脉冲峰值的检测与处理技术
Detection and Processing Technology of Pulse Peak
李晓燕 li xiaoyan
（商洛职业技术学院，商洛726000）
摘要
本文选用新型宽带直流恢复放大器OPA615和轨对轨高速比较器ADCMP602实现峰值检测电路，提高了整个电路的性能；采用C8051F340作为主控芯片，控制整个电路的运行并进行数据采集和处理，设计出了能够实现脉冲值连续检测的高性能脉冲峰值检测电路。
关键词：脉冲峰值；检测与处理技术；信号
0 引言
随着科学技术迅猛发展，人们对信号测量的精度要求越来越高，被测量信号的速度也越来越高，形式多种多样。在实际应用中，脉冲信号作为一种常见的信号，我们经常需要检测脉冲信号的峰值以及其出现的时刻，如在心电图检测中检测Q点到R点的时间间隔；数据采集卡中高速信号的采集；核反应堆中能量谱的检测；雷达探测中的雷达波检测等。很多时候，峰值检测部分的性能在整个系统中起着至关重要的作用。但是传统的峰值检测电路无法很好地实现脉冲峰值的连续检测，鉴于此，本文将介绍一种新型的电路结构来实现这种连续检测的功能。
1 方案设计：
1.1 采用新型高速直流恢复电路器件组成峰值检测采样系统
采用新型高速直流恢复电路器件OPA615、内置迟滞比较功能的高速比较器ADCMP602、带USB模块的嵌入式微控制器C8051F340，构成精确的脉冲高速峰值检测采样系统。
针对脉冲信号上升沿、下降沿陡峭，持续时间短，压摆率高等特点，我们选择了一系列高速器件，尽可能减少因为器件自身的延迟等因素对测量造成误差。采用ADCMP602来检测脉冲峰值的到来，触发单片机外部中断，使单片机控制OPA615对脉冲信号峰值进行采样保持，并利用内部的AD对其进行采样，然后存储到单片机内部的Flash中。相对于传统的峰值检测电路，本方案存在以下优点：
①比较器ADCMP602具有迟滞比较功能，当两输入端信号大小比较接近时，即使在外界噪声的作用下，其输出端也不会产生振荡，不会造成单片机误动作。
② OPA615采样比较器包含一个运算跨导放大器、一个缓冲放大器和一个并发开关电路，当开关使能时，其输出电流很大，能够迅速给电容充电，当开关关断时，其关断电阻很大，可以使电容上的电荷尽可能保持不变。
1.2 系统组成
系统主要由以下几部分组成：峰值检测与采样部分、单片机控制器部分、液晶显示部分、USB接口部分、电源供电部分。具体如图2.1。
图2.1 系统组成结构
2 硬件系统设计
2.1峰值检测电路模块设计
针对脉冲信号的特点，本设计采用的峰值检测方法是将输入的脉冲信号经过一定的延时后和原来的信号进行比较，由于延时的作用，当脉冲在上升时，输入的脉冲信号始终比延时后的脉冲信号要高，此时比较器输出高电平，当脉冲峰值到来后，脉冲信号开始下降，而同时经过延时的脉冲信号刚好到达最高点，此时脉冲信号比延时后的脉冲信号要低，导致比较器发生翻转，这样就可以检测脉冲到来的时刻了。具体采用运算放大器固定延时电路来实现。其中比较器我们选择ADCMP602，因为当比较器两输入信号非常接近时，在外界噪声的作用下，使用普通的高速比较器会产生剧烈的振荡，致使整个电路无法正常工作，而ADCMP602具有内置迟滞功能，使用ADCMP602可以使比较器在输入端信号比较接近和噪声作用的情况下能正常工作，不会产生振荡。峰值检测部分电路原理图如图3.1所示。
2.2 峰值采样保持电路模块设计
峰值采样保持电路我们使用新型宽带直流恢复电路器件OPA615。具体电路如图2.4所示。利用OPA615的SOTA作为采样比较器，对输入信号和采样电容上的信号进行比较，进而控制采样电容上的电压和输入电压相等。利用OTA构成缓冲
放大器，对采样电容上的电压进行缓冲。HOLD CONTROL由单片机控制和峰值检测比较器U1通过与门实现共同控制。
图3.1峰值检测部分电路原理图
图3.2 峰值采样保持部分电路
2.3人机交互界面电路模块设计
人机交互界面采用DM12864作为显示输出，4个独立键盘作为命令输入。DM12864是一款带中文字库的图形点阵模块，由动态驱动方式驱动128×64点阵显示。其具有低功耗，电源电压范围宽，内含多功能的指令集，操作简易，背光可以通过引脚控制的优点。
2.4电源模块设计
在设计中我们采用双电源供电方式，即电池供电和USB供电。在进行数据采集
