综合应用计算机--开发多功能测试仪
综合应用计算机--开发多功能测试仪
陈奇明
摘要：介绍利用计算机与单片机开发实验仪器结合，应用单片机作为控制核心，结合外围集成芯片，开发示波器测量，信号发生器，万用表测量，开发出独立的多功能测试仪器。当与计算机连机使用时，又成为大的测试仪，功能更加强大，操作更加简便，更利于研究实验。本系统开发多使用现代的大规模功集成电路，体积小，可靠性高，价格低廉，实用性强。
关键词：计算机，测试仪，测试摸块，数据传输
引言
开展教学研究，实验是关键，而实验的仪器设备是研究的重要工具，在学校中由于大量的测量仪器价格昂贵，体积大，携带不便，使学校中的科学实验研究难以普及深入，开发创新科学研究仅仅停留在一个理念上，缺乏大量实际的实验操作。
计算机的普及应用，及大规模集成电路的发展，为开发高质量低成本的教学实验仪器设备提供了可能，这里设计的《综合应用计算机-开发多功能测试仪》，是利用单片机进行开发的多功能测试仪，它可以作为独立的多功能仪器操作和使用，每一种功能的测试仪器操作控制与传统的仪器操作控制相对应。设计中增加了单片机通讯接口与计算机的连接，使测试仪的功能更全面得以发挥，操作更方便，观察更直观，使用更安全和研究更方便。
1 系统总体设计
本系统是由单片机构成中央处理模块，连接信号发生器模块、万用表测量模块、示波器探测模块（此模块要与计算机连接使用）、仪器转换控制模块和液晶显示模块构成独立多功能测试仪，通过仪器转换控制模块控制相应的按键，可转到对应测量模块上，并在液晶显示模块上显示对应的测量参数。当使用单片机通信接口与计算机连接时，打开相应的应用软件系统，通过键盘和鼠标可以方便的对仪器进行操作，使多功能测试仪的性能的得到扩展。如图1为系统总体结构图。
2 硬件电路设计
在多功能测试仪系统中，单片机控制处理模块是关键的部分，它控制着系统中的各个模块，并对测试中的数据进行接收传输和处理，同时还对测试中的各种状态进行跟踪、检测和判断。因此单片机型号选用对开发周期，产品性能和质量有着极大的影响，为了降低成本，这里选性价比极高的STC12C5A60S2单片机作为主控芯片,其主要性能和功能如图2所示。
单片机工作频率是重要选择参数，直接影响测试模块的精确度， STC12C5A60S2单片机工作频率为：0～35MHz,在设置高速模式下：1个时钟/机器周期，相当于普通8051：0～420MHz。ISP/IAP为在系统可编程/在应用可编程，利于产品开发中的调整和测试，缩短开发周期。单片机内部的大量的EEPROM为实时数据测量的存储提供空间。其内部本身还带有8路10位高速A/D转换器，速度可达250KHz(25万次/秒)，在STC12C5A60S2单片机中还有两路可编程计数器阵列PCA/PWM，PCA是一个特殊的16位定时器，有2个16位的捕获/比较模块与之相连，每个模块可编程在4种模式下：上升/下降沿捕获，软件定时器，高速输出或可调制脉冲输出。可方便设计为电压测试，按键扫描，频谱检测等，使电路设计更为方便。
2.1 信号发生器模块的设计
信号发生器主要是输出各种信号波形，对设备进行调整测试，因此要求输出的信号要稳定，频率可根据测试要求调整，幅度可调。其频率的变化可以使用单片机中的一个时间/计数器T0,产生的脉冲去控制信号发生器模块。要取得稳定的输出信号，本系统使用AD7008集成电路来实现直接数字频率合成的信号。其原理是根据奈奎斯特取样，从连续信号的相位φ考虑，对一个正弦信号进行取样，量化，编码，形成一个正弦函数表，存储在存储器中。合成时，通过改变相位累加器的频率控制字，来改变相位增量，相位增量的不同将导致一周的取样点的的不同，因角频率ω=Δφ/Δt，在取样频率不变的情况下，通过改变相位累加器的频率控制字，将这种变化的相位/幅值量化的数字信号通过D/A变化及低通滤波器，即可得到合成的相位变化的模拟信号。由于AD7008集成电路集相位调制，频率调制，幅度调制及I/O正交调制等多功能于一身，输出信号频率最高可达20MHz，分辨率可达0.02Hz。另外一个特点，即它输出的信号上没有叠加任何变化电流脉冲，输出信号是一个平稳的变化波形，而且相位保持连续的变化。信号发生器电路结构，如图2.1所示。
