基于单片机和虚拟仪器技术的智能仪器系统开发
摘 要：介绍了一种基于嵌入式单片机系统和虚拟仪器技术的集成化智能仪器系统，给出了软硬件设计方案，并简述了工作原理。
1 引言。
电子测量仪器是电子通讯、自动化以及计算机等学科的常规设备，如信号源、电压表、频率计、示波器等。而传统的测量仪器体积大，使用不灵活，可扩展性差，性/价比低。这里介绍一种将信号源、数字电压表、频率计、分频器、示波器功能集成到一起的智能化测量仪器系统。它是基于嵌入式单片机系统ADμC812和虚拟仪器技术构成的，具有功能设计的开放性、使用上的灵活性，同时有较高的性价比。
虚拟仪器（VI）技术就是将计算机应用于测试仪器之中，利用良好的虚拟仪器软件平台，充分发挥计算机强大的数据处理功能和丰富的图形显示功能，在屏幕上虚拟出与传统仪器相似的显示面板，用户通过键盘和鼠标操纵面板上的虚拟开关、旋钮、按键等，去控制仪器的运行、进行数据的采集与数据分析、了解仪器的状态、读取并打印测试结果等。虚拟仪器的主要特点体现在软件就是仪器的思想，它以特定的软件支持取代相应的电子线路，充分利用计算机软硬件资源，用计算机完成传统仪器硬件的部分以至全部功能。它是传统仪器功能和外形的模块化和软件化。虚拟仪器技术综合运用了计算机技术、智能测试技术、数字信号处理技术（DSP）、图形处理技术、模板及总线的标准化技术及高速专用电路（ASIC）制造技术等。虚拟仪器是建立在标准化、系列化、模块化、积木化的硬件和软件平台上的一个完全开放的系统。
3 系统硬件设计。
仪器系统的控制核心ADμC812是ADI公司推出的全集成数据采集系统，它嵌入了8051单片机内核，片内提供了8通道12位高精度ADC，2个12位电压输出型DAC，8kB电可擦除程序闪存和640B电可擦除数据闪存等丰富的存储器，3个16位定时器/计数器，32条可编程并行I/O线，以及WDT定时器和PSM电源监视器等。系统的人机接口采用大规模集成芯片Intel8279，它是键盘和LED显示器专用接口芯片，可对多达64个按键或传感器进行扫描，自带FIFO存储器，当有键按下时自动向CPU申请中断。可驱动8或16个LED显示器，内有16B显示RAM。键盘和LED同时工作，且不需要CPU过多干预。
本仪器系统以ADμC812为核心，外部扩展了相应的接口和电路，通过编程使其构成了具有数字电压表功能、数字频率计功能、分频器功能、函数发生器和数字示波器功能的智能仪器系统。被测电压信号为数字电压表功能模块的模拟电压输入;被测频率信号为数字频率计功能模块的频率信号输入;模拟电压输出为函数发生器（信号源）功能模块的模拟电压输出;分频信号输出为分频器功能模块的输出信号;而数字示波器功能模块的输入信号由被测电压信号和被测频率信号共同构成，这时，这两个输入接同一个信号。
4 主要模块工作原理。
该模块可选择4路模拟电压进行测量，经分压与调理电路将被测电压变为ADμC812兼容的信号，再由片内的多路A/D转移器，转移成数字信号后即可存储、显示。根据被测电压范围可选择不同量程，这是由ADμC812输出的量程选择控制信号实现的。
该模块中被测频率信号经分频与整理电路后变成适当频率的脉冲信号，接到计数器T0输入端，经ADμC812内部定时器/计数器T0测得频率值后即可存储和显示。其量程选择同样由ADμC812输出的控制信号实现。分频器功能的硬件只是在频率计的基础上增加输出部分。
4.3 函数发生器功能。
利用ADμC812内部的8051和12位D/A转换器，由程序将按一定规律变化的数字量通过D/A转移成模拟量，再经输出电路放大驱动即可得到要求的正弦波电压、锯齿波电压、三角波电压、脉冲波电压、直流电压等信号。这些信号的频率、幅度等参数可由用户在键上输入相应命令来指定，并用LED显示器指示。
将被测信号同时接到被测电压信号输入端和被测频率信号输入端，分别测量其幅度、频率等参数，并由显示器以数字形式显示出来。若在实验室使用，则可通过与PC机的接口借助虚拟仪器平台制做的面板显示被测波形。
当仪器系统脱离PC机工作时，为独立方式。实际上就是一个独立的仪器装置，这时其操作用自带小键盘控制，如：选择仪器功能，输入分频系数、波形代码等。而有关状态和数据的显示也是由自带的LED显示器实现，如：显示所选仪器功能标志，显示所选波形代码，显示电压、幅度、频率等。由于有的仪器功能中需显示的信息较多，故采用动态交替显示方式。
当仪器系统与PC机联机工作时，为主从方式。即以PC机为上位机，仪器系统为下位机，这时运行虚拟仪器软件，所有控制和信息的显示都在PC机的CRT上实现。其优势在于不仅可观看数据、状态，还可看到波形，以及各种符号标志等。
这两种工作方式的选择是通过仪器系统上的一个选择开关实现的。系统软件框架示于图2。由于两种工作方式在功能模块划分上几乎没有区别，因此它们的软件构成都可用图2描述。
6 结论。
单片机的发展日新月异，种类繁多，内部功能越来越完善，工作速度也越来越快。所以优选几款性价比较高的单片机用于智能仪器的开发是大有可为的。其中ADμC812单片机是比较典型的一种，价廉物美，是实现智能仪器开发较为理想的器件之一。本文主要通过一个具体的应用实例，简单介绍了利用ADμC812系列混合信号单片机进行智能仪器开发的基本方法。
参考文献。
1. 罗桂娥，杨欣荣等.虚拟仪器技术在教学上的应用[J].电气电子学报，2003，（1）.
2. 张铮，李立.虚拟仪器系统实验室的设计及实现[J].实验室研究与探索，2000，（5）：64—66.
3. 陈客松，王章瑞等.一种虚拟仪器概念的任意波形发生器的研制[J].仪表技术，2000，（5）：11—13.
4. 北京中科泛华测控技术有限公司. LabVIEW与Datasocket技术[J].世界产品与技术：2002（2）：53—55.
5. 新华龙电子有限公司.C8051F020/1/2/3混合信号ISP FLASH微控制器数据手册[M].沈阳：沈阳航空工业出版社，2005.
6. 潘琢金，孙德龙，夏秀峰译. C8051F单片机应用解析[M].北京：北京航空航天大学出版社.
7. 丁鹭飞，耿富录.雷达原理[M].西安：西安电子科技大学出版社，1995.
8. Intel Microcontroller Handbook[M]. Printed in U.S.A/C—632/100K/RRD/PB.1986.
9. 杨希让.利用C8051F020系列单片机实现智能仪器开发[J].火控雷达技术.2008，3。
10. 贾金玲 姚娅川. 基于嵌入式单片机系统和虚拟仪器技术的集成化智能仪器系统开发[J]. 仪器仪表学报.2005，8。