（机械电子工程专业论文）多路压力计算机数据智能采集系统的研制.pdf

论文题目： 专业： 硕士生： 指导教v i i i 多路压力计算机数据智能采集系统的研制 机械电子工程 刘义刚 郝迎吉 摘要 ( 签名)当璺! 型 ( 签名) 壶鲸 介绍一种基于嵌入式单片机的多路压力数据采集系统。该系统以电子技术、测控技 术和计算机技术为核心，利用传感器技术、单片机技术以及计算机控制软件完成了整个 系统的设计。 硬件系统设计包括电源模块、信号处理模块、数据采集模块、通讯模块等，实现了 单片机多机、多路应变式压力信号的采集变送、数据处理和向计算机传输；数据采集单 元采用高精度的模数转换芯片f s 5 1 l ，其内部集成信号调理模块，减少了外围电路设计， 数据采集精度可达万分之一；设计了一种多通道切换电路，使原来只能输入单通道模拟 信号的a d 芯片可以在规定时间内完成多路模数转化；选用c a n 通讯将多路压力数据 实时传输至计算机终端，保证了传输距离和通讯可靠性，简化了系统布线。 计算机软件以l a b w i n d o w s c v l 6 0 应用系统为开发平台，借助于计算机的强大功 能，提供了人机对话的操作界面，包含采集数据实时动态显示、数据曲线绘制、多种模 式的海量数据自动存储、历史数据信息回放、e x c e l 和a c c e s s 数据库支持等功能， 实现了智能化的数据采集、数据存储、数据分析处理等。 该系统研制成功后在我校重点实验室使用超过半年时间。经过对使用过程出现的问 题及时进行了完善，各项性能指标满足了科研项目的要求，为开采方案的优化设计提供 了实验依据，达到了交付应用的条件。 同时该系统具有很好的移植性，可以推广到其他方面，如土木建筑、公路施工等压 力测量。 关键词：单片机；数据采集；l a b w i n d o w s 研究类型：应用研究 s u b j e c t ：r e s e a r c ho fm u l t i c h a n n e lp r e s s u r ed a t a a c q u i s i t i o ns y s t e m s p e c i a l t y ：m e c h a n i c a le l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g n a m e ：l i uy i g a n g i n s t r u c t o r ：h a oy i n g j i a b s t r a c t ( s i g n a t ur e ) ( s i g n a t u r e ) t h em u l t i 。c h a n n e l sd a t aa c q u i r e m e n ts y s t e mb a s i n go nc o m p m e r i si n t r o d u c e di nt h i s p a p e lr a k i n gt h ee l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , o b s e r v a t i o nt e c h n o l o g ya n d c o m p u t e rt e c h n o l o g ya sa c 0 r e ，t h i ss y s t e mu s e st h et e c h n o l o g yo f e l e c t r o n , s e n s o r , s i n g l e c h i pc o m p u t e ra n dc o m p u t e r s o f t w a r et oc o m p l e t et h es y s t e md e s i g n v o l t a g em o d e l ，s i g n a lh a n d l em o d e l ，d a t aa c q u i r e m e n tm o d e l ，c o r i u t i 嘶c a t i o nm o d e la r e i n c l u d e di ns y s t e m ，w h i c ha c h i e v em u l t i c h i p ，m u l t i s t r a i n s t r e s ss i g n a la c q u i s i t i o i l _ ，l a t a p r o c e s s m ga n dt r a n s m i s s i o nt ot h e c o m p u t e r u s i n gh i g h p r e c i s i o n a n a l o g t o d i g i t a l c o n v e r s i o nc h i pf s 511 ，w h i c hi n c l u d e ss i g n a lc o n d i t i o n i n gm o d u l e s ，t h ed a t aa c q u i s i t i o nc a n b es t a b i l i z e da to n et e nt h o u s a n d t hi nas h o r tt i m e a l s o ，i ts i m p l i f i e se x t e r n a lc i r c u i t d e s i 鲫 w i t ham u l t i _ c h a n n e ls w i t c hc i r c u i t ，n o wi tc a nf i n i s hm u l t i 。