綜合應用計算機--開發多功能測試儀
陳奇明
摘要：介紹利用計算機與微控制器開發實驗儀器結合，應用微控制器作為控制核心，結合外圍整合晶片，開發示波器測量，訊號發生器，萬用表測量，開發出獨立的多功能測試儀器。當與計算機連機使用時，又成為大的測試儀，功能更加強大，操作更加簡便，更利於研究實驗。本系統開發多使用現代的大規模功積體電路，體積小，可靠性高，價格低廉，實用性強。
關鍵詞：計算機，測試儀，測試摸塊，資料傳輸
引言
開展教學研究，實驗是關鍵，而實驗的儀器裝置是研究的重要工具，在學校中由於大量的測量儀器價格昂貴，體積大，攜帶不便，使學校中的科學實驗研究難以普及深入，開發創新科學研究僅僅停留在一個理念上，缺乏大量實際的實驗操作。
計算機的普及應用，及大規模積體電路的發展，為開發高質量低成本的教學實驗儀器裝置提供了可能，這裡設計的《綜合應用計算機-開發多功能測試儀》，是利用微控制器進行開發的多功能測試儀，它可以作為獨立的多功能儀器操作和使用，每一種功能的測試儀器操作控制與傳統的儀器操作控制相對應。設計中增加了微控制器通訊介面與計算機的連線，使測試儀的功能更全面得以發揮，操作更方便，觀察更直觀，使用更安全和研究更方便。
1 系統總體設計
本系統是由微控制器構成中央處理模組，連線訊號發生器模組、萬用表測量模組、示波器探測模組（此模組要與計算機連線使用）、儀器轉換控制模組和液晶顯示模組構成獨立多功能測試儀，通過儀器轉換控制模組控制相應的按鍵，可轉到對應測量模組上，並在液晶顯示模組上顯示對應的測量引數。當使用微控制器通訊介面與計算機連線時，開啟相應的應用軟體系統，通過鍵盤和滑鼠可以方便的對儀器進行操作，使多功能測試儀的效能的得到擴充套件。如圖1為系統總體結構圖。
2 硬體電路設計
在多功能測試儀系統中，微控制器控制處理模組是關鍵的部分，它控制著系統中的各個模組，並對測試中的資料進行接收傳輸和處理，同時還對測試中的各種狀態進行跟蹤、檢測和判斷。因此微控制器型號選用對開發週期，產品效能和質量有著極大的影響，為了降低成本，這裡選價效比極高的STC12C5A60S2微控制器作為主控晶片,其主要效能和功能如圖2所示。
微控制器工作頻率是重要選擇引數，直接影響測試模組的精確度， STC12C5A60S2微控制器工作頻率為：0～35MHz,在設定高速模式下：1個時鐘/機器週期，相當於普通8051：0～420MHz。ISP/IAP為在系統可程式/在應用可程式，利於產品開發中的調整和測試，縮短開發週期。微控制器內部的大量的EEPROM為實時資料測量的儲存提供空間。其內部本身還帶有8路10位高速A/D轉換器，速度可達250KHz(25萬次/秒)，在STC12C5A60S2微控制器中還有兩路可程式計數器陣列PCA/PWM，PCA是一個特殊的16位定時器，有2個16位的捕獲/比較模組與之相連，每個模組可程式在4種模式下：上升/下降沿捕獲，軟體定時器，高速輸出或可調製脈衝輸出。可方便設計為電壓測試，按鍵掃描，頻譜檢測等，使電路設計更為方便。
2.1 訊號發生器模組的設計
訊號發生器主要是輸出各種訊號波形，對裝置進行調整測試，因此要求輸出的訊號要穩定，頻率可根據測試要求調整，幅度可調。其頻率的變化可以使用微控制器中的一個時間/計數器T0,產生的脈衝去控制訊號發生器模組。要取得穩定的輸出訊號，本系統使用AD7008積體電路來實現直接數字頻率合成的訊號。其原理是根據奈奎斯特取樣，從連續訊號的相位φ考慮，對一個正弦訊號進行取樣，量化，編碼，形成一個正弦函式表，儲存在儲存器中。合成時，通過改變相位累加器的頻率控制字，來改變相位增量，相位增量的不同將導致一週的取樣點的的不同，因角頻率ω=Δφ/Δt，在取樣頻率不變的情況下，通過改變相位累加器的頻率控制字，將這種變化的相位/幅值量化的數字訊號通過D/A變化及低通濾波器，即可得到合成的相位變化的模擬訊號。由於AD7008積體電路集相位調製，頻率調製，幅度調製及I/O正交調製等多功能於一身，輸出訊號頻率最高可達20MHz，解析度可達0.02Hz。另外一個特點，即它輸出的訊號上沒有疊加任何變化電流脈衝，輸出訊號是一個平穩的變化波形，而且相位保持連續的變化。訊號發生器電路結構，如圖2.1所示。