时，使用电池供电，方便携带；当需要将采集的数据通过USB接口上传到上位机时，采用USB供电方式。当使用电池供电时，电池电压的范围可以从3V~5V，我们通过升压芯片MAX856将电压变成+5V。而-5V电压则通过ICL7660负压芯片来产生。值得注意的是由于控制芯片采用3.3V的工作电压，我们还需要将+5V的电压通过稳压芯片转化成3.3V，以便给控制部分供电，在这里我们采用了低压降线性稳压器LM1117-3.3V。
2.5微控制器电路模块设计
在此系统中，我们采用C8051F340作为微控制器。微控制器电路模块的具体原理图如图3.3所示。
图3.3微控制器部分电路原理图
3 软件系统设计
软件系统设计主要包括上位机软件设计和单片机软件设计两方面。
3.1上位机软件设计
上位机软件的设计采用微软公司的Microsoft Visual C++ 6.0 SP6软件进行设计。上位机软件主要的作用是进行数据接收和显示的简单功能，在此我们采用了基于MFC的对话框的编程。界面如图4.1所示。
图4.1 上位机软件界面
界面主要分为以下四部分：
设备选择部分 当设备接入计算机时，操作系统将通知上位机软件有设备接入系统，并在下拉菜单栏中显示设备的序列号。当计算机上同时接入多个相同的设备时，我们可以通过下拉菜单选择我们要使用的设备。同时也可以用上方的UpdateDeviceList按钮手动检测连接的设备。
显示模式选择部分 显示模式选择是两个单选框按钮，每次只能有一种方式被选中，分别为Voltage和Binary，分别表示用实际电压显示和电压代表的权值显示方式。
保存文件选择部分 我们点击右边的Browse按钮，将会弹出一个保存对话框，提示我们要将接收的数据保存在哪里，文件的后缀名必须是Hex，最后文件将以十六进制的格式保存。
显示区域部分 本软件在按下ReceiveData按钮后，先接收数据，然后将接收到的数据根据显示的模式逐行显示在文本框中，同时以十六进制保存在指定的文件内。
3.2单片机软件设计
单片机软件设计在Keil Uvision4的开发环境下设计、编译、生成。主要包括峰值检测采样、人机交互界面、USB通讯、主程序模块四部分。
3.2.1峰值检测采样部分软件设计
通过比较器产生的峰值到达信号接入到单片机的外部中断0上，当接入的信号
到达峰值时，比较器由高电平向低电平跳变，触发单片机的外部中断0。单片机接收中断，执行相应的中断服务程序，在中断中，单片机控制OPA615的Hold Control引脚，使其保持低电平，从而使采样电容上的电压保持不变，并屏蔽外部中断0。继而单片机的AD开始工作，采集采样电容上的电压。当AD采样完毕，单片机拉高OPA615的Hold Control，使其继续工作在跟踪模式，等待下一次的峰值来临。同时开启外部中断0，以便及时得知下一次峰值的到来。峰值采样总共采集10240个点，采样完毕，自动停止采样，中途可以通过按键停止采样。
程序流程图如图4.2所示。
图4.2 峰值采样程序流程图
3.2.2键盘输入和液晶输出设计
该系统上的四个独立按键组成了键盘，采用定时扫描的方案对键盘进行扫描。一般来说，小型机械按键撞击造成抖动的时间不超过10ms，根据乃奎斯特采样定
理，如果借助定时中断，以大于10ms的周期对实际的波形进行采样，会得到无毛刺的波形。因此我们取采样后波形的下降沿作为按键的判断依据。使用定时器0作为键盘扫描的定时器，每0.05s溢出一次，并调用键盘扫描函数。液晶显示使用DM12864M，采用并行模式控制。
在液晶能够正常工作之前，液晶需要先进行初始化，其初始化流程如图4.3所示。
图4.3 液晶初始化流程图
3.3.3 USB通讯部分软件设计
由于Silicon Laboratories公司为我们提供了由于USB模块的底层函数，我们无需自己编写最底层的USB驱动函数，只需略微懂得USB协议，便可以完成USB的开发，简化了USB程序的开发。在本设计中利用状态机实现整个USB通讯。 4 结果与分析
输入信号为100kHz、幅值为2V的正弦波信号，直接接入峰值检测电路的输入端。接上电源，等待设备初始化完毕，然后按下开始采集键，系统开始采集数据，直到采样点达到10240个点。采样完毕后，我们通过USB接口将采集的数据上传到上位机上进行显示。采集数据的前512个点，用Matlab画图，用其权值表示，其结果如图5.1所示：
图5.1 采集的数据结果
从上述测设结果来看，我们的系统基本上满足设计要求。此系统可以成功实现脉冲值的连续检测。
参考文献
[1] C8051F34X Datasheet, Silicon Laboratories, 2008.
