基于TFT 彩屏液晶的便攜數(shù)字存儲(chǔ)示波器

1、    基于TFT 彩屏液晶的便攜數(shù)字存儲(chǔ)示波器    基于TFT 彩屏液晶的便攜數(shù)字存儲(chǔ)示波器    類(lèi)別：測(cè)試儀表      摘 要: 設(shè)計(jì)了一種以TFT 彩屏液晶模塊為顯示器件的新型便攜數(shù)字存儲(chǔ)示波器。示波器的信號(hào)調(diào)理電路通過(guò)CA3338E 的輸出信號(hào)控制兩級(jí)AD603 放大, 結(jié)合單片機(jī)控制繼電器對(duì)信號(hào)進(jìn)行衰減, 實(shí)現(xiàn)了程控衰減放大和自動(dòng)增益控制的功能。對(duì)于AD 采集到的信號(hào), 在單片機(jī)內(nèi)部開(kāi)辟RAM 存儲(chǔ)區(qū)

2、對(duì)波形數(shù)據(jù)進(jìn)行循環(huán)緩存, 達(dá)到了邊采集邊顯示的控制效果。在對(duì)波形顯示的控制中, 使用數(shù)字化的觸發(fā)器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的硬件觸發(fā)電路, 降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度, 借助于正弦插值技術(shù), 使屏幕顯示的波形連續(xù)穩(wěn)定。該示波器可以用來(lái)顯示常用信號(hào)的波形, 并進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的測(cè)量顯示, 具有輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍大, 體積小, 便于攜帶的優(yōu)點(diǎn), 具有廣泛的應(yīng)用空間。 在電子技術(shù)領(lǐng)域中, 通常需要借助于一些輔助的儀器來(lái)觀察電路中信號(hào)的相互關(guān)系, 這些儀器的種類(lèi)很多, 比如萬(wàn)用表、信號(hào)源、示波器、頻譜儀等。其中, 示波器可以觀察到信號(hào)的全貌, 它可以在顯示屏幕上直接觀察到被測(cè)信號(hào)的波形, 并測(cè)量信號(hào)的幅度、頻率、周期等基本參量。

3、除此之外, 其他的非電量也可以轉(zhuǎn)化為電量, 使用示波器進(jìn)行觀測(cè)。因此, 示波器得到了廣泛的應(yīng)用。隨著電子設(shè)備復(fù)雜程度的增加, 對(duì)于示波器這樣的測(cè)量?jī)x器也提出了更多的要求, 除了成本的限制以外, 在體積、性能以及使用的靈活性方面也有了新的要求。目前常用的示波器一般都是體積比較大, 成本高,這就使它的應(yīng)用受到了一些限制, 在這種情況下, 開(kāi)發(fā)低成本便攜的手持示波器, 將會(huì)大大提高其應(yīng)用空間,為電子技術(shù)開(kāi)發(fā)人員提供更多的便利。 液晶顯示器在便攜式儀器中有著廣泛的應(yīng)用, 使用液晶作為顯示器件具有顯示質(zhì)量高, 數(shù)字式接口, 體積小, 重量輕, 功耗小等優(yōu)點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng), 以C8051F020 單片機(jī)

4、為核心, 以TFT 彩屏液晶為顯示器件, 將輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)必要的信號(hào)調(diào)理電路以后進(jìn)行采樣, 采樣后的數(shù)字信號(hào)在單片機(jī)內(nèi)進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)處 理, 并按照一定的格式輸出到液晶屏幕。通過(guò)對(duì)液晶進(jìn)行初始化, 并編寫(xiě)相應(yīng)的程序, 實(shí)時(shí)顯示出輸入信號(hào)的波形, 并對(duì)信號(hào)進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的測(cè)量, 實(shí)現(xiàn)了手持示波器的功能。 1 系統(tǒng)組成與工作原理 1.1 系統(tǒng)組成 系統(tǒng)主要有信號(hào)調(diào)理電路, 采集處理模塊和液晶外圍電路組成。信號(hào)調(diào)理電路由繼電器、增益控制DA、兩級(jí)可變?cè)鲆娣糯笃鰽D603 和保護(hù)電路組成, 主要用于對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行程控的衰減與放大, 使得信號(hào)在最佳的測(cè)量和顯示量程范圍內(nèi)。采集處理模塊負(fù)責(zé)采集調(diào)理電路輸出的信

