哈理工智能儀器設(shè)計報告

1、哈 爾 濱 理 工 大 學(xué)課 程 實 踐 題 目: 智能儀器原理及設(shè)計 姓 名: xxxxxxxx 班 級: 測控12-5班 學(xué) 號： 1205010510 指導(dǎo)教師： 苑惠娟 成 績： 完成時間： 2015年6月18日 目錄目錄2一、實驗?zāi)康募捌湟饬x31.1 實驗?zāi)康?1.2 實驗意義3二、實驗內(nèi)容42.1 設(shè)計波形42.2 設(shè)計內(nèi)容42.3 實驗用設(shè)備4三、實驗要求43.1 繪制原理圖及線路板圖43.2 編寫程序完成以下任務(wù)43.3 實驗安排5四、 硬件電路設(shè)計54.1 單片機(jī)電路54.2 顯示及鍵盤接口電路54.3 D/A轉(zhuǎn)換電路64.4 USB串口模塊74.5 時鐘電路和復(fù)位電路74.

2、6 8路LED94.7 PCB設(shè)計圖9五、 程序設(shè)計10六、 軟硬件調(diào)試16七、 波形圖17八、 心得體會18九、 參考文獻(xiàn)18一、實驗?zāi)康募捌湟饬x1.1 實驗?zāi)康?（1） 設(shè)計動態(tài)LED顯示、鍵盤，畫出原理圖及線路板圖，使學(xué)生對智能儀器中最基本的輸入輸出方法具有感性認(rèn)識。 （2） 通過一個相對完整的程序編程，使學(xué)生能夠?qū)纹瑱C(jī)知識和智能儀器的設(shè)計融會貫通，同時掌握對智能儀器的軟件構(gòu)成及“硬件軟化”方法。1.2 實驗意義波形發(fā)生器作為一種常用的信號源，是現(xiàn)代測試領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用最廣泛的通用儀器之一。波形發(fā)生器是能夠產(chǎn)生大量的標(biāo)準(zhǔn)信號和用戶定義信號，并保證高精度、高穩(wěn)定性、可重復(fù)性和易操作性的電子儀器

3、。函數(shù)波形發(fā)生器具有連續(xù)的相位變換、和頻率穩(wěn)定性等優(yōu)點，不僅可以模擬各種復(fù)雜信號，還可對頻率、幅值、相移、波形進(jìn)行動態(tài)、及時的控制，并能夠與其它儀器進(jìn)行通訊，組成自動測試系統(tǒng)，因此被廣泛用于自動控制系統(tǒng)、震動激勵、通訊和儀器儀表領(lǐng)域。在 70 年代前，信號發(fā)生器主要有兩類：正弦波和脈沖波，而函數(shù)發(fā)生器介于兩類之間，能夠提供正弦波、余弦波、方波、三角波、上弦波等幾種常用標(biāo)準(zhǔn)波形，產(chǎn)生其它波形時，需要采用較復(fù)雜的電路和機(jī)電結(jié)合的方法。這個時期的波形發(fā)生器多采用模擬電子技術(shù)，而且模擬器件構(gòu)成的電路存在著尺寸大、價格貴、功耗大等缺點，并且要產(chǎn)生較為復(fù)雜的信號波形，則電路結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。同時，主要表現(xiàn)為兩

4、個突出問題，一是通過電位器的調(diào)節(jié)來實現(xiàn)輸出頻率的調(diào)節(jié)，因此很難將頻率調(diào)到某一固定值；二是脈沖的占空比不可調(diào)節(jié)。在 70 年代后，微處理器的出現(xiàn)，可以利用處理器、A/D/和 D/A，硬件和軟件使波形發(fā)生器的功能擴(kuò)大，產(chǎn)生更加復(fù)雜的波形。這時期的波形發(fā)生器多以軟件為主，實質(zhì)是采用微處理器對 DAC的程序控制，就可以得到各種簡單的波形。 90 年代末，出現(xiàn)幾種真正高性能、高價格的函數(shù)發(fā)生器、但是HP公司推出了型號為 HP770S的信號模擬裝置系統(tǒng)，它由 HP8770A任意波形數(shù)字化和 HP1776A波形發(fā)生軟件組成。HP8770A實際上也只能產(chǎn)生8 中波形，而且價格昂貴。不久以后，Analogic公

