基于單片機(jī)的便攜式脈沖信號(hào)參數(shù)測試儀

摘要：本文介紹了基于C8051F340單片機(jī)的脈沖信號(hào)參數(shù)測試儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。該測試儀能對(duì)脈沖信號(hào)的幅值、頻率、周期、占空比等參數(shù)進(jìn)行測量。通過采用10次定數(shù)計(jì)時(shí)法，提高測量精度，縮短測量時(shí)間。實(shí)驗(yàn)測試表明，該測試儀的誤差率較低，精度高，能夠滿足閃光盒性能測試與校驗(yàn)的要求，可用于電信號(hào)參數(shù)測量、儀器檢測等領(lǐng)域。該測試儀已應(yīng)用于某型軍用飛機(jī)閃光盒信號(hào)檢測中，其穩(wěn)定性、精確性均能滿足要求。
關(guān)鍵詞：單片機(jī)；脈沖信號(hào)；測試儀；定數(shù)計(jì)時(shí)

0 引言
    目前在測量領(lǐng)域里，脈沖信號(hào)既可作為已知的激勵(lì)信號(hào)，又可作為未知的被測信號(hào)。當(dāng)作為未知的被測信號(hào)，對(duì)其參數(shù)(幅值、周期、頻率、占空比)測試越顯重要。以單片機(jī)為核心的脈沖信號(hào)參數(shù)測試儀和控制裝置，小巧方便，便于攜帶，且易于擴(kuò)展和技術(shù)更新，鑒于此，作者設(shè)計(jì)開發(fā)了基于單片機(jī)的信號(hào)參數(shù)測試儀。測試儀的主控器件采用Silicon Labs公司的一款C8051F340單片機(jī)，它具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、運(yùn)算和控制功能?？赏ㄟ^按鍵操作測量信號(hào)的幅值、周期、頻率和占空比等參數(shù)，并在YMl2864LCD液晶顯示器上實(shí)時(shí)顯示。本儀器具有操作簡單、體積更小、便于攜帶和人機(jī)界面友好等特點(diǎn)。該儀器已用于某型軍用飛機(jī)閃光盒信號(hào)檢測，反饋良好，其穩(wěn)定性、精確性均能滿足要求。

1 硬件設(shè)計(jì)
1．1 測試儀組成框圖
    測試儀由單片機(jī)模塊、顯示模塊、按鍵模塊、電源模塊和信號(hào)調(diào)理電路模塊組成。單片機(jī)內(nèi)部集成10位的A／D轉(zhuǎn)換模塊簡化了硬件電路設(shè)計(jì)。脈沖信號(hào)通過信號(hào)調(diào)理模塊，經(jīng)單片機(jī)系統(tǒng)的A／D轉(zhuǎn)換模塊采集信號(hào)，單片機(jī)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過I／O口控制液晶模塊顯示測量結(jié)果。系統(tǒng)組成框圖如圖l所示。

1．2 單片機(jī)的選用
    本測試儀的主控器件選用C8051F340單片機(jī)，該單片機(jī)功能強(qiáng)大的集成模塊簡化了硬件電路設(shè)計(jì)。測試儀A／D轉(zhuǎn)換器選用單片機(jī)內(nèi)部電壓基準(zhǔn)，采集由內(nèi)置的10位轉(zhuǎn)換速率可達(dá)200ksps的A／D轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)。MCU中有一個(gè)片內(nèi)可編程計(jì)數(shù)器／定時(shí)器陣列(PCA)。PCA包括一個(gè)專用的16位計(jì)數(shù)器／定時(shí)器時(shí)間基準(zhǔn)和5個(gè)可編程的捕捉／比較模塊。頻率、周期和占空比的測量可采用PCA精確捕捉脈沖上升沿和下降沿來觸發(fā)定時(shí)器來實(shí)現(xiàn)。
1. 3 鍵盤模塊
    1)鍵盤接口工作原理
    常用的鍵盤接口分為獨(dú)立式鍵盤接口和矩陣式鍵盤接口。獨(dú)立式鍵盤接口就是各鍵相互獨(dú)立，每個(gè)按鍵各接一根輸入線，一根輸入線上的按鍵工作狀態(tài)不影響其他輸入線的工作狀態(tài)。通過檢測輸入電平狀態(tài)可以很容易判斷哪個(gè)按鍵被按下了。獨(dú)立式按鍵電路配置靈活，軟件實(shí)現(xiàn)簡單。但每個(gè)按鍵需占用一根輸入口線，在按鍵數(shù)量較多時(shí)，需要較多的輸入口線而且電路結(jié)構(gòu)繁雜，故此種鍵盤適用于按鍵較少或操作速度較高的場合。而矩陣式鍵盤有行線和列線組成，按鍵位于行，列的交叉點(diǎn)上，適用于按鍵較多的場合。
    鑒于本系統(tǒng)只用到開始、周期測量、占空比測量、頻率測量和幅值測量五個(gè)按鍵，有足夠的I／O口，所以選用獨(dú)立式鍵盤接口。
1．4 顯示模塊
    該測試儀采用YMl2864R漢字圖形點(diǎn)陣LCD液晶顯示模塊。該模塊是一種具有4位／8位并行、2線或3線串行多種接口方式，內(nèi)部含有國標(biāo)一級(jí)、二級(jí)簡體中文字庫的點(diǎn)陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為128×64，內(nèi)置8192個(gè)16×16點(diǎn)漢字，和128個(gè)16×8點(diǎn)ASCII字符集。利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機(jī)交互圖形界面?？梢燥@示8×4行16×16點(diǎn)陣的漢字。也可完成圖形顯示，低電壓低功耗是其又一顯著特點(diǎn)。由該模塊構(gòu)成的液晶顯示方案與同類型的圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊相比，不論硬件電路結(jié)構(gòu)或顯示程序都要簡潔得多，且該模塊的價(jià)格便宜，顯示美觀。