5、號(hào), 并對(duì)信號(hào)進(jìn)行編碼緩存, 得到適合LCD 顯示的數(shù)字編碼信號(hào)。液晶外圍電路為液晶顯示電路提供合適的工作電壓, 并且對(duì)液晶模塊與單片機(jī)的接口電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)。系統(tǒng)組成的總體框圖如圖1所示。 圖1 系統(tǒng)組成框圖 1.2 系統(tǒng)工作原理 系統(tǒng)時(shí)鐘控制AD 采集波形數(shù)據(jù), 在單片機(jī)內(nèi)部配置兩塊RAM 緩存區(qū), 并采用循環(huán)存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)。也就是說(shuō), 存儲(chǔ)器的各存儲(chǔ)單元按串行方式依次尋址, 且首尾相連, 形成了一個(gè)環(huán)形結(jié)構(gòu)。采集開(kāi)始時(shí), 將采集數(shù)據(jù)按順序?qū)懭肫渲幸粋€(gè)存儲(chǔ)區(qū), 當(dāng)所有單元都存滿(mǎn)以后, 將該存儲(chǔ)區(qū)的數(shù)據(jù)送到LCD 顯示, 與此同時(shí), 下一輪的采樣數(shù)據(jù)不斷存儲(chǔ)到另一個(gè)存儲(chǔ)區(qū), 存滿(mǎn)以后2 個(gè)存儲(chǔ)區(qū)交

6、換功能。如此輪換交替, 這樣接收AD 采集數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)顯示可以同時(shí)進(jìn)行, 而數(shù)據(jù)顯示的速率大于AD 采集速率, 從而可以有效避免數(shù)據(jù)丟失。 系統(tǒng)的工作過(guò)程如下: 輸入信號(hào)經(jīng)前端信號(hào)調(diào)理電路轉(zhuǎn)換到合適的電平, 在單片機(jī)的控制下通過(guò)AD 對(duì)信號(hào)采集處理并存儲(chǔ)采集數(shù)據(jù)。對(duì)LCD 初始化編程接收單片機(jī)存儲(chǔ)的波形數(shù)據(jù), 將信號(hào)的波形實(shí)時(shí)顯示出來(lái), 并測(cè)量信號(hào)的峰峰值電壓和頻率。 2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)硬件主要實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的程控衰減放大, 過(guò)壓保護(hù), 信號(hào)的采集處理以及單片機(jī)與液晶模塊接口電路等, 系統(tǒng)硬件總體框圖如圖2 所示。 圖2 系統(tǒng)硬件總體框圖 2.1 信號(hào)調(diào)理電路 信號(hào)調(diào)理電路實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸入信號(hào)的

7、程控衰減放大,它由增益變化范圍線(xiàn)性連續(xù)可調(diào)的可控增益放大器AD603 組成。通過(guò)單片機(jī), 結(jié)合8 位DA 轉(zhuǎn)換芯片CA3338E, 對(duì)兩片AD603 引腳端的輸入電壓進(jìn)行控制。該芯片輸入控制電壓Vc 的范圍為- 0.5 + 0.5 V,一級(jí)增益和控制電壓的關(guān)系為: 當(dāng)使用兩級(jí)級(jí)聯(lián)時(shí), 則增益和控制電壓關(guān)系為: 單片機(jī)輸出控制信號(hào), 使繼電器對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行100 倍衰減。衰減后的信號(hào)經(jīng)AD 轉(zhuǎn)換后采集到單片機(jī)中, 根據(jù)預(yù)先設(shè)置的檔位判斷信號(hào)所屬的范圍。如果 信號(hào)幅度過(guò)低, 不在這些范圍之內(nèi), 則單片機(jī)重新發(fā)出控制信號(hào), 減小對(duì)輸入信號(hào)的衰減倍數(shù), 直到衰減后的信號(hào)滿(mǎn)足最佳測(cè)量范圍為止。對(duì)應(yīng)于每個(gè)

8、檔位的信號(hào),輸出一個(gè)8 位的數(shù)字信號(hào)至CA3338E 芯片, 并將其輸出的模擬信號(hào)加到AD603 的輸入端, 得到不同的放大倍數(shù), 完成信號(hào)的程控衰減放大。 這樣設(shè)計(jì), 一方面可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制。系統(tǒng)會(huì)根據(jù)程序的設(shè)定對(duì)輸入信號(hào)的幅度自動(dòng)選擇放大衰減的倍數(shù), 來(lái)得到滿(mǎn)足信號(hào)采集部分電路要求的最佳信號(hào)電平, 在進(jìn)行信號(hào)電壓的測(cè)量時(shí), 只需要將采集到的信號(hào)電壓與相應(yīng)的程控倍數(shù)相乘, 就可以顯示出準(zhǔn)確的電壓值。另一方面, 也可以大大擴(kuò)展輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍。信號(hào)采集電路允許的最大輸入電壓為4 V 左右, 這樣, 當(dāng)輸入峰峰值為400 V 信號(hào)時(shí), 由于存在100 倍的衰減, 調(diào)理以后的輸出信號(hào)仍然不超