由於AD7008的輸出端有一個10位的D/A數字模擬轉換器，輸出的合成訊號是階梯狀的，帶有許多高次頻譜訊號分量，必須將這些不需要的高次頻譜訊號分量濾除，才能得到頻譜 純淨的正弦波訊號輸出，因此需要在AD7008輸出端增加濾波電路，設計濾波電路時要求濾波器的衰減特性要陡直，延遲時間要短，可採用六階橢圓函式濾波器。其電路原理如圖2.1a所示。
2.2 萬用表測量模組的設計
萬用表測量模組主要對電壓，電流和電阻值的測量。根據V=R*I電量的關係，和利用電路中參考量的比值，電路測量中只要測出電壓值經過相應換算就可以得出所測的電壓，電流和電阻值。本系統中主機電路採用的是STC12C5A60S2微控制器，本身帶有A/D轉換電路，轉換口在P1口（P1.0---P1.7）,有8路10位高速A/D轉換器，速度可達250KHz(25萬次/秒)，參考電壓源是輸入工作電壓Vcc，所以一般不用接參考電壓源，系統是以7805作為穩壓源，，其實際電壓可能是4.88V到4.98V，在要求精度比較高的情況下，可對穩壓源進行實際測量，並將工作電壓值記錄在微控制器內部的EEPROM中，以供計算。當採用電池供電時，電池電壓是在5.3V-4.2V之間漂移，即Vcc不固定，就需要在8路的A/D轉換的一個通道外接一個穩定的參考電壓源，來計算此時的工作電壓Vcc，再計算出其他幾路A/D轉換通道的電壓。由於電壓測量與電阻測量直接採用微控制器片內的A/D轉換電路，其外圍電路設計並不複雜，這裡主要對電流測量進行分析。
在對電流進行測量時，必須先將其電流訊號轉換成電壓訊號，然後才能實現A/D的轉換，常用的轉換方法是在電路中加入精密電阻，由此將電流訊號轉換為電壓訊號，當電流很小時，就很難選擇一個合適的阻值，影響測量準確度，在本系統中採用電流/電壓轉換晶片MAX472，克服了常規測量電流存在的測量範圍小，測量誤差大等缺點，可提高測量精度。MAX472的工作原理如圖2.2所示，方框內的部分是該晶片的內部結構，圖中A1和A2是兩個運算放大器，構成差動輸入，這樣可以增強抗干擾能力，從而提高小電流的測量準確度，Q1和Q2是兩個三極體，COMP是比較器，Resense是電流取樣電阻，要採用熱穩定性好，漂移小的康銅絲電阻。方框外為調整電路。
2.3 示波器模組電路的設計
示波器模組是將測試的模擬訊號轉換為數字，通過編碼，資料儲存，在微控制器控制下將測試資料傳送到計算機，並通過相應的應用程式的處理，將測試出對應的波形顯示在計算機顯示屏上。示波器測試模組是一種綜合性的電訊號測試儀器，它能把眼睛看不見的電訊號轉換成能直接觀察的波形，顯示在計算機顯示屏上。其實質是一種時域測量，用來觀察訊號隨時間的變化關係，可用來測量訊號波形，幅度，頻率等。設計中要求測量靈敏度要高。測量幅度較小的訊號，具有較強的過載承受能力，輸入阻抗要高，對被測的'網路影響要小，工作頻率要高，響應速度快，便與觀察波形瞬變的細節。其工作原理如圖2.5所示。
衰減器
衰減器是用來衰減大幅度的輸入訊號，以保證放大電路輸出不產生失真，對衰減器的主要要求是，頻帶要足夠寬，輸入的阻抗要高，因此採用RC衰減器，其原理如圖2.3a所示 。當滿足R1*C1=R2*C2時，衰減器的衰減量為Vo/Vi=R2/（R1+R2）,可以看出衰減量與頻率無關，此時為最佳補償狀態。
（2）前置放大電路
前置放大電路是放大被觀察訊號，使微弱的訊號能被放大到一定的增益，使訊號能被正確的採集，放大電路通常採用頻率補償措施，引入較強的負反饋，以獲得較寬的頻帶和較高的增益穩定性。放大電路的頻帶是示波器的一個重要技術指標，它決定了能夠測量訊號的最高頻率，可採用INA333整合放大器，它是業內功耗最低的零漂移儀表放大器。具有 75µA 靜態電流、25µV 偏移電壓、出色的噪聲功率比，在75µA 時，噪聲功率比為 50nV/rt-Hz，對前置放大電路對資料採集起著關鍵的作用。
（3）波形採集轉換電路
