（信号与信息处理专业论文）基于80c552智能真空度测试仪的设计与实现.pdf

太原理j 人学硕十研究生学何论文y 6 2 0 2 5 8 基于8 0 0 5 5 2 智能真空度测试仪的设计与实现 摘要 在电力系统中，发电厂中产生的热蒸汽经过冷凝之后，才能够再次被 利用，在冷凝过程中产生低压，设计和实现智能真空度仪表的目的就是对 冷凝器的真空度进行测量。市场调查发现，现在的真空度测试设备，大都 是进口的，应用的典型范围在航空、气象等领域，并且价格极其昂贵，所 以丌发一个性价比适合的仪器，是符合圈内市场需求的。 我们应电力行业列真空度的测量要求而研制玎发了高精度多功能智能 真空度测试仪，该论文对其设计和实现原理进行了论述。该仪表以单片机 8 0 c 5 5 2 为控制核心，以高性能传感器及信号调理电路为压力检测单元，以 液晶显示模块为用户端，提供网络通信接口，辅以声光报警电路，构成了 一个具有白诊断、数书滤波、高精度实时显示绝对压力、当前大气压、真 空度及同历的多功能智能仪表。同时也考虑了仪表的升级和维护，硬软件 均采取了模块化设计。为今后扩展打下了基础。与同类产品相比，该仪器 具有价格适中，功能齐全，满足工作要求等特点，具有广阔的市场和应用 前景。 关键词：8 0 c 5 5 2 ，真空度，智能压力表，测量 太原理l - k 学硕十研究生学位论文 d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o n i n t e l l i g e n tv a c u i t ym e a s u r e m e n t m e t e rb a s e d o n8 0 c 5 5 2 a b s t r a c t i nt h ep o w e rs y s t e m ，t h eh o ts t e a mc o n d e n s e dc a nb eu t i l i z e da g a i ni nt h e p o w e rp l a n t t h el o w p r e s sc a nb ep r o d u c e di nt h ep r o c e s so fc o n d e n s a t i o n t h ep u r p o s eo fd e s i g na n dr e a l i z a t i o ni n t e l l i g e n tv a c u i t ym e t e ri st om e a s u r e t h ev a c u i t y t h em a r k e tr e s e a r c hs h o wt h a tt h em o s to fv a c u i t ym e a s u r e m e n t i n s t r u m e n t sa r ei n p u t t e df r o ma b r o a d ，w h i c ht y p i c a lu s i n gr a n g ea r et h ef i e l d s o f a v i a t i o n ，w e a t h e rs e r v i c ee t c a n di t sp r i c ei sa l s ov e r ye x p e n s i v e t h u s ，i ti s n e c e s s a r yt or e s e a r c ha n dd e v e l o pa nk i n do fi n s t r u m e n tw h i c hf u n c t i o n p r i c e r a t i oi sh i g ht of i tf o rd o 未；s t i cm a r k e td e m a n d a c c o r d i n gt ot h em e a s u r e m e n td e m a n d so fv a c u u md e g r e ei nt h ep o w e r s y s t e m ，t h i st h e s i ss u m m a r i z e st h ee l e m e n t a r yp r i n c i p l eo fm u l t i - f u n c t i o n a l h i g ha c c u r a c yi n t e l l i g e n tm a n o m e t e r t h i ss y s t e mc e n t e r sa tm i c r o p r o c e s s o r 8 2 c 5 5 2a n du s i n gh i g h - p e r f o r m a n c es e n s o r sa n ds i g n a la d j u s t i n gc i r c u i ta s p r e s s u r em e a s u r eu n i t t h el i q u i dc r y s t a lm o d u l ei sa tu s e rt e r