c h a n n e l ss i g n a lc o r e r s i o na ta s p e c i f i e dt i m e ，w h i c hc o u l dd os i n g l yo r i g i n a l l y b yc a n b u s ，i tc a n 仃 m s i t s 妣at 0c o m p m e r f o rl o n gd i s t a n c es i m p l ya n dr e l i a b l y a l s o ，b a s i n go nt h el a b w i n d o w s c v l 6 0s o f t w a r e ，t h ec o m p m e rc o u l dh e l pu sd ol o t so f j o b sa sd y n a m i cd i s p l a yo fr e a l - t i m ed a t a c o l l e c t i o n ，d a t ac u r v ed e 删n g ，a u t o m a t i c m u l t i 。m o d em a s sd a t as t o r a g e ，h i s t o r i c a ld a t ai n f o r m a t i o np l a y b a c k ，e x c e la n da c c e s s d a t a b a s es u p p o r ta n do t h e rf u n c t i o n s ，w h i c hc o m p l i e sd a t aa c q u i s i t i o n ，d a t a s t o r a g e ，d a t a a n a l y s i sa u t o m a t i c a l l y n o w , t h i ss y s t e mh a sb e e ni d e n t i f i e db yt h er e l a t i v ed e p a r t m e n to fm e a s e m e n t 觚dh a s b e e nu s e df o rh a l fay e a r b ym a n yi m p r o v et h eo p t i m i z a t i o n ，i th a sm e t e d t h ep e r f o n n a i l c e r e q u i r e m e n t so ft h er e s e a r c hp r o j e c t s i tp r o v i d e sa ne x p e r i m e n t a lf o u n d a t i o nf o rt h em i n i n g p r o g r a md e s i g n a tt h es a m et i m et h es y s t e mh a se x c e l l e n tt r a n s p l a n t e d ，w h i c hc a nb ee x t e n d e dt 0 o t h e r p r e s s u r em e a s u r e m e n td o m a i n ，s u c ha sc i v i lc o n s t r u c t i o n ，h i g h w a yc o n s t r u c t i o n e t c k e yw o r d s ：s i n g l ec h i pm i c r o c o n t r o l l e r d a t aa c q u i s i t i o nl a b w i n d o w s t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 要料技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究t 作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体己经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：巍。