自感式差动传感器设计毕业论文.doc

- 1 - 摘要摘要 在检测机械零件外形尺寸的细微偏差时，传统方法有着测量功能单一、测 量误差较大、无法对测量数据直接进行计算机处理和智能化等缺陷。然而这些 参数对产品的使用性能有着重要的影响。为实现这些参数的高效、高精度的测 量，针对目前的测量方式存在的这些问题，本课题结合传感器、检测、通讯和 微型计算机等技术，采用模块化、通用化和标准化的设计思想，研究开发了三 色电子柱量仪。 本设计首先选定了自感式差动传感器并为其设计了信号采集处理的电路， 再确定以高性能单片机 adc812 为核心，以使电路设计得到简化、提高稳定 性，然后围绕该单片机设计了可随总线速度无限擦写的存取器 fm24c256、容 错性能好的 rs-485 串行通讯接口、键盘和 12232f 点阵式液晶显示器等一系 列模块，接着采用 fpga 器件实现 led 三色光柱显示驱动，最后对量仪系统 软件进行了设计。 关键词关键词 adc812；菜单结构；led 光柱显示；fpga；rs485 串口通讯 - 2 - abstract when measuring subtle differences of the outer sizes of machine parts, the traditional methods have such defects as being singular in measuring function, existing too many errors and having no way to computerize measured data directly. however, these parameters have great influence on products attributes. in order to measure these parameters efficiently and accurately, the system used the technology of sensor, automatic acquisition, communication and computer and adopted the design philosophy of modularization, generalization and standardization. we developed this there-color led bargraph display measuring instrument which can measure the dimension and runout tolerances of mechanical parts. the system of hardware using the fully integrated 12-bit data acquisition system (adc812) and fpga as the led bar drive circuit to simplify the hardware design and enhance the stability of the hardware. the system of software offers the framework of the function extensibility and the instrument upgrading with the menu operation. at last, we design the serial communication protocol which is high efficiency of data transfer and high performance of fault tolerant to connect with personal computer through the bus of rs-485. also we develop the software of pc to manager the instrument and collect real-time measuring data with network and realize the user interface. the date of measure and configuration is stored in the access database convenient for managing, analyzing, displaying and printing the data. key words: adc812; menu structure; led bargraph display; fpga; rs485 serial communication protocol - 3 - 目目 录录 摘要摘要 .1 abstract2 第第 1 1 章章 绪论绪论 .5 1.1 课题背景及来源.5 1.2 国内外发展现状.5 1.3 课题研究内容.7 1.3.1 设计目的 .7 1.3.2 设计目标 .7 1.3.3 设计内容 .8 第第 2 2 章章 