m i n a t e t h e s y s t e mh a sp e r f o r m a n c eo fn e t w o r kc o m m u n i c a t i o na n d a l a r mc i r c u i tw i t h s o u n da n dl i g h t i th a sa l s ot h ef u n c t i o n so fs e l f - d i a g n o s i n g ，t h ed i g t a lf i l t e r i n g ， h i g ha c c u r a c ys h o w i n ga b s o l u t ep r e s s u r e ，p r e s e n ta t m o s p h e r e ，a n dc a l e n d a ri n r e a lt i m e a tt h es a m et i m e ，c o n s i d e r i n gt h eu p g r a d i n ga n ds a f e g u a r d i n go ft h e i i 太原理j ：人学硕十研究生学位论文 i n s t r u m e n t ，t h ed e s i g n o fh a r d w a r ea n ds o f t w a r eu s e st h em o d u l a r i z a t i o n m e t h o d s c o m p a r i n gw i t hs i m i l a rp r o d u c t s ，t h i si n s t r u m e n th a st h ea d v a n t a g e s o fm o d e r a t ep r i c e ，m u l t i p l ef u n c t i o n a l ，w h i c hc a ns a t i s f yw o r kr e q u i r e m e n t s t h u s ，i tw i l lh a v ew i d em a r k e t sa n da p p l i c a t i o np r o s p e c t k e y w o r d s ：8 0 c 5 5 2 ，v a c u i t y ，i n t e l l i g e n tm a n o m e t e r ，m e a s u r e m e n t 太原理】? 人学硕十硼 究生学位论文 1 智能仪器概述 第一章绪论 微计算机的间世和普及，是构成世界信息革命的个重要组成部 分。电子测量是一门与电子科学技术紧密结合，对新科技成果十分敏感的 学科，在微计算机问世不久，首先被用于电予测量和仪器，所占比重一直 名列前茅。微计算机与电子测量的结合，给f _ 包子测量和仪器仪表带来巨大 的冲击和革命性的影响，使电子测量红：洲量原理和方法、仪器设计、仪器 性能、功能、仪器使用和故障检修方面都产生了巨大变化。 随着科学技术和生产的发展，测量任务越来越复杂、工作量加大，测 量速度和测量准确度要求越来越高，测试技术人员感觉不足，这些都对测 量仪器和测试系统提出了更高的要求。微计算机的出现为解决上述问题提 供了条件。利用微汁算机的记忆、存贮、数学运算、逻辑判断和命令识别 等能力，发展了微计算机化仪器和自动测试系统。近年来微计算机和大规 模集成电路发展很快，价格又大幅度下降，同时在测试系统中还解决了通 用接口母线的标准化问题，使得微计算机化仪器和自动测试系统得到了很 大发展，正改变着电予测量的而貌。 电子测量仪器与微计算机结合，形成了所谓微计算机化仪器 ( m i c r o c o m p u t e rb a s e di n s t r u m e n t s ) 。这是电子测量和仪器领域中迅速发展 的一大分支。目前，这类仪器主要有两种类型，即所谓智能仪器和个人仪 器。 在智能仪器中，每个仪器都包含一至数个微处理器或微计算机。以微 计算机的软、硬件为核心，对传统仪器进行了重新设计，使仪器测量部分 和微机部分互相融合。与传统仪器相比，其性能明显提高、功能大大丰富， 1 太原理i 人。学硕十 j f 究生学位论文 而且多半具有自动量程转换、自动校准、自动检测、甚至具有自动切换备 件进行维修的能力。仪器中原来用硬件较难解决的问题，往往可以用计算 机软件迎州而解。仪器还可以进行数掘处理和进行各种运算工作。众所周 知，若用人工来进行人量数据处理是十分繁重的，有蚓甚至足不可能的。 智能仪器人多配有通用接口，以便多台仪器构成自动检测系统。 最初的智能仪器技术j i 是用在电学领域罩的测量仪表上，后来，随着 自动化技术的发展，尤其是传感器技术的发展，这种技术丌始用在生产当 中，并得到快速的发展，产生了一系列智能化测量仪表，它们的利用，大 大提高了劳动生产率，获得了巨大的社会效益和经济效益。 本课题中研制的智能真空度测试仪也是智能仪表的一部分，通过对国 际上一些著名的智能真空度测试仪生产厂家近几年新产品发展动向的分析 ( 不包括测量原理方面) ，再结台真空度测试仪的发展历史和使用需求，i q 以看出，测量范围在1 0 5 一l o _ 7 p a 内的电子式测量仪器，正呈现出向小吧化、 一体化、集成化、系统化和智能化的发展趋势。