基于CPU的LCD显示存储示波器设计.docx

基于CPU的LCD显示存储示波器设计.docx

《基于CPU的LCD显示存储示波器设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于CPU的LCD显示存储示波器设计.docx（26页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

基于CPU的LCD显示存储示波器设计

通达学院

实验报告

（2010/2011学年第一学期）

题目：

基于CPU的ＬＣＤ显示存储示波器设计

专业通信工程

学生姓名

班级学号

授课教师林建中

授课单位南京邮电大学

日期2011年11月

（51单片机）课程设计要求

第一部分实验目的及要求：

1．实验目的

本课程设计在理论课程的基础上，重点培养学生的动手能力，通过理论计算、实际编程、调试、测试、分析查找故障，解决在实际设计中的问题，使设计好的电路能正常工作，为下一步结合实际的硬件系统设计准备条件

2.实验要求

基本要求：

1用AD转换器采集输入信号，存入SRAM（例6264）芯片中，

2进行DA转换后回放SRAM中的数据，通过模拟示波器显示。

3利用键盘控制单步和连续慢放信号波形。

4波形参数可以用数值或图形在数码管或LCD上显示，或者可以结合示波器进行图形回放显示。

发挥部分：

1对采样数据平滑滤波处理，

2对波形回放（图形）的时间缩放调节。

3对回放波形（图形）的幅度缩放调节。

动态显示格式：

自定

各类设计必须按照实验提供的单片机原理图（文件），结合自己所选择的题目进行元器件的连接。

每组学生只能选择一个与别组不同的设计题目，按照先到先选择的规则进行选题。

在仿真设计完成的基础上，有能力的同学可以申请硬件实验板的下载并完成软、硬件结合的课程设计。

第二部分实验工具及实验器件

1.以及Keil2软件的使用

Proteus是英国Labcenterelectronics公司出版的EDA（该软件总代理为广州风标电子技术有限公司）。

它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。

它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。

虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。

Proteus是世界上著名的EDA工具（），从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。

是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年即将增加Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。

在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种。

在PROTEUS绘制好原理图后，调入已编译好的目标代码文件：

*.HEX，可以在PROTEUS的原理图中看到模拟的实物运行状态和过程。

而*.HEX文件则由Keil软件编译后生成。

KeiluVision2是KeilSoftware公司出品的51系列兼容C语言软件开发系统，使用接近于传统的语法来开发，与相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用,而且大大的提高了工作效率和项目开发周期,他还能嵌入汇编，您可以在关键的位置嵌入，使程序达到接近于汇编的工作效率。

KEILC51标准C编译器为8051微控制器的软件开发提供了C语言环境,同时保留了汇编代码高效,快速的特点。

C51编译器的功能不断增强，使你可以更加贴近CPU本身，及其它的衍生产品。

C51已被完全集成到uVision2的集成开发环境中，这个集成开发环境包含：

编译器，汇编器，实时操作系统，项目管理器，调试器。

uVision2IDE可为它们提供单一而灵活的开发环境。

　　KeilC51软件提供丰富的和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面，使您能在很短的时间内就能学会使用keilc51来开发您的单片机应用程序。

　　另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到KeilC51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。

在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。

有了proteus和keil我们就需要在这两个软件中建立我们所需要的工程进行实验，具体步骤如下：

第一步：

在Keil2中建立一个新的工程，并命名，

第二步：

选择使用的单片机芯片，我们选择80c31，

第三步：

将新创建的.c文件添加到Target中。

这样我们就可以在keil2的环境下对单片机的程序进行编译和运行了。

2.51单片机AT89c51

　　51单片机是对目前所有兼容Intel8031指令系统的单片机的统称。

该系列单片机的始祖是Intel的8031单片机，后来随着Flashrom技术的发展，8031单片机取得了长足的进展，成为目前应用最广泛的8位单片机之一，其代表型号是的AT89系列，它广泛应用于工业测控系统之中。

目前很多公司都有51系列的兼容机型推出，在目前乃至今后很长的一段时间内将占有大量市场。

51单片机是基础入门的一个单片机，还是应用最广泛的一种。

需要注意的是52系列的单片机一般不具备自编程能力。

　　当前常用的51系列单片机主要产品有：

　　*Intel的：

80C31、80C51、87C51，80C32、80C52、87C52等；

　　*ATMEL的：

89C51、89C52、89C2051等；

　　*Philips、华邦、Dallas、Siemens（Infineon）等公司的许多产品80C31单片机，它是8位高性能单片机。

属于标准的MCS-51的HCMOS产品。

它结合了HMOS的高速和高密度技术及CHMOS的低功耗特征，标准MCS-51单片机的体系结构和指令系统。

80C31内置中央处理单元、128字节内部数据存储器RAM、32个双向输入/输出（I/O）口、2个16位定时/计数器和5个两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内时钟振荡电路。