5、司推出了型號為 Data-2020的多波形合成器，Lecroy 公司生產(chǎn)的型號為9100 的任意波形發(fā)生器等。 到了二十一世紀(jì)，隨著集成電路技術(shù)的高速發(fā)展，出現(xiàn)了多種工作頻率可過 GHz 的DDS 芯片，同時也推動了函數(shù)波形發(fā)生器的發(fā)展，2003 年，Agilent的產(chǎn)品 33220A能夠產(chǎn)生 17 種波形，最高頻率可達(dá)到 20M，2005 年的產(chǎn)品N6030A 能夠產(chǎn)生高達(dá) 500MHz 的頻率，采樣的頻率可達(dá) 1.25GHz。由上面的產(chǎn)品可以看出，函數(shù)波形發(fā)生器發(fā)展很快近幾年來，國際上波形發(fā)生器技術(shù)發(fā)展主要體現(xiàn)在以下幾個方面：（1） 過去由于頻率很低應(yīng)用的范圍比較狹小，輸出波形頻率的提高，

6、使得波形發(fā)生器能應(yīng)用于越來越廣的領(lǐng)域。波形發(fā)生器軟件的開發(fā)正使波形數(shù)據(jù)的輸入變得更加方便和容易。波形發(fā)生器通常允許用一系列的點、直線和固定的函數(shù)段把波形數(shù)據(jù)存入存儲器。同時可以利用一種強(qiáng)有力的數(shù)學(xué)方程輸入方式，復(fù)雜的波形可以由幾個比較簡單的公式復(fù)合成 v=f (t)形式的波形方程的數(shù)學(xué)表達(dá)式產(chǎn)生。從而促進(jìn)了函數(shù)波形發(fā)生器向任意波形發(fā)生器的發(fā)展，各種計算機(jī)語言的飛速發(fā)展也對任意波形發(fā)生器軟件技術(shù)起到了推動作用。目前可以利用可視化編程語言(如Visual Basic ,Visual C 等等)編寫任意波形發(fā)生器的軟面板，這樣允許從計算機(jī)顯示屏上輸入任意波形，來實現(xiàn)波形的輸入。 （2） 與VXI資源

7、結(jié)合。目前，波形發(fā)生器由獨立的臺式儀器和適用于個人計算機(jī)的插卡以及新近開發(fā)的VXI模塊。由于VXI總線的逐漸成熟和對測量儀器的高要求，在很多領(lǐng)域需要使用VXI系統(tǒng)測量產(chǎn)生復(fù)雜的波形，VXI的系統(tǒng)資源提供了明顯的優(yōu)越性，但由于開發(fā)VXI模塊的周期長，而且需要專門的VXI機(jī)箱的配套使用，使得波形發(fā)生器VXI模塊僅限于航空、軍事及國防等大型領(lǐng)域。在民用方面，VXI模塊遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如臺式儀器更為方便。 （3） 隨著信息技術(shù)蓬勃發(fā)展，臺式儀器在走了一段下坡路之后，又重新繁榮起來。不過現(xiàn)在新的臺式儀器的形態(tài)，和幾年前的己有很大的不同。這些新一代臺式儀器具有多種特性，可以執(zhí)行多種功能。而且外形尺寸與價格，都比過去

8、的類似產(chǎn)品減少了一半。 在研制、生產(chǎn)、測試和維修各種電子元件、部件及整機(jī)設(shè)備時，都需要用信號源，由它產(chǎn)生不同頻率不同波形的電壓、電流信號并加到被測器件或設(shè)備上，用其他儀器觀察、測量被測儀器的輸出響應(yīng)，以分析確定它們的性能參數(shù)。信號發(fā)生器是電子測量領(lǐng)域中最基本、應(yīng)用最廣泛的一類電子儀器、它可以產(chǎn)生多種波形信號，如正弦波、三角波、方波等，因而廣泛用于通信、雷達(dá)、導(dǎo)航、宇航等領(lǐng)域。 此次課程設(shè)計使我們能夠?qū)W以致用，將自己所學(xué)的理論知識用于實踐，提高我們動手能力，也使我們初步掌握一些分析問題和解決問題的方法，使我們從中體會到理論問題轉(zhuǎn)化為實際問題所要經(jīng)過的過程和兩者之間的差距。二、實驗內(nèi)容2.1 設(shè)計