它的小型化是电子技术发 展的产物又是一体化和集成化的基础；一体化可以提高测量准确度；集成 化可以更好地适应在尖际真空系统中的应用；智能化依赖于计算机技术的 迅速发展；系统化可满足工业自动化的需求，办与计算机技术密切相关。因 此，智能真空度测试仪向小型化、一体化、集成化和智能化方向的发展， 是在迅速发展的电子技术和计算机技术的推动下，为满足应用的需求而产 生的结果，是一个值得关注的发展新趋势。本论文所研制的智能真空度测 试仪就是单片机与传感器的有机结合，是智能真空度测试仪发展的方向。 2 本课题研究的背景和意义 随着科学技术和生产的发展，测量任务越来越复杂，测量速度和测量 准确度的要求越来越高，这列测量仪器提出了更高的要求，另一方面，传 2 太原理1 人学硕1 研究生学何论文 统的测量仪器只能即纯的就某个量直接测量，测量结果需经过计算加j 二之 后，才能得到真i f 所需要的量，使用起来极不方便。微计算机的出现为解 决上述问题提供了便利。利用微计算机的记忆、存贮、数学运算、逻辑判 断和命令以别等能力，发展了微计算机化仪器和自动测试系统。 智能化测量仪表问i j = 十几年来，作为工业生产领域中应用极广的一 种仪表，在计量部门、汽车工业、化工生产、电力部门、纺织业、军工、 航空航天、石油丌采、医疗设备及家电等领域中，都发挥了很大的作用， 得到了非常广泛的使用。但是，进口的仪表不仅价格高昂，难以被般 用户所接受，而且功能也与用户的实际需求不相符合，而传统的老式仪 表由二f 其固有的缺陷，越来越不能适应现代化尘产的需要，凶而很有 必要，1 ：发一批能满足国内削户需求的物荚价廉的仪表。 本系统为一电力公司所设计，要求所设计的压力表能胜任一般的工 业环境，可以实时测量、显示监测点的绝对压力、当地大气压力、及二 者的差值( 真空度) ，当压力值低于8 5 k p a 时。发出警报，为适应以后 自动化管理，要求有网络通信功能，所监测的为冷凝水汽真空压力值。 从以上要求可见，、该仪表要求一一定的智能性，选用传统压力表都不 合适，但要求又不很高，在考察市场上所出售的进口高精度智能压力仪器 价格都在数儿美元之多，并且使用的场合一股都是在_ | j c 天、气象等需要高 精度的地方，而一个价格合理、精度适当的仪表在扫场上很难买到。因此 设计一个功能相当，价格适中的仪器束适应国内市场需求是很有必要的。 调查表明，这种仪表的市场具有一定的前景。 3 论文所完成的工作 在关于基于8 0 c 5 5 2 单片机的智能真空度测试仪系统的设计与实现的 研究中，本论文主要做了以下工作： 3 太原理j ：人学颈十研究生学位论文 1 有效利用p h i l p s8 0 c 5 5 28 位单片机的处理能力、丰富的i o 口、集成的1 2 c 总线，提山了该系统完整的设计方案。 2 实现本系统的硬件平台。独立完成芯片选型，系统的原理图设 计，多层p c b 改计和调试。 3 基本完成了划今系统的软件编程：l 作，并且都已经调试通过。 4 本论文的组织 第一章绪论部分介绍了智能仪器和智能真空度测试仪的发展状 况。及其研究本课题的背景意义。第二章介绍了本系统的整体设计思路， 沦述了在设计中的软硬件原理。第三章介绍了本系统的硬件实现电路。第 四章介绍了本系统的软什实现方法。第五章介绍了数据处理原理和系统调 试。最后对自己所作的q ：1 4 - 进行了总结，提出了不足之处，并对系统的今 后改进提出了建议。 4 太坂理i ，人学硕+ 研究f 学位论文 第二章智能真空度测试仪设计原理 研制一台智能真空度测试仪是一个复杂的过程，这一过程包括分析它 的功能要求和拟定总体设训方案，确定硬件结构和软件框图，绘制电路原 理图、制作p c b 板和编制程序，以及仪表的润试和性能的测试等等。本章 将介绍本课题所研制的智能化真空度测试仪的整体设计。 1 。智能真空度测试仪的基本设计思想 根据智能真空测试仪应具有自动汜录、存储有真空度数掘并能进行初 步数据处理、显示及其报警所需信息的功能要求，自顶向下地按真空测试 仪功能层次把硬件和软件分成若二f 个模块，分别进行设计和调试，然后把 它们连接起来，进行总调，这就是设计本课题所研制的智能真空度测试仪 的基本思想。 ( 1 ) 智能真空度测试仪的模块化设计 如前所述，本课题把硬件分成主机电路、信号输入通道、数据保护存 储模块、人机交互部件( 键盘、显示模块、报警电路) 、通信接口及电源管 理电路等功能模块，而把软件分成四大部分：主程序、显示、报警、键盘分 析与数字键处理和功能键处理等部分。这些硬件、软件模块还训以继续细 分，山下一层次的更为具体的模块来支持和实现。模块化设计的优点是： 无论是硬件还是软件，每一个模块都相刘独立，故能独立地进行设计、研 制、调试和修改，从而使复杂的工作得以简化，并且在编程的时候的最大 体会就是可以很好的移植。 5 太原理i 人学硕十研究生学伉论文 ( 2 ) 模块的连接 上述的各软、硬模块的研制调试完成之后，还需要将它们按一定的方 法连接起来，才能构成智能真空度测试仪，以实现数据采集、传输、处理 和输出等各项功能。