摘要：虛擬示波器在應用中體現(xiàn)出簡易、靈活、便攜、易于與PC機通信的特點。該設計中采用超低功耗的MSP430F169單片杌作為控制核心，實現(xiàn)模／數(shù)轉換，它能保證高運算速度和系統(tǒng)的工作穩(wěn)定。同時使用高速USB接口與PC機進行數(shù)據(jù)傳輸，在PC機端對信號進行分析和再現(xiàn)，實現(xiàn)信號的實時顯示和信號的特征分析；系統(tǒng)采用USB供電，不僅可降低功耗，而且易于使用和攜帶。實驗結果表明，該設計達到了預期目標。
關鍵詞：MSP430；USB；虛擬示波器；低功耗系統(tǒng)
0 引言
信息技術的高速發(fā)展，對新的技術設備提出了數(shù)字化，小型化和低功耗的要求，而虛擬示波器就是為適應這一發(fā)展而設計的。MSP430單片機具有集成度高、嵌入模塊豐富(12位AD、16位定時器、FLASH、3通道DMA等)、超低功耗、系統(tǒng)穩(wěn)定等特點，在許多領域得到了廣泛的應用。對于一個虛擬示波器，一般通過采集模擬波形，然后由MCU經(jīng)過A／D轉換，產生相應的波形數(shù)據(jù)，經(jīng)多級緩沖和傳輸，再經(jīng)過相應的數(shù)字信號處理(如FFT等)，最后通過采樣將模擬波形還原出來。MSP430F169單片機內嵌12位A／D轉換器，通過前置放大器、信號調理、比例轉換后，由單片機完成模數(shù)轉換，數(shù)據(jù)將從單片機經(jīng)由USB接口高速傳輸至PC機，PC機經(jīng)過一系列的數(shù)字信號處理后將波形顯示在PC機控制臺上。這一設計，達到了小型化、多樣性、高精度、低功耗、便攜式、嵌入式的要求，是一個功能齊全的智能化配置的功能設備，較好地體現(xiàn)了MSP430單片機的控制和外圍模塊豐富的優(yōu)越性。同時采用USB供電，通過內部電路對電源的分配，達到了低功耗的要求。
1 設計方案
為了開發(fā)一種小型化、便攜式、低功耗、功能齊全的波形收集、顯示的智能化虛擬示波器，提供大學生自主開發(fā)和電子設計需要，具備基本硬件測試和分析功能，達到低成本測試平臺，設計方案如圖1所示。
它主要包含兩部分：
(1)對輸入信號進行收集、調理、采樣和A／D轉換，并通過USB傳輸?shù)接嬎銠C端，通過信號處理后顯示在計算機屏幕。
(2)采用低功耗器件，保障USB供電，為儀器提供充足的電能。
1．1 電源設計
該設計中單片機是工作在低功耗模式的，因此對系統(tǒng)的電源管理十分重要。為了降低系統(tǒng)的功耗，使用USB為全電路供電，設計了由單片機程控的電源開關。它包括了過電流、過電壓保護、低功耗運行模式和休眠，并采用分布供電的方式，從而達到了省電及減低功耗的目的。
由于電路中使用了電壓±12 V的程控放大器，因此必將USB的5 V電源通過程控開關轉換成±12 V的電源，其電路轉換中使用的轉換芯片為MAX743。MAX743是雙輸出的，PWM開關時穩(wěn)壓器。它可以從5 V轉換成±12 V或者±15 V電壓。它的主要應用特點為：電流變化為100～125 mA、低噪聲電流模式反饋、短路保護、可邏輯選擇±12 V或±15 V電壓輸出、內置電源MOS管、擁有±4％的精度、可軟件啟動等?；谝陨咸攸c，它能夠有效地進行自我保護，對電壓的影響相當小，并且能夠容易地將噪聲和尖峰濾除，保證了電源信號的質量。
1．2 USB設計
USB塊在整個電路中實現(xiàn)的功能為：提供整個電路的電源、實現(xiàn)PC與單片機之間的數(shù)據(jù)的快速傳輸。
