全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽設(shè)計(jì)報(bào)告 多路模擬信號(hào)采集器

1、多路模擬信號(hào)采集器摘要：本多路模擬信號(hào)采集器由現(xiàn)場(chǎng)模擬信號(hào)產(chǎn)生器、8路信號(hào)采集器、主控制三部分組成，實(shí)現(xiàn)了對(duì)正弦波的產(chǎn)生、處理和顯示。模擬信號(hào)產(chǎn)生器采用RC震蕩原理，以運(yùn)算放大芯片LM358為主體，產(chǎn)生八路頻率在200Hz2kHz之間可調(diào)的正弦波信號(hào)，為便于后級(jí)的采集和處理，要求波形完整和光滑。信號(hào)采集器分為采集模式選擇電路、波形轉(zhuǎn)換電路、頻率/電壓轉(zhuǎn)換電路。主控制器包括兩塊STM8S105C6的8位ST芯片，分從機(jī)和主機(jī)。從機(jī)聯(lián)系了信號(hào)采集器和主機(jī)兩個(gè)部分，信號(hào)采集器將AC/DC/頻率脈沖三線信號(hào)輸入從機(jī)MUC進(jìn)行處理，完成頻率計(jì)算、幅值計(jì)算等功能。同時(shí)從機(jī)通過(guò)通用異步收發(fā)器(UART)與主

2、機(jī)雙向聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)MUC之間數(shù)據(jù)傳輸。主機(jī)控制從機(jī)，最后通過(guò)高分辨率的LCD 對(duì)信號(hào)的頻譜進(jìn)行顯示。程序設(shè)計(jì)采用匯編語(yǔ)言在STVD的編譯器上編程實(shí)現(xiàn)。經(jīng)測(cè)試，整機(jī)功能齊全，靈敏度、顯示功能、傳輸距離等各項(xiàng)性能指標(biāo)均可達(dá)到設(shè)計(jì)要求。關(guān)鍵詞：信號(hào)采集、多路、F/V轉(zhuǎn)換、LCD顯示Multiplexed analog signal acquisition deviceAbstract: The way more than the analog signal collector by the analog signal generator, 8 signals collector, Lord con

3、trol three parts, realize the sine wave produced, processing and display of. The analog signal generator RC shocks the principle of operation amplifier chip LM358 as the main body, produce the frequency in the 200 Hz 8 2 kHz adjustable between the sine signals, for convenience level after collection

4、 and processing, requirements and smooth wave complete. Signal unit into collection model choose circuit, waveform conversion circuit, frequency/voltage transform circuit. The controller of two of the STM8S105C6 including eight ST chip, points from machine and the host. Contact the signal from the m

5、achine harvesters and host two parts, the unit will signal the AC/DC/frequency pulse three line signal input from machine MUC processing, the complete frequency calculation, amplitude calculation etc. Function. At the same time from the machine through the general asynchronous transceiver (UART) and

6、 host two-way contact, realize between two MUC data transmission. The main engine control from machine, the last through the high resolution LCD to signal spectrum displayed. Program design USES assembly language in STVD compiler in the programming. By test, the complete function, sensitivity, displ

7、ay function, the transmission distance etc various performance indicators are can meet the design requirements.Key words: signal acquisition and road, F/V switching, LCD display目 錄1. 系統(tǒng)設(shè)計(jì)           41.1 設(shè)計(jì)要求及要求        41.2總體設(shè)

8、計(jì)方案       42單元硬件電路設(shè)計(jì)       82.1 現(xiàn)場(chǎng)模擬信號(hào)產(chǎn)生器部分電      82.2 八路數(shù)據(jù)采集器部分電路      92.3 主控制部分電路      113. 軟件設(shè)計(jì)      133.1 設(shè)計(jì)軟件      133.

9、2設(shè)計(jì)語(yǔ)言      133.3 程序設(shè)計(jì)框圖      134. 系統(tǒng)調(diào)試      154.1 調(diào)試方法      154.2 調(diào)試工具      154.3 調(diào)試內(nèi)容      165. 系統(tǒng)功能、指標(biāo)參數(shù)      165.1 波形發(fā)生器測(cè)試

10、      165.2 8路數(shù)據(jù)采集器測(cè)試      175.3 距離傳輸測(cè)試      175.4 LCD顯示測(cè)試      176. 設(shè)計(jì)總結(jié)      18參考文獻(xiàn)      18附錄1 主要元器件清單      19附錄2 電路原理圖及印刷板

11、圖     20附錄3 程序清單      211. 系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.1 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求1.1.1 設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)一個(gè)8路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，系統(tǒng)框圖如圖所示。串行傳輸線路現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)產(chǎn)生器8路數(shù)據(jù)采集器主控器數(shù)據(jù)顯示地址顯示 主控器能對(duì)10米以外的各路數(shù)據(jù)，通過(guò)串行傳輸線（實(shí)驗(yàn)中用1米線代替）進(jìn)行采集和顯示。具體設(shè)計(jì)任務(wù)是： 現(xiàn)場(chǎng)模擬信號(hào)產(chǎn)生器； 8路數(shù)據(jù)采集器； 主控器。1.1.2 設(shè)計(jì)要求（1）基本要求 現(xiàn)場(chǎng)模擬信號(hào)產(chǎn)生器：自制一正弦波信號(hào)發(fā)生器，利用可變電阻改變振蕩頻率，使頻率在200Hz至2kHz范圍變化，再經(jīng)

