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1、 接口实验报告题 目：基于 VC+与 C51 的虚拟示波器和16MHZ 频率计院 （系）： 电子工程与自动化学院 专 业： 仪器仪表工程 学生姓名： 学 号： 指导老师： 职 称： 教 授 2012 年 07 月 17 日基于 VC+与 C51 的虚拟示波器和 16MHZ 频率计1接口实验报告一. 实验任务（1） 重点设计 AD 转换电路完成实时电压数据采集、设计合理的测频电路实现高带宽高精度频率测量；（2） 设计下位机程序，重点设计定时器测频模块，触发方式处理模块、采样参数、频率修正值调整模块等等；（3） 用 VC+编写美观友好的上位机控制界面，包括触发控制、波形显示测量控制，采样参数和修正
2、值控制。要求实现鼠标滚轮逐点电压测量，波形水平垂直缩放、平移；要求用 VC 双缓冲技术绘图，掌握动态链接库的静态调用，学会用 Pcomm 进行串口通信。二. 实验目的及其意义(1) 熟悉市面上常用的 AD 芯片的性能和使用方法和基本的性能指标概念，包括采样速率、转换速率、分辨率、分辨力，精确度与 INL 的关系，进一步熟练使用 protel99se、掌握双层 PCB 板的布线和实物制作，学会选择合理的测频电路和软件测频方案来完成 10MHZ 级的高精度频率测量，对示波器的性能指标，特别是触发的概念有了更深的了解。(2) 进一步掌握用 C 语言编写模块化的嵌入式程序，学会用 C+和VC+的 MF
3、C 框架开发出实用美观的上位机界面，包括熟练各种控件的应用，用户自定义消息，DLL 的调用。双缓冲绘图技术等等。三. 试验内容及方案论证本接口实验的下位机的重点是用软件实现触发控制，串口数据发送接收鉴别，高精度宽频带频率测量的软硬件设计，不同的方案会有不同的性能指标和成本高低问题，因此必须根据实验要求来选择最佳方案。(1)波形整形电路方案论证要实现频率测量就必须把各种非矩形脉冲整形成矩形脉冲，要实现10MHZ级的波形整形，那么整形电路必须可以承受如此高的频率。本接口实验在设计的过程中先后尝试过三种电路方案。方案一：用555定时器搭建施密特触发器。555定时器是一种多用途的数字-模拟混合集成电路
4、，它在波形的产生、变换，测量控制得到广泛的应用，因此自然而言的想到用此方案，将555的VI1，VI2连接在一起作为输入端再加上辅助的电阻电容即可构成用于波形整形的施密特触发电路，该电路的优点是芯片便宜、电路简单而且回差电压可调。但是555的承受的频率带宽非常有限，通过实验测试。该电路整形大于250KHZ以上的各种波形，输出的方波严重畸变根本不能满足10MHZ的测频要求。方案二：采用集成施密特触发器74LS14。它的阈值电压是固定不可调的，VIT+=1.7V,VIT-=0.9V,Tplh,Tphl都是15ns 左右，所以性能远远优于555搭建的施密特触发器，但是因为测频要求达到10MHZ，经过用
5、示波器观察，大于 2MHZ的信号也不能良好整形。所以必须选择别的方案。方案三：一般的反相器的输入电压都是常规的5V，而且在很高的频率下仍然可以正常工作，想起本科的数电课本上学过用反相器搭建的施密特触发器，尝试着采用用两个反相器串联来搭建施密特触发器，给它输入16.7MHZ 的正弦基于 VC+与 C51 的虚拟示波器和 16MHZ 频率计2波让它整形，然后送到分频器最后送到单片机测频，程序测出来的频率确实达到了16.7MHZ，说明该整形电路达到了该实验的测频要求，综合三种方案对比，最终选择了方案三。(2)数据显示控制终端方案论证方案一：采用数码管或者液晶屏显示和硬件按钮的组合，该方案的优点是携带
