調(diào)制，頻率調(diào)制，幅度調(diào)制及I/O正交調(diào)制等多功能于一身，輸出信號頻率最高可達(dá)20MHz，分辨率可達(dá)0.02Hz。另外一個(gè)特

7、點(diǎn)，即它輸出的信號上沒有疊加任何變化電流脈沖，輸出信號是一個(gè)平穩(wěn)的變化波形，而且相位保持連續(xù)的變化。信號發(fā)生器電路結(jié)構(gòu)，如圖2.1所示。 由于AD7008的輸出端有一個(gè)10位的D/A數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器，輸出的合成信號是階梯狀的，帶有許多高次頻譜信號分量，必須將這些不需要的高次頻譜信號分量濾除，才能得到頻譜 純凈的正弦波信號輸出，因此需要在AD7008輸出端增加濾波電路，設(shè)計(jì)濾波電路時(shí)要求濾波器的衰減特性要陡直，延遲時(shí)間要短，可采用六階橢圓函數(shù)濾波器。其電路原理如圖2.1a所示。 2.2  萬用表測量模塊的設(shè)計(jì)    

8、萬用表測量模塊主要對電壓，電流和電阻值的測量。根據(jù)V=R*I電量的關(guān)系，和利用電路中參考量的比值，電路測量中只要測出電壓值經(jīng)過相應(yīng)換算就可以得出所測的電壓，電流和電阻值。本系統(tǒng)中主機(jī)電路采用的是STC12C5A60S2單片機(jī)，本身帶有A/D轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換口在P1口（P1.0-P1.7）,有8路10位高速A/D轉(zhuǎn)換器，速度可達(dá)250KHz(25萬次/秒)，參考電壓源是輸入工作電壓Vcc，所以一般不用接參考電壓源，系統(tǒng)是以7805作為穩(wěn)壓源，其實(shí)際電壓可能是4.88V到4.98V，在要求精度比較高的情況下，可對穩(wěn)壓源進(jìn)行實(shí)際測量，并將工作電壓值記錄在單片機(jī)內(nèi)部的EEPROM中，以供計(jì)算。當(dāng)采用電池

9、供電時(shí)，電池電壓是在5.3V-4.2V之間漂移，即Vcc不固定，就需要在8路的A/D轉(zhuǎn)換的一個(gè)通道外接一個(gè)穩(wěn)定的參考電壓源，來計(jì)算此時(shí)的工作電壓Vcc，再計(jì)算出其他幾路A/D轉(zhuǎn)換通道的電壓。由于電壓測量與電阻測量直接采用單片機(jī)片內(nèi)的A/D轉(zhuǎn)換電路，其外圍電路設(shè)計(jì)并不復(fù)雜，這里主要對電流測量進(jìn)行分析。 在對電流進(jìn)行測量時(shí)，必須先將其電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，然后才能實(shí)現(xiàn)A/D的轉(zhuǎn)換，常用的轉(zhuǎn)換方法是在電路中加入精密電阻，由此將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，當(dāng)電流很小時(shí)，就很難選擇一個(gè)合適的阻值，影響測量準(zhǔn)確度，在本系統(tǒng)中采用電流/電壓轉(zhuǎn)換芯片MAX472，克服了常規(guī)測量電流存在的測量范圍小，測

10、量誤差大等缺點(diǎn)，可提高測量精度。MAX472的工作原理如圖2.2所示，方框內(nèi)的部分是該芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，圖中A1和A2是兩個(gè)運(yùn)算放大器，構(gòu)成差動輸入，這樣可以增強(qiáng)抗干擾能力，從而提高小電流的測量準(zhǔn)確度，Q1和Q2是兩個(gè)三極管，COMP是比較器，Resense是電流采樣電阻，要采用熱穩(wěn)定性好，漂移小的康銅絲電阻。方框外為調(diào)整電路。2.3 示波器模塊電路的設(shè)計(jì)  示波器模塊是將測試的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字，通過編碼，數(shù)據(jù)存儲，在單片機(jī)控制下將測試數(shù)據(jù)傳送到計(jì)算機(jī)，并通過相應(yīng)的應(yīng)用程序的處理，將測試出對應(yīng)的波形顯示在計(jì)算機(jī)顯示屏上。示波器測試模塊是一種綜合性的電信號測試儀器，它能把眼睛

