（测试计量技术及仪器专业论文）nh4602示波器校准仪控制电路的实现.pdf

电子科技大学硕士论文 摘要 本课题来源于横向课题，是为贵州南华仪器厂的n h 4 6 0 2 可程控示波器校 准仪升级数字控制部分电路以及相应的监控软件。 监控软件固化在r o m 中，r a m 作为数据暂存区，程控码输出选用，18 1 5 5 ， 其中a 口作为程控码和程控地址输出口，b 口作为偏麓测量鸽输入口，c 口作 为控制读回电路的输出，除此之夕 还自带2 5 6 字节r a m ，作为片外扩展硝。 键盘采用矩阵扫描方式，显示采用了南京国显生产的液晶显示屏，与计算机的 通信采用r s - 2 3 2 口。 控制电路由8 9 c 5 2 、8 1 5 5 、心圯3 2 口，以及相应的输入、输出口组成。它 的可以实现如下功能 与计算机硒心3 2 口通信，以便缆得用户发送的稷控命令可以发送到单片 机。然后可以对计算机传给单片机的程控命令进行语法分析，解释为格式化好 的校挂硝数据。把程控妈发送给模拟电路部分。液晶蛙示屏可以把用户输入的 橙拄命令和读回的偏差实对地显示在屏幕上。以耐子用户燃祭。用户还可以借 助键盘输入奉地功能控制命令，从f i f 实现 i 模拟电路的程控，并把模拟电路产 生的偏差溯量值传送回来，并把b c d 码形式的偏爰转换为a s c i i 妈的形式传 送给计算静i ，实现偏差读出功能。 谋题采用了新型的单片机，和m c 6 8 0 2 褶比较性能有了很大的提高，监控 软件采用了c - 5 1 语言编写，无论是易用性还是结构性都比m a s m 好的多。且 易于丹级。 关键词； 裎控示波器校准仪、单片机、串口通信、语法分析、( 2 - 5 1 语言。 n h 4 6 0 2 示淀嚣自动校准倥控制电路的宴现 a b s t r a c t t h ep m j 印ti st o u p s i d et h ed i g i t a l c i r c u i ta n dm o n i t o rs o f t w a r ef o rn h 4 6 0 2 ，t h e p r o g r a m m a b l e t i m em a d a m p l i t u d e s e tl e s tm o d e ld e v e l o p e db yo u rl a bs e v e r a ly e a r sa g o t h em o n i t o rs o f t w a r ew a sf i x e di nt h en w h i c hi su s e d d a t a t e m p o r a r y a r e aii i s op e r t a o f 8 1 5 5a sc o r d r a | c o d e o u t p o r t d e v i a t i o n p o r t b i n p u t o f d e v i a t i o n , p o r t ca s c o n t r o l o f i n p u t c i r c u i t , a n d8 1 5 5 h a sa d d i t i o n a l2 5 6 b y t e f a r oiu s em a t r i xs c a nk 8 y b o a r df o ru s e rt oi n p u tt h e i r o r d e r sa n dl c dt od i s p l a , 。a n dt h ec o m m u n i c a t i o n p o r ti sr s 一2 3 2 t h e c o n t r o lc i t e n i t c o n s i s t s o f m c u - 8 9 e 5 2 8 1 5 5 ，2 3 2 p o r ti t c m r e a l i z e t h e f i m c t i o n s a s f o l l o w e d c o m m t m i c a mw i t hp c ，s o 她t h e l l s e rc a ns e n dt h e i rc ( x l t r o li n s e r ta n dc 舭u s e p a r s e rt oa n a l y s i st h ei n s t r u c t i o ni n t o 出ef o r m a t t e d d a t a s a l l ds e n dc o n a - o lc o d vt oa n a l o g c i r c u i tt h el c dc a l ld i 印l a yt h ei m t n a e t i o mi n p u t t 。