单片机模拟数模/模数转换芯片的实验方法及设备与流程

本发明属于信号处理，尤其涉及单片机模拟数模/模数转换芯片的实验方法及设备。

背景技术：

1、数字电路和模拟电路是高校理工科众多专业的基础课程。这两门课程的重要关键知识点在于数字信号和模拟信号之间的相互转换。对于学生来说，他们不仅需要掌握其原理，还需要掌握其实际运用技能。然而，在当前的数模电教学中，教材通常使用特定厂商型号的数字信号转模拟信号和模拟信号转数字信号的硬件芯片来进行原理和实验教学。这些芯片通常是封装的成品，其内部的信号处理逻辑也是无法向学生进行展示的，这样就给高校的数模电教学带来了很大的不便。

2、此外，由于科技的不断发展，市场上正在使用的特定厂商型号芯片在国内已经无法买到了。这给数模电教学带来了很大的挑战，因为理论和实验教学需要使用这些特定芯片进行讲解，并且要用这些芯片完成实验操作，还要将理论计算结果和实验观测结果进行对比教学，而新的芯片型号的技术特性、参数以及输入输出和老款芯片存在着较大的差异，这十分不利于固有教材的教学和实验。同时，由于芯片的封装形式，学生也无法了解芯片内部的结构和处理逻辑，这也限制了他们对数字电路和模拟电路的深入理解。

3、因此，提出单片机模拟数模/模数转换芯片的实验方法及设备，来解决现有技术存在的困难，是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

1、本发明提出单片机模拟数模/模数转换芯片的实验方法及设备，使用带有数模转换和模数转换外设模块的单片机，来从操作方式和数据处理逻辑原理上，完全模拟数字信号转模拟信号和模拟信号转数字信号的特定厂商型号的硬件芯片，让学生更好地了解数模转换芯片的内部结构和处理逻辑，理解信号的处理过程。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、单片机模拟数模/模数转换芯片的实验方法，包括以下步骤：

4、s1：选择与所需模拟的目标芯片输入输出接口一致的接口承载pcb板，将接口承载pcb板与单片机连接，经过接口协议转换功能将接口承载pcb板接口与目标芯片行为一致化；

5、s2：通过单片机中芯片选择功能控制单片机动态选择适合的接口与协议转换算法，使得单片机能够正确模拟所需模拟的目标芯片信号处理逻辑和输入输出接口的功能行为；

6、s3：通过单片机中接口和协议转换功能完成单片机通用接口和通用信号处理协议到目标芯片的特定接口与特定信号处理逻辑的转换；

7、s4：输入信号通过输入信号预处理功能后再经过数模\模数功能转换后得到输出信号；采集四类信号数据发送到显示器上进行显示。

8、上述的方法，可选的，s1中接口承载pcb板具体为：

9、接口承载pcb板上设置了与目标芯片输入输出接口一致的接口，其接口的名称、精度、速度、行为与目标芯片一致，接口承载pcb板有多种类型，每种类型对应一种或几种目标芯片的全部输入输出接口。

10、上述的方法，可选的，s3具体步骤为：对单片机的引脚、时钟、寄存器、转换参数进行动态配置，实现单片机通用接口和通用信号处理协议到目标数模/模数转换芯片的特定接口与特定信号处理逻辑的转换。