传感器测量原理传感器测量原理 .9 2.1 传感器的定义及构成.9 2.2 电感传感器.10 2.2.1 电感式传感器的特点 .10 2.2.2 电感式传感器的分类 .10 2.3 本设计中传感器的工作原理.11 第第 3 3 章章 系统硬件设计系统硬件设计 .15 3.1 硬件设计原则.15 3.2 硬件框架的设计.15 3.3 硬件各模块的设计.16 3.3.1 传感器信号调理模块 .16 3.3.2 数据采集模块 .20 3.3.3 数据处理模块 .23 3.3.4 人机对话模块 .26 - 4 - 3.3.5 存储模块 .29 3.3.6 外部通讯模块 .32 3.3.7 光柱显示及其驱动模块 .33 3.3.8 单片机下载调试模块 .36 3.3.9 电源模块 .38 3.3.10 单片机下载调试模块 .39 第第 4 4 章章 软件系统设计软件系统设计 .42 4.1 软件设计原则.42 4.2 单片机系统软件的设计.43 4.3 软件各模块的设计.44 4.3.1 a/d 采样模块.44 4.3.2 人机对话模块 .45 4.3.3 光柱控制模块 .47 4.3.4 存储器模块 .48 4.3.5 外部通讯模块 .48 结论结论 .50 致谢致谢 .51 参考文献参考文献 .52 附录附录 1 1 54 附录附录 2 2 58 附录附录 3 3 67 - 5 - - 6 - 第第 1 1 章章 绪论绪论 1.1 课题背景课题背景及来源及来源 机械零件的形位误差和尺寸误差参数1对产品的使用性能有着重要的影响， 在进行检测时，传统方法是采用机械式量规、卡尺、千分尺和千分表等量具进 行测量。但是传统方法的测量功能单一、测量误差较大、并且无法对测量数据 直接进行计算机处理更谈不上智能化。 电子柱量仪是一种用长度尺寸的相对法精密测量的测量仪器，特别对圆度、 平行度、垂直度等微小变动量的测量极为有用。主要用于机械制造、加工及各 种检测中。在精密机械制造业、汽车拖拉机业、纺织业以及国防和科研等方面 的精密测量中有着广泛地应用。但是目前国内的电子柱量仪存在数字化程度低、 无超差报警、仪器功能扩展性差等不足，不能实现快速测量，越来越不能满足 现代工业生产、制造及检测要求。 1.2 国内外发展现状国内外发展现状 在现代工业生产中，各制造商在不断更新制造技术的同时，对生产检测技 术都给予了极大的重视2。专家们逐渐认识到，制造技术与检测技术结下了不 解之缘。新检测技术不断揭示了传统制造技术的不足之处，促使工艺师们进一 步改善和创新；新制造技术有反过来对检测技术提出了更高的要求，二者相辅 相成，互相促进。世界各国的量仪厂之间的竞争是很激烈的。为了在竞争中取 胜，就要不断提高质量，不断改进和推出下一代量仪。 国内外各制造商对产品的质量都极为重视，而主要保证产品质量的手段之 一，是先进的检测技术。一般认为检测技术的发展，机械量具算是第一代；气 电量仪可做第二代的典型；电子柱量仪和计算机辅助测量系统等就列入第三代 技术了。几年前，在检测领域一直保持着“三代同堂”的局面。这就是生产线 上仍在使用卡板、塞规之类的专用量具的同时，气、电量仪几乎用于全部孔径 和轴径的最终检验，而电子柱量仪等先进检测技术也纷纷登场。 - 7 - 近年来，浮标气动量仪“一统天下”的局面在美国发生了根本的变化，取 而代之的是电子柱量仪。这一变化是出人意料的，因为美国是浮标气动量仪的 发源地，为何变化如此之快呢？因为电子柱量仪克服了浮标气动量仪的许多缺 点，如测量头初始间隙小，线性不好，浮标容易粘在玻璃管上等等。那么取而 代之的电子柱量仪是什么呢？实际上电子柱就是一种显示装置，最早于 1974 年由美国的 bendix 公司发明，测量时由气电转换器将气压转换成电压信号， 经驱动电路把 51 只发光二极管中的一只点亮，由此读出发光二极管所对应的 刻度值。美国专刊书 3825827 中为“浮标效果” 。利用此类显示装置制造的量 仪，定名为电子柱量仪。 电感式测量仪虽具有高精度、高效率，能进行和差演算、记忆、峰值测量 及数显等特点，但显示方式传统为指针和数显，这种显示方式在单参数测量中 还比较适用，用于多参数综合测量就极不方便。电感量仪的宽度一般为 250 毫 米，如果需要多台合在一起时，将超出检验人员的视野。检验员要逐个观看指 针是否在合格的范围内，既费时又疲劳。这个缺点就使电感测微仪的应用受到 了限制。量仪设计师们自然想到量仪直列拼台式的优点。七十年代末，国外在 显示领域又推出了等离子双光柱自动扫描显示装置，即 pdp 显示板，它具有亮 度强、体积小、功耗低及显示面积和视角大等优点，但价格比发光二极管要昂 贵。美国 vernon 公司，西德 feinpruf 公司和意大利 marposs 公司等先后应用 了 pdp 显示板，研制成电子柱电感式测微仪。测量时，电感传感器给出电信号， 由等离子器件发出醒目的橘红色亮光，形成一束彩色的光柱，达到直列式显示 的目的，给电感式量仪带来了生机。 八十年代中期，欧美一些国家先后推出了品种繁多的电子柱（气动或电感 式）测微仪，显示装置常用 101 只发光二极管（简称 led 光柱）或 301 只 pdp 光柱显示，测量时由一大串 led（或 pdp）发亮，形成一条彩色光柱，示值清 晰醒目，称之“温度计”效应。