9、波形 輸出方波和正弦波。2.2 設(shè)計內(nèi)容（1） 設(shè)計數(shù)字式波形發(fā)生器，畫出硬件電路原理圖。（2） 編寫程序生成各種波形，而且頻率可調(diào)。（3） 確定所生成的波形頻率范圍。（4） 用鍵盤控制生成的波形及頻率。（5） 數(shù)碼管顯示輸出波形的類型及頻率。2.3 實驗用設(shè)備HC6800實驗板，示波器，計算機(jī)三、實驗要求3.1 繪制原理圖及線路板圖 （1） 6位數(shù)碼顯示（動態(tài)數(shù)碼管顯示方式）。 （2） 6個按鍵，4個發(fā)光管顯示。3.2 編寫程序完成以下任務(wù) （1） 鍵盤識別。 （2） 動態(tài)LED顯示。 （3） 使用按鍵通過D/A輸出要求的波形并顯示頻率。 3.3 實驗安排 序號實踐內(nèi)容實踐天數(shù)實踐場所1熟悉

10、HC6800實驗板硬件電路；設(shè)計及繪制硬件電路原理圖，PCB圖2實驗室2設(shè)計鍵盤控制程序和LED顯示程序，并調(diào)試1實驗室3設(shè)計波形發(fā)生程序并調(diào)試，完成設(shè)計報告2實驗室合計完成設(shè)計5實驗室4、 硬件電路設(shè)計4.1 單片機(jī)電路圖4-14.2 顯示及鍵盤接口電路功能：LED顯示，按鍵掃描。由LED數(shù)碼管顯示器和獨立按鍵組成，獨立按鍵與89C51的P1口相連，而單片機(jī)的P0口與LED數(shù)碼管連接。當(dāng)某一按鍵按下一次時，掃描程序掃描到之后，通過P0口將信號發(fā)送到LED。掃描及顯示利用程序?qū)崿F(xiàn)，不斷掃描獨立按鍵，當(dāng)某一按鍵按下時，隨即執(zhí)行程序段，完成相應(yīng)的功能。當(dāng)按下鍵1輸出正弦波，鍵2輸出方波，鍵3控制頻

11、率調(diào)小，鍵4控制頻率調(diào)大。圖4-2-1 共陰極數(shù)碼管圖4-2-2 六路獨立按鍵4.3 D/A轉(zhuǎn)換電路功能：將波形樣值編碼轉(zhuǎn)換成模擬值，輸出波形。 由一片PCF8591組成。PCF8591是具有I2C總線接口的8位A/D及D/A轉(zhuǎn)換器。有四路A/D轉(zhuǎn)換輸入，1路D/A模擬輸出，也就是既可以作D/A轉(zhuǎn)換也可以作A/D轉(zhuǎn)換。PCF8591靠數(shù)據(jù)線SDA和時鐘線SCL和90C51聯(lián)系。單片機(jī)以I2C協(xié)議向PCF8591發(fā)送數(shù)字編碼，產(chǎn)生不同的輸出。利用采樣定理對各種波形進(jìn)行抽樣，然后把各種采樣值進(jìn)行編碼，收到的數(shù)字量存入各個波形表，執(zhí)行程序時通過查表的方法依次取出，經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換后輸出就可以得到波形。