[2] Wide Bandwidth, DC Restoration Circuit, OPA615, www.ti.com, TEXAS INSTRUMENTS.
[3] ADCMP600_601_602.pdf, www.analog.com, Analog Devices.
[4] 杨振江、冯军. 单片机原理与实践指导. 北京：中国电力出版社，2008.
[5] 张培力、孙力. 基于C语言C8051F系列微控制器原理与应用. 北京：清华大学出版社，2007.
[6] 荣政、胡建伟、邵晓鹏等. C程序设计. 西安：西安电子科技大学出版社，2006
[7]杨振江、孙占彪 王曙梅等. 智能仪器与数据采集系统中的新器件应用. 西安：西安电子科技大学，2002
[8]老虎工作室. 电路设计与制板Protel 99SE入门与提高. 北京：人民邮电出版社，2007.
[9] Universal Serial Bus Specification Revision 1.1, Compaq, Intel, Microsoft etc, 1998.
[10] AN169_USBXpress_Programmers_Guide.pdf, Silicon Laboratories, 2007.
[11]孙鑫、余安萍. VC++深入详解. 北京：电子工业出版社，2006.
脉冲峰值检测与处理技术
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脉冲峰值的检测与处理技术
Detection and Processing Technology of Pulse Peak
李晓燕 li xiaoyan
（商洛职业技术学院，商洛726000）
摘要
本文选用新型宽带直流恢复放大器OPA615和轨对轨高速比较器ADCMP602实现峰值检测电路，提高了整个电路的性能；采用C8051F340作为主控芯片，控制整个电路的运行并进行数据采集和处理，设计出了能够实现脉冲值连续检测的高性能脉冲峰值检测电路。
关键词：脉冲峰值；检测与处理技术；信号
0 引言
随着科学技术迅猛发展，人们对信号测量的精度要求越来越高，被测量信号的速度也越来越高，形式多种多样。在实际应用中，脉冲信号作为一种常见的信号，我们经常需要检测脉冲信号的峰值以及其出现的时刻，如在心电图检测中检测Q点到R点的时间间隔；数据采集卡中高速信号的采集；核反应堆中能量谱的检测；雷达探测中的雷达波检测等。很多时候，峰值检测部分的性能在整个系统中起着至关重要的作用。但是传统的峰值检测电路无法很好地实现脉冲峰值的连续检测，鉴于此，本文将介绍一种新型的电路结构来实现这种连续检测的功能。
1 方案设计：
1.1 采用新型高速直流恢复电路器件组成峰值检测采样系统
采用新型高速直流恢复电路器件OPA615、内置迟滞比较功能的高速比较器ADCMP602、带USB模块的嵌入式微控制器C8051F340，构成精确的脉冲高速峰值检测采样系统。
针对脉冲信号上升沿、下降沿陡峭，持续时间短，压摆率高等特点，我们选择了一系列高速器件，尽可能减少因为器件自身的延迟等因素对测量造成误差。采用ADCMP602来检测脉冲峰值的到来，触发单片机外部中断，使单片机控制OPA615对脉冲信号峰值进行采样保持，并利用内部的AD对其进行采样，然后存储到单片机内部的Flash中。相对于传统的峰值检测电路，本方案存在以下优点：
①比较器ADCMP602具有迟滞比较功能，当两输入端信号大小比较接近时，即使在外界噪声的作用下，其输出端也不会产生振荡，不会造成单片机误动作。
② OPA615采样比较器包含一个运算跨导放大器、一个缓冲放大器和一个并发开关电路，当开关使能时，其输出电流很大，能够迅速给电容充电，当开关关断时，其关断电阻很大，可以使电容上的电荷尽可能保持不变。
1.2 系统组成
系统主要由以下几部分组成：峰值检测与采样部分、单片机控制器部分、液晶显示部分、USB接口部分、电源供电部分。具体如图2.1。
图2.1 系统组成结构
