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頻率特性測試儀又稱(chēng)為掃頻儀，或頻率響應分析儀，它利用矩形具有內刻度的示波管作為顯示器，來(lái)直接顯示被測電路的幅頻特性曲線(xiàn)。但由于示波管的使用，使得整個(gè)儀器在外形上顯得龐大，笨重，如BT-3GII型的掃頻儀重量達到10kg，不方便移動(dòng)式測量。為此，本設計針對其顯示部分，將示波管用LCD代替。適用于便攜式儀器儀表中。 硬件設計 本設計所選的液晶顯示器是深圳天馬微電子公司的TM320240 EFG，它是一款內藏SED1335控制器的點(diǎn)陣式圖形液晶顯示模塊。LCD控制器選用的是EPSON公司的SED1335，內部擁有一個(gè)160種5×7點(diǎn)陣字符的字符發(fā)生器，能分區管理64K的顯示存儲器，并同時(shí)能管理自定義字符發(fā)生器。模塊TM320240EFG的對外接口實(shí)質(zhì)上就是控制器SED1335與MCU的接口。在單片機的選型上，考慮到系統功能與電路的簡(jiǎn)潔，采用Atmel 公司推出的AVR 單片機AT90S8535，內嵌8路10位ADC，可直接輸入模擬電壓信號。 AT90S8535與TM320240EFG接口采用間接訪(fǎng)問(wèn)方式進(jìn)行連接。單片機通過(guò)控制SED1335完成對圖形液晶模塊的控制。所謂間接訪(fǎng)問(wèn)方式，就是把TM320240EFG作為終端接在A(yíng)T90S8535的某個(gè)并行I/O接口上，AT90S8535通過(guò)對該I/O接口的操作，間接地實(shí)現對TM320240EFG的控制。間接訪(fǎng)問(wèn)方式的接口電路與時(shí)序無(wú)關(guān)。 在電路中，AT90S8535使用8位并行PC口作為數據線(xiàn)與模塊的數據線(xiàn)DB0~DB7連接，另外還需要一個(gè)3位并行接口作為時(shí)序控制信號線(xiàn)/RD，/WR和A0。把PB口中的PB0作為寫(xiě)信號接至TM320240 EFG的寫(xiě)控制信號/WR上；PD口中的PD3作為讀信號接至TM320240EFG的讀控制信號/RD上；PD4作為數據類(lèi)型選擇信號與模塊的A0連接。由于這些并行接口在MCU系統中有自己的專(zhuān)用地址，所以TM320240EFG的片選信號 /CS可以不使用，直接接地選通。液晶驅動(dòng)電源VEE取值為－20V，利用單片DC-DC轉換器MC34063從邏輯電源轉換生成負電源。電路中LCD電源控制端V0用來(lái)調節顯示屏灰度，電位器R3作為調節液晶顯示對比度使用。 ADC的0通道輸入經(jīng)過(guò)檢波后的采樣信號，帶寬為10KHz ，經(jīng)RC濾波去除交流分量。5.1V穩壓管起保護作用，高于5.1V的輸入信號被限幅在5.1V之內。該輸入波形的X軸方向掃描頻率為50Hz，周期為20ms，12ms工作期，8ms消隱期。外部中斷管腳INT0輸入50Hz的方波，作為同步脈沖。MCU的晶振選為6M。 屏幕規劃 該液晶屏為320×240點(diǎn)陣，將坐標原點(diǎn)(0,0)定在整個(gè)液晶屏的左上角，向右為X坐標，向下為Y坐標。為美觀(guān)起見(jiàn)，四周邊框留出空白區域，實(shí)際顯示曲線(xiàn)的區域為X方向從第24點(diǎn)到264點(diǎn)，共240個(gè)點(diǎn)距，30字節；Y方向從第16點(diǎn)到208點(diǎn)，共192個(gè)點(diǎn)距， 24字節。