12、如N個點構(gòu)成波形的一個周期，則PCF8591輸出N個樣點值后，樣值點形成運動軌跡，即一個周期。利用單片機(jī)的中斷時間控制輸出周期的速度，也就是控制輸出的波形的頻率。圖4-3 D/A轉(zhuǎn)換電路電路圖4.4 USB串口模塊圖4-44.5 時鐘電路和復(fù)位電路單片機(jī)的時鐘信號用來提供單片機(jī)內(nèi)各種微操作的時間基準(zhǔn)；復(fù)位操作則使單片機(jī)的片內(nèi)電路初始化，使單片機(jī)從一種確定的狀態(tài)開始運行。 （1） 時鐘電路單片機(jī)的時鐘信號通常用兩種電路形式得到：內(nèi)部振蕩和外部振蕩方式。圖4-5-1 時鐘部分電路圖在引腳XTAL1和XTAL2外接晶體振蕩器或陶瓷諧振蕩器，構(gòu)成了內(nèi)部振蕩方式。由于單片機(jī)內(nèi)部有一個高增益反相放大器，當(dāng)

13、外接晶振后，就構(gòu)成了自積振蕩，并產(chǎn)生振蕩時鐘脈沖。晶振通常選用6MHZ、12MHZ、或24MHZ。單片機(jī)的時序單位振蕩周期:晶振的振蕩周期，又稱時鐘周期，為最小的時序單位。狀態(tài)周期:振蕩頻率經(jīng)單片機(jī)內(nèi)的二分頻器分頻后提供給片內(nèi)CPU的時鐘周期。因此一個狀態(tài)周期包含2個振蕩周期。機(jī)器周期:1個機(jī)器周期由6個狀態(tài)周期12個振蕩周期組成，是計算機(jī)執(zhí)行一種基本操作的時間單位。指令周期:執(zhí)行一條指令所需的時間。一個指令周期由1-4個機(jī)器周期組成，依據(jù)指令不同而不同. （2） 單片機(jī)的復(fù)位狀態(tài)當(dāng)MCS-5l系列單片機(jī)的復(fù)位引腳RST(全稱RESET)出現(xiàn)2個機(jī)器周期以上的高電平時，根據(jù)應(yīng)用的要求，復(fù)位操作

14、通常有兩種基本形式：上電復(fù)位和上電或開關(guān)復(fù)位。上電復(fù)位要求接通電源后，自動實現(xiàn)復(fù)位操作。上電或開關(guān)復(fù)位要求電源接通后，單片機(jī)自動復(fù)位，并且在單片機(jī)運行期間，用開關(guān)操作也能使單片機(jī)復(fù)位。上電后，由于電容C3的充電和反相門的作用，使RST持續(xù)一段時間的高電平。當(dāng)單片機(jī)已在運行當(dāng)中時，按下復(fù)位鍵K后松開，也能使RST為一段時間的高電平，從而實現(xiàn)上電或開關(guān)復(fù)位的操作。圖4-5-2 復(fù)位電路單片機(jī)的復(fù)位操作使單片機(jī)進(jìn)入初始化狀態(tài)，其中包括使程序計數(shù)器PC0000H，這表明程序從0000H地址單元開始執(zhí)行。單片機(jī)冷啟動后，片內(nèi)RAM為隨機(jī)值，運行中的復(fù)位操作不改變片內(nèi)RAM區(qū)中的內(nèi)容，21個特殊功能寄存器

15、復(fù)位后的狀態(tài)為確定值統(tǒng)復(fù)位是任何微機(jī)系統(tǒng)執(zhí)行的第一步，使整個控制芯片回到默認(rèn)的硬件狀態(tài)下。51單片機(jī)的復(fù)位是由RESET引腳來控制的，此引腳與高電平相接超過24個振蕩周期后，51單片機(jī)即進(jìn)入芯片內(nèi)部復(fù)位狀態(tài)，而且一直在此狀態(tài)下等待，直到RESET引腳轉(zhuǎn)為低電平后，才檢查EA引腳是高電平或低電平，若為高電平則執(zhí)行芯片內(nèi)部的程序代碼，若為低電平便會執(zhí)行外部程序。51單片機(jī)在系統(tǒng)復(fù)位時，將其內(nèi)部的一些重要寄存器設(shè)置為特定的值，至于內(nèi)部RAM內(nèi)部的數(shù)據(jù)則不變。4.6 8路LED發(fā)光二極管用于按鍵檢測，檢查按鍵掃描是否成功，以驗證程序的有效性。圖4-6 8路LED4.7 PCB設(shè)計圖5、 程序設(shè)計#in