本课题中软件模块的连接是采用中断方法实时地执行 相应的服务模块来实现，并且按功能层次继续调用l ：一级模块。模块之刚 的联系是由数据接口完成的。 硬件模块的连接有两种方法：一种是以主机模块为核心，通过设计者自 行定义的内部总线连接其它模块：另一种是采用标准总线来连接所有模块。 第一种方法山设计人员自行研制模块，电路结构简单，硬件成本低：第二种 方法是设计人员可选购商品化的模板，配接灵活方便，研制周期短，但硬 件成本高。本课题采用第一种方法来实现硬件模块的连接。在本系统中所 使用的i2 c 器件是一个很好的例子，它可以方便的连接到系统上，并且软 件编程也易于移植。 2 硬件设计原理 ( 1 ) 硬件模块框图 本智能真空度测试仪的硬件原理结构如图卜1 所示，硬件部分包括主 机电路、数据采集电路。在主机部分包括了l c m 显示模块、时钟同历芯片、 复位模块、以及串口通讯模块，这些部分组合起来实现的是数字处理、显 示及网络功能。而在数据采集电路中包括传感器、信号调理及模数变换电 路，实现了模拟量向数字变化的功能。这样设计的目的是尽可能的减少模 拟量的数据传输氏度，使其变成数字量，能够减少模拟部分产生的误差。 6 a 原理i 人学硕十研究生学位论文 m c u l 盐m 幢址l c m 1一 匹 8 0 c 5 5 2 h 1 ：! ：! i i hr r 4 8 5 帅l 女埘价 盅| | 图1 一l 硬件原理框图 t 1 1 eb l o c ks c h e meo f1 h el l a r d w a r e 在设计p e g 板图的- | 候，做成2 个独立的板子。这样做的一个优点是本系 统使用了i2 c 器件，同一个i 。c 器件可以通过对其设置不同的地址，做到一 个主机电路带8 个同类i 器件，为以后仪器的功能扩展提供了方便。 ( 2 ) 硬件工作程流程 由压力传感器检测到的大气压信号和山电厂传来的气压信号，经由 m a x 4 9 4 组成的信号调理电路，送入1 2 位 a d 转换器m a x l 2 7 ，在程序的控制下，采 、 用中断查询方式，a d 转换后的数字信号 周期性的由m c u 接收，侄其内部经程序处 理后，输出到液晶显示模块h y l 6 0 4 显示， 同时，当有网络通信要求时，通过r s 4 8 5 接口向上位机输出，另外，如果程序判断 输入的数据玎i f 常( 压力超限等) 或发生 故障时，由m c u 输出控制信号启动报警电 路，发出声光报警。 7 圈1 2 软件框图 t h eb l o c kd i a g r a mo f s o f t w a r e 太原理l 。人学硕d c i , r f 究生。位沦文 3 软件设计原理 在硬件设计的基础上，以飞利浦8 0 c 5 1 系列单片机的“伟福”e 2 0 0 0 t 仿真器为软件开发平台，实现f 整个系统的软件编程。 ( 1 ) 软件各模块的功能 软件总体上分四大部分：监控程序、主程序、中断程序、算法程序， 下面分别叙述。 ( 1 ) 监控程序是整个程序正常i g _ q j 的前提和保证，上电复位后，仪表首 先进入监控程序，它包括系统仞始化、系统自检、看门狗程序。初始化包 括可编程器件初始化，堆栈初始化和参数初始化：系统自检包括r o m 的自 检、i o 端口的自检、总线的自检等，自检时通过向r o m 、i 0 口、总线兜 发送数据后读【亘| 来比较的方法，根据比较的结果确定相应部分是否有故 障：看门狗用来监视系统的工作情况，一目程序跑飞，系统将会瘫痪，这 时系统工作状态指示灯会l 刈烁，“看门狗”及时的代替人工自动复位，恢 复系统的j f 常运行，保证了生产的安全， ( 2 ) 系统f 常时运行在f i i 台运行的就是主程序，主程序包括传感器信号 采集数掘处理、显示管理。将采集到的传感器数掘存储在r a m 中，然后 调用相应的数据处理程序，处理结果送显示管理程序完成显示格式的转变， 完成一次显屏刷新，当定时中断发生后，下一轮的数据采集和处理丌始了， 主程序就这样周期性的运行。 ( 3 ) 中断服务程序包括自检故障中断程序、报警中断程序、定时中断程 序、按键转移程序、串行通信中断程序等。定时中断程序作为刷新周期用， 它由t 1 构成的定时器来完成。串行通信中断程序用来响应上位机对仪表 发出的通信请求，m c u 采用中断方式发、收数据，微机侧通信管理软件 8 a 原理j 人学硕+ 研究生学位论文 由通用高级语言编写，利用微机的管理可实现测量数据的历史纪录、进一 步处理等。 ( 4 ) 算法程序包括数字滤波、非线性修忆标度变换等。1 。 系统采用复合滤波，可以去掉脉冲干扰，义可以刺+ 采样值进行平滑加 工。 山于传感器件本身的非线性，使得其输入输出特性曲线也是非线性的， 为弥补这个缺点，运用曲线拟合法( 最小二乘法) 来实现非线性修l 巳体 现了智能处理的优点。 生产过程中的各个参数都有不同的量纲和数值，划于智能压力表来况， 压力电信号经过前向通道送入m c u ，进行各种处理，但为了显示，必须把 这些量转化成与被测压力对应的参量，这样显示j 有意义，这就需要进行 标度变换，对已经过线性化的压力信号，标度变换公式为： p 、= p + ( p o - p ) ( n , - n 。) ( n 。