12、頻率電壓孌換電路后輸出相應(yīng)1V至3V直流電壓（200Hz對(duì)應(yīng)1V，2kHz對(duì)應(yīng)3V）。 八路數(shù)據(jù)采集器：設(shè)計(jì)必要的信號(hào)調(diào)理電路，采集8路信號(hào)；將各路模擬信號(hào)分別轉(zhuǎn)換成八位二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)，再經(jīng)并/串變換電路，用串行碼送入傳輸線路。 主控器：主控器通過(guò)串行傳輸線路對(duì)各路數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和顯示。采集方式包括循環(huán)采集（即1路、2路、8路、1路）和選擇采集（任選一路）二種方式。顯示部分能同時(shí)顯示地址和相應(yīng)的數(shù)據(jù)。（2）發(fā)揮部分 一個(gè)界面能同時(shí)顯示4路以上實(shí)時(shí)信號(hào)曲線，并能顯示信號(hào)的幅頻參數(shù)。 將1-4路信號(hào)疊加、5-8路信號(hào)疊加構(gòu)成兩組信號(hào)，在界面中同時(shí)顯示兩組信號(hào)幅頻曲線。 增加傳輸距離到15米以上，多路

13、信號(hào)波形顯示正常。1.2 總體設(shè)計(jì)方案1.2.1 設(shè)計(jì)思路題目要求設(shè)計(jì)一多路模擬信號(hào)采集器，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的產(chǎn)生、處理和顯示。設(shè)計(jì)分現(xiàn)模擬信號(hào)產(chǎn)生器、八路數(shù)據(jù)采集器和主控制器三大模塊。信號(hào)產(chǎn)生部分采用RC震蕩電路，通過(guò)改變其反饋電阻調(diào)節(jié)其輸出信號(hào)頻率。信號(hào)采集器部分電路主要分信號(hào)采集模式選擇和頻率/電壓轉(zhuǎn)換兩個(gè)部分。設(shè)計(jì)題目要求信號(hào)采集有兩種模式：選擇采集和循環(huán)采集，可以通過(guò)MUC控制單8通道數(shù)字控制模擬電子開(kāi)關(guān)-CD4051來(lái)實(shí)現(xiàn)。循環(huán)采集時(shí)，8路信號(hào)循環(huán)輸入，通過(guò)MUC的循環(huán)掃描處理，顯示在LCD上。從信號(hào)采集器輸入到從機(jī)MCU的有三路信號(hào)，交流信號(hào)（AC），直流信號(hào)（DC）和頻率脈沖。正弦波信

14、號(hào)經(jīng)過(guò)偏置電路，抬高其電壓至正值，即可得到所需的交流信號(hào)；交流信號(hào)經(jīng)運(yùn)算放大芯片LM358，可得到頻率不變的方波，輸入MCU中計(jì)算信號(hào)頻率周期；得到的方波信號(hào)輸入由LM331芯片控制的頻率/電壓轉(zhuǎn)換電路，得到相應(yīng)的直流電壓。從機(jī)和主機(jī)之間通過(guò)UART聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。同時(shí)，主機(jī)將最后的數(shù)據(jù)顯示在LCD上。整體框架圖如下所示。正弦波信號(hào)發(fā)生器87654321采集模式選擇（CD4051）八路數(shù)據(jù)采集器（AC）F/V轉(zhuǎn)換波形轉(zhuǎn)換調(diào)理電路（頻率脈沖）從機(jī)MCU(DC)主控制器LCD主機(jī)MCUUART1.2.2 方案論證與比較(1)模擬信號(hào)產(chǎn)生器方案一：555時(shí)基電路555定時(shí)器主要是與電阻、電容構(gòu)

15、成充放電電路，并由兩個(gè)比較器來(lái)檢測(cè)電容器上的電壓，以確定輸出電平的高低和放電開(kāi)關(guān)管的通斷。這就很方便地構(gòu)成從微秒到數(shù)十分鐘的延時(shí)電路，可方便地構(gòu)成多諧振蕩器電路。方案二：石英晶體震蕩電路石英晶體正弦波震蕩器的原理是利用石英晶體的壓電效應(yīng)和壓電震蕩，產(chǎn)生頻率穩(wěn)定的正弦波信號(hào)?？煞譃椴⒙?lián)型石英晶體正弦波振蕩電路和串聯(lián)型石英晶體振蕩電路。石英晶體正弦波震蕩電路的典型電路連接如下圖所示。方案三：RC震蕩電路RC橋式正弦波震蕩電路的正反饋回路和選頻網(wǎng)絡(luò)都是RC串并聯(lián)電路。運(yùn)算放大器芯片可選擇LM358，輸出頻率可通過(guò)改變的電阻值和電容值來(lái)調(diào)整。輸出幅值可通過(guò)調(diào)節(jié)的比值來(lái)調(diào)整。典型RC震蕩電路如右圖所示方

