基于單片機的簡易多通道虛擬示波器的設計

　　虛擬儀器是基于PC技術發(fā)展起來的，所以完全"繼承"了以現成即用的PC技術為主導的最新商業(yè)技術的優(yōu)點，包括功能超卓的處理器和文件I/O，使在數據導入磁盤的同時就能實時地進行復雜的分析。為了實時、準確地測量輸入波形的參數，本文采用自帶8路10位ADC的單片機ATmega16，結合簡單的外圍電路，即可將輸入波形實時傳送給PC機進行處理。通過PC機上虛擬儀器平臺LabVIEW開發(fā)的上位機軟件對波形進行顯示和處理，從而達到簡易虛擬示波器的效果。

　　1 簡易多通道虛擬示波器系統的設計

　　簡易多通道虛擬示波器系統的原理方框圖如圖1所示，數據采集由主控芯片ATmega16進行，采集后的數據通過RS232串口通信芯片Max232將TTL電平轉換為RS232電平，提供與PC機的接口，將數據量傳送給PC機的LabVIEW開發(fā)平臺，平臺內上位機軟件接收來自串口的數據，經校驗等處理后通過波形顯示控件將采集到的波形顯示出來。同時單片機能接收上位機傳送來的數據，從而控制數據采集的速度和精度以及采集的通道。

圖1 虛擬示波器原理方框圖。

　　1.1 數據采集電路

　　ATmega16單片機是美國Atmel公司生產的基于增強的AVR RISC結構的低功耗8 位CMOS微控制器。ATmega16有如下特點:16k字節(jié)的系統內可編程Flash(具有同時讀寫的能力，即RWW)，512字節(jié)EEPROM，1k字節(jié)SRAM，32個通用I/O口線，32個通用工作寄存器，用于邊界掃描的JTAG接口，支持片內調試與編程，三個具有比較模式的靈活的定時器/計數器(T/C)，片內/外中斷，可編程串行USART，有起始條件檢測器的通用串行接口，8路10位具有可選差分輸入級可編程增益(TQFP封裝)的ADC，具有片內振蕩器的可編程看門狗定時器，一個SPI 串行端口，以及六個可以通過軟件進行選擇的省電模式。

　圖2 采樣電路原理圖。

　　本設計正是利用ATmega16的8路10位可編程增益的逐次比較型ADC及可編程異步串行接口的內部資源，從而簡化了電路設計的難度及編程難度。采樣電路的電路圖如圖2所示，ATmega16只需結合簡單的晶振電路和復位電路就可以完成本設計的需求。模擬信號通過8路模擬輸入的任意端口輸入即可，通過單片機內部程序控制，很容易就將輸入模擬量轉化為數字量。單片機再通過串行接口傳輸給PC機， 串行通信通過串行發(fā)送引腳TXD(PD1)和串行接收引腳RXD(PD0)連接串行通信接口電路實現數據的串行傳送與接收。

　　1.2 串口通信接口電路

　　本系統設計中通過Max232連接單片機和PC機。

　　ATmega16 具有異步串行通訊接口(UART)，UART是為能與計算機通訊的全雙工異步系統。本系統采用RS232接口方式, 由于RS232信號電平與AVR單片機信號電平(TTL 電平)不一致，因此在采用RS232標準時必須進行信號電平轉換。在串行通信的接口電路中選用MAX232芯片作為信號電平轉換芯片，實現TTL電平和RS232接口電平之間的轉換。從而把ATmega16內部需要傳送的數字信號準確無誤地傳輸給PC機，供上位機軟件讀取并進行信號處理。

　　串行接口電路原理圖如圖3所示，TTL電平引腳輸入引腳9、10，連接ATmega16的串行發(fā)送接口TXD和串行接收接口RXD，通過電平轉換為RS232電平，通過7腳和8腳連接串行接口的2腳和3腳，串行接口通過串行通信線連接采樣模塊的串行接口和PC機的串行接口。ATmega16通過內部編程很方便地把數據傳送給PC機。

圖3 串口通信接口電路圖。

　　1.3 多通道采樣原理

　　由于ATmega16內部ADC為8選1數據通道，在具體實現某路數據采集時就必須更改多工選擇寄存器ADMUX的數值。為能隨時更改通道，本設計采用主從方式，通過上位機發(fā)送給ATmega16的數值來改變通道。在ATmega16的串行中斷的接收中斷中， 通過判斷接收的數值更改ADMUX的數值。同時，在串行接口接收中斷中，通過接收的數值的編碼也可用來改變ADC相鄰兩次轉換之間的延時值，從而達到改變轉換速率的效果。

　　當需要采集雙通道數值時，單片機內部ADC可采用分時復用的原則，同時將獲得的八位數據加一個最高標志位，擴展為九位數據位。上位機通過對數據的最高位的校驗，可以很方便地區(qū)分數據，在顯示界面上將雙通道波形實時顯示更新。

　　2 系統軟件設計

　　2.1 下位機軟件設計

　　下位機軟件設計的關鍵是能使程序正確響應中斷服務程序，從而準確地完成ADC的轉換和數據的準確傳送。

　　圖4即為下位機程序的程序流程圖。主函數運行隨即進行串口和ADC寄存器的初始化，然后啟動ADC的第一次轉換，隨即進入等待中斷狀態(tài)，若接收到停止信號，系統馬上停止。在串口接收中斷中，進入中斷隨即讀取中斷接收值，通過判斷接收值的大小，改變系統采樣通道值和ADC轉換速率值。改變完成后中斷返回。此時，系統根據新的參數值運行。ADC轉換完成中斷產生后，讀取當前轉換值，讀取完成后進行數字均值濾波，降低輸入信號的干擾。濾波完成后將結果通過串行通信傳送給PC機。