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【摘 要】突变信号是变化信号中的重要组成部分，其峰值大小往往包含了非常重要的信息，因此，对突变信号峰值的测量就显得尤为重要。基于此，本文设计了一种基于单片机的突变信号峰值测试器，包括突变信号模型电路、信号采集电路、数据处理和液晶显示电路。方法是由模型电路产生突变模拟电信号，经过高精度AD采样后将数据传送给单片机，单片机对采样数据进行处理得到峰值大小，最后通过液晶屏将峰值显示。对设计的测试器采用proteus进行了仿真，结果验证了峰值测试器的可行性。
【关键词】突变信号 峰值 单片机 proteus仿真
引言
信号可分为平稳的信号和变化的信号，其中突变信号是变化信号中的重要组成部分，在实际的工程应用中普遍存在，突变信号的峰值信息往往包含了非常重要的信息，比如在机械设备的在线检测和故障诊断中，振动信号分析是十分重要的手段，包含在振动信号中的突变信号是重要的特征信息[1]。在电力传送中的电能包含多种频率的谐波分量，谐波分量的峰值是电能质量的重要性能指标，一旦超过某个阈值，会给整个供电系统带来重大影响[2]；在测角系统运行时，会出现一些可预见和不可预见的故障，通过对测角系统误差信号发生突变的情况来进行故障诊断[3]。
目前突变信号的监测主要采用小波变换、希尔伯特变换等数据处理算法，而对其峰值的监测方法鲜有报道，基于此，本文设计了一种基于单片机的突变信号峰值测试器，包括突变信号模型电路、采样电路、数据处理和液晶显示电路。方法是由模型电路产生突变信号，经过高精度AD采样后将数据传送给单片机，单片机对采样数据进行处理得到峰值大小，最后通过液晶屏将峰值显示。对设计的测试器采用proteus进行了仿真，结果验证了峰值测试器的可行性。
1 测试器总体设计
设计的突变信号峰值测试器总体设计如图1所示，包括突变信号源、信号采集、数据处理和液晶显示四大部分。突变信号为模拟电信号，该信号经过信号采集电路进行转换，转换成对应的数字信号。单片机对转换后的数字信号进行运算和处理，得到突变模拟电信号的峰值大小，最后驱动输出装置即液晶屏将突变信号的峰值显示出来。
2 系统硬件电路设计
2.1 突变信号模型电路
实际的突变信号为形状类似畸变的三角波，且含有大量噪声的电信号，突变信号的幅值是时间的函数，当达到一定值即峰值时，随着时间的推移开始下降，不断重复上述过程，那么它将形成类似锯齿形的连续波。为了更好对本文设计的峰值测试器实现更好的仿真，设计了一种由555定时器和运算放大器所构成的突变信号模型电路，工作过程是先由555定时器组成多谐振荡电路生产方波，再经过RC积分电路，最后输出三角波[4]。
2.2 信号采集电路
在突变信号模型电路产生模拟的突变信号后，就需要A/D转换器将模拟信号转换成数字信号。信号采集电路的功能是为了实现模拟信号到数字信号的转换。在本设计中采用通用的8位AD转换器ADC0809，可以接8路模拟量输入，通过设定地址端可选取其中一路作为突变模拟信号的输入[5]。工作原理是当启动转换信号输入端下降沿到来时启动转换，并不断读取转化信息，转换结束后使能端信号跳变，通知后续的数据处理电路读取转换结果，并打开数据输出端，将数据传送到数据处理电路。
2.3 数据处理电路
数据处理电路的作用是将转换后的突变信号进行分析计算，进而得到突变信号的峰值大小，测试器采用AT89S52单片机作为中央处理单元[6]。数据处理是一个寻找最大值的过程：先要连续读取两个转换后的突变电信号，设为信号1和信号2。然后将两者进行比较，如果信号1的数值大于信号2的数值，表明此时的突变信号是一个下降的过程，继续对信号进行采集和比较。当后来的信号大于先来的信号时，要存取其中的较大值，当再次检测到信号变小时，此时的前一个信号便是突变信号的峰值信号。
2.4 液晶显示电路
液晶显示电路的功能是显示测量所得到的突变信号峰值额大小。测试器采用的液晶显示器型号为LM016L，其控制器大部分为HD44780，可以实现字符移动、闪烁等功能，携带方便，广泛应用于多种便携式测量设备中。
根据上述设计硬件电路的总体连接图如图2所示。
3 系统软件程序设计
