（机械电子工程专业论文）基于c8051f020+mcu的数据采集分析系统的研究.pdf

四川大学硕士学位论文 基于c 8 0 5 1 f 0 2 0 m c u 的数据采集分析系统的研究 机械电子工程专业 研究生王华指导教师袁中凡教授 随着电子技术和微型计算机技术的不断发展，数据采集系统的研究与应用 已经越来越引人注目。目前已广泛应用于国防、工业、交通、信息等各个领域， 发挥着极其重要的作用。本论文针对目前国内外在该领域的研究进展情况，为 满足科研项目预研的需要，根据实验室现有的条件开发了一套基于 c 8 0 5 1 f 0 2 0 m c u 的数据采集分析系统，并以s il a b si d e 、v i s u a lc + + 和m a t l a b 为编程工具，完成了采集系统的软件设计。该系统能将模拟信号以适当的频率 进行采样，转换成数字量，并传输到p c 机进行项目需要的分析和处理，测试结 果表明该系统能够实时完成数据的采集、传输，保存和完成项目要求的分析计 算及图形显示。 论文的主要研究成果如下： ( 1 ) 全面系统地概述了数据采集系统的发展过程和分类，对信号处理方法 做了深入的研究。 ( 2 ) 采用s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 单片机c 8 0 5 1 f 0 2 0 作为数据采集系统的中 央处理单元，提高了系统的可靠性和经济性。在介绍系统芯片的选择和工作原 理上，详细论述了系统的设计方案。 ( 3 ) 基于s i l a b si d e 开发了单片机数据采集程序，应用v i s u a lc + + 软件 编程，采用单文档多视图结构以及多线程的编程方式实现了数据的采集、转 换和传输。 ( 4 ) 提出了v c + + 和m a t l a b 混合编程技术，阐述了二者相融合的先进性， 并将该技术成功应用于数据分析和信号处理部分，满足了科研项目预研的需 要。结果表明，基于混合编程思想的系统软件有效地提高了数据采集系统信号 分析处理水平，v c 、m a t l a b 混合编程的强大软件处理能力能很好地满足未来项 四川大学硕士学位论文 目要求的强大的数据采集，分析，计算，处理功能。 关键词：数据采集c 8 0 5 1 f 0 2 0 串口通信信号处理v c + + 与m a t l a b 融合技术 四川大学硕士学位论文 r e s e a r c ho fd a t aa c q u i s i t i o na n da n a l y s i s ，s y s t e mb a s e do nc 8 0 5 0 51 f 0 2 0m c u s p e c i a l t y ：m e c h a t r o n i c se n g i n e e r i n g p o s t g r a d u a t e ：w a n gh u as u p e r v is o t ：p r o f y u a nz h o n g f a n w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft e c h n i q u eo fe l e c t r o n i c sa n dm i c r o c o m p u t e r , t h e r e s e a r c ho fd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mh a sb e e n p a i dm o r ea t t e n t i o nt o a tp r e s e n t ，d a t a a c q u i s i t i o ns y s t e mh a sb e e nw i d e l ya p p l i e di nm i l i t a r y , e l e c t r o n i c s ，c o m m u n i c a t i o n ， i n d u s t r i a lc o n t r o la n ds oo n ，p l a y i n ga v e r yi m p o r t a n tr o l ei nt h ef i e l do fi n d u s t r y t h i st h e s i si sd i r e c ta g a i n s tt h ep r e s e n tr e s e a r c hp r o g r e s sb o t ha th o m ea n da b r o a d t om e e tt h en e e do fp r e l i m i n a r yr e s e a r c ho ns c i e n t i f i c p r o j e c t ，as e to fd a t a a c q u i s i t i o ns y s t e mw h i c hi sb a s e do nc 8 0 5 1f 0 2 0m c uh a sb e e ns e tu p t h es y s t e m s o f t w a r