使用USB控制芯片PDIUSBD12實現(xiàn)USB數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂疲胢iniUSB接口實現(xiàn)PC機與采集板的連接。PDIUSBD12提供了高達12 Mb／s的傳輸速率，可以進行存儲器直接尋址，即DMA傳輸，既加大了數(shù)據(jù)吞吐量，同時也提高了數(shù)據(jù)傳輸速度。PDIUSBD12所具有的低掛起功耗功能，連同LazyClock輸出可以滿足使用ACPIOnNOW和USB電源管理的要求，低的操作功耗，也可以應用于使用總線供電的外設。PDIUSBD12芯片接收來自于單片機的8位數(shù)據(jù)，通過來自單片機的控制信號，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通過miniUSB接口到PC機的串行數(shù)據(jù)傳輸。
1．3 MSP430內嵌模數(shù)轉換器
要將收集到的波形轉換成一系列的數(shù)據(jù)量，以便于進一步的處理和研究，A／D轉換是必不可少的。在這里，為了提高轉換效率和轉化速率，同時為了控制方便以、數(shù)據(jù)的存儲的可靠性與快速存儲，使用了單片機內部的A／D轉換模塊來進行A／D轉換。而使用單片機內部的模塊也能夠減小系統(tǒng)的功耗與使用的元器件的數(shù)量。
ADC12模塊內置了6種可編程選擇的參考電源，使用時可以根據(jù)不同要求進行選擇。ADC12共有12個轉換通道，設置了16個轉換存儲器用于暫存結果，通過合理的軟件設置后，ADC12硬件會自動將結果存放到相應的ADC12MEM寄存器中。通過ADC12的轉換得到波形的數(shù)據(jù)，經(jīng)過單片機內部的DMA數(shù)據(jù)傳輸后可將其送到USB端，從而發(fā)送給PC機處理。圖2為單片機到PC機的數(shù)據(jù)傳輸。
計算機端應用程序使用C sharp語言開發(fā)。其目的是將接收的數(shù)據(jù)轉換成模擬波形從而顯示在計算機上其控制臺如圖3所示。
2 PC控制臺及編程
計算機端程序需要不斷地將波形顯示在主界面上，主按鈕觸發(fā)后將調用backgroundworker控件生成一個新的線程來不斷發(fā)送采樣命令、接收設備傳來的數(shù)據(jù)以及將數(shù)據(jù)進行恢復顯示。新建線程使后臺處理過程中主界面仍然可以響應用戶的請求。在顯示過程中需要對波形顯示的幅度大小和時間間隔調整，這是通過主界面提供的控件設置控制變量，新線程使用這些變量恢復和顯示波形實現(xiàn)的。
3 實驗
虛擬示波器通過接收一個信號，然后顯示在PC機控制臺上。同時對兩個端點進行了測試；信號采集輸入端和單片機接收端。在圖4中，(a)為輸入波形，(b)為在單片機接收端的波形?？梢钥闯觯ㄐ谓?jīng)轉換后送到單片機接口的信號很好。同時已經(jīng)加入直流偏置，符合單片機轉換的要求。單片機轉換后的數(shù)據(jù)經(jīng)USB傳輸?shù)絇C機上進行顯示。圖5為在PC機上顯示的波形，它的實現(xiàn)依賴于軟件的編程。
使用信號發(fā)生器作為信號輸入，使用MOS-620示波器對信號進行校準。表1中通過對測試數(shù)據(jù)的分析，參數(shù)在精度上的誤差基本控制在5％以內。但對于頻率較大的信號，由于和采樣頻率相近，其頻率會有較大的誤差。在波形顯示上滿足了設計要求，能夠滿足采集最大頻率為100 kHz的波形。
4 結語
本文采用性能優(yōu)越的MSP430F169作為控制核心。通過USB與PC機進行數(shù)據(jù)交換，利用PC機進行人性化的操作。通過USB的設計實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的快速傳輸，利用USB供電，使用電源管理的方法對電源進行分配，單片機對電源開關進行控制，既實現(xiàn)了電源的可控性，又降低了功耗。使用MSP430在低功耗模式下，內部的A／D模塊能夠實現(xiàn)快速而精準的A／D轉換。通過各個部分的硬件設計在相關軟件的輔助下實現(xiàn)了要求波形的顯示，完好達到了虛擬示波器的設計。
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