由于AD7008的输出端有一个10位的D/A数字模拟转换器，输出的合成信号是阶梯状的，带有许多高次频谱信号分量，必须将这些不需要的高次频谱信号分量滤除，才能得到频谱 纯净的正弦波信号输出，因此需要在AD7008输出端增加滤波电路，设计滤波电路时要求滤波器的衰减特性要陡直，延迟时间要短，可采用六阶椭圆函数滤波器。其电路原理如图2.1a所示。
2.2 万用表测量模块的设计
万用表测量模块主要对电压，电流和电阻值的测量。根据V=R*I电量的关系，和利用电路中参考量的比值，电路测量中只要测出电压值经过相应换算就可以得出所测的电压，电流和电阻值。本系统中主机电路采用的是STC12C5A60S2单片机，本身带有A/D转换电路，转换口在P1口（P1.0---P1.7）,有8路10位高速A/D转换器，速度可达250KHz(25万次/秒)，参考电压源是输入工作电压Vcc，所以一般不用接参考电压源，系统是以7805作为稳压源，，其实际电压可能是4.88V到4.98V，在要求精度比较高的情况下，可对稳压源进行实际测量，并将工作电压值记录在单片机内部的EEPROM中，以供计算。当采用电池供电时，电池电压是在5.3V-4.2V之间漂移，即Vcc不固定，就需要在8路的A/D转换的一个通道外接一个稳定的参考电压源，来计算此时的工作电压Vcc，再计算出其他几路A/D转换通道的电压。由于电压测量与电阻测量直接采用单片机片内的A/D转换电路，其外围电路设计并不复杂，这里主要对电流测量进行分析。
在对电流进行测量时，必须先将其电流信号转换成电压信号，然后才能实现A/D的转换，常用的转换方法是在电路中加入精密电阻，由此将电流信号转换为电压信号，当电流很小时，就很难选择一个合适的阻值，影响测量准确度，在本系统中采用电流/电压转换芯片MAX472，克服了常规测量电流存在的测量范围小，测量误差大等缺点，可提高测量精度。MAX472的工作原理如图2.2所示，方框内的部分是该芯片的内部结构，图中A1和A2是两个运算放大器，构成差动输入，这样可以增强抗干扰能力，从而提高小电流的测量准确度，Q1和Q2是两个三极管，COMP是比较器，Resense是电流采样电阻，要采用热稳定性好，漂移小的康铜丝电阻。方框外为调整电路。
2.3 示波器模块电路的设计
示波器模块是将测试的模拟信号转换为数字，通过编码，数据存储，在单片机控制下将测试数据传送到计算机，并通过相应的应用程序的处理，将测试出对应的波形显示在计算机显示屏上。示波器测试模块是一种综合性的电信号测试仪器，它能把眼睛看不见的电信号转换成能直接观察的波形，显示在计算机显示屏上。其实质是一种时域测量，用来观察信号随时间的变化关系，可用来测量信号波形，幅度，频率等。设计中要求测量灵敏度要高。测量幅度较小的信号，具有较强的过载承受能力，输入阻抗要高，对被测的'网络影响要小，工作频率要高，响应速度快，便与观察波形瞬变的细节。其工作原理如图2.5所示。
衰减器
衰减器是用来衰减大幅度的输入信号，以保证放大电路输出不产生失真，对衰减器的主要要求是，频带要足够宽，输入的阻抗要高，因此采用RC衰减器，其原理如图2.3a所示 。当满足R1*C1=R2*C2时，衰减器的衰减量为Vo/Vi=R2/（R1+R2）,可以看出衰减量与频率无关，此时为最佳补偿状态。
（2）前置放大电路
前置放大电路是放大被观察信号，使微弱的信号能被放大到一定的增益，使信号能被正确的采集，放大电路通常采用频率补偿措施，引入较强的负反馈，以获得较宽的频带和较高的增益稳定性。放大电路的频带是示波器的一个重要技术指标，它决定了能够测量信号的最高频率，可采用INA333集成放大器，它是业内功耗最低的零漂移仪表放大器。具有 75µA 静态电流、25µV 偏移电压、出色的噪声功率比，在75µA 时，噪声功率比为 50nV/rt-Hz，对前置放大电路对数据采集起着关键的作用。
（3）波形采集转换电路
