基于單片機設計的簡(jiǎn)易多通道虛擬示波器系統電路

　　數據采集電路設計

　　ATmega16單片機是美國Atmel公司生產(chǎn)的基于增強的AVR RISC結構的低功耗8 位CMOS微控制器。ATmega16有如下特點(diǎn)：16k字節的系統內可編程Flash（具有同時(shí)讀寫(xiě)的能力，即RWW），512字節EEPROM，1k字節SRAM，32個(gè)通用I/O口線(xiàn)，32個(gè)通用工作寄存器，用于邊界掃描的JTAG接口，支持片內調試與編程，三個(gè)具有比較模式的靈活的定時(shí)器/計數器（T/C），片內/外中斷，可編程串行USART，有起始條件檢測器的通用串行接口，8路 10位具有可選差分輸入級可編程增益（TQFP封裝）的ADC，具有片內振蕩器的可編程看門(mén)狗定時(shí)器，一個(gè)SPI 串行端口，以及六個(gè)可以通過(guò)軟件進(jìn)行選擇的省電模式。

　　圖2 采樣電路原理圖。

　　本設計正是利用ATmega16的8路10位可編程增益的逐次比較型ADC及可編程異步串行接口的內部資源，從而簡(jiǎn)化了電路設計的難度及編程難度。采樣電路的電路圖如圖2所示，ATmega16只需結合簡(jiǎn)單的晶振電路和復位電路就可以完成本設計的需求。模擬信號通過(guò)8路模擬輸入的任意端口輸入即可，通過(guò)單片機內部程序控制，很容易就將輸入模擬量轉化為數字量。單片機再通過(guò)串行接口傳輸給PC機， 串行通信通過(guò)串行發(fā)送引腳TXD（PD1）和串行接收引腳RXD（PD0）連接串行通信接口電路實(shí)現數據的串行傳送與接收。

　　串口通信接口電路設計

　　本系統設計中通過(guò)Max232連接單片機和PC機。ATmega16 具有異步串行通訊接口（UART），UART是為能與計算機通訊的全雙工異步系統。本系統采用RS232接口方式， 由于RS232信號電平與AVR單片機信號電平（TTL 電平）不一致，因此在采用RS232標準時(shí)必須進(jìn)行信號電平轉換。在串行通信的接口電路中選用MAX232芯片作為信號電平轉換芯片，實(shí)現TTL電平和 RS232接口電平之間的轉換。從而把ATmega16內部需要傳送的數字信號準確無(wú)誤地傳輸給PC機，供上位機軟件讀取并進(jìn)行信號處理。

　　串行接口電路原理圖如圖3所示，TTL電平引腳輸入引腳9、10，連接ATmega16的串行發(fā)送接口TXD和串行接收接口RXD，通過(guò)電平轉換為RS232電平，通過(guò)7腳和8腳連接串行接口的2腳和3腳，串行接口通過(guò)串行通信線(xiàn)連接采樣模塊的串行接口和PC機的串行接口。ATmega16通過(guò)內部編程很方便地把數據傳送給PC機。

　　圖3 串口通信接口電路圖。

　　多通道采樣原理：由于A(yíng)Tmega16內部ADC為8選1數據通道，在具體實(shí)現某路數據采集時(shí)就必須更改多工選擇寄存器ADMUX的數值。為能隨時(shí)更改通道，本設計采用主從方式，通過(guò)上位機發(fā)送給ATmega16的數值來(lái)改變通道。在A(yíng)Tmega16的串行中斷的接收中斷中， 通過(guò)判斷接收的數值更改ADMUX的數值。同時(shí)，在串行接口接收中斷中，通過(guò)接收的數值的編碼也可用來(lái)改變ADC相鄰兩次轉換之間的延時(shí)值，從而達到改變轉換速率的效果，當需要采集雙通道數值時(shí)，單片機內部ADC可采用分時(shí)復用的原則，同時(shí)將獲得的八位數據加一個(gè)最高標志位，擴展為九位數據位。上位機通過(guò)對數據的最高位的校驗，可以很方便地區分數據，在顯示界面上將雙通道波形實(shí)時(shí)顯示更新。

　　本文設計的虛擬示波器系統由單片機ATmega16和Max232構成的下位機系統及由LabVIEW開(kāi)發(fā)的上位機軟件構成。系統充分利用 ATmega16單片機軟硬件資源，方便快捷地實(shí)現數據采集。并且通過(guò)RS232接口實(shí)現與上位PC機的連接，PC機通過(guò)LabVIEW開(kāi)發(fā)平臺方便地實(shí)現進(jìn)行數據的分析、處理、存儲和打印輸出的簡(jiǎn)易虛擬示波器。本系統具有電路簡(jiǎn)單、使用靈活方便等特點(diǎn)。因此能廣泛應用于工業(yè)、農業(yè)、水文系統、環(huán)境監測等領(lǐng)域，實(shí)現現場(chǎng)勘測和數據采集。