16、案選擇：方案二采用石英晶體震蕩，其頻率穩(wěn)定，但是輸出頻率一般在1MHz以上，與題目要求不符。方案一的主要控制芯片是NE555,產(chǎn)生正弦波的電路比較復(fù)雜，方案三中選擇的芯片是LM358，芯片性能穩(wěn)定，且電路簡(jiǎn)單。經(jīng)對(duì)比，選擇RC震蕩電路作為模擬信號(hào)產(chǎn)生器。（2）F/V轉(zhuǎn)換電路方案一：LM2907頻率/電壓轉(zhuǎn)換器LM2907為集成式頻率電壓轉(zhuǎn)換器，芯片中包含了比較器、充電泵、高增益運(yùn)算放大器，能將頻率信號(hào)LM2907進(jìn)行頻率倍增時(shí)只需使用一個(gè)RC網(wǎng)絡(luò)；以地為參考點(diǎn)的轉(zhuǎn)速計(jì)（頻率）輸入可直接從輸入管腳接入；運(yùn)算放大器/比較器采用浮動(dòng)三極管輸出；最大500mA的輸出電流可驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管、發(fā)光二極管等；內(nèi)含

17、的轉(zhuǎn)速計(jì)使用充電泵技術(shù)，對(duì)低紋波有頻率倍增功能；比較器的滯后電壓為30Mv。利用這個(gè)特性可以抑制外轉(zhuǎn)換為直流電壓信號(hào)。其典型接法如右圖所示。界干擾；輸出電壓與輸入頻率成正比，線性度典型值為；具有保護(hù)電路，不會(huì)受高于VCC值或低于地參考點(diǎn)輸入信號(hào)的損傷；在零頻率輸入時(shí),LM2907的輸出電壓可根據(jù)外圍電路自行調(diào)節(jié)；當(dāng)輸入頻率達(dá)到或超過(guò)某一給定值時(shí)，可將輸出用于驅(qū)動(dòng)繼電器、指示燈等負(fù)載。方案二：LM331頻率/電壓轉(zhuǎn)換器LM331是美國(guó)NS公司生產(chǎn)的性能價(jià)格比較高的集成芯片，可用作精密頻率電壓轉(zhuǎn)換器用。LM331采用了新的溫度補(bǔ)償能隙基準(zhǔn)電路，在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)和低到4.0V電源電壓下都有極高的

18、精度。同時(shí)它動(dòng)態(tài)范圍寬，可達(dá)100dB；線性度好，最大非線性失真小于0.01，工作頻率低到0.1Hz時(shí)尚有較好的線性；變換精度高，數(shù)字分辨率可達(dá)12位；外接電路簡(jiǎn)單，只需接入幾個(gè)外部元件就可方便構(gòu)成V/F或F/V等變換電路，并且容易保證轉(zhuǎn)換精度。其典型接法如下圖所示。方案選擇： 方案二中選用的芯片-LM331,其非線性誤差為0.5%；輸入電壓為010V；頻率范圍為0.0110kHz。在題目要求范圍內(nèi)，并且LM331構(gòu)成的V /F轉(zhuǎn)換電路的精度高，所以選擇方案二。(3)主控制MCU方案一：51單片機(jī)51單片機(jī)是目前應(yīng)用最廣泛的8位單片機(jī)之一，很多公司都有51系列的兼容機(jī)型推出，在目前乃至今后很長(zhǎng)

19、的一段時(shí)間內(nèi)將占有大量市場(chǎng)。其功能特點(diǎn)如下：a、可以仿真63K程序空間,接近64K 的16位地址空間；b、可以仿真64Kxdata 空間,全部64K 的16位地址空間；c、可以真實(shí)仿真全部32 條IO腳；d、完全兼容keilC51 UV2 調(diào)試環(huán)境,可以通過(guò)UV2 環(huán)境進(jìn)行單步,斷點(diǎn), 全速等操作；e、可以使用C51語(yǔ)言或者ASM匯編語(yǔ)言進(jìn)行調(diào)試 ；f、可選 使用用戶(hù)晶振，支持040MHZ 晶振頻率；g、片上帶有768字節(jié)的xdata,可以在仿真時(shí)選用，進(jìn)行xdata 的仿真；h、可以仿真雙DPTR 指針；i、可以仿真去除ALE 信號(hào)輸出。方案二：STM8單片機(jī)STM8S是意法半導(dǎo)體公司近些年

