摘??要： 以STC12C5412AD單片機作為核心器件，完成了語音示波器的設計方案。該方案實現(xiàn)了包括電壓、周期的識別、切換和測量過程自動化，引入語音電路，實現(xiàn)信號測量結(jié)果語音報數(shù)。
關鍵詞： 單片機；示波器；語音報數(shù)
??? 目前，單片機技術的發(fā)展與廣泛應用，促使傳統(tǒng)的儀器儀表引進了微計算機技術，從而在原理、功能、精度及自動化等方面發(fā)生了革命性的變化，形成了一種新型的智能化儀器。在現(xiàn)代檢測技術領域中，示波器是高校實驗室和科研院所中使用相當頻繁的測量儀器之一。但是，目前普遍使用的模擬示波器，其偏轉(zhuǎn)靈敏度、掃描速度的確定都是人工操作，電壓值、周期值都必須通過人眼觀測和人工計算才能得到，測量結(jié)果有一定的誤差。對此，本文采用STC12C5412AD單片機為控制核心，實現(xiàn)信號電壓幅值、周期值的自動識別與切換，測量過程實現(xiàn)自動化；引人ISD2560語音電路，測量結(jié)果不需人工換算，可語音報數(shù)。
1 語音示波器硬件電路設計
語音示波器硬件電路框圖如圖1所示。主要由衰減電路、語音電路、單片機控制電路等組成。
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1.1示波器衰減電路
示波器衰減電路由兩級幅值衰減電路、源極跟隨放大電路和幅值選擇電路組成，其原理電路如圖2所示。
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電路默認將模擬轉(zhuǎn)換器CD4052置于最高檔衰減。輸入信號電壓Vi，經(jīng)最高檔衰減后的電壓Vo送到有效值變換電路，變換所得的直流電壓送到比較電路（比較芯片采用LM311）。首先判斷其電壓是否高于設定的參考電壓，如果高于參考電壓，LM311輸出高電平“1”，送到單片機P1.1口，單片機發(fā)出切換指令，通過P1.5～P1.7口去控制CD4052的片選A、B端，切換到次大衰減檔；再判斷是否滿足測量要求，如果不滿足就將繼續(xù)切換，直到信號的幅值低于參考電壓。此時，LM311輸出一低電平“0”，送至單片機P1.1口，單片機發(fā)出停止切換指令，CD4052的A、B端不變（即不再切換），電路就在該檔位進行測量[1]。
1.2 語音報數(shù)電路
為了實現(xiàn)直接讀數(shù)，減小測量誤差，利用單片機所具有的計算功能，結(jié)合語音處理技術，通過語音電路，將測量結(jié)果直接讀出。語音電路以ISD2560語音芯片為核心器件，接入少量外圍元件就可組成語音電路[2]，其電路如圖3所示。
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語音報數(shù)電路ISD2560易于與微機接口，能進行分段尋址。分析所有可能的測量結(jié)果，設計出語音元素（電壓、周期、頻率）和對應的地址（010H、020H、030H）分配等，通過圖3所示電路，分別錄制語音元素，這些信息存儲于ISD2560非易失性存儲單元NMC中。測量數(shù)據(jù)經(jīng)過單片機軟件處理后，單片機發(fā)出語音地址和放音控制指令，并同存儲在語音芯片內(nèi)部的語音地址進行比較，當兩者相匹配時，最后通過語音電路及揚聲器報出測量結(jié)果。
1.3 單片機控制電路及工作原理
單片機控制電路如圖4所示，包括單片機、信號處理電路、整形電路及電源等。
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單片機選用STC12C5412AD，單片機控制電路[3]通過對輸入信號幅度的控制，滿足有效值變換器AD736最大輸入電壓為200mV的要求。經(jīng)有效值變換電路得到與其有效值對應的直流信號，在單片機的控制下，該信號通過10位A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送單片機內(nèi)部電路。經(jīng)軟件處理后的結(jié)果送至語音電路，實現(xiàn)信號幅值測量直接讀數(shù)。單片機定時器T1輸入端所接收信號為TTL電平，所以輸入信號必須經(jīng)六反相器(斯密特觸發(fā)器)74HC14整形、累加器74HC196十分頻后送單片機處理。最后送至語音電路，報出所測信號的周期或頻率。
在單片機的控制下完成信號幅值、周期測量后，通過標準串行總線通信接口RS232，進行PC機與單片機之間的通信，實現(xiàn)測量結(jié)果的記錄、分析及處理。通過接口也可將數(shù)據(jù)直接送到各種打印機和繪圖儀。電平轉(zhuǎn)換芯片采用MAX232。AD736、LM311采用±15V和+5V供電，其余IC選用+5V的電源。
2 軟件設計
