摘要：虛擬示波器在應(yīng)用中體現(xiàn)出簡易、靈活、便攜、易于與PC機(jī)通信的特點(diǎn)。該設(shè)計中采用超低功耗的MSP430F169單片杌作為控制核心，實(shí)現(xiàn)模／數(shù)轉(zhuǎn)換，它能保證高運(yùn)算速度和系統(tǒng)的工作穩(wěn)定。同時使用高速USB接口與PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，在PC機(jī)端對信號進(jìn)行分析和再現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)信號的實(shí)時顯示和信號的特征分析；系統(tǒng)采用USB供電，不僅可降低功耗，而且易于使用和攜帶。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該設(shè)計達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。
關(guān)鍵詞：MSP430；USB；虛擬示波器；低功耗系統(tǒng)

0 引言
    信息技術(shù)的高速發(fā)展，對新的技術(shù)設(shè)備提出了數(shù)字化，小型化和低功耗的要求，而虛擬示波器就是為適應(yīng)這一發(fā)展而設(shè)計的。MSP430單片機(jī)具有集成度高、嵌入模塊豐富(12位AD、16位定時器、FLASH、3通道DMA等)、超低功耗、系統(tǒng)穩(wěn)定等特點(diǎn)，在許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。對于一個虛擬示波器，一般通過采集模擬波形，然后由MCU經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生相應(yīng)的波形數(shù)據(jù)，經(jīng)多級緩沖和傳輸，再經(jīng)過相應(yīng)的數(shù)字信號處理(如FFT等)，最后通過采樣將模擬波形還原出來。MSP430F169單片機(jī)內(nèi)嵌12位A／D轉(zhuǎn)換器，通過前置放大器、信號調(diào)理、比例轉(zhuǎn)換后，由單片機(jī)完成模數(shù)轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)將從單片機(jī)經(jīng)由USB接口高速傳輸至PC機(jī)，PC機(jī)經(jīng)過一系列的數(shù)字信號處理后將波形顯示在PC機(jī)控制臺上。這一設(shè)計，達(dá)到了小型化、多樣性、高精度、低功耗、便攜式、嵌入式的要求，是一個功能齊全的智能化配置的功能設(shè)備，較好地體現(xiàn)了MSP430單片機(jī)的控制和外圍模塊豐富的優(yōu)越性。同時采用USB供電，通過內(nèi)部電路對電源的分配，達(dá)到了低功耗的要求。

1 設(shè)計方案
    為了開發(fā)一種小型化、便攜式、低功耗、功能齊全的波形收集、顯示的智能化虛擬示波器，提供大學(xué)生自主開發(fā)和電子設(shè)計需要，具備基本硬件測試和分析功能，達(dá)到低成本測試平臺，設(shè)計方案如圖1所示。

    它主要包含兩部分：
    (1)對輸入信號進(jìn)行收集、調(diào)理、采樣和A／D轉(zhuǎn)換，并通過USB傳輸?shù)接嬎銠C(jī)端，通過信號處理后顯示在計算機(jī)屏幕。
    (2)采用低功耗器件，保障USB供電，為儀器提供充足的電能。
1．1 電源設(shè)計
    該設(shè)計中單片機(jī)是工作在低功耗模式的，因此對系統(tǒng)的電源管理十分重要。為了降低系統(tǒng)的功耗，使用USB為全電路供電，設(shè)計了由單片機(jī)程控的電源開關(guān)。它包括了過電流、過電壓保護(hù)、低功耗運(yùn)行模式和休眠，并采用分布供電的方式，從而達(dá)到了省電及減低功耗的目的。
    由于電路中使用了電壓±12 V的程控放大器，因此必將USB的5 V電源通過程控開關(guān)轉(zhuǎn)換成±12 V的電源，其電路轉(zhuǎn)換中使用的轉(zhuǎn)換芯片為MAX743。MAX743是雙輸出的，PWM開關(guān)時穩(wěn)壓器。它可以從5 V轉(zhuǎn)換成±12 V或者±15 V電壓。它的主要應(yīng)用特點(diǎn)為：電流變化為100～125 mA、低噪聲電流模式反饋、短路保護(hù)、可邏輯選擇±12 V或±15 V電壓輸出、內(nèi)置電源MOS管、擁有±4％的精度、可軟件啟動等?；谝陨咸攸c(diǎn)，它能夠有效地進(jìn)行自我保護(hù)，對電壓的影響相當(dāng)小，并且能夠容易地將噪聲和尖峰濾除，保證了電源信號的質(zhì)量。
1．2 USB設(shè)計
    USB塊在整個電路中實(shí)現(xiàn)的功能為：提供整個電路的電源、實(shí)現(xiàn)PC與單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)的快速傳輸。
    使用USB控制芯片PDIUSBD12實(shí)現(xiàn)USB數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂?，利用miniUSB接口實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與采集板的連接。PDIUSBD12提供了高達(dá)12 Mb／s的傳輸速率，可以進(jìn)行存儲器直接尋址，即DMA傳輸，既加大了數(shù)據(jù)吞吐量，同時也提高了數(shù)據(jù)傳輸速度。PDIUSBD12所具有的低掛起功耗功能，連同LazyClock輸出可以滿足使用ACPIOnNOW和USB電源管理的要求，低的操作功耗，也可以應(yīng)用于使用總線供電的外設(shè)。PDIUSBD12芯片接收來自于單片機(jī)的8位數(shù)據(jù)，通過來自單片機(jī)的控制信號，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通過miniUSB接口到PC機(jī)的串行數(shù)據(jù)傳輸。
1．3 MSP430內(nèi)嵌模數(shù)轉(zhuǎn)換器
    要將收集到的波形轉(zhuǎn)換成一系列的數(shù)據(jù)量，以便于進(jìn)一步的處理和研究，A／D轉(zhuǎn)換是必不可少的。在這里，為了提高轉(zhuǎn)換效率和轉(zhuǎn)化速率，同時為了控制方便以、數(shù)據(jù)的存儲的可靠性與快速存儲，使用了單片機(jī)內(nèi)部的A／D轉(zhuǎn)換模塊來進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換。而使用單片機(jī)內(nèi)部的模塊也能夠減小系統(tǒng)的功耗與使用的元器件的數(shù)量。
    ADC12模塊內(nèi)置了6種可編程選擇的參考電源，使用時可以根據(jù)不同要求進(jìn)行選擇。ADC12共有12個轉(zhuǎn)換通道，設(shè)置了16個轉(zhuǎn)換存儲器用于暫存結(jié)果，通過合理的軟件設(shè)置后，ADC12硬件會自動將結(jié)果存放到相應(yīng)的ADC12MEM寄存器中。通過ADC12的轉(zhuǎn)換得到波形的數(shù)據(jù)，經(jīng)過單片機(jī)內(nèi)部的DMA數(shù)據(jù)傳輸后可將其送到USB端，從而發(fā)送給PC機(jī)處理。圖2為單片機(jī)到PC機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸。

