（地质工程专业论文）自动录入数据转存器的硬件设计及灌浆资料管理软件的开发.pdf

摘要随着经济的迅速发展，智能测控应用系统在各行各业中逐渐得到了应用和推广。在灌浆工程中采用智能测控应用系统不仅能减少大量简单重复的体力劳动，更是提高灌浆工程质量的一项有效措施。国外的灌浆工程监控系统多利用现场总线技术直接和计算机相连，这样既可达到数据采集目的，又可自动做出工程报表。但这种方法耗资较大，且不适合施工场地很分散的情况。国内因灌浆工程的需要，许多灌浆数据记录仪如雨后春笋般出现了。但灌浆资料整理的自动化尚未完成。所以自动录入数据转存器和灌浆资料管理软件的开发是满足亟待解决的市场需求而研究的。目前国内还尚未开发过同类系统来为灌浆工程服务。通过参考大量的单片机系统设计和单片机通信原理方面的文献和书籍，我已初步设计了自动录入数据转存器。数据转存器中芯片的选择遵循经济和满足系统功能的原则。整个系统的硬件设计以8 0 c 5 1 为c p u 并采用总线扩展的技术来满足应用要求。软件利用d e l p h i 5 o 语言做开发工具。软件的功能是根据水工建筑物水泥灌浆施工技术规范和客户的要求设计而成。灌浆软件数据库采用单层c l i e n t s e v e r 的结构体系。系统管理员和普通操作员对数据库有不同的访问权利。数据转存器设计经济、合理抗干扰性强。软件界面友好，性能稳定。本系统完全达到了市场期望的要求。关键词：单片机，软件设计，灌浆工程，总线扩展a b s t r a c tw “ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m yn p i d l y m o 件a n dm o 阳m i c m c o t r 0 u e rs y s t e m sh a v eb na p p l i e da n ds p r e a d e da ti n d u s t r i a lc o t i o i 恤叠nb e f b r e d u r i n g 恤ep l c e s s i n go fg r o u t i n ga n dw a t e r i fp e o p l ec a n 量d o p tt h em i c r o c o n t r o u e rs y s t e m ，m u c hs i m p l e 叠n dd u p i i c a t em a n u a lw o r i kw md 代叠s e ，咖m o n ，w h i c hi sa ni m p o n 叠tg u a n t o ft h eq u a i i t yo ft h eg m u t i n ga n dw a t e rp i 叫e c t d u r i n gm a n yf b r e i g ng r o u 6 n gp r o j e c t s p r o c e s s ，c a nt e c h n o l o g yh a v e b e e nu s e d ，h o w e v e l w h i c hn e e dm u c hi o s s t h ed a t am e m o r i 髓rt h a td e s i g n e db ym eh a st h ep r o p e n i e s0 fr e c e i v i n gd a t af r o mt h eo t h e rm i c m c o t m l i e rs y s t e ma n ds e n d i n gd a t at 0p ca u t o m a t i c a i i y a n dt h i sm “h o di sv e r ye c o n o m i c a i i no r d e rt oi m p m v i gt h ed e g r e ea u t o m _ n 翻t i o na t 恤ep r o j t0 fg m u t i n g 叠n dw a t e lam a n a g e m e n ts o f t w a 他h 叠sb e 蛐p m g n m m e dw h i c hi sd e s c r i b e di nm yp a p e r si