接口实验报告基于VC++与C51的虚拟示波器和16MHZ频率计

1、基于vc+与c51的虚拟示波器和16mhz频率计 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16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，采样参数和修正值控制。要求实现鼠标滚轮

2、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mfc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

3、，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，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

4、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

5、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

6、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

7、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

8、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

9、触发电路采用比较器电路来实现，用ad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用此方案方案二：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

10、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ad0809，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 闸门电路图4.1 总体硬件框图五. 硬

11、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signal-in(信号输入端)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

12、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

13、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

14、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max2

15、32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、rxd端接的是单片机的txd、rxd.图5.2 单片机串口通信电路（3）数据采集电路设计本接口实验采用adc0809，adc0809是8位逐次逼近型a/d转换器。它由一个8路模拟开关、一个地址锁存译码器、一个a/d转换器和一个三态输出锁存器组成（见图1）。多路开关可选通8个模拟

16、通道，允许8路模拟量分时输入，共用a/d转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存a/d转换完的数字量，当oe端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。 in0in7：8条模拟量输入通道adc0809对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是05v；地址输入和控制线：4条，ale为地址锁存允许输入线，高电平有效。当ale线为高电平时，地址锁存与译码器将a， b，c三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。a，b和c为地址输入线，用于选通in0in7上的一路模拟量输入。当a,b,c都为0时候选择第一通道in0，,数字量输出及控制线：11条st为转换启动信号。

17、当st上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行a/d转换；在转换期间，st应保持低电平。eoc为转换结束信号。当eoc为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行a/d转换。oe为输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。oe1，输出转换得到的数据；oe0，输出数据线呈高阻状态。d7d0为数字量输出线。clk为时钟输入信号线。因adc0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由stc89c52来提供， vref（），vref（）为参考电压输入。需要注意的是，ad0809需要一个脉冲信号，看了网上很多资料几乎都千篇一律，都是另外加个脉冲产生电路来给ad0809产生

18、转换脉冲，手册上虽然建议采用640khz的脉冲，但是经过试验测试，其实大于1mhz的脉冲，ad0809不但可以继续正常工作，而且转换速率比640khz的脉冲高很多，这对用ad0809来做示波器的电压前端采集器件来说无疑是个极大的优点。所以本接口实验并没有另外设计脉冲产生电路，而是将ad0809的脉冲直接接在单片机的ale端，ale端的脉冲为晶振频率的6分之一.图5.3 单片机数据采集电路六软件设计（1）下位机软件设计下位机要完成三大功能，一是要采集数据，包括电压数据和频率数据；二是要将数据发送给上位机,三是要接受上位机的各种命令并响应去执行响应的程序。程序流程图如图6.1所示。触发和测频是本接

19、口实验设计的重点，所以报告中加以分析。实验中采用用不同的标志变量的组合来进入不同的触发模式处理程序，而标志变量和触发电平可以通过上位机控制来改变。触发有单次上升沿下降沿触发，连续上升沿下降沿触发，编程原理大概是这样：首先接受上位机发送下了的命令进入相应的触发模式，然后连续的将电压采集到缓冲区，再比较缓冲区第一个电压数值与规定的触发电平的大小以及与缓冲区第二个电压值的大小，从而执行触发程序。以连续上升沿触发来举例。只要捕获到满足缓冲区第一个数据跟触发电平相同，而且缓冲区的第二个数据比第一个数据大的波形就立刻执行连续上升沿触发程序，连续上升沿触发的触发条件跟单次上升沿触发的一样，但不同的是，这种模

20、式下可以连续的触发，ad不会中断电压的采集，就是说，只要捕获到新的满足条件的波形，那么上位机即可更新波形，否则一直保持显示上一次满足条件的波形。程序进行相关的初始化之后开始进入while循环，先执行trig_set();函数进行参数扫描和更改，(rec_buf0、rec_buf1为从上位机接收到的数据，两者不同的数值组合代表上位机不同的命令。部分代码如下：void trig_set() .（因篇幅有限该符号代表省略其他代码，以下同样） if(rec_buf0=1)/连续上升沿触发模式 /rec_time=1; auto=0; nor=1;vol_levol=0;up_edge=1;tri_le