ei sd e v e l o p e db yu s i n gs i l a b si d e ，v i s u a lc + + a n dm a t l a b t h i sd a t a a c q u i s i t i o ns y s t e mc a ns a m p l et h ea n a l o gs i g n a lw i t has u i t a b l es a m p l i n gf r e q u e n c y , c o n v e r ti tt od i g i t a lv a l u e ，a n dt h e ns e n di tt oc o m p u t e rf o rc o m p l i c a t e da n a l y s i sa n d p r o c e s st h a tp r o j e c tn e e d si nt i m e t h et e s tr e s u l ti n d i c a t e st h a tt h ed e s i g nc a l l a c h i e v et h er e a lt i m ed a t aa c q u i s i t i o n ，d a t ad i s p l a y , d a t at r a n s m i s s i o na n dd a t as a v e t h ep a p e rp r i m a r i l yf o c u s e so nt h ef o l l o w i n gc o n t e n t s ： ( 1 ) c o m p r e h e n s i v e l yd i s c u s s i n gt h ed e v e l o p m e n th i s t o r ya n ds o r t so ft h ed a t a a c q u i s i t i o ns y s t e m ，a n dc o n c e n t r a t i n go nt h em e t h o d so fs i g n a lp r o c e s s ( 2 ) s o c k ( s y s t e mo nc h i p ) s i n g l e c h i pi sa d o p t e da st h ec e n t r a lp r o c e s s i n gu n i to f d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ，w h i c hh a si m p r o v e dt h e r e l i a b i l i t yo ft h es y s t e ma n d r e d u c e dt h ec o s t t h et h e s i sa n a l y z e st h ec h a r a c t e r i s t i c ，t h ew o r k i n gp r i n c i p l ea n d t h em e a n so ft h ec h i ps e c t i o n ，a n df u r t h e rm o r e ，b r i n g sf o r w a r da c o m p l e t es e to f s c h e m e s i i i ( 扪t h ed a t aa c q u i s i t i o np r o g r a mi sd e v e l o p e dw i t hs i l a b si d e ，w h i l e t h ec l i e m a p p l l c a t l o np r o g r a mi sc o m p l e t e db yu s i n gv i s u a lc + + a n di t st e c h n i q u eo fs i n g l e d o c u m e n t m u l t iv i e w ss t r u c t u r ea n dm u l t i t h r e a dp r o g r a m m i n g ( 4 ) p u t t i n gf o r w a r dt h et e c h n o l o g yo fc o m b i n i n gv i s u a lc + + a n dm a t l a b a n a l y z i n gt h ea d v a n t a g eo ft h ec o m b i n a t i o na n ds u c c e s s f u l l ya p p l y i n gi ti n t os y s t e r n s o f t w a r e t h i st e c h n o l o g ym e e t st h en e e do fp r e l i m i n a r yr e s e a r c h o ns c i e n t i f i c p r o j e c t r e s u l t si