1、北京信息科技大學(xué)綜合電子設(shè)計實驗指導(dǎo)書-簡易數(shù)字示波器的設(shè)計自動化學(xué)院 陳福彬課程設(shè)計題目：簡易數(shù)字示波器的設(shè)計1.1設(shè)計目的了解數(shù)字示波器的基本控制原理，主要利用C8051F020微控制器實現(xiàn)一個簡易數(shù)字示波器的設(shè)計與制作。通過設(shè)計需要理解數(shù)字示波器的基本控制原理，掌握處理器C8051F020芯片的應(yīng)用，多通道ADC采集功能等應(yīng)用技術(shù)。 應(yīng)用外設(shè)掌握人機交互技術(shù)，設(shè)計友好的人機交互界面。1.2設(shè)計任務(wù)與要求1基本要求（1）設(shè)計并制作用普通示波器顯示被測波形的簡易數(shù)字示波器。（2）具有單次觸發(fā)存儲顯示方式，即每按動一次“單次觸發(fā)”鍵，儀器在滿足觸發(fā)條件時，能對被測周期信號或單次非周期信號進行一

2、次采集與存儲，然后連續(xù)顯示。（3）觀測波形無明顯失真。2擴展部分（1）用液晶顯示器進行波形顯示，設(shè)計友好的人機交互界面。（2）增加連續(xù)觸發(fā)存儲顯示方式，在這種方式下，儀器能連續(xù)對信號進行采集、存儲并實時顯示，且具有鎖存（按“鎖存”鍵即可存儲當(dāng)前波形）功能。（3）增加雙蹤示波功能，能同時顯示兩路被測信號波形。1.3設(shè)計報告要求見附錄二1.4設(shè)計思路一、設(shè)計原理（1）系統(tǒng)框圖 圖 系統(tǒng)框圖本系統(tǒng)主要包括中央控制模塊、輸入信號調(diào)理電路、A/D信號采集、數(shù)據(jù)存儲、人機交互控制模塊。具有性能可靠。系統(tǒng)組成如圖1.4.1所示。(1)微處理器模塊：實現(xiàn)信號處理與協(xié)調(diào)控制。(2) 輸入信號調(diào)理電路：實現(xiàn)將輸入

3、信號進行整形，濾波處理。(3) A/D信號采集模塊：實現(xiàn)對輸入的模擬信號數(shù)字化處理。（4）D/A轉(zhuǎn)換模塊：實現(xiàn)數(shù)字信號到模擬信號的轉(zhuǎn)換。(5) 數(shù)據(jù)存儲：實現(xiàn)數(shù)字化后的數(shù)據(jù)存儲。(5)人機交互控制模塊：包括鍵盤和液晶顯示。鍵盤顯示用來完成系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置以及動作方式指示等。 二、硬件電路設(shè)計1.主控制板說明模塊結(jié)構(gòu)框圖和功能描述C8051F020器件是完全集成的混合信號系統(tǒng)級MCU 芯片，具有64個數(shù)字I/O 引腳；時鐘電路使用20MHz石英晶體振蕩器片外時鐘振蕩器；具有上電復(fù)位和手動按鍵復(fù)位功能；數(shù)據(jù)總線地址總線經(jīng)總線驅(qū)動后引出到總線插槽與其他模塊相連。模塊的譯碼制電路由一片74HC138來完成

4、。模塊的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要資源如下：（1）MCU為美國Silabs公司C8051F020，64KB FLASH、(4096+256)B RAM、最高25MIPS執(zhí)行速度；（2）4路12位AD輸入，AIN1到AIN4輸入信號量程0+2.4V ；（3）2路12位DA輸出，輸出信號量程0+2.4V；（4）1路標(biāo)準(zhǔn)RS232通訊接口；（5）1個16X2LCD接口；（6）1個128X64LCD接口；（7）1個復(fù)位鍵，4個按鍵；（8）JTAG調(diào)試接口；（9）外擴總線接口；（10）C8051F020上的資源對用戶開放。圖 1 模塊結(jié)構(gòu)框圖模塊主要元器件布局模塊的元器件布局如圖2所示：圖2 模塊的元器件布（