爵1 日期：哆奔占j 遗，、刁 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期问 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：舅图f m指导教师签名：舌天们 吖年月f 日 1 绪论 1 绪论 1 1 选题的背景及研究的意义 目前，我国水利电力、资源开采、石化机械等行业，对于生产现场压力参数的采集， 一般采用现场安装压力表，需要安装在要测量的压力现场附近，由操作人员定时巡查各 点的压力参数，这样的测量方式，不但操作人员劳动强度大，人员安全系数也不高，而 且无法做到随时观察到设备或者工作现场各点压力参数的变化，也不利于测量数据的记 录、分析。 本课题针对上述问题，将采用c a n 控制总线，实现远距离数据测量；大大降低了 劳动强度，提高作业人员安全系数。所测量数据传送到计算机进行数据分析，数据自动 记录储存到计算机，整个测量过程不需要人的参与，将大大提高了工作效率。 经过反复探索实践，在测量精度、稳定性等方面有很大的改进。 该课题来源于西安科技大学西部矿山压力研究所。 1 2 本课题研究领域国内外的研究动态及发展趋势 1 2 1 国外压力数据采集系统研究动态 传感器数据采集技术是现代测量和自动化系统的重要技术之一，从宇宙勘探到海洋 开发；从生产的过程控制到现代文明生活，几乎每一项科学技术都离不开传感器数据采 集监控。因此，许多国家对传感器技术的发展十分重视。 目前国外主要在两个方面进行研究突破，一是大力发展传感器技术，制造高精密、 高集成传感器，来提高传感器精度和可靠性，如日本把传感器技术列入六大核心技术( 计 算机、通信、激光、半导体、超导体和传感器) 之一。二是研究数据采集技术，朝着小 型化，智能化，提高设备数据的处理、监控能力。 1 2 2 我国压力数据采集系统的研究动态 我国的压力数据采集系统的发展大概经历了三个阶段： 第一阶段：机械仪表。 将测量组装在一个表壳里，结构简单，价格低廉，功能仅限于测量数据，精度低。 第二阶段：电子仪表。 引入微型处理器技术，附加信号处理电路测量，精度大大提高。 第三阶段：引入p c 机控制 西安科技大学硕士学位论文 随着p c 机和计算机软件的发展，将p c 机引入测量技术，实现远程测量监控，数 据处理速度、工作效率大大提高。 1 2 3 发展趋势 目前压力传感器发展主要归为以下几个个方面： 小型化。小型化会带来很多好处，重量轻、体积小、分辨率高，便于安装测量。 集成化。可以利用现有的生产工艺和成熟的集成技术，把电路与传感器制作在一 起，减少工艺流程以降低生产成本，而且不易损环。 智能化。由于集成化的出现，在集成电路部分制作一些微处理机，使其具有“记 忆”、“思维9 4 ) 、g r o g 处理”等能力目前智能化产品发展很快，它将成为未来传感器市场的主流。 1 3 本课题总体方案 整个控制系统主要由计算机控制系统( 上位机) 、单片机测控系统( 下位机) 、压力 传感器组等部分组成。 通过1 0 8 个压力传感器感应压力大小，把感应的微弱信号经过通道转换开关送至数 据采集板，数据采集板上的微型处理芯片将数据处理后送至p c 机，p c 机提供w i n d o w 式操作界面，显示压力数据并进行数据处理记录工作。为了提高系统的人机交互性，系 统操作界面的灵活性，采用n i 公司生产的虚拟仪器软件l a bw i n d o w s c v i 编写上位机 控制程序。其功能强大、界面设计方便、技术成熟，是检测系统的首选软件之一。 图1 1 - - 1 2 是下位机设计和下位机设计方案。 图1 1 下位机设计方案 2 开培果； i 审鬯 t 日 。删圆删删应瞳盥盥叠画曩盈翻童圈：国啊瘟柚i 母日一删j 墨一口甄一删口甄口墨一口墨一口翻一删i 雹正_ j 墨一圆曩皿脚曩霹曩曩e 一皿圈口一i 墨一册i 墨一 卫墨一日q 一删口墨一口墨一卫甄一口盥口日一口日一腰口一口毯一皿 j 墨口甄一皿皿日一置喇口甄一口墨一l 墨一删口墨一卫墨一正口一 j 墨一口皿一口皿一圆置叠皿删丑重口皿一皿口墨口一 l 墨一皿曩口墨一圆皿皿口霹一四曩皿皿口雹卫皿 j 瞳一圆曩卫墨一删衄霜一厦l 一皿j 墨一皿口墨口墨 j 皿日一量j 臣一皿口皿一卫墨一口皿一口1 日一口皿一口墨一 当型釜鳖i 互崮型型 4 本课题达到的目标 幽i2 上位机主界面设计方案 控制系统要求达到的主要技术指标： ( 1 ) 测量范围0 2 0 0 k g ，测量值稳定在千分之一。 ( 2 ) 多点测量：1 0 8 个传感器同时采集，数据更新频率至少i h z 。 ( 3 ) 要求可以进行标定，一次标定后，再次使用小用标定。 ( 4 ) 数据永久存储：利用p c 机，存储分析数据。 5 小结 本章节主要介绍介绍以下几个方面的内容： ( 1 ) 简单介绍了研制一套多路计算机压力采集系统的研究背景、目的和意义。 ( 2 ) 介绍了陔课题国内外研究动态和发展方向 ( 3 ) 详细介绍了本系统的总体方案和达到的目标，完成了整个系统的基本规划 耋耋篓苎：翟：竺兰三 2 1 硬件总体方案 2 系统的硬件设计 数据采集就是将被测对象( 外部世界、现场) 的各种参量( 可以是物理量，也可以 是化学量、，主物量等) 通过各种传感元件做适当的转换后，再经信号调理、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。本系统的信号采 集由多个信号采集器组成，它主要负责对压力数据进行采集并把采集到的数据进行显 示和发送。 通过1 0 8 个压力传感器感应压力大小，把感应的微弱信号经过通道转换开关送至数 据采集板，数据采集板上将数据处理转换后送至p c 机，p c 机提供w i n d o w 式操作界面， 显示压力数据并进行数据处理记录工作。 1 1 共设计9 个p c b 数据采集板，每个板采集1 2 路数据，合计1 0 8 路。 2 1 在每个p c b 数据采集板上，使用l 片8 0 5 1 f 3 3 0 高速单片机控制a d 转换芯片 的数据传输、采样速率等相关参数( 2 片a d 转换芯片，每块采集6 路) ，控制方式选取 s p i 总线通讯。 3 1 因为每个a d c 芯片仅能转换一路模拟量，设计方案要求转换6 路模拟量，为 了达到这一要求，系统在每个p c b 数据采集上集成了c m o s 芯片4 0 5 1 即8 选1 开关 ( s w i t c h l s w 沁h 9 ) ，完成6 路模拟量之间的通道切换。 4 19 个p c b 数据采集板卡，经过c a n 控制总线、2 3 2 电平转换器后传送到p c 机。 5 1 每个p c b 数据采集板上的8 0 5 1 f 单片机同时也承担与p c 机的通讯，并完成数 据交换的任务。 图2 l 是硬件设计方案。 墨叠= 譬粤一 f 面皿疵面i l i u i 和咖血咖 盆盏_ i 釜麓口笛二l “盆二l 釜毒昌盆盎篮_ 越盘；二_ 图2 l 硬件设计方案 盂一 盏 22 传感器选择 传感器是指能感受规定的物理量，并按定规律转换成可用输入信号的器件或装 置。简单地说，传感器是把非电量转换成电量的装置。传感器要选择灵敏度商，分辨率 高，线性度好，并且备传感器的布置尽量接近被测部位，减少干扰。 本系统选用高精度、重复性好的压力传感器c l y b 1 1 4 ： 量程2 0 0 k g ： 满量程信号灵敏度：2 m v v ； 输入阻抗：3 5 0 欧姆： 输出阻抗：3 8 0 欧姆： 工作电压：3 1 8 v 。 幽2 2 传感器 2 3a d 转换芯片选择 a d 转换器是一种将模拟罩转换为数字量的器件，在现代检测系统中占有非常重要 的地位，它的性能直接决定了数据采集系统的精度等级。选择a d 转换器件主要从转换 速度、a d 转换器的位数和价格上考虑。一般来说速度越快，a d 转换器的位数越多， 其性能也就越好，但足相应的价格也就越高。a d 转换器从启动转换到转换结束，然后 输出稳定的数字量，需要一定的转换叫间，这就影响了它的转换速率。 本系统选择我固台湾富品半导体公司的f s 5 1 1 芯片作为a d 转换器什。其具有采样 稳定性好，转换精度高等优点。 f s 5 1 1 是富品半导体股份有限公司推出的一款高精度低功耗模数转换芯片。限芯片 内核是一个1 8 位精度的a d c ，除a d c 以外，f s 5 1 1 内部还集成了低噪声运算放大器， 数字滤波器，对输入信号进行多次滤波处理。在5 v 工作电压下，该芯片耗电为l2 m a 。 西安科技大学硕士学位论文 因此该芯片可在最小功耗条件下进行高精度的a d 转换。该芯片可广泛用于电子秤标度， 传感器或换能装置测量应用。 f s 5 1 1 的主要特点： 1 )a d c ，1 8 位转换精度，1 0 h z 输出速率( 可编程) ； 2 )线性误差：- 4 - 0 0 0 5 ； 3 )工作电压范围：4 5 v - - - 6 v ； 4 ) 4 m h z 晶振； 5 )工作电流小于1 2 m a ，睡眠模式电流约为1 u a ； 6 )与微处理器接口采用s p i 总线； 7 ) 低噪声o p a m p ； 引脚功能： f s 5 1 l 采用2 0 脚d i p 或s o p 封装，其引脚排列如图l 所示，各引脚基本功能如下 ( 括号中为引脚号) ： 图2 3f s 5 1 1 的引脚排列 v d d ( 1 2 ) ：模拟电源正极。需与一个5 v 直流电源( 或者电池) 相连并连接一0 1 l a f 电容旁路到数字地同时用一个1 0 9 f 的电容并联到模拟地； v s s a ( 11 ) ：模拟地； v c c ( 1 4 ) ：数字电源正端。该脚也应用一o 1 p f 电容旁路到数字地同时用一个1 0 p f 的电容并联到数字地； 6 2 系统的硬件设计 i i i 7i v s s ( 13 ) ：数字地； x t a l o ，x t a l i ( 1 5 ，1 6 ) ：连接4 m 晶振，同时在晶振两端并接一1 m 电阻。