电子信息科学与技术 考试封皮

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1、黑龙江大学期末考试封面黑龙江大学课 程 名 称： 智能卡技术 任 课 教 师： 庄培栋 开课学年/开课学期： 2010-2011 学年第 2 学期 学 时 / 学 分： 30 学时 2.5 学分 所 在 教 学 学 院： 电子工程学院 专 业 名 称： 电子信息科学与技术 姓 名 /学 号： 论文题目： 教师评语：任课教师签字（章）：报告成绩（占 70%）平时成绩与实验 （占 30%）总成绩1数据采集显示硬件设计数据采集显示硬件设计摘 要：本文介绍了以 ATmega16 单片机为控制系统的单路数据采集显示制作。信号源可 以是语音也可以是外源信号（如方波，三角波等），利用单刀双掷开关可实现信号源

2、切换。该 系统有三部分：数据采集、数据处理和显示。数据采集包括信号接收电路和信号调理电路，数 据处理包括数据处理 A/D 转换器以及 ATmega16 单片机最小系统，显示电路主要是 LCD 显 示电路。由于 ATmega16 单片机的内部集成了较大容量的存储器和丰富的硬件接口，因此不 需使用外扩存储器，并且 ATmega16 自身带有 A/D 转换功能，不需再使用其他的 A/D 转换 电路，简化了电路。该系统能达到以往电路中要求高精度、低零漂的问题，达到预期效果，具 有很高的研究意义与实用价值。 关键词：数据采集；A/D 转换；ATmega16；LCD第一章 绪 论1.1 数据采集的研究背景

3、时下,随着电子产品的不断研发,现有的电子检测设备已不能满足硬件设计师对检测效 果及成本的需求。典型的问题就是检测系统输出的信号：它的波形怎样,是否失真,是否达 到了我们想要的结果。单路数据采集显示是为了采集音频信号。它可以将较低频率的小信 号经过放大及反混叠滤波通过 A/D 转换器变成数字信号,最后通过 LCD 显示其波形。1.2 本课题的主要研究内容单路数据采集显示硬件设计(基于 AVR 单片机的信号采集系统)分以下几个部分:信号采 集电路、输入前置放大、反混叠滤波器、A/D 转换器、MCU 主控制单元、显示单元。系统 的框架如图 1-1 所示。中 中 中 中 中中 中 中 中 中 中中 中

4、 A/D 中 中 中MCU 中 中 中 中 中LCD 中 中 中 中中 中 中 中 中中 中 中 中 中图 1-1 单路数据采集显示系统框架 MCU 中央控制单元采用的主控芯片是 ATmega16，负责对 A/D 转换器的输入值进行保 存，并显示在 LCD 上。 由于输入对象为小信号，幅值为几十至几百 mV 数量级，对于一般的滤波器或者 A/D 转换器，这样的输入电压都无法正常工作。因此加入了前置放大器1。 经过放大后的信号应进行模数转换，但是为保证采集到的数字信号不失真，则必须使 经过 ATmega16 内部 A/D 转换器的信号频率与 A/D 采样频率保证满足奈奎斯特采样定律， 否则会产生

5、混叠失真。而输入信号或经过放大器放大后输出后的信号都可能会带有高频成 分，为了避免混叠失真的发生，必须在 A/D 转换器前加入一个低通滤波器1。 此时信号可进行 A/D 转换。对于 A/D 转换器，有两个指标需要考虑：采样分辨率与采 样频率。本设计采用的是 ATmega16 内部的 10 位的 AD 转换器，采样频率最高可达 500KHz2。2LCD 采用 128*64 点阵图形显示屏。可以显示字符，中文文字，以及点阵图像。3第第二章章 硬件设计硬件设计2.1 硬件设计原理单路数据采集显示系统主要分为三部分：数据采集、数据处理和显示。 数据采集的主要功能是：将语音信号或外围信号转换成模拟的电信

6、号；数据处理功能 是滤除干扰信号和 10KHZ 以上的信号，并将模拟信号转换成数字信号送入单片机；显示电 路是通过单片机的控制将所采信号的波形图显示在 LCD 屏上，给人直观的感受。2.2 功能电路介绍2.2.1 主控电路系统主要采用ATmega16单片机为主控制芯片，ATmega16是基于增强的AVR RISC结构的 低功耗8位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega16 的数据吞吐率高达1 MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾3。 主控电路如图 2-1 所示。22pFC422pFC512Y1 XTALGND10KR110uFC3V

7、CCD0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7LCS1 LCS2 LRS LRW LEJMOSIJRSTJSCKJMISO12P5Header 2VCCGNDS6 SW-PBBL LRESVADCPB0 (XCK/T0)40 PB1 (T1)41 PB2 (AIN0/INT2)42 PB3 (AIN1/OC0)43 PB4 (SS)44 PB5 (MOSI)1 PB6 (MISO)2 PB7 (SCK)3RESET4PD0 (RXD)9 PD1 (TXD)10 PD2 (INT0)11 PD3 (INT1)12 PD4 (OC1B)13 PD5 (OC1A)14 PD6 (ICP)15 P

8、D7 (OC2)16XTAL27 XTAL18GND6PC0 (SCL)19 PC1 (SDA)20 PC2 (TCK)21 PC3 (TMS)22 PC4 (TDO)23 PC5 (TDI)24 PC6 (TOSC1)25 PC7 (TOSC2)26AREF29AVCC27GND28PA7 (ADC7)30PA6 (ADC6)31PA5 (ADC5)32PA4 (ADC4)33PA3 (ADC3)34PA2 (ADC2)35PA1 (ADC1)36PA0 (ADC0)37VCC5 VCC17GND18VCC38GND39U3ATmega16-16AIVCCGND0.1uFC1 10uFC21

