张明洋

(黎明职业大学 信息与电子工程学院，福建 泉州 362000)

当前，在工业测量控制领域应用广泛的波形数据采集系统的常用技术实现方式主要有三种：即采用单片机、FPGA或者DSP.在单片机实现方式中一般以8位单片机为控制核心，在工业测量控制等领域应用中渐渐暴露出实时处理能力有限的问题；FPGA实现方式有着设计方式灵活的优点，但系统构成成本偏高；而DSP实现方式有信号实时处理能力强的优点，并且系统构成性价比处于可以接受的范围；因此，本设计以高性能的16位PIC系列DSP芯片dsPIC33FJ64GP802为控制核心，利用芯片内部自带的A/D和D/A模块对输入波形信号进行相关的模数和数模转换，可实现单极性和双极性输入波形信号的采集、存储和回放，输出波形的电平和周期误差小，系统构成性价比较高，在工业测量控制等领域具有一定的应用价值.

1 数字信号处理器dsPIC33FJ64GP802简介

dsPIC33FJ64GP802是Microchip 公司研发的高性能16位DSP芯片，在3.0～3.6V工作电压下运行速度可高达40MIPS,有16位数据路径宽度和24位指令宽度，最大可寻址4M指令字的线性程序存储空间和64KB的线性数据存储空间，具有16个16位通用寄存器和最大256KB的闪存程序存储器，具有最大49个可用的中断源，内部具有10位1.1Msps或12位500ksps转换速率的两个模数转换器模块，同时具有最大100ksps采样率的16位双通道数模转换模块，完全满足本系统设计的需要.

2 工作方式和运行指标选择

2.1 工作方式

(1)采样方式.由于本设计采用的DSP芯片dsPIC33FJ64GP802运行速度可高达40MIPS，是一款高性能的数字信号处理器，完全满足实时采样的需要，所以系统对输入波形采用实时采样方式.

(2)双踪显示方式.要实现两路波形的同时显示只需要利用dsPIC33FJ64GP802内置的A/D模块、D/A模块和RAM.采样时，模拟开关由RAM的最低地址来控制.输入的A、B通道模拟信号经采集处理后分别存到RAM的奇、偶地址，如有显示需要则读取RAM上相关数据即可实现双踪显示.

(3)触发方式.要实现波形的稳定显示，需要将采集到的输入波形信号或相关的触发信号传送到触发电路.通常有三种触发源：内触发(INT)、电源触发(LINE)、外触发(EXT)[1].本设计可选择INT内触发工作方式，即利用输入信号作为触发信号,同时采用模拟式的触发方式.

2.2 运行指标

(1)A/D位数.通用示波器的垂直方向共8格，要求每格32级，共有32×8=256级.

n=log2256=8

因此采用8位以上的A/D模块即可，本系统使用的主控芯片dsPIC33FJ64GP802内置的10位ADC即可满足要求,此时的垂直分辨率为2-10×100%=0.1%

(2)采样频率.根据采样定理，为了让采样后恢复得到的波形不失真，采样速率必须高于输入信号最高频率分量的两倍[2].本设计输入波形主要有三种，分别为正弦波、三角波和方波，频率范围分别为10Hz～10KHz、10Hz～2KHz及10Hz～1KHz，考虑到三种小型的频率覆盖范围应该以最大的正弦波10Hz～10KHz为主.在工程设计领域，对于一般要求的采样频率只要取输入信号最高频率分量2.5倍以上即可，而对于精度有较高要求的则取5～10倍.

(3)波形回放频率.波形回放频率的设置应满足观察时波形信号稳定不闪的目的.本系统的单通道刷新频率为200Hz；双踪示波时，通道刷新频率为100HZ.通过相关计算，每秒读出的点数应为200*200=40K.即RAM读出频率为40KHz，要求D/A转换速率高于40KHz，而dsPIC33FJ64GP802芯片的D/A转换速率最大可达100KHz,完全满足设计要求.