通过芯片 内部的时钟电路可得到8 3 3 3 k h z 的时钟信号，作为内部a x a d c 的转换频率。 c s ，s k ，d i ，d o i r q o ( 2 0 ，1 9 ，1 8 ，1 7 ) ：这四个管脚模拟s p i 总线与微处理器进行数据传 输。c s 为片选，低电平有效；s k 为s p i 时钟输入，可由外部输入时钟信号或者通过微 处理器模拟一时钟信号；d i 为s p i 数据输入：d o n r q o 为s p i 数据输出或中断请求输 出： o p e o p n ，o p o ( 5 , 4 ，3 ) ：这三个管脚分别对应f s 5 11 内部集成的运算放大器放的正端 输入，负端输入及运放输出。外部模拟信号通过o p e o p n 两管脚输入芯片，可在外部 搭建电路实现信号放大； v r l ，v r h ( 6 ，8 ) ：内部a d c 模块的正负参考电压，可由芯片内部提供，也可由外 电路提供； f t b ，f t c ( 1 ，2 ) ：芯片内部集成低通滤波器正负端输出，其间并联一2 7 n f 电容； s g n d ( 7 ) ：信号地； a g n d ( 9 ) ：模拟地； v s ( 1 0 ) ：内部电压源。 图2 4 为f s 5 1 1 的内部结构框图。 o p no p pf t bf t c v r hv r lv d dv sv s s a o p o s g n d x t a l ix t a l o d o i i r q o d is kc s a g n d v c c v s s 图2 4f s 5 1 1 的内部结构框图 由图2 4 可看出，该芯片由6 部分组成：o p a m p 及低通滤波器、a , a d c 、电源系 统、数字滤波器、时钟发生器、数据传送控制器。外部微电信号从o p p ，o p n 输入， 经o p a m p 放大和低通滤波器滤波，然后进入a za d c 进行模数转换，再通过数字滤波 7 西安科技大学硕士学位论文 器进一步处理，最后通过数据传送控制模块将转换结果输出。 在f s 5 1 1 芯片内部有很多寄存器，对其进行不同的配置，可实现不同的电路连接。 其具体配置参见寄存器配置表。 表2 1 寄存器配置 寄存器名称功能配置 0 0o l1 0l l s i n h 低通滤波器输入选择 o p oo p hs g n dt e m p h 0 0 o 】o1 1 s r 卜儿 a d c 负端输入选择 阮v r hs g n d 01 s f t a 0 】 a d c 正端输入选择 f t bf t n q ol s v r h a d c 参考电压正端输入选择 v r h o1 s u a d c 参考电压负端输入选择 v r l a g n d 图2 5f s 5 1 1 的功能框图 2 4f s 5 1 1 转换电路设计 图2 6 所示是利用f s 5 1l 进行模数转换电路图。该电路主要实现以下功能：力传感 器采集力信号并转化为电压信号，然后通过f s 5 1 1 进行模数转换，并把结果通过芯片的 d o 管脚传入c 8 0 51f 3 3 0 单片机，最后单片机对其处理后通过串口送入计算机显示。 8 2 系统的硬件设计 宣昌i 暑暑暑暑宣i 暑暑暑宣i i i i i 暑宣i 宣i 暑i i i i i 昌i i 暑i 宣宣宣暑宣i 一一t 暑暑暑i 暑i i i i i i i i i 置置宣暑e 暑宣昌宣i i i i 宣i 宣宣置i 暑宣暑i 皇暑暑宣 c 8 0 5 l f 3 3 0 d c 8 0 5 l f 3 3 0 d l c 2 一 一p03i2 0 1 2 2 1 )i p 0 2 2 p 0 ； p 0 4 1 9r x d 1 怒影；o 。l ； p o jp 0 5 l e p 0 6 p o ip 0 6 1 7c g l c 3t “d o t 叩5 p 0 0p 0 7 1 6c l k 2 2 p 3 6 8 1 m c ； 0 n dp 1 0 l jd i v d dp 1 1 l d 0 c 2 d t 8 ，r s t p l j 1 3p 1 3 p 1 79 p 2 0p 1 3 1 3p 1 4 p 1 7p 1 4 p 1 61 0l lp 1 5 p 1 6，1 5 图2 6 转换电路图 图2 6 中，f s 5 1 1 供电电压为5 v ，v s 也为5 v ，并且给力传感器供电。力传感器 满量程信号灵敏度为2 m v v ，即信号变化范围为0 1 0 m v ，s e n a 、s e n b 为它的输出 信号。通过分压电路r 1 1 、r 1 2 、r 8 得到f s 5 1 l 的参考高电压v r h = 3 v 和参考低电压 v r l = 2 v 。利用f s 5 1 1 内部低噪音运算放大电路，外接r 1 5 、r 1 6 、r 1 7 、r 1 8 对传感器 信号s e n a 、s e n b 进行差分运算后并放大1 0 0 倍。