由于电子工业不断地发展，电子柱测微仪价格 下降，目前在美国购买一台普通型电感式电子柱测微仪的售价为 500 至 600 美 元，与浮标式气动量仪的价格相差无几，这也是电子柱测微仪在国外能迅速得 到推广的一个重要原因。 在现代工业测量控制领域中，各种仪器对参数的显示方式中最常见的主要 有两种：指针式和数字显示式，它们各有优缺点，在不同的应用场合应采用不 同的显示方式。指针式显示表头对被指示参数的变化趋势一目了然，但是它抗 - 8 - 震能力差，机械惯性大，对参数的较快变化无力反应；数字显示式表头虽具有 较好的可靠性，但它却不能显示参数的变化趋势，特别是在工业现场多参数多 表头显示时，更难辨明哪些参数在增加，哪些参数在减小。 自上世纪九十年代以来，led 作为一种新型光源有了突飞猛进的发展。在 我国，不仅开创了巨大的新兴市场，而且应用面越来越广泛。近年对 led 光柱 显示(又称为 led 条形显示)开发和应用也开展了不少的研究，led 光柱显示是 一种可以集指针显示和数字显示两者优点与一身的显示技术。led 光柱可以独 立地用于指示信号幅度，也可以配合数字显示表头以增强动态效果，与指针摆 动的动态效果相比，此外，led 光柱显示还具有不存在机械惯性、使用寿命比 较长、在暗处也无需照明、显示精度比模拟指针显示精度高等优点。可以说 led 光柱显示器替代仪表指针，已成为仪表仪器行业的新趋势3,4。 随着时代的进步，国内的工业生产大量应用电子柱测微仪的趋势已经形成， 这必将硬气量仪专业厂为了赶上国外先进水平，替代进口量仪的国产化而加速 工作。 1.3 课题研究内容课题研究内容 1.3.1 设计目的设计目的 本设计的目的是开发一种高精度的三色电子柱量仪。该仪器以常用而且测 量精度很高的电感传感器为基础，将位移信号转换为电信号，对该电信号进行 调理，再用单片机对信号进行处理并通过 fpga 驱动 led 三色光柱显示测量 结果。 1.3.2 设计目标设计目标 设计目标如下： 1. 通过自感式差动传感器可测量工件的形位误差或尺寸误差，并用 led 三色光柱对结果进行显示。在测量值位于预警公差带范围内 led 光柱显示绿 色，超出预警公差带但未到达报警公差带时 led 光柱显示黄色，位于报警公 差带时 led 光柱显示红色。 - 9 - 2. 通过设定不同的报警/预警公差带的上下限，并搭配不同的自感式差动 传感器及其信号处理模块可实现不同尺寸的测量。 3. 通过键盘输入与 lcd 液晶显示器可实现仪器的人机对话功能。 4. 能够通过外部通讯口实现与计算机和其他设备的通讯。并能通过计算 机对测量结果进行操作和实时显示。 1.3.3 设计内容设计内容 该课题的设计内容主要包括三部分： 1. 电子柱量仪硬件电路的设计。 2. 电子柱量仪系统软件的设计。 3. 电子柱量仪和控制软件之间通讯协议的设计。 - 10 - 第第 2 2 章章 传感器测量原理传感器测量原理 2.1 传感器的定义传感器的定义及构成及构成 传感器在我国国家标准（gb76651987）中的定义是：“能够感受规定 的被测量并按照一定规律转换成可用输入信号的器件或装置” 。 此定义具有以下几方面的含义：1.传感器是某种测量装置或测量装置的一 部分，能完成部分监测任务；2.它的输入量是某一被测量，可能是物理量，也 可能是化学量、生物量等；3.它的输出量是某种物理量，这种量要便于转换、 处理等等，这种量可以是气、光、电物理量，但主要是电物理量；4.输出输入 有对应关系，且应有一定的精确程度。 关于传感器，我国曾出现过多种名称，如发送器、传送器、变送器、换能 器等，它们的内涵相同或相似，所以近来已逐渐趋向统一，大都是用传感器这 一名称了。从字面上可以作如下解释：传感器的功用是一感二传，即感受被测 信息并传送出去。 传感器一般由敏感元件、传感元件、基本转换电路三部分组成5，组成框 图如图 2-1 所示： 图 2-1 传感器组成框图 敏感元件：它是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理 量的元件。如应变式压力传感器的弹性载体就是敏感元件，它的作用是将压力 转换成弹性载体的形变。 传感元件：敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电路参数。如 应变式压力传感器中的应变片就是传感元件，它的作用是将弹性载体的变形转 换成电阻值的变化。 - 11 - 基本转换电路：将电感变化量接入基本转换电路（简称转换电路） ，便可 转换成电量输出。传感器只完成被测参数至电量的基本转换，然后输入到测控 电路，进行放大、运算、处理等进一步转换，以获得被测值或进行过程控制。 事实上，有些传感器很简单，有些则较复杂，大多数是开环系统，也有些 是带反馈的闭环系统。有些传感器由敏感元件和转换元件组成，如压电式加速 传感器，其中质量块石敏感元件，压电片是转换元件，因传感元件的输出量已 是电量，故无须转换电路。而有些传感器，转换元件不止一个，要经过若干次 转换。 敏感元件与转换元件在结构上常是装在一起的，而基本转换电路为了减小 外界的影响也希望和它们装在一起，不过由于空间的限制或者其他原因，基本 转换电路常装入电箱中。