一n 。) 式。pp 。、p 。分别为传感器的j 卜常：j ：作上下限，n 。n ，分别为传感器上、下 限输出对应的数字量，p 。、n 。分别为传感器实际测量值及其对应的数字量。 、 实际编程n , i ，将p 。、p 。n 。、n 。存储起来，通过n 。求得p 。以上所有算法 程序均出k e i lc 赢级语言来编出，连同其他汇编语言程序统一添加到一 个项目中编译链接，形成整个软件系统。 ( 2 ) 软件工作流程 如图卜2 示，开机初始化后，系统进入自检程序，发现故障就报警， 如无故障，就转向按键查询处理，以调整确定系统当6 h 的时问和参数，进 入主程序，采用查询方式轮流读取四个通道的a d 转换后的采样数值，由 于该信号有可能受噪声的干扰，需先对它们进行数字滤波，然后对得到的 9 太躲理1 人学硕十研究7 i i 学位论文 值进行界限判断，看足甭低0 二改限值，如低于，则调用报警巾断程序，i 司 时做出故障标志显示和址录，否则调用非线性修j h 标腹变换等程序处理 数据，最终得到我们所需要的绝剥压力、大气压力、真空度，然后在显示 管理程序的控制r 按预定的格式送显示模块( l c m ) 去显示，送r s 4 8 5 接口 供网络查询，定时中断程序控制着整个数据处理和显示的刷新周期，在整 个程序运行j | 1 问，看门狗程序都在后台不问断的运行着，保证了系统的可 靠工作。 l o a 原理i ：人学硕十训f 究生学f 囊论文 第三章智能真空测试仪的硬件实现 基于硬件设讨的基本思路，在术设计中采川了p h i l p s8 0 c 5 5 2 单片机， 在以此为核心器什的基础 ：实现了小智能真空洲试仪。在系统巾分别实现 了数据采集电路及二l 三机电路下面就分部分介绍系统的硬件电路实现。 1 主机部分电路实现 存本部分在设引原理t 1 _ 1 介绍其功能模块包括了1 c m 显示模块、州钟h 历芯片、复位模块、以及串口通讯模块等。r 面就其实现作个介绍。舀先 来看一下系统所使用的m c u 芯片，在本没计。p 采用了功能强大的8 0 c 5 5 2 芯片，在此基础上进行扩充，从而实现整个系统。 ( 1 ) p hl p 88 0 c 5 5 2 单片机简介 概述” 微控制器，又称单片机( m c u ) 是在上个世纪7 0 年代为了适应生产 生活中智能实叫控制的要求，最初山i n t e l 公司在通用订算机处理芯片的基 础上发展起来的一个分支，它除具有通用c p u 的一些基本功能外，还运用 集成技术，在其内部为了适应工、趾控制的需要集成了一些常用的其他功能 芯片，诸如r o m 、r a m 、串并i o 口、定时讨数器、中断控制器、a d 口等，这使得它的丌发非常方便，只要在其外部接一些辅助电路，即i , j 构 成各种计算机应用系统，屯子测量巾，运用单片机的存储、运算、逻辑判 断能力作控制，即呵构成智能化测量仪表。 i n t e l 公司凭借其在微处耻器领域的霸主地位，其单片机产品也占统治 地位，其中早期最有名的产品j , j 8 0 c 5 1 系列，为了扩大自己的影响，跟其 太原螋i ，人学硕十岍究尘学位论文 他处理器公司抗衡，i n t e l 公司把这个系列授权给多家4 - - 导体公司，这些公 司均可以利用8 0 c 5 1 为核心，l ! j 。出以自己公司命名的单片机，本发讨采 用的就足p h i l p s 公司当年功能最强劲的增强型8 0 c 5 1 苛片机p h i l p s 8 0 c 5 5 2 。 p h i l p s8 0 c 5 5 21 1 1 片8 位微控制器采用先进的c m o s ； z 艺：训造，足 8 0 c 5 1 微控制器家族的派生其指令集与8 0 c 5 1 指令集完全相同，以卜 足其特性简介及功能框矧( f 擘1 2 _ 1 ) 。 特性 8 0 c 5 1 中央处弹币元 8 k 字节内部程序存储器日外部扩展卫j 6 4 k 字节 2 5 6 字节片内数掘r a m 可外部扩展- j i j 6 4 k 字节 3 个1 6 位定i i q 计数2 , s t o t l 标n i 8 0 c 5 l 和刚力的，1 2 捕获比较 快速8 i f f l a d c 选项 2 个8 位分耕率的脉宽调制输出p w m 5 个8 位i t 0 口加上一个与模拟输入复用i f j 8 位输入口 带字节方式主和从功能的1 2 c 总线串 ? 1 1 0 e l 片内看门狗定时器 宽温度范田 全静念操作0 l6 m h z 操作电压范围2 7 5 5 v 1 5 个。