nd e t a i l s b o t ho ft h e mm e e t 伍er e q u i 阳so ft h es u b s t n l c t u np r o j e c tm 叠r k e t b yt h ew a y a tp n s e n tn oa t h e rp p l ee x p i o 他ds u c hs i m i l a rs y s t e ms e n ，i gf o r t h ep r o j e c to fg m u t i n ga dw a t e lt h ed e s i g no ft h ea u t o m a t i ct r a n s m i t t i n gm e m o r i 雎rh a sb e e c o m p i e t e dr e f e r r i n gt om a ys c m ( s i g i ec h i pm i c y o c o )a n dc o m m u n i c a t i o np r i n c i p i eb 0 0 k s ia p p l yb u se x t e n tt e c h n i q u ei nt h ew h o i eh a r d w a r ed e s i g t h ep r i n c i p l eo fs e l e c t i n gc h i pi se c o m o n i c a la n dm e e t i gt h es y s t e m sf u n c t i o nt h ed e s i g no ft h ea u t o m 叠6 ct r a s m i t t i n gm e m o r i z e r sc p ui s8 0 c 5 1 t h es o f t w a 咒i sc o m p i - e dw i t hd e l p h iw h i c hc h a r ti s_ c c o r dt og m u 廿n 2a dw a t e rc i 喧t e r o n si e q u i ，屯墨t h e曩t i - j a m m i n g 蛆p a b i h 衄o ft h ea u t o m a 6 ct r a n s m i t t i n gm e m o r i 髓ri ss t r o n g t b es o f t w a ni n t e r f i c ei sb e a u t i f u la n dt h c t a b l e t h ei t e md 豁i g ns _ n s 6 e dt h e e e do ft h em a r k e t k e yw o r d s ：s i n g i e s h i pc o m p u t e r s o f h y a i ed e s i g n g i u t i n gp r o j e c t b u se x t e n s i o n中南大学硕上论文自动录入数据转存器的硬件设计及灌浆资料管理软件的开发1 前言1 1 测控应用系统在灌浆工程的应用概况随着科学技术的进步，微电子技术和计算机技术在基础工程的渗透，各种测控应用系统在灌浆工程中使用的越来越普及7 1 。使用的较为普遍的是各种灌浆参数记录仪。开发此类单片机应用系统有较大的难度，它既需要一定的控制技术、计算机技术、传感器技术，又需要一定的灌浆理论、灌浆施工知识由于基础工程建设的需要和社会经济效益双重作用，此类产品如雨后春笋般的出现在灌浆工程中。下面具体从国外、国内来探讨一下它的发展状况。国外研究现状及水平：国外对灌浆测控应用系统的开发和研制较为成功。到目前为止，欧美和日本等国家的许多灌浆设备制造厂商都能生产灌浆自动设备。如瑞典、法国、意大利都开发出了自己的产品。较为典型的如瑞典的陈特拉斯c f p l o l 2 单机单孔灌浆自动记录仪，能监测流量、压力二参数，无数据存储器、数据处理配套软件，引进价格为2 0 万元套。国外在8 0 年代初已将多孔灌浆记录仪用于工程，意大利r o d i o 公司开发的p a g u 系统可以同时自动测量、显示和记录1 0 台灌浆泵的灌浆压力、流量和总灌浆量；在显示屏上可显示出孔号、在灌孔段、在用配比和最大允许压力等：各种数据可贮存在计算机中，并可绘制成表格和图形。