数字示波器完整设计过程.docx
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数字示波器完整设计过程
基于Mini51板的数字示波器设计
基于Mini51板硬件资源，构思数字示波器的方案已经思考很久了，总是没有集中的时间，一个稍微复杂的设计完成创作需要集中的时间才能完成，这次利用学期结束的一段集中时间，完成了基于LCD12864显示的数字示波器程序设计，现在将文档写出来供大家交流学习用。
在此声明，这个教程是写给初学者看的，我会从简单到复杂一步一步详细介绍设计过程，甚至是调试的过程，还包括一些经验总结，特别是提供了完整的keil工程附件。
希望读者立足示波器项目，学到更多关于软硬件开发的一些经验技巧。
1简易数字示波器原理
数字示波器基本原理可以简单理解为：
数据采集+图形显示，该过程循环进行，如图1-1所示。
首先是数据采集，这一版我们直接用Mini51板上的ADC“TLC1549”。
（如果你没有ADC，也可能没有信号发生器，后面会介绍一种正弦表调试方法。
）
TLC1549驱动函数unsignedintread_adc（void）。
图1-1简易数字示波器流程图
unsignedintread_adc（void）
{
unsignedchari;
unsignedinttemp=0;
ADC_CS=0;//开启控制电路，使能DA和CKIO引脚
for（i=0;i<10;i++）{//采集10次，即10bit
ADC_CK=0;
temp<<=1;
if（ADC_DA）temp++;
ADC_CK=1;
}
ADC_CS=1;
return（temp）;
}
注：
带背景色的源码都是直接从演示程序中拷贝的。
以上是是驱动TLC1549的函数，如果你还想彻底弄清TLC1549的各种参数，请参考数据手册TLC1549.pdf，使用该函数需要注意的是，两次调用该函数之间的间隔要超过21us，AD转换是要一段时间的，在高速系统中时间控制尤其关键。
Mini51板单片机在22.1184M晶振时钟频率下运行，连续两次AD采集数据并将数据写入外部扩展RAM变量缓冲区，之间的时间间隔实测略小于21us的，需要适当延时。
这在高速档数据采集时增加了一定延时等待就是这个原因。
图形显示有很多种，LCD显示稍难，ADC得到的结果如何在LCD上描点，这确实是一个难点，涉及LCD驱动问题，需要花费很大篇幅才能完成。
最初调试我们可以选用串口来做，借助他人现成的工具软件。
下面介绍基于串口和上位机工具软件的波形显示程序设计。
串口初始化函数rs232_port_init（void）。
voidrs232_port_init（void）//串口初始化
{
SCON=0x50;//串口工作在方式1，异步模式
PCON=0x80;//波特率翻倍
TMOD=0x20;//定时器1工作在方式2
TH1=0xff;//波特率115200bps，单片机时钟晶振为22.1184MHz
TL1=0xff;
TR1=1;//开启时钟
RI=0;//清空接受标志位
TI=0;//清空发送标志位
}
往串口写1字节函数voiduart_put_uchar（unsignedcharc）。
voiduart_put_uchar（unsignedcharc）//往串口写1字节无符号数据
{
SBUF=c;
while（!
TI）;
TI=0;
}
从串口读1字节函数unsignedcharuart_get_uchar（）。
unsignedcharuart_get_uchar（）//从串口读1字节无符号数据
{
while（!