i 一嘲i 源4 个中断优先级 帧错误检测 自动t 电：t l l ：识别 电源控制模式 上电检测复位 1 2 太原理l 人学碗i ：l ，j r 究生学何沦文 带8 蹄模拟输入的1o 位a d c 口“i i l ! l l ? , i tl l t l l f l l 目1 - qi ；_ | 一口t j i i i 1 i l l i ；i i 1 j 团 l i i i l l l k l l1 i4 1 f i t i l 团h i l l 4 1 1 m i1 l - i l 团i i t ! l l , d l i ! i l e i i4 1 ，i 卅，口1 1 1 1 1 1 4 1 1 i i i ( i i n s i d ef u n c t i o nb l o c kd i a 6 , r a mo f p h i l p s8 0 c 5 5 2 在使用本单片机= e 富自7 , j i 0 m 等功能的叫候，本系统很好的利刚了其特 殊f l , 9 1 2 c 总线功能，并以此采用了1 2 c 器件，使设计变的简单，并e 1 使系统 r r , i 可靠性变的更高。t i e 自j ；1 2 c 总线基本知识作个简要的介绍。 太原理j ：人学顺- b 自) t 究生学位沦文 ( 2 ) 12 c 系统总线的介绍 i2 c 总线设计的产生i 5 i 在消费者电子、电讯年r 业电子巾，看t - _ - j x 不相关的设计甲经常有很 多相似的地方。例如几乎每个系统都包括 一些智能控制单元，通常足+ 个币片的微控制器。 通用电路，例如l c d 驰动器、远程1 1 0 口、r a m 、e e p r o m 或数 据转换器。 面向应用的电路，譬如收音机和视频系统的数字调谐和信号处理电 路，或者是音频拨号电话的d t m f 发生器。 为了使这些相似之处对系统设计者和器件厂商都得益，而且使硬件效 益最大电路最简单，p h i l i p s 公司丌发了4 个简啦的双向两线总线，实现 有效的i c 之间控制。这个，e 2 , 线就称为i n t e ri c 或1 2 c 总线。现在p h i l i p s 包括超过1 5 0 种c m o s 和双极性兼容1 2 c 总线的1 c ，呵以执行前面提到的 三种类型的功能。所有符合1 2 c 总线的器件组合了一个片上接口，使器件 之削直接通过1 2 c 总线通讯。这个发计概念解决了 世多在设计数字控制电 路时遇到的接口问题。 1 2 c 总线的特征 只要求两条总线线路：一条串行数掘线( s d a ) ；一条串行时钟线 ( s c l ) 。 每个连接到总线的器件都可以通过唯一的地址和一直存在的简币的 主机从机关系软件设定地址；主机可以作为丰机发送器或主机接收器。 它是一个真f 的多主机总线，如果两个或更多主机同h q 初始化数据 传输可以通过冲突检测和仲裁防止数据被破坏。 串行的8 位双向数据传输位速率在标准模式下可达1 0 0 k b i t s ，快速 模式下可达4 0 0 k b i t s ，高速模式下可达3 4 m b i v s 。 1 4 太原理j ：人学硕士研究生学位论文 片上的滤波器可以滤去总线数据线上的毛刺波，保证数据完整。 连接到相i 司总线的i c 数量只受到总线的最大电容4 0 0 p f 限制。 使用1 2 c 总线给设计者带来的优越之处 符合1 2 c 总线的l c 允许系统发计快速向前推进，直接从功能结构图到 原型、此外，由于它们直接“剪贴”到1 2 c 总线，没有任何额外的外部接 口，所以允许简单地通过从或者向总线“剪贴”或“不剪贴”i c 柬修改或 升级原型系统。 符合1 2 c 总线的l c 还有一些功能特别i 墩引设计人员： 结构图的功能模块与实际的i c 对应；设计快速从结构图向最后的原 理图推进。 不需要设计总线接l j 冈为1 2 c 总线接口已经集成在片上。 集成的寻址和数据传输协议允许系统完全由软件定义。 相同类型的i c 经常用于很多不同的应用。 山于设计人员快速熟悉了用兼容1 2 c 总线的i c 表示经常使用的功能 模块，使设计时问减少。 在系统巾增加或删除i c 不会影响总线的其他电路。 故障诊断和调试都很简单故障- 被立即寻迹。 通过聚集一个可再使h j 的软件模块的库减少软件丌发时问。 除了这些优点外，符合1 2 c 总线的c m o si c 还向设计者在特别吸引的 可移植装置和电池供电系统方面提供了特殊的功能。它们都有： 极低的电流消耗。 抗高噪声干扰。 电源电压范围宽。 工作的温度范围j 1 。 人机交互电路的实现 1s 太原理l 人学硕十研究生学忙论文 在系统中，主要的人机交互部件就是l c d 模块和键盘设计，在本智能 真空度测试仪的现场监视部件就l c m ，它的主要功能就是显示出系统的当 前时间、当前现场的大气压、现场传束的气压值以及真空度。在键盘设计 中，设计了四个按键，实现对系统时钟及其设置报警下限的设置。下面就 介绍l c m 模块及其键需实现。 ( 3 ) 显示电路的设计 液晶显示器以其微功耗| 4 i 、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的诸多 优点，在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用。字符型 液晶模块是一种用5 x 7 点阵图形柬显示字符的液晶显示器，根掘显示的容 量可以分为1 行1 6 个字、2 行1 6 个字、2 行2 0 个字等等，本系统中采用 的是4 行1 6 个字的h d 4 4 7 8 0 a 液晶模块来实现对本系统中所测数据的显 示。