6、方便，系统集成度高。但是成本比较高，对于单纯测频率还行，但是用该方案设计出可视化程度高而且非常友好美观的示波器人机界面，那是非常难实现的，首先从硬件上看，单片机驱动液晶显示屏需要很大功耗，而且液晶显示屏如果是单色的话，那效果变得很单调，而且需要用户编写最底层的GUI函数。以及高级的波形显示控制程序，这确实是个很大的挑战，而且因为液晶屏和单片机都是个低速的器件，对于波形的刷屏速度不够快，显示效果非常不理想。所以该方案行不通。方案二：借助强大的PC机，直接利用 window API函数，或者用强大的可视化的面向对象的应用程序开发环境，比如VC，VB，C#，以及工业控制虚拟平台元老Labview 来
7、编写示波器控制显示界面。这是研一上学期第一节课老师给我们布置接口实验作业所提出的基本要求之一，说明选择运行于PC机的上位机还是非常好的选择，而且虚拟仪器本身就是未来仪器的一个发展方向。利用VXI，GPIB，PXI，RS232 ，RS485 ，USB等总线传输技术将强大的 PC机与专业嵌入式测控系统搭建一个测试平台是未来的发展方向。比较上述两种方案，方案一显然不在考虑范围内。而方案二中到底考虑采用什么样的编程软件，经过考虑，鉴于本人的水平和对C+的兴趣爱好以及对VC+的强大功能的认可，该接口实验最终选择了传统的RS232传输技术和VC+来搭建一个小小的简易的测试平台基于 VC+的虚拟示波器和频率
8、计。之所以采用RS232总线是因为目前 RS-232是PC机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口，协议简单、实用方便，可靠性满足实验要求。而且STC89C52有全双工异步收发器UART,支持串口通信。之所以选择 VC+，是因为Visual C+6.0由Microsoft开发 , 它不仅是一个 C+ 编译器，而且是一个基于Windows操作系统的可视化集成开发环境。以其强大的功能，友好的界面，32位面向对象的程序设计及Active X的灵活性而受广大软件开发者的青睐，被广泛应用于各个领域。(3)虚拟示波器的触发功能方案论证触发是示波器中一个非常重要的概念，这是示波器的精华部分之一，每个工程师必须
9、掌握，该接口实验加入这个功能本身成为了突破往届学长做虚拟示波器的单纯功能采集什么、就显示什么而成为本接口实验的一大亮点。方案一：硬件触发电路，对于触发电路采用比较器电路来实现，用A D 转换之前的模拟信号与一个固定的电压进行比较，比较器的输出为一个与采样信号同频率的矩形波作为89C52开始读取数据触发信号。具体实现方法如下：采样信号接比较器的同向输入端，可变电阻的调整端接反向输入端，而可调电阻的另外两端分别接电源的正负极，这样就可以通过调节可变电阻调节触发电平。该方案因为采用硬件处理，所以响应速度快，但是电路复杂，电路参数也会引入响应的误差。因为采用比较低端的AD转换和单片机所以本设计并没有采
10、用此方案基于 VC+与 C51 的虚拟示波器和 16MHZ 频率计3方案二：软件触发，触发功能完全采用软件实现，而且简单易懂。也就是说对采集到缓冲区的电压数据中的触发点电压、触发点的下一个点的电压、以及触发电平进行比较来模拟不同的触发模式和触发方式，包括单次电平、边沿，连续电平、边沿触发。考虑到硬件电路的可靠性、精确性用普通器件来做，精度难以到达要求，所以采用了方案二的软件触发，该方案的优点是不用另外搭建硬件触发电路，而且可以同步编写上下位机协调的触发控制程序。四. 总体设计原理框图下位机硬件模块包括由 51 单片机最小系统，串口通信电路，AD 转换电路，测频电路组成。AD 转换器采用 AD0
11、809，测频电路包括计数器，门电路和波形整形电路。上位机界面包括图 4.1 总体硬件框图五. 硬件设计（1）测频电路设计测频电路由整形电路、闸门电路、分频电路组成。结构简单、实用性强。可以完成高频率波形的整形和测频。一 整形电路分析：整形电路可以将边沿变化很缓慢的非脉冲矩形波整形成边沿很陡的脉冲矩形波，从而实现波形的整形，如图 5.1 所示，将与非门 74HC00N 两个输入端连接起来构成反相器，然后将两级反相器串接起来，同时通过分压电阻将输出端的电压反馈到输入端，就构成了同向施密特触发器，两个反相器是 CMOS 电路，他们的阈值电压Vth=1/2Vdd.因两级反相器接成了正反馈电路，当 Si