瑞士的h a n y 公司和法国的j e 纽l u 乜公司也都生产了多孔记录仪。美国也开发了一套多机多孔型测控系统，能实现流量、压力、水灰比三参数大循环，还研制了机外数据存储、灌浆工程资料整理分析软件，实现了现场灌浆到工程图表全部由微机管理，但这样的大型系统由于价格昂贵，维护困难并不完全适应我国的施工现场q 2 】【3 “。国内的研究现状及水平：我国对此系统也有一定的研制水平。在我国，最早进行灌浆自动化研究的是中国水利水电基础工程局科研所和天津大学电力及自动化工程系，1 9 8 5 年开始研制灌浆自动记录仪，1 9 8 7 年1 2 月我国第一台灌浆自动记录通过技术成果鉴定，1 9 9 1 年3 月，我国第一台灌浆控制装置j 3 l 型智能灌浆仪形成定型产品能按照设定的程序自动完成从压水实验到灌浆、水灰比变换、压力调整、恒压持续时间和结束灌浆等一系列工序，它标志着我国灌浆施工的自动化控制技术达到了世界先进水平舭习。长江三峡二期围堰防渗墙的灌浆工程中使用的g j y 型灌浆自记仪( 经部级鉴定确认达到国际先进水平) 。g j v 型灌浆自记仪由主机、电磁流量计、压力计、电压比重计、专用交流稳压电源等组成。能把灌浆过程中的流量值、压力值、密度值转换为电信号送入主机进行采集处理，并由打印机按设计的格式打印灌浆时间、压力、流量、密度及累计灌入量等，并能将灌浆过程中的压力和流量随时间变化的曲线描绘在记录纸上”1 。记录仪面板上设有屏幕显示器、操作键盘和打印机可视仓。g j y m 型灌浆自记仪的使用情况见表l 。如天律基础局的t 3 l c 型和g t y i i i 型，中南大学硕士论文自动录入数据转存器的硬件设计及灌浆资科管理软件的开发能实现二参数小循环，较好的完成现场数据采集。中国水利水电基础工程局和天津大学合作研制的多路灌浆检测系统，用商用计算机直接管理4 1 6 台灌浆仪，可自动采集灌浆压力流量等灌浆参数：由技术人员在现场控制室内实时监测和控制整个工地上纳入系统的灌浆机组的施工情况，并可通过显示屏调阅任一机组灌浆过程的历史和当前情况( 包括过程曲线和数据) ：可通过打印机随时打印出上述资料【4 射。本实验室研制出了单机单孔型g y v 型测控记录仪，由一个压力传感器、两个流量计、一个探测器组成，能实现压力、流量、水灰比三参数实时监控大循环，系统主机用三个大字幕液晶显示窗动态显示流量、压力、水灰比的值，通过按键可随时查询瞬间的进、返浆量、浆液密度、累计灌浆量和累计耗灰量，并可随时修正灌浆参数【i6 j m 】。此系统开发了水灰比适时自动调节功能，只要购置了水灰比传感器和执行机构、即可实现此功能，但数据存储器与p c 机灌浆资料管理系统尚未实现。表lg m 型灌浆自记仪在三峡工程中的使用概况使用单位施工区域灌浆类型台致时间葛洲坝集团一期右岸围堰固结21 9 9 5 6 基础处理二期下游围堰帷幕61 9 9 7 工程公司矛坪溪防护大g ql1 9 9 7 9坝中国水利八局临时船闸l 一2帷幕11 9 9 7 1青云公司厂房坝段固结1 01 9 9 8 1水利四局1 2 本课题的提出及意义在灌浆工程中，流量、压力、水灰比的值是影响工程质量的关键因数。在水工建筑物水泥灌浆施工技术规范( 以下简称规范) 中对各种灌浆方法中的流量、压力、水灰比的值都有规定。在规范中的第5 8 2 条规定：根据灌浆资料分析，当灌区两侧坝块混凝土的温度达到设定规定。两个捧气管均捧出浆且有压力。捧浆密度均达1 5 9 ，c m 3 以上，其中有一个捧气管压力已达设计压力的5 0 以上而其它方面也基本符合要求时灌区灌浆质量方可认为合格。i ，1 为了保证灌浆工程最经济、最科学、最有效地进行，各种完成数据采集的仪器得到了普及。但灌浆内业的完成令人头疼。因灌浆内业占整个灌浆工程工作量的1 3左右。现在，通行做法是数据取回后，采用人工输入数据到计算机保存，这既易出错，又劳民伤财。有时现场采集的灌浆自动记录仪打印的原始数据资料因受潮、磨损而无法辨认。在这种情况下，监理方因得不到原始数据就不能对现场进行科学地管理。若采用数据存储中南大学硕士论文自动录入数据转存器的硬件设计及灌浆资料管理软件的开发卡及配套管理软件，就可在p c 机上完整保存数据，查询数据，自动成图、成表。