1 前 言

工業(yè)生產(chǎn)中，常使用示波器對各類設備的傳感器信號加以測量和觀察，在生產(chǎn)線上也會同樣使用示波器來檢驗產(chǎn)品性能。由于示波器價格不扉，此類作法已經(jīng)不適應大規(guī)模生產(chǎn)產(chǎn)品。產(chǎn)品的批量生產(chǎn)意味著購買更多的示波器，從而使生產(chǎn)成本增加；其次由于示波器操作復雜，普通操作員工對示波器的操作熟練程度也會嚴重影響生產(chǎn)效率；最后在環(huán)境欠佳的生產(chǎn)現(xiàn)場，塵土、濕氣、溫度等外界環(huán)境影響將會縮短示波器的壽命。

誠然，開發(fā)完全取代示波器的硬件設備有一定難度，但示波器在生產(chǎn)檢驗中的用途一般是單一的、確定的，如檢測信號輸入的時間差值、檢測信號的觸發(fā)邊沿時間、檢測信號的頻率、檢測信號的峰值等等功能，所以我們可以只針對某一特定功能，運用當前的單片機技術開發(fā)一款信號檢測系統(tǒng)是可行的。本文將以檢測信號輸入時間差值為目的，介紹系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)過程。

2 系統(tǒng)組成和應用原理

2.1 系統(tǒng)設計目的

如上示波器界面截圖，檢測凸輪多齒上升沿信號與電流起始信號的時間差值，差值可選用1信號為基準求出，并將其換算為角度，即為圖上兩虛線之間的方波信號個數(shù)（360轉速信號，1方波恰為1度）。

2.2 單片機信號測量原理

以單片機為核心，充分利用自身計數(shù)器／定時器的計數(shù)功能。大致測量方法分以下兩個方法：

高頻測量（＜500 KHZ）：
采用測頻法測量高頻，在確定的閾值時間Tw內(nèi)，記錄被測信號的變化周期數(shù)（或脈沖數(shù)）Nx，則被測信號的頻率：fx＝Nx／Tw。（對T0或T1的外部脈沖進行計數(shù)，當T0或T1引腳上發(fā)生負跳變時，計數(shù)器加1。由于識別引腳的負跳變需2個機器周期，即24個時鐘振蕩周期，T0／T1的最高頻率為1／24 fosc，當晶體振蕩器頻率為12 MHz時，其最高計數(shù)頻率為500 kHz）。測頻法原理如圖所示：

低頻測量：
采用測周法測量低頻，測周期法需用標準信號的頻率fs，待測信號的一個周期Tx內(nèi)，記錄標準頻率的周期數(shù)為Ns，則被測信號的頻率為：fx＝fs／Ns。由于被測頻率較低，故可采用8051測量，首先要將被測信號轉換成門控信號，其原理如圖所示：

2.3 硬件開發(fā)

本次設計選用C8051F310單片機，該單片機的可編程計數(shù)器（PCA0）由一個專用的16位計數(shù)器／定時器和5個16位捕捉／比較模塊組成。其計算器/定時器由可編程的時基信號驅動，時基信號可以是系統(tǒng)時鐘的1／2，1／4，1／8，所以時基信號的精確更有利于擴展信號測量的頻率范圍，此外，信號捕捉／比較模塊也具有邊沿觸發(fā)捕捉工作方式。

單片機外圍電路：
P0.6 360 轉速信號中斷
P0.7 電流信號中斷
P0.0，P0.1 外接EEPROM（SPI數(shù)據(jù)傳輸）
P2.2-P2.7 LCD液晶顯示
P3.1，P3.2 鍵盤（未使用）

2.4 軟件開發(fā)

系統(tǒng)軟件設計采用Keil C51編寫。根據(jù)系統(tǒng)所測目的，可運用PCA計數(shù)器溢出中斷、PAC邊沿捕捉模式中斷，以及INT0、INT1中斷對波形進行計數(shù)，未運用到信號測頻，測周原理便可以達到系統(tǒng)目的。

系統(tǒng)軟件設計流程為：單片機初始化；LCD初始化；計數(shù)器清零；轉速信號中斷；計數(shù)器＋1；電流信號中斷；將此時計數(shù)值賦給電流時間量Y，凸輪多齒信號邊沿捕捉；將此時計數(shù)值賦給凸輪信號多齒輪發(fā)生時間量X，完成一次測試量，目標值＝Y－X；調(diào)用顯示函數(shù)顯示，發(fā)送結果至上位機。如下圖系統(tǒng)軟件設計流程：

3 系統(tǒng)運用結論

本方案系單片機的簡單運用，可運用于制造業(yè)特定信號測量，幫助企業(yè)降低購買昂貴儀器的成本。經(jīng)過實際使用，本系統(tǒng)運行穩(wěn)定，所測結果與使用示波器所測誤差在1度以內(nèi)。操作人員可通過LCD顯示直接觀察檢測結果，也可通過上位機軟件對其直接觀察，并通過上位機將每次所測數(shù)據(jù)加以保存，上位機采用C＃編寫。該軟件顯示界面如下圖：