2 軟件設(shè)計(jì)
    本測試儀的軟件設(shè)計(jì)采用C51語言編程。系統(tǒng)程序由主程序、信號(hào)采集子程序、按鍵子程序、信號(hào)處理子程序、液晶顯示程序和中斷子程序等部分組成(程序流程圖如圖2所示)。C8051F340具有豐富的中斷資源，外部中斷和定時(shí)器溢出中斷子程序可完成電壓值、周期、頻率和占空比的測量。

2．1 頻率的測量方法選擇
    頻率或周期的采樣是程序設(shè)計(jì)的核心，其精度會(huì)直接影響到本測試儀的精度。頻率的測量可以利用單片機(jī)的計(jì)時(shí)和計(jì)數(shù)功能來實(shí)現(xiàn)。下面對(duì)頻率的測量方法和測量誤差做簡要分析。
    脈沖周期的測量誤差主要受采樣周期和采樣次數(shù)的影響，由于單片機(jī)程序可以很方便地實(shí)現(xiàn)采樣周期和采樣次數(shù)的精確控制，因而可提高測試精度。脈沖周期的測量方法有定時(shí)計(jì)數(shù)和定數(shù)計(jì)時(shí)兩種方法，本儀器采用定數(shù)計(jì)時(shí)方法，利用單片機(jī)的定時(shí)計(jì)數(shù)器中斷即可實(shí)現(xiàn)。
    1)定數(shù)計(jì)時(shí)法
    定數(shù)計(jì)數(shù)法的設(shè)計(jì)思路是將T0設(shè)為定時(shí)器，T1設(shè)為計(jì)數(shù)器，設(shè)定T1的計(jì)數(shù)中斷次數(shù)n并允許中斷，T0將清零，同時(shí)啟動(dòng)T0和T1，等待T1中斷。在T1的中斷服務(wù)子程序中讀出T0的計(jì)時(shí)值t，即可求出脈沖周期T。
    采用定數(shù)計(jì)時(shí)法時(shí)，單片機(jī)計(jì)數(shù)誤差dn=0，最大計(jì)時(shí)誤差為一個(gè)機(jī)器周期，本系統(tǒng)采用了12MHz晶振，則單片機(jī)機(jī)器周期為1μs，故dtmax=lμs，可以得到T的相對(duì)誤差為：
   
    若要保證其相對(duì)誤差不超過0．1％，即
則有:   
    上面式子表明，定時(shí)計(jì)數(shù)法適用于被測頻率較低的場合。
    2) 定時(shí)計(jì)數(shù)法
    定時(shí)計(jì)數(shù)法的設(shè)計(jì)思路為將T0設(shè)為定時(shí)器，T1設(shè)為計(jì)數(shù)器，設(shè)定T0的定時(shí)中斷時(shí)間t并允許中斷，將T1清零，同時(shí)啟動(dòng)T0和T1，等待T0中斷。在T0的中斷服務(wù)子程序中讀出的T1的計(jì)數(shù)值n，即可求出脈沖周期T。
    采用定時(shí)計(jì)數(shù)法時(shí)，單片機(jī)計(jì)時(shí)誤差t可忽略，故可認(rèn)為dt=O，最大計(jì)數(shù)誤差為一個(gè)脈沖，即dtmax=1，可以得到T的相對(duì)誤差為：

3 實(shí)驗(yàn)測試
    為使該儀器在某型軍用飛機(jī)閃光盒信號(hào)檢測中應(yīng)用，我們模擬產(chǎn)生該閃光盒輸出標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，其參數(shù)為：頻率為1Hz，電壓值為27V，占空比為50％。測試數(shù)據(jù)(如表1)顯示，本儀器對(duì)閃光盒標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)測量的頻率誤差率<1％，電壓誤差率<O．5％，占空比誤差率<O．5％。該測試儀判別準(zhǔn)確，顯示直觀，能夠?qū)崿F(xiàn)快速測量，其穩(wěn)定性強(qiáng)、精確性高。該儀器的測頻范圍可達(dá)O～10kHz，幅值范圍在0～50V。通過改變模擬信號(hào)參數(shù)值進(jìn)行測試，該測試儀精度均能滿足要求。

4 結(jié)束語
    本測試儀采用以單片機(jī)為核心的模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具有硬件電路結(jié)構(gòu)簡單、容易實(shí)現(xiàn)和成本低等特點(diǎn)。其性能可靠、穩(wěn)定性好，檢測迅速準(zhǔn)確，且體積小、重量輕、便于攜帶，適于外場檢測使用。在某型軍用飛機(jī)的閃光盒信號(hào)檢測中應(yīng)用，反饋良好，其穩(wěn)定性、精確性均能滿足閃光盒性能測試與校驗(yàn)要求。