11、看不見的電信號轉(zhuǎn)換成能直接觀察的波形，顯示在計(jì)算機(jī)顯示屏上。其實(shí)質(zhì)是一種時(shí)域測量，用來觀察信號隨時(shí)間的變化關(guān)系，可用來測量信號波形，幅度，頻率等。設(shè)計(jì)中要求測量靈敏度要高。測量幅度較小的信號，具有較強(qiáng)的過載承受能力，輸入阻抗要高，對被測的網(wǎng)絡(luò)影響要小，工作頻率要高，響應(yīng)速度快，便與觀察波形瞬變的細(xì)節(jié)。其工作原理如圖2.5所示。衰減器 衰減器是用來衰減大幅度的輸入信號，以保證放大電路輸出不產(chǎn)生失真，對衰減器的主要要求是，頻帶要足夠?qū)挘斎氲淖杩挂撸虼瞬捎肦C衰減器，其原理如圖2.3a所示 。當(dāng)滿足R1*C1=R2*C2時(shí)，衰減器的衰減量為Vo/Vi=R2/（R1+R2）,可以看出衰

12、減量與頻率無關(guān)，此時(shí)為最佳補(bǔ)償狀態(tài)。（2）前置放大電路 前置放大電路是放大被觀察信號，使微弱的信號能被放大到一定的增益，使信號能被正確的采集，放大電路通常采用頻率補(bǔ)償措施，引入較強(qiáng)的負(fù)反饋，以獲得較寬的頻帶和較高的增益穩(wěn)定性。放大電路的頻帶是示波器的一個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)，它決定了能夠測量信號的最高頻率，可采用INA333集成放大器，它是業(yè)內(nèi)功耗最低的零漂移儀表放大器。具有 75µA 靜態(tài)電流、25µV 偏移電壓、出色的噪聲功率比，在75µA 時(shí)，噪聲功率比為 50nV/rt-Hz，對前置放大電路對數(shù)據(jù)采集起著關(guān)鍵的作用。 （3）波形采集轉(zhuǎn)換電路 波

13、形采集轉(zhuǎn)換電路是將測試的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號， A/D轉(zhuǎn)換器在系統(tǒng)中所處的位置是很關(guān)鍵的，因?yàn)樗苯臃从耻浖某潭?由于STC12C5A60S2單片機(jī)自帶的 A/D轉(zhuǎn)換器速度在這面就顯的不夠快，必須選用并行數(shù)據(jù)采集的A/D轉(zhuǎn)換器。選擇用時(shí)既要考慮A/D轉(zhuǎn)換器的性能，又要考慮能滿足系統(tǒng)所要求的動態(tài)范圍和性能指標(biāo)。性能指標(biāo)主要有AD轉(zhuǎn)換位數(shù)、無寄生動態(tài)范圍(SFDR)、信噪比(SNR)、轉(zhuǎn)換速率、量化靈敏度等。一般來說AD轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換位數(shù)越多越好，轉(zhuǎn)換位數(shù)越多，其動態(tài)范圍就越高。本系統(tǒng)中選用AD6645 集成電路 A/D轉(zhuǎn)換器， 其保持采樣率可達(dá)80MSs，工作帶

14、寬達(dá)270MHz，多音無寄生動態(tài)范圍(SFDR)為100dB； 作為新型的高速、大動態(tài)范圍AD轉(zhuǎn)換器AD6645的模擬信號輸入也為差分形式因?yàn)樵谀M信號階段差分輸入對偶次諧波有很高的共模抑制比，可以提高電路的性能。  2.4   通信接口電路的設(shè)計(jì)  當(dāng)多功能測試儀于與計(jì)算機(jī)連接使用時(shí)，使用串行通信接口進(jìn)行連接，本系統(tǒng)中采用目前通用的USB接口，但STC12C5A60S2單片機(jī)只有一個(gè)可編程全雙工串行通信接口，必須進(jìn)行接口轉(zhuǎn)換，這里采用 CP2103高集成度USB轉(zhuǎn)UART專用芯片。它用最簡單的外部電路、最少的外部器件和最小