    計算機(jī)端應(yīng)用程序使用C sharp語言開發(fā)。其目的是將接收的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成模擬波形從而顯示在計算機(jī)上其控制臺如圖3所示。

2 PC控制臺及編程
    計算機(jī)端程序需要不斷地將波形顯示在主界面上，主按鈕觸發(fā)后將調(diào)用backgroundworker控件生成一個新的線程來不斷發(fā)送采樣命令、接收設(shè)備傳來的數(shù)據(jù)以及將數(shù)據(jù)進(jìn)行恢復(fù)顯示。新建線程使后臺處理過程中主界面仍然可以響應(yīng)用戶的請求。在顯示過程中需要對波形顯示的幅度大小和時間間隔調(diào)整，這是通過主界面提供的控件設(shè)置控制變量，新線程使用這些變量恢復(fù)和顯示波形實(shí)現(xiàn)的。

3 實(shí)驗(yàn)
    虛擬示波器通過接收一個信號，然后顯示在PC機(jī)控制臺上。同時對兩個端點(diǎn)進(jìn)行了測試；信號采集輸入端和單片機(jī)接收端。在圖4中，(a)為輸入波形，(b)為在單片機(jī)接收端的波形。可以看出，波形經(jīng)轉(zhuǎn)換后送到單片機(jī)接口的信號很好。同時已經(jīng)加入直流偏置，符合單片機(jī)轉(zhuǎn)換的要求。單片機(jī)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)經(jīng)USB傳輸?shù)絇C機(jī)上進(jìn)行顯示。圖5為在PC機(jī)上顯示的波形，它的實(shí)現(xiàn)依賴于軟件的編程。

    使用信號發(fā)生器作為信號輸入，使用MOS-620示波器對信號進(jìn)行校準(zhǔn)。表1中通過對測試數(shù)據(jù)的分析，參數(shù)在精度上的誤差基本控制在5％以內(nèi)。但對于頻率較大的信號，由于和采樣頻率相近，其頻率會有較大的誤差。在波形顯示上滿足了設(shè)計要求，能夠滿足采集最大頻率為100 kHz的波形。

4 結(jié)語
    本文采用性能優(yōu)越的MSP430F169作為控制核心。通過USB與PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，利用PC機(jī)進(jìn)行人性化的操作。通過USB的設(shè)計實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的快速傳輸，利用USB供電，使用電源管理的方法對電源進(jìn)行分配，單片機(jī)對電源開關(guān)進(jìn)行控制，既實(shí)現(xiàn)了電源的可控性，又降低了功耗。使用MSP430在低功耗模式下，內(nèi)部的A／D模塊能夠?qū)崿F(xiàn)快速而精準(zhǔn)的A／D轉(zhuǎn)換。通過各個部分的硬件設(shè)計在相關(guān)軟件的輔助下實(shí)現(xiàn)了要求波形的顯示，完好達(dá)到了虛擬示波器的設(shè)計。