但80C31片内并无程序存储器，需外接ROM。

此外，80C31还可工作于低功耗模式，可通过两种软件选择空闲和掉电模式。

在空闲模式下冻结CPU而RAM定时器、串行口和中断系统维持其功能。

掉电模式下，保存RAM数据，时钟振荡停止，同时停止芯片内其它功能。

80C31有PDIP（40pin）和PLCC（44pin）两种封装形式。

管脚说明：

　　8031芯片具有40根引脚，其引脚图如图所示：

80C31管脚图

　　40根引脚按其功能可分为四类：

　　1.电源线2根

　　Vcc：

编程和正常操作时的电源电压，接+5V。

　　Vss：

地电平。

　　2.晶振：

2根

　　XTAL1：

振荡器的反相放大器输入。

使用外部震荡器是必须接地。

　　XTAL2：

振荡器的反相放大器输出和内部时钟发生器的输入。

当使用外部振荡器时用于输入外部振荡信号。

　　3.I/O口共有p0、p1、p2、p3四个8位口，32根I/O线，其功能如下：

　　）～（AD0～AD7）

　　是I/O端口O的引脚，端口O是一个8位漏极开路的双向I/O端口。

在存取外部存储器时，该端口分时地用作低8位的地址线和8位双向的数据端口。

（在此时内部上拉电阻有效）

　　）～

　　端口1的引脚，是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O通道，专供用户使用。

　　）～（A8～A15）

　　端口2的引脚。

端口2是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，在访问外部存储器时，它输出高8位地址A8～A15

　　）～

　　端口3的引脚。

端口3是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口，该口的每一位均可独立地定义第一I/O口功能或第二I/O口功能。

作为第一功能使用时，口的结构与操作与P1口完全相同，第二功能如下示：

　　口引脚第二功能

　　 RXD（串行输入口）

　　 TXD（串行输出口）

　　（外部中断）

　　（外部中断）

　　 T0（定时器0外部输入）

　　 T1（定时器1外部输入）

　　（外部数据存储器写选通）

　　（外部数据存储器读选通）

3.模数转换芯片ADC0804。

ADC0804的管脚图如下所示

它的主要电气特性如下：

        工作电压：

＋5V，即VCC＝＋5V。

        模拟输入电压范围：

0～＋5V，即0≤Vin≤＋5V。

        分辨率：

8位，即分辨率为1/28=1/256，转换值介于0～255之间。

        转换时间：

100us（fCK＝640KHz时）。

        转换误差：

±1LSB。

        参考电压：

，即Vref＝。

的转换原理

ADC0804是属于连续渐进式（SuccessiveApproximationMethod）的A/D转换器，这类型的A/D转换器除了转换速度快（几十至几百us）、分辨率高外，还有价钱便宜的优点，普遍被应用于微电脑的接口设计上。

以输出8位的ADC0804动作来说明“连续渐进式A/D转换器”的转换原理，动作步骤如下表示（原则上先从左侧最高位寻找起）。

第一次寻找结果：

（若假设值≤输入值，则寻找位＝假设位＝1）

第二次寻找结果：

（若假设值≤输入值，则寻找位＝假设位＝1）

第三次寻找结果：

（若假设值>输入值，则寻找位＝该假设位＝0）

第四次寻找结果：

（若假设值≤输入值，则寻找位＝假设位＝1）

第五次寻找结果：

（若假设值>输入值，则寻找位＝该假设位＝0）

第六次寻找结果：

（若假设值≤输入值，则寻找位＝假设位＝1）

第七次寻找结果：

（若假设值≤输入值，则寻找位＝假设位＝1）

第八次寻找结果：

（若假设值>输入值，则寻找位＝该假设位＝0）

这样使用二分法的寻找方式，8位的A/D转换器只要8次寻找，12位的A/D转换器只要12次寻找，就能完成转换的动作，其中的输入值代表图1的模拟输入电压Vin

2.分辨率与内部转换频率的计算

对8位ADC0804而言，它的输出准位共有28＝256种，即它的分辨率是1/256，假设输入信号Vin为0～5V电压范围，则它最小输出电压是5V/256＝，这代表ADC0804所能转换的最小电压值。