2 硬件系统设计
2.1峰值检测电路模块设计
针对脉冲信号的特点，本设计采用的峰值检测方法是将输入的脉冲信号经过一定的延时后和原来的信号进行比较，由于延时的作用，当脉冲在上升时，输入的脉冲信号始终比延时后的脉冲信号要高，此时比较器输出高电平，当脉冲峰值到来后，脉冲信号开始下降，而同时经过延时的脉冲信号刚好到达最高点，此时脉冲信号比延时后的脉冲信号要低，导致比较器发生翻转，这样就可以检测脉冲到来的时刻了。具体采用运算放大器固定延时电路来实现。其中比较器我们选择ADCMP602，因为当比较器两输入信号非常接近时，在外界噪声的作用下，使用普通的高速比较器会产生剧烈的振荡，致使整个电路无法正常工作，而ADCMP602具有内置迟滞功能，使用ADCMP602可以使比较器在输入端信号比较接近和噪声作用的情况下能正常工作，不会产生振荡。峰值检测部分电路原理图如图3.1所示。
2.2 峰值采样保持电路模块设计
峰值采样保持电路我们使用新型宽带直流恢复电路器件OPA615。具体电路如图2.4所示。利用OPA615的SOTA作为采样比较器，对输入信号和采样电容上的信号进行比较，进而控制采样电容上的电压和输入电压相等。利用OTA构成缓冲
放大器，对采样电容上的电压进行缓冲。HOLD CONTROL由单片机控制和峰值检测比较器U1通过与门实现共同控制。
图3.1峰值检测部分电路原理图
图3.2 峰值采样保持部分电路
2.3人机交互界面电路模块设计
人机交互界面采用DM12864作为显示输出，4个独立键盘作为命令输入。DM12864是一款带中文字库的图形点阵模块，由动态驱动方式驱动128×64点阵显示。其具有低功耗，电源电压范围宽，内含多功能的指令集，操作简易，背光可以通过引脚控制的优点。
2.4电源模块设计
在设计中我们采用双电源供电方式，即电池供电和USB供电。在进行数据采集
时，使用电池供电，方便携带；当需要将采集的数据通过USB接口上传到上位机时，采用USB供电方式。当使用电池供电时，电池电压的范围可以从3V~5V，我们通过升压芯片MAX856将电压变成+5V。而-5V电压则通过ICL7660负压芯片来产生。值得注意的是由于控制芯片采用3.3V的工作电压，我们还需要将+5V的电压通过稳压芯片转化成3.3V，以便给控制部分供电，在这里我们采用了低压降线性稳压器LM1117-3.3V。
2.5微控制器电路模块设计
在此系统中，我们采用C8051F340作为微控制器。微控制器电路模块的具体原理图如图3.3所示。
图3.3微控制器部分电路原理图
3 软件系统设计
软件系统设计主要包括上位机软件设计和单片机软件设计两方面。
3.1上位机软件设计
上位机软件的设计采用微软公司的Microsoft Visual C++ 6.0 SP6软件进行设计。上位机软件主要的作用是进行数据接收和显示的简单功能，在此我们采用了基于MFC的对话框的编程。界面如图4.1所示。
图4.1 上位机软件界面
界面主要分为以下四部分：
设备选择部分 当设备接入计算机时，操作系统将通知上位机软件有设备接入系统，并在下拉菜单栏中显示设备的序列号。当计算机上同时接入多个相同的设备时，我们可以通过下拉菜单选择我们要使用的设备。同时也可以用上方的UpdateDeviceList按钮手动检测连接的设备。
显示模式选择部分 显示模式选择是两个单选框按钮，每次只能有一种方式被选中，分别为Voltage和Binary，分别表示用实际电压显示和电压代表的权值显示方式。
保存文件选择部分 我们点击右边的Browse按钮，将会弹出一个保存对话框，提示我们要将接收的数据保存在哪里，文件的后缀名必须是Hex，最后文件将以十六进制的格式保存。
显示区域部分 本软件在按下ReceiveData按钮后，先接收数据，然后将接收到的数据根据显示的模式逐行显示在文本框中，同时以十六进制保存在指定的文件内。
3.2单片机软件设计
单片机软件设计在Keil Uvision4的开发环境下设计、编译、生成。主要包括峰值检测采样、人机交互界面、USB通讯、主程序模块四部分。