测试器采用的单片机为AT89S52，开发平台为Keil IDE，可以完成从工程建立和管理、编译、连接，目标代码的生成，软件仿真，硬件仿真等完整的开发流程[7]。为了实现系统要求的功能，测试器的软件程序设计包括：信号采样程序、数据处理程序和液晶显示程序。
3.1 信号采样程序设计
由系统硬件电路可知，信号采样由模数转换芯片AD0809来实现，其流程图如图3所示。首先设置好模拟输入通道的地址，并启动AD转换。然后通过管脚EOC的高低电平来判断AD转换是否结束，如果EOC=1，表明转换结束，并设置管脚OE=1，通知单片机读取转换后的数据。
3.2 数据处理程序设计
系统数据处理的程序流程图如图4所示。由于模拟突变电信号是一个三角波信号，为了寻找信号的峰值，要判断信号的走向，当信号走向由上升变为下降时，则此时的信号即为峰值信号，具体设计程序如下：
max=uiADTransform（）；
maxxx=uiADTransform（）；
while（maxxx<=max）
{max=maxxx；
maxxx=uiADTransform（）；
}
while（maxxx>=max）
{max=maxxx；
maxxx=uiADTransform（）； }
3.3 液晶显示程序设计
液晶屏的显示过程一般分为三个步骤：首先是液晶初始化，主要包括芯片复位、基本指令操作、清屏、开显示和设置芯片起始行起始列。接下来是芯片判忙，是唯一的读LCD状态的子程序，将从芯片内存读出的数据和0x80进行与逻辑，如果为0，表示芯片处于空闲状态。最后是发送数据和指令程序，当芯片处于空闲状态时才可发送数据或者指令。其程序流程图如图5所示。
4 测试系统仿真
Proteus是一种电路分析和实物模拟仿真软件，可以进行仿真、分析（SPICE）各种模拟器件和集成电路，是集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件，具有系统资源丰富、硬件投入少、形象直观等优点[8]。因此本文设计的测试器采用该软件进行了仿真，结果验证了设计的正确性。
首先要运用Proteus软件构建一个.DSN为后缀名的文件，在主窗口处点击左上方的Pick Devices按钮，将会弹出Pick Devices对话框，在该对话框中输入所需元件的封装名称，就可以找到相应的元件了。即分别输入AT89C52、7SEG-MPX4-CC、BUTTON、CAP、CAP-ELEC、CRYSTAL、RES、SPEAKER，分别得到单片机、数码管、按键、电容、电解电容、晶振、电阻和报警器这些元器件；在Program File中装载由WAVE生成的后缀名为.HEX的文件，点击仿真按钮即可进行仿真。
首先对突变信号源模型电路进行了仿真，如图6所示。方波信号为555多谐振荡器的输出信号，该信号进行积分后变为如图6所示的三角波信号。然后对整个测试器的信号采集、数据处理和液晶显示电路进行了仿真，得到的液晶屏峰值显示如图7所示。在仿真实验中，突变信号模型产生的突变信号幅值最大为20V，由此表明测试器能够测量模型电路所产生的突变峰值。
结语
本文在深入理解555定时器、AD转换、单片机原理上，设计了突变信号产生电路、ADC0809数据采集电路、单片机处理电路、液晶显示电路，实现了突变信号峰值测试器的工作。对于实际的突变模拟信号，测试器测量之前需要对信号进行去噪处理，以获取真实而正确的突变信号。因此，如何找到一种切实可行的去噪方法，是接下来要进行研究的主要工作。
参考文献
[1]谭善文，秦树人，汤宝平.小波基时频特性及其在分析突变信号中的应用[J].重庆大学学报（自然科学版），2001，24（2）：12-17.
[2]黄奂.电能质量扰动的分析方法研究[D].2010.
[3]王欣利，邓辉宇，马培荪.离散小波变换在精密伺服转台测角系统故障诊断中的应用[J].电机学控制学报，2005，9（4）：380-383.
[4]王吴，李昕.集成运放应用电路设计306例[M].北京：电子工业出版社，2007.
[5]康华光，邹寿彬，秦臻.电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2006.