表1列出的是8～12位A/D转换器的分辨率和最小电压转换值。

表1A/D转换器的分辨率和最小电压值

位数目

分辨率

最小电压转换值

8

1/256

10

1/1024

12

1/4096

至于内部的转换频率fCK，是由图2的CLKR（19脚）、CLKIN（4脚）所连接的R（）、C（150PF）来决定。

图2ADC0804与CPLD&FPGA、8051单片机等典型连接图

频率计算方式是：

fCK＝1/×R×C）

若以图2的R＝10KΩ、C＝150PF为例，则内部的转换频率是

fCK＝1/（×10KΩ×150PF）＝606KHz

更换不同的R、C值，会有不同的转换频率，而且频率愈高代表速度愈快。

但是需要注意R、C的组合，务必使频率范围是在100KHz～1460KHz之间。

的控制方法

要求ADC0804进行模拟/数字的转换，其实可以直接由下面的时序图及图2信号的流向来配合了解。

图3ADC0804控制信号时序图

以图2、图3信号流向而言，控制ADC0804动作的信号应该只有CS、WR、RD。

其中INTR由高电位转为低电位后，代表ADC0804完成这次的模拟/数字转换，而DB0～DB7代表是转换后的数字资料。

图3的动作大概可分成4个步骤区间——S0、S1、S2、S3，每个步骤区间的动作方式如下：

        步骤S0：

CS＝0、WR＝0、RD＝1（由CPLD发出信号要求ADC0804开始进行模拟/数字信号的转换）。

        步骤S1：

CS＝1、WR＝1、RD＝1（ADC0804进行转换动作，转换完毕后INTR将高电位降至低电位，而转换时间>100us）。

        步骤S2：

CS＝0、WR＝1、RD＝0（由CPLD发出信号以读取ADC0804的转换资料）。

        步骤S3：

CS＝1、WR＝1、RD＝1（由CPLD读取DB0～DB7上的数字转换资料）。

由上述步骤说明，可以归纳出所要设计的CPLD动作功能有：

        负责在每个步骤送出所需的CS、WR、RD控制信号。

        在步骤S1时，监控INTR信号是否由低电位变高电位，如此以便了解ADC0804的转换动作结束与否。

        在步骤S3，读取转换的数字资料DB0～DB7

4.数模转换芯片DAC0832。

DAC0832是8分辨率的D/A转换集成芯片。

与微处理器完全兼容。

这个DA芯片以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到广泛的应用。

由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路构成。

DAC0832的主要特性参数如下：

　　*分辨率为8位；

　　*电流稳定时间1us；

　　*可单缓冲、双缓冲或直接数字输入；

　　*只需在满量程下调整其线性度；

　　*单一电源供电（+5V～+15V）；

　　*低功耗，20mW。

DAC0832结构：

　　*D0～D7：

8位数据输入线，TTL电平，有效时间应大于90ns（否则锁存器的数据会出错）；

　　*ILE：

数据锁存允许控制信号输入线，高电平有效；

　　*CS：

片选信号输入线（选通数据锁存器），低电平有效；

　　*WR1：

数据锁存器写选通输入线，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效。

由ILE、CS、WR1的逻辑组合产生LE1，当LE1为高电平时，数据锁存器状态随输入数据线变换，LE1的负跳变时将输入数据锁存；

　　*XFER：

数据传输控制信号输入线，低电平有效，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效；

　　*WR2：

DAC寄存器选通输入线，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效。

由WR2、XFER的逻辑组合产生LE2，当LE2为高电平时，DAC寄存器的输出随寄存器的输入而变化，LE2的负跳变时将数据锁存器的内容打入DAC寄存器并开始D/A转换。