db yu 瓣枷d e v i a 蛐i n r 瑚d - t i m e ，a n d u s 盯a l s o 啪u s e 】( e y b o a r dt oi n p u tt h e i ro r d e r s t h ec o m m u n i c a t i o nc i r c u i t 伽1a l s os e n d d e v a t i o n st ot h ep ci na s c c o d e t h em c uia d o p t e di st h el a t e s tt y p e ，i t sb e t t e rt h a nm c 6 8 0 2 , a n dt h ec o m p i l el a n 罂臌g ei s c 一5 1 f f s b e t t e r t h a n m a s m , a n ds i m p l e t oa d d n e w f t m c t i o n sd n 龇b a s e o f g i v e n p r o g r a m k e y w o r d s ：p r o g r a m m a b l e t i m ea n d a m p l i t u d e s e tt e s t m o d e l ，m c u ，c o m m u n i c a t i o n so f s e r i a lc o m ，p a r s e r , c - 5 1l a n g u a g e 电子科技太学硕士论文 第一章前言 1 1 示波器校准仪的主要功能 在现代电子测量、仪器仪表等领域，示波器是电子信号测量的常用仪器 之一，其莲本原理是将被测信号通过变换和比较，再显示出来。最近几年， 由于电子技术的飞快进步，示波器的技术也得到了长足的发展，尤其在数 字存储示波器( 简称d s o ) 技术方面也有了极大的提高，但是由于电子信 号的速度越来越快。示波嚣本身的误差也会影晌到对被测信号的观察，因 此蔫要示波器校准技术也随着示波器一起发展。示波器校准工作可能是很 复杂，并且缀耗费时闯，要完成这样的任务通常需要大量技术熟练的操作 人员介入。而且今天的多通道示波器还常常意味着工作中需要大量的电缆 换接。甚至很多自动亿的系统也需要大量的人工干预才能完成那些简单的 技准工作程序。更为值得注意的是用米实现自动化的开关系统或多路切换 器常常会引入比被梭准仪器更大的误差和畸变。与这个问题相关联的是， 示波器技术舶迅速发展使得人们为了追赶示波器的性能发展趋势，需要定 期她进行大量的设备投资才能满足校准示波器的要求。本课题是来源于横 向课题，瑚4 6 0 2 示波嚣役检仪是我们实验室在前几年为国营南华仪器厂开 发的一个产品，但在电子技术突非猛进的今天，无论悬内部技术含量还是 外部的外型设计都已经显得有些过对，因此厂方委托我们实验室对这台仪 器进行重新设计，以跟上时代和市场的步伐。 ，2 示波器校准仪凡项技术的进展 1 2 1 完全的蛊动化 示波器校准的工作的自动化可能是很多校准实验室提高校准工作效率的最 迫切的要求。用手工的方法来进行示波器授准工作嚣簧许多技术熟练的技术人 员花费大量的时间进行许多重复性的工作。半自动或部分自动化的解决方案显 然触及到了这个问题，能够把技术人员解脱出来以进行更有价值的作。然而， n h 4 6 0 2 示渡器自动搜准位控制电路韵实现 实际上这些方案也有其自身的问题。 在近l o 年的时闯里面，示波器已经从2 通道的仪器演交为更为复杂的4 通 道的设备。 在校准这些仪器的时候，需要按照校准程序的要求，把校准信号从个通道 移向另外一个通道。为此可以实际地移动电缆，这需要操作人员的干预。对于 高性能的仪器来说，由于人工操作电缆和连接器，会弓l 入附加的测量不准确度。 另外一种方法是引入开关矩阵来切换信号，但是这会引起信号反射，接触不良 以及信号通路不一致等问题，因而大大地影响校准的不确定度。现在流行的方 法就是采用有源信号头。例如f l u k e 的9 5 0 0 b 示波器校准仪把校准示坡器所需 要的所有信号都在远离校准器主机的、可插拔的有源信号头中产生，无需任何 附加的电缆，就可以把有源信号头直接连接到示波器的输入端。各种波形的控 制和开关都是在主机的控制之下完成的，丽且这些波形的控制和开关都是在有 源信号头之内，通常在离示波器的输入端或者其放大器只有几毫米的距离之内 完成的。每台9 5 0 0 b 的主机可以控制5 个有源信号头，可以校准一台带外触发 输入4 遥道所需要的全部信号，不需要操作人员盼干预或其他外部的开关控制。 1 ，2 2 升级能力 近来示波器的技术和性能水平迅速发展，而且这种趋势一直在继续。几年前 人们汉为处在技术前沿的仪器，现在可能已经被划分别运用仪器的范围内了。 对于那些负责维护校准设旒，支持这些仪器设备的人们来说，具有挑战性的任 务就是如何跟上这种迅速发展的趋势。现在广为通用的种方案就是从有源信 号头技术升级的道路。 目前国外比较大的几家仪器生产厂商如w a v e t e k 、f l u k e 等都生产出了各项 指标涵盖范围都很大的示波器授准仪产品，例如f l u k e 生产的9 5 0 ( 0 校准仪可 达到电压从i m v - 2 0 0 v ，快沿输出可达3 p s ，时标可达到9 n s - - 5 5 s ，频率特性可 达到0 1 f l z - 6 0 0 l l 胜i z ，因此我们应该大力发展示波器校准技术，跟上示波器发 展的步伐，打破国外在商速示浚器校准方面的技术垄断，还能为我国电子仪器 与测试的发展开创新的技术领域。 