一種新穎的簡易多通道虛擬示波器系統(tǒng)電路設(shè)計

　　本文通過LabVIEW虛擬實驗軟件平臺設(shè)計了一種利用ATmega16單片機進行數(shù)據(jù)采集，通過RS232串行通信將數(shù)據(jù)傳送給PC的簡易虛擬示波器。用戶可以在開發(fā)平臺上對數(shù)據(jù)采集參數(shù)進行設(shè)置和調(diào)整以及對波形數(shù)據(jù)存儲。系統(tǒng)的創(chuàng)新點是擺脫了傳統(tǒng)開發(fā)平臺的限制，具有多通道、方便、靈活等特點，在數(shù)據(jù)采集、傳感器監(jiān)測等領(lǐng)域有重要應(yīng)用。虛擬儀器是基于PC技術(shù)發(fā)展起來的，所以完全“繼承”了以現(xiàn)成即用的PC技術(shù)為主導的最新商業(yè)技術(shù)的優(yōu)點，包括功能超卓的處理器和文件I/O，使在數(shù)據(jù)導入磁盤的同時就能實時地進行復雜的分析。為了實時、準確地測量輸入波形的參數(shù)，本文采用自帶8路10位ADC的單片機ATmega16，結(jié)合簡單的外圍電路，即可將輸入波形實時傳送給PC機進行處理。通過PC機上虛擬儀器平臺LabVIEW開發(fā)的上位機軟件對波形進行顯示和處理，從而達到簡易虛擬示波器的效果。

　　數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計

　　ATmega16單片機是美國Atmel公司生產(chǎn)的基于增強的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8 位CMOS微控制器。ATmega16有如下特點：16k字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash（具有同時讀寫的能力，即RWW），512字節(jié)EEPROM，1k字節(jié)SRAM，32個通用I/O口線，32個通用工作寄存器，用于邊界掃描的JTAG接口，支持片內(nèi)調(diào)試與編程，三個具有比較模式的靈活的定時器/計數(shù)器（T/C），片內(nèi)/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(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器，一個SPI 串行端口，以及六個可以通過軟件進行選擇的省電模式。

　　圖2 采樣電路原理圖。

　　本設(shè)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(nèi)部資源，從而簡化了電路設(shè)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(jié)合簡單的晶振電路和復位電路就可以完成本設(shè)計的需求。模擬信號通過8路模擬輸入的任意端口輸入即可，通過單片機內(nèi)部程序控制，很容易就將輸入模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量。單片機再通過串行接口傳輸給PC機， 串行通信通過串行發(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現(xiàn)數(shù)據(jù)的串行傳送與接收。

　　串口通信接口電路設(shè)計

　　本系統(tǒng)設(shè)計中通過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(tǒng)。本系統(tǒng)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標準時必須進行信號電平轉(zhuǎn)換。在串行通信的接口電路中選用MAX232芯片作為信號電平轉(zhuǎn)換芯片，實現(xiàn)TTL電平和 RS232接口電平之間的轉(zhuǎn)換。從而把ATmega16內(nèi)部需要傳送的數(shù)字信號準確無誤地傳輸給PC機，供上位機軟件讀取并進行信號處理。

　　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，通過電平轉(zhuǎn)換為RS232電平，通過7腳和8腳連接串行接口的2腳和3腳，串行接口通過串行通信線連接采樣模塊的串行接口和PC機的串行接口。ATmega16通過內(nèi)部編程很方便地把數(shù)據(jù)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ATmega16內(nèi)部ADC為8選1數(shù)據(jù)通道，在具體實現(xiàn)某路數(shù)據(jù)采集時就必須更改多工選擇寄存器ADMUX的數(shù)值。為能隨時更改通道，本設(shè)計采用主從方式，通過上位機發(fā)送給ATmega16的數(shù)值來改變通道。在ATmega16的串行中斷的接收中斷中， 通過判斷接收的數(shù)值更改ADMUX的數(shù)值。同時，在串行接口接收中斷中，通過接收的數(shù)值的編碼也可用來改變ADC相鄰兩次轉(zhuǎn)換之間的延時值，從而達到改變轉(zhuǎn)換速率的效果，當需要采集雙通道數(shù)值時，單片機內(nèi)部ADC可采用分時復用的原則，同時將獲得的八位數(shù)據(jù)加一個最高標志位，擴展為九位數(shù)據(jù)位。上位機通過對數(shù)據(jù)的最高位的校驗，可以很方便地區(qū)分數(shù)據(jù)，在顯示界面上將雙通道波形實時顯示更新。

　　本文設(shè)計的虛擬示波器系統(tǒng)由單片機ATmega16和Max232構(gòu)成的下位機系統(tǒng)及由LabVIEW開發(fā)的上位機軟件構(gòu)成。系統(tǒng)充分利用 ATmega16單片機軟硬件資源，方便快捷地實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。并且通過RS232接口實現(xiàn)與上位PC機的連接，PC機通過LabVIEW開發(fā)平臺方便地實現(xiàn)進行數(shù)據(jù)的分析、處理、存儲和打印輸出的簡易虛擬示波器。本系統(tǒng)具有電路簡單、使用靈活方便等特點。因此能廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、水文系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域，實現(xiàn)現(xiàn)場勘測和數(shù)據(jù)采集。