而目前国内在灌浆领域中，尚无人进行这方面的科研与研制，故开发此课题有很大的现实意义。为了实现灌浆工程中从现场数据采集、到基地内业成图、成表的全部工作量自动完成，就必须开发一套由传感器+ 主机+ 数据存储器+ p c 机灌浆资料管理软件构成的灌浆测控应用系统。这种全自动灌浆三参数记录仪的构成示意图见图1 1 。其中数据转存器与灌浆资料管理软件由本人设计。图1 1 全套自动灌浆记录仪的组成图1 3 本课题的特点此课题包括数据转存器和灌浆资料管理软件t 涉及到单片机硬件、d e i p h i 软件编程电路、p r o t e l 9 9 画图等，涉及面广。且两者缺一不可，须配套开发。因数据转存器是自动灌浆记录仪和p c 机的中介。灌浆仪主机在现场采集的数据通过数据转存器的串口传送到微机的功用，然后利用灌浆管理软件进行管理管理资料，查询灌浆数据，输出工程图表。中南大学坝士论文自动录入数据转存； | 的硬件设计披灌浆资料管理软件的开发1 4 本课题的开发环境1 4 1 硬件环境主要的硬件开发工具见表2 ：表2 硬件开发中所需仪器名称数量计算机5 l 系列单片机开发机一、信号发生器一z 示波器1 4 2 软件开发平台的特点此灌浆工程资料管理软件使用的是d e l p h i 语言d e l p l i i 是新一代可视化开发工具，它具有功能强大，应用简便和代码执行速度快等特点，是全球公认的快速应用开发工具技术的先驱者，它越来越在构架企业信息系统方面发挥着重要作用。它在开发数据库应用中显示了强大的威力。它既具有s u a lb 船i c 的通俗易懂性，又具有c 语言的底层操作功能。但令人惋惜的是，d e l p i l i 没有自带的串口通信控件，故若要进行串口通信，须另自己开发串口通信控件包【1 】【1 3 1 【2 5 1 。中南大学硕士论文自动录入数据转存器的硬件设计及灌浆资料管理软件的开发2 单片机的发展及应用2 1 数字电路设计的发展随着微电子技术的不断发展，在单个芯片上集成的电子元件数目越来越多，小规模集成电路( s s i ) 之后，出现了中规模集成电路( m s i ) 、大规模集成电路( l s i ) 和超大规模集成电路( v l s i ) 而采用中规模集成电路( m s i ) 、大规模集成电路( l s d 和超大规模集成电路( v l s i ) 设计的电路具有体积小，功耗低、可靠性强及易于设计、调试和维护等优点。而根据中、大规模集成电路的设计方式，可将其分为非用户定制电路( n o n - c u s 岫d e s i 阱i c )和用户定制电路( c l l s t o m d e s i g n i c ) 例。用户定制电路又称为专用集成电路a s i c ( 印p l i c a l i o ns p e c m ci n t e 孕a c e dc 沁u i t ) 采用a s i c 进行数字系统逻辑设计具有设计简单、使用灵活、功能可靠以及保密性好等优点，近年来a s i c 无论在价格、集成度或产量等方面均取得飞速发展，可以说，它代表集成电路的未来和潮流。随着近代超大规模集成电路的出现，微处理器及其外围芯片有了迅速的发展集成技术的最新进展之一是将c p u 和外围芯片如程序存储器、数据存储器、并行、串行i o 、定时计数器、中断控制器和其它控制部件集成在一个芯片上称之为单片机( s m g l e 枷pm i c r o c o f n p u t 盯) 12 】【1 5 l 口5 1 。2 2 单片机的演变历程单片机也叫微控制器( m i c r oc o i l 仃o l l e r ) 。它是专门为工业控制和智能仪表仪器而设计的一种集成度很高的微型计算机。单片机的历史并不长从1 9 7 1 年出现的4 位机到现在的3 2 位机只不过经历了2 9 年多一点时间。但单片机的发展速度很快，从美国仙童公司( f a i d c h i i d ) 生产的第一块单片机( f 4 ) 开始，短短的几十年时间，单片机纷纷涌现出来。如g i 公司，r d c k w e i l 公司、i t e l 公司、z i l o g 公司、m o t o r o l a 公司、n e c 公司等世界上极大计算机公司纷纷推出自己的单片机系列。目前已经出现了4 位、8 位、1 6 位、3 2 位单片机 5 5 5 6 】。