5、1）JP1，JP2，JP3，JP4為總線接口； （2）P1，P2為電源插座，P2為5V系統(tǒng)電源，P1為9V系統(tǒng)電源； （3）POWER1為電源指示燈,上電即點亮；（4）J1為下載接口JTAG；（5）S1為手動復(fù)位按扭。（6）L1，L2液晶接口；（7）K2，K3,K4,K5為四個按鍵；（8）P5為兩路DA輸出，P3,P4為兩路AD輸入；LCD接口128X64圖形點陣LCD模塊配置了20腳圖形點陣LCD接口（驅(qū)動器型號：）接口插座的功能引腳定義詳見如表2。表2圖形點陣LCD接口引腳定義管腳符號有效電平作用1GND0V電源地2VCC+5V正電源3VEEOUT4RS低讀選通5WR低寫選通6EN低使能7

6、-14D0-D7高/低數(shù)據(jù)線15CS1低片選信號16CS2低片選信號17/RESET低復(fù)位信號18Vadj負顯示對比度1920LCD接口電氣原理圖見下圖11。圖11 LCD接口電氣原理圖2.1.7 參考電壓圖12中VREF為C8051F020的電壓基準(zhǔn)輸出（2.4V），VREF0為ADC0 的電壓基準(zhǔn)輸入，VREF1為ADC1 的電壓基準(zhǔn)輸入，VREFD為DAC 的電壓基準(zhǔn)輸入。用短路塊將J6的PIN5與PIN1、PIN3與PIN7、PIN1與PIN5短接時，C8051F020的內(nèi)部基準(zhǔn)電壓就可以引到內(nèi)部的ADC和DAC。圖12 ADC、DAC通道參考基準(zhǔn)電壓接線三、軟件設(shè)計 在程序的設(shè)計過程

7、中，主要包括各中斷模塊、AD轉(zhuǎn)換子程序，DA轉(zhuǎn)換子程序，LCD液晶顯示子程序，按鍵處理子程序等等組成。軟件流程圖示例如下圖所示：開始系統(tǒng)初始化A/D數(shù)據(jù)采集完成？ 結(jié)束按鍵識別執(zhí)行相應(yīng)功能數(shù)據(jù)處理LCD液晶顯示程序流程圖 附錄一 開發(fā)工具Keil使用指南一、 MDK的安裝與配置1 MDK安裝的最小系統(tǒng)要求為：操作系統(tǒng)：Win98 、WinNT4 、Win2000 、WinXP；硬盤空間：30M以上；內(nèi)存：128MB以上。2 MDK的安裝步驟如下：2.1 在桌面上雙擊安裝文件，彈出如圖1-1所示安裝界面。建議在安裝之前關(guān)閉所有的應(yīng)用程序，單擊Next，彈出如圖1-2所示對話框。2.2 仔細閱讀許

8、可協(xié)議，選中I agree to all the terms of the preceding License Agreement 選項，單擊Next ，彈出如圖1-3所示對話框。2.3 單擊Browse選擇安裝路經(jīng)，然后單擊Next，彈出如圖1-4所示對話框。2.4 輸入First name、Last name、Company Name以及E-mail地址后，單擊Next；安裝程序?qū)⒃谟嬎銠C上安裝MDK，之后會彈出如圖1-5所示對話框，單擊Finish安裝結(jié)束。至此，開發(fā)人員就可以在計算機上使用MDK軟件來開發(fā)應(yīng)用程序了。二、 如何建立工程使用MDK作為嵌入式開發(fā)工具，器開發(fā)的流程與其他的開