2 电子科技大学丽士论文 1 3 该研究的实用价值 由于原来n 1 4 6 0 2 示波器校准仪的人机界面不够友好，而且原来与计算机的 通信是通过g p b 适配卡之间的通信完成的，因此成本较高，价格也就很高。但 我们研制的基于r s 一2 3 2 通信的资料传送程序就可以节省掉g p i b 卡，可以降低 成本，给价格以更大的下降空间，而且人机界面友好，采用美观大方的轻触式 按键和脉冲发生旋钮和液晶显示屏，比起原来的【。e d 屏和很多杂乱无章的按钮， 显得美观很多。 1 4 课题所要实现的最终目标 本课题的最终目标是要设计出一个采用单片机控制的可以发送数据到模拟 电路，而且可以和r s 一2 3 2 口通信，控制液晶显示屏，和扫描键盘，监控软件可 1 i _ 一 以完成上述电路的控制功能而且可以完成程控命令的语法解释，使用户在计算 机上输入的命令通过串口发送到电路上，再由软件做出相应的解释，来完成相 应的功能。 1 5 拟采取的技术线路及实施方案 本课题中电路板的设计采用荷兰飞利浦公司的8 9 c 5 2 单片机作为蹩个电路 的控制芯片。各种控制电路的芯片主要采用7 4 系列的t t l 电平集成电路，显示 部分用的是南京国显生产的l e d 液晶显示屏，单片机仿真软件是w a v e 科技出品 的，采用的内核是k e i l 5 1 。 整个方案的实施采用自主研究、自主设计、自主调试的方式。 n h 4 6 0 2 示波器自动校准仪控制电路的实现 第二章硬件电路 2 1 整个硬徉电路的架构 本控制系统是由微处理芯片8 9 c 5 8 、r s 2 3 2 接口以及相应的输入输出口所 组成。其电路结构如图2 1 。 l 时间程控偏差值电压程控 键盘液晶显 码锁存器锁存器码锁存器 示屏 i 上 。jl 程控玛与数据输a 输出口 ljl_l c b n d1 r 1，1r 1r 。 r s 2 3 2 串口l。l 单片机8 9 c 5 2 rr i 图2 1 硬件电路的按体示意图 硬件的设计主要分成五个部分，通信部分，键盘部分，液晶显示部分，和 数据输入部分，程控码输出部分。 通信部分分为输入和输出两个部分，输入是指用户把程控命令从计算机通 4 电子科技大学硕士论文 过串口传送至单片机，输出部分是指单片机把数据按照一定格式发送到计算机。 键盘部分是程控校准仪和用户的界面，用户通过菜单选项和相应的旋钮来 对仪器进行程控。 液晶显示屏实时的显示目前机器的状态，把用户的要求都照示出来。 监控程序固化在r o m 中，r a m 作为资料暂存区，功能码输出口采用8 1 5 5 ， 其中a 口作为发送功能码的输出口，b 口作为偏差测量码的输入口。键盘口采 用矩阵扫描的方式，显示口采用液晶显示屏，自带了驱动电路，动态显示方式， 与计算机通信的接口采用标准的r s 2 3 2 接口。 操作员借助输入本地功能控制命令，这些命令包括电压校准的v d i v ，倍 乘，输出方式，偏差调节，时阅校准的t d i v ，前沿脉冲的触发周期，另外还 有远，本地工作方式的选择。机器加电后，微机不断的扫描键盘，一旦操作员按 键，微机就能根据闭合键所在的行列位置识别键的编码，从而识别相应的功能 作用，从而改变功能选择码，实现操作员通过面板操作时对仪器的控制。 在程控操作的时候，计算机通过r s 2 3 2 串1 2 1 把用户的输入发送到电路板的 串口中，单片机通过中断的方式接受字符串，通过单片机对字符串的语法分析 和处理以后，就把功能码送到相应的码口，以实现程控操作。测量偏差值通过 单片机处理以后，将b c d 码转换为a s c i i 码，通过液晶显示出来。 2 2r s - 2 3 2 通信 在实际工作中，计算机的c p u 与外部设备之间常常进行资料交换；一台计 算机与其它计算机之间也往往要交换信息，所有这些交换信息均可称为数据通 信。数据通信的方式有两种，既并行数据通信和串行数据通信。为了方便简洁 起见，我们在这里采用了串行通信和异步传送数据的方式。r s 2 3 2 口的标准连 线有2 5 根，但我识这里采用了三线连接方式，只用到了t x d 、r x d 、g n u ， 即数据的发送线、数据的接收线和信号地。 2 2 1m a x 2 3 2 芯片简介 由于2 3 2 是早期( 1 9 6 9 年) 为促进公用电话网络进行数据通信而制定的标 准，其逻辑电平对地是对称的，与t t l 、m o s 电平竞全不同。逻辑电平规定的 是+ 5 - + 1 5 v 之间，因此2 3 2 驱动器与t t l 电平连接必须经过电平转换。 n h 4 6 0 2 示渡器自动校准仪控制电路的实现 m a x 2 3 2 是m a x i m 公司生产的、包含两路接收器和驱动器的i c 芯片，适 用于各种e | a - 2 3 2 和v 。2 8 v 。2 4 的通信接口。m a x 2 3 2 芯片内部有个电源 电压变换器，可以把输入的5 v 电源变换成为r s - 2 3 2 输出电平所需的1 0 l o v 电压。所以，采用此芯片接口的串行系统只需要单一的5 v 电源就可以了。