為方便觀(guān)測，在顯示區內繪制坐標軸，用虛線(xiàn)等間距地將橫向分作10小格，豎向分作8小格。 在進(jìn)行圖形顯示時(shí)，起初我們采用的是單層顯示方法，但由于要求實(shí)時(shí)顯示，必須考慮屏幕的刷新問(wèn)題。由于此液晶屏屬多點(diǎn)陣，刷新滿(mǎn)屏需花費很長(cháng)一段時(shí)間，刷新完后還要在屏幕上重新繪制出坐標軸，增加了MCU的操作負擔，而且頻繁的滿(mǎn)屏刷新還會(huì )引起屏幕的閃爍現象發(fā)生。因此采取的解決方法為：顯示時(shí)分作兩層顯示，第一層為文本屬性，第二層為圖形屬性。將不需刷新的坐標軸、漢字顯示在文本層，首地址$0000。將實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)更新的幅頻特性曲線(xiàn)顯示在圖形層，首地址$1000,并通過(guò)兩層的邏輯“或”操作進(jìn)行合成顯示，以達到圖文并茂的顯示效果。這樣，在刷新時(shí)，文本層上的坐標軸和漢字可以保持不變，所需刷新的僅為圖形層上的曲線(xiàn)。實(shí)際測試結果表明，分層顯示的設計思路是正確的。 軟件設計 繪制曲線(xiàn)在軟件設計上關(guān)鍵是畫(huà)點(diǎn)和消點(diǎn)的程序。 ADC采用單次轉換模式，總的轉換周期數為14，總的轉換時(shí)間70~280ms，預分頻器的分頻因子選為32，故ADC時(shí)鐘頻率為6M/32=187.5KHz。所以每一次的轉換時(shí)間是14/187.5K=74.666ms，此ADC轉換時(shí)間是在6M的晶體振蕩頻率下最快的采樣時(shí)間。若選小于32的分頻因子，則總的轉換時(shí)間太快，將小于70ms，不能實(shí)現�？紤]到實(shí)際需要，ADC轉換時(shí)間越快越適宜，故不采用64以上分頻。 用ox來(lái)記錄X方向字節數，初始值為$00，隨點(diǎn)的右移從1到30遞增。當ox=30時(shí)，說(shuō)明X方向已到達有效顯示區的尾部。code記錄點(diǎn)在字節中所處位置，畫(huà)奇數點(diǎn)時(shí)code從$80開(kāi)始右移，畫(huà)偶數點(diǎn)時(shí)code從$40開(kāi)始右移，每次移動(dòng)2位，移完一字節后，ox加1。 ADC能轉換的最大量程電壓是電路基準電壓Vre f的值，這里調節的是4V。1V占48個(gè)點(diǎn)距。某一時(shí)刻，輸入信號Z V(Z≤4)，則其在屏幕上Y向的位置是208-Z×48。MCU內嵌的ADC為10位精度，采樣結果轉化成點(diǎn)的高度的計算表達式為： 208-(AD值)×(4/1024)×48=208-(AD值)×3/16 (1) 考慮到輸入信號的掃描時(shí)間和MCU的AD轉換時(shí)間，整個(gè)屏幕在X方向要顯示240點(diǎn)，只能采取隔列掃描的方法，分兩幀畫(huà)完全屏，第一幀畫(huà)奇數點(diǎn)，第二幀畫(huà)偶數點(diǎn)。先在工作期12ms內采樣數據，進(jìn)行120次AD轉換，將其轉換結果按順序存入片內SRAM中，所以需要100ms啟動(dòng)ADC一次。同時(shí)，把信號的消隱期8ms加以利用，在整個(gè)20ms周期內畫(huà)120個(gè)奇數點(diǎn)，20ms/120=166.666ms，我們設定每隔161.333ms畫(huà)一個(gè)點(diǎn)。