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，實現信號測量結果語音報數。
關鍵詞： 單片機；示波器；語音報數
??? 目前，單片機技術的發展與廣泛應用，促使傳統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生了革命性的變化，形成了一種新型的智能化儀器。在現代檢測技術領域中，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，測量結果有一定的誤差。對此，本文采用STC12C5412AD單片機為控制核心，實現信號電壓幅值、周期值的自動識別與切換，測量過程實現自動化；引人ISD2560語音電路，測量結果不需人工換算，可語音報數。
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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電路默認將模擬轉換器CD4052置于最高檔衰減。輸入信號電壓Vi，經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 語音報數電路
為了實現直接讀數，減小測量誤差，利用單片機所具有的計算功能，結合語音處理技術，通過語音電路，將測量結果直接讀出。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。測量數據經過單片機軟件處理后，單片機發出語音地址和放音控制指令，并同存儲在語音芯片內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轉換器轉換成數字信號送單片機內部電路。經軟件處理后的結果送至語音電路，實現信號幅值測量直接讀數。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六反相器(斯密特觸發器)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，實現測量結果的記錄、分析及處理。通過接口也可將數據直接送到各種打印機和繪圖儀。電平轉換芯片采用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、語音報數的實現模塊。由于系統主要功能的實現是通過系統內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合，實現測量過程自動化及測量結果語音報數的控制。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，直到比較器輸出為低電平“0”送至單片機P1.1口，最后單片機發出停止切換指令，并進入測量階段。此時，單片機發出控制指令，控制內部A/D轉換器啟動轉換，從而實現10位A/D模數轉換。調用幅值處理程序，完成信號幅值測量。
2.2 信號周期測量模塊
輸入信號經反相器74HC14整形后變為方波信號，送到單片機定時器T1并進行計數。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。此時信號電壓經過衰減電路衰減后送有效值轉換電路，并將交流信號轉換成有效值信號。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端口則出現高電平“1”，單片機檢測到高電平，電路將繼續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換后的有效值和參考電壓進行比較，直到出現低電平“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 語音報數的實現
電路所采集到的信號數據通過單片機分析處理后，首先實現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，對所采集到的數據進行分析比較，即按照預先所設計的指標，對數據單獨進行處理；測量結果作為數據地址，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據地址，在語音地址中通過尋址，最后報出相應地址數據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放大倍數不變；將單片機與示波器掃描電路相連，實現掃描電路切換控制，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，測量結果直接“顯示”。測試結果表明，該電路具有測量穩定、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：電子工業出版社，2003.
[2] ?蔡蓮紅，黃德智，蔡銳.現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:電子工業出版社，2001.