第一代：( 1 9 7 1 年到1 9 7 2 ) 美国仙童公司首先研制的f 4 ，它是4 位的微处理机。这种单片机的特点是，价格便宜，控制功能强。片内含有多种i 0 接口，根据不同用途，还配有许多专用接口这种单片机多用于录音机、电视机、洗衣机、摄象机等家电产品中。第二代：( 1 9 7 3 年到1 9 7 5 年) 代表产品是玳t e l 公司的8 0 8 0 、m c s 5 1 和m a t o m l a 的6 8 0 0 它们是八位中、高档机在高档八位机中。其性能比四位机有明显的提高主要表现在高档八位机中增加了串行口，有的还采用s i u 串型接口来取代u a r t s i u 是一种新型的串行接口单元。此外，在高档8 位机中，含有多个1 6 位定时，计数器，多级中断，有较大量的片内r a m 和r o m 有的还有d 转换器，采样保持电路。这类单片机功能强，是目前应用的最广的一种。第三代：( 1 9 7 8 年到1 9 8 1 年) 代表产品是h l t e l 公司的8 0 8 6 和m c s 1 9 6 、m o t o r o l a 公司的m 6 8 0 0 和。它们是1 6 位微处理机，又称第一代超大规模集成电路的微处理机。中南大学硕士论文自动录入数据转存器的硬件设计及灌浆资抖管理软件的开笈第四代：( 1 9 8 1 年以后) 代表产品是美国聃t e l 公司的i a p x 4 3 2 b e l l 研究所m a c 3 2 n s公司的n s l 6 0 3 2 ，它们是3 2 位微处理器，又称超处理器。它们有较高的运算速度。如i m e l公司生产的3 0 和t i 仪器公司生产的2 9 2 0 可以看作第一代信号处理机。2 9 2 0 片内含有一个多路开关( 4 路) 、一个输入采样，保持器、一个a d 转换器，以及程序存储器、数据存储器、算术逻辑运算功能、d a 转换器等【7 】【1 2 】【1 6 】。2 3 单片机的应用( 1 ) 智能产品。如电传打字机，单片机控制的缝纫机，能实现了多功能自动操作，自动调速，控制缝纫花样选择等。( 2 ) 智能仪表。用单片机改造原有的测量、控制仪表，能促进仪表向数字化、智能化、综合化发展，也给传统的仪表、仪器的改造带来曙光。( 3 ) 测控系统。用单片机可以构成各种工业测控系统、适应控制系统、数据采集系统等。2 4 单片机技术的发展特点“”m 1纵观2 0 年来单片机发展历程可以看出单片机技术的发展以微处理器( m p u ) 技术及超大规模集成电路技术的发展为先导。以广泛的应用领域拉动表现出较微处理器更具个性的发展趋势单片机长寿命这里所说的长寿命，一方面指用单片机开发的产品可以稳定可靠地工作十年、二十年，另一方面是指与微处理器相比的长寿命。随着半导体技术的飞速发展，m p u更新换代的速度越来越快，以3 8 6 、4 8 6 、5 8 6 为代表的m p u ，很短的时间内就被淘汰出局，而传统的单片机如6 8 h c 0 5 、8 0 5 1 等年龄已有1 5 岁，产量仍是上升的。这一方面是由于其对相应应用领域的适应性，另一方面是由于以该类c p u 为核心，集成以更多i o 功能模块的新单片机系列层出不穷。可以预见，一些成功上市的相对年轻的c p u 核心，也会随着i o功能模块的不断丰富，有着相当长的生存周期。新的c p u 类型的加盟，使单片机队伍不断壮大，给用户带来了更多的选择余地。8 位、1 6 位、3 2 位单片机共同发展这是当前单片机技术发展的另一动向。长期以来，单片机技术的发展是以8 位机为主的。随着移动通讯、网络技术、多媒体技术等高科技产品进入家庭，3 2 位单片机应用得到了长足发展。以m o t o r o l a 为c p u 的3 2 位单片机9 7 年的销售量达8 千万枚过去认为由于8 位单片机功能越来越强，3 2 位机越来越便宜，使1 6 位单片机生存空间有限，而1 6 位单片机的发展无论从品种和产量方面，近年来都有较大幅度的增长。单片机速度越来越快m p u 发展中表现出来的速度越来越快是以时钟频率越来越高为标志的。而单片机则有所不同，为提高单片机抗干扰能力，降低噪声，降低时钟频率而不牺牲运算速度是单片机技术发展之追求。