畫(huà)點(diǎn)的具體方法為：從SRAM中取出AD值，將每組的AD采樣結果用式(1)進(jìn)行計算，轉化成Y方向坐標，得到點(diǎn)的高度值，送入寄存器oy中。由于屏幕上一橫行是320個(gè)點(diǎn)，即40字節，顯示區距離左邊框為3字節，可計算出該點(diǎn)的地址，結果存于寄存器r7: r6中，表達式為： r7: r6 = oy*40+3+$1000+ox(2) 接著(zhù)再確定該點(diǎn)在此字節中的位數，調用繪點(diǎn)程序即可。畫(huà)完一屏的奇數點(diǎn)后，等待下一個(gè)同步脈沖到來(lái)，然后，在同樣的掃描時(shí)間內，用同樣的方法繪制出120個(gè)偶數點(diǎn)。這樣，全屏顯示的時(shí)間僅為40ms，人的肉眼觀(guān)測到的是一條連續的曲線(xiàn)，不會(huì )出現隔列的效果。另外，考慮到屏幕的刷新問(wèn)題，每次畫(huà)點(diǎn)前，都要在此列先消點(diǎn)。消點(diǎn)和畫(huà)點(diǎn)的方法類(lèi)似，程序中用ox1和code1與畫(huà)點(diǎn)加以區別，這里不再累述。 程序中用寄存器r25作標志狀態(tài)寄存器，各標志位說(shuō)明如下： r25(3)：兩幀畫(huà)完全屏。 r25(3)=0，第一幀畫(huà)奇數點(diǎn)；r25(3)=1，第二幀畫(huà)偶數點(diǎn)； r25(4) ：在T/C1中斷里置位 r25(4)＝1，表明顯示時(shí)間已到，可以進(jìn)行畫(huà)點(diǎn)顯示； r25(5) ：在A(yíng)DC轉換結束中斷里置位 r25(5) =1，表明ADC轉換結束，已采樣到數據并存入SRAM中。 整個(gè)程序應用4個(gè)中斷。20ms同步脈沖上升沿觸發(fā)外部中斷EXT_INT0，在中斷服務(wù)程序中，清r25(4,5)=0，并使能兩定時(shí)器T/C0和T/C1。采用T/C0定時(shí)中斷，每100us中斷一次，在中斷服務(wù)程序中，啟動(dòng)AD轉換。同時(shí)采用T/C1輸出比較匹配A中斷，每161.333 us中斷一次，置位畫(huà)點(diǎn)時(shí)間到達的標志。ADC轉換結束中斷，在中斷服務(wù)程序中讀取采樣值AD，置位r25(5)。 復位時(shí)間問(wèn)題 在整個(gè)設計過(guò)程中，程序調試用的是AVR單片機的在線(xiàn)仿真器ICE 200。但將調試好的程序經(jīng)編譯后燒到片子里，液晶屏卻不能正常顯示了。查找原因，主要是單片機和液晶屏的復位時(shí)間相差太大引起的。對于A(yíng)T90S8535來(lái)說(shuō)，超過(guò)50ns的低電平就會(huì )引起系統復位；而LCD的控制器SED1335，復位需要1ms以上的復位電平。所以需在程序的初始化部分，加一定的延時(shí)，以使LCD正常工作�；剡^(guò)頭來(lái)再思考一下在線(xiàn)仿真能通過(guò)的原因。仿真器上電和液晶屏上電同步，在調試環(huán)境里，下載程序所花時(shí)間較長(cháng)，能夠滿(mǎn)足LCD的復位時(shí)間要求，故在程序運行以后，可使LCD正常顯示。 目前，兼顧功能和價(jià)格兩方面，大量中、高檔儀器儀表已經(jīng)廣泛使用LCD 作為其顯示輸出設備。本文將點(diǎn)陣式圖形液晶顯示模塊和AVR單片機AT90S8535相結合，使頻率特性測試儀的顯示輸出由原來(lái)的示波管改為液晶屏，符合現階段傳統儀器向智能儀器轉型的發(fā)展趨勢，很有市場(chǎng)競爭力。 |