20、推出的8位微處理器，與AVR等新一代8位微處理器相比，其功能更強(qiáng)大，但價(jià)格相對(duì)便宜。其功能特點(diǎn)如下：a、最大支持128kB FLASH、6Kb RAM、2Kb EEPROM, 可達(dá)30萬(wàn)次擦寫(xiě)，最大封裝有68引腳；b、靈活的時(shí)鐘控制，4個(gè)主時(shí)鐘源，并帶有時(shí)鐘監(jiān)控的時(shí)鐘安全保障系統(tǒng)c、帶有32個(gè)中斷的嵌套中斷控制器，6個(gè)外部中斷向量，最多27個(gè)外部中斷；d、高級(jí)控制定時(shí)器：4個(gè)捕獲/ 比較通道，3個(gè)互補(bǔ)輸出，死區(qū)控制和靈活的同步，16位通用定時(shí)器，帶有3個(gè)捕獲/ 比較通道(IC、OC 或 PWM)，帶有8位預(yù)分頻器的8位基本定時(shí)器，自動(dòng)喚醒定時(shí)器，2個(gè)看門(mén)狗定時(shí)器：窗口看門(mén)狗和獨(dú)立看門(mén)狗；e、非

21、常強(qiáng)健的I/O 設(shè)計(jì)，對(duì)倒灌電流有非常強(qiáng)的承受能力方案選擇：51單片機(jī)是一款典型的單片機(jī)，但是由于51單片機(jī)的FLASH和RAM都比較小，寄存器和定時(shí)器的數(shù)量少，體積大，所以不建議采用。方案二中的STM8S系列單片機(jī)，體積小，功能強(qiáng)大，價(jià)格便宜。所以選擇STM8作為主控制MCU。2. 單元硬件電路設(shè)計(jì)2.1 現(xiàn)場(chǎng)模擬信號(hào)產(chǎn)生器（1）電路功能 產(chǎn)生8路頻率在200Hz2kHz可調(diào)的正弦波，為信號(hào)采集器的輸入信號(hào)，并經(jīng)過(guò)處理，顯示在LCD屏幕上。（2）電路設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算實(shí)用的RC正弦波震蕩電路有很多，但最具典型性的是RC橋式正弦波震蕩電路，也常稱(chēng)之為文氏震蕩電路，電路結(jié)構(gòu)如下圖所示。電路的選頻網(wǎng)絡(luò)

22、由RC串、并聯(lián)結(jié)構(gòu)構(gòu)成，電路的正反饋網(wǎng)絡(luò)由RC并聯(lián)部分構(gòu)成，R1、R2、RW及二極管等元件構(gòu)成了振蕩電路中的負(fù)反饋及穩(wěn)幅電路。調(diào)節(jié)電位器RW，可以改變運(yùn)算放大器的負(fù)反饋深度，以滿(mǎn)足振蕩電路產(chǎn)生自激振蕩所必需的幅度條件并能夠改善振蕩電路輸出波形。利用兩個(gè)反向并聯(lián)二極管V1、V2正向電阻的非線性特性來(lái)實(shí)現(xiàn)振蕩電路的輸出穩(wěn)幅，V1、V2采用硅二極管且要求參數(shù)匹配，同時(shí)硅二極管的溫度穩(wěn)定性好，可以保證輸出電壓波形正、負(fù)半周對(duì)稱(chēng)且受溫度影響較小。電阻R3的接入是為了削弱二極管非線性的影響，以改善振蕩電路輸出波形的失真。RC振蕩電路輸出信號(hào)頻率： 振蕩電路產(chǎn)生自激振蕩的條件： 公式中：負(fù)反饋電阻，其中rD

23、是二極管正向?qū)娮?。在振蕩電路中改變?fù)反饋電阻RF（即調(diào)RW）的大小，可以調(diào)節(jié)振蕩電路的負(fù)反饋深度，使振蕩電路滿(mǎn)足自激振蕩的條件開(kāi)始起振，并可以使電路輸出波形的失真程度最小。如果振蕩電路不能起振，則說(shuō)明電路的負(fù)反饋?zhàn)饔锰珡?qiáng)，應(yīng)適當(dāng)加大負(fù)反饋電阻RF ；如果電路輸出波形出現(xiàn)嚴(yán)重失真，則應(yīng)適當(dāng)減小負(fù)反饋RF 阻值。當(dāng)改變電路選頻網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)C或R的數(shù)值時(shí)，即可改變電路輸出信號(hào)的頻率，通常在振蕩電路中采用改變電容器容量C的方式做頻率量程切換，而調(diào)節(jié)R做量程內(nèi)的頻率細(xì)調(diào)。（3）主要元件介紹LM358本電路的運(yùn)算放大器采用的是LM358，LM358 內(nèi)部包括有兩個(gè)獨(dú)立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)算放大

24、器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無(wú)關(guān)。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運(yùn)算放大器的場(chǎng)合。管腳功能如下圖2.2 八路數(shù)據(jù)采集器部分電路2.2.1 采集模式選擇電路（1）電路功能受MCU控制，選擇循環(huán)采集模式或是選擇采集模式。（2）電路設(shè)計(jì)該部分電路主要由CD4051組成，通過(guò)STM8的I/O口控制其三個(gè)控制輸入端，選擇選通模式，八個(gè)輸入端輸入需采集的正弦波信號(hào)，一個(gè)選擇輸出端。（3）主要元件介紹 CD4051CD4051是單8通道數(shù)字控制模擬電子開(kāi)關(guān)，有A、B和C三個(gè)二進(jìn)制控制輸入端以及I