9、發(fā)工具一樣，一般可以分為以下幾步：1 新建一個工程，從設(shè)備庫中選擇目標(biāo)芯片，配置編譯器環(huán)境;2 用c/c+或匯編語言編寫源文件。3 編譯目標(biāo)應(yīng)用程序；4 修改源程序中的錯誤；5 測試連接應(yīng)用程序。1 選擇工具集利用mVision 3創(chuàng)建應(yīng)用程序，首先選擇開發(fā)工具集。選擇Project-Manage-Components,Environment and Books菜單項，彈出如圖1-6所示對話框。在對話框中，可以選擇所使用的工具集。2 創(chuàng)建工程并選擇處理器在m Vision 3主界面中選擇Project-New Project菜單項，打開一個標(biāo)準(zhǔn)對話框，輸入希望新建的工程名字即可創(chuàng)建一個新的工程

10、。創(chuàng)建一個新的工程時，m Vision 3要求設(shè)計者為工程選擇一款對應(yīng)處理器，如圖1-7所示。該對話框中列出了m Vision 3所支持的處理器設(shè)備數(shù)據(jù)庫，也可以選擇Project-Select Device菜單項進入此對話框。選擇了某款處理器之后，m Vision 3將會自動為工程設(shè)置相應(yīng)的工具選項，這使得工具的配置工程簡化。圖1-8以STM32為例。對于大部分處理器設(shè)備，m Vision 3會提示是否在目標(biāo)工程里加入CPU的相關(guān)啟動代碼，如圖1-9所示。啟動代碼是用來初始化目標(biāo)設(shè)備的配置，完成運行時系統(tǒng)的初始化工作，對于嵌入式開發(fā)時必不可少的。單擊“是”便可將啟動代碼加入工程，這使得系統(tǒng)的

11、啟動代碼編寫工作量大大減少。在設(shè)備數(shù)據(jù)庫中為工程選擇CPU后，Project Workspace的Books也內(nèi)就可以看到相應(yīng)設(shè)備的用戶數(shù)據(jù)手冊，以供設(shè)計者參考，如圖1-10所示。3 處理器啟動代碼通常情況下，ARM程序都需要初始化代碼用來配置所對應(yīng)的目標(biāo)硬件。如前所述，當(dāng)創(chuàng)建一個應(yīng)用程序時，m Vision 3會提示使用者自動加入相應(yīng)的啟動代碼。4 配置硬件選項m Vision 3可根據(jù)硬件的實際情況對工程進行配置。通過單擊目標(biāo)工具欄圖或者選擇菜單項Project-Options for Target，在彈出對話框的Target頁可指定目標(biāo)硬件和所選擇設(shè)備片內(nèi)組件的相關(guān)參數(shù)，例如外部晶振、片

12、上ROM/RAM、是否使用操作系統(tǒng)等，如圖1-11所示。5 創(chuàng)建源文件及文件組創(chuàng)建一個工程之后，就應(yīng)開始寫源程序。選擇菜單項File-New可創(chuàng)建新的源文件，m Vision 3 IDE將會打開一個空的編輯窗口用以輸入源程序。在輸入完源程序后，選擇File-Save As菜單項保存源程序。當(dāng)以“*.C”為擴展名保存源文件時，m Vision IDE將會根據(jù)語法以彩色高亮字體顯示源程序。創(chuàng)建完文件后便可在工程里加入此源文件，m Vision 提供了多種方法加入源文件到工程中。右擊Source Groun 1就會彈出如圖所示快捷菜單，單擊Add Files to Group打開一個標(biāo)準(zhǔn)文件對話框，

13、將以創(chuàng)建好的文件加入到工程中。6 編譯連接工程通常，在Project的Options for Target對話框中包含了創(chuàng)建一個新應(yīng)用程序所需的所有設(shè)置。接下來的工作室編譯連接工作，單擊工具欄中Build Target圖標(biāo)可編譯連接工程文件。7 調(diào)試程序在編譯連接完成后，就可以使用m Vision 3的調(diào)試器進行調(diào)試了。m Vision 3調(diào)試器提供了2種調(diào)試模式，可以在Options for Target 的Debug頁內(nèi)選擇操作模式，8 建立HEX 文件應(yīng)用程序在調(diào)試通過后，需要生產(chǎn)Intel HEX文件，用于下載到ROM編程器或仿真器中。9 下載HEX文件生成的HEX文件需要通過ROM編