o p o = 2 0 0 k 2 k * ( s e n b s e n a ) + 2 v = 10 0 * ( s e n b s e n a ) + 2 v 。原理图如下。 1 e l l = j 一“ i 罂：i “1 。i ! ” r 。 1 瓜1 。 tf “ s ：mt 五他戚璺呈倌皂2 k i 【= lni r 。 ( ) p o ： m 叮r 估成皇呈f 参善1 一：4 - b p p j o 呈 o p o - - 2 0 0 2 奉( 上 一一 2 k r 1 6 2 0 0 k 一 n m - , 2 v 图2 7 运算放大器原理图 9 西安科技大学硕士学位论文 2 5f s 511 与单片机的数据交换 f s s l l 对外有四根口线，采用同步外设接i z i ( s p i ) 方式交换数据。 同步外设接d ( s p i ) 是由摩托罗拉公司开发的全双工同步串行总线，该总线大量用 在与e e p r o m 、a d c 、显示驱动器之类的慢速外设器件通信。 s p i ( s e r i a lp e r i p h e r a li n t e r f a c e ) 是一种串行同步通讯协议，由个主设备和一个 或多个从设备组成，主设备启动一个与从设备的同步通讯，从而完成数据的交换。s p i 接 口由s d i ( 串行数据输入) ，s d o ( 串行数据输出) ，s c k ( 串行移位时钟) ，c s ( 从使 能信号) 四种信号构成，c s 决定了唯一的与主设备通信的从设备，如没有c s 信号， 则只能存在一个从设备，主设备通过产生移位时钟来发起通讯。通讯时，数据由s d o 输 出，s d i 输入，数据在时钟的上升或下降沿由s d o 输出，在紧接着的下降或上升沿由 s d i 读入，这样经过8 1 6 次时钟的改变，完成8 1 6 位数据的传输。 s p i 通信该总线通信基于主从配置。它有以下4 个信号：m o s i ：主出从入、m i s o ： 主入从出、s c k ：串行时钟、s s ：从属选择。芯片上“从属选择”( s l a v e s e l e c t ) 的引脚数决定 了可连到总线上的器件数量。在s p i 传输中，数据是同步进行发送和接收的。数据传输 的时钟基于来自主处理器的时钟脉冲，摩托罗拉没有定义任何通用s p i 的时钟规范。然 而，最常用的时钟设置基于时钟极性( c p o l ) 和时钟相位( c p h a ) 两个参数，c p o l 定义 s p i 串行时钟的活动状态，而c p h a 定义相对于s o 数据位的时钟相位。c p o l 和c p h a 的设置决定了数据取样的时钟沿。s p i 传输串行数据时首先传输最高位。波特率可以高 达5 m b p s ，具体速度大小取决于s p i 硬件。 s p i 总线包括l 根串行同步时钟信号线以及2 根数据线。s p i 模块为了和外设进行 数据交换，根据外设工作要求，其输出串行同步时钟极性和相位可以进行配置，时钟极 性( c p o l ) 对传输协议没有重大的影响。如果c p o l = 0 ，串行同步时钟的空闲状态为 低电平；如果c p o l = i ，串行同步时钟的空闲状态为高电平。时钟相位( c p h a ) 能够 配置用于选择两种不同的传输协议之一进行数据传输。如果c p h a = 0 ，在串行同步时钟 的第一个跳变沿( 上升或下降) 数据被采样；如果c p h a = l ，在串行同步时钟的第二个 跳变沿( 上升或下降) 数据被采样。s p i 主模块和与之通信的外设音时钟相位和极性应 该一致。 图2 8 为本系统中a d c 芯片与单片机s p i 数据交换时序： 1 0 2 系统的硬件设计 _ w r i t i n gm ode，一 35、l。 。，三) ( 三 疋互砭三挺互砭三砭焚) 正三) 二二 铽1 一几一几几八一厂l 几几厂l 几_ l r 汇二二二二二二二二二二二二二互二二二二二二二二二二二 ( 啊。 ! 竺：兰，厂 d i 二三二至x 三涎 玉互 啊- 竺竺竺 厂 埘三) ( ) ( ) 二) 厂一、二二二二二二二三三二二二e s k 厂 厂 广 厂 厂 厂 厂 三厂 厂 厂l ，汇二二二j 互二二二二多 二三亘 2 6 通道切换模块 图2 8 时序图 ” t 卜 卜 u 9 f 4 0 5 l 。6 js e l 4 1 一a 1 33s e ：f l l s e n 2 a 1 4 x ox 。一- s e n 3 一a 1 5 x l s e n 4 - a 1 2 x 2 一 s e n 5 al x 3 s e n 6 一a5 x 4 2 x 5 x 6 4 x 7 g n d6 p o l 41 1 i n h p 0 1 51 0 b p 0 1 6， c + 皇 g l q d7 l 5 v e zv c c 一 i u l b 一一一；一 。 s e n 7 - a 1 33s e- l ： s e n 8 a 1 4 x ox 呵6 。 