n d i c a t et h a ti tc a r le f f i c i e n t l yi m p r o v et h es y s t e m ，s 允n c t i o no f s 1 弘a lp r o c e s s ，s oi tc a nb e t t e rs a t i s f yt h ef u n c t i o n so fd a t aa c q u i s i t i o n ，a n a l y s i s c a l c u l a t i o n ，p r o c e s s ，w h i c ha r en e e d e di nf u t u r ep r o je c t k e y w o r d s ：d a t aa c q u i s i t i o n ，c 8 0 51f 0 2 0 ，s e r i a lp o r t c c l m m u n i c a t i o n ，s i n 9 1 e p r o c e s s ，t e c h n o l o g yo fc o m b i n i n gv c + + a n dm a t l a b i v 四川大学硕士学位论文声明 声明尸明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得四川大学或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在四川大学读书期间在导师指导下取得的，论文成 果归四川大学所有，特此声明。 ，毫寥救雹j 激 学生签名： 三二j 翩签名：v f l v 盱 ，xy l ， 导师签名： 肚! ! ! 一 四川大学硕士学位论文绪论 1绪论 1 1 数据采集系统概述 随着计算机技术的发展与普及，数字设备正越来越多的取代模拟设备，在 生产过程控制和科学研究等广泛的领域中，计算机测控技术正发挥着越来越重 要的作用。然而，外部世界的大部分信息是以连续变化的物理量形式出现的， 例如温度、压力、位移、速度等、加速度等。要将这些信息送入计算机进行处 理，就必须先将这些连续的物理量离散化，并进行量化编码，从而变成数字量， 这个过程就是数据采集。它是计算机在监测、管理和控制一个系统的过程中， 取得原始数据的主要过程。 数据采集是将被测对象的各种参量( 可以是物理量，也可以是化学量、生 物量) 通过各种传感器器件做适当转换后，再经信号放大、滤波、采样、量化、 编码、传输等步骤，最后送到控制器进行数据处理或存储记录的过程。控制器 一般均由计算机承担，所以计算机是数据采集的核心，它对整个系统进行控制， 并对采集的数据进行加工处理。用于数据采集的成套设备称为数据采集系统 ( d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ，d a s ) 。 数据采集系统是计算机与外部世界联系的桥梁，是获取信息的重要途径。 数据采集技术是信息科学的重要组成部分，已广泛应用于国民经济和国防建设 的各个领域，并且随着科学技术的发展，尤其是计算机技术的发展与普及，数 据采集技术将有广阔的发展前景。 数据采集系统追求的最主要目标有两个：一是精度，二是速度。对任何量 的测试都要有一定的精度要求，否则将失去测试的意义：提高数据采集的速度 不仅仅是提高了工作效率，更主要的是扩大数据采集系统的使用范围，便于实 现动态测试。 现代数据采集系统具有如下主要特点： ( 1 ) 现代数据采集系统一般都由计算机控制，使得数据采集的质量和效 率等大为提高，也节省了硬件投资。 ( 2 ) 软件在数据采集系统的作用越来越大，这增加了系统设计的灵活性。 ( 3 ) 数据采集与数据处理相互结合的日益紧密，形成数据采集与处理系 统，可实现从数据采集、处理到控制的全部工作。 四川大学硕士学位论文绪论 ( 4 ) 数据采集过程一般都具有“实时”特性，实时的标准是能满足实际 需要；对于通用数据采集系统一般希望有尽可能高的速度，以满足更多的应用 环境。 ( 5 ) 随着微电子技术的发展，电路集成度的提高，数据采集系统的体积 越来越小，可靠性越来越高，甚至出现了单片数据采集系统。 ( 6 ) 总线在数据采集系统中有着广泛的应用，总线技术对数据采集系统结 构的发展起着重要作用瞳1 。 数据采集系统设计的主要工作是误差的合成与分配、系统结构的选择、硬 软件的合理配置。其基本原则为： ( 1 ) 确保性能指标的完全实现 系统设计的根本依据是所要达到的性能指标，它必须首先得到保证，如采 样速率、系统分辨率、系统精度等等。 要保证系统性能指标，主要应考虑系统输入信号的特性，如输入信号的通 道数、是模拟量还是数字量、信号的强弱及动态范围、信号的输入方式、是周 期信号是是瞬态信号、信号的频带宽度、信号中的噪声及其共模电压大小、信 号源的阻抗等。 ( 2 ) 系统结构的合理选择 系统结构的合理与否，对系统的可靠性、性能价格比等有直接影响。首先 是硬件、软件功能的合理分配。其次要考虑系统的布局以及接口特性。接口特 性包括采用什么样的总线、采样数据的输出形式( 串行还是并行) 、数据的编 码格式等。 ( 3 ) 对于较大的应用软件，应参考软件工程学的方法进行设计分析、结 构化设计和结构化编程。按软件工程学的方法进行设计，可以保证有较高的软 件开发效率，保证所开发的软件有较长的生存周期，才能取得较高的经济效益。 ( 4 ) 安全可靠，有足够的抗干扰能力 要保证在规定的工作环境下，系统能稳定、可靠的工作，保证系统精度能 符合要求，同时也要保证系统应用人员的人身安全心1 。 一个完整的数据采集系统由传感器( t r a n s d u c e r ) 、信号调理( s i g n a l c o n d i t i o n i n g ) 、采集硬件( d a qh a r d w a r e ) 、接口( i n t e r f a c e ) 、数据分析 处理软件( s o f t w a r e ) 等几大部分组成，如图i - i 所示。 2 四川大学硕士学位论文绪论 i 传感器卜_ 叫信号调理卜- i 传感器卜一叫信号调理卜- 采 计 分 集接 算 析 硬 口 机 软 ； i 件件 l 传感器卜_ 叫信号调理卜 图1 - 1数据采集系统的组成 1 2 数据采集系统的类型 工业上使用的数据采集系统大致可分为四种类型： ( 1 ) 基于通用微型计算机( 如p c 机) 的数据采集系统。这种系统主要功 能是将采集来的信号通过外部的采样和a d 转换后的数字信号通过接口电路送 入微机内进行处理，然后再显示处理结果或经d a 转换输出。该系统的特点如 下： 1 ) 系统较强的软、硬件支持。通用微型计算机系统所有的软、硬件资源都 可以用来支持系统进行工作。 2 ) 具有自开发能力。 3 ) 系统的软硬件的应用配置比较小，系统的成本较高，但二次开发时， 软硬件扩展能力较好。 4 ) 在工业环境中运行的可靠性差，对安放的环境要求较高；程序在r a m 中运行，易受外界环境干扰破坏。 ( 2 ) 基于单片机的数据采集系统。它是由单片机及其一些外围芯片构成 的数据采集系统，是近年来微机技术快速发展的结果。它具有如下特点： 1 ) 系统不具有自主开发能力。因此系统的软硬件开发必须借助开发工具。 2 ) 系统的软硬件设计与配置规模都是以满足数据采集系统功能要求为原 则，因此系统的软硬件应用配置比接近于1 ，具有最佳的性价比。系 统的软件一般都有应用程序。 3 ) 系统的可靠性好、使用方便。应用程序在r o m 中运行，不会因为外界的 干扰而被破坏，而且上电后系统立即进入用户状态。 3 四川大学硕士学位论文绪论 ( 3 ) 基于d s p 数字信号微处理器的数据采集系统。d s p 数字信号微处理器 从理论上而言就是一种单片机的形式，常用的数字信号处理芯片有两种类型， 一种是专用d s p 芯片，一种是通用d s p 芯片。基于d s p 数字信号微处理器的数 据采集系统的特点如下：精度高、灵活性好、可靠性好、容易集成、分时复用， 但同时其价格不菲。 ( 4 ) 基于混合型计算机采集系统。这是一种近年来随着8 位单片机在计 算机应用领域中迅速发展的一种系统结构形式。它是由通用计算机p c 机与单片 机通过标准总线( 如r s - 2 3 2 一c 标准) 相连而成。单片机及其外围电路构成的是 部分专为数据采集等功能要求而配置的，主机则承担数据采集系统的人机对话、 大容量的计算机、记录、打印、图形显示等任务。混合型计算机数据采集系统 有以下特点： 1 ) 通常具有自开发能力。 2 ) 系统配置灵活，易构成各种大中型测控系统。 3 ) 主机可远离现场而构成各种局域网络系统。 4 ) 充分利用主机资源，但不会占有主机的全部c p u 时间。 1 3 数据采集系统的历史与发展趋势 数据采集系统起始于2 0 世纪5 0 年代，1 9 5 6 年美国首先研究了用在军事上 的测试系统，目标是测试中不依靠相关的测试文件，由非熟练人员进行操作， 并且测试任务是由测试设备高速自动控制完成的。由于该种数据采集测试系统 具有高速性和一定的灵活性，可以满足众多传统方法不能完成的数据采集和测 试任务，因而得到了初步的认可。大约在6 0 年代后期，国外就有成套的数据采 集设备产品进入市场，此阶段的数据采集设备和系统多属于专用的系统。 2 0 世纪7 0 年代中后期，随着微型机的发展，诞生了采集器、仪表同计算 机融为一体的数据采集系统。由于这种数据采集系统的性能优良，超过了传统 的自动检测仪表和专用数据采集系统，因此获得了惊人的发展。从7 0 年代起， 数据采集系统发展过程中逐渐分为两类，一类是实验室数据采集系统，另一类 是工业现场数据采集系统。就使用的总线而言，实验室数据采集系统多采用并 行总线，工业现场数据采集系统多采用串行数据总线。 2 0 世纪8 0 年代随着计算机的普及应用，数据采集系统得到了极大的发展， 4 四川大学硕士学位论文绪论 开始出现了通用的数据采集与自动测试系统。该阶段的数据采集系统主要有两 大类，一类以仪器仪表和采集器、通用接口总线和计算机等构成。例如，国际 标准i c e 6 2 5 ( g p i b ) 接口总线系统就是一个典型的代表。这类系统主要用于实 验室，在工业生产现场也有一定的应用。第二类以数据采集卡、标准总线和计 算机构成。例如，s t d 总线系统是这一类的典型代表。这种接口系统采用积木 式结构，把相应的接口卡装在专用的机箱内，然后由一台计算机控制。