[6]周华兴.手把手教你学单片机[M].北京：北京航空航天大学出版社，2005.
[7]徐玮.C51单片机高效入门[M].北京：机械工业出版社，2008.
[8]侯玉宝，陈忠平，李成群.基于Proteus的51系列单片机设计与仿真[M].电子工业出版社，2008.
【关键词】突变信号 峰值 单片机 proteus仿真
引言
信号可分为平稳的信号和变化的信号，其中突变信号是变化信号中的重要组成部分，在实际的工程应用中普遍存在，突变信号的峰值信息往往包含了非常重要的信息，比如在机械设备的在线检测和故障诊断中，振动信号分析是十分重要的手段，包含在振动信号中的突变信号是重要的特征信息[1]。在电力传送中的电能包含多种频率的谐波分量，谐波分量的峰值是电能质量的重要性能指标，一旦超过某个阈值，会给整个供电系统带来重大影响[2]；在测角系统运行时，会出现一些可预见和不可预见的故障，通过对测角系统误差信号发生突变的情况来进行故障诊断[3]。
目前突变信号的监测主要采用小波变换、希尔伯特变换等数据处理算法，而对其峰值的监测方法鲜有报道，基于此，本文设计了一种基于单片机的突变信号峰值测试器，包括突变信号模型电路、采样电路、数据处理和液晶显示电路。方法是由模型电路产生突变信号，经过高精度AD采样后将数据传送给单片机，单片机对采样数据进行处理得到峰值大小，最后通过液晶屏将峰值显示。对设计的测试器采用proteus进行了仿真，结果验证了峰值测试器的可行性。
1 测试器总体设计
设计的突变信号峰值测试器总体设计如图1所示，包括突变信号源、信号采集、数据处理和液晶显示四大部分。突变信号为模拟电信号，该信号经过信号采集电路进行转换，转换成对应的数字信号。单片机对转换后的数字信号进行运算和处理，得到突变模拟电信号的峰值大小，最后驱动输出装置即液晶屏将突变信号的峰值显示出来。
2 系统硬件电路设计
2.1 突变信号模型电路
实际的突变信号为形状类似畸变的三角波，且含有大量噪声的电信号，突变信号的幅值是时间的函数，当达到一定值即峰值时，随着时间的推移开始下降，不断重复上述过程，那么它将形成类似锯齿形的连续波。为了更好对本文设计的峰值测试器实现更好的仿真，设计了一种由555定时器和运算放大器所构成的突变信号模型电路，工作过程是先由555定时器组成多谐振荡电路生产方波，再经过RC积分电路，最后输出三角波[4]。
2.2 信号采集电路
在突变信号模型电路产生模拟的突变信号后，就需要A/D转换器将模拟信号转换成数字信号。信号采集电路的功能是为了实现模拟信号到数字信号的转换。在本设计中采用通用的8位AD转换器ADC0809，可以接8路模拟量输入，通过设定地址端可选取其中一路作为突变模拟信号的输入[5]。工作原理是当启动转换信号输入端下降沿到来时启动转换，并不断读取转化信息，转换结束后使能端信号跳变，通知后续的数据处理电路读取转换结果，并打开数据输出端，将数据传送到数据处理电路。
2.3 数据处理电路
数据处理电路的作用是将转换后的突变信号进行分析计算，进而得到突变信号的峰值大小，测试器采用AT89S52单片机作为中央处理单元[6]。数据处理是一个寻找最大值的过程：先要连续读取两个转换后的突变电信号，设为信号1和信号2。然后将两者进行比较，如果信号1的数值大于信号2的数值，表明此时的突变信号是一个下降的过程，继续对信号进行采集和比较。当后来的信号大于先来的信号时，要存取其中的较大值，当再次检测到信号变小时，此时的前一个信号便是突变信号的峰值信号。
2.4 液晶显示电路
液晶显示电路的功能是显示测量所得到的突变信号峰值额大小。测试器采用的液晶显示器型号为LM016L，其控制器大部分为HD44780，可以实现字符移动、闪烁等功能，携带方便，广泛应用于多种便携式测量设备中。
根据上述设计硬件电路的总体连接图如图2所示。
3 系统软件程序设计
测试器采用的单片机为AT89S52，开发平台为Keil IDE，可以完成从工程建立和管理、编译、连接，目标代码的生成，软件仿真，硬件仿真等完整的开发流程[7]。为了实现系统要求的功能，测试器的软件程序设计包括：信号采样程序、数据处理程序和液晶显示程序。
3.1 信号采样程序设计