一些8 0 5 l 单片机兼容厂商改善了单片机的内部时序，在不提高时钟频率的条件下，使运算速度提高了很多m o t o r 0 1 a 单片机则使用了琐中南大学硕士论文自动录入数据转存器的碰件设计及灌浆资料管理软件的开发相环技术或内部倍频技术使内部总线速度大大高于时钟产生器的频率。6 8 h c 0 8 单片机使用4 9 m 外部振荡器而内部时钟达3 2 m 而m 6 8 k 系列3 2 位单片机使用3 2 k 的外部振荡器频率内部时钟可达1 6 删z 以上。低电压与低功耗自8 0 年代中期以来，n l i l o s 工艺单片机逐渐被c m s 工艺代替，功耗得以大幅度下降，随着超大规模集成电路技术由3um 工艺发展到1 5 、1 2 、o 8 、0 5 、0 3 5 近而实现0 2um 工艺，全静态设计使时钟频率从到数十兆任选，都使功耗不断下降。允许使用的电源电压范围也越来越宽。一般单片机都能在3 v 到6 v 范围内工作，对电池供电的单片机不再需要对电源采取稳压措旖。低电压供电的单片机电源下限已由2 7 v 降至2 2 v 、1 8 v 。0 9 v 供电的单片机已经问世”。低噪声与高可靠性技术为提高单片机系统的抗电磁干扰能力，使产品能适应恶劣的工作环境，满足电磁兼容性方面更高标准的要求，各单片机商家在单片机内部电路中采取了一些新的技术措施。如美国国家半导体n s 的c o p 8 单片机内部增加了抗e m i 电路，增强了“看门狗”的性能。m o t o r o l a 也推出了低噪声的l n 系列单片机。”1 。0 t p 与掩膜0 r r p 是一次性写入的单片机。过去认为个单片机产品的成熟是以投产掩膜型单片机为标志的。由于掩膜需要一定的生产周期，而o t p 型单片机价格不断下降，使得近年来直接使用o t p 完成最终产品制造更为流行。它较之掩膜具有生产周期短、风险小的特点。近年来，o t p 型单片机需量大幅度上扬，为适应这种需求许多单片机都采用了在片编程技术( i ns y s t e mp r o g r a 哪i n g ) 。未编程的o t p 芯片可采用裸片b o n d i n g 技术或表面贴技术，先焊在印刷板上，然后通过单片机上引出的编程线、串行数据、时钟线等对单片机编程。解决了批量写o t p 芯片时容易出现的芯片与写入器接触不好的问题。使0 t p的裸片得以广泛使用，降低了产品的成本。编程线与i 0 线共用，不增加单片机的额外引脚。而一些生产厂商推出的单片机不再有掩膜型，全部为有r s p 功能的o t p ”。中南大学硕士论文自动录入数据转存器的硬件设计及灌浆资料管理软件的开发3 单片机系统一一数据转存器的设计3 1 数据转存器的功能此数据转存器由一套小型单片机系统构成。此数据转存器能实现三大功能：( 1 ) 当数据转存器与灌浆仪主机相连时，设置好通信状态，就能自动从灌浆仪主机接收数据；( 2 )当数据转存器与计算机相连时，就能自动向计算机发送数据。( 3 ) 此数据转存器具有掉电保护功能，在不通电状态下，数据转存器中的数据能保存二十年左右。3 2 数据转存器设计指导思想往往一片单片机无法满足对象需求时，须通过系统扩展，在外部总线上扩展相应外围功能单元，这就构成单片机系统。此单片机系统设计包含两部分内容：一是系统扩展，即单片机内部的功能单元不能满足应用系统要求时，须扩展外部r o m 、r a m 、口时，应选择适当的芯片，设计相应的电路。二是系统配置。即按照系统功能要求配置外围设备，设计合适的接口电路。系统的扩展和配置遵循下列原则：( 1 ) 尽可能选择典型电路，并符合单片机的常规用法。( 2 ) 整个系统中相关的器件要尽可能做到性能匹配。如选用频率较高的晶振时，存储器应选择存取速度较高的芯片。( 3 ) 可靠性和抗干扰设计。它包括芯片、器件选择，去耦滤波，印刷电路板布线，通道隔离等【2 5 5 1 。3 3 数据存储器的硬件电路设计3 3 1 硬件电路设计的技术路线此套灌浆测控系统的主机采用8 位输，v 输出系统，故此数据存储器采用8 位c p u 就能满足系统要求。因8 0 c 5 1 具有良好的兼容性，故此卡采用8 0 c 5 1 作为c p u 。当一片单片机无法满足外界任务需求时，故需进行单片机扩展。