　　*IOUT1：

电流输出端1，其值随DAC寄存器的内容线性变化；

　　*IOUT2：

电流输出端2，其值与IOUT1值之和为一常数；

　　*Rfb：

反馈信号输入线，改变Rfb端外接电阻值可调整转换满量程精度；

　　*Vcc：

电源输入端，Vcc的范围为+5V～+15V；

　　*VREF：

基准电压输入线，VREF的范围为-10V～+10V；

　　*AGND：

模拟信号地

　　*DGND：

数字信号地

DAC0832芯片：

DAC0832

DAC0832是8分辨率的D/A转换集成芯片。

与微处理器完全兼容。

这个DA芯片以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到广泛的应用。

由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路构成。

的结构

　　DAC0832中有两级锁存器，第一级锁存器称为输入寄存器，它的锁存信号为ILE；第二级锁存器称为DAC寄存器，它的锁存信号为传输控制信号。

因为有两级锁存器，DAC0832可以工作在双缓冲器方式，即在输出模拟信号的同时采集下一个数字量，这样能有效地提高转换速度。

此外，两级锁存器还可以在多个D/A转换器同时工作时，利用第二级锁存信号来实现多个转换器同步输出。

　　LE为高电平、和为低电平时，为高电平，输入寄存器的输出跟随输入而变化；此后，当由低变高时，为低电平，资料被锁存到输入寄存器中，这时的输入寄存器的输出端不再跟随输入资料的变化而变化。

对第二级锁存器来说，和同时为低电平时，为高电平，DAC寄存器的输出跟随其输入而变化；此后，当由低变高时，变为低电平，将输入寄存器的资料锁存到DAC寄存器中。

2.DAC0832的引脚特性

　　DAC0832是20引脚的双列直插式芯片。

各引脚的特性如下：

　　CS——片选信号，和允许锁存信号ILE组合来决定是否起作用，低有效。

　　ILE——允许锁存信号，高有效。

　　WR1——写信号1，作为第一级锁存信号，将输入资料锁存到输入寄存器（此时，必须和、ILE同时有效），低有效。

　　WR2——写信号2，将锁存在输入寄存器中的资料送到DAC寄存器中进行锁存（此时，传输控制信号必须有效）低有效。

　　XFER——传输控制信号，低有效。

　　DI7~DI0——8位数据输入端。

　　IOUT1——模拟电流输出端1。

当DAC寄存器中全为1时，输出电流最大，当DAC寄存器中全为0时，输出电流为0。

　　IOUT2——模拟电流输出端2。

IOUT1+IOUT2=常数。

　　Rfb——反馈电阻引出端。

DAC0832内部已经有反馈电阻，所以，RFB端可以直接接到外部运算放大器的输出端。

相当于将反馈电阻接在运算放大器的输入端和输出端之间。

　　VREF——参考电压输入端。

可接电压范围为±10V。

外部标准电压通过VREF与T型电阻网络相连。

　　VCC——芯片供电电压端。

范围为+5V~+15V，最佳工作状态是+15V。

　　AGND——模拟地，即模拟电路接地端。

　　DGND——数字地，即数字电路接地端。

　的工作方式

　　DAC0832进行D/A转换，可以采用两种方法对数据进行锁存。

　　第一种方法是使输入寄存器工作在锁存状态，而DAC寄存器工作在直通状态。

具体地说，就是使和都为低电平，DAC寄存器的锁存选通端得不到有效电平而直通；此外，使输入寄存器的控制信号ILE处于高电平、处于低电平，这样，当端来一个负脉冲时，就可以完成1次转换。

　　第二种方法是使输入寄存器工作在直通状态，而DAC寄存器工作在锁存状态。

就是使和为低电平，ILE为高电平，这样，输入寄存器的锁存选通信号处于无效状态而直通；当和端输入1个负脉冲时，使得DAC寄存器工作在锁存状态，提供锁存数据进行转换。