对于 没有1 2 v 电压的场合，其适应性更强，加之其价格适中，硬件接口简单，所以 被广泛采用。 其引脚结构，电容如图标： m a x 2 3 2 图2 2m a x 2 3 2 芯片引脚图 图中上半部分电容c l ，c 2 ，c 3 ，c 4 ，及扩、r 是电源交换部分。在实际 应用中，器件对电源躁声很敏感，因此v c c 必须要对她加去耦电容c 5 ，其值为 0 1 u f 。电容c l ，c 2 ，c 3 ，c 4 取同样数值的钽电解电容1 0 1 6 v 用以提高抗干 扰能力，在连接时必须尽量靠近器件。 下半部分为发送和接收部分。实际应用中，t l 州和t 2 聃可以直接去接 i f l c m o s 电平的m c s 一5 单片机的串行发送埠d 回；r l o t r r 和r 2 0 t r r 可以直 接去接t t l c m o s 电平的m c s 5 l 单片机的串行接收端r x d ，t l o u t 和t 2 0 t r r 可直接接p c 的r s 2 3 2 串口的接收端r x d ；r 1 i 和r 2 1 n 可直接接p c 机的r s 2 3 2 串i ：1 的发送端t ) 。 襄2 1 推荐电容取值 6 电子科技大学硬士沧文 2 2 。2p c 帆和单片机帛行通信接日电路 圈2 3 单片枫通信电路示意圈 电路中应浚注意其发送和接收的引脚要对应。如使t l 玳接单片机的发送端 t x d ，则p c 机的r s - 2 3 2 的接收端r x d 一定要对应接t l o t r r 引脚。 同时，r l o t s r 接单片枫的r x d 弓i 脚，p c 机的r 睨3 2 的发送端d 对应 接刚叶引脚。 其中，j 8 是单片机和计算机通信的连接器，4 脚接计算机发送端，一脚接 计算机的接收端，2 、3 脚接计算机2 3 2 口的信号地。这样就可以和计算机进行 正常的通信了。 2 3 键盘设计 键盘和旋钮的布局是这样设计的。在液晶显示屏酌左侧设计的三个键盘， 分别对应于时间幅度选择、时滴倍乘、触发时间，右侧的则对应电压幅度选择、 7 n h 4 6 0 2 示波嚣自动技准仪控制电路酌实现 电压输出方式和电压倍乘。在液晶显示屏的下方设计了3 个旋钮，分别对应了相 应按键的调节左边的旋钮对应了时间菜单的功能，右边对应了电压菜单的功能， 中间的对应了时间和电压的偏差调节。 键的设计采用轻触式键艋，工作原理是把按键回读的一端接到高电平，然后 从p o 端口发出全零扫描码，一旦有键按下，就相当予高低电平与，就会把高电 平拉低，从而知道键被按下。但要如果想确切地知道是哪个键被按下，还需要 发送几次扫描码。具体次数由键的个数和排列方式而定。 旋钮的工作原理要在这里详细地介绍下。如电路图2 5 所示图中的每个 旋钮连接着一个d 触发器，还有与门，由于旋钮的机械结构，当旋钮往一个方 向旋转的时候，它的1 脚和2 脚会分别在不同的时刻与3 脚接触，因而会产生 个时问差，使得触发器的d 和c l k 为高电平的时间不同如图2 6 所示，以图 2 6 为例，当时钟有效的时候，d 触发器输入为0 ，因此q 输出为0 ，。为l ， 而没有与电阻直接相连接的与门工作在时钟和d 输入同为l 的情况( 这是由其 机械结构保证的) ，因此输出的始终为l ，这样在与电阻直接相连接的两个与门 中必然会分别输出0 和1 ，分别在两个三极管的基极产生高电平和低电平，产 生高电平的从而使三极管导通，拉低集极的电压从雨产生个脉冲，相当于按下 相应的键，产生低电平就相当于键没有动作，这样来就可以得到任何关于键 盘的事件。原理图如下：在左旋的时候，时钟在有效的上升沿得到的是“0 ”， 在右旋的时候时钟在有效上升沿得到的是电平“l ”，所以这样就可以正常工作 了。 电子科技犬学硕士论文 c l k 图2 4 旋钮的电路 厂 。厂 左旋转的时候 c l k 厂 d 厂 右旋转的时候 图2 分旋钮的d 触发器时序示意国 9 n h 4 6 0 2 示波器自动铰准仪控制电路的实现 键和旋钮的连接如图2 7 所示，其中上面四根线是接在7 4 2 7 3 上，作用是 作为单片机发送扫描码的输入，而下面四根线是接在7 4 2 4 4 上，并且被拉高， 作为读回键盘的状态用的。 2 4 液晶显示部分 图2 葛整个键盘部分的电路图 本仪器以前在显示部分采用的是七段码显示，显示的主要是数字、专用符号 和固定图形，因为是属于段式显示，l e d 灯指示显示内容无法多变随着大量电 子仪器、设备的多功能化、智能化并且普遍的采用人机交互方式，需要显示更 为丰富的信息和通用性较强的显示器，而点阵式l c d ( l i q u i d c r y s t a ld is p l a y ) 显示器能满足这些需求。同时采用大规模专用集成电路作为点阵l c d 控制驱动， 使用者仅仅需要直接送入数据和指令就可以实现所需的显示。这种由l c d 板、 p c b 板控制驱动电路组成的单元叫做点阵液晶显示模块( d o tm h t r i xl c d i o d u l e ) 在本设计中采用的液晶显示器是南京国显生产的产品，它采用了臼本 h i t a c h i 公司生产的h d 4 4 7 8 0 液晶显示驱动模块，它具有如下特性： 功耗低：l o 一15 r o w 皇兰型垫茎兰堕圭鎏茎一一 显示内容：1 9 2 种字符( 5 。