第二类 系统在工业现场应用较多。这两种系统中，如果采集测试任务改变，只需要将 新的仪用电接入系统，或将新卡再添加到专用的机箱即可完成硬件平台重建， 显然，这种系统比专用系统灵活得多。2 0 世纪8 0 年代后期，数据采集系统发 生了极大的变化，工业计算机、单片机和大规模集成电路的组合，用软件管理， 使系统的成本降低，体积减小，功能成倍增加，数据处理能力大大加强。 2 0 世纪9 0 年代至今，在国际上技术先进的国家，数据采集技术已经在军 事、航空电子设备及宇航技术、工业领域被广泛应用。由于集成电路制造技术 的不断提高，出现了高性能、高可靠的单片数据采集系统。目前有的d a s 产品 精度已达1 6 位，采集速度每秒种达到几十万次以上。数据采集技术已成为一门 专门的技术，在工业领域得到了广泛的应用。该阶段数据采集系统采用更先进 的模块式结构，根据不同的应用要求，通过简单的增加和更改模块，并结合系 统编程，就可扩展或修改系统，迅速地组成一个新的系统。 该阶段并行数据采集系统向高速、模块化和即插即用方向发展，典型系统 有v x i 总线系统，p c i ，p x i 总线系统等，数据已达到3 2 位总线宽度，采样频 率可以达到l o o m s p s 。由于采用了高密度，屏蔽型，针孔式的连接器和卡式模 块，可以充分保证其稳定性及可靠性，但其昂贵的价格是阻碍它在自动化领域 普及的一个重要因素。但是，并行总线在军事等领域取得了成功的应用。 串行总线数据采集系统向分布式系统结构和智能化方向发展，可靠性不断 提高。数据采集系统物理层通信，由于采用r s 一4 8 5 、双绞线、电力载波、无线 和光纤，所以其技术得到了不断发展和完善。其在工业现场数据采集和控制等 领域得到了广泛的应用呤1 。 随着微电子技术的一系列成就以及微型计算机的广泛应用，不仅为数据采 集系统的应用开拓了广阔的前景，也对数据采集技术的发展产生了深刻的影响。 数据采集系统的发展趋势主要表现在以下几个方面： 四川大学硕士学位论文绪论 ( 1 ) 新型快速、高分辨率的数据转换部件不断涌现，大大提高了数据采 集系统的性能。 ( 2 ) 高性能单片机的问世和各种数字信号处理器的涌现，进一步推动了 数据采集系统的广泛应用。 ( 3 ) 新一代系统编程技术i s p 的推出，将对今后数据采集系统发展产生 深远的影响。 ( 4 ) 与微型机配套的数据采集部件大量问世，大大方便了数据采集系统 在各个领域应用并有利于促进数据采集系统技术的进一步发展。 ( 5 ) 分布式数据采集是数据采集系统发展的一个重要趋势。 1 4 检测数据的处理方法 日常生活、工业生产和科学研究中所遇到的绝大多数物理量，如温度、压 力、流量、湿度等非电量都是连续变化的模拟量。可以经过各种传感器把这些 非电量变换成模拟电压信号或电流信号，而从传感器信号( 检测数据) 中提取有 用的信息，一般要经过两个处理过程 4 。模拟信号处理作为数字信号的前置处 理起着重要作用，要对传感器的输出信号进行放大、运算、变换等处理。然后 要通过a d 转换将模拟信号转换为数字信号，进行频谱分析和相关分析等数字 信号处理。 1 4 1 模拟信号处理 在模拟信号处理中，运算放大器的使用率很高。如图1 - 2 示，通过与电阻 组合就可以实现放大和运算。理想运算放大器3 假设：1 ) 放大倍数为( 实际 可以达到1 0 4 一- - 1 0 6 倍) ；2 ) 输入阻抗为0 0 ( 实际可以达到几百k q 几m q ) ；3 ) 输出阻抗为0 ( 实际可以达到几十q ) 。 6 四川大学硕士学位论文绪论 v o 图1 - 2 运算放大器 在图卜2 ( a ) 所示的电路中，由于运算放大器的输入端、输出端之间的电位 差为0 ( 假设短路) ，所以通过r 。上的电流为i = v 。r 。又由于运算放大器的输 入阻抗很大，所以通过r 。上的电流与通过r 。上的电流工相等。因此输出电压 v 。与输入电压v ，的比值( 闭环电压放大倍数) 为 堡：一生( 卜1 ) kr l 可以看出该电路构成了放大倍数为一只：局的放大电路。因为该电路的放 大倍数为负值，故称为反相放大电路。 对于图1 - 2 ( b ) 所示的电路，v 。与v 。的比值为 堡：1 + 堕( 1 2 ) kr 1 其电压放大倍数为1 + 尺：尺。，故称为正相放大电路。 图1 - 2 ( c ) 所示电路的输出电压为 四川大学硕士学位论文 绪论 = 一鲁( k + + 巧) ( 1 3 ) 因为输出电压与输入电压之和成正比，所以称为加法运算电路。 图1 - 2 ( d ) 所示电路的输出电压为 = 鲁( 吲 ( 1 - 4 ) 因为输出电压与出入电压之差成正比，所以称为减法运算电路。 图l 一3 所示申路为由运算放大器、电阻和电容组成的微、积分电路。 c ( a ) 积分运算电路 v o c ( b ) 微分运算电路 图1 - 3 采用运算放大器的微积分电路 在图1 - 3 ( a ) 所示的积分电路中，输出电压为 v o 一志衍 ( 1 - 5 ) 输出电压与输入电压的积分值成正比。在图卜3 ( b ) 中所示的微分电路中， 输出电压为 v ：一r ( 卜6 ) o c d m v , 输出电压与输入电压的微分值成正比。 