尽管如此，因为不少传感器要在通过转换电路后才能 输出电信号，从而决定了转换电路是传感器的组成环节之一。 2.2 电感传感器电感传感器 2.2.1 电感式传感器的特点电感式传感器的特点 电感式传感器是利用线圈自感或互感的变化实现测量的一种装置，其核心 部分是可变自感或可变互感，在将被测量转换成线圈自感或线圈互感的变化时， 一般要利用磁场作为媒介或利用铁磁体的某些现象。这类传感器的主要特征是 具有电感绕组。 电感式传感器具有以下优点：结构简单可靠、输出功率大、输出阻抗小、 抗干扰能力强、对工作环境要求不高、分辨力较高（如在测量长度时一般可达 0.1m） 、示值误差一般为示值范围的 0.1%-0.5%、稳定性好。它的缺点是频率 响应低，不宜用于快速测量。此外，利用电涡流原理的电涡流式传感器，利用 压磁原理的压磁式传感器，利用平面绕组互感原理的感应同步器，亦属此类。 2.2.2 电感式传感器的分类电感式传感器的分类 首先电感传感器可分为自感式和互感式两种。 自感式电感传感器有气隙型、截面型和锣管型。气隙型传感器灵敏度高， - 12 - 对后续测量电路的放大倍数要求低，它的缺点是非线性严重，为了限制非线性， 示值范围只能较小，由于衔铁在运动方向上受铁芯的限制，故自由行程小。截 面型具有较好的线性，自幼行程较大，制造装配比较方便，但灵敏度较低。螺 管型则结构简单，制造转配容易，由于空气隙大，磁路的磁阻高，灵敏度低， 但线性范围大。此外，螺管型还具有自由行程可任意安排、制造方便等优点， 在批量生产中的互换性较好，这给测量仪器的调试、使用带来很大的方便，尤 其在使用多个测微仪组合来测量物体形状的时候。 互感式传感器本身是其互感系数可变的变压器，当第一次线圈介入激励电 压后，二次线圈将产生感应电压输出，互感系数变化时，输出电压将作相应变 化。一般，这种传感器的二次线圈有两个，接线方式又是差动的，故常称之为 差动变压器式传感器。互感式传感器的类型与自感式传感器的极为相似。也可 以分为气隙型、截面型和螺管型三种。气隙型互感式传感器与气隙型自感式传 感器一样，其优点是灵敏度高，缺点是示值范围小、非线性严重。所以，近年 来这种类型传感器的使用逐渐减少。螺管型互感式传感器，虽然其灵敏度较低， 但其示值范围大，自由行程可任意安排，制造装配也较为方便，因而获得了广 泛的应用。 差动式传感器与单线圈式传感器相比，具有以下优点：1.线性好；2.灵敏 度提高一倍，即衔铁位移相同时，输出信号大一倍；3.温度变化、电源波动、 外间干扰、电磁吸力对传感器精度影响，能相互抵消而减少。 2.3 本设计中传感器的工作原理本设计中传感器的工作原理 综合考虑仪器需要，本课题测量传感器采用自感式螺管型差动传感器。 自感式螺管型差动传感器结构图6如图 2-2 所示。 - 13 - 图 2-2 螺管型差动传感器 由图可知，线圈中放入圆柱形衔铁，也是一个可变自感。使衔铁上下位移， 自感量将相应变化，这就构成螺管型传感器。采用差动式结构，除了可以改善 非线性、提高灵敏度之外，对电源电压、频率波动以及温度变化等外界影响也 有补偿作用，从而可以提高测量精度。 单个线圈的电感为： (2-1) l rn l 22 0 当进入线圈的铁芯长度为，则线圈的电感为： c l (2-2) 2 2 22 0 ) 1( l rllrn l ccr 当铁芯长度增加时，则电感量的变化为： c l (2-3) 2 22 0 ) 1( l lrn l crc 式中 单个线圈的匝数； 空气的磁导率；n 0 线圈半径； 线圈长度；rl - 14 - 铁芯半径； 铁芯长度； c r c l 铁芯磁导率； 铁芯长度变化量； r c l 例如现有一单线圈式传感器与一差动式传感器，其各种情况均相同，线圈 匝数=1000，线圈半径=2.2mm，线圈长度=25mm，磁芯半径nrl =2.0mm，铁芯长度=25mm，=0.1mm，这里的磁导率是指物质的磁导 c r c l c l 率与真空的磁导率的比值，故空气中的磁导率可取值为 1，查表可得，铁 0 芯磁导率=0.99997。据条件可得，单线圈式传感器的输出为： r 2 2 3 4 33 4 1 1 ( / )( /) 1/(1) 0.11 251 (25/25)(2.2/2.0) 1/(0.99997 1) 1 4 10 1 1.213.33 10 4 104.002 10 1 4.03 10 c cccr ll lll lr r 而假如采用差动式传感器，则输出值为： 2 2 3 4 33 4 21 1 ( / )( /) 1/(1) 0.21 251 (25/25)(2.2/2.0) 1/(0.99997 1) 1 8 10 1 1.213.33 10 8 108.004 10 1 4.03 10 c cccr ll lll lr r 由以上计算可以得出： (1)差动式比单线圈式灵敏度提高了一倍； (2)要提高灵敏度，应使线圈与铁芯尺寸比值和尽量小，但另一 c ll c rr 方面趋向于 1 时，传感器的非线性误差会增加； c ll (3)选用铁芯的导磁率大的材料也可以提高灵敏度； r (4)与成正比若被测量与成正比，则与被测量也成正ll/ cc ll / c ll 比。