由系统硬件电路可知，信号采样由模数转换芯片AD0809来实现，其流程图如图3所示。首先设置好模拟输入通道的地址，并启动AD转换。然后通过管脚EOC的高低电平来判断AD转换是否结束，如果EOC=1，表明转换结束，并设置管脚OE=1，通知单片机读取转换后的数据。
3.2 数据处理程序设计
系统数据处理的程序流程图如图4所示。由于模拟突变电信号是一个三角波信号，为了寻找信号的峰值，要判断信号的走向，当信号走向由上升变为下降时，则此时的信号即为峰值信号，具体设计程序如下：
max=uiADTransform（）；
maxxx=uiADTransform（）；
while（maxxx<=max）
{max=maxxx；
maxxx=uiADTransform（）；
}
while（maxxx>=max）
{max=maxxx；
maxxx=uiADTransform（）； }
3.3 液晶显示程序设计
液晶屏的显示过程一般分为三个步骤：首先是液晶初始化，主要包括芯片复位、基本指令操作、清屏、开显示和设置芯片起始行起始列。接下来是芯片判忙，是唯一的读LCD状态的子程序，将从芯片内存读出的数据和0x80进行与逻辑，如果为0，表示芯片处于空闲状态。最后是发送数据和指令程序，当芯片处于空闲状态时才可发送数据或者指令。其程序流程图如图5所示。
4 测试系统仿真
Proteus是一种电路分析和实物模拟仿真软件，可以进行仿真、分析（SPICE）各种模拟器件和集成电路，是集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件，具有系统资源丰富、硬件投入少、形象直观等优点[8]。因此本文设计的测试器采用该软件进行了仿真，结果验证了设计的正确性。
首先要运用Proteus软件构建一个.DSN为后缀名的文件，在主窗口处点击左上方的Pick Devices按钮，将会弹出Pick Devices对话框，在该对话框中输入所需元件的封装名称，就可以找到相应的元件了。即分别输入AT89C52、7SEG-MPX4-CC、BUTTON、CAP、CAP-ELEC、CRYSTAL、RES、SPEAKER，分别得到单片机、数码管、按键、电容、电解电容、晶振、电阻和报警器这些元器件；在Program File中装载由WAVE生成的后缀名为.HEX的文件，点击仿真按钮即可进行仿真。
首先对突变信号源模型电路进行了仿真，如图6所示。方波信号为555多谐振荡器的输出信号，该信号进行积分后变为如图6所示的三角波信号。然后对整个测试器的信号采集、数据处理和液晶显示电路进行了仿真，得到的液晶屏峰值显示如图7所示。在仿真实验中，突变信号模型产生的突变信号幅值最大为20V，由此表明测试器能够测量模型电路所产生的突变峰值。
结语
本文在深入理解555定时器、AD转换、单片机原理上，设计了突变信号产生电路、ADC0809数据采集电路、单片机处理电路、液晶显示电路，实现了突变信号峰值测试器的工作。对于实际的突变模拟信号，测试器测量之前需要对信号进行去噪处理，以获取真实而正确的突变信号。因此，如何找到一种切实可行的去噪方法，是接下来要进行研究的主要工作。
参考文献
[1]谭善文，秦树人，汤宝平.小波基时频特性及其在分析突变信号中的应用[J].重庆大学学报（自然科学版），2001，24（2）：12-17.
[2]黄奂.电能质量扰动的分析方法研究[D].2010.
[3]王欣利，邓辉宇，马培荪.离散小波变换在精密伺服转台测角系统故障诊断中的应用[J].电机学控制学报，2005，9（4）：380-383.
[4]王吴，李昕.集成运放应用电路设计306例[M].北京：电子工业出版社，2007.
[5]康华光，邹寿彬，秦臻.电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2006.
[6]周华兴.手把手教你学单片机[M].北京：北京航空航天大学出版社，2005.
[7]徐玮.C51单片机高效入门[M].北京：机械工业出版社，2008.
[8]侯玉宝，陈忠平，李成群.基于Proteus的51系列单片机设计与仿真[M].电子工业出版社，2008.