除了上述这种电路以外，还可以用运算放大器构成比较电路、滤波器、电 流一电压等转换电路等。 v o 四川大学硕士学位论文绪论 1 4 2 数字信号处理 测试技术中目前所采用的传感器中间变换电路等大多仍是以输出模拟信号 为主，对这些模拟系统所输出的模拟信号进行数字信号处理之前必须先进行信 号的数字化，将模拟信号经过离散化，量化等转换，变成大多为二进制编码的 数字信号，然后再作各种需要的处理，如时域处理、频域处理和其他分析处理。 对信号进行数字处理，首先要将测试所得的模拟信号数字化。数字化的含义包 括两个方便：时间的离散和幅值的离散。 l 、数字信号处理的步骤 数字信号处理h 们的基本步骤如图1 - 4 所示 模 拟 信 号 l 预处理卜_ +信号 分析显示 i 预处理卜+ 采集计算记录 图卜4 数字信号处理步骤框图 处 理 结 果 ( 1 ) 信号预处理 信号预处理是指在数字处理之前，对信号用模拟方法进行的处理，其目的 是把信号变成适于数字处理的形式，以满足数字处理的要求，系统的预处理主 要包括以下内容： 1 ) 解调。用于对由远距离传输到信号处理系统的调制信号进行解调。 2 ) 输入放大( 或衰减) 。对输入信号的幅值进行处理，使信号幅值与a d 转 换器的动态范围相适应。 3 ) 抗频混滤波。衰减信号中次要的或不感兴趣的高频成分，缩短频带以减 小频混的影响和提高信噪比。 4 ) 隔直流分量。隔离被分析信号中不应有的直流分量，可用于对信号作消 除趋势项及直流分量的干扰处理。 以上预处理内容分别由解调器，放大器( 衰减器) ，低通滤波器及隔直电路 来完成。除解调器以外，后三种仪器或电路几乎在所有的数字信号处理系统或 9 四川大学硕士学位论文绪论 信号处理机中部包含，其中输入放大器( 衰减器) 和抗频混滤波器是预处理部分 的关键。 ( 2 ) 信号采集 信号采集是将预处理后的模拟信号变为数字信号，并存入到指定的地方， 其核心是a d 转换器。a d 转换的过程包括采样、量化、编码。 ( 3 ) 分析计算 对采集到的数字信号进行分析和计算，可用数字运算器件组成的信号处理 器完成，也可用通用微机，配上一定的程序软件或采用软、硬件相结合的方法 完成。 工程测试中信号的分析计算，主要是作时域中的概率统计、相关分析、建 模和识别；频域中的频谱分析、功率谱分析、传递函数分析等等，目前分析计 算得出这些信息的速度已近乎“实时 。 ( 4 ) 显示记录 一般采用c r t 屏幕显示，打印机打印结果数据或图形，绘图机绘出相应曲 线等方式；可将分析计算的结果转存到磁盘和磁带上，供进一步分析使用。 2 、采样定理 为了能正确无误的用采样信号表示模拟信号，采样信号必须有足够高的频 率。为了保证能从采样信号中将原来的被采样信号恢复，必须满足 正2 z 觚) ( 卜7 ) 式( 1 - 7 ) 中，f s 为采样频率，f ：，为输入模拟信号的最高频率分量的频 率。式( 1 - 7 ) 就是所谓的采样定理。因此，a d 转换器工作时的采样频率必须 高于式( 1 - 7 ) 所规定的频率。采样频率提高以后留给每次进行转换的时间也相 应的缩短了，这就要求转换器件必须具备更快的工作速度。因此，不能无限制 的提高采样频率，通常取f 。= ( 3 5 ) f t ( 。 1 5 本章小结 本章对数据采集系统进行了概述，讨论了目前数据采集系统的类型及数据 采集系统的历史与发展趋势，着重阐述了检测数据的处理方法和信号处理的步 骤。 l o 四川大学硕士学位论文c 8 0 5 1 f 0 2 0 系统概述 20 8 0 51f 0 2 0 系统概述 随着一些高集成度、高性能的8 位和1 6 位r i s c 单片机的推出，基于8 0 5 1 内核的单片机正面临着退出市场的境地。因此一些半导体公司开始对传统8 0 5 1 内核进行大的改造，主要是提高速度和增加片内模拟和数字外设，以期大幅度 提高单片机的整体性能。s i l a b s 公司推出的c 8 0 5 1 单片机是近年来m c s - 5 1 单 片机的典型代表，也是目前功能最全、速度最快的8 0 5 1 衍生单片机哺3 。 c 8 0 5 1 f 单片机是完全集成的混合信号系统级芯片( s o c ) ，具有与8 0 5 1 兼 容的高速c i p - 5 1 内核，与m c s - 5 1 指令集完全兼容。除了具有标准8 0 5 1 的数字 外设部件之外，片内还集成了数据采集和控制系统中常用的模拟部件和其他数 字外设及功能部件。这些外设或功能部件包括模拟多路选择器、可编程增益放 大器、a d c 、d a c 、电压比较器、温度传感器、s m b u s 、1 2 c 、u a r t 、s p i 、定时器、 可编程计数器、定时器阵列( p c a ) 、数字i o 端口、电源监视器、看门狗定时 器( w d t ) 和时钟振荡器等。所有器件都有内置的f l a s h 程序存储器和2 5 6 字节 的内部r a m ，有些器件还有位于外部数据存储器空间的r a m ，即x r a m 。 c 8 0 5 1 f 0 2 0 单片机属于c 8 0 5 1 f 系列中的f 0 2 0 子系列嫡州，其性价比在目前 应用领域极具竞争力。