本系統(tǒng)的軟件部分主要包括信號幅值測量模塊、周期測量模塊、語音報數(shù)的實現(xiàn)模塊。由于系統(tǒng)主要功能的實現(xiàn)是通過系統(tǒng)內(nèi)部自動操作完成各模塊的功能，因此，將主模塊和其他功能模塊相結(jié)合，實現(xiàn)測量過程自動化及測量結(jié)果語音報數(shù)的控制。主程序流程圖如圖5所示。
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2.1 信號幅值測量模塊
被測信號幅值是任意的，考慮到示波器輸入信號幅值可能達到最大值，因此初始測量時，電路處于最大檔衰減，即衰減1 000倍。衰減后的信號經(jīng)有效值電路AD736變換為直流信號送至比較器LM311。通過比較后由單片機控制其衰減倍數(shù)，直到比較器輸出為低電平“0”送至單片機P1.1口，最后單片機發(fā)出停止切換指令，并進入測量階段。此時，單片機發(fā)出控制指令，控制內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器啟動轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)10位A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換。調(diào)用幅值處理程序，完成信號幅值測量。
2.2 信號周期測量模塊
輸入信號經(jīng)反相器74HC14整形后變?yōu)榉讲ㄐ盘枺偷絾纹瑱C定時器T1并進行計數(shù)。當信號頻率為10Hz～99Hz時，單片機P2口接至示波器掃描電路，P2.0～P2.2輸出000，并進行掃描速度切換；同理，信號頻率分別為100Hz～999Hz、1kHz～9.999kHz、10kHz～99.999kHz、100kHz～999.999kHz、1MHz～9.99999MHz，單片機P2口P2.0～P2.2分別輸出001、010、011、100、101，最后送至掃描電路分別進行掃描速率切換,調(diào)用周期處理程序，完成信號周期測量。
2.3 自動檢測算法
系統(tǒng)上電后，由MCU將測量檔位確定在最大衰減檔位。此時信號電壓經(jīng)過衰減電路衰減后送有效值轉(zhuǎn)換電路，并將交流信號轉(zhuǎn)換成有效值信號。有效值信號分為兩路，一路至單片機P1.0端口；另一路至比較電路。比較電路將有效值和參考電壓Vref相比較，如果輸出高電平“1”，說明此時沒有達到合適的測量檔位，P1.1端口則出現(xiàn)高電平“1”，單片機檢測到高電平，電路將繼續(xù)進行降低檔量程切換。檔位從高到低，每切換一個檔位就把轉(zhuǎn)換后的有效值和參考電壓進行比較，直到出現(xiàn)低電平“0”為止。單片機檢測到低電平，電路就鎖定在該測量檔位，此時讀取電壓值，并進行測量處理[4]。
2.4 語音報數(shù)的實現(xiàn)
電路所采集到的信號數(shù)據(jù)通過單片機分析處理后，首先實現(xiàn)電壓幅值和頻率的自動識別及切換；再利用單片機的計算功能，對所采集到的數(shù)據(jù)進行分析比較，即按照預先所設計的指標，對數(shù)據(jù)單獨進行處理；測量結(jié)果作為數(shù)據(jù)地址，通過單片機P2口P2.3～P2.7接至語音電路ISD2560接口A4～A8端。語音電路接收到測量數(shù)據(jù)地址，在語音地址中通過尋址，最后報出相應地址數(shù)據(jù)所對應的電壓幅值和周期值。
3 實際應用及分析
用幅值衰減電路取代模擬示波器衰減電路（原電路復雜，成本高），保持示波器60dB放大倍數(shù)不變；將單片機與示波器掃描電路相連，實現(xiàn)掃描電路切換控制，示波器CRT讀出，滿足屏上顯示2～3個周期波形觀測的要求。在標準信號發(fā)生器提供頻率分別為10Hz、100Hz、1kHz、10kHz、100kHz、1MHz、10MHz時，幅值分別為10mV、50mV、100mV、500mV、1V、5V、10V正弦信號。用該示波器對其進行測量，幅值測量精度為±0.5%，頻率測量精度優(yōu)于±0.02%，完全達到了設計要求。
????本文所論述的語音示波器，利用單片機軟、硬件資源，實現(xiàn)了示波器靈敏度、掃描速度自動選擇與切換；信號電壓幅值、周期值自動識別與切換，測量過程自動化；不需“人工”計算，測量結(jié)果直接“顯示”。測試結(jié)果表明，該電路具有測量穩(wěn)定、快速、精度較高的特點；同時，該項技術在檢測技術領域具有一定的應用前景。
參考文獻
[1] ?林占江.電子測量技術[M].北京：電子工業(yè)出版社，2003.
[2] ?蔡蓮紅，黃德智，蔡銳.現(xiàn)代語音技術基礎與應用[M].北京：清華大學出版社，2003.
[3] ?何立民. MCS-51系列單片機應用系統(tǒng)設計[M]. 北京:航空航天大學出版社，2001.
[4] ?許宜生,丁振榮.自動檢測儀器儀表電子電路設計[M].北京:電子工業(yè)出版社，2001.