波形采集转换电路是将测试的模拟信号转换为数字信号， A/D转换器在系统中所处的位置是很关键的，因为它直接反映软件化的程度.由于STC12C5A60S2单片机自带的 A/D转换器速度在这面就显的不够快，必须选用并行数据采集的A/D转换器。选择用时既要考虑A/D转换器的性能，又要考虑能满足系统所要求的动态范围和性能指标。性能指标主要有A／D转换位数、无寄生动态范围(SFDR)、信噪比(SNR)、转换速率、量化灵敏度等。一般来说A／D转换器的转换位数越多越好，转换位数越多，其动态范围就越高。本系统中选用AD6645 集成电路 A/D转换器， 其保持采样率可达80MS／s，工作带宽达270MHz，多音无寄生动态范围(SFDR)为100dB； 作为新型的高速、大动态范围A／D转换器．AD6645的模拟信号输入也为差分形式．因为在模拟信号阶段差分输入对偶次谐波有很高的共模抑制比，可以提高电路的性能。
2.4 通信接口电路的设计
当多功能测试仪于与计算机连接使用时，使用串行通信接口进行连接，本系统中采用目前通用的USB接口，但STC12C5A60S2单片机只有一个可编程全双工串行通信接口，必须进行接口转换，这里采用 CP2103高集成度USB转UART专用芯片。它用最简单的外部电路、最少的外部器件和最小的电路板面积实现USB2.0到UART的转换。CP2103是一款高度集成的USB-UART桥接器，它包含了一个USB功能控制器、USB收发器、振荡器和带有全部调制解调器控制信号的异步串行数据总线，一方面可以从分机接收USB数据并将其转换为RS232信息流格式发送给外设；另一方面可从RS232外设接收数据转换为USB数据格式传送至主机，其中包括控制和握手信号。计算机采用VB语言的通讯控制函数，按串行口方式设置，以实现接口通讯软件设计。该通讯程序波特率可设在600～9600之间进行调试。CP2101的实际应用参考电路如图2 .4所示
为了减少单片机控制系统与计算机应用系统之间数据传输的干扰，在单片机控制系统与计算机应用系统之间的数据传输使用光电耦合来隔离。使两个系统的电源相互独立，消除地电位不同所产生的影响，本系统中采用P521光电耦合管来隔离双边信号源。P521光电耦合管是电流型输出，不受输出端工作电压的影响，因此可以用于不同电平的转换。为了确保数据收发的稳定性，避免通信过程中的干扰，还可以在USB接口端添加滤波电路。
2.5 仪器转换控制模块电路的设计
在单片机总控制系统中控制着多种模块仪器，而使用时只选用其中的一个模块进行操作，仪器间的转换控制是通过单片机输入/输出端口进行的，可使用STC12C5A60S2单片机中的P3.2外部中断0端口作为各测试模块之间的转换，其原理是通过中断控制字的设置，使外部中断0为低电平控制，每按一次P3.2端口使之为低电平，转换一种测试模块，循环进行。若与计算机连接一起使用时，可进行相应的数据传输，使计算机应用系统接收到相应数据后，将控制相应模块应用软件，并显示出相应控制操作界面。为了节省端口并扩展控键，使各测试摸块的测量范围得以扩大，可使用P1口中的一路A/D作为扩展控键。可采用按键扫描来方式，根据不同按键按下时，ADC检测端口就有不同的电压比值，来确定具体的按键起作用，电路如图2.4所示。
在测试模块进行转换时，当有共同的信号作为输入或输出时，为了节省相应器件和线路空间，此时信号线的转换可采用四重双向电子转换开关MC14066集成电路，其主要的特点是信号转换频率高，开关导通时内阻非常小，开关截止时处于高阻状态，适合作为信号开关使用。
结束语
由于现代科技的高速发展．大规模集成电路的普及应用，为我们开发新一代的教学仪器提供了保证，目前应用普及型大规模集成电路开发教学实验仪器，依然处在探索阶段，普及型大规模集成电路价格非常低廉，但其功能又非常强大，结合计算机应用开发实验测试教学器材具有广阔的前景，使教学实验仪器真正融入我们日常探索研究中，结合我院基础教育，面向广大的中学，充分利用现有的高科技技术，开发创新自主知识产权的高科技教学产品，促进教学研究和培训，更有利与学院的长期稳固发展。
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