21、vel=rec_buf1; .if(nor=1&auto=0)/连续触发进入标志 for(i=0;ivol_buf0)/上升沿触发条件 tr2=0;for(i=0;i=8000000&fre=10000000)verify=0.998892; if(fre8000000)verify=0.998880; fre_cor=(unsigned long int)(fre/verify);num_process();fre_show();tmod = 0x25;/ t0用于16位计数，t1用于波特率发生器定时(8位自动重载） tclk=0; / t2用于内部定时功能 rclk=0; c_t2=0;

22、th0 = 0x00; /清空计数器t0tl0 = 0x00; rcap2h=0x1f; /给定时器赋初值8000 rcap2l=0x40;low_byte=0; clr=1; /p2变为0，清空分频器的数据输出端。clr=0; /无效 et0=1;/允许t0计数溢出中断 et2=1;/允许t2定时器中断 ea=1; /打开总中断 gate=0; gate=1;/开门 tr0=1;/启动t0开始计数 tr2=1;/启动t2定时器 th0 = 0x00; /清空计数器t0 tl0 = 0x00; t0count=0; clr=1; clr=0;/也就是使得p0=0x00 et2=1; / 允许t

23、2定时器中断 et0=1; tr2=1; / 启动t2定时器 gate=1; / 允许t2定时器中断 tr0=1; / 启动t2定时器 触发电平、模式初始化、测频修正值初始化、采样参数等初始化t1工作方式设定、串口波特率设置、初始化测频定时器计数器t0、t2分频器、闸门控制线初始化触发模式、采样参数、测频修正值命令扫描，响应参数更改发送电压数据同步头进入相应触发模式或者正常显示程序ad初始化、电压采集、数据判断、触发模块程序执行根据触发模式有选择地发生电压数据频率数据同步头发送ascii频率数据帧发送频率测量、数据处理继续在while循环里面断点处往下执行定时器1s中断串口接收中断接收pc机下

24、发的触发、ad采集、测频命令继续在while循环里面断点处往下执行图6.1 下位机程序流程图（2）上位机软件设计上位机软件设计是本接口实验设计中所花时间最长的设计部分，是重点也是难点，采用vc+强大的面向对象设计功能，利用mfc框架和基本的控件以及各种gdi函数来开发出基于对话框的能够实现波形的各种控制和显示的人机界面，功能丰富多样化而且很实用。主要功能如下：1.vc+界面友好美观，垂直、水平分辨率可调节，水平基准线可以上下平移，可以计算最大、最小、平均值电压并显示，采样深度和采样速度可调。2.带软件触发功能，可以实现上升沿，下降沿，单次触发和正常触发，触发线和触发电平可以显示在示波器上，而且

25、通过鼠标滚轮和控件来控制3.可以实现波形的整体平移左右随意来回平移而不会丢失移出的波形。4.显示在示波器界面上的电压曲线上的每一点的电压可以用鼠标滚轮精确测量（不受垂直水平分辨率调整的影响）并在测量点旁边显示电压值，鼠标滚轮滚动的时候，测量点随着滚轮滚动的方向自动锁定在曲线轨迹上进行左右移动，而且测量点可以用横纵虚线的交点来指示，该功能有点类似于proteus虚拟示波器的电压测量功能。5.采用vc+的绘图双缓冲技术，有效提高绘图速率和避免刷新时带来的图形闪烁，采用动态链接库的串口通信函数苦pcomm，避免了mscomm串口数据收发需要进行复杂的数据转换带来的不方便。6该示波器界面还增加了串口数

26、据接收功能，实时接收任何下位机发送上来的每一个数据，而且可以采用10进制，16进制，文本三中模式显示在文本框中，接收字节也可以统计7.点击串口设置可以弹出非模态对话框，可以友好的设置波特率和奇偶检验等通信参数，由于篇幅有限、上位机程序复杂。对于源代码就不在程序中进行分析，但会给出一些模块的核心算法。1.瞬时电压鼠标滚动测量以及触发线可视化显示在绘图的时候把每一个电压点的横纵坐标的数值和所代表的电压记录下来存到一个结构体数组里面，然后在程序当中定义一个索引号变量，该变量用于指示当前的测试点，然后鼠标滚轮滚动的时候根据滚动方向让测试点的索引号递增递减。把新的索引号相对应的电压数值以及电压坐标点从数