9、過(guò)采集電路的范圍。 2.2 過(guò)壓保護(hù)電路 在AD 的輸入通路前并聯(lián)了兩個(gè)鉗位穩(wěn)壓二極管, 保證在輸入交流信號(hào)過(guò)壓時(shí)鉗位在安全范圍內(nèi), 此時(shí)程序判斷到AD 的輸出大于量程, 也會(huì)自動(dòng)切換衰減倍數(shù), 轉(zhuǎn)到更高檔位, 起到保護(hù)AD 和單片機(jī)芯片的作用。 2.3 單片機(jī)與液晶模塊接口電路 單片機(jī)使用C8051F020, 它是一種高集成度的混合信號(hào)片上系統(tǒng), 有按8 位端口組織的64 個(gè)數(shù)字IO 引腳, 所有引腳都耐5 V 電壓, 都可以被配置為漏極開(kāi)路或推挽輸出方式和弱上拉。液晶模塊采用TFT 液晶,TFT( Thin Film T ransistor) 為薄膜晶體管有源矩陣液晶顯示器件。每個(gè)液晶像素

10、點(diǎn)都是由集成在像素點(diǎn)后面的薄膜晶體管來(lái)驅(qū)動(dòng), 從而可以做到高速度、高亮度、高對(duì)比度顯示屏幕信息。它以行掃描信號(hào)和列尋址信號(hào)控制作用于被寫(xiě)入像素電極上的薄膜晶體管有源電路, 使有源電路產(chǎn)生足夠大的通斷比, 從而間接控制像素間呈TN 型的液晶分子排列, 達(dá)到顯示目的。 液晶模塊采用ILI9320 片上系統(tǒng)( SoC) 驅(qū)動(dòng)器, 支持26 萬(wàn)色顯示, 分辨率為240RGB320 像素, 圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)的大小為172, 800 字節(jié), 同時(shí)還集成了電源電路。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖3 所示。 圖3 ILI9320 內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 ILI9320 與MCU 之間有4 種總線(xiàn)接口方法, 分別為i80 系統(tǒng)總線(xiàn),

11、串行總線(xiàn), RGB 總線(xiàn)和VSYNC 總線(xiàn)。在此采用i80 系統(tǒng)總線(xiàn)進(jìn)行控制, 通過(guò)讀使能( RDB) 和寫(xiě)使能(WRB) 兩條控制線(xiàn)進(jìn)行讀寫(xiě)操作, 其中數(shù)據(jù)寬度為8 位。由于LCD 模塊中的數(shù)據(jù)線(xiàn)為16 位, 實(shí)際中只用到了8 位, 因此要對(duì)低8 位接地。液晶模塊中,DB8 DB15 為雙向數(shù)據(jù)總線(xiàn), RS 為數(shù)據(jù)寄存器的選擇信號(hào), 當(dāng)RS 為低電平時(shí), 表示對(duì)液晶模塊內(nèi)部的寄存器操作, 為高電平時(shí)對(duì)顯存中的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作, CS 為片選信號(hào), RESET 為復(fù)位信號(hào)。這些信號(hào)線(xiàn)直接與單片機(jī)的GPIO 總線(xiàn)相連, 不需要設(shè)計(jì)外圍的電路。 3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要完成對(duì)程控衰減放大電路

12、的控制, 波形數(shù)據(jù)的處理與存儲(chǔ), 觸發(fā)設(shè)置以及LCD 模塊的波形顯示功能初始化編程, 軟件設(shè)計(jì)總體框圖如圖4所示。 3.1 觸發(fā)器的軟件實(shí)現(xiàn) 觸發(fā)器是示波器的重要組成部分, 通過(guò)觸發(fā)器產(chǎn)生的控制信號(hào), 控制示波器對(duì)波形數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和顯示, 達(dá)到穩(wěn)定同步的目的。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的觸發(fā)器, 采用全數(shù)字化結(jié)構(gòu), 大大降低了系統(tǒng)硬件電路的復(fù)雜性, 并且觸發(fā)條件的調(diào)整比較方便。觸發(fā)器通過(guò)引用單片機(jī)內(nèi)部的RAM 資源定制了一個(gè)FIFO 作為采集數(shù)據(jù)的暫存區(qū),將波形數(shù)讀入該緩存區(qū), 按照預(yù)先設(shè)定的觸發(fā)門(mén)限,將緩存區(qū)中的數(shù)據(jù)讀出, 如果滿(mǎn)足觸發(fā)條件, 則將數(shù)據(jù)在屏幕上顯示出來(lái)。 圖4 軟件設(shè)計(jì)總體框圖 3.2 波形顯