显示器内部只有字符发生器r o m ，白定义字符r a m 等。 字符型液晶显示模块目前在国际上已经规范化，无论显示器的规格如 何变化，其电特性和接口形式都是统一的。因此只要设计出一种型号的接 po0 d , 0 ： o o r o ： n n o 昌po 7d7 wr二j _ ； 二)8 高 吞r d 。 已p2 ” 舡 p2r w p20r s 图2 2 lcm 连程咧 jo ln edb l ockd t 。g ，a mo fl cm 口电路，在指令设置上稍加改动即可使用各种规格的字符型液晶显示模块 使用非常方便。 这个接口电路是为所用的“h y l 6 0 4 ”l c d 设计的，它可以显示四行 1 6 太原理 ：人学硕十研究生学位沦文 1 6 个5 7 点阵的字符，p 2 7 为其地址选择线，需要说明的是，l c d 与外 部r a m 都用到p 2 7 作为地址选择线，且对m c u 来况，都要发出w r 、 r d 信号对这两个外设访问，但在存储器电路中p 2 7 接在外部r a m 的c e 引朋j ，是低电平起作用，即外部r a m 的地址为o x 0 0 0 0 0 x 7 1 ：、f ( 3 2 k b ) ， 而剥l c d 来说，当p 27 为高电平时起作用，即其地址为0 x 8 x x x ( a 0 一a 1 4 为任意值) ，可见二者的地址是不一样的，不会引起混乱。 本设计采用的显示接口电路如图2 - 2 示，需要的l 三信号，是由m c u 的读写信号加逻辑与非门产生。它配合由p 2 0 来的r s 信号，以及p 2 1 来 的i u w 信号来维持l c d 控制工作，实现对l c m 工作状态的设定，显示 数拊的读写，自定义字库等，组合状念如下表： r s r w e 功能 o0 i i a 沿写指令代码 o1 高电平读忙标志和a c 码 lo 下降沿写数据 1 、 1 高电平读数据 根据誉信公司提供的产品资料，接口引脚功能如下 引脚号符号状态功能 1v s s 电源地 2v d d + 5 v 逻辑电源 3v 0 液晶驱动电源 哇r s 输入寄存器选择1 ：数据；0 ：指令 5r w 输入读、写操作选择1 ：读；0 ：写 6e 输入使能信号 7d b 0三态数据总线( l s b ) 1 7 太原理 人学颂十研究生学位论文 8d b l 兰态数据总线 9d b 2 = 奠二 数据总线 一。l y 1 0 d b 3 三态数据总线 l ld b 4 _ ，6 ： 数据总线1 2 j , 1 2d b 5 三态数据总线 1 3d b 6 三态数据总线 1 4 d b 7 三态数据总线( m s b ) 1 5l e d a 输入背) l + 5 v 1 6l e d k 输入背光地 ( 4 ) 键盘的硬件实现 键盘硬件实现是通过7 4 l s l 6 4 来实现的，在测试阶段，安装了四个按 键，通过这个串并转 换芯片，只需使用两 根i o 口就能实现键 、 盘的硬件电路。 本模块主要的功 能就是实现在现场对 系统时旧j 的没置功 能，以及真空度报警 下限的设置。四个按 键j ) - y j i j 是设置键、连 加键、连减键、退出键。 一 s ：! s 3 s d a s 4 寸 s 5 一 s 6 一 s c l 中 s 7 卜 s 8 图2 3 键概艘件连接 j o i n e dt h eh a r d w a r eo f t h ek e y b o a r d 1 8 太原理l 。人学硕十研究生学传论文 ( 5 ) 时钟电路的设计 p c f 8 5 8 3 时钟芯片介绍 p c f 8 5 8 3 是p h i l i p s 公司推出的一款工业级内含i2 c 总线接口功能的具有 极低功耗的多功能时钟几历芯片。p c f 8 5 8 3 的多种报警功能、定时糟功能、 时钟输出功能以及中断输出功能能完成各种复杂的定时服务，甚至可为单 片机提供看门狗功能。内部时钟电路、内部振荡电路、内部低电压检测电 路( 1 o v ) 以及两线制l2 c 总线通讯方式，不但使外围电路及其简洁，而 且也增加了芯片的靠性，删时每次读写数据后，内嵌的字地址寄存器会自 动产生增量，当然作为时钟i 卷片p c f 8 5 8 3 办角犁决了2 0 0 0 年问题。因而， p c f 8 5 8 3 是一款性价比极高的时钟芯片，它已被广泛用于电表、水表、气 表、电话传真机、便携式仪器以及电池供电的仪器仪表等产品领域。 特性： 宽电压范围1 05 5 v ， 复位电压标准值v l o w = 0 9 v ； 超低功耗：典型值为0 2 5a ( v d d = 3 o v ，。l a m b = 2 5 ) ； i 叮编程时钟输出题率为：3 2 7 6 8 k i i z 、1 0 2 4 h z 、3 2 1 1 z l l i z ： 四种报警功能和定时器功能； 内含复位电路，振荡器电容和掉电检测电路； 丌漏中断输出； 4 0 0 k h z1 2 c 总线( v d d - 1 85 5 v ) ，其从地址：读o a 3 h ，写o a 2 h 。 