此存储器系统采用总线扩展方式，通过地址总线( a b ) 、数据总线( d b ) 、控制总线( c b ) 把c p u 、数据存储器承a m ) 、程序存储器( r o m ) 、输入，输出系统连接起来。然后利用灌浆仪主机串口、数据转存器串口和计算机串口三者的通信功能将数据进行传输，数据的传输遵循r s 2 3 2 c 异步通信协议。且此存储器能以插件的形式独立存在【i9 】刚吲数据转存器、p c 机，自动灌浆记录仪主机相互通信连接如下图3 1 ：中南大学硕士论文自动录入数据转存器的硬件i 殳计及灌浆资料管理软件的开发图3 1 自动灌浆记录仪主机、数据转存器、p c 机相互通信连接图注：1 、主机+ 5 v 电源2 、主机d 线3 、主机地线1 0 、p c 机串口第3 脚4 、数据转存器+ 5 v 电源5 、数据转存器j u 线6 、数据转存器地线1 1 、p c 机串口第2 脚7 、数据转存器r ) 线8 、数据转存器t ) 线9 、数据转存器地线1 2 、p c 机串口第5 脚3 3 2 数据转存器中芯片的选择刚蚓数据转存器中最重要的芯片当属于c p u ，因c p u 是一个单片机的灵魂，c p u 对整个单片机的性能和功能设计影响都很大。c p u 芯片的品种繁多生产商也很多。有i n t e l 公司的4 位机、8 位机、1 6 位机、3 2 位机。有m o t o r o l a 单片机m o t o r 0 1 a 是世界上又一大的单片机厂商。品种全、选择余地大、新产品多是其特点，在8 位机方面有6 8 h c 0 5 和升级产品6 8 h c 0 8 ，6 8 h c 0 5 有三十多个系列，二百多个品种产量已超过2 0 亿片。8 位增强型单片机6 8 h c l l 也有三十多个品种，年产量在1 亿片以上。升级产品有6 8 h c l 2 。1 6 位机6 8 h c l 6也有十多个品种。3 2 位单片机的6 8 3 x x 系列也有几十个品种。有m i c r o c h i p 单片机，m i c r o s h i p 单片机是市场份额增长最快的单片机。它的主要产品是1 6 c 系列8 位单片机，c p u 采用r i s c 结构，仅3 3 条指令，运行速度快，且以低价位著称，一般单片机价格都在一美元以下。m i c r o s h i p 单片机没有掩膜产品全部是0 t p 器件，m i c r o s h i p 强调节约成本的最优化设计，适于用量大、档次低、价格敏感的产品。有东芝单片机，东芝单片机的特点是从4 位机到6 4 位机门类齐全4 位机在家电领域仍有较大的市场。8 位机主要有8 7 0系列、9 0 系列等，该类单片机允许使用慢模式，采用3 2 k 时钟时功耗降至l oi la 数量级。c p u 内部多组寄存器的使用使得中断响应与处理更加快捷东芝的3 2 位单片机采用m i p s3 0 0 0 ar i s c 的c p u 结构，面向v c d 、数字相机、图象处理等市场。有富士通单片机，富士通也有8 位、1 6 位和3 2 位单片机，但8 位机使用的是1 6 位机的c p u 内核。也就是说8 位机与1 6 机所用的指令相同，使得开发比较容易。8 位单片机有著名的m b 8 9 0 0 系列，1 6 位机有m b 9 0 系列。富士通公司注重于服务大公司、大客户，帮助大客户开发产品。有e p s o n中南大学硕士论文自动录入数据转存器的硬件设计及灌浆资料管理软件的开发单片机，e p s o n 公司以擅长制造液晶显示器著称故e p s o n 单片机主要为该公司生产的l c d配套。其单片机的特点是l c d 驱动部分做得特别好。在低电压、低功耗方面也很有特点。目前0 9 v 供电的单片机已经上市，不久的将来，l c d 显示的手表类单片机将使用0 5 v 供电。“。单片机系统须在野外与自动灌浆记录仪按图3 1 相连来实时存储记录仪采集的数据，为了保证存储的高可靠性，故此系统的功耗越小越好。在选择芯片时本人按阻下几条要求进行。( 1 ) 为了保证系统正常运行时，系统的功耗最小，故所有芯片都采用c m o s 芯片；( 2 ) 在保证系统功能的同时，尽可能选择性能优良，价格合理的芯片；( 3 ) 尽可能选择接线简单的芯片：( 4 ) 参考实验室现有的开发条件，尽可能选用自己较为熟悉的芯片：( 5 )尽可能选用社会上口碑较好的芯片。本系统所用芯片见表3 。