基于AT90S8515单片机的瞬变信号捕获与存储器

　　当代科学研究的许多领域中，常会遇到如何捕捉单次瞬变信号的问题。对于单脉冲信号捕获、周期信号频谱分析等高速数据采集系统，通常都采用DMA技术实现。不论是由PC机内的DMA控制器芯片实现，还是由单片机结合DMA技术实现，其系统结构都比较复杂;若采用通用DSP芯片开发该类仪器仪表，造价过高。故此，研制电路简单、实用廉价的高速数据采集系统是很必要的。本瞬变信号捕获与存储器正是基于以上因素而设计的，它是由AT90S8515单片机直接控制TLC5510高速A/D实现高速数据采集，采样速率高达8MHz，具有如下功能:

　　·可捕获各种单次脉冲，最小脉宽可达1微秒。

　　·可将捕获信号通过X轴、Y轴输出，在CRT上显示出来。

　　·能实现超低频(1Hz以内)信号的稳定显示。

　　·捕获信号的触发电平、宽度均可预置。

　　该系统已应用于RLC电路暂态分析测量系统。

1 AT90S8515简介

　　ATMEL公司新推出的90系列单片机，内含高速闪存FLASH，是基于增强精简指令RISC结构的单片机，简称AVR单片机。该系列单片机在吸收PIC及8051单片机优点的基础上，作了重大改进，性能十分优异。AT90S8515是AVR中比较典型的一种，它用32个快速存取RISC寄存器代替累加器，避免了传统的累加器与存储器间的数据传送;可在一个时钟周期内执行一条指令来访问两个独立的寄存器，代码效率比常规CISC微控制器快十倍;片内具有8K字节的Flash ROM存储器，是8位单片机中第一种真正的RISC单片机。

　　AT90S8515引脚与MCS-51系列单片机的引脚兼容。有PA、PB、PC、PD四个8位并行口，其中PA、PC口具有I/O及AD总线功能，PB、PD口具有I/O及特殊功能复用特点;复位端采用低电平复位，具有良好的抗干扰性能。AT90S8515运用Harvard结构概念，即对程序和数据带有不同的存储器和总线，通过单一级的流水线可对程序存储器进行访问。当执行某一指令时，下一指令被预先从程序存储器中取回，这使得指令可以在每一个时钟周期内被执行，如图1所示。

　　AT90S8515有模拟比较器，它对正极PB2引脚(AIN0)和负极PB3引脚(AIN1)的输入值进行比较。当PB2端的电压高于PB3端的电压时，模拟比较器输出(ACO)为1。比较器的输出可触发定时器/计数器T1的输入捕获功能;此外，比较器的输出可触发一个独立于模拟比较器的中断，用户可以选择比较器输出上升、下降沿触发中断。其方框图如图2所示，由ACSR寄存器实现对该比较器的设定。

2 系统构成

　　系统构成如图3所示。采用AT90S8515单片机，输入信号经A/D转换后通过PA口送入单片机内的SRAM中，同时输入信号经PB3端引入到单片机的模拟比较器的负端，而该模拟比较器的正端(PB2)连到触发电平电位器。SRAM中存放的采集数据从PC口送出经74LS273锁存后由D/A输出至Y轴。PC口亦送出X轴扫描信号，该信号通过另一片74LS273锁存后经D/A输出至X轴，如图4所示。每片锁存器的锁存是通过对PD6端的置位、复位而产生高低电平切换时的上升、下降沿触发实现的。通过PD0、PD1端与MAX232连接，由MAX232扩展出RS232串行通信口，该口可把每次采集的数据送入PC机。通过PB、PC口亦设计了采集时长调整等控制界面。

3 硬件组成

　　·单片机芯片

　　采用ATMEL公司的AT90S8515，片内有8K字节FLASH ROM和512字节SRAM。设计使用工作时钟频率为16MHz，可以有60纳秒以下的指令周期。

　　· A/D转换器

　　采用TI公司的TLC5510芯片，转换精度8位并行输出，采集速率为20MSPS。采用模拟比较器触发中断，触发定时器T1，确定采集时长。

　　· 静态RAM

　　静态RAM采用片内512字节SRAM。

　　· 串行口电路

　　采用MAXIM公司的MAX232扩展出串行通信口。

　　·D/A转换器

　　采用NS公司的电流输出型DAC0832芯片，其电流稳定时间为1微秒。它把74LS273的锁存数据经数模转换后在X轴、Y轴输出。

4 工作原理

4.1 脉冲信号的捕获

　　单片机系统开机运行后，根据捕获信号的幅度大小，调整好捕获触发电平的值，再调整好捕获时长。当信号的幅度高于触发电平时，通过AT90S8515的模拟比较器产生中断请求，触发启动A/D转换器，并通过PA口将转换结果存入片内SRAM内。A/D转换的采样时间长短是由定时器T1的初始值设定，T1的时长可通过控制界面设定在20μs～1s之间，这样就保证了瞬变信号能完整捕获。

4.2 采样数据的存放

　　每次A/D转换后的数据存放在片内512字节RAM中。利用512字节中的400字节作为存放A/D转换的数据区。定时器T1确定的采样时长是由操作界面设定的，当在1s采样时，采集400个点数据;1ms时采集200个点;20μs时采集数据的点数为100个点。根据采样定理与实际情况，若以采样5个点就可分辩出一个信号的特征计算，当采集时长设定在20μs、采集100个点时，可分辨、捕获瞬变信号的细微脉宽在1μs以下。实际运行结果也验证了这样的分辨率。

4.3 X轴、Y轴输出

　　为了实现捕获信号的观察与测量，将X轴、Y轴输出送至普通示波器的示波管后瞬变信号就能稳定地显示出来，这时也能稳定观测超低频(小于1Hz)信号。X轴信号由R16、R17自动累加产生，其值的变化范围为0～400。捕获时长是1s、1ms、20μs，采集的数据长度分别为400、200、100个字节时，寄存器R16、R17的累加步长应为1、2、4。这样就实现了X轴扫描信号与Y轴捕获信号显示的线性性。X轴、Y轴信号的读出由T0定时器通过中断触发，其读出速度由T0定时器的时长确定，本系统选取1kHz的读出速度，且T1的中断优先级高于T0。这样就保证了信号捕获时段不受XY输出的干扰。捕获信号也可通过PD0、PD1端扩展的串口传送至PC机内进行进一步分析。

5 软件设计

　　AT90S8515单片机有32个通用寄存器，在程序设计时很灵活地使用了R0～R31寄存器，实现了程序设计结构简单、目标代码少(小于2K字节)的目的。主程序流程图见图5。利用本设计研制的瞬变信号捕获与存储器达到了预先的指标。可用普通示波器的示波管观察所捕获信号的特征;同时也可方便地观察超低频(1Hz左右)信号，实现慢扫描示波器的功能。该系统具有很高的性价比。