11、上述的方法，可选的，对单片机的引脚、时钟、寄存器、转换参数进行动态配置具体包括：

12、s301：将单片机上与数模和模数转换模块相连的引脚设置为正确的模式；

13、s302：设置数模和模数转换模块的系统时钟和外设时钟速度，确保速度与目标硬件芯片的接口协议中规定的时钟速度匹配；

14、s303：初始化单片机中数模和模数转换模块的数据寄存器；

15、s304：对转换参数的设置，包括但不限于转换模式、转换分辨率、参考电压。

16、上述的方法，可选的，s301具体步骤为：

17、s3011：选择单片机上具有数模和模数转换功能的引脚；

18、s3012：根据目标芯片的接口和协议，设置引脚的电气特性；

19、s3013：配置数模和模数转换模块的工作参数，并通过相应的控制寄存器启动数模和模数转换；

20、s302具体步骤为：

21、s3021：系统时钟配置：接口与协议转换模块读取目标芯片时钟能力数据和单片机的性能数据，设置单片机系统时钟的频率；

22、s3022：外设时钟配置：为数模和模数转换模块通过选择外设的时钟源和设置时钟分频系数配置适当的时钟；

23、s3023：根据目标硬件芯片的规格，调整时钟速度；

24、s3024：配置完成后，自动测试并验证时钟速度；

25、s304具体步骤为：

26、s3041：根据应用需求和目标硬件芯片的性能，设置单片机上数模和模数转换的精度，即分辨率，使数模和模数转换精度和目标芯片精度一致；

27、s3042：设置数模和模数转换的速度，即采样率；

28、s3043：根据硬件芯片的规格和应用需求，设置参考电压；

29、s3044：根据硬件芯片的规格和应用需求，设置数模和模数转换的输入/输出范围；

30、s3045：使用单片机直接内存访问模式dma，通过编程实现自动管理adc模数转换和dac数模转换的数据传输；

31、s3046：配置完成后，通过自动测试和验证来确保转换参数设置正确。

32、上述的方法，可选的，s4中数据预处理功能主要包括：

33、s401：自动探测输入信号的信噪比、信号强度、调制方式，自主降低输入信号的干扰噪声，增强有效信号的强度，解调经过调制的信号；

34、s402：信号的数据格式转换：根据目标硬件芯片所支持的数据格式，在输入信号的数据格式到芯片要求的数据格式之间进行自动转换；

35、s403：复杂数据输入场景模拟：对需要同时并行输入多路信号的应用场景，根据基础信号和参数生成多路并行信号同时进行数模/模数转换操作。

36、上述的方法，可选的，s4中四类信号数据包括：输入的模拟和数字信号、经过数模/模数转换的最终结果信号、信号从输入到数模/模数转换之间的信号处理过程的中间处理结果、信号经过数模/模数转换之后到最终输出的信号处理过程的中间处理结果。

37、单片机模拟数模/模数转换芯片的实验设备，执行上述任一项所述的单片机模拟数模/模数转换芯片的实验方法，包括依次连接的接口承载pcb板、单片机、数据显示模块以及依次连接的设置于单片机上的芯片选择模块，接口和协议转换模块、输入信号预处理模块、数模和模数转换模块；

38、接口承载pcb板：接口承载pcb板上提供了和目标芯片输入输出接口完全一致的接口；

39、芯片选择模块：控制单片机根据模拟哪种目标芯片信号处理逻辑和输入输出接口的功能行为来动态选择接口与协议转换算法；

40、接口和协议转换模块：对单片机的引脚、时钟、寄存器、转换参数进行动态配置；

41、输入信号预处理模块：将输入信号的限制降到最低；

42、数据显示模块：将采集四类信号数据发送到显示器上进行显示。

43、上述的设备，可选的，接口和协议转换模块包括以下依次连接的子模块：引脚模式配置模块、时钟速度配置模块、数据寄存器初始化模块、转换参数设置模块；

44、引脚模式配置模块：将单片机上与数模和模数转换模块相连的引脚设置为正确的模式；

45、时钟速度配置模块：设置数模和模数转换模块的时钟速度；

46、数据寄存器初始化模块：初始化数模和模数转换模块的数据寄存器；

47、转换参数设置模块：完成转换参数的设置。

48、经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明提供了单片机模拟数模/模数转换芯片的实验方法及设备，具有以下有益效果：

49、(1)可以实现与标准教材上采用特定老式型号的数模/模数转换芯片一致的输入输出接口和信号处理逻辑行为，解决了芯片停产无法用于教学的难题；

50、(2)可以在教学时以可视化的图形方式完整展示数据从输入到转换输出全过程的处理细节，利于学生对于知识的深刻理解；

51、(3)具有良好的扩展性，可以对接真实的其他硬件，其他信号处理模块、芯片和外设模块对接组成更大的完整信号处理系统，和实际的电子信息教学内容相符，并且能够灵活扩展出各种标准教材上其他的信号系统。

52、(4)相比于原目标芯片而言，本发明能够通过信号预处理功能，降低对于输入信号质量、类型的限制，并且可以模拟出各种多路信号并行串行混合输入的复杂场景，极大简化教学实验的数据准备难度和降低操作复杂度。