p c f 8 5 8 3 的管脚排列及描述 1 9 太原理i 人学硕十研究生学位论文 o g a c 0 v s $ 图2 - , 1p c f 8 5 83 管脚排列图 d i a g r a mp c f 8 5 8 3p i na r r a n g e d i 、 t 叫j w：! ( 、( 1。商品避 0 、( 0 弘1 ：蜓w i 、l 、 ，峨： ? ! ， 0 矗 v 。4v i 蚓) t b 驻一l o s ， ”j i ：- 艟、 ( 【k 【) 【。【 叫喊：i ”蜒l v t 。：j _ = 图2 - 5p c f 8 5 8 3 的管脚排列及描述 p c f 8 5 8 3p i na r r a n g ea n dd e s c r i b e p c f 8 5 8 3 的基本原理 p c f 8 5 8 3 有1 6 个位寄存器：一个可自动增量的地址寄存器，一个内置 3 2 7 6 8 k h z 的振荡器( 带有一个内部集成的电容) ，一个分频器( 用于给 实时时o p r t c 提供源时钟) ，一个可编程时钟输出，一个定时器，一个报 警器，一个掉电检测器和一个4 0 0 k h z1 2 c 总线接1 5 1 。 、 所有1 6 个寄存器设计成可寻址的8 位并行寄存器，但不是所有位都有 用。前两个寄存器( 内存地址o o h ，0 1 1 - i ) 用于控制寄存器和状态寄存 睦l _ f 。：。，” l i i l 7i mi i “5i ：t i l 4l i 3t ：n ；i li i i o l i ，o i ia l 。”、i 、r |、i i 巾n 、l ( ( | | i：i | n i jo 。：i l ， l 。r i 【：l 0 1 ) 1 1( 1k i - 。，i - l 。，nl j d ih ) i i n i t m t 旷f ，二 i rl n lr ，” o 【，：。 ( ) 1 1 i i 一j i 、期 一。i 膏i _ ；j ，| ，：j 图2 6进制格式寄存器概况 t h eb i n a r ys y s t e mf o r m a tg e n e r a lr e g i s t e rs i t u a t i o n 器，内存地址0 2 h 0 8 h 用于时钟计数器( 秒年计数器) 地址0 9 h 2 0 u 哪 吣魄丢 太原理i 人学硕十研究生学位论文 o c l t 用于报警寄存器( 定义报警条件) ，地址o d h 控f | j f c l k o u t 管脚的输出 频率，地址o e h 干l j o f l l 分别用于定时器控制寄存器和定时器寄存器。秒、分 钟、小时、r 、月、年、分钟报警、小时报警、同报警寄存器，。编码格式 为b c d ，星期和星期报警寄存器不以b c d 格式编码。 当一个i t c 寄存器被读时，所有计数器的内容被锁存，因此，在传送 条件下，可以禁止对时钟、同历芯片的错读。 | _ 。 o ：，_ 】+j j i l 7l 1 i5l jt1 2l ii l i l ! ! j 2 h “l i ，f “r 一1 f n hr 扣iq j f “”：- t ，1 1 ， i 1 4 1 1 i i i l 5 1j ( i。 。 t i 5 hf ii i l3 | l “! _ m 1 1 l i 7 hn |2mi ：i 1 l n l l t ，- ( i ， 1 1 i ，i l ，m 川ie 。i “i i o nk h、。+ 射。i 2 3 i “1 ) l i - ：“、 llj li f )i ：。 川? 、 图卜1b c d 格式寄存器概况 b c df o r mr e g i s t e rg e n e r a ls i t u a t i o n 石英晶片频率调整： 、 方法：定值o s c i 电容计算所需的电容平均值，用此值的定值 电容，通电后在c l k o u t 管脚上测出的频率应为3 2 7 6 8 k h z ，测出的频率值 偏差取决于石英晶片，电容偏差和器件之削的偏差( 平均为5 1 xl o “) 平 均偏差可达5 分钟年。 方法：o s c i 微调电容可通过调整o s c i 管脚的微调电容使振荡器 频率达到精确值，这时可测出通电时管n c l k o u t 上的3 2 7 6 8 k h z 信号。 方法：o s c i 输出直接测量管脚o s c i 的输出。 硬件连接 硬件连接图2 8 ，从图中我们可以看到使用1 2 c 器件，在硬件设计中连 线简单，只需通过两根线就可以实现对硬件的连接，这样作就更能保证在 2 1 连线少的情况下提高系统n 勺呵靠性。 ( 6 ) 串口硬件介绍 图2 8 p cf8 583 硬件连接 p cf85 83h ar d w ar cj o i n e d 随着现代信息技术的发展以及计t 算机删络的广泛使用计算机通信披 术已经| 二1 臻成熟，但串行通信作为一种灵活方便n ，靠的通信方式，仍不失 为有效的通信手段，被广泛应用于工业控制中。在工业生产实践巾，