基于A(yíng)T90S8515單片機的瞬變信號捕獲與存儲器

　　當代科學(xué)研究的許多領(lǐng)域中，常會(huì )遇到如何捕捉單次瞬變信號的問(wèn)題。對于單脈沖信號捕獲、周期信號頻譜分析等高速數據采集系統，通常都采用DMA技術(shù)實(shí)現。不論是由PC機內的DMA控制器芯片實(shí)現，還是由單片機結合DMA技術(shù)實(shí)現，其系統結構都比較復雜;若采用通用DSP芯片開(kāi)發(fā)該類(lèi)儀器儀表，造價(jià)過(guò)高。故此，研制電路簡(jiǎn)單、實(shí)用廉價(jià)的高速數據采集系統是很必要的。本瞬變信號捕獲與存儲器正是基于以上因素而設計的，它是由AT90S8515單片機直接控制TLC5510高速A/D實(shí)現高速數據采集，采樣速率高達8MHz，具有如下功能:

　　·可捕獲各種單次脈沖，最小脈寬可達1微秒。

　　·可將捕獲信號通過(guò)X軸、Y軸輸出，在CRT上顯示出來(lái)。

　　·能實(shí)現超低頻(1Hz以?xún)?信號的穩定顯示。

　　·捕獲信號的觸發(fā)電平、寬度均可預置。

　　該系統已應用于RLC電路暫態(tài)分析測量系統。

1 AT90S8515簡(jiǎn)介

　　ATMEL公司新推出的90系列單片機，內含高速閃存FLASH，是基于增強精簡(jiǎn)指令RISC結構的單片機，簡(jiǎn)稱(chēng)AVR單片機。該系列單片機在吸收PIC及8051單片機優(yōu)點(diǎn)的基礎上，作了重大改進(jìn)，性能十分優(yōu)異。AT90S8515是AVR中比較典型的一種，它用32個(gè)快速存取RISC寄存器代替累加器，避免了傳統的累加器與存儲器間的數據傳送;可在一個(gè)時(shí)鐘周期內執行一條指令來(lái)訪(fǎng)問(wèn)兩個(gè)獨立的寄存器，代碼效率比常規CISC微控制器快十倍;片內具有8K字節的Flash ROM存儲器，是8位單片機中第一種真正的RISC單片機。

　　AT90S8515引腳與MCS-51系列單片機的引腳兼容。有PA、PB、PC、PD四個(gè)8位并行口，其中PA、PC口具有I/O及AD總線(xiàn)功能，PB、PD口具有I/O及特殊功能復用特點(diǎn);復位端采用低電平復位，具有良好的抗干擾性能。AT90S8515運用Harvard結構概念，即對程序和數據帶有不同的存儲器和總線(xiàn)，通過(guò)單一級的流水線(xiàn)可對程序存儲器進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)。當執行某一指令時(shí)，下一指令被預先從程序存儲器中取回，這使得指令可以在每一個(gè)時(shí)鐘周期內被執行，如圖1所示。

　　AT90S8515有模擬比較器，它對正極PB2引腳(AIN0)和負極PB3引腳(AIN1)的輸入值進(jìn)行比較。當PB2端的電壓高于PB3端的電壓時(shí)，模擬比較器輸出(ACO)為1。比較器的輸出可觸發(fā)定時(shí)器/計數器T1的輸入捕獲功能;此外，比較器的輸出可觸發(fā)一個(gè)獨立于模擬比較器的中斷，用戶(hù)可以選擇比較器輸出上升、下降沿觸發(fā)中斷。其方框圖如圖2所示，由ACSR寄存器實(shí)現對該比較器的設定。

2 系統構成

　　系統構成如圖3所示。采用AT90S8515單片機，輸入信號經(jīng)A/D轉換后通過(guò)PA口送入單片機內的SRAM中，同時(shí)輸入信號經(jīng)PB3端引入到單片機的模擬比較器的負端，而該模擬比較器的正端(PB2)連到觸發(fā)電平電位器。SRAM中存放的采集數據從PC口送出經(jīng)74LS273鎖存后由D/A輸出至Y軸。PC口亦送出X軸掃描信號，該信號通過(guò)另一片74LS273鎖存后經(jīng)D/A輸出至X軸，如圖4所示。每片鎖存器的鎖存是通過(guò)對PD6端的置位、復位而產(chǎn)生高低電平切換時(shí)的上升、下降沿觸發(fā)實(shí)現的。通過(guò)PD0、PD1端與MAX232連接，由MAX232擴展出RS232串行通信口，該口可把每次采集的數據送入PC機。通過(guò)PB、PC口亦設計了采集時(shí)長(cháng)調整等控制界面。