RI）;
RI=0;
returnSBUF;
}
以上这几个函数是学单片机的人一定要掌握的，能够随手拿来就用，通过串口调试程序，很方便。
有了以上4个函数，再建一个keil工程，添加一个主函数，就可以演示了。
#include"mini51b.h"//所有与硬件相关的接口函数定义
#include"uart.h"
voidmain（）
{
rs232_port_init（）;//串口初始化
read_adc（）;//首个ADC数据丢失
while
（1）{
if（uart_get_uchar（）==0x55）uart_put_uchar（read_adc（）/4）;//10bit/4变8bit
}
}
在主程序循环中，接收到上位机下发的数据0x55后，读取ADC数据并发送一次，在串口调试助手（例如SSCOM）里，设置相关端口和波特率后，发送0x55，注意HEX（十六进制格式）选项，就可以看到ADC的结果，如图1-2所示。
图1-2串口调试ADC
调试ADC还有一种更方便的方法，结果直接在Mini51板上的数码管上显示出来，不管你对数码管硬件熟悉不熟悉，只要使用模板程序提供的数码管驱动函数led_disp（uintnumber）即可。
Mini51板数码管驱动函数led_disp（unsignedint）。
voidled_disp（uintnumber）//Mini51板数码管显示函数，传入整数0～9999
{
unsignedcharcodetab1[20]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,};
unsignedchartemp,flag=0;
if（number<10000）{
temp=number/1000%10;//千位数码管
if（temp）{
SEG_Q=tab1[temp];
flag=1;
}
else{
SEG_Q=0xff;//数码管熄灭
flag=0;
}
temp=number/100%10;//百位数码管
if（flag|temp）{
SEG_B=tab1[temp];
flag=1;
}
else{
SEG_B=0xff;//数码管熄灭
flag=0;
}
temp=number/10%10;//十位数码管
if（flag|temp）SEG_S=tab1[temp];
elseSEG_S=0xff;//数码管熄灭
temp=number%10;//个位数码管
SEG_G=tab1[temp];
}
else{
SEG_Q=0xbf;//"-"
SEG_B=0xbf;
SEG_S=0xbf;
SEG_G=0xbf;
}
}
以上演示源程序keil工程请参考附件【串口调试1】
这里我再介绍两款串口绘图软件【MyOsc】和【ComCalWave】，可以直接把串口接收到的数据按X-Y轴绘图，显示结果更直观。
主程序这样改：
#include"mini51b.n"//所有与硬件相关的接口函数定义
#include"uart.h"
voidmain（）
{
rs232_port_init（）;
read_adc（）;
delay_ms
（1）;
while
（1）{
uart_put_uchar（read_adc（）/4）;
//seg7_disp（read_adc（））;
delay_ms
（1）;//这里的延时起到调节采样率的作用
}
}
运行【MyOsc】，设置串口和波特率后“OPEN”，适当调节输入信号频率后可以看到如图1-3所示的图案。
图1-3串口绘图软件示例
运行【ComCalWave】，选择正确的串口号和波特率，“OpenCOM”，再设置“WaveShow”，看到了什么？
图形！
在图形窗口尝试用鼠标右键操作，还可选择特定范围显示，如图1-4所示。
图1-4串口绘图软件示例2
要看到以上漂亮的波形，还有一些硬件连接要做，需要将信号发生器和Mini51板上ADCin接口连接，注意，TLC1549只能进行0到5V之间的信号转换，你还需要调整信号发生器，产生满足条件的信号才行。
以上演示源程序keil工程请参考附件【串口调试2】
实际在调试程序中，缺少必要硬件设备的，还可以用正弦表代替实际ADC，这里再介绍一款正弦表生成器软件【正弦表发生器】，软件界面如图1-5所示。
图1-5正弦表发生器
【量化阶数】就是ADC位数，例如tlc1549是10阶，ADC0809是8阶；