但实际上，由于磁场强度分布的不均匀性，输入量和输出量之间的关系是 - 15 - 非线性的。 电子柱量仪的测量原理就是利用位移量的变化与电感量的变化成正比来实 现的。在整个测量环节中，传感器的测量精度影响和决定着整个仪器可实现的 测量精度，而传感器输出信号的后续信号处理电路对整个仪器的精度影响不大。 因此，提高整个仪器的测量精度的关键是提高传感器的测量精度7。 - 16 - 第第 3 3 章章 系统硬件设计系统硬件设计 3.1 硬件设计原则硬件设计原则 要实现一台功能丰富、运行稳定、工作独立的量仪，首先要考虑的就是系 统的硬件电路设计。一个单片机应用系统的硬件电路设计包含有两部分内容， 一部分是系统扩展，即单片机的功能单元；二是系统配置，即按照系统功能要 求配置外围设备。为了使硬件电路设计趋向合理，借鉴别人的成功经验，系统 的电路设计中着重考虑到如下几个方面7： 1尽可能选择典型电路。 2设计时努力采用最新的一些技术。 3尽量选用功能强、集成度高的芯片，提高系统可靠性。 4注意选择通用性强、市场货源充足的元器件。 5系统的扩展及各功能模块的设计，留有适当的余地，以备将来修改、 扩展之需。 6硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。 7整个系统的性能要尽量做到性能匹配。 8在电路设计时，充分考虑应用系统各部分的驱动能力。 9可靠性及抗干扰设计是硬件系统设计不可缺少的一部分。 3.2 硬件框架的设计硬件框架的设计 电子柱量仪的测量原理就是通过电感传感器将位移量转换为电感量的变化， 测头与电感线圈内的磁芯相连。当磁芯处于两线圈的中间位置时，两线圈的电 感量相等，电桥平衡。当测头带动磁芯移动时，线圈的电感量产生变化，从而 交流阻抗相应变化。当振荡器供电的电桥失去平衡而输出一个交流电压信号， 其幅值则正比与磁芯的位移。将此点压信号送入微处理器，经过微处理器处理 后送显示器，并与用户的预先设定的值进行比较，超限报警，并对数据进行滤 波、存储、显示，使之能与计算机进行通讯。结构图如图 3-1 所示。 - 17 - 图 3-1 电子柱量仪硬件框架系统 3.3 硬件各模块的设计硬件各模块的设计 3.3.1 传感器信号调理模块传感器信号调理模块 自感式传感器电感量变换为电压信号的变换原理，如图 3-2 所示。该信号 调理模块，通过测量电桥将电感量变化变换为电信号，最终输出正比于电感量 变化的直流电压信号8。通过调整电路参数实现与电感传感器性能的最佳匹配。 电路中电源电压的大小和稳定性直接影响着传感器的灵敏度和精度。 - 18 - 图 3-2 传感器信号调理模块 3.3.1.1 差动交流放大器差动交流放大器 本课题采用的放大器由 3 个运算放大器组成数据放大器，其原理图如图 3-3 所示。 图3-3 放大电路原理图 a1、a2、a3按理想放大器分析，由图可知，u3=u1，u4=u2，可求得 r2 上的电流为： (2-5) 2 21 r uu i 进一步可求得： - 19 - (2-6) 11 2 21 5 ur r uu u (2-7) 21 2 21 6 ur r uu u 定义，则有： 21 uuu (2-8) 1 2 65 2 r r u uuu u5u6为后级的差分输入电压，可求得输出电压为： (2-9) 4 3 2 1 0 ) 2 1 ( r r r r uu 在电路设计中一般令r3=r4，运算放大器的增益公式简化： (2-10) 2 1 ( 2 1 0 r r uu 由式 2-10 可见，调节 r2 即可方便地调节电路增益。可证明，在前级 a1 和 a2参数匹配，即它们外部电路参数相同且其电气特性也相同的情况下，两 个输入端的失调所导致的输出是互相抵消的。由 a3组成的后级是一个标准的 差动放大器，其产生的输出误差失调在增益为 1 的情况下也是很小的。因此， 该数据放大器是一种高输入电阻、高共模抑制比、高增益的直接耦合放大器， 具有差动输入、单端输出的特点，非常适合用于放大传感器输出的信号9。 3.3.1.2 相敏整流器相敏整流器 本课题采用的是方波相敏整流电路，如图 3-4 所示： - 20 - 图 3-4 相敏整流电路 图中 a1为过零检测器，a2和三极管构成了相敏整流器。u0为传感器输出 信号，v2为与振荡信号同相的方波信号。其原理为：三极管工作于开关状态， 振荡信号 vosc经过比较器产生同相的方波信号 v2，当 v2为高电平时，三极管 饱和导通，a2同相输入端接地，u0加到 a2的反相输入端，放大器 a2的放大 倍数为1，输出信号 ui=u0，在 v2为低电平时，三极管截止，u0同时加到 放大器的同相和反相输入端，放大器 a2的放大倍数为+1，输出信号 ui= u0。 从而实现了对输入信号的整流过程，最后由滤波器将整流信号转换为直流信号。 其整流波形如图 3-5 所示： - 21 - 图 3-5 相敏整流波形图 相敏整流可用来检测相位及幅值等。该电路的信号输出幅值表示测量位移 量的大小，信号的输出的正负，则实现了传感器衔铁位移大小和方向的判断。 由分析可知，在传感器衔铁移动方向相反时，差动电桥输出 u0的方向是相反 的，即相位差为 180，从波形图中可以看出：相敏整流电路输出 ui的极性是 对应于 u0的相位的，从而实现了衔铁移动方向的判别10。 