3 硬件組成

　　·單片機芯片

　　采用ATMEL公司的AT90S8515，片內有8K字節FLASH ROM和512字節SRAM。設計使用工作時(shí)鐘頻率為16MHz，可以有60納秒以下的指令周期。

　　· A/D轉換器

　　采用TI公司的TLC5510芯片，轉換精度8位并行輸出，采集速率為20MSPS。采用模擬比較器觸發(fā)中斷，觸發(fā)定時(shí)器T1，確定采集時(shí)長(cháng)。

　　· 靜態(tài)RAM

　　靜態(tài)RAM采用片內512字節SRAM。

　　· 串行口電路

　　采用MAXIM公司的MAX232擴展出串行通信口。

　　·D/A轉換器

　　采用NS公司的電流輸出型DAC0832芯片，其電流穩定時(shí)間為1微秒。它把74LS273的鎖存數據經(jīng)數模轉換后在X軸、Y軸輸出。

4 工作原理

4.1 脈沖信號的捕獲

　　單片機系統開(kāi)機運行后，根據捕獲信號的幅度大小，調整好捕獲觸發(fā)電平的值，再調整好捕獲時(shí)長(cháng)。當信號的幅度高于觸發(fā)電平時(shí)，通過(guò)AT90S8515的模擬比較器產(chǎn)生中斷請求，觸發(fā)啟動(dòng)A/D轉換器，并通過(guò)PA口將轉換結果存入片內SRAM內。A/D轉換的采樣時(shí)間長(cháng)短是由定時(shí)器T1的初始值設定，T1的時(shí)長(cháng)可通過(guò)控制界面設定在20μs～1s之間，這樣就保證了瞬變信號能完整捕獲。

4.2 采樣數據的存放

　　每次A/D轉換后的數據存放在片內512字節RAM中。利用512字節中的400字節作為存放A/D轉換的數據區。定時(shí)器T1確定的采樣時(shí)長(cháng)是由操作界面設定的，當在1s采樣時(shí)，采集400個(gè)點(diǎn)數據;1ms時(shí)采集200個(gè)點(diǎn);20μs時(shí)采集數據的點(diǎn)數為100個(gè)點(diǎn)。根據采樣定理與實(shí)際情況，若以采樣5個(gè)點(diǎn)就可分辯出一個(gè)信號的特征計算，當采集時(shí)長(cháng)設定在20μs、采集100個(gè)點(diǎn)時(shí)，可分辨、捕獲瞬變信號的細微脈寬在1μs以下。實(shí)際運行結果也驗證了這樣的分辨率。

4.3 X軸、Y軸輸出

　　為了實(shí)現捕獲信號的觀(guān)察與測量，將X軸、Y軸輸出送至普通示波器的示波管后瞬變信號就能穩定地顯示出來(lái)，這時(shí)也能穩定觀(guān)測超低頻(小于1Hz)信號。X軸信號由R16、R17自動(dòng)累加產(chǎn)生，其值的變化范圍為0～400。捕獲時(shí)長(cháng)是1s、1ms、20μs，采集的數據長(cháng)度分別為400、200、100個(gè)字節時(shí)，寄存器R16、R17的累加步長(cháng)應為1、2、4。這樣就實(shí)現了X軸掃描信號與Y軸捕獲信號顯示的線(xiàn)性性。X軸、Y軸信號的讀出由T0定時(shí)器通過(guò)中斷觸發(fā)，其讀出速度由T0定時(shí)器的時(shí)長(cháng)確定，本系統選取1kHz的讀出速度，且T1的中斷優(yōu)先級高于T0。這樣就保證了信號捕獲時(shí)段不受XY輸出的干擾。捕獲信號也可通過(guò)PD0、PD1端擴展的串口傳送至PC機內進(jìn)行進(jìn)一步分析。

5 軟件設計

　　AT90S8515單片機有32個(gè)通用寄存器，在程序設計時(shí)很靈活地使用了R0～R31寄存器，實(shí)現了程序設計結構簡(jiǎn)單、目標代碼少(小于2K字節)的目的。主程序流程圖見(jiàn)圖5。利用本設計研制的瞬變信號捕獲與存儲器達到了預先的指標?？捎闷胀ㄊ静ㄆ鞯氖静ü苡^(guān)察所捕獲信號的特征;同時(shí)也可方便地觀(guān)察超低頻(1Hz左右)信號，實(shí)現慢掃描示波器的功能。該系統具有很高的性?xún)r(jià)比。