16、clude<reg52.h>#include <I2C.H>#define PCF8591 0x90 /PCF8591 ?unsigned char AD_CHANNEL;unsigned long xdata LedOut8;unsigned char D=127;unsigned char flag=0,time1=0,timeflag=0,num=1;unsigned char signal=0;float freq;unsigned int frequence,freqtemp=0;float time=1000;unsigned int time0;unsig

17、ned char code SinTab250=109,112,114,117,119,122,125,127,130,133,135,138,140,143,145,148,150,153,155,158,160,162,165,167,169,171,173,176,178,180,182,184,186,187,189,191,193,194,196,197,199,200,202,203,204,206,207,208,209,210,211,212,213,213,214,215,215,216,216,216,217,217,217,217,217,217,216,216,216,

18、215,215,214,213,213,212,211,210,209,208,207,206,204,203,202,200,199,197,196,194,193,191,189,187,186,184,182,180,178,176,173,171,169,167,165,162,160,158,155,153,150,148,145,143,140,138,135,133,130,127,125,122,119,117,114,112,109,106,104,101,98,96, 93, 90, 88, 85, 83, 80, 77, 75, 72,70, 67, 65, 63, 60

19、, 58, 55, 53, 51, 49,46, 44, 42,40, 38, 36, 34,32, 30, 29, 27, 25, 23, 22, 20, 19,17, 16, 15, 13,12, 11, 10, 9, 8, 7, 6, 5, 4,4, 3, 3, 2, 2, 1, 1, 1, 0, 0, 1, 1, 2, 2, 3, 3, 4, 4, 5, 6, 7, 8,9, 10, 11, 12 ,13, 15, 16, 17, 19,20, 22, 23, 25, 27, 29, 30, 32, 34, 36, 38, 40, 42, 44, 46, 49, 51, 53, 55,

20、 58, 60, 63, 65, 67, 70, 72,75, 77, 80, 83, 85, 88, 90, 93, 96, 98, 101,104,106,109; sbit key1=P11;sbit key2=P12;sbit key3=P13;sbit key4=P14;sbit key5=P15;sbit key6=P16;sbit ssss=P34;#define uchar unsigned char#define uint unsigned intuchar dis_buf; /?uchar temp;uchar key; /?void delay0(uchar x); /x

21、*0.14MSvoid keydown(void);#define delayNOP(); _nop_();_nop_();_nop_();_nop_();/ ? LED ? 0 12 3 4 56 78 9 a b cd e funsigned char code LED7Code = 0x3F,0x06,0x5B,0x4F,0x66,0x6D,0x7D,0x07,0x7F,0x6F,0x77,0x7C,0x39,0x5E,0x79,0x71;sbit LS138A = P22; /?138?A?P2.2? sbit LS138B = P23; /?138?B?P2.3?sbit LS138

22、C = P24; /?138?C?P2.4?sbit ceshi=P34;void delay(unsigned int i); /?char DelayCNT; /? LED ?, ? 0-9 - unsigned char code Disp_Tab = 0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x40;unsigned char flag1=0,flag2=0,flag3=0;/*DAC ?, ? */bit DACconversion(unsigned char sla,unsigned char c, unsigned ch

23、ar Val) Start_I2c(); /? SendByte(sla); /? if(ack=0)return(0); SendByte(c); /? if(ack=0)return(0); SendByte(Val); /?DAC? if(ack=0)return(0); Stop_I2c(); /? return(1);/* * ? */void delay(unsigned int i) char j; for(i; i > 0; i-) for(j = 200; j > 0; j-);void keydown()if(key1=0)delay(1);if(key1=0)

24、TR0=0;TR1=0;signal=1;flag1=1;flag2=0;flag3=0;freq=100000/(0.250*1000*num);frequence=(unsigned int)freq;while(key1=0);TR0=1;TR1=1;if(key3=0)delay(1);if(key3=0)TR0=0;TR1=0;signal=3;flag3=1;flag1=0;flag2=0;freq=10000/(0.002*1000*num);frequence=(unsigned int)freq;while(key3=0);TR0=1;TR1=1;if(key4=0)dela

