基于单片机的在线示波器设计

基于单片机的在线示波器设计

孔畅

（北华航天工业学院 电子与控制工程，河北 廊坊 065000）

摘要：基于STC单片机设计了一款高性价比的示波器，它能够实时监测波形的瞬时变化。示波器通过编码器进行输入控制，利用单片机模拟外设ADC模块来采集信号，并将数据存储在单片机内进行处理和计算。处理后的波形可以实时显示，同时能够监测和存储波形的瞬时变化值。经过实测验证，这个系统运行稳定且具有较高的采样率。在单次触发时，能够捕获1毫秒到10毫秒的波形瞬间变化情况。这种示波器适用于需要在线监测和记录波形变化的各种场合。该实验项目融合了单片机原理、程序设计和接口原理等相关课程内容，具有良好的实验重复性，非常适合作为学生的实验项目。

关键词：：单片机；示波器；实时采样；高性价比；在线；瞬时变化

中图分类号：TP301    文献标识码：A

0引言

本设计提出一种适合长时间在线测量的简易在线示波器，通过数字化处理采样电信号，实现波形存储、实时分析和处理，并支持时域、频域观察及回放功能。随着数字技术和电路发展，专用ASIC芯片和高性能DSP的应用使得数字示波器在带宽、采样率、存储深度等性能指标上显著提升，满足了复杂电路测试的需求。国内虽然在中低端市场已有突破，但高端市场仍以国外产品为主，显示出数字示波器领域的技术与市场发展潜力。

1 系统框架及工作原理

1.1设计目标

设计一款稳定、便捷、经济的示波器，能清晰显示采样信号的波形、频率、幅值及位置状态。通过编码器调节时间、电压、触发和系统设置，支持开始、中断采样、波形滚动和缩放。特点包括实时显示信号变化和远程在线测量。以单片机为核心，适用于学生实验，深入理解理论并提升实践能力。

1.2 系统框架

该示波器系统以STC8A8K64S4A12单片机为核心，包括采样电路、OLED屏驱动显示电路、EC11旋转编码器控制输入电路、电池电压采样电路、锂电池充放电管理及升压模块、系统电源滤波电路和按键开关组成的控制系统。2风光互补发电系统的最大功率跟踪法。

1.3 工作原理

这个设计方案利用了STC高性能单片机作为核心控制芯片，通过旋转编码器作为输入控制，利用采样电路对输入信号进行采样。单片机内部的高精度模拟数字转换器（ADC）负责将采样的连续信号转换为离散化的数据，并将这些数据存储在RAM和ROM中。单片机从存储器中读取部分采样点的数据，进行处理并存储在数组中。然后，按照特定顺序将波形数据显示在屏幕的相应位置上，同时利用其余采样点数据计算波形的参数。这样设计可以在屏幕上显示波形及其相关信息。

1.4 控制核心的选择

STC8A8K64S4A12单片机具有以下特点：兼容传统8051架构，执行速度比传统8051快约12倍，支持Keil生成的HEX文件；适用广泛的供电电压范围，使用锂电池高效环保；内部集成高精度IRC和12位多通道超高速ADC；64K程序存储空间、可配置的48K EEPROM、8K RAM；支持ISP方式更新应用程序，便于功能设置和程序下载。

2 系统模块设计

2.1 AD转换模块

系统上电后延时启动AD转换并点亮指示灯，开始信号采集。定时器定时产生中断，在采样中断到来时开启AD转换。通过控制定时器定时设置采样时间，实现不同频率段数据的采集。AD转换结束后将采样数据存储到指定区域。选择不同的采样时间，AD转换模块在相应时间段内对信号进行离散化采样，并将数据存入缓存。单片机读取缓存中的数据进行计算，绘制并显示波形及相关信息。若采样中断，使用缓存中的旧数据显示波形。高精度高速ADC和编码器控制确保系统实时、准确地显示波形变化。

      图2 主程序流程图

2.2 编码器控制模块

编码器控制模块根据设置需求，配合单片机中断指令，实现选项切换和参数调节。编码器每次旋转或按下输出电平脉冲，单片机通过检测这些脉冲来识别操作。通过编码器控制单片机外部中断端口电平状态，实现系统输入控制。当单片机中断端口检测到编码器输入脉冲时，执行相应程序模块完成控制指令。这种直接控制方式无需其他外接器件，提高了系统的快速采样和运算能力。

2.3 OLED屏幕驱动模块

屏幕采用SSD1306 OLED液晶显示屏，分辨率为128×64像素。具备自发光和低功耗特性，用于清晰显示采样波形和相关信息。屏幕驱动程序支持字符、字符串、数字、水平线、垂直线、图片绘制等功能，可将处理后的数据快速显示在屏幕上。显示原理是将采样值映射并反转至屏幕显示范围，计算触发点位置并定位波形，通过查找上升沿和下降沿来实现波形显示。

3混合储能系统的建模与参数设置

本文设计的储能系统包括：双向DCDC变换器、超级电容器、铅酸蓄电池以及主控电路。下面将分别讨论蓄电池、超级电容器、双向DCDC变换器及控制系统的参数设置并分别搭建它们的simulink仿真模型。

对于电压环控制而言，其主要作用就是让实际电压实时跟踪参考电压，即使受到外界扰动；电流环的作用就是让实际电流实时跟踪参考电流值，使系统对于电流的波动能够快速做出反应。为保证电池的使用寿命不会大打折扣，同时也防止电池的过度充放电，这里的设计中取电池的SOC在20%~80%。当蓄电池的电量SOC大于总容量的80%或者小于总容量的20%时，此时控制算法就会封锁PWM脉冲，DCDC变换器就会停止工作，即在低于20%时停止放电，高于80%时停止充电。

5结论

这系统采用STC单片机核心，结合软硬件实现波形显示、频率计算、幅值测量、可调触发和波形滚动等功能。支持自动触发、普通触发和单次触发模式切换，显示的波形准确完整。具备强大的扩展能力，可添加功能模块以扩展数据处理和分析能力，从而降低设计成本，保证运行稳定性。外接存储器可扩展存储空间，增加模块以实现瞬时变化波形脉冲计数。适用于在线实时监测，操作简便，测量精度高。

参考文献

[1]杜超,林开伟,陈曼雯,等.物联网智能示波器研究与设计[J]. 物联网技术,2017,7(11):36-39,41.

[2]周宦银,房宗良,曹剑锋,等.基于双口RAM核监测数字示波器设计研究[J].现代电子技术,2013,36(24):122-124,127.

[3]周恩宜 . 数字示波器原理、基本特性和应用[J]. 电子制作, 2015(18):6.

[4] 计长安.用MCU实现模拟示波器对信号的在线分析和处理[J].工业控制计算机,2004,17(1):52-53.

[5] Robert Lashlee.示波器发展趋势展望[J].国外电子测量技术, 2009,28(5):9-11.

孔畅（1998.03—），女，汉族，籍贯：吉林白城人，北华航天工业学院电子与控制工程学院学院，23级在读硕士研究生，专业：电子信息，研究方向：通信工程