示波器单功能替代解决方案

1 前 言

    工业生产中，常使用示波器对各类设备的传感器信号加以测量和观察，在生产线上也会同样使用示波器来检验产品性能。由于示波器价格不扉，此类作法已经不适应大规模生产产品。产品的批量生产意味着购买更多的示波器，从而使生产成本增加；其次由于示波器操作复杂，普通操作员工对示波器的操作熟练程度也会严重影响生产效率；最后在环境欠佳的生产现场，尘土、湿气、温度等外界环境影响将会缩短示波器的寿命。

    诚然，开发完全取代示波器的硬件设备有一定难度，但示波器在生产检验中的用途一般是单一的、确定的，如检测信号输入的时间差值、检测信号的触发边沿时间、检测信号的频率、检测信号的峰值等等功能，所以我们可以只针对某一特定功能，运用当前的单片机技术开发一款信号检测系统是可行的。本文将以检测信号输入时间差值为目的，介绍系统的设计与实现过程。

2 系统组成和应用原理

    2.1 系统设计目的

    如上示波器界面截图，检测凸轮多齿上升沿信号与电流起始信号的时间差值，差值可选用1信号为基准求出，并将其换算为角度，即为图上两虚线之间的方波信号个数（360转速信号，1方波恰为1度）。

    2.2 单片机信号测量原理

    以单片机为核心，充分利用自身计数器／定时器的计数功能。大致测量方法分以下两个方法：

    高频测量（＜500 KHZ）：
    采用测频法测量高频，在确定的阈值时间Tw内，记录被测信号的变化周期数（或脉冲数）Nx，则被测信号的频率：fx＝Nx／Tw。（对T0或T1的外部脉冲进行计数，当T0或T1引脚上发生负跳变时，计数器加1。由于识别引脚的负跳变需2个机器周期，即24个时钟振荡周期，T0／T1的最高频率为1／24 fosc，当晶体振荡器频率为12 MHz时，其最高计数频率为500 kHz）。测频法原理如图所示：

    低频测量：
    采用测周法测量低频，测周期法需用标准信号的频率fs，待测信号的一个周期Tx内，记录标准频率的周期数为Ns，则被测信号的频率为：fx＝fs／Ns。由于被测频率较低，故可采用8051测量，首先要将被测信号转换成门控信号，其原理如图所示：

    2.3 硬件开发

    本次设计选用C8051F310单片机，该单片机的可编程计数器（PCA0）由一个专用的16位计数器／定时器和5个16位捕捉／比较模块组成。其计算器/定时器由可编程的时基信号驱动，时基信号可以是系统时钟的1／2，1／4，1／8，所以时基信号的精确更有利于扩展信号测量的频率范围，此外，信号捕捉／比较模块也具有边沿触发捕捉工作方式。

    单片机外围电路：
    P0.6 360 转速信号中断
    P0.7 电流信号中断
    P0.0，P0.1 外接EEPROM（SPI数据传输）
    P2.2-P2.7 LCD液晶显示
    P3.1，P3.2 键盘（未使用）

    2.4 软件开发

    系统软件设计采用Keil C51编写。根据系统所测目的，可运用PCA计数器溢出中断、PAC边沿捕捉模式中断，以及INT0、INT1中断对波形进行计数，未运用到信号测频，测周原理便可以达到系统目的。

    系统软件设计流程为：单片机初始化；LCD初始化；计数器清零；转速信号中断；计数器＋1；电流信号中断；将此时计数值赋给电流时间量Y，凸轮多齿信号边沿捕捉；将此时计数值赋给凸轮信号多齿轮发生时间量X，完成一次测试量，目标值＝Y－X；调用显示函数显示，发送结果至上位机。如下图系统软件设计流程：

3 系统运用结论

    本方案系单片机的简单运用，可运用于制造业特定信号测量，帮助企业降低购买昂贵仪器的成本。经过实际使用，本系统运行稳定，所测结果与使用示波器所测误差在1度以内。操作人员可通过LCD显示直接观察检测结果，也可通过上位机软件对其直接观察，并通过上位机将每次所测数据加以保存，上位机采用C＃编写。该软件显示界面如下图：