基于51单片机数字示波器设计

第1页，共34页基于Mini51板硬件资源，构思数字示波器的方案已经思考很久了，总是没有集中的时间，一个稍微复杂的设计完成创作需要集中的时间才能完成，这次利用学期结束的一段集中时间，完成了基于LCD12864显示的数字示波器程序设计，现在将文档写出来供大家交流学习用。在此声明，这个教程是写给初学者看的，我会从简单到复杂一步一步详细介绍设计过程，甚至是调试的过程，还包括一些经验总结，特别是提供了完整的keil工程附件。希望读者立足示波器项目，学到更多关于软硬件开发的一些经验技巧。1简易数字示波器原理数字示波器基本原理可以简单理解为：数据采集+图形显示，该过程循环进行，如图1-1所示。首先是数据采集，这一版我们直接用Mini51板上的ADC“TLC1549”。（如果你没有ADC，也可能没有信号发生器，后面会介绍一种正弦表调试方法。）TLC1549驱动函数unsignedintread_adc(void)。图1-1简易数字示波器流程图unsignedintread_adc(void){unsignedchari;unsignedinttemp=0;ADC_CS=0;//开启控制电路，使能DA和CKIO引脚for(i=0;i10;i++){//采集10次，即10bitADC_CK=0;temp=1;if(ADC_DA)temp++;ADC_CK=1;}ADC_CS=1;return(temp);}注：带背景色的源码都是直接从演示程序中拷贝的。以上是是驱动TLC1549的函数，如果你还想彻底弄清TLC1549的各种参数，请参考数据手册TLC1549.pdf，使用该函数需要注意的是，两次调用该函数之间的间隔要超过21us，AD转换是要一段时间的，在高速系统中时间控制尤其关键。Mini51板单片机在22.1184M晶振时钟频率下运行，连续两次AD采集数据并将数据写入外部扩展RAM变量缓冲区，之间的时间间隔实测略小于21us的，需要适当延时。这在高速档数据采集时增加了一定延时等待就是这个原因。图形显示有很多种，LCD显示稍难，ADC得到的结果如何在LCD上描点，这确实是一个难点，涉及LCD驱动问题，需要花费很大篇幅才能完成。昀初调试我们可以选用串口来做，借助他人现成的工具软件。下面介绍基于串口和上位机工具软件的波形显示程序设计。串口初始化函数rs232_port_init(void)。voidrs232_port_init(void)//串口初始化{第2页，共34页SCON=0x50;//串口工作在方式1，异步模式PCON=0x80;//波特率翻倍TMOD=0x20;//定时器1工作在方式2TH1=0xff;//波特率115200bps，单片机时钟晶振为22.1184MHzTL1=0xff;TR1=1;//开启时钟RI=0;//清空接受标志位TI=0;//清空发送标志位}往串口写1字节函数voiduart_put_uchar(unsignedcharc)。voiduart_put_uchar(unsignedcharc)//往串口写1字节无符号数据{SBUF=c;while(!TI);TI=0;}从串口读1字节函数unsignedcharuart_get_uchar()。unsignedcharuart_get_uchar()//从串口读1字节无符号数据{while(!RI);RI=0;returnSBUF;}以上这几个函数是学单片机的人一定要掌握的，能够随手拿来就用，通过串口调试程序，很方便。有了以上4个函数，再建一个keil工程，添加一个主函数，就可以演示了。#includemini51b.h//所有与硬件相关的接口函数定义#includeuart.hvoidmain(){rs232_port_init();//串口初始化read_adc();//首个ADC数据丢失while(1){if(uart_get_uchar()==0x55)uart_put_uchar(read_adc()/4);//10bit/4变8bit}}在主程序循环中，接收到上位机下发的数据0x55后，读取ADC数据并发送一次，在串口调试助手（例如SSCOM）里，设置相关端口和波特率后，发送0x55，注意HEX（十六进制格式）选项，就可以看到ADC的结果，如图1-2所示。第3页，共34页图1-2串口调试ADC调试ADC还有一种更方便的方法，结果直接在Mini51板上的数码管上显示出来，不管你对数码管硬件熟悉不熟悉，只要使用模板程序提供的数码管驱动函数led_disp(uintnumber)即可。Mini51板数码管驱动函数led_disp(unsignedint)。voidled_disp(uintnumber)//Mini51板数码管显示函数，传入整数0～9999{unsignedcharcodetab1[20]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,};unsignedchartemp,flag=0;if(number10000){temp=number/1000%10;//千位数码管if(temp){SEG_Q=tab1[temp];flag=1;}else{SEG_Q=0xff;//数码管熄灭flag=0;}temp=number/100%10;//百位数码管if(flag|temp){SEG_B=tab1[temp];flag=1;}else{SEG_B=0xff;//数码管熄灭flag=0;}temp=number/10%10;//十位数码管if(flag|temp)SEG_S=tab1[temp];elseSEG_S=0xff;//数码管熄灭temp=number%10;//个位数码管SEG_G=tab1[temp];第4页，共34页}else{SEG_Q=0xbf;//-SEG_B=0xbf;SEG_S=0xbf;SEG_G=0xbf;}}以上演示源程序keil工程请参考附件【串口调试1】这里我再介绍两款串口绘图软件【MyOsc】和【ComCalWave】，可以直接把串口接收到的数据按X-Y轴绘图，显示结果更直观。