【采样点数】就是在一个正弦周期内，均匀分布多少个采样点，例如在128点的lcd上显示2个以上周期的话，采样点数要小于64点，这里选用30点数来举例，源程序如下。
#include"mini51b.h"//所有与硬件相关的接口函数定义
#include"uart.h"
unsignedcharcodedot[30]={//正弦表，注意数据类型是“code”，存放在rom当中
0x80,0x9a,0xb4,0xcb,0xdf,0xee,0xf9,0xff,0xff,0xf9,
0xee,0xdf,0xcb,0xb4,0x9a,0x80,0x65,0x4c,0x34,0x21,
0x11,0x6,0x0,0x0,0x6,0x10,0x20,0x34,0x4b,0x65,
};
voidmain（）
{
unsignedchari;
rs232_port_init（）;
delay_ms
（1）;
while
（1）{
for（i=0;i<128;i++）{
uart_put_uchar（dot[i%30]）;
delay_ms
（1）;//此处延时当于调节了采样率
}
}
}
用以上调试软件同样可以看到漂亮的正弦信号图形。
以上调试成功后，是不是感觉很棒，如果你是第一次亲自完成ADC将数据采集，再用软件绘图显示还原信号波形图，一定是一件特别令人激动的事情。
2图形液晶LCD12864绘图驱动设计基础
下面我们学习如何在LCD12864上显示同样的正弦波形。
关于LCD的硬件接口电路，在前面的教程中有详细介绍，涉及单片机总线知识和CPLD内部电路，需要专门学习，这里我们借助现成的驱动函数，重点讲解LCD绘图程序设计。
LCD12864的电路接口在【mini51b.h】头文件中定义。
#defineLCD_LCWXBYTE[0xf4ea]//左屏命令写入
#defineLCD_LDWXBYTE[0xf5ea]//左屏数据写入
#defineLCD_LCRXBYTE[0xf6ea]//左屏命令读出
#defineLCD_LDRXBYTE[0xf7ea]//左屏数据读出
#defineLCD_RCWXBYTE[0xf8ea]//右屏命令写入
#defineLCD_RDWXBYTE[0xf9ea]//右屏数据写入
#defineLCD_RCRXBYTE[0xfaea]//右屏命令读出
#defineLCD_RDRXBYTE[0xfbea]//右屏数据读出
后面所有对LCD的编程操作都是基于以上接口定义（总线编址）进行的读写操作。
首先来看LCD点阵结构图，这里以不带字库的LCD12864来讲解，如图2-1所示。
图2-1LCD点阵分布结构图
此LCD屏由水平128列，垂直64行组成。
水平128列分左右各64列两个半屏构成。
垂直64行又分8页，每页8行（1列8点刚好1字节）。
程序每次对LCD的绘图操作就是以最小单位1字节进行操作的。
理解这点至关重要。
也就是每次只能针对8点进行操作，而不是1点进行操作。
左右屏由单独地址线控制（前面的接口定义就是分左右屏定义的）。
实际打点只需往指定“位置”写入数据，“1”亮，“0”暗。
LCD驱动函数：
忙检测函数voidloop_lcd12864_is_busy（unsignedcharright）。
voidloop_lcd12864_is_busy（unsignedcharright）
{
unsignedchartmp,counter=0;
do{
if（right）tmp=LCD_RCR;
elsetmp=LCD_LCR;
if（counter++>50）break;//超时跳出
}
while（（tmp|0x7f）==0xff）;//bit7为1则表示LCD内部执行命令，处于“忙”状态
}
对LCD进行读写操作时，需要进行“忙”检测，LCD内部也是由控制器来完成一些列LCD屏显示操作的，执行各种操作都是需要一定的时间的，也就是说不是任何时候外部控制器都可以操作LCD的，只有LCD为空闲状态时才可以操作，忙检测就是循环读取LCD状态标志位，判断是否空闲，关于命令的细节请参考数据手册。
命令写入函数voidlcd_cmd_wr（unsignedcharcmd,right）。
voidlcd_cmd_wr（unsignedcharcmd,right）
{
loop_lcd12864_is_busy（right）;//忙检测
if（right）LCD_RCW=cmd;//右屏命令写入
elseLCD_LCW=cmd;//左屏命令写入
}