3.2.1峰值检测采样部分软件设计
通过比较器产生的峰值到达信号接入到单片机的外部中断0上，当接入的信号
到达峰值时，比较器由高电平向低电平跳变，触发单片机的外部中断0。单片机接收中断，执行相应的中断服务程序，在中断中，单片机控制OPA615的Hold Control引脚，使其保持低电平，从而使采样电容上的电压保持不变，并屏蔽外部中断0。继而单片机的AD开始工作，采集采样电容上的电压。当AD采样完毕，单片机拉高OPA615的Hold Control，使其继续工作在跟踪模式，等待下一次的峰值来临。同时开启外部中断0，以便及时得知下一次峰值的到来。峰值采样总共采集10240个点，采样完毕，自动停止采样，中途可以通过按键停止采样。
程序流程图如图4.2所示。
图4.2 峰值采样程序流程图
3.2.2键盘输入和液晶输出设计
该系统上的四个独立按键组成了键盘，采用定时扫描的方案对键盘进行扫描。一般来说，小型机械按键撞击造成抖动的时间不超过10ms，根据乃奎斯特采样定
理，如果借助定时中断，以大于10ms的周期对实际的波形进行采样，会得到无毛刺的波形。因此我们取采样后波形的下降沿作为按键的判断依据。使用定时器0作为键盘扫描的定时器，每0.05s溢出一次，并调用键盘扫描函数。液晶显示使用DM12864M，采用并行模式控制。
在液晶能够正常工作之前，液晶需要先进行初始化，其初始化流程如图4.3所示。
图4.3 液晶初始化流程图
3.3.3 USB通讯部分软件设计
由于Silicon Laboratories公司为我们提供了由于USB模块的底层函数，我们无需自己编写最底层的USB驱动函数，只需略微懂得USB协议，便可以完成USB的开发，简化了USB程序的开发。在本设计中利用状态机实现整个USB通讯。 4 结果与分析
输入信号为100kHz、幅值为2V的正弦波信号，直接接入峰值检测电路的输入端。接上电源，等待设备初始化完毕，然后按下开始采集键，系统开始采集数据，直到采样点达到10240个点。采样完毕后，我们通过USB接口将采集的数据上传到上位机上进行显示。采集数据的前512个点，用Matlab画图，用其权值表示，其结果如图5.1所示：
图5.1 采集的数据结果
从上述测设结果来看，我们的系统基本上满足设计要求。此系统可以成功实现脉冲值的连续检测。
参考文献
[1] C8051F34X Datasheet, Silicon Laboratories, 2008.
[2] Wide Bandwidth, DC Restoration Circuit, OPA615, www.ti.com, TEXAS INSTRUMENTS.
[3] ADCMP600_601_602.pdf, www.analog.com, Analog Devices.
[4] 杨振江、冯军. 单片机原理与实践指导. 北京：中国电力出版社，2008.
[5] 张培力、孙力. 基于C语言C8051F系列微控制器原理与应用. 北京：清华大学出版社，2007.
[6] 荣政、胡建伟、邵晓鹏等. C程序设计. 西安：西安电子科技大学出版社，2006
[7]杨振江、孙占彪 王曙梅等. 智能仪器与数据采集系统中的新器件应用. 西安：西安电子科技大学，2002
[8]老虎工作室. 电路设计与制板Protel 99SE入门与提高. 北京：人民邮电出版社，2007.
[9] Universal Serial Bus Specification Revision 1.1, Compaq, Intel, Microsoft etc, 1998.
[10] AN169_USBXpress_Programmers_Guide.pdf, Silicon Laboratories, 2007.
[11]孙鑫、余安萍. VC++深入详解. 北京：电子工业出版社，2006.
脉冲峰值检测与处理技术
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