主程序这样改：#includemini51b.n//所有与硬件相关的接口函数定义#includeuart.hvoidmain(){rs232_port_init();read_adc();delay_ms(1);while(1){uart_put_uchar(read_adc()/4);//seg7_disp(read_adc());delay_ms(1);//这里的延时起到调节采样率的作用}}运行【MyOsc】，设置串口和波特率后“OPEN”，适当调节输入信号频率后可以看到如图1-3所示的图案。图1-3串口绘图软件示例第5页，共34页运行【ComCalWave】，选择正确的串口号和波特率，“OpenCOM”，再设置“WaveShow”，看到了什么？图形！在图形窗口尝试用鼠标右键操作，还可选择特定范围显示，如图1-4所示。图1-4串口绘图软件示例2要看到以上漂亮的波形，还有一些硬件连接要做，需要将信号发生器和Mini51板上ADCin接口连接，注意，TLC1549只能进行0到5V之间的信号转换，你还需要调整信号发生器，产生满足条件的信号才行。以上演示源程序keil工程请参考附件【串口调试2】实际在调试程序中，缺少必要硬件设备的，还可以用正弦表代替实际ADC，这里再介绍一款正弦表生成器软件【正弦表发生器】，软件界面如图1-5所示。图1-5正弦表发生器第6页，共34页【量化阶数】就是ADC位数，例如tlc1549是10阶，ADC0809是8阶；【采样点数】就是在一个正弦周期内，均匀分布多少个采样点，例如在128点的lcd上显示2个以上周期的话，采样点数要小于64点，这里选用30点数来举例，源程序如下。#includemini51b.h//所有与硬件相关的接口函数定义#includeuart.hunsignedcharcodedot[30]={//正弦表，注意数据类型是“code”，存放在rom当中0x80,0x9a,0xb4,0xcb,0xdf,0xee,0xf9,0xff,0xff,0xf9,0xee,0xdf,0xcb,0xb4,0x9a,0x80,0x65,0x4c,0x34,0x21,0x11,0x6,0x0,0x0,0x6,0x10,0x20,0x34,0x4b,0x65,};voidmain(){unsignedchari;rs232_port_init();delay_ms(1);while(1){for(i=0;i128;i++){uart_put_uchar(dot[i%30]);delay_ms(1);//此处延时当于调节了采样率}}}用以上调试软件同样可以看到漂亮的正弦信号图形。以上调试成功后，是不是感觉很棒，如果你是第一次亲自完成ADC将数据采集，再用软件绘图显示还原信号波形图，一定是一件特别令人激动的事情。第7页，共34页2图形液晶LCD12864绘图驱动设计基础下面我们学习如何在LCD12864上显示同样的正弦波形。关于LCD的硬件接口电路，在前面的教程中有详细介绍，涉及单片机总线知识和CPLD内部电路，需要专门学习，这里我们借助现成的驱动函数，重点讲解LCD绘图程序设计。LCD12864的电路接口在【mini51b.h】头文件中定义。#defineLCD_LCWXBYTE[0xf4ea]//左屏命令写入#defineLCD_LDWXBYTE[0xf5ea]//左屏数据写入#defineLCD_LCRXBYTE[0xf6ea]//左屏命令读出#defineLCD_LDRXBYTE[0xf7ea]//左屏数据读出#defineLCD_RCWXBYTE[0xf8ea]//右屏命令写入#defineLCD_RDWXBYTE[0xf9ea]//右屏数据写入#defineLCD_RCRXBYTE[0xfaea]//右屏命令读出#defineLCD_RDRXBYTE[0xfbea]//右屏数据读出后面所有对LCD的编程操作都是基于以上接口定义（总线编址）进行的读写操作。首先来看LCD点阵结构图，这里以不带字库的LCD12864来讲解，如图2-1所示。图2-1LCD点阵分布结构图此LCD屏由水平128列，垂直64行组成。水平128列分左右各64列两个半屏构成。垂直64行又分8页，每页8行（1列8点刚好1字节）。程序每次对LCD的绘图操作就是以昀小单位1字节进行操作的。理解这点至关重要。也就是每次只能针对8点进行操作，而不是1点进行操作。左右屏由单独地址线控制（前面的接口定义就是分左右屏定义的）。实际打点只需往指定“位置”写入数据，“1”亮，“0”暗。LCD驱动函数：忙检测函数voidloop_lcd12864_is_busy(unsignedcharright)。voidloop_lcd12864_is_busy(unsignedcharright){unsignedchartmp,counter=0;do{if(right)tmp=LCD_RCR;elsetmp=LCD_LCR;if(counter++50)break;//超时跳出}第8页，共34页while((tmp|0x7f)==0xff);//bit7为1则表示LCD内部执行命令，处于“忙”状态}对LCD进行读写操作时，需要进行“忙”检测，LCD内部也是由控制器来完成一些列LCD屏显示操作的，执行各种操作都是需要一定的时间的，也就是说不是任何时候外部控制器都可以操作LCD的，只有LCD为空闲状态时才可以操作，忙检测就是循环读取LCD状态标志位，判断是否空闲，关于命令的细节请参考数据手册。命令写入函数voidlcd_cmd_wr(unsignedcharcmd,right)。voidlcd_cmd_wr(unsignedcharcmd,right){loop_lcd12864_is