3.3.1.3 低通滤波器低通滤波器 通过滤波电路，将相敏整流后的信号转化为直流信号，以反映位移量的变 化，而被滤除的高频信号为干扰信号、器件元件的噪声、以及相敏整流信号的 各种。滤波器电路采用低通有源滤波器，如图 3-6 所示。 - 22 - 图3-6 低通滤波器电路 3.3.2 数据采集模块数据采集模块 一个测量系统的数据采集和控制电路关键是微处理器以及 a/d 转换器的 选择，以硬件电路设计简单、电路成本低、有益于软件设计为设计的总体原则。 综合性价比考虑，本设计最终选择的方案是：采用内置 12 位 adc 及 dac 及高精度电压基准的单片机。因为这样能使系统连线大为减少，同时内 置的 12 位 adc、dac 使系统精度大为提高，这便大大简化了硬件电路的设 计和程序的开发过程。 在项目开发的初期，必须做出单片机的最初选择。使用的硬件平台对后期 的软件和硬件设计决策有相当大的影响，本课题选用 adc812 单片机。 adc812 中集成 8 通道 12 位单电源 adc，是基于电容 dac 的常规逐次 逼近转换器原理组成的。其模拟输入电压范围为 0v-vref，内部提供高精度、 低漂移并经过工厂标准校准的 2.5v 基准电压，同时也可由外部基准经 vref驱 动，可在 2.3v-avdd引脚电压范围内。其框图如图 3-7 所示： - 23 - 7 8 cref adc0 adc7 1 14 ain mux 12ad 图 3-7 使用片外基准电源 adc 原理 采用单片机内部的内置 a/d 实现数据采集，在简化硬件电路，ad 控制及 软件编程方面有自己独特的优势。但这样相应的牺牲了系统的灵活性，外部的 输入信号必须为单极性正电源输入，范围在 0-vref之间，ad 转换输出数据才 是有意义的，而基准源电压范围为 2.3v-avdd，可见输入信号的范围较小。在 本课题中采用 3v 外部基准参考源，此时 12 位 a/d 采样值的 1lsb 的变化代 表的输入电压的变换量为 3v/4096=732v，可以发现，整个电路的设计特别 模拟输入电路是要充分考虑到系统的稳定性和抗干扰性，否则很难达到系统的 精度要求。 本仪器设计的模拟量输入通道共有四路，它们的电路结构和功能完全一致， 以一个通道为例说明其电路构成。输入通道电路原理如图 3-8 所示。 - 24 - 图 3-8 模拟输入通道电路 由图可知，该电路包括输入级运放、rc 滤波、保护限压三部分组成。 由于 a/d 转换器存在直流漏电流，如果电路信号源阻抗太大，就会产生明 显误差，由数据手册可知 adc812 模拟输入最大有 10a 的漏电流，即 ，源阻抗为 61，2.5v 为基准源时，误差电压有：10ia 1061610ui rav 2.5 1610 4096 lsbvv 1ulsb 可知该误差刚好对应 a/d 的 1lsb 误差，输入运算放大器的接入有利于降 低输入信号的输入阻抗，从而降低测量误差。 rc 电路有利于滤除一些高频率噪声，看似是滤波器电路，但实际上其截 止频率远在 ad 采样的奈奎斯特频率之上，其主要功能是保证抑制 adc 输入 在切换通道时的冲击，由于在选择新通道时，来自转换器内部的 2pf 取样电 容器的驻留电荷会产生瞬间冲击，在保持之前，信号源必须消除这种瞬时冲击， 可以通过在软件中加入延时来稳定信号，或者通过硬件方法，即采用快速运放 来稳定信号。本课题中采用加入电容器的方法，即不增加软件负担，又不需要 高成本的快速运放，就可实现信号的稳定。由于 0.01f 电容是 2pf 的 4096 倍 以上。当来自先前通道的 2pf 电荷被投放到它的时候，0.01f 电容器上的电 压变化不到 12 位分辨率的最低有效位(1lsb，即 fs/4096)。 图中肖特基二极管是为了限制输入引脚电压，由于对 adc812 安全输入 - 25 - 电压范围为 0-vdd引脚电压，特别是对负电源，极易损坏单片机。通过二个肖 特基二极管保证运算放大器输出不会高于 vdd或低于 gnd，从而保护 adc812 芯片。 3.3.3 数据处理模块数据处理模块 adc812 的单片机内核是与 8051 兼容的、可编程 8 位 mcu。adc812 的 mcu 内核和模数转换器二者均有正常、空闲以及掉电工作模式，它提供了 适合于低功率应用的灵活的电源管理方案。器件包括在工业温度范围内用的 3v 和 5v 电压工作两种规格，它有 52 引脚、塑料四方形扁平封装形式可供使 用。 adc812 主要包括以下几部分功能9,10： 1. 模拟 i/o：8 通道 12 位高精度 adc，高速 200ksps；片内 4010-6/ 电压基准；2 个 12 位电压 dac；一个片内温度传感器。 2. 存储器系统：8kb 片内闪速/电擦除程序存储器；640b 片内闪速/电擦 除数据存储器；片内充电泵(不需要外部提供擦除/写入电压 vpp)；16mb 外部 数据地址空间；64kb 外部程序空间。 3. 与 8051 兼容的内核：额定工作频率 12mhz(最大 16mhz)；3 个 16 位 定时器/计时器；32 条可编程的 i/o 线；端口 3 高电流驱动能力；9 个中断源， 2 个优先级。 4. 