基于单片机信号采集与回放系统的设计与实现_吴宁
基于单片机信号采集与回放系统的设计与实现*
吴宁1，李斌2，柴世文3
（1．兰州工业高等专科学校电气工程系，甘肃兰州730050；2．兰州石化公司研究院，甘肃兰州730060）
摘要：重点介绍了一种基于89C52单片机为控制核心的信号采集与回放控制系统。该系统结合ADC0809、DAC0832数据采集模块，实现对两路外部信号进行采集、存储及回放。系统模拟部分主要包括信号调节电路和A/D模块等：软件部分主要由主程序和子程序模块组成，主要实现了A/D转换器的启动与及对采样数据的存储，频率及幅值的计算，按键及显示屏的控制。该系统经过测试实验，能耗低，性价比高，具有较高的实际应用价值。关键词：信号采集与存储；信号复现；信号调节；回放系统
中图分类号：TM13文献标识码：A文章编号：1007－4414（2011）06－0121－03
The design and implementation of signal acquisition and playback
system based on microcontroller
Wu Ning1，Li Bin2，Chai Shi－wen3
（1．Electrical engineering department，Lanzhou polytechnic college，Lanzhou730050，China；
2．Research institute of Lanzhou petrochemical corporation，Lanzhou730060，China；
3．Gansu academy of mechanical science，Lanzhou Gansu730030，China）
Abstract：This paper proposed a signal acquisition and playback control system based on89C52as the control unit．The sys-tem associated with ADC0809and DAC0832to achieve the two external signal acquisition，storage and playback．The analog section of the system included signal adjusting circuit and A/D module．The function of software modules consisted of main program and subroutine．It realized the start of the A/D converter，the sampling data storage，the calculation of the frequency and amplitude，the control of the buttons and display．The system has been tested to prove low energy consumption，cost－ef-fective and high practical value．
Key words：signal capture and storage；signal reproduction；signal conditioning；playback system
1引言
很多工业现场中的电气设备在发生故障时，由于环境限制或是故障原因复杂，无法有效对系统故障进行在线的分析和判别，如果能够记录下故障设备产生的信号，再通过网络进行专家判别，将更利于系
统的快速恢复与故障排除。笔者基于以上实际问题，在实验室环境内设计并实现了一个小信号的波形采集、存储与回放系统，通过实际测试可以看出控制效果良好，改善后可应用于工业场合，有较高的应用价值。2总体方案设计
本设计考虑了两种设计方案：①方案一：采用扫频外差法。将输入信号和扫频本振产生的信号混频，使变频后信号不断移入窄带滤波器，进而逐个选出被测频谱分量，这种方法的优点是扫频范围大，但对硬件电路要求较高，分辨率不高，难以满足一般细号的识别要求；②方案二：采用89C52单片机为控制核心［1 3］，对输入信号进行调节后，通过A/D转换将模拟信号转换成数字信号，再通过单片机将采集到的数据存至内部ROM，然后由单片机控制将数据送至D/A输出，系统在断电恢复后仍有波形输出，此方案性价比高，实现较为容易，采用普通的运算放大器即可完成，其系统框图如图1所示
。
图1系统总体结构框图
对于采样频率的选择，系统设计中也对两个方案进行了对比［4，5］：①方案一：实时采样，实时采样是在信号存在期间对其采样，根据采样定理，采用速率必须高于信号最高频率分量的两倍，对于周期的正弦信号，一个周期内应该大于两个采样点，为了不失真的恢复原被测信号，通常一个周期内需要采样8个点以上；②方案二：采用等效时间采样法和中高速模数转换器，对于频率较高的周期性信号采用等效时间采样
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检测与控制·机械研究与应用欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘
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*收稿日期：2011－10－08
作者简介：吴宁（1981－），男，甘肃兰州人，讲师，硕士，研究方向：计算机网络以及自动化装置。
的方法，即对每个周期仅采样一个点，经过若干个周期后就可对信号各个部分采样一遍，而这些点可以借助步进延迟方法均匀地分布于信号波形的不同位置，其中步进延迟是每一次采样点比上一次采样点的位置延迟Δt 时间，只要精确控制从触发获得采样的时间延迟，
就能够准确地恢复出原始信号，等效时间采样虽然可以对很高频率的信号进行采样，
可是步进延迟的采样技术与电路较为复杂，再者它只限于处理周
期信号，无法处理单次触发采样，实时采样可以实现整个频段的全速采样，因此本设计采用方案一。
对于频率测量，通过单片机读取存储在ROM 中的波形数据，到波形的上升过零点位置或者波形数据的峰值，并记录此时的地址ADR1，在扫描下一个波形的上升过零点位置或者波形数据的峰值，并记录此时的地址ADR2，通过如下公式可以计算出波形的
频率：f =1/［B ˑ（ADR2－ADR1）/20］，其中B 为水平分辨率，
s /div 。3
硬件设计
3．1
调节电路
（1）输入信号调节
