第１５卷第３期 ２０１２年９月 成都电子机械高等专科学校学报 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈｅｎ￣ｄｕ Ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｃｏｌｌｅ Ｖｏ１．１５．Ｎｏ．３ Ｓｅｐ．，２０１２ 基于ＬＰＣ １ ７５８的波形采集存储与回放系统设计 罗 乐，李可为，笪贤进 （成都工业学院通信工程系，成都６１００３１） 摘要：为解决波形采集、存储及回放的问题，详细介绍其基本原理、电路及程序设计。系统采用电压跟随器将信号衰减后经低 通滤波器送入Ａ／Ｄ转换器，完成数据采样，同时实现阻抗匹配并达到隔离效果。采用高性能低功耗ＬＰＣ１７５８微处理器作为主 控芯片，实现数据采集和处理，利用ＬＰＣ１７５８微处理器自带的ＩＡＰ技术实现数据转存至片内ＦＬＡＳＨ。通过异常数据抛除法来 准确地找到采样数据的相临最小值，从而准确计算信号的周期。采用跳变沿算法实现对波形形状的判断。将Ｄ／Ａ转换后的 信号经过后级处理，最后送入显示器实现波形回放。整个系统操作简便，达到了较好的性能指标。 关键词：信号处理；ＩＡＰ；波形回放；Ｆｌａｓｈ；低通滤波 中图分类号：ＴＰ３９９ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００８—５４４０（２０１２）０３—００３２—０４ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｗａｖｅｆｏｒｍ Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ，Ｓｔｏｒａｇｅ ａｎｄ Ｐｌａｙｂａｃｋ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＬＰＣ１７５８ ＬＵＯ Ｌｅ，ＬＩ Ｋｅｗｅｉ，ＤＡ Ｘｉａｎｊｉｎ （Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈｅｎｇｄｕ Ｔｅｃｈｍｏｌｏｇｉｃａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１００３１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ａ ｗａｖｅｆｏｒｍ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ，ｓｔｏｒａｇｅ ａｎｄ ｐｌａｙｂａｃｋ ｓｙｓｔｅｍ，ａｎｄ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｔｈｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ａｎｄ ｐｒｏｇｒａｍ ｄｅｓｉｇｎ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ．Ｉｎ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ，ａ ｖｏｌｔａｇｅ ｆｏｌｌｏｗｅｒ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｔｒａｎｓｍｉｔ ｔｈｅ ａｔｔｅｎｕａｔｅｄ ｓｉｇｎａｌ ｆｏｒ Ａ／Ｄ ｃｏｎｖｅｎｅｒ ａｎｄ ｆｉｎｉｓｈ ｓａｍｐｌｉｎｇ．Ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ，ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ｍａｔｃｈｉｎｇ ｗａｓ ｒｅａｌｉｚｅｄ ｔｏ ａｃｈｉｅｖｅ ｉｓｏｌａｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔ．Ｈｉｇｈ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｌｏｗ ｐｏｗｅｒ ｍｉｃｒｏｐｒｏｃｅｓｓｏｒ ＬＰＣ１７８５ ｗａｓ ｕｓｅｄ ａｓ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｈｉｐ ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ｄａｔａ ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ．Ｉｎ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ，ＬＰＣ １７５８ ｍｉｃｒｏｐｒｏｃｅｓｓｏｒ ｗｉｔｈ ＩＡＰ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｗａｓ ａｌｓｏ ｅｍｐｌｏｙｅｄ ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ｄａｔａ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｏｒ ｆｏｎ—ｃｈｉｐ ＦＬＡＳＨ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ａｎｏｍａｌｙ ｄａｔａ ｂｅｈｉｎｄ ｔｈｅ ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｔｈｅ ｓａｍｐｌｉｎｇ ｄａｔａ ｏｆ ｎｅｉｇｈｂｏｒｉｎｇ ｍｉｎｉｍｕｍ ｖａｌｕｅ ｗｅｒｅ ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ ｌｏｃａｔｅｄ，ｓｏ ａｓ ｔｏ ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ ｃａｌｃｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｓｉｇｎａｌ ｃｙｃｌｅ．Ｅｄｇｅ ｊｕｍｐｉｎｇ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ｗａｖｅｆｏｒｍ ｓｈａｐｅ ｊｕｄｇｍｅｎｔ．Ｔｈｅ Ｄ／Ａ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｓｉｇｎａｌ ａｆｔｅｒ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｗａｓ ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｄｉｓｐｌａｙ ｓｏ ｔｈａｔ ｗａｖｅｆｏｒｍ ｐｌａｙｂａｃｋ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｒｅａｌｉｚｅｄ．Ｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｓｉｍｐｌｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ，ｆｒｉｅｎｄｌｙ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ，ａｎｄ ｇｏｏｄ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓ；Ｉｎ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ；ｐｌａｙｂａｃｋ；Ｆｌａｓｈ；ｌｏｗ ｐａｓｓ ｆｉｌｔｅｒ 信号采集、处理及回放是现代电子制作中经常遇到的问题，但对于多路高频输入信号、要求实时不失真 显示、同时系统必须具有极低功耗等特点，如２０１１年全国大学生电子设计竞赛试题Ｈ题，制作难度相对较 大，成功案例极少。本文详细介绍了基于ＬＰＣ１７５８的波形采集、存储及回放系统的基本原理、电路及程序设 计。系统要求输入信号频率为１０ Ｈｚ～１０ ｋＨｚ，幅值０～４ Ｖ，原信号与回放信号电平之差绝对值≤５Ｏ ｍＶ，周 期之差绝对值≤５％，系统功耗≤１００ ｍＷ¨ 。 １ 系统硬件电路设计 １．Ｉ系统总体框图 系统具有Ａ、Ｂ两个通道，其中Ａ为单极性通道， 为双极性通道。信号经过前级处理后，将其送入单 片机自带的Ａ／Ｄ转换器，将转换后的数据存入ＲＡＭ 中，因ＲＡＭ中的数据在掉电后不能保存，故通过ＩＡＰ 在线应用编程，将ＲＡＭ中的数据存入片内的Ｆｌａｓｈ 中，从而实现存储数据的功能。系统上电后，通过查 找Ｆｌａｓｈ的地址并取出数据，将Ｄ／Ａ转换后的信号经 过后级处理后送入显示器中，此时的信号即为回放的 信号。系统方案框图如图１所示。 图１系统方案框图 收稿日期：２０１２—０５—１７ 作者简介：罗乐（１９７４一），男（汉族），四川平昌人，讲师，硕士，研究方向：电子技术与计算机应用。 李可为（１９６１一），男（汉族），吉林吉林市人，副教授，硕士，研究方向：电子技术与智能控制。 ２０１２年第３期 罗乐，李可为，笪贤进：基于ＬＰＣ１７５８的波形采集存储与回放系统设计 １．２ Ａ通道电路图 １．２．１ Ａ通道前级信号处理电路图 Ａ通道输入的单极性信号，其幅值 为０～４ Ｖ，且输入阻抗大，输出阻抗 小。采用电压跟随器可以达到输入阻 抗≥１０ ｋｌｑ。由运放ＴＬ０６１构成的电压 跟随器，其输出与输入之间的固定直流 电压极小，负反馈量大，输出与输入基 本无差别。当输入阻抗很高时，对前级 电路相当于开路；当输出阻抗很低时， 对后级电路就相当于一个恒压源，即输 出电压不受后级电路阻抗影响。因其 输出具有低阻抗特性，使得它在电路中 可以起到阻抗匹配的作用，能够使得后 级的放大电路更好的工作。电路如 一ＧＮＤ 图２电压跟随器 十５Ｖ 图２所示 』。 因本系统Ａ通道输入的电压信号 约为４ Ｖ，大于Ａ／Ｄ转换器所能处理信 Ｃ 号的电压，故采用运放ＴＬ０６１做衰减电 路，如图３所示。 Ｃ １．２．