25、NH共4個(gè)輸入，具有低導(dǎo)通阻抗和很低的截止漏電流。幅值為4.520V的數(shù)字信號(hào)可控制峰值至20V的模擬信號(hào)。例如，若VDD=+5V，VSS=0，VEE=-13.5V，則05V的數(shù)字信號(hào)可控制-13.54.5V的模擬信號(hào)。這些開(kāi)關(guān)電路在整個(gè)VDD-VSS和VDD-VEE電源范圍內(nèi)具有極低的靜態(tài)功耗，與控制信號(hào)的邏輯狀態(tài)無(wú)關(guān)。當(dāng)INH輸入端=“1”時(shí)，所有的通道截止。只有當(dāng)INH=0時(shí)，三位二進(jìn)制信號(hào)才可以選通8通道中的一個(gè)通道，連接該輸入端至輸出。其中VEE可以接負(fù)電壓，也可以接地。當(dāng)輸入電壓有負(fù)值時(shí)，VEE必須接負(fù)電壓，其他時(shí)候可以接地。管腳功能如下圖 2.2.2 波形轉(zhuǎn)換電路（1）電路功能由

26、于頻率/電壓轉(zhuǎn)換電路需輸入方波，所以需要將正弦波信號(hào)轉(zhuǎn)換成頻率不變的方波信號(hào)。（2）電路設(shè)計(jì)本電路采用的是雙運(yùn)算放大器-LM358。電路簡(jiǎn)單，是理想的波形轉(zhuǎn)換電路。電路如下所示。 2.2.3 頻率/電壓轉(zhuǎn)換電路（1）電路功能實(shí)現(xiàn)頻率/電壓轉(zhuǎn)換，200Hz對(duì)應(yīng)1V，2kHz對(duì)應(yīng)3V。（2）電路設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算輸入脈沖經(jīng)組成的微分電路加到輸入比較器的反相輸入端。輸入比較器的同相輸入端經(jīng)電阻分壓而加有約Vcc/6的直流電壓，反相輸入端經(jīng)電阻加有的直流電壓。當(dāng)輸入脈沖的下降沿到來(lái)時(shí)， 經(jīng)微分電路產(chǎn)生一負(fù)尖脈沖疊加到反相輸入端的上，當(dāng)負(fù)向尖脈沖大于Vcc/12時(shí)，輸入比較器輸出高電平使觸發(fā)器置位，此時(shí)電流

27、開(kāi)關(guān)打向右邊，電流源I對(duì)電容充電，同時(shí)因復(fù)零晶體管截止而使電源通過(guò)電阻對(duì)電容充電。當(dāng)電容兩端電壓達(dá)到Vcc/6時(shí)，定時(shí)比較器輸出高電平使觸發(fā)器復(fù)位，此時(shí)電流開(kāi)關(guān)打向左邊，電容通過(guò)電阻放電，同時(shí)，復(fù)零晶體管導(dǎo)通，定時(shí)電容迅速放電，完成一次充放電過(guò)程。此后，每當(dāng)輸入脈沖的下降沿到來(lái)時(shí)，電路重復(fù)上述的工作過(guò)程。從前面的分析可知，電容CL的充電時(shí)間由定時(shí)電路決定，充電電流的大小由電流源IR決定，輸入脈沖的頻率越高，電容上積累的電荷就越多輸出電壓(電容兩端的電壓)就越高，實(shí)現(xiàn)了頻率電壓的變換?？傻玫捷敵鲭妷号cfi的關(guān)系為： 由此得Vo與fi在幾個(gè)特殊 頻率上的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表所示。 Fi(Hz)200650

28、110015502000Vo(V)11.522.53 最后線路連接如下圖所示：（3）主要元件介紹 LM331LM331由輸入比較器、定時(shí)比較器、RS觸發(fā)器、輸出驅(qū)動(dòng)管、復(fù)零晶體管、能隙基準(zhǔn)電路、精密電流源電路、電流開(kāi)關(guān)、輸出保護(hù)管等部分組成。輸出驅(qū)動(dòng)管采用集電極開(kāi)路形式，因而可以通過(guò)選擇邏輯電流和外接電阻，靈活改變輸出脈沖的邏輯電平，以適配TTL、DTL和CMOS等不同的邏輯電路。LM331可采用雙電源或單電源供電，可工作在4.040V之間，輸出可高達(dá)40V，而且可以防止Vcc短路。 管腳功能如下圖 2.3 主控制部分電路 2.3.1 電路功能主控制電路使用了兩塊STM8S105系列芯片和一塊

29、2.8英寸的LCD液晶顯示屏。功能包括采集模式選擇、采集數(shù)據(jù)的處理和LCD顯示。 2.3.2 電路設(shè)計(jì)（1）主控制MCU電路 本設(shè)計(jì)的單片機(jī)最小系統(tǒng)直接使用STM8S-Discovery板，性能穩(wěn)定且連接方便。（2）LCD轉(zhuǎn)接板本設(shè)計(jì)選用了一塊2.8英寸分辨率為240*320的16位LCD液晶顯示屏，用于連接MCU和LCD，同時(shí)安裝了功能選擇按鍵、復(fù)位按鍵和下載開(kāi)關(guān)。（3）RS-485遠(yuǎn)距離傳輸電路題目發(fā)揮部分要求實(shí)現(xiàn)15米串行傳輸，直接傳輸衰減嚴(yán)重、抗干擾能力低，所以需要輔助電路來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。RS-485接口采用平衡驅(qū)動(dòng)器和差分接收器的組合，抗共模干擾能力增強(qiáng)，抗噪聲干擾性好。RS-48