25、y(1);if(key4=0)TR0=0;TR1=0;num+=1;if(flag1=1)freq=100000/(0.250*1000*num);frequence=(unsigned int)freq;if(flag2=1)freq=100000/(0.22*1000*num);frequence=(unsigned int)freq;if(flag3=1)freq=10000/(0.002*1000*num);frequence=(unsigned int)freq;while(key4=0);TR0=1;TR1=1;if(key5=0)delay(1);if(key5=0)TR0=0;

26、TR1=0;num-=1;if(num=0)num=1;if(flag1=1)freq=100000/(0.250*1000*num);frequence=(unsigned int)freq;if(flag2=1)freq=100000/(0.22*1000*num);frequence=(unsigned int)freq;if(flag3=1)freq=10000/(0.002*1000*num);frequence=(unsigned int)freq;while(key5=0);TR0=1;TR1=1;/*/main() unsigned int i,j,LedNumVal=1 ;

27、unsigned int LedOut10; DelayCNT=0;EA=1;/? ET0=1;/?T0? TMOD=0X01;/?1?0.05? TR0=1;/? TH0=-1000/256;/? TL0=-1000%256;/ ?while(1)DACconversion(PCF8591,0x40, D); /DAC?keydown(); /? if(freqtemp!=frequence) freqtemp=frequence; LedOut0=Disp_Tabfrequence%10000/1000; LedOut1=Disp_Tabfrequence%1000/100|0x80; i

28、f(flag1=1|flag2=1) LedOut2=Disp_Tabfrequence%100/10; else LedOut2=Disp_Tabfrequence%100/10; LedOut3=Disp_Tabfrequence%10; LedOut4=Disp_Tab0; /? LedOut5=Disp_Tabsignal; /? for( i=0; i<8; i+) P0 = LedOuti; switch(i) /?switch ?138? ? ? case 0:LS138A=0; LS138B=0; LS138C=0; break; case 1:LS138A=1; LS1

29、38B=0; LS138C=0; break; case 2:LS138A=0; LS138B=1; LS138C=0; break; case 3:LS138A=1; LS138B=1; LS138C=0; break; case 4:LS138A=0; LS138B=0; LS138C=1; break;case 5:LS138A=1; LS138B=0; LS138C=1; break;case 6:LS138A=0; LS138B=1; LS138C=1; break;case 7:LS138A=1; LS138B=1; LS138C=1; break; for (j = 0 ; j&

30、lt;90 ;j+) ; /? time0=(int)time; P0 = 0; void Timer0 (void) interrupt 1 using 1/?TH0=(65535-1000)/256;/? TL0=(65535-1000)%256;/ ?timeflag+;if(timeflag=num)timeflag=0;if(flag1=1)/?time1+;if(time1=250)time1=0;D=SinTabtime1;if(flag2=1)/?D+;if(D=220)D=0;if(flag3=1)flag+;/?flag=flag%100;if(flag<=50)D=

31、0;if(flag>50)D=255;6、 軟硬件調(diào)試 在單片機(jī)編程中主要出現(xiàn)問題： （1） 鍵盤掃描時，多次掃描的問題，最終加入循環(huán)語句，是按鍵松開時執(zhí)行，解決。 （2） 共256個樣值點的正弦波輸出時，不能完整顯示的問題，采用每隔3個樣值點輸出一個的方案，減少樣值數(shù)量從而增大輸出頻率。 （3） 中斷時間問題，因為定時器中斷時間過短引起的波形不能正常顯示問題。最終考慮了D/A轉(zhuǎn)換時間，以及程序段的執(zhí)行時間，使一次中斷時間不小于100毫秒，得以解決。 （4） 數(shù)碼管顯示的閃動問題，加大了對動態(tài)顯示數(shù)碼管的掃描頻率，更改了由浮點數(shù)構(gòu)成的頻率計算公式，解決了計算引起的程序執(zhí)行時間過長問題。正弦波頻率范圍問題，通過計算子程序段執(zhí)行時間，定時器中斷時間，DA轉(zhuǎn)換