基于单片机的便携式脉冲信号参数测试仪

摘要：本文介绍了基于C8051F340单片机的脉冲信号参数测试仪的设计与实现。该测试仪能对脉冲信号的幅值、频率、周期、占空比等参数进行测量。通过采用10次定数计时法，提高测量精度，缩短测量时间。实验测试表明，该测试仪的误差率较低，精度高，能够满足闪光盒性能测试与校验的要求，可用于电信号参数测量、仪器检测等领域。该测试仪已应用于某型军用飞机闪光盒信号检测中，其稳定性、精确性均能满足要求。
关键词：单片机；脉冲信号；测试仪；定数计时

0 引言
    目前在测量领域里，脉冲信号既可作为已知的激励信号，又可作为未知的被测信号。当作为未知的被测信号，对其参数(幅值、周期、频率、占空比)测试越显重要。以单片机为核心的脉冲信号参数测试仪和控制装置，小巧方便，便于携带，且易于扩展和技术更新，鉴于此，作者设计开发了基于单片机的信号参数测试仪。测试仪的主控器件采用Silicon Labs公司的一款C8051F340单片机，它具有强大的数据采集、存储、运算和控制功能。可通过按键操作测量信号的幅值、周期、频率和占空比等参数，并在YMl2864LCD液晶显示器上实时显示。本仪器具有操作简单、体积更小、便于携带和人机界面友好等特点。该仪器已用于某型军用飞机闪光盒信号检测，反馈良好，其稳定性、精确性均能满足要求。

1 硬件设计
1．1 测试仪组成框图
    测试仪由单片机模块、显示模块、按键模块、电源模块和信号调理电路模块组成。单片机内部集成10位的A／D转换模块简化了硬件电路设计。脉冲信号通过信号调理模块，经单片机系统的A／D转换模块采集信号，单片机对采集到的数据进行处理，通过I／O口控制液晶模块显示测量结果。系统组成框图如图l所示。

1．2 单片机的选用
    本测试仪的主控器件选用C8051F340单片机，该单片机功能强大的集成模块简化了硬件电路设计。测试仪A／D转换器选用单片机内部电压基准，采集由内置的10位转换速率可达200ksps的A／D转换器实现。MCU中有一个片内可编程计数器／定时器阵列(PCA)。PCA包括一个专用的16位计数器／定时器时间基准和5个可编程的捕捉／比较模块。频率、周期和占空比的测量可采用PCA精确捕捉脉冲上升沿和下降沿来触发定时器来实现。
1. 3 键盘模块
    1)键盘接口工作原理
    常用的键盘接口分为独立式键盘接口和矩阵式键盘接口。独立式键盘接口就是各键相互独立，每个按键各接一根输入线，一根输入线上的按键工作状态不影响其他输入线的工作状态。通过检测输入电平状态可以很容易判断哪个按键被按下了。独立式按键电路配置灵活，软件实现简单。但每个按键需占用一根输入口线，在按键数量较多时，需要较多的输入口线而且电路结构繁杂，故此种键盘适用于按键较少或操作速度较高的场合。而矩阵式键盘有行线和列线组成，按键位于行，列的交叉点上，适用于按键较多的场合。
    鉴于本系统只用到开始、周期测量、占空比测量、频率测量和幅值测量五个按键，有足够的I／O口，所以选用独立式键盘接口。
1．4 显示模块
    该测试仪采用YMl2864R汉字图形点阵LCD液晶显示模块。该模块是一种具有4位／8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为128×64，内置8192个16×16点汉字，和128个16×8点ASCII字符集。利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示8×4行16×16点阵的汉字。也可完成图形显示，低电压低功耗是其又一显著特点。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格便宜，显示美观。

2 软件设计
    本测试仪的软件设计采用C51语言编程。系统程序由主程序、信号采集子程序、按键子程序、信号处理子程序、液晶显示程序和中断子程序等部分组成(程序流程图如图2所示)。C8051F340具有丰富的中断资源，外部中断和定时器溢出中断子程序可完成电压值、周期、频率和占空比的测量。

2．1 频率的测量方法选择
    频率或周期的采样是程序设计的核心，其精度会直接影响到本测试仪的精度。频率的测量可以利用单片机的计时和计数功能来实现。下面对频率的测量方法和测量误差做简要分析。
    脉冲周期的测量误差主要受采样周期和采样次数的影响，由于单片机程序可以很方便地实现采样周期和采样次数的精确控制，因而可提高测试精度。脉冲周期的测量方法有定时计数和定数计时两种方法，本仪器采用定数计时方法，利用单片机的定时计数器中断即可实现。
    1)定数计时法
    定数计数法的设计思路是将T0设为定时器，T1设为计数器，设定T1的计数中断次数n并允许中断，T0将清零，同时启动T0和T1，等待T1中断。在T1的中断服务子程序中读出T0的计时值t，即可求出脉冲周期T。
    采用定数计时法时，单片机计数误差dn=0，最大计时误差为一个机器周期，本系统采用了12MHz晶振，则单片机机器周期为1μs，故dtmax=lμs，可以得到T的相对误差为：
   
    若要保证其相对误差不超过0．1％，即
则有:   
    上面式子表明，定时计数法适用于被测频率较低的场合。
    2) 定时计数法
    定时计数法的设计思路为将T0设为定时器，T1设为计数器，设定T0的定时中断时间t并允许中断，将T1清零，同时启动T0和T1，等待T0中断。在T0的中断服务子程序中读出的T1的计数值n，即可求出脉冲周期T。
    采用定时计数法时，单片机计时误差t可忽略，故可认为dt=O，最大计数误差为一个脉冲，即dtmax=1，可以得到T的相对误差为：

3 实验测试
    为使该仪器在某型军用飞机闪光盒信号检测中应用，我们模拟产生该闪光盒输出标准信号，其参数为：频率为1Hz，电压值为27V，占空比为50％。测试数据(如表1)显示，本仪器对闪光盒标准信号测量的频率误差率<1％，电压误差率<O．5％，占空比误差率<O．5％。该测试仪判别准确，显示直观，能够实现快速测量，其稳定性强、精确性高。该仪器的测频范围可达O～10kHz，幅值范围在0～50V。通过改变模拟信号参数值进行测试，该测试仪精度均能满足要求。

4 结束语
    本测试仪采用以单片机为核心的模块化结构设计，具有硬件电路结构简单、容易实现和成本低等特点。其性能可靠、稳定性好，检测迅速准确，且体积小、重量轻、便于携带，适于外场检测使用。在某型军用飞机的闪光盒信号检测中应用，反馈良好，其稳定性、精确性均能满足闪光盒性能测试与校验要求。