数据写入函数voidlcd_dat_wr（unsignedchardata,right）。
voidlcd_dat_wr（unsignedchardata,right）
{
loop_lcd12864_is_busy（right）;
if（right）LCD_RDW=data;
elseLCD_LDW=data;
}
lcd_cmd_wr（）和lcd_dat_wr（）两个函数分别是给LCD写命令和写数据函数，通过写命令函数设定地址。
每个函数都分左右屏，用0，非0选择。
读数据函数unsignedcharlcd_dat_rd（unsignedcharright）。
unsignedcharlcd_dat_rd（unsignedcharright）
{
loop_lcd12864_is_busy（right）;
if（right）return（LCD_RDR）;
elseretuen（LCD_LDR）;
}
该函数完成对LCD已显示的数据读出，首次操作需要读2次数据才有效。
LCD清屏函数voidlcd12864_clr（void）。
voidlcd12864_clr（void）
{
unsignedchari,j;
for（i=0;i<8;i++）{//从0到7共8页
lcd_cmd_wr（ORGX,0）;//分页设定左屏0点地址
lcd_cmd_wr（ORGY+i,0）;
lcd_cmd_wr（ORGX,1）;//分页设定右屏0点地址
lcd_cmd_wr（ORGY+i,1）;
for（j=0;j<64;j++）{
lcd_data_wr（0,0）;
lcd_data_wr（0,1）;
}
}
}
该函数对LCD所有点阵写0，完成一次清屏操作。
这里的ORGY，PRGX是设定光标的命令，光标指向（0,0）字节，是一个固定值。
实际在执行数据写入的时，x坐标范围从0到63，在连续写入过程中能够实现自动加1，y轴页地址范围从0到7，需要逐页设定。
LCD初始化函数voidlcd12864_init（void）。
voidlcd12864_init（void）
{
lcd_cmd_wr（DISPON,0）;//显示开启
lcd_cmd_wr（DISPFIRST,0）;//设定显示首行地址
//修改首行地址可以实现屏幕滚动显示效果
lcd_cmd_wr（ORGY,0）;//设定初始光标
lcd_cmd_wr（ORGX,0）;
lcd_cmd_wr（DISPON,1）;//初始另外一半
lcd_cmd_wr（DISPFIRST,1）;
lcd_cmd_wr（ORGY,1）;
lcd_cmd_wr（ORG,1）;
lcd12864_clr（）;//执行清屏，非必须操作
}
该函数用来初始化LCD，设置显示模式，光标位置等，在对LCD绘图时，最多的命令就是设定当前光标位置，通过光标位置来指定将要操作的LCD显示点。
在对LCD编程操作以前，一定要执行此函数对LCD进行初始化操作。
例如给左半屏（0,0）首字节写入数据0x55，应该执行以下程序。
lcd12864_init（）;//LCD初始化
lcd_cmd_wr（ORGX,0）;//设定水平轴X地址
lcd_cmd_wr（ORGY,0）;//设定垂直轴Y地址
lcd_dat_wr（0x55,0）;//写入数据，从下至上为01010101
lcd_dat_wr（0xaa,0）;//写入数据，从下至上为10101010，连续写入，X地址自动加1
这样在如图0字节和1字节就将交替有4点亮，4点暗，构成如图2-2所示图案。
图2-2LCD显示示例图2-3LCD显示示例
又如执行程序：
lcd12864_init（）;
lcd_cmd_wr（ORGX,1）;
lcd_cmd_wr（ORGY,1）;
lcd_dat_wr（0x55,1）;
显示效果如图2-3所示。
如果执行以下程序：
lcd12864_init（）;
lcd_cmd_wr（ORGX+1,0）;
lcd_cmd_wr（ORGY+1,0）;
lcd_data_wr（0x55,0）;
显示效果如图2-4所示。
图2-4LCD显示示例图2-5LCD显示示例
从驱动函数可见，一次对LCD写入数据是以字节为单位，通过写命令确定坐标，Y坐标从0页到7页，X坐标从0列到63列，分左右屏，左上角为坐标（0，0）点，这和我们习惯的左下角为（0，0）坐标轴是不一样的。
因为每次操作LCD是一个字节为单位，对应8点，如果我们希望以任意点为坐标显示，还得另外寻找别的办法编程实现真正“点”显示。