15、的電路板面積實(shí)現(xiàn)USB2.0到UART的轉(zhuǎn)換。CP2103是一款高度集成的USB-UART橋接器，它包含了一個(gè)USB功能控制器、USB收發(fā)器、振蕩器和帶有全部調(diào)制解調(diào)器控制信號的異步串行數(shù)據(jù)總線，一方面可以從分機(jī)接收USB數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)換為RS232信息流格式發(fā)送給外設(shè)；另一方面可從RS232外設(shè)接收數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為USB數(shù)據(jù)格式傳送至主機(jī)，其中包括控制和握手信號。計(jì)算機(jī)采用VB語言的通訊控制函數(shù)，按串行口方式設(shè)置，以實(shí)現(xiàn)接口通訊軟件設(shè)計(jì)。該通訊程序波特率可設(shè)在6009600之間進(jìn)行調(diào)試。CP2101的實(shí)際應(yīng)用參考電路如圖2 .4所示   為了減少單片機(jī)控制系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)應(yīng)

16、用系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)母蓴_，在單片機(jī)控制系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸使用光電耦合來隔離。使兩個(gè)系統(tǒng)的電源相互獨(dú)立，消除地電位不同所產(chǎn)生的影響，本系統(tǒng)中采用P521光電耦合管來隔離雙邊信號源。P521光電耦合管是電流型輸出，不受輸出端工作電壓的影響，因此可以用于不同電平的轉(zhuǎn)換。為了確保數(shù)據(jù)收發(fā)的穩(wěn)定性，避免通信過程中的干擾，還可以在USB接口端添加濾波電路。2.5  儀器轉(zhuǎn)換控制模塊電路的設(shè)計(jì)  在單片機(jī)總控制系統(tǒng)中控制著多種模塊儀器，而使用時(shí)只選用其中的一個(gè)模塊進(jìn)行操作，儀器間的轉(zhuǎn)換控制是通過單片機(jī)輸入/輸出端口進(jìn)行的，可使用STC12C5A60S2單片機(jī)中的

17、P3.2外部中斷0端口作為各測試模塊之間的轉(zhuǎn)換，其原理是通過中斷控制字的設(shè)置，使外部中斷0為低電平控制，每按一次P3.2端口使之為低電平，轉(zhuǎn)換一種測試模塊，循環(huán)進(jìn)行。若與計(jì)算機(jī)連接一起使用時(shí)，可進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸，使計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)接收到相應(yīng)數(shù)據(jù)后，將控制相應(yīng)模塊應(yīng)用軟件，并顯示出相應(yīng)控制操作界面。為了節(jié)省端口并擴(kuò)展控鍵，使各測試摸塊的測量范圍得以擴(kuò)大，可使用P1口中的一路A/D作為擴(kuò)展控鍵。可采用按鍵掃描來方式，根據(jù)不同按鍵按下時(shí)，ADC檢測端口就有不同的電壓比值，來確定具體的按鍵起作用，電路如圖2.4所示。  在測試模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)，當(dāng)有共同的信號作為輸入或輸出時(shí)，為了節(jié)省相應(yīng)器件和線路空間，此時(shí)信號線的轉(zhuǎn)換可采用四重雙向電子轉(zhuǎn)換開關(guān)MC14066集成電路，其主要的特點(diǎn)是信號轉(zhuǎn)換頻率高，開關(guān)導(dǎo)通時(shí)內(nèi)阻非常小，開關(guān)截止時(shí)處于高阻狀態(tài)，適合作為信號開關(guān)使用。 結(jié)束語 由于現(xiàn)代科技的高速發(fā)展大規(guī)模集成電路的普及應(yīng)用，為我們開發(fā)新一代的教學(xué)儀