7 点字型) 3 2 种字符( 5 1 0 点字型) 指令功能强：可组成各种输入、显示、移位方式以满足不同的要求 接口简单方便，可以与微处理器或微控制器直接相连 r a i l 功能：自带8 * 8 b i t 存储器 o 缓冲器是接口部以及控制部中的寄存器和存储器与计算机连接的结合 部。其作用在于将不同的两个时钟下工作的系统麓接起来，实现通信。指令寄 存器和译码器是计算机发来的指令代码转译成控制逻辑信号，实现对控制器的 设置。控制器与计算机的连接信号都在接口部中，它们是： d b 7 一d b o三态 r s寄存器选择信号 i r 读写选择信号 e 使能信号 表2 2 液晶显示屏的控制信号 lr s r w e d b 7 啪8 0 功能 o0 下降沿输入态写指令代码 0 l 上升沿输出态读b f 和a c 值 1o 下降沿输入态写数据 【1 l 上升沿输出态读数据 2 5 偏差回读部分 在这里回读部分的原理是由模拟电路接收到数字电路给它传送的程控码后产 生的实际偏差值通过锁存返回8 1 5 5 的b 口，然后再传回单片机的，和用户的要 求可能有一定误差，其中7 4 1 1 6 的控制端是由8 1 5 5 的c 口控制的，7 4 2 4 4 的控 制端是由7 4 1 5 4 来控制。电路图如下所示： n h 4 6 0 2 示渡器自动校准仪控制电路的实现 囤27 偏差读回电路示意图 在这里有必要介绍一下模拟电路里面的a d 转换器。它是个双积分的a i d 。它 采用了字位动态扫描b c d 码输出方式，即干、百、十、个位b c d 码轮流地输 出，同时在d s i d s 4 端出现同步字位选通信号。 d s i 选通时q 3 ，q 2 、q l 、q 0 表示的输出结果 表2 0p s i 选通时q 3 q l 表示的输出结果 d s lq 3 q 2 q 1q o输出结果状态 ll o 千位数为0 lo o 千位数为1 1l0 输出结果为正值 l oo 输出结果为负值 10 每 1 输入信号过量程 电子乖 技大学硕士论文 口二 二 二二卫! 竺二二 读取资料的时候，先要等上d s 为1 的时候才能开始读取，这是因为这样 才是完整的一个资料的开头，但要在接下来的时间连续读取三次才能确认，因 为资料需要一定时间才可以在总线上稳定，因为单片机的速度足够快，不会存 在当访第二次的时候资料已经产生变化了的时闯的闷题。下面是m c l 4 4 3 3 的 时序图 二。= 蛐燃鼬一期 j 叫卜盥蝴戤j 拙鼬剧乳一 e n 一一一门 叫1 8 个脉冲周期 n d s r 一 d 同壁鲨望塑 d s 2 厂 d s 3 d s 4 ( 最低位)图2 8m c m 4 3 3 选通脉冲时序 2 6 程控码发送的接口 2 6 1 程控码分配与发送的方案 当译码器的相应输出引脚被选通的话，其选通地址就会指向相应的地址锁 存嚣，同时程控码通过7 4 1 2 5 送入程控码锁存器，实现对模拟电路相应功能的程 n h 4 6 0 2 示波器自动技准仪控制电路的实现 控。 总共有4 8 位程控玛，其中对问幅度占了6 位，时间倍乘占了2 位，触发周 期占了3 位，时问电压偏差两位。电压5 位，输出方式3 位，电压倍乘3 位。 时问和电压的偏差输入码各占1 2 位。 如图2 9 所示，其中当时间地址被选中的时候a b c d e f 是选择时间的单 位，m n 是对应其倍乘，j k l 是触发阁期的控制码，偏差用t 、v 来表示。 如图2 】o 所示，当电压地址被选中的时候，a b c d e 是电压的量程开关，x y z 是输出方式的控制字，j k l 是倍乘控制字，x y z 是+ 地的译码驱动器。 连续l o 位的d e i 是用户要求测量的偏差码的l o 位编码加上选择时间还是电 压的两位编码，共1 2 位( 时间和电压各1 2 位) 。 f e d c b a m n l kj d e 9 一d e l ( 时间偏差调节程控码) 图2 9 对问部分译码器 e d c b a l kj z y xd e 9 d e l ( 电压偏差调节程控码) 图2 、l o 吨压部分译码器 表2 4 南华仪器厂所带仪器说明书盼程控码附表( 部分) 。 电子科技大学硕士论文 x 2 1 o lx 5 ol l x 1 0 oo ft d i vabcdef l 1 0 n slll1oo 2 0 n s l11l0l i 5 0 n s11jllo f 触发周期 jkl i 1 u sl1l f 1 0 u soo0 j1 0 0 u s010 i 1 m soll | 0 m sl00 l1 0 0 m sl 01 l1 sl lo ? v d i vabcde i 0 u s 00000 f2 0 u s o000 1 5 0 u s 0oo1 o 输出方式 xyz ll o 地 o 0o + l 】j 1 0 k h zol o 1 k h zoli 1 0 0 h zl0 0 1 0 h zlo 1 l 偏差 t v i o n l 1l l o f f 1 0o 倍乘 f j l k l x l j 0 0 0 x 2 1 0 0 l 【塑 i o i 1 1 0 1 5 n h 4 6 0 2 示渡器自动校准仪控制电路的实现 x 40l l 【x 6 10i x 8l1 o x i o1ll 2 6 2 程控码发送电路设计 单片机先把程控码发送到8 1 5 5 的a 口，然后从a 口送出8 位数据。