如图2-5所示，在屏幕上指定位置画点，水平轴就是x，与lcd坐标一致，y轴需要将点坐标变成字节为单位的坐标，我们先按习惯将y轴64点从下至上编号0到63，其中0到7点为字节0，8到15点为字节1，依此类推对应8字节。
第一点Y轴为30，应该是哪字节哪bit呢？
30/8取整为3，前3字节（0，1，2三字节）对应0到23点跳过，实际30点应该在第4字节（24到31）的bit6上，这就要用算法计算出字节数和bit位，前面30/8=3，这里的3似乎就是要找的字节数，那么30%8（30除8取余数）呢，余数是6，不是刚好是bit位吗？
所以可以这样将y值映射到某字节的某点上，如果Y轴64点对应8字节变量Da[n]，n从0到7，则：
da[y/8]=1<<（y%8）;或
da[y>>3]=0x01<<（y&0x07）;后一种算法更优。
通过总结规律，用以上算法可以将任意0到63之间的数据作为坐标描点到对应的8个字节中，然后将8个字节全部写入LCD，则通过刚才算法就会有一点与所给坐标一致。
第一点：
da[30/8]=1<<30%8;即da[3]=0x40;
第二点：
da[10/8]=1<<10%8;即da[1]=0x04;
下面我们来设计的函数。
总结以上算法，编写出在LCD任何坐标位置上描点绘图函数voidlcd_disp（unsignedcharx,y）。
列更新子函数lcd_row_wr（unsignedcharx,unsignedchar*da）。
voidlcd_row_wr（unsignedcharx,unsignedchar*da）//x是列坐标,*da是8字节列数据
{
unsignedcharj;
if（x<64）{//根据列坐标选择左右半屏
for（j=0;j<8;j++）{//写左半屏
lcd_cmd_wr（ORGY+j,0）;
lcd_cmd_wr（ORGX+x,0）;
lcd_data_wr（da[j],0）;
}
}
else{
x-=64;//坐标调整
for（j=0;j<8;j++）{//写右半屏
lcd_cmd_wr（ORGY+j,1）;
lcd_cmd_wr（ORGX+x,1）;
lcd_data_wr（da[j],1）;
}
}
}
voidlcd_disp（unsignedcharx,y）//x水平坐标，y垂直坐标
{
unsignedchardat[8];
unsignedcharj;
for（j=0;j<8;j++）dat[j]=0x0;
dat[y/8]|=0x01<<（y&0x07）;
lcd_row_wr（x,dat）;
}
以上函数能够在指定坐标（x，y）上描点，例如执行程序：
lcd_init（）;
lcd_disp（0,0）;
lcd_disp（1,1）;
lcd_disp（2,2）;
lcd_disp（3,3）;
lcd_disp（4,4）;
lcd_disp（5,5）;
lcd_disp（6,6）;
lcd_disp（7,7）;
lcd_disp（70,10）;
lcd_disp（71,20）;
lcd_disp（72,30）;
lcd_disp（73,40）;
效果如图2-6所示。
图2-6LCD显示示例图2-7LCD显示示例
以上演示源程序keil工程请参考附件【LCD驱动exa1】。
如图2-6所示效果，Y轴“反了”，是的，这很好办，在lcd_disp（）函数中增加一句：
y=63-y;就可以实现。
在下面的例子中将做到与我们习惯的坐标一致。
voidmain（）
{
unsignedchari;
lcd_init（）;
for（i=0;i<128;i++）{
lcd_disp（i,i/2）;
}
while
（1）;
}
效果如图2-7所示。
以上演示源程序keil工程请参考附件【LCD驱动exa2】。
如果将正弦表的数据送LCD显示，程序：
voidmain（）
{
unsignedchari;
lcd_init（）;
for（i=0;i<128;i++）{lcd_disp（i,dot[i%30]/4）;//除以4是变8bit为6bit（0-63）进行LCD映射
}
while
（1）;
}
效果如图2-8所示。
图2-8LCD显示示例图2-9矢量绘图示例
以上演示源程序keil工程请参考附件【LCD驱动exa3】。
以上是逐点绘图，其实矢量绘图效果会更好，矢量绘图
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