电源：兼容 3v 和 5v 两种电压工作；正常、空闲和掉电工作模式。 5. 片内外设备：uart 串行接口 i/o；与 i2c 兼容的串行口和 spi 串行总 线；看门狗定时器；电源监视器。 adc812 可工作在40-85范围，共 52 个管脚，采用 pqfp 封装。 adc812 的功能方框如图 3-9 所示。 - 26 - 图 3-9 adc812 的功能方框图 adc812 的引脚排列如图 3-10 所示。 - 27 - 图 3-10 adc812 的引脚排列 由于 adc812 上述的优越性能，再加上 adc812 可通过串口进行程序 的下载，而无须专用的编程器，有利于简化系统设计、编程和调试，在保证精 度的条件下，采用最简单的硬件实现系统，有利于提高系统性能以及缩小仪器 的体积，该系统是一种方便、快捷、廉价的数字控制系统设计模式。 adc812 外围配置电路及管脚资源使用分配如图 3-11 所示。 - 28 - 图 3-11 adc812 引脚图 xtal1 、xtal2 引脚接晶振以为单片机提供时钟。reset 端的按键可 实现单片机的复位功能。 本章以下部分将详细介绍硬件系统各部分的实现。 3.3.4 人机对话模块人机对话模块 人机对话模块是仪器键盘和显示硬件的实现部分。用户通过键盘完成仪器 进行的功能设置，并通过显示器反馈仪器当前状态和显示被测工件的测量值。 键盘输入采用编码键盘实现。 3.3.4.1 lcd 显示显示 12232f 是一种内置 8192 个 16*16 点汉字库和 128 个 16*8 点 ascii 字符 集图形点阵液晶显示器,它主要由行驱动器/ 列驱动器及 12232 全点阵液晶显 示器组成。可完成图形显示,也可以显示 7.52 个(1616 点阵)汉字.与外部 cpu - 29 - 接口采用并行或串行方式控制。目前数据传送有串行数据与并行数据传送两种 方式。串行数据传送特点是占用 i/o 口资源少，连线少，成本低，但速度慢， 并行数据传送与之相反。lcd 液晶显示器显示有两种显示方法，一种为静态 显示，硬件开销大，引线多，功耗大，软件开销小；另一种为动态显示，硬件 开销小，引线少，功耗小，但软件复杂，占用 cpu 时间多。本设计采用串行 方式实现控制，其读写时序如图 3-12 所示。 图 3-12 lcd 的串行接口读写时序图 lcd 显示电路如图 3-13 所示。 图 3-13 lcd 显示电路 利用滑动变阻器可以调节 lcd 显示屏的对比度。 - 30 - 3.3.4.2 键盘输入键盘输入 通常情况下，键盘接口要解决下面三个主要问题： 1.按键识别，决定是否有键按下，如有，则应能够识别出被按下的是 哪一个按键。 2.消抖动，当按键开关的触点闭合或者断开到其稳定，会产生一个短 暂的抖动和弹跳。这是机械式开关的一个共同性的问题，抖动时间长短与其机 械特性有关。 3.串键保护，串键是指同时有一个以上的键按下，串键会引起单片机 的错误响应。 以上问题将在软件上进行解决。 本课题设计的键盘输入电路如图 3-14 所示。 图 3-14 键盘输入电路 图中可实现的最大按键数量为 6 个。 - 31 - 3.3.5 存储模块存储模块 存储部分主要用于存储测量数据和保存当前仪器的设置状态，对于测量数 据，数据量比较大，需要外扩存储器来实现。对于仪器内部设置状态的存储采 用单片机内部 640b 的闪速/电擦除数据存储器，完全能满足应用要求。 3.3.5.1 单片机内部存储器单片机内部存储器 adc812 内部数据存储器的低 128 字节映象与 mcs-51 相同，内部数据 存储器的高 128 字节映象为特殊功能寄存器区，给 cpu 和所有片内外围结构 提供接口。 闪速/电擦除数据存储器阵列包括 640 字节，被配置为 160(00h-9fh)页， 每页 4 个字节。通过对 6 个 sfr 寄存器操作来完成读写 640b 的存储空间数据， 这 6 个 sfr 为 eadrl、edata1-4、econ。其中 eadrl 为当前页地址寄 存器，即进行数据存取的页地址；edatal-edata4 是 4 个数据寄存器组， 用于保存读、写当前页的 4 字节数据；econ 是对存储器读写、擦除的命令寄 存器：值为 01h 读命令、02h 写命令、04h 校验命令、05h 擦除命令，以上 操作都是按页进行，06h 为全部擦除，写操作时间时间为 20ms。 3.3.5.2 外部存储器外部存储器 与外部数据存储器的数据传输也具有并行传送和串行传送两种方式。本设 计采用串行传送方式来简化硬件电路设计。外扩的存储芯片为 fm24c256 串 行存储器，存储空间为 8kb，用于保存用户测量的数据。该芯片数据传输接 口为 i2c 总线接口。 i2c 总线是一种用于 ic 器件之间连接的二线制半双工总线，接口线包括： 串行数据线 sda，串行时钟线 scl，利用两根线实现总线上的器件之间的信 息传送，可连接多种功能器件。每种功能器件最多可接 8 片，每个器件可通过 地址编码加以识别。sda 和 scl 都是双向 i/o 口线，当总线空闲时两线均是 高电平。其总线协议如下： 1. 仅当总线不忙时，(scl，sda 均为高电平时)方能启动数据线。 2. 在数据传输期间，时钟 scl 为高电平；数据线 sda 数据保持不变。 