7 4 1 5 4 的输入端接在8 1 5 5 的a 口高四位，7 4 1 2 5 输入端接在8 1 5 5 a 口的低四位，这 样当a 口送出数据的时候，高四位发送的是地址，低四位发送的是数据，实现 了同时把地址和数据送进相应的程控码锁存电路，这样就实现了对模拟测试电 路的程控。控制面板与模拟电路的接口采用的是8 1 5 5 芯片和7 4 l s l 2 5 芯片，还 有偏差读回电路采用的是7 4 11 6 和7 4 2 4 4 芯片。这里只有8 1 5 5 需要对之进行编 程，实现对相应资料的收发和对其他芯片的控制。 现将8 1 5 5 芯片介绍如下：8 1 5 5 的a 、8 、口可以工作在基本i o 方式或选 通方式，c 口可以作为输入输出线，也可以作为a 、b 口选遁方式时的状态控制 线。具体选择有写入命令寄存器的命令字决定。 表2 7 工作命令字 fd 7 d 60 5d 4 d 3d 2d 1d o t m 2 t m li e bi e ap c 2 p c ip bp a p a 、p b ；定义a 口b 口的输入输出。0 为输入，1 为输出。 p c i 、p c 2 定义口的工作方式。介绍如下： 表2 - 88 1 5 5 的口工作方式 p c 2 p c i 方式 oo a 、b 口为基本输入输出，c 口输入 一 1 6 皇至型堑查堂堡圭坠茎。一 la 、b 口为基本输入输出，e 口输出 l la 口为选通输入输出，b 口基本输入输出，c 口控制信号 o a 、b 口选通输入输出，c 口控制信号 8 1 5 5 在工作的时候读写线接单片机的读写，a l e 接单片机的a l e ，有个管 脚接高电平的时候就是命令字的地址，接低电平的时候就是存储器的地址，这 个管脚接在a 1 5 a 8 ，这样存储的地址为7 e 0 0 7 e f f ，总共2 5 6 b y t e ，属于片外 r a m 。而命令口地址分别为7 f 0 0 7 f 0 5 。由于8 1 5 5 的a 口输出，b 口输入，c 口 输出，所以根据上述表格，8 1 5 5 的口控制字应该为o x d 3 。 图2q i 程控码输出电路 2 7 外围i 0 接口访问设计与实现 数据通过7 4 l s 2 4 5 来把从单片机发出的数据传送到键盘、l c i ) 端，同时也 把从键盘扫描回来的数据送到单片机的p o 口，在上述各个部分功能的芯片中都 有使能端，有的是时钟端，这些端口的控制采用了口线控制的方法。 在单片机的系统中，单片机控制其它的器件有几个方式，其中最常用的就 是利用口线直接进行高低电平的操作，例如把器件的控制端直接接到p 1 、p 2 n h 4 6 0 2 示渡器自动校准仪控制电路的实现 口的某一根口线上，利_ f 口线发出的高低脉冲来控制芯片，另外的方法就是分 配给器件一个固定的地址，当对这个地址写入或读出的时候，地址配合单片机 的读写控制时序和地址使能管脚a l e 协同工作，就相当于选通了芯片，给之赋 与对应的地址。并对之进行相应的操作。 本设计中采用了第一种方法，之所以不采用第二种方法是因为一是本设计 的口线很丰富，有很多可以独立控制的口线，没有必要去接7 4 3 7 3 地址锁存器， 浪费器件。 表29 各个芯片所分配的口线以及有效情况 p 1 3p 1 4p i 5p 16p i 7p 2 1p 2 5 7 4 2 4 5 液晶有液晶数据2 4 4 ( 键盘2 7 3 ( 键盘2 4 5 总线液晶写有 使能效 指令有发送) 有回读) 有数据流方效 效效效向控制 低有效高有效低电平数低有效低有效低是由左低有效 据到右 高电平指高是由右 令到左 2 8 电源电路的抗干扰设计 抗干扰设计无论是对模拟电路还是数字电路来说都是非常重要的，一个电 路设计的完善，工作的好坏与抗干扰设计是息息相关的，在设计中只考虑原理 的正确而忽略了线路本身的抗干扰能力，就会出现无法达到理想的要求，甚至 不能正常工作。产生这些现象的很重要的原因之就是受到干扰噪声的影响。 一般说来电路中的噪声基本可以分为以下几种： 电源的配线和接地线也有电阻和电感而出现公共阻抗。 电路的能量来源于电源，电源给电路提供能量韵同时，噪声也通过电源进 入电路，因而，电路受到干扰。由于电路分为模拟和数字电路，在模拟电路中 往往含有放大电路，当电源的干扰串入放大器的前放大器，使得前置放大器的 输出受到于扰，其输出又经后置放大器放大，这样干扰信号将累积。 电源干扰还有电源本身带来的于扰，例如电源电路产生的纹波，自击振荡， 开关电源所产生的尖峰脉冲噪声等，都对电子电路造成严重的干扰。 