　　根据上述对DAC0832的输入寄存器和DAC寄存器不同的控制方法，DAC0832有如下3种工作方式：

　　⑴单缓冲方式。

单缓冲方式是控制输入寄存器和DAC寄存器同时接收资料，或者只用输入寄存器而把DAC寄存器接成直通方式。

此方式适用只有一路模拟量输出或几路模拟量异步输出的情形。

　　⑵双缓冲方式。

双缓冲方式是先使输入寄存器接收资料，再控制输入寄存器的输出资料到DAC寄存器，即分两次锁存输入资料。

此方式适用于多个D/A转换同步输出的情节。

　　⑶直通方式。

直通方式是资料不经两级锁存器锁存，即CS*，XFER*，WR1*，WR2*均接地，ILE接高电平。

此方式适用于连续反馈控制线路和不带微机的控制系统，不过在使用时，必须通过另加I/O接口与CPU连接，以匹配CPU与D/A转换。

5.SRAM芯片6264。

6264的容量为8KB，是28引脚双列直插式芯片，采用CMOS工艺制造

　　A12～A0（addressinputs）：

地址线，可寻址8KB的存储空间。

　　D7～D0（databus）：

数据线，双向，三态。

　　OE（outputenable）：

读出允许信号，输入，低电平有效。

　　WE（writeenable）：

写允许信号，输入，低电平有效。

　　CE1（chipenable）：

片选信号1，输入，在读/写方式时为低电平。

　　CE2（chipenable）：

片选信号2，输入，在读/写方式时为高电平。

　　VCC：

+5V工作电压。

　　GND：

信号地。

6.6264的操作方式

　　6264的操作方式由,CE1,CE2的共同作用决定

　　①写入：

当和为低电平，且和CE2为高电平时，数据输入缓冲器打开，数据由数据线D7～D0写入被选中的。

　　②读出：

当和为低电平，且和CE2为高电平时，数据输出缓冲器选通，被选中单元的数据送到数据线D7～D0上。

　③保持：

当为高电平，CE2为任意时，芯片未被选中，处于保持状态，数据线呈现。

微处理器通过数据总线、地址总线及控制总线与存储器连接，如下图所示：

地址总线为地址信号，用来指明选中的存储单元地址。

数据总线为数据信号，它是微处理器送往存储器的信息或存储器送往微处理器的信息。

它包括指令和数据。

控制总线发出存储器读写信号，以便从ROM、RAM中读出指令或数据，或者向RAM写入数据。

在微机系统中，常用的静态RAM有6116、6264、62256等。

在本实验中使用的是6264。

6264为8K╳8位的静态RAM，其逻辑图如下：

其中A0～12为13根地址线，I/O0～7为8根数据线，CS1、CS2为两个片选端，OE为数据输出选通端，WR为写信号端。

其工作方式见下表：

控制信号

CS1

CS2

OE

WR

数据线

读

L

H

L

H

输出

写

L

H

╳

L

输入

非选

H

╳

╳

╳

高阻态

7.可编程并行I/O接口芯片8255A

8255是Intel公司生产的可编程并行I/O接口芯片，有3个8位并行I/O口。

具有3个通道3种工作方式的可编程并行接口芯片（40引脚）。

其各口功能可由软件选择，使用灵活，通用性强。

8255可作为单片机与多种外设连接时的中间接口电路。

8255作为主机与外设的连接芯片，必须提供与主机相连的3个总线接口，即数据线、地址线、控制线接口。

同时必须具有与外设连接的接口A、B、C口。

由于8255可编程,所以必须具有逻辑控制部分，因而8255内部结构分为3个部分：

与CPU连接部分、与外设连接部分、控制部分。

引脚功能:

RESET:

复位输入线，当该输入端处于高电平时，所有内部寄存器（包括控制寄存器）均被清除，所有I/O口均被置成输入方式。

　　CS:

芯片选择信号线，当这个输入引脚为低电平时,即/CS=0时,表示芯片被选中，允许8255与CPU进行通讯;/CS=1时,8255无法与CPU做数据传输.

　　RD:

读信号线，当这个输入引脚为低电平时,即/RD=0且/CS=0时,允许8255通过数据总线向CPU发送数据或状态信息，即CPU从8255读取信息或数据。

　　WR:

写入信号，当这个输入引脚为低电平时,即/WR=0且/CS=0时,允许CPU将数据或控制字写入8255。

　　D0～D7:

三态双向数据总线，8255与CPU数据传送的通道，当CPU执行输入输出指令时，通过它实现8位数据的读/写操作，控制字和状态信息也通过数据总线传送。

　　8255具有3个相互独立的输入/输出通道端口，用+5V单电源供电，能在一下三种方式下工作。

　　方式0————基本输入输出方式；方式1————选通输入/出方式；方式三————双向选通输入/输出方式；

　　PA0～PA7:

端口A输入输出线，一个8位的数据输出锁存器/缓冲器，一个8位的数据输入锁存器。

工作于三种方式中的任何一种；

　　PB0～PB7:

端口B输入输出线，一个8位的I/O锁存器，一个8位的输入输出缓冲器。

不能工作于方式二；

　　PC0～PC7:

端口C输入输出线，一个8位的数据输出锁存器/缓冲器，一个8位的数据输入缓冲器。

端口C可以通过工作方式设定而分成2个4位的端口，每个4位的端口包含一个4位的锁存器，分别与端口A和端口B配合使用，可作为控制信号输出或状态信号输入端口。

'不能工作于方式一或二。

　　A1,A0:

地址选择线,用来选择8255的PA口,PB口,PC口和控制寄存器.

　　当A1=0,A0=0时,PA口被选择;

　　当A1=0,A0=1时,PB口被选择