c 8 0 5 1 f 0 2 0 器件是完全兼容的混合信号系统级m c u 芯片， 具有6 4 个数字i o 引脚。其主要特性如下： 高速、流水线结构的8 0 5 1 兼容的c i p 一5 1 内核( 可达2 5 m i p s ) 全速、非侵入式的在系统调试接口( 片内) 真正1 2 位( c 8 0 5 1 f 0 2 0 1 ) 或1 0 位( c 8 0 5 1 f 0 2 2 3 ) 、1 0 0k s p s 的8 通道模拟多路开关 真正8 位5 0 0k s p s 的a d c ，带p g a 和8 通道模拟多路开关 两个1 2 位d a c ，具有可编程数据更新方式 6 4 k 字节可在系统编程的f l a s h 存储器 4 3 5 2 ( 4 0 9 6 + 2 5 6 ) 字节的片内r a m 可寻址6 4 k 字节地址空间的外部数据存储器接口 硬件实现的s p i 、s m b u s 1 2 c 和两个u a r t 串行接口 5 个通用的1 6 位定时器 具有5 个捕捉比较模块的可编程计数器定时器阵列 四川大学硕士学位论文 c 8 0 5 1 f 0 2 0 系统概述 片内看门狗定时器、v d d 监视器和温度传感器 具有片内v d d 监视器、看门狗定时器和时钟振荡器的c 8 0 5 1 f 0 2 0 1 2 3 是真正能独立工作的片上系统。所有模拟和数字外设均可由用户固件 使能禁止和配置。f l a s h 存储器还具有在系统重新编程能力，可用于 非易失性数据存储，并允许现场更新8 0 5 1 固件。 片内j t a g 调试电路允许使用安装在最终应用系统上的产品m c u 进行 非侵入式( 不占用片内资源) 、全速、在系统调试。该调试系统支持 观察和修改存储器和寄存器，支持断点、观察点、单步及运行和停机 命令。在使用j t a g 调试时，所有的模拟和数字外设都可全功能运行。 每个m c u 都可在工业温度范围( - 4 5 到+ 8 5 ) 内用2 7 v - 3 6 v 的电 压工作。端口i o 、r s t 和j t a g 引脚都容许5 v 的输入信号电压。 c 8 0 5 1 f 0 2 0 2 为i 0 0 脚t q f p 封装，其引脚分布如图2 1 所示，引脚 具体定义不在此陈述，可查阅相关资料。 四川大学硕士学位论文c 8 0 5 1 f 0 2 0 系统概述 t 磁 t c e 了： 竹0 。幕：r ：r j 许： 砰0 一 a | 。 鬣；强 扣 孵 山； i d 五弘 q 缆郅一 j 程? c r 眨? ： 五：f 0 0 五：x 0 ： a ：咒： 孟：f 0 ： 上：f ；4 i ：粥 量：y 0 善 盂：婶： 磐一 簧素 盘“ i 三磊爹鍪鬟 乱 p j 群 一矿；= 妒 “- t ，赫 4 - 葶= 遗 2 1c l p - 5 1 c p u 一+ 藿篓 2 1 1 与8 0 5 1 完全兼容 一 2 。k 一 ， 节蠡 ：矿 僦 譬 ， 置抛 冀霉 ；4 。 一 ： ； 乏筮越2 一c 鏊露翟荭藏 ；= 霉是簏 妻墨霉珏荔 图2 - 10 8 0 2 1f 0 2 0 2 2 引脚分布图 a 1 3 n 5 ，黔 i l 丑 4 5f 5 。e i 1 5 口rf 墨，? 00 ：。k o 五：i0 l p ： 矗0 ：，0 ：p ：2 o s0 ：f ：，3 二。4m 。f - - ：5 随p ：5 站 麓，f ：6 垃。w 停：? 刍 f 0 o k ： k ，： r 0 ，3 0 ，建 越! p ：毒 嚣：f 0 。e 7 祀p ： 矗0 0 7 垂0 ，f 5 0 矗；i0 lf ： ：0 ：f s 。： i ：，3 c 8 0 5 1 f 0 2 0 系列器件使用s i l i c o nl a b s 的专利c i p - 5 1 微控制器内核。 c i p 一5 1 与m c s 一5 1 t m 指令集完全兼容，可以使用标准8 0 3 x 8 0 5 x 的汇编器和编 译器进行软件开发。c i p 一5 1 内核具有标准8 0 5 2 的所有外设部件，包括5 个1 6 1 3 韩喘，鼋舯pi矿0厂_1，；毪f计一啦一一乱= 彬疗心，一一噶i 伊争一逆 卷一私肛辑噶 m嚣f=钟w惫 曩!=蕊n磷 毋|-础叶一竹or一硭#e爱奄爱 h li，n“乏# ，鬻瓣 强j i l 大学矮学位论文 c 8 0 51 f 0 2 0 系统概述 位的计数器定时器、两个全双工u a r t 、2 5 6 字节内部r a m 、1 2 8 字节特殊功熊 寄存器( s f r ) 地址空间及8 4 个字节宽的i 0 端豳。 2 。1 2 速度提高 c i p 一5 1 采用流水线结构，与标准的8 0 5 1 结构相比指令执行速度有很大的 提高。在一个标准的8 0 5 1 中，除m u l 和d i v 以外所有指令都需要1 2 或2 4 个系统 时钟餍期，最大系统时钟频率为1 2 一2 4 m h z 。两对于c i p 一5 1 内核，7 0 的指令的 执行时间为1 或2 个系统时钟周期，只有4 条指令的执行时间大于4 个系统时钟周 期。 