电子科技大学硕士论文 抑制电源电路的干扰是十分必要的，同时通过在源头采取有效的措施，将 取得十分明显的效果。对于实际电路，在其工作时，器件工作状态不同，对电 源供电要求也不同，当状态发生瞬间变化时，器件所需的电流也发生急剧的变 化，而供电电路总存在导线与电缆，就会产生分布电感并带入电路，影响电路 的工作参数。为了保证屯源对快速、瞬态电路的供电，电源的输入端加入去耦 电容，瞬态电流可以来自与去耦电容，而不必由电源在瞬间提供。这样可以避 免个器件工作在开关状态造成的的电流变化对电源产生较大的干扰，从而使 得其它器件的工作电流受到影响。 本次设计中，系统中的控制电路工作在数字状态，因而电源瞬间电流变化 很大，这些要求电源去耦。 电路中系统电源采用了集成的线性电源，具有噪声低、纹波系数小，稳定 性高，线性度好等特点，有效地减少了电源本身的干扰。在电源的供电输入端 加了去耦电容。同时对大而缓慢变化的信号增加了大容的钽电容。 n h 4 6 0 2 示渡器自动校准仪拄制电路的实现 3 1 监控软件的框图 第三章监控软件设计 国3 i 监控程序流程图 电子科技大学硕士论文 初始化部分包括对单片机各个寄存器、液晶显示屏、串口、8 1 5 5 的初始化， 通信中断的作用是把p c 传的程控命令接收到字符串中。键盘处理函数是响应 用户的要求，并把要求组合为符台程控命令格式的字符串。命令解释函数是分 析程控命令，并把之分解为相应的程控码。读回偏差函数读回实际的偏差并且 向显示屏上写入实际偏差值，显示函数是显示实时的状态，和主控机通信的函 数是把格式化好的数据发送给计算机，让另外的软件来使用这个数据。 3 2 软件开发工具 监控软件采用8 0 c 5 1 ，8 0 c 5 1 是一种源于编写u n i x 操作系统的语言，它 是一种结构化的语言，产生紧凑代码。c 可以进行许多机器级函数控制，与汇 编相比，有如下优点： 对单片机的指令系统不要求，仅要求对8 0 5 1 的存储器结构有初步豹了鳃； 寄存器分配，不同寄存器的寻址及数据类型等细节可由编译器管理； 程序由规范的结构，可分为不同的函数，这种方式可使程序结构化： 县有将可变的选择与特殊操作组合在一起的能力，改善了程序的可读性： 关键字及运算函数可用近似人的思维过程方式使用 编程及程序调试时间显著缩短，从而提高效率； 提供的库包含许多标准子程序，具有较强的数据处理能力；已 编好程序可容易地植入新程序，因为它具有方便地模块化编程技术 c 语言作为一种非常方便的语言而得到广泛地支持，c 语言程序本身不依 赖于机器硬件系统，基本不作修改就可以根据单片机的不同较快移植过来。c 5 1 中函数分为两大类，一类是库函数，一类是用户定义函数。库函数是( 2 5 1 在摩 文件中已定义的函数，其函数说明在相关的头文件中。这类函数，用户在编程 时只要用i n c l u d e 预处理指令将头文件包含在用户文件中，直接调用即可。用户 函数是用户自己定义、自己调用的一类函数。从某种意义上来看，c 编程实际 上是系列用户函数的定义。 c 5 1 程序开发过程图示为图3 2 n h 4 6 0 2 示波嚣自动经准仪控制电路的实现 图3 2c 5 1 程序开发过程 3 3 程控命令的设计 在原来的设计中，用户可以通过键盘和旋钮实现本媲操作，另外一种操作 方式就是利用计算机的g p i b 卡给仪器发送程控命令，而命令的设计是按照一 定的规则，e 酣萤照模拟电路部分的命令码锁存口线的顺序来设计的，然后程控 命令通过接口管理程序来解释成2 进制的形式，并向褶应的模拟电路部分的命 令码锁存口发送，从而实现其程控的功能。其缺点是用户在输入其要求的时候 必须去查厂方给定的手册，来确定输入的内容，这样不够方便、人性化和直观。 在新的设计里面采用r s 2 3 2 口进行资料的通信，省掉了g p i b 卡，节省了成本。 并对用户输入的格式按照i e e f a 8 8 。2 的规范进行了重新设计，使用户更为壹 观的输入自己想要的资料。 原来通信软件设计的具体思路是把用户输入豹字符串进行解释，它涵盖了示 波器校检仪所有指标的检定，它包括了时问幅度与时问倍乘，电压幅度与电压 倍乘以及电压输出方式，偏差( 分别对对问和电压的偏差) 。然后厢代码把他们 按照实现设计的语法解析为内码的规则分解成9 拜特按照一定的顺序排列的 a s c i i 码，m s c 睁叫s d 8 ，然后在对每个字节进行再次编码，把它们分解成 电子科技大学硕士论文 向模拟电路的命令锁存码口发送豹二迸制数。这样用户输入的命令字符经过程 序的处理便实现了其程控的功能。下面来进行具体的讲解。 本设、才中，程控命令设计采用了类似h 三e e 4 8 8 2 标准捏控消息编码句法的风 格，在i e e t i 4 8 8 2 中程控消息是控制器传送给器件的消息，器件是g p i b 总线 的昕者。规定程控消息的格式实际就是定义“器件昕编码格式”。程按消息的合 法功能元素有( 命令消息单元分界符) 、( 询问消息单元) 、( 程控消息单元分界 符) 和( 程控消息结束符) 等。在本仪器程控命令的设计中也是这样设计的。 