27、组里面取出来，再调用gdi函数画垂直水平虚线，用它们的相交点来标注。，为什么横做坐标的相交点始终锁定在曲线的当前测量点上呢，那是因为横虚线的横坐标是跟电压的横坐标一样，然后纵虚线的纵坐标跟该电压点纵坐标一样，那么他们相交的交点刚好跟电压点重合。画触发线也是一样的，关键是要懂得触发电压对于的横坐标，这样就可以在屏幕上根据刚才的横坐标画出一条触发线了。当然水平分辨率和垂直灵敏度设置的不一样那么所对应的每一点的电压所处的横纵坐标是不一样的，保存的时候也要注意保存的是跟着水平垂直分辨率变化而变化横纵坐标。2.波形整体水平左右移动波形移动的核心算法是根据电压显示缓冲区的大小开辟一个扩展数组，该数组将元素

28、分割成等间隔的三大数据块，左边的和右边的元素块全部用0填充，中间的元素块用波形移动前的电压显示缓冲区的数据填充，然后再定义两个全局索引号变量，第一个索引变量的值跟中间数据块的第一个元素的下标一样，第二个索引变量的值跟中间数据块最后一个元素的下标一样，在滚动条消息响应函数里面根据滚动的方向让两个索引号同步增加减小，然后将两个索引号在扩展数组当中所覆盖的数组的元素重新存放到电压缓冲区，使得电压缓冲区的数据产生错位，移出的波形被消隐，移入的数据用0填充，这样就视觉效果上就可以实现波形移动了。3.波形绘制以画纵坐标为例。首先规定好矩形框中每一大网格的高度有多少个像素点，然后根据垂直分辨率计算出每个像素

29、点所代表多少电压，然后就可以计算出将要显示的电压点的大小用多少个像素点表示。最后调用画线函数选择好画笔和颜色等绘图参数将前一点 电压坐标与当前点的电压坐标用线段连接起来七实验数据测量分析（1）波形测量测试仪器采用标准函数信号发生器，给系统信号输入端输入从1hz到2khz的方波（正弦波），经过观测发现，低于20hz的波形显示不完整，高于1khz的波形失真，所以单从波形测量来看，效果不是很理想，现将测试结果以图形说明。图7.4 1000hz方波图7.3 500hz方波图7.2 270hz方波图7.1 100hz方波图7.6 2.5稳压电平测量图7.5 1500hz方波数据分析，对于直流电的测量，因

30、为ad0809的分辨率是8位，基准电压为5v，也就是说，ad0809能分辨出的最小的电压变化量为19.6mv，对于测0到5v的直流量，误差不会超高0.02v，经过实验观测可以满足要求，以上第四个图是测量2.5v的直流电压，但是对于交流信号，测试的频率范围比较窄，从第三幅图可以看出，测量几百hz的信号，波形没有明显失真，但是测量1.5khz的方波的时候，图形有明显的失真，这根ad转换速率慢有关（ad0809的转换周期为100us左右），根据香农定理推算，最高可以观测5k的模拟输入信号，这是理想的状态。但是因为单片机执行指令也需要一定的时间，实际上远达不到这么高的频率。（2）触发功能触发功能因为是

31、靠软件实现的，所以只要缓冲区采集到满足条件的波形那么触发是会执行的，下图是捕获到的满足单次上升沿触发条件的正弦波（注：图7.6的频率数据并非指波形频率，因为测频输入端并没有和接波形输入端接在一起）（3）频率测量图7.7该实验的频率测量的精度和测频范围超过的设计时候估算，这主要是在硬件上加入了分频器和宽频带施密特整形电路。在软件上加入了频率计算的修正值，修正值是通过统计多组测频数组的相对误差而估算的值，而且可以通过在程序运行的过程中通过上位机调整，直测频精度达到要求为止。从0hz16mhz如此宽的频率测量最小误差接近0.00%，最大误差不超高0.02%.部分测量数据如表7.1所示。表7.1标准信

32、号函数发生器频率本实验所测得频率相对误差备注0hz0hz0信号为直流信号1hz1hz0信号为05v的正弦波，下同。不同的修正系数，频率数据会波动不一样，此表中的数据是在软件修正值系数为：0.99880情况下测量4hz4hz0800hz800hz02khz2khz050khz50khz0500khz500khz1hz0.0002%“”表示频率有跳动，后面的数据是指最大跳动频率，下同1mhz1mhz2hz0.0002%6 mhz6mhz7hz0.00012%12mhz12mhz272hz0.0023%16.7mhz16.7mhz277hz0.0017%数据分析，从表中可以看出实际测频超高16mhz，上限接近16.8mhz，在整个频率范围内精度是比较高的，但是分辨率不够高，这主要是没有用到测周期法测频的缘故，直接测频