输入信号调节的目的一是扩大可测信号的幅度范围，
设置放大器，对小信号进行放大，以保证足够的动态范围；二是为了不影响被
测信号，保证输入端有较高的输入阻抗，输入信号调节电路如图2所示
。
图2
输入信号调节电路
图3单极性变双极性电路
（2）输出信号调节本系统采用8位D /A 转换
器DAC0832，
单极性输出，由于输入中有双极性信号，需要将其进行复现，因此要将其转换成单极性信号，同时要进行缩小和滤波，单极性变双极性电路如图3所示，
输出信号调节电路如图4所示
。图4
输出信号调节电路
3．2
A /D 和D /A 转换电路
（1）A /D 转换本系统选用8位A /D 转换芯
片。当前常用的A /D 转换的实现方法有多种：积分式、逐次逼近式、并行比较式、量化反馈式等。AD0809是8位带微机接口的逐次逼近式转换器，它具有转换速度较快、转换精度较高的特点。
（2）D /A 转换D /A 转换器的作用是将存储的数字信号转换为模拟信号，由于一般的D /A 转换器都能达到1μs 的转换速率，足够满足题目的要求，所以此系统中选用通用的D /A 转换器DAC0832。
4软件设计
系统的硬件部分主要完成信号的前置变换，滤波
以及波形的采集，当系统收集到外部信息后，由软件部分实现系统的存储，设定控制内容并对信号输出进行控制，以及相关的参数计算等。软件设计是系统控制部分的核心，系统主程序流程如图5所示
。
图5程序流程图
5
系统测试
5．1
测量仪器
伤心城市冷漠测试过程中主要用到的仪器有：普通示波器
YB 4320B ，开关电源，数字示波器DS5102CAE ，数字
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221·检测与控制
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函数信号发生器DG3661A 。5．2测量结果
（1）输入端将数字函数信号发生器DG3061A
对此可以酣高楼
输出V pp =100mV ，频率分别为100Hz 、200Hz 、500Hz 、1kHz 、5kHz 、10kHz 的方波、三角波和正弦波，分别对波形进行输入电路调节后的输出频率和幅值进行测量，
测得的频率与幅值结果分别如表1、2所示。表1
频率测量表
100
2005001k 5k 10k 方波1002005001k 5k 10k 三角波1002005001k 5k 10k 正弦波
101
199
500
1．01k
5k
10．1k
表2
幅值测量表
100
2005001k 5k 10k 方波90mv 95mv 93mv 100mv 96mv
96mv 三角波92mv 95mv 93mv 99mv
98mv
98mv
正弦波
93mv
95mv
95mv
98mv 100mv 97mv
（2）输出端
DAC0832采用单极性输出，用数
字函数信号发生器DG3061A 输出V pp =100mV ，频率分别为100Hz 、200Hz 、500Hz 、1kHz 、5kHz 、10kHz 的方波、三角波和正弦波模拟D /A 转换来的模拟信号，进行输出电路调节，测得的频率与幅值结果分别如表3、4所示。七情六欲什么意思
表3频率测量表
安全生产先进材料100
2005001k 5k 10k 方波1002005001k 5k
10k
三角波1002005001．017k 5．015k 10．013k
正弦波
107
207
509
1k
5．005k 10．01k
表4
幅值测量表
100
2005001k 5k 10k 方波90mv 88mv 94mv 90mv 91mv 90mv 三角波88mv 90mv 94mv 92mv 92mv 91mv 正弦波
90mv
88mv
90mv
92mv
93mv唐山大地震死了多少人?伤了多少人?
91mv
系统在100Hz  10kHz 双极性波输入时，测得的
幅值和频率值如表5、
6所示。表5
幅值测量表
1002005001k 5k 10k 方波90mv 92mv 94mv 90mv 91mv 93mv 三角波95mv 90mv 95mv 92mv 94mv 91mv 正弦波
90mv
85mv
90mv
92mv
93mv
91mv
表6频率测量表
1002005001k 5k 10k 方波1002014981k 5k 10．05k 三角波1032005021k 5．1k 10k 正弦波
105
2002
500
1k
5k
企业房产税如何征收
10．2k
6结论
本系统以89C52单片机为核心，结合A /D 、
D /A 转换电路，完成了对单极性和双极性两路信号的采集、存储与回放。系统能够对100Hz  10kHz 的单极性、双极性的信号进行采集、存储与回放，同时输入部分和输出部分模拟电路输出的波形的幅值误差≤6mV ，频率误差≤50Hz 。采用LCD 直观形象地显示各波形的频率和幅值，整个系统能稳定有效地工作并达到相应的技术指标，对此系统改善后可用于工业现场电气设备的故障分析。参考文献：
［1］胡汉才．单片机原理及接口技术［M ］．北京：清华大学出版社，
2010．
［2］全国大学生电子设计竞赛组委会．全国大学生电子设计竞赛品
精选［M ］．北京：北京理工大学出版社，2003．［3］李
静，程安宇，陈
卓．快速学通51单片机C 语言程序设计
［M ］．北京：人民邮电出版社，2010．
［4］李健民，夏健全．模拟电子技术基础［M ］
．北京：清华大学出版社，北京交通大学出版社，2005．［5］陈
瑞．数字电子技术基础［M ］．北京：清华大学出版社，北京交通大学出版社，
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预计2014全球机床需求量将达1210亿美元
2011年11月10日据工业市场研究公司Freedonia Group 对世界机床产业的最新研究显示，世界各国对金属切削机床、金属成型机床和机床附件等机床产品的需求将保持每年9．4%的强劲增长势头，到2014年，全球的需求量将达到1210亿美元。
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本刊辑·
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321·欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘检测与控制
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