13、示的插值算法 采樣得到的波形數(shù)據(jù)可以直接顯示, 這樣在屏幕上看到的是一些離散的亮點(diǎn), 波形的顯示不是連續(xù)的, 不利于觀察分析信號(hào), 因此需要進(jìn)行插值算法, 也就是說(shuō)利用少數(shù)采樣點(diǎn)來(lái)推算出完整波形數(shù)據(jù)的處理方法。插值的方法有多種, 比如矢量式內(nèi)插、正弦內(nèi)插、抽樣函數(shù)內(nèi)插等, 結(jié)合各自的特點(diǎn), 本系統(tǒng)使用了正弦內(nèi)插技術(shù), 使得波形的顯示具有很好的連續(xù)性, 提高了視覺(jué)效果。正弦內(nèi)插是一種專(zhuān)門(mén)用于信號(hào)重建的方法, 一般情況下, 每個(gè)周期使用2.5 個(gè)數(shù)據(jù)字就可以構(gòu)成一個(gè)較完整的正弦波形。它的理論基礎(chǔ)是信號(hào)重建的抽樣內(nèi)插公式, 即: 式中: T 為采樣周期; x(mT ) 為AD 采樣得到的數(shù)據(jù)。式(

14、3) 表明, 可以通過(guò)抽樣信號(hào)恢復(fù)出原始的連續(xù)時(shí)間信號(hào)。本文中不需要恢復(fù)原始信號(hào), 只是為了增加采樣點(diǎn)數(shù)據(jù), 因此要對(duì)時(shí)間t 離散化, 一般來(lái)說(shuō), t 為0.1T 0.2T, 也就是說(shuō)每一個(gè)采樣周期內(nèi)要插入5 10 個(gè)波形數(shù)據(jù), 同時(shí), 求和范圍也要進(jìn)行限制, 計(jì)算點(diǎn)區(qū)間為( 0, m) , m的取值不能太大, 否則會(huì)降低運(yùn)算速度 9 。使用Matlab 對(duì)插值算法進(jìn)行仿真, 仿真結(jié)果如圖5 所示, 其中圖5( a) 、圖5( b) 、圖( c) 分別為原始信號(hào)、采樣以后的離散信號(hào)以及經(jīng)插值算法處理以后的采樣信號(hào),可見(jiàn), 正弦內(nèi)插算法插入的數(shù)據(jù)點(diǎn)接近原始信號(hào)的幅值。經(jīng)理論計(jì)算可知, 當(dāng)求和區(qū)間

15、為( 0, 30) 時(shí), 引起的幅度顯示誤差小于0.9%。 圖5 正弦內(nèi)插算法仿真 4 系統(tǒng)調(diào)試和測(cè)試 在完成了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)以后, 需要進(jìn)行綜合調(diào)試和測(cè)試。通過(guò)調(diào)試, 不斷優(yōu)化程序代碼, 對(duì)程序中的問(wèn)題及時(shí)更正修改, 使系統(tǒng)的性能得以提高,工作狀態(tài)更加穩(wěn)定。測(cè)試的過(guò)程中可以修正電路中元器件的參數(shù)等, 以免理論分析與實(shí)際狀態(tài)的差距引起的波形顯示效果不佳以及顯示中噪聲的影響。 在進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)時(shí), 要不斷修正程控衰減放大電路的程序, 將輸入信號(hào)調(diào)整到最佳的顯示量程范圍內(nèi), 手持示波器的實(shí)物圖如圖6 所示。 圖6 手持示波器實(shí)物圖 當(dāng)輸入500 Hz, 峰峰值為3.2 V 的正弦信號(hào)時(shí), 在TFT 彩屏上顯示的波形如圖7 所示, 其中屏幕的水平方向表示時(shí)間, 每一格為1 ms; 垂直方向表示輸入信號(hào)幅度, 每格為0.6 V。從圖中可以看出, 波形顯示穩(wěn)定連續(xù), 測(cè)量信號(hào)參數(shù)的精度高, 且彩色信息豐富。 圖7 TFT 液晶顯示的正弦信號(hào) 5 結(jié) 語(yǔ) 研究了以TFT 液晶作為顯示器件的手持?jǐn)?shù)字存儲(chǔ)示波器的總體方案, 即由信號(hào)