30、5最大的通信距離約為1219m，最大傳輸速率為10Mb/S，傳輸速率與傳輸距離成反比。RS-485總線一般最大支持32個(gè)節(jié)點(diǎn)，如果使用特制的485芯片，可以達(dá)到128個(gè)或者256個(gè)節(jié)點(diǎn)，最大的可以支持到400個(gè)節(jié)點(diǎn)。本設(shè)計(jì)采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)485總線芯片SN75176,組成的基本串行通信電路如下圖所示。其中，發(fā)送器使能端DE與接收器使能端RE接在一起，由MCU的一個(gè)I/O引腳控制。發(fā)生器輸入端T與MCU UART接口的串行數(shù)據(jù)發(fā)送端TXD相連，接收器的輸出端可與MCU UART接口的串行數(shù)據(jù)輸入端RXD相連。電阻是為了保證RS485總線處于懸空狀態(tài)時(shí)，使A、B差分處于確定的高、低電平狀態(tài)，避免網(wǎng)絡(luò)癱

31、瘓。電阻和電容是為了減小電路的電磁輻射干擾。電阻為上拉電阻。TVS管有過(guò)壓保護(hù)功能。3. 程序設(shè)計(jì)3.1 設(shè)計(jì)軟件本次設(shè)計(jì)采用的MCU是意法半導(dǎo)體公司（ST）的8為單片機(jī)-STM8S105C6，所以選用ST的官方軟件- ST Visual Develop來(lái)下載與仿真。ST Visual Develop集成開(kāi)發(fā)環(huán)境(IDE)，可使用匯編語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)（使用其它語(yǔ)言需第三方軟件協(xié)助），集軟硬件仿真、調(diào)試、下載編程于一體。ST Visual Develop支持STM8開(kāi)發(fā)工具STLinkIII下載仿真以及可以利用C編程器Cosmic STM8或者Ride7進(jìn)行C語(yǔ)言編譯。ST Visual Devel

32、op作為一款ST官方出的軟件，無(wú)論是兼容性、還是對(duì)新型號(hào)芯片的支持都是最好的。3.2 設(shè)計(jì)語(yǔ)言匯編語(yǔ)言。3.3 程序設(shè)計(jì)框圖3.3.1 主機(jī)模式外部中斷LCD控制UART定時(shí)器I/O口中斷UART接收關(guān)中斷交流混合道模式直流單通道模式交流單通道模式直流循環(huán)模式交流循環(huán)模式初始化外部中斷觸發(fā)5個(gè)字節(jié)接收完成?MAIN_RUNNING_WAVE定時(shí)查詢(xún)按鍵有效是開(kāi)中斷是KEY_FLAG=1?顯示菜單選項(xiàng) 反饋信息顯示否停止？是COMMAND->UART2_DR發(fā)送數(shù)據(jù)給從機(jī),并返回MAIN_RUNNING_WAVE3.3.2 從機(jī)模式4. 系統(tǒng)調(diào)試4.1 調(diào)試方法軟件調(diào)試、實(shí)物調(diào)試4.2 調(diào)

33、試工具M(jìn)ultisimProteus萬(wàn)用表直流穩(wěn)壓電源函數(shù)信號(hào)發(fā)生器雙通道示波器4.3 調(diào)試內(nèi)容4.3.1 軟件調(diào)試（1） 電路設(shè)計(jì)階段運(yùn)用了軟件調(diào)試方法，使用了multisim和proteus兩個(gè)軟件。其中波形發(fā)生器電路使用了multisim軟件仿真，通過(guò)改變電路設(shè)計(jì)和元件值來(lái)得到所需的正弦波信號(hào)。仿真結(jié)果如下圖所示：仿真結(jié)果顯示，該正弦波最大周期為5.163ms，最小周期為423.768um，峰峰值為2.606V。即頻率在145.6Hz2.36kHz之間可調(diào)，且波形無(wú)失真，滿(mǎn)足題目要求。（2）信號(hào)采集器電路，使用了Proteus軟件仿真，電路包括波形八路模擬開(kāi)關(guān)、波形轉(zhuǎn)換電路和LM331頻