9、0mHL1Inductor10uFC710uFC80.1uFC60.1uFC9GND图 2-1 ATmega16 控制电路 本设计使用单片机内部的AD转换器，模数电源和数字电源必须通过一个LC滤波器连接， 以避免数字电路对模拟电路的影响。 复位电路是外部复位电路，当复位引脚低电平持续时间大于最小脉冲宽度时即触发复 位过程，即使此时并没有时钟信号在运行。当外加信号达到复位门限电压VRST(上升沿)时， tTOUT 延时周期开始。延时结束后MCU即启动。复位时序图如图2-2所示。图2-2 复位时序图 ATmega16的片内含有4种频率（1/2/4/8M）的RC振荡源，可直接作为系统的工作时钟使4用

10、。同时片内还设有一个由反向放大器所构成的OSC（Oscillator）振荡电路，外围引脚 XTAL1和XTAL2分别为OSC振荡电路的输入端和输出端，用于外接石英晶体等，构成高精度的 或其它标称频率的系统时钟系统5。2.2.2 信号采集电路输入信号为声音信号，需将声音振动转换为电信号。驻极体话筒具有体积小、结构简 单、电声性能好、价格低的特点，广泛用于盒式录音机、无线话筒及声控等电路中。本系 统采用驻极体话筒进行声音信号采集，电路如图 2-3 所示6。 滤波器所使用的放大芯片是 LM102。LM102 系列是一款高增益集成运算放大器，采用先 进的技术制造合成，能够获得很高的输入阻抗。因此它能在

11、稳定温度的条件下工作，获得 非常低的输入电流。输入电压漂移极小9。 本文使用的是二阶有源低通滤波器，这个滤波器就称为反混叠滤波器。须满足要求： 1、其输出衰减不能大于允许值，2、其上限频率不得小于目标信号的最大频率，也不得大 于采样频率的 1/2。在实际操作中，取其不得大于采样频率的 1/5。3、该滤波器选型时应 注意满足输出信号主瓣平坦，旁瓣衰减迅速的特性10。抗混叠滤波器电路如图 2-5 所示。VOUT12PAF Header 2BLE1 NC2 INPUT3 V-4BOOST5OUT6V+7BLE8U7LM10210KR624KR524KR4940pFC14470pFC15GNDVCC1

12、2PLPF Header 2图 2-5 滤波电路2.2.3 电压匹配电路ATmega16 内含一个 10 位 8 通道的逐次逼近型 ADC。它包括一个采用保持电路，以确保 输入电压在 ADC 转换过程中保持恒定11。 由于由滤波器输出的信号电压有正也有负，而 Atmega16 内部的 AD 转换器设置为只能 转换 0-2.56V 范围之内的电压，所以需要一个转换电路对其转换。图 2-6 中的 VADC 连到单 片机的 PA0 口12。VOUT1 2 3PADCHeader 3RPADCVCC GNDQ3 2N3904GNDVCC1KR15RP3RP4RP5 VADC图 2-6 AD 转换电路的

13、前端转换电路5第三章 应用设计3.1 简介ATMEL公司为开发使用AVR单片机提供了一套免费的集成开发平台：AVR Studio。此外 还有许多第三方公司为其提供C环境下的程序编译器。本设计采用Code Vision AVR进行程 序设计与编译。该软件平台支持AVR单片机的C程序的编辑、编译、连接以及生成目标代码 14。3.2 程序流程主程序流程图如图 3-1 所示。图 3-1 主程序流程图 MCU 初始化模块主要作用是完成对 ATmega16 的工作模式设置以及为各状态寄存器赋初 值，为辅助寄存器设置初值以当作数据指针或者计数器使用，对芯片的端口进行配置，如 状态寄存器 SREG,通用寄存器

14、 Rn 等，还要对内部定时器做初始化设置以满足计数器在大于 127 时溢出即到达采样间隔 8s。将 LCD 初始化，如对行地址寄存器、列地址寄存器、状态 寄存器赋初值，并对其进行测试，可以先编程写入几个字模，如“数据采集”四个字，看 其是否可以正常工作。LCD 正常则开启定时器，定时器开始计数。当缓冲计时器值大于 127 时溢出，关闭定时器，若小于 127 则继续从 ADC 输出端口中取值，定时器加一。将从 ADC 输出端口中取到的数据送入数据缓冲区。由于 ATmega16 内的 AD 转换器是 10 位的，可表达 1024 个电压数值，而 MS12864J 是 128*64 点阵，一列只能显

15、示 64 个点，故需要编程将 1024 个值压缩成 64 个。转换之后送入显示器将其显示出来15。 第四章 测试前置放大电路的增益有 20dB、50dB、200dB 三个档，图 2-4 中不连接短路子则增益是 20dB，如连接短路子中的 1、3 引脚增益是 200dB，短路子中如连接 1、2 引脚则增益是 50dB16。由于 ATmega16 内部 AD 转换器的输入信号范围是 0-2.56V，而放大器的增益有三 个档，最小值是 20dB 增益，所以调节 RP6 使得数据采集电路输出的信号在 100mV 左右17。结 论本设计实现了对语音信号的采集，并经过处理将其波形在显示屏上显示出来。但由于 时间的限制和本人水平有限，使得设计只能做到现有的成果，波形并不完美，可能有些失 真，基本达到了预期的要求。参考文献： 1 孙立.音频信号采集与分析系统J.吉林：吉林大学.2005：111-1422 韩世平.数字音频信号的采集及处理J.音响技术.2007：99-1203 李宏.AVR 单片机入门与实践 M.北京：北京航空航天大学出版社2008：23-404 Sungsoo Choi.Desig