我采用分号作为一个程控命令与另外一个程控命令( 程控消息单元) 的分隔符 号号( 程控消息分界符) ，在每个程控命令内部采用冒号分离开来，还有要附加 上所程控资料的单位。以电压为例，基本格式为v o l t ：数值单位；时间就是t i m e ： 数字单位。 现在就将所有的格式列出如下； 电压与倍乘：v o l t ：数值单位，倍乘； 时间与倍乘：t i m e ：数值单位倍乘： 电压输出方式与电压r l ：o u t m o d e ：方式，撕： 偏差调节与调节时压选择：d e v ：数值。价； 触发周期与时间r 几：砸陷e r ：数值时间，i 把 下面给出个完整的范例： 例如用户需要电压是l v ，电压倍乘是5 ，时间是i s ，倍乘是2 ，电压输出方 式为l ，偏差调节选的是时间偏差，触发周期与时间r 几是1 u s 并且是远控的话， 那么用户就可以直接在计算机上输入v o l t ：1 v * 5 , o u t m o d e ：l t i 黜：l s 2 ，d 吖= t r , t r i 黯e r ：1 吣r ，这样就可以完全直接执行用户的命令了。不用再象以前那么烦琐 的去查厂方给定的用户手册，来查字母了。比原来方便而且直观很多。的确做 到了人性化的工作方式。 3 4 程控命令的解释程序 语法分析采用的函数大多是c 5 1 中自带的字符串操作函数，下面先讲一下我 的程序设计思路，再把部分代码列出。 用户在计算机屏幕上输入了他所要求的程控命令，通过中断来使这些程控指 令传到单片机的s b u f 中，然后把s b u f 中的指令转移到数组里面并转换为字 n h 4 6 0 2 示波器自动校准仪控制电路的篓；现 符串，然后调用函数对字符串进行分析，得到7 格式化好发送到模拟部分的地 址和数据。 在程序中采用了查表的方法来进行对程控命令的解析，但是在编码方面是采 用了1 6 进铡数据和地址掘编的数据结构，针对了重新设计的硬件电路，是和以 前的方案截然不同。 下面举个例子来说明是怎么样实行数据和地址混编的。 例如需要时间是1 0 n s ，时间倍乘是x 2 ，从表2 - 6 中可以查出，这条命令的 程控码a b c d e f m n 分别是1 1 1 1 0 0 】l ，但从模拟电路和数字电路的接口图中可 以知道时间程控和倍乘程控的地址分别是地址译码器y o 和y l 译出来的，因此 可以根据上述原因把数据设计如下0 0 0 0 0 0 1 1 和0 0 0 1 1 1 1 ，这样在单片机在通过 9 1 5 5 向7 4 1 5 4 和7 4 1 2 5 写入数据豹时候，高四位送到7 4 1 5 4 中作为译码使用， 而同时低四位的数据就被打入模拟电路的程控命令锬存器，实现其程控功能。 因为在时间和电压部分需要8 位程控码，输出方式和触发方式上需要4 位程 控码，偏差部分需要1 2 位程控码，所以为了数据格式的统，我统一设计了数 据结构，以偏差的程控羁字长为准，给对问、电压、输出方式等分配个无效 的地址，那么无论你给这个地址什么数据，对模拟电路的程拄也没有任何影响， 这样就统了数据结构，这样对向模拟电路发送电路的函数蚓蛐( ) 就比 较方便编写。而数据结构的前两项分舜是对应予输入命令的某项程控命令的参 数。下面对本】i 鑫控代码的重点都分语法分析做详细的解释。 我在程序中定义了分割符号，和命令分割符号分别作为程控命令内部和程 控命令之间的分割，是为了在取得字符串中参数用韵 下面从( p a 瑚r h ) 开始以代码来具体解释我的思路。 # i f n d o fd a t a f o r m a t _ h # d e f i n e d a t a f o r m a t _ h 上述的语旬是为了防止重复定义和没有定义，如果发生了上述情况，编译 系统就会出错。 蝴n c s e p i a r 捌! d r”：， 因为每条命令内部的分割符号是冒号，因此在这里定义了用于内部的分隔 标恚。例如v o l t ：l v 岭；用来分题头和数值还有倍乘的。 # d e f i n ec o m n 陡n d s e 】硝r 魁r 0 r”：” 电子科技大学硕士论文 输入的各个参数之间的分割符。例如分割v o l t 与t i m e ，d e v 等不同的程控命令 的标识。 在代码中还定义了下面两个结构，s t r u t t a b l e l t e m 和s t r u c t s t l n d e x o l t a b l e i t e m 。s t r u c t _ t a b l e l t e m 包含了成员变量，主参数和副参数，还有结 构化输出的5 项结构，用来把数据结构化到指定的结构中，以便于其他部分的 程序来取数据。，s t r u c ts t _ i n d e x o t t a b l e l t e m 结构定义了主索引参数表名， t o t a l p a r a m n u m 是总共参数的数目也就是相应表中含有多少项内容还有个指针 指向参数表的对应名字， t y p e d e f s t r u e t s tt a b l e l t e m c h a rp r i m e p a r a m 8 】主参数 c h a rs l a v e p