3. 在时钟 scl 为高电平时，数据线 sda 从高变到低电平时，为数据传 输起始条件(start)；在时钟 scl 为高电平时，数据线 sda 从低变到高电平 时，为数据传输停止条件(stop)。 - 32 - 4. 开始数据传输(start)后，停止数据传输(stop)之前，scl 高电平期 间，sda 上数据、命令为有效。 i2c 总线时序如图 3-15 所示 scl sda 12 389 d7d6d5d0ackd1 startstop 图 3-15 i2c 总线时序图 fm24c256 是一种 256kb 的铁电存储器11，它和 at24c256 容量等同， 总线结构兼容，但 fm24c256 的性能指标远大于 at24c256。与 at24c256 相 比较 fm24c256 包含了 ram 技术优点，同时拥有 rom 技术的非易失性特点。 总的来说，fm24c256 的存储指令和 at24c256 兼容，只是在读写指令和应答 是不需要延时，提高了擦写速率。集体封装、功能管脚和 at24c256 一样，容 易被接受和运用。 该器件提供多种不同的读写操作模式，以适应不同的应用。要实现该器件 的读写必须按照该器件的读写规范进行读写。 在对该器件操作前，必须进行寻址。寻址格式如下表所示： 器件类型地址可编程地址读/写响应 位 a6a5a4a3a2a1a0r=1/w=0ack 对于 ram 及 e2prom 是器件类型编码为：1010。 三位可编程地址 a2、a1、a0 是相同器件选择地址，最多可接 8 片相同 器件，通过编码，选取类型器件的某一片进行操作；最低位是读/写控制位， r/w 位为高电平时是读操作，为低电平时是写操作，接下来发一个响应位 ack。 fm24c256 的写操作有两种模式：byte write(单字节)、page write(多字节)； 读操作有三种模式：current address read(单字节)、random read(单字节)、 sequential read(多字节)。其操作格式如图 3-16 所示： - 33 - 图 3-16 fm24c256 读写模式 存储器电路如图 3-17 所示。 图 3-17 存储器电路 在电路中，将地址线直接接地，该器件的 i2c 总线读指令地址为 0xa1， 总线写指令地址为 0xa0。fm24c256 的 scl、sda 直接与单片机 sclk、sdata 相连。此时与 spi 总线复用，为了防止器件发生误操作，通 - 34 - 过 p2.1 口控制 wp 管脚，当 wp 为低电平时，器件处于正常写操作状态，当 wp 为高电平是，器件的写操作被禁止，防止器件被误写。由于 i2c 总线是内 部集电极或漏极开路形式，在电路中加入 1k 上拉电阻是必须的。 3.3.6 外部通讯模块外部通讯模块 本仪器要求能实现计算机的网络化测量和管理功能，这就需要设计与计算 机的通讯接口。adc812 片内有一个全双工的串行口，与 51 系列单片机串行 口的功能完全相同，其输入输出均为 ttl 电平，以此接口直接进行数据传输， 抗干扰性差，传输距离短，不适合工业现场应用。我们采用标准的工业串行接 口进行通讯，如 rs232c、rs422a、rs485 等。综合考虑接口的可靠性、通 讯速度与距离、通讯信道的抗干扰能力、带负载能力等因素，我们选用 rs485 串行总线作为数据通讯接口。 rs-485 接口可以有多个驱动器和接收器，利用高阻抗接收器，一个 rs- 485 最多可以连接 256 个节点。rs-485 驱动器和接收器价格便宜，而且只需 要一个单一的+5v 电源来产生差动输出。rs-485 总线采用平衡电路，每个信 号都有专用的导线对，其中一根导线上的电压等于另一根导线上的电压取反， 或者取补。接收器对这些电压之间的压差作出反应。平衡连线是无噪声的，因 为这两根信号线都传递几乎相同大小的反向电流，大多数噪声电压在这两根导 线上或多或少都同时出现，任何在一个导线上出现的噪声电压或从电缆外部耦 合进入导线的干扰都被在另一根导线上的噪声电压所抵消。一个平衡接收器只 看到传输的信号，噪声被清除或者极大的消弱。由于 rs485 总线以上的特点， 所以 rs485 总线通讯距离远，传输速率高，其性能优于其它 rs232 或 rs422 串口总线。而且 rs485 总线易于硬件实现，其硬件原理如图 3-18 所示。 - 35 - 图 3-18 rs485 通讯接口 rs485 为双向、半双工通讯口，通过单片机的 p3.2 口控制 485 口的接收 与发送数据。为了实现 adc812 的下载电路和 rs485 总线的复用，在单片机 p3.2 口和 de、re#管脚接入电阻 r27、r28，当通讯端口与 adc812 下载线 相连时，则 rs-485 总线被隔离。 3.3.7 光柱显示光柱显示及其驱动模块及其驱动模块 光柱显示部分是实现三色光柱显示的关键，本部分详细介绍了双色光柱驱 动电路的实现。目前对 led 光柱的驱动方法较多，各有优缺点。 采用专用芯片 (lm3914、 ic9504 、cs0100 等)实现驱动，该类驱动芯 片的数据输入一般为模拟信号，因此非常适合应用于模拟电路中，