34、率/電壓轉(zhuǎn)換電路。仿真結(jié)果顯示，當(dāng)輸入信號(hào)頻率為200Hz時(shí)，輸出直流電壓為1.012V；當(dāng)輸入信號(hào)頻率為2kHz時(shí)，輸出直流電壓為2.967V，符合題目要求。4.3.2 實(shí)物調(diào)試LM358正弦波信號(hào)發(fā)生器需要+12V、-12V供電，其他芯片電路只需要 +5V供電，所以需要直流穩(wěn)壓電源提供兩種電源。波形發(fā)生器和8路數(shù)據(jù)采集器部分電路主要是通過(guò)調(diào)節(jié)電阻和電容的值，來(lái)達(dá)到題目的要求。主控制電路主要是通過(guò)修改程序來(lái)進(jìn)行調(diào)試。5. 系統(tǒng)功能、指標(biāo)參數(shù)5.1 波形發(fā)生器測(cè)試（1）8路正弦波發(fā)生器用示波器測(cè)量其波形，并讀取其峰峰值和頻率范圍的平均值，數(shù)據(jù)見(jiàn)下表輸出信號(hào)波形峰峰值/V頻率范圍/Hz1路正弦波

35、2.56159.62257.82路正弦波2.63142.72356.23路正弦波2.58158.12298.54路正弦波2.56139.82278.95路正弦波2.69148.92387.76路正弦波2.62145.82259.47路正弦波2.63156.82312.18路正弦波2.58158.82257.9從上表數(shù)據(jù)可以看出，在誤差允許范圍內(nèi)，8路正弦波發(fā)生電路均符合題目要求。5.2 8路數(shù)據(jù)采集器測(cè)試（1）采集模式選擇電路通過(guò)對(duì)CD4051的控制端（）置入初值，能夠正常選通，所以采集模式選擇電路正常。（2）頻率/電壓轉(zhuǎn)換電路用函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，對(duì)頻率/電壓轉(zhuǎn)換電路輸入頻率200Hz2kHz的

36、正弦波信號(hào)，用萬(wàn)用表測(cè)量其輸出電壓，數(shù)據(jù)見(jiàn)下表輸入信號(hào)頻率/Hz輸出直流電壓200.741.05650.801.481100.692.031550.132.562000.893.04題目要求200Hz對(duì)應(yīng)1V、2kHz對(duì)應(yīng)3V。經(jīng)測(cè)試，在誤差允許范圍內(nèi)，8路數(shù)據(jù)采集器部分電路符合題目要求。5.3 傳輸距離測(cè)試（1）1米傳輸測(cè)試1米距離傳輸是比賽的基本要求功能，由于傳輸距離較短，且選擇了UART通信串口傳輸，通信能力強(qiáng)，所以未使用RS232及RS485傳輸。經(jīng)測(cè)試，1米傳輸，信號(hào)無(wú)明顯衰減，實(shí)現(xiàn)要求功能。（2）15米傳輸測(cè)試15米距離傳輸，使用了RS485通信接口。用15米傳輸線測(cè)試，信號(hào)傳輸正

37、常。5.4 LCD顯示測(cè)試 （1）基本要求 設(shè)計(jì)基本要求，能同時(shí)顯示地址和相應(yīng)的數(shù)據(jù)。經(jīng)測(cè)試，本系統(tǒng)經(jīng)功能選擇，能選擇現(xiàn)在單路信號(hào)的波形、地址、頻率和幅值等信息，能達(dá)到題目要求。 （2）發(fā)揮要求 發(fā)揮部分要求，一個(gè)界面能同時(shí)顯示4路以上實(shí)時(shí)信號(hào)曲線，并能顯示信號(hào)的幅頻參數(shù)。經(jīng)測(cè)試，該部分功能能實(shí)現(xiàn)。 發(fā)揮部分要求，將1-4路信號(hào)疊加、5-8路信號(hào)疊加構(gòu)成兩組信號(hào)，在界面中同時(shí)顯示兩組信號(hào)幅頻曲線。經(jīng)測(cè)試，四路信號(hào)能混合，但是波形顯示仍需改進(jìn)。6. 設(shè)計(jì)總結(jié)這次電子設(shè)計(jì)大賽，從選擇題目到最后提交作品，總共用了兩個(gè)多星期的時(shí)間。期間的工作包括了電路設(shè)計(jì)、PCB排版及做板、成品電路調(diào)試、編寫(xiě)設(shè)計(jì)報(bào)告

38、等。期間花費(fèi)了很多時(shí)間和精力，但總的來(lái)說(shuō)，收獲比付出的多得多。本次設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了比賽基本要求的功能和部分發(fā)揮功能。在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，面對(duì)最大的問(wèn)題是程序設(shè)計(jì)部分，由于剛開(kāi)始學(xué)STM8單片機(jī)，所以都是一邊摸索一邊用的，通過(guò)這次比賽，我們也認(rèn)識(shí)到，單片機(jī)的學(xué)習(xí)只學(xué)理論而不實(shí)踐是沒(méi)意義的，只有實(shí)際運(yùn)用了，才能真正明白它的原理。同時(shí)，經(jīng)過(guò)了這次比賽，我們認(rèn)識(shí)到了團(tuán)隊(duì)合作和分工的重要性，為以后的比賽和合作奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。方案經(jīng)過(guò)認(rèn)真思考和論證，不僅具有成本低，開(kāi)發(fā)周期短等特點(diǎn)，而且經(jīng)進(jìn)一步擴(kuò)展可以增大其應(yīng)用范圍。但是有些地方仍需繼續(xù)改進(jìn)，比如，輸入方式選擇使用了按鍵輸入方式，LCD觸摸功能未開(kāi)發(fā)；混合信號(hào)不