s 芭n q a 1 5 x l s e n l o 卫2 x 2 s e n ll 。a l x 3 s e n l 2 a 5 x 4 一 ，- 2 x 5 一 x 6 4 x 7 】 g 帅6 p o l 41 1 i n i - i - j p o l 51 0 a - 一 b 一 i p 0 1 69 c + 】3 g i g d 。口 l 占- 1 v e e v c c l i 4 ：4 1 ：卜卜 图2 9 通道转换模块原理图 如图2 9 ，传感器信号1 2 路正端信号通过u 9 u 1 0 的s e n l a - - s e n l 2 a 输入，经 过4 0 5 1 通道选择后，从u 9 u 1 0 ( 4 0 5 1 ) 的第3 脚输出。同理，传感器信号1 2 路负端信号 西安科技大学硕士学位论文 通过u 6 u 7 的s e n l b - - 一s e n l 2 b 输入，经过4 0 5 1 通道选择后，从u 6 u 7 ( 4 0 5 1 ) 的第3 脚输出。 因为4 0 5 1 在+ 7 5 v 供电时候，内阻为5 欧姆；在+ 5 v 供电的时候，内阻为1 0 欧码 ( 参见图2 1 0 ，4 0 5 1 电气特性) ，为使传感器信号经过4 0 5 1 后，衰减达到最小，设计中 采用1 2 v 供电。 6 f f 、c2 r1 2 5 c 1 _ 8 y m i 3 0 l p r a r n e t o r 。一 m h l m k t y p h 枷ni h il 一 i o 咖g ，0 e t k n c u 仃日n tm o o5 v 55 ，5 0以 v l ) d 1 0 v1 0 o3 0 0 止 v d i ：) 5 v 2 02 0 6 0 0“ 割口m l f -o u t v 擅l r o u t p u hi 、，凸 r o n o nh p h l 9 l e n l bf p e a k r l 0k n v d o 一2 5 v f o rm i ! e - v 蹲+ v d 曲 ( b n yc h 舶、n dv e e 2 5 v b 2 7 0 0 6 0 1 3 0 0n 5 d lav i ) i ) 5 v v e ed m v d d5 v v e 5 v 3 1 0 2 04 5 n 铺卉c u 4 0 5 1i n t - o r v d dl o v g b r e t v e lo m v d d75 v v b e 75 v 2 2 4 0 3 2 0n o r m d o 5 v v r r0 v 直r o n 邕勰翟篙篙 r l 1 0k i l l v d d2 5 v 、 n yc h a t n l n dv k e 2 5 v ，on c h d n n e i h吲t o d lo r v o o6 v v b b o v m d d “ v e e “ 5 v 1 0n o r v o o1 0 v v l eo v v d 【j 75 v v c e 7 5 v 5n o rv d d ，1 5 v v f ct ，o v 一， 图2 1 04 0 5 1 电气特性 所以4 0 5 1 通道选择a 、b 、c 高电平必须大于7 v ，所以仅用单片机i o 口，电压 值是无法达到的：在设计中，采用比较器的方法，来提高电压。用单片机i o 驱动比较 器( 1 2 v 供电) 的输入正端，在负端加一个2 5 v ( s v 分压得到) 的比较基准。这样，比 较器的高电平输出就可以达到要求了。电路图如下图2 1 1 。 + 1 2 | | 三 ： 红 b 1 1 a 吨旧 4j ? ? ，2 1v- _ f r_ 妊 ；r 。 _ ，一 t l ； j 。 ， 一一一l 一 f 一 = l _叮11 b 。 7p ( ) ：i t 4 l 卫啊【，24 _ ， u 1阻c 8p - o15 l m 3 2 1 4 叮1 丑d j 1 *p o1 6 一 匹 t _ 工一 il 叶3 千 p 1 ：】珏9 v h 乒o 】 6 4 一 j l | 一一l 一一 一 p 1 5 置t ：r 7l 一 1 詈 h - 4 - 、 1 0 k 、，r o f _ 一o ， r 一； - _ 、_ - - i -k 、 i _ 。 1 3 f | p 1 占 1 盯r 【i 二：r l 图2 1 1 比较电路 1 2 2 7 电源模块 电子电路中，通常是输入入2 2 0 v 交流电，然后通过变压、整流、滤波、稳压四部 得到需要的直流电，如1 2v 5 v 等等。 1 生【2 1 2 电源原理 整流电路采用桥式整流，电路如图所示，它是由电源变压器、四只整流二极管d 1 4 和负载电阻胄l 组成。四只整流二极管接成电桥形式故称 辑畦。差兰苎二! ? ”电蕾肯。桥式整流。桥式整流电路的工作原理如图所示。 r e ? 