波形採集轉換電路是將測試的模擬訊號轉換為數字訊號， A/D轉換器在系統中所處的位置是很關鍵的，因為它直接反映軟體化的程度.由於STC12C5A60S2微控制器自帶的 A/D轉換器速度在這面就顯的不夠快，必須選用並行資料採集的A/D轉換器。選擇用時既要考慮A/D轉換器的效能，又要考慮能滿足系統所要求的動態範圍和效能指標。效能指標主要有A／D轉換位數、無寄生動態範圍(SFDR)、信噪比(SNR)、轉換速率、量化靈敏度等。一般來說A／D轉換器的轉換位數越多越好，轉換位數越多，其動態範圍就越高。本系統中選用AD6645 積體電路 A/D轉換器， 其保持取樣率可達80MS／s，工作頻寬達270MHz，多音無寄生動態範圍(SFDR)為100dB； 作為新型的高速、大動態範圍A／D轉換器．AD6645的模擬訊號輸入也為差分形式．因為在模擬訊號階段差分輸入對偶次諧波有很高的共模抑制比，可以提高電路的效能。
2.4 通訊介面電路的設計
當多功能測試儀於與計算機連線使用時，使用序列通訊介面進行連線，本系統中採用目前通用的USB介面，但STC12C5A60S2微控制器只有一個可程式全雙工序列通訊介面，必須進行介面轉換，這裡採用 CP2103高整合度USB轉UART專用晶片。它用最簡單的外部電路、最少的外部器件和最小的電路板面積實現USB2.0到UART的轉換。CP2103是一款高度整合的USB-UART橋接器，它包含了一個USB功能控制器、USB收發器、振盪器和帶有全部調變解調器控制訊號的非同步序列資料匯流排，一方面可以從分機接收USB資料並將其轉換為RS232資訊流格式傳送給外設；另一方面可從RS232外設接收資料轉換為USB資料格式傳送至主機，其中包括控制和握手訊號。計算機採用VB語言的通訊控制函式，按序列口方式設定，以實現介面通訊軟體設計。該通訊程式波特率可設在600～9600之間進行除錯。CP2101的實際應用參考電路如圖2 .4所示
為了減少微控制器控制系統與計算機應用系統之間資料傳輸的干擾，在微控制器控制系統與計算機應用系統之間的資料傳輸使用光電耦合來隔離。使兩個系統的電源相互獨立，消除地電位不同所產生的影響，本系統中採用P521光電耦合管來隔離雙邊訊號源。P521光電耦合管是電流型輸出，不受輸出端工作電壓的影響，因此可以用於不同電平的轉換。為了確保資料收發的穩定性，避免通訊過程中的干擾，還可以在USB介面端新增濾波電路。
2.5 儀器轉換控制模組電路的設計
在微控制器總控制系統中控制著多種模組儀器，而使用時只選用其中的一個模組進行操作，儀器間的轉換控制是通過微控制器輸入/輸出埠進行的，可使用STC12C5A60S2微控制器中的P3.2外部中斷0埠作為各測試模組之間的轉換，其原理是通過中斷控制字的設定，使外部中斷0為低電平控制，每按一次P3.2埠使之為低電平，轉換一種測試模組，迴圈進行。若與計算機連線一起使用時，可進行相應的資料傳輸，使計算機應用系統接收到相應資料後，將控制相應模組應用軟體，並顯示出相應控制操作介面。為了節省埠並擴充套件控鍵，使各測試摸塊的測量範圍得以擴大，可使用P1口中的一路A/D作為擴充套件控鍵。可採用按鍵掃描來方式，根據不同按鍵按下時，ADC檢測埠就有不同的電壓比值，來確定具體的按鍵起作用，電路如圖2.4所示。
在測試模組進行轉換時，當有共同的訊號作為輸入或輸出時，為了節省相應器件和線路空間，此時訊號線的轉換可採用四重雙向電子轉換開關MC14066積體電路，其主要的特點是訊號轉換頻率高，開關導通時內阻非常小，開關截止時處於高阻狀態，適合作為訊號開關使用。
結束語
由於現代科技的高速發展．大規模積體電路的普及應用，為我們開發新一代的教學儀器提供了保證，目前應用普及型大規模積體電路開發教學實驗儀器，依然處在探索階段，普及型大規模積體電路價格非常低廉，但其功能又非常強大，結合計算機應用開發實驗測試教學器材具有廣闊的前景，使教學實驗儀器真正融入我們日常探索研究中，結合我院基礎教育，面向廣大的中學，充分利用現有的高科技技術，開發創新自主智慧財產權的高科技教學產品，促進教學研究和培訓，更有利與學院的長期穩固發展。