39、能正常顯示等。這些地方都有待完善。參考文獻(xiàn)1童詩(shī)白 華英成，模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)M.北京：高等教育出版社，2006.2閻石，數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)M.北京。高等教育出版社，2006.3黃智偉，全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽技能訓(xùn)練M.北京.北京航天航空大學(xué)出版社，2007.4胡斌 胡松，電子元器件M.北京.電子工業(yè)出版社，2010.5孫肖子，電子設(shè)計(jì)指南M.北京.高等教育出版社，2006.6馬明建，數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)M.西安. 西安交通大學(xué)出版社，20057潘永雄，STM8S系列單片機(jī)原理與應(yīng)用M.西安.西安電子科技大學(xué)出版社，20118 張曉麗，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法M.北京.機(jī)械工業(yè)出版社，2002 附錄1 主要元

40、器件清單元器件數(shù)量備注LM3581074HC141STM82LM3311CD4051174HC1481二極管20自鎖開(kāi)關(guān)1輕觸開(kāi)關(guān)9貼片電阻若干貼片電容若干排針、排母若干電位器10LCD液晶屏1附錄2 電路原理圖及印刷板圖正弦波發(fā)生電路信號(hào)采集器電路附錄3 程序清單（1）主機(jī)模式主要程序EXTERN SHOW5 #DEFINE TAST_FLAG RAB #DEFINE SHOW4_TIMES RA1SENT_M_ MOV UART2_DR,SENT_M CLR SENT_M.MAIN_RUNNING_WAVE ;檢測(cè)是否有數(shù)據(jù)要發(fā)送 ;TNZ KEY_BUSY ;JRNE CALL_KEY_

41、VAL;如果有值,則將命令轉(zhuǎn)化為相應(yīng)數(shù)據(jù),發(fā)出去 BCPL PD_ODR,#0 TNZ TAST_FLAG;判斷是否有按鍵選擇進(jìn)入菜單模式 JRNE SHOW5_JP CLR DISPLAY_SHOW5;如果沒(méi)有,則清除菜單模式標(biāo)志位 TNZ SENT_M;判斷是否有數(shù)據(jù)需要發(fā)送 JRNE SENT_M_MAIN_RUNNING_WAVE_NEXT TNZ UART_DATA_BSY JREQ MAIN_RUNNING_WAVE TNZ AD_RECEIVE_H_SHADOW;成功接受完4個(gè)數(shù)據(jù) JRMI MAIN_RUNNING_WAVE LD A,AD_RECEIVE_H_SHADOW;數(shù)

42、據(jù)接收是否有錯(cuò) CP A,#45H JRNC MAIN_RUNNING_WAVE AND A,#0FH CP A,#0AH JRNC MAIN_RUNNING_WAVE MOV AD_RECEIVE_H,AD_RECEIVE_H_SHADOW LD A,AD_RECEIVE_L_SHADOW CP A,#0A0H JRNC MAIN_RUNNING_WAVE MOV AD_RECEIVE_L,AD_RECEIVE_L_SHADOW;將接收到的值裝進(jìn) MOV MODEL,MODEL_SHADOW MOV FREQUENT,FREQUENT_SHADOW CALL DECOMPRESS;數(shù)據(jù)解壓

43、CLR UART_DATA_BSY;清除SPI_DATA_BSY;*;*;交流模式;由于在直流模式下,以下寄存器沒(méi)有使用,所以可以用這些寄存器作;為普通局部變量;直流模式DC_MODEL BTJT R1A,#3,CY_DC_OR_AC;循環(huán)模式;單通道選擇模式 TNZ R1B JRNE AC_RUN;*;*模式一:單直流*;*;單通道直流模式;在ONLY_DC.ASM文件中 JP ONLY_DC;#DEFINE DEPRESS_MODEL R1A;#DEFINE DEPRESS_DC_AC R1B;*;*模式二:單交流*;*;單通道交流模式AC_RUN JP ONLY_AC_RUN;文件在ON

44、LY_AC_RUN.ASM中;*;*;*CY_DC_OR_AC;循環(huán)模式下,清除循環(huán)標(biāo)志位;R00R01用于設(shè)置波形顏色,R02R03用預(yù)設(shè)值背景顏色;* LD A,DEPRESS_MODEL AND A,#07H LD DEPRESS_MODEL,A TNZ R1B JRNE AC_RUNNING;*;*模式三:循環(huán)直流*;*;*;*;CY_DC_MODEL EXTERN CY_DC_RUNNING;循環(huán)直流模式 JP CY_DC_RUNNING;*;*;*模式四:循環(huán)交流*;*;*;*;循環(huán)交流模式 EXTERN CY_AC_RUNNINGAC_RUNNING TNZ SHOW_MODEL JRNE RUNNING_SHOW4 JP CY_AC_RUNNINGRUNNING_SHOW4 JP CONTROL_SHOW4SHOW5_JP JP SHOW5（2）從機(jī)模式主要程序STM8/#INCLUDE "STM8S105C6.INC&qu