剑孓一 在u 2 的正半周，d i 、d 3 导通，d 2 、d 4 截止，电流由 倒睦，广矾三戮鬻赢芝脚删一级嗍硅她 i l ： u _ 在u 2 的负半周d i 、d 3 截j ，d 2 、d 4 导通，电流由 沧l t r 次级的下端经d 2 _ + r l d 4 回到t r 次级e 端，在负载 r l 上得到另一半波整流电压。 这样就在负载r l 上得到一个与全波整流相同的电压波 形，其电流的计算与全波整流相同，即u l = 09 u 2 ，i l = 09 u 2 r l 。 出“。”。4 。一 流过每个二极管的平均电流为i d ：i l 2 ：0 4 5u 2 r l ；每个二极管所承受的最高反向电压为v 删= 压( 为全渡整瀛昀一半)。 本系统电源部分的原理图如下圈21 3 。 呈圭! 鳖! | 罂圭l 竺兰耋 图2 1 3 电源模块原理图 酗2 1 4 电源模块实体幽 2 8 上、下位机之间的通信 一般来说单片机控制系统的显示主要是l e d ( 数码管显示) 和l c d ( 液晶显示器) ， 在本系统中，由于数据复杂，整个检测系统需要很强的操作性，所以此检测系统采用上 位计算机进行数据的显示。在进行系统通信方案设计时本检攫4 系统考虑过两种方案： 第一种利用u s b 接口设计数据通信模块。采用单芯片桥接器c p 2 1 0 1 将u s b 电平 转u a r t 电平( t t l 电平) ，同时在上位计算机中安装c p 2 1 0 1 的驱动程序，就可以产 生一个虚拟串口c o m 3 。上位计算机只需要对这个这个虚拟串口进行操作，就可以完成 对u s b 口的控制。使用非常简单。 第二种利用最常用的串口通信。采用最为常用的m a x 2 3 2 芯片将r s 2 3 2 电平转换 2 系统的硬件设计 成u a r t 电平，完成计算机与单片机的通信，性能可靠，使用简单方便。 练台考虑现场工作环境、通信距离的远近、通信的可靠性、性价比等原因，本检 测系统决定采用第二种设计方案一即利用串口r s 2 3 2 通信。其中在r s 2 3 2 逻辑电平中， 一l5 v 至一3 v 为逻辑高“l ”，+ 3 v 至+ l5 v 为逻辑低0 。这种电平主要是提高计算机系统 在串口通信方面的抗干扰能力，传送距离为1 5 米左右。但是下位单片机的异步通信总 线u a r t 是丌l 逻辑电平，所以在上、下位机通信时，必须进行电平转换。本检测系 统采用m a x 2 3 2 芯片r s - 2 3 2 电平转换成订l 逻辑电平，完成计算机串口与单片机之问 的数据交换。 m a x 2 3 2 芯片是m a x i m 公司生产的、包含两路接收器和驱动器的r s 2 3 2 电平转 换芯片，适片j 于各种r s - 2 3 2 通信接r 】。m a x 2 3 2 芯片内部有一个电源电压变换器，可 以直接把输入的+ 5 v 电源电压变换成为r s - 2 3 2 c 输出电平所需的1 0 v 电雎。所以，采 用此芯片接口的串行通信系统只需单一的+ 5 v 电源就可以了。对于没有1 2 v 电源的场 台，其适应性更强。加之其价格适中，硬件接几简单，所以被广泛聚片j 。具体的连接电 路如图2 1 5 所示。 * t h $ 口2 3 2 翻2 1 5 串口通信电路僚理崮 上位计算机通过串1 1 ，经过m a x 2 3 2 芯片，完成与单片机的数据交换 ，删 闺2 1 6 通讯模块实物凹 嚣器搿m似“协。伽|曼 一l 1 乍上 西安科技大学硕士学位论文 2 9 利用c a n 总线实现各采集板卡与计算机之间多机通信 每块采集板和计算机之间采集c a n 总线连接在一起，现场总线是安装在现场生产 装置与控制室内自动控制装置之间的数字式、串行、多点通讯、双向传输的数据总线。 它的最大优点是可以大幅度节约连接导线、降低安装和维护的费用；具有精度高、能传 送多个过程变量。在十几种已出台的现场总线中，c a n 总线是一种很有应用前景的现 场总线之一。 c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 总线即控制器局域网，最初是由德国b o s c h 公司为 解决汽车的控制设备和测试仪器之间的数据通信而开发的一种现场总线。由于其优越的 性能、极高的可靠性及低廉的价格，c a n 总线广泛应用于工业现场控制、智能大厦、 交通工具、医疗仪器和环境监控等众多领域。c a n 总线具有以下主要特征： ( 1 ) 通信方式非常灵活，既可以为点对点的方式，也可以为广播方式；可以是单主 方式，也可以是多主方式。特别是c a n 以多主方式工作时，网上任意一个节点可在任 意时刻向网上其它节点发送信息。利用这个特点能够容易地构成多机冗余系统，以提高 系统的可靠性。 ( 2 ) 协议不采用传统的站地址编码方式，而代之以对通信数据块进行编码，用一个 1 1 位或2 9 位二进制数组成的标志符来区分不同的数据块。这种编码方式使得系统设置 非常灵活，无需站地址等节点信息。 ( 3 ) 采用非破坏性总线仲裁技术。通过c a n 总线传送的信息帧可以设定成不同的优 先级，并依据总线仲裁机制使高优先级的信息能够优先发送，从而增强了c a n