c i p 一5 1 1 k 作在最大系统时钟频率2 5 m h z 时，它的峰值性能达至i j 2 5 m i p s 。图 2 2 给浅了几种8 位微控制器内核工作在最大系统时钟时的峰值速度的比较关 系。 图2 - 2m o u 峰值速度比较 c 8 0 5 1 f 0 2 0 系列m c u 对c i p - 5 1 内核和外设有几项关键 生的改进，提高了 整体性能，更易于在最终应用系统中使用。 扩展的中断系统向c i p - 5 1 提供2 2 个中断源，允许大量的模拟和数字外设 中断微控制器。一个中断驱动的系统需要较少的m c u 干预，因而有更高的执行 效率。在设计个多任务实时系统时，这些增加的中断源是非常有用的。 四川大学硕士学位论文 c 8 0 51 f 0 2 0 系统概述 m c u 可有多达7 个复位源：一个片内v d d 监视器。一个看门狗定时器、一 个时钟丢失检测器、一个由比较器0 提供的电压检测器、一个软件强制复位、 c n v s t r 引脚及r s t 引脚。r s t 引脚是双向的，可接受外部复位或将内部产生 的上电复位信号输出n r s t 引脚。除了v d d 监视器和复位输入引脚以外，每个 复位源都可以由用户用软件禁止；使用m o n e n 引脚使能禁止v d d 监视器。在 一次上电复位之后的m c u 初始化期间，w d t 可以被永久性使能。 m c u 内部有一个独立运行的时钟发生器，在复位后被默认为系统时钟。如 果需要，时钟源可以在运行时切换到外部振荡器，外部振荡器可以使用晶体、 陶瓷谐振器、电容、r c 或外部时钟源产生系统时钟。时钟切换功能在低功耗系 统中是非常有用的，它允许m c u 从一个低频率( 节电) 外部晶体源运行，当需 要时再周期性地切换到高速的内部振荡器。 2 2 片内存储器 c i p - 5 1 有标准的8 0 5 1 程序和数据地址配置。它包括2 5 6 字节的数据r a m ， 其中高1 2 8 字节为双映射。用间接寻址访问通用r a m 的高1 2 8 字节，用直接寻 址访问1 2 8 字节的s f r 地址空间。数据r a m 的低1 2 8 字节可用直接或间接寻 址方式访问。前3 2 个字节为4 个通用寄存器区，接下来的1 6 字节既可以按字 节寻址也可以按位寻址。 c 8 0 5 1 f 0 2 0 中的c i p - 5 1 还另有位于外部数据存储器地址空间的4 k 字节的 r a m 块和一个可用于访问外部数据存储器的外部存储器接口( e m i f ) 。这个片内 的4 k 字节r a m 块可以在整个6 4 k 外部数据存储器地址空间中被寻址( 以4 k 为 边界重叠) 。外部数据存储器地址空间可以只映射到片内存储器、只映射到片外 存储器、或两者的组合( 4 k 以下的地址指向片内，4 k 以上的地址指向e m i f ) 。 e m i f 可以被配置为地址数据线复用方式或非复用方式。 m c u 的程序存储器包含6 4 k 字节的f l a s h 。该存储器以5 1 2 字节为一个扇 区，可以在系统编程，且不需特别的外部编程电压。从o x f e 0 0 到o x f f f f 的 5 1 2 字节被保留，由工厂使用。还有一个位于地址o x l 0 0 0 0 一o x l 0 0 7 f 的1 2 8 字 节的扇区，该扇区可作为一个小的软件常数表使用。m c u 系统的存储器结构如 图2 - 3 所示。 四川大学硕士学位论文c 8 0 5 1 f 0 2 0 系统概述 0 。1 0 0 7 f c y ：0 0 0 0 0 x f f f f 0 2 2 e 3 0 c ，f d f f 珂序i t 铝器 ：f l a s h l 。j i 1 。 、j 。一“ f 甓l 剞 f l a s h r “j ：? 。川、“ i 5 1 2 ， j 1。“：、 靛泰秆铭器 ；。j ：i u l ， 1 2 8 r a ml l * + 0 聋1 一- ： ( j i 一一j k ，l i ：九：二? f i t ji ，? j - 蹙。z h 空潮， ： 譬器。j 蛋矍， 薯i j 垃嘲绺静辫、 图2 - 30 8 0 5 1 f 0 2 0 存储器结构 2 3j t a g 调试和边界扫描 c 8 0 5 1 f 0 2 0 系列具有片内j t a g 边界扫描和调试电路，通过4 脚j t a g 接口 并使用安装在最终应用系统中的产品器件就可以进行非侵入式、全速的在系统 调试。该j t a g 接口完全符合i e e e l l 4 9 1 规范，为生产和测试提供完全的边界 扫描功能。 s i1i c o nl a b s 的调试系统支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、观 察点、堆栈指示器和单步执行。不需要额外的目标r a m 、程序存储器、定时器 或通信通道。在调试时所有的模拟和数字外设都正常工作。当m c u 单步执行或 遇到断点而停止运行时，所有的外设( a d c 和s m b u s 除外) 都停止运行，以保 持与指令执行同步。 2 4 可编程i 0 和数字交叉开关 该系列单片机具有标准8 0 5 1 的