14、程器或仿真器下載到目標(biāo)設(shè)備中，一完成嵌入式應(yīng)用開發(fā)的最后一步。附錄二 課程設(shè)計報告案例課 程 設(shè) 計 報 告課程名稱 綜合電子設(shè)計 題 目 指導(dǎo)教師 設(shè)計起止日期 系 別 專 業(yè) 學(xué)生姓名 班級/學(xué)號 成 績 _ _摘要本系統(tǒng)由CPLD，單片機控制模塊，鍵盤，LED，幅度控制模塊，低通濾波模塊組成，采用當(dāng)前主流DDS技術(shù)完成，能產(chǎn)生從1HZ-260KHZ正弦波，方波，三角波以及這三種同頻率波的線性組合，失真度限制在6%之內(nèi)。一、 功能介紹1. 具有產(chǎn)生正弦波、方波、三角波三種周期性波形的性能。2. 用鍵盤輸入編輯生成上述三種波形（同周期）的線性組合波形。3. 輸出波形頻率范圍為1Hz200kH

15、z（非正弦波頻率按10 次諧波計算；重復(fù)頻率可調(diào)，頻率步進間隔1Hz。4. 輸出波形幅度范圍05V（峰-峰值），可按步進為0.1V（峰-峰值）。5. 具有顯示輸出波形種類、重復(fù)頻率（周期）和幅度的功能。6. 增加穩(wěn)幅輸出功能，當(dāng)負載變化時，輸出電壓幅度變化不大于±3（負載變化范圍：100）。二、 方案論證與比較常見信號源的制作方法有 方案一：采用鎖相式頻率合成。將一個高穩(wěn)定度和高精確度的標(biāo)準(zhǔn)頻率經(jīng)過加減乘除的運算產(chǎn)生同樣穩(wěn)定度的大量離散頻率技術(shù)，它在一定程度上既要頻率穩(wěn)定精確，又要頻率在很大范圍內(nèi)可變的矛盾。但頻率受VCO可變頻率范圍的影響，高低頻率比不可能做的很高，而且只能產(chǎn)生方波

16、和正弦波。 方案二：采用模擬奮力元件或單片壓控函數(shù)發(fā)生器MAX0832，可產(chǎn)生正弦波，方波，三角波，通過調(diào)整外部元件可改變輸出頻率，但采用模擬器件由于元件分散性太大，即使使用單片函數(shù)發(fā)生器，參數(shù)也與外部元件有關(guān)，外接的電阻電容對參數(shù)影響很大，不能實現(xiàn)波形運算輸出等智能化的功能。 方案三：采用DDFS，即直接數(shù)字頻率合成技術(shù)，以Nyquist時域采樣原理為基礎(chǔ)，在時域中進行頻率合成，它可以快速轉(zhuǎn)換頻率，頻率，相位，幅度都可以實現(xiàn)程控，便于單片機控制，所以，本系統(tǒng)采用此方案。比較方案。三、 系統(tǒng)設(shè)計主要介紹總體設(shè)計方案，需要添加系統(tǒng)的方框圖圖1. 系統(tǒng)總體設(shè)計方框圖四、 單元電路設(shè)計介紹各單元模塊電路設(shè)計以及參數(shù)選擇的原理，需要添加各單元的電路圖。1. XXXXXX電路的設(shè)計2. XXXXXX電路的設(shè)計3. XXXXXX電路的設(shè)計五、 軟件設(shè)計軟件設(shè)計部分包括各部分電路的軟件設(shè)計，包含流程圖，狀態(tài)