２ Ａ通道后级信号处理电路图 １）Ａ通道后级信号处理框图 将存放在Ｆｌａｓｈ中的数据取出送入 片内ＲＡＭ中，通过ＲＡＭ传人单片机内 部Ｄ／Ａ转换器中，Ｄ／Ａ转换的输出信 号经过一级固定增益放大和滤波后， 即可达到所要求的波形，然后再将其 送入示波器显示，这样就形成了一个 信号回放系统。 ２）固定增益放大电路 固定增益放大电路如图４所示， 固定增益为Ａ ｒ＝１＋ ，可通过 调 ｎｌ４ 图３信号衰减电路 节固定增益大小。 ３）阻抗匹配电路 为达到设计要求的阻抗匹配（输 出阻抗＜１ ｋｎ），在滤波电路后加一个 图４固定增益电路 图５射极跟随电路 共集电路，如图５所示。 １．３ Ｂ通道电路图 １．３．１ Ｂ通道前级信号处理系统框图与电路原理图 因Ｂ通道的输入为双极性的信号，峰峰值为１００ ｍＶ，频率为１０ Ｈｚ～１０ ｋＨｚ，故可以直接用仪表放大器 将信号放大到Ａ／Ｄ转换器所能处理的范围。因为Ａ／Ｄ转换器不能采集负电压，故要将放大后的信号加一 个偏置电压。本系统采用仪表放大ＩＮＡ１２９和ＩＮＡ１ １８构成的双仪表放大，将处理后的信号送人单片机内部 １ 的Ａ／Ｄ转换器中。通过 ＝÷（１＋ ）Ｖｉ 一 （其中，Ｖ为偏置电压， 为放大后的输入信号， 为参考电 』Ｌ１６ 压）计算和调节偏置电压的大小。电路如图６所示。 成都电子机械高等专科学校学报ｈｔｔｐ：／／ｐａｐｅｒ．ｃｄｔｕ．ｅｄｕ．ｏｎ／ 第１５卷 １．３．２ ８通道后级信号处理电路图 将存放在Ｆｌａｓｈ中的数据取 出，经ＲＡＭ传人外围的Ｄ／Ａ器， 由Ｄ／Ａ转换后的信号是经过前级 放大后的信号，需要将信号进行衰 减滤波后送人示波器中。其后级 处理原理如图７所示 。 ２系统软件设计 ２．１程序功能描述 软件部分主要实现数据的采 集、存储与回放、显示和按键控制 等功能 ］。 数据采集：本系统通过单片机 内部自带的Ｄ／Ａ对数据进行采 图６ Ｂ通道前级信号处理电路 集。采样时间利用ＬＰＣ１７５８的定 时器来完成；通过Ｐ ＝２× ×Ｎ （其中：Ｐ ，为信号的周期， 为ＡＤ 采样的周期，Ⅳ为采样的次数。）求 出信号周期的最大值与最小值，从 而计算出极值之间的计数值的大 小，通过异常数据抛除法来准确地 找到采样数据的相临最小值，从而 准确计算信号的周期。 数据存储：利用ＩＡＰ在线应用 编程，将采集后ＲＡＭ里的信号数 据存入Ｆｌａｓｈ存储器中，使数据掉 电后不会丢失。 波形形状判断：采用跳变沿算法 图７ Ｂ通道信号的后级处理原理图 实现对波形形状的判断，即通过相邻 采样点数据的变化来推断波形形状。 数据回放：系统上电后，通过查找Ｆｌａｓｈ存储器中的地址，将数据存入ＲＡＭ中，再将数据送至Ｄ／Ａ转换 器，从而实现数据回放功能。 显示功能：显示输入信号的极大值、极小值和周期的大小。 ２．２程序流程图 主程序流程图、波形采集子程序流程图、极值与周期计算程序流程图如图８所示。 迭代比较求最大和最小值 ｌ＋ ｌ多次求极小值记录采样位置 ● 迭代求差，计算出相临２个极 小值之间的采样点数 ● 通过采样点数和频率求周期 （ａ）主程序流程图 （ｂ）信号采集流程图 图８程序流程图 （Ｃ）极值与周期的计算流程图 ２０１２年第３期 罗乐，李可为，笪贤进：基于ＬＰＣ１７５８的波形采集存储与回放系统设计 ３测试结果及分析 表１功能测试结果 ３．１测试仪器及型号 功能 测试结果 ＬＴＤ２１０２ＣＥＬ示波器、ＶＩＣＴＯＲ ＶＣ８９０Ｄ万用表、 高低电平显示功能 良好 采样、回放功能 良好 ＳＧ１０８０Ａ数字合成信号发生器 Ｊ。 周期检测 良好 ３．２测试方案 波形检测 良好 掉电存储检测 良好 １）功能测试如表１所示。 ２）Ａ通道电平测试条件：输入电压峰峰值４ Ｖ，输入 频率１ ｋＨｚ，测试结果如表２所示。 ３）Ｂ通道指标测试，输入双极性信号 。＝１００ ｍＶ， 测试结果如表３所示。 表３ Ｂ通道波形测试结果 ３．３测试结果分析 由表１、表２、表３可知，本设计能完成对 通道单极性信号、频率约１ ｋＨｚ信号的采集、存储与连续回 放。可以完成Ｂ通道双极性信号采集和回放。采集、回放时能测量并显示信号的高电平、低电平和信号的 周期。原信号与回放信号电平之差的绝对值小于５０ ｍＶ，周期之差的绝对值小于５％。由于本系统采用的 是ＬＰＣ１７５８控制器，并且使用了内部集成的高速Ａ／Ｄ、Ｄ／Ａ，加上显示及模拟信号调理电路，因此系统功耗 略高。 ４ 结语 在设计过程中，原理图的元器件参数的选择都是通过计算而来，对程序编写采用了相应的新算法，从理 论上保证结果的正确性。从结果演示可以看出，系统完全满足设计要求。采样信号的上限及下限频率都能 达到，信号周期计算准确，波形回放图形质量较好，系统功耗较低，而且具有实时Ｉ生。 参考文献： ［１］黄智伟．全国大学生电子设计竞赛训练教程［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２００７． ［２］周雪．模拟电子技术［Ｍ］．西安：西安电子科技大学出版社，２００５． ［３］ＪＵＮＧ Ｗ，张乐锋，张鼎．运算放大器应用技术手册［Ｍ］．北京：人民邮电出版社，２００９ ［４］杨欣，王玉凤，刘湘黔．电子设计从零开始［Ｍ］．２版．北京：清华大学出版社，２０１０． 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