3 系统原理框图

系统以高性能的DSP芯片dsPIC33FJ64GP802为控制核心，可利用其内置的A/D和D/A模块完成信号的模数和数模转换.A通道输入信号通过单极性输入电路完成电压转换以匹配A/D模块，B通道输入电压通过双极性输入电路完成极性转换的同时进行信号的放大以匹配A/D模块，转换完成后进入DSP芯片dsPIC33FJ64GP802.dsPIC33FJ64GP802在完成按键电路扫描后即结束输入信号的采集和存储过程，可通过LCD模块显示输入波形的电压值和周期特性，并在D/A转换后经输出电路处理以显示原始波形信号.系统原理框图如图1所示.

图1 系统原理框图

4 系统硬件电路设计

4.1 A通道输入电路

根据设计要求，A通道输入波形为单极性信号,其特征参数分别为：高电平值4V，低电平值0V，频率1KHz.如图2所示，A通道输入电路主要由三个LM393组成差分放大电路，一路为被测输入信号，一路为芯片dsPIC33FJ64GP802的RB14端口输出的基准电压，都采用射极跟随器结构以保证输入阻抗大于10KΩ，且通过第二级比较放大电路，将单极性信号处理成为方波RB7端口送入dsPIC33FJ64GP802中.

图2 A通道输入电路图

4.2 A通道输出电路

图3为A通道输出电路，电路主要由两级放大构成，第一级放大电路主要实现对输出信号进行滤波，以消除高频干扰；第二级为放大电路，保证输出信号的电平值在0～4V范围内.

图3 A通道输出电路图

4.3 B通道输入电路

B通道输入电路实际是极性转换电路，电路主要利用LM358构成加法电路，首先抬高输入信号的幅度，将输入信号的双极性转换成单极性后，再经电压比较器输出并送入dsPIC33FJ64GP802作为触发信号.其中Vo0和Vo1通过模拟开关进行切换，以实现对双极性信号正负半周信号进行处理[4].B通道输入电路如图4所示.

图4 B通道输入电路图

4.4 B通道输出电路

B通道输出电路实际上是极性转换电路，主要利用LM358构成减法电路减去直流电平，同时降低信号幅度，以实现信号极性从单极性到双极性的转换.B通道输出电路如图5所示.

图5 B通道输出电路图

5 系统软件设计

上电后系统程序执行方面首先对DSP芯片dsPIC33FJ64GP802和外部硬件进行初始化，之后进行按键电路的扫描，通过I/O口判断是否有按键按下并判断键名.接着根据输入波形极性对输入通道进行选择，并根据是否有按键按下进行信号采集与否的判断.如遇停止采集信号则停止信号的采集，将寄存器置0，并进行存储程序.紧接着根据是否有回放信号进行回放过程执行的判断.系统软件流程图如图6所示.

图6 系统软件流程图

6 系统测试结果

利用示波器和万用表等相关设备对波形采集系统进行了全面测试，测试具体结果如下.

系统可实现对电平范围为0V～4V、频率为1kHz的单极性信号的采集、存储与连续回放，且系统的Ri≥10 kΩ，Ro≤1kΩ.在回放输入波形时可在LCD上读取波形信号的电平值及周期.输入与回放波形的电平误差值在±40 mV范围内，两者的周期误差值保持在±4%范围内.系统可实现对双极性电压峰-峰值为100mV、频率为10Hz～10kHz 信号的采集.系统可对两路信号同一时间进行采集、存储与连续回放，并可测量和显示周期.双极性波形信号的幅度峰-峰值误差在±9 mV范围内，周期误差值在±4%范围内，测试结果完全符合预期的系统设计要求.

参考文献：

[1] 李德尧.波形采集、存储与回放系统的设计[J].仪表技术，2012(5):15-18.

[2] 吴云轩.基于STM32的波形数据采集系统设计[J].通化师范学院学报，2013(6):23-25.

[3] 全国大学生电子设计竞赛组委会.2011年全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编[M].北京:北京理工大学出版社,2012.

[4] 程佩青.数字信号处理教程[M].北京:清华大学出版社,2013.