12、gnal-in(信号输入端)51 单片机最小系统 T0 计数端 分频器 AD0809 RS232 串口通信模块上位机控制系统输入信号源波形整形电路电源 闸门电路基于 VC+与 C51 的虚拟示波器和 16MHZ 频率计4从 0V 逐渐上升到使 A 点电压等于 Vth,将会有一个正反馈的过程，使 B点（信号输出）的状态迅速转换为 Vb=Vdd.同样，Va 从高电平 Vdd 逐渐下降并使得 A 点电压 Va 刚好等于反相器的阈值电压 Vth.也会有一个正反馈的过程，使得 Vb 迅速转变为 0.上面两个过程中，输入端分别对应着两个阈值电压：正向阈值电压 Vth+,反向阈值电压 Vth-,他们的值是不
13、一样的。Vth+=（1+R1/R2）Vth，Vth-=（1-R1/R2）Vth.所以正反阈值电压可以通过滑动变阻器 R1 调节。必须注意的是。R1 必须小于 R2否则电路将会引起自锁状态，施密特触发器不能正常工作。这样，B 点出来的都是矩形波。二 闸门电路分析：闸门电路其实就是个与非门，单片机的 T2 定时器作为控制门开关的时基信号。GATE 端连接到单片机，当定时器开始定时的时候，让 GATE=1，也就是打开闸门，让 B 点信号能够进入到分频器的脉冲计数输入端。当 1S 定时时间到之后，单片机又让 GATE=0，然后统计脉冲个数，最后再让 GATE=1 重复刚才的步骤。三 分频器分析；分频器
14、其实就是个由两个 4 位二进制加法器芯片 74LS393构成的 8 位二进制加法器。将第一个四位加法器的最高位接到第二个四位加法器的最低位，然后将两个清零端 clear 接起来就构成了 8 位加法器。Clear 是控制信号，接到单片机的 P1.0，D0D7 作为数据口，接到 P2口。图 5.1 测频电路（2）电平转换电路及单片机串口通信接口的设计该电路是硬件电路的核心部分之一，用 RS232 电路可以完成程序的烧写、上下位机的通信。由于单片机采用的是 TTL 电平而 PC 机使用的是 RS-232 电平，他们的逻辑“0 ”，“1 ”的定义都完全不同，为了在两者之间建立联系，必须采用有关的电平转
15、换芯片，这样才能进行数据的传输，本设计采用市场上最常用的电平转换芯片MAX232, MAX232 芯片是美信公司专门为电脑的 RS-232 标准串口设计的接口电路,使用+5v 单电源供电。51 单片机有一个全双工的串行通讯口，所以单片机和电脑之间可以方便地进行串口通讯。进行串行通讯时要满足一定的条件，比如电脑的串口是 RS232 电平的，而单片机的串口是TTL 电平的，两者之间必须有一个电平转换电路，本次接口实验采用了专用芯片 MAX232 进行转换，本实验中采用了三线制连接串口，电路如图 5.1 所示，max232: RS232 接口电平转换芯片 电容值：104 105 均为去耦电容，用在电源和地之间，有三个方面的作用：一是作为本集成电路的蓄能电容；二是滤除RAA74HC00NRCA74HC00NR15KR25KGATESignal-in 1A1 1Clear21QA3 1QB41QC5 1QD6GND7 2QD 82QC92QB 102QA 112Clear122A 13VCC 1474LS393U174HC393Clear +5VGNDD0D1D2 D4D5D6D7T0-INTRBA74HC00ND3A B基于 VC+与 C51 的虚拟示波器和 16MHZ 频率计5该器件产生的高频噪声，切断其通过供电回路进行传播的通路；三是防止电源携带的噪声对电路构成干扰。TXD、R