表3 系统所选芯片表芯片名称性能特点引脚在单片机数目中的功能有全双工异步串行口( u a r t ) ，短距离的上位机与下位机之问通信使用的是u a r t 的t t l 电平8 0 c 5 l发送数据由t x d 送出，接收数据由r 】( d 接收，4 0c p u有两个缓冲器s b u f ，一个做发送，另一个做接收。高速c m o s 芯片数据全并行存取，2 07 4 h c 3 7 3地址锁存器缓冲控制输入2 7 c 6 4 ae r o m ，数据可在线擦去，8 k 容量2 8程序存储器2 8 c 2 5 6 pe e r 叫，3 2 k 容量2 8数据存储器使用单一电源电压，1 1 、1 0 输入m a x 2 3 2 c1 6电平转换器t t l 电平，1 4 、7 输出r s 一2 3 2 c 电平3 3 3 本系统的芯片简介单片机系统设计时，c p u 芯片的选择至关重要。因单片机系统的稳定性跟c p u 芯片一本身的高可靠性密切相关。又如：单片机系统的数据处理能力，数据的传送速度，系统的扩展功能，系统的抗干扰能力、系统的功耗情况等都与c p u 芯片的选择有关。故将此单片机系统c p u 芯片8 0 c 5 l 的结构、功能详诉如下。其内部结构见图3 2 1 2 】。0中南人学硕i ：论史白动录入数据转存器的碗件设计艘茬浆资料管理软件的开发广一一一一一il l x d r x d图3 28 0 c 5 l 原理结构框图8 0 c 5 1 单片机是i n l e l 公司生产的8 位单片机，有内部4 k 的r o m 和1 2 8 个字节的r a m ，4 个输入和输出几，且p 3 口有双功能选择，能实现中断和查询操作。外接晶振的最大频率可达1 2 加，内部有标准的1 2 分频电路。有一个串行口。有较大的工作电压范围，有较强的抗干扰性。7 4 h c 3 7 3 是地址锁存芯片，它既有c m o s 芯片的低功耗特点，又有7 4 l s 2 7 3 芯片的快速性。m a x 2 3 2 c 是美信公司生产的又款非常适合做串口通信的接口芯片。3 3 4m c s - 5 1 的串行通信功能计算机或工控机与外界的信息交换称为通信。串行通信中，数据字节位一位按顺序传送，通过串行接口实现，而计算机内部的数据是并行的。因此当计算机向外发送数据时，必须将串行的数据转换为并行的数据再进行发送，当接收数据时，必须将并行的数据转换为串行的数据再进行接收。上述串一并或并一串的转换既可用软件实现又可用硬件实现。用软件实现会增加c p u 的负担，降低其利用率，故目前往往用硬件完成这种转换。通用的异步接收发送器，简称u a 盯( i 姗r a la s q o t o n o u sr e c e e r ，r r a n s m i r r e r ) ，它是串行通信的核心部件。硬件u a j 玎电路如图4 - 3 所示。它既能发送，由串到并输出，又能接收，由并到串输入。对每一方来说都是一个双缓冲器结构。当u a r t 接收数据时，串行数据先经i u ( d 端进入移位寄存器，再经移位寄存器输出并行数据到缓冲器，最后经数据总线把数据输入到c p u ；当u a r t 发送数据时，先由c p u 经数据总线把数据输入缓冲器，再经缓冲器送给移位寄存器，最后经t x d 将数据串行输出。所有这些工作都是在时钟信号和其它控制信号下完成。中南大学磺士论文自动录入蠡据转存嚣的硬件设计及曩巢赉料管理软件的开发图3 3 硬件哪电路示意图3 5 明西i 单片机的特点( 一) 3 0 c 5 l 单片机低功耗的机理：8 0 c 5 1 采用c 删o s 半导体工艺制作而成，其功率相当于普通的c m o s 电路，能满足低功耗要求，而且又可以满足高集成和高运行速度的要求8 0 c 5 l 内部设置有等待和掉电两种节电方式。在等待方式下( m l = 0 ) 菇往c p u 的时钟信号被封镇，c p u 进入等待状态单片机在等待状态下，内部的时钟信号仍继续供给中断系统、定时，记数器和串行口。c p u内部的状态，如堆栈指针( s p ) 、程序计数器( p c ) 、景加器及其它计数器的状态被完整的保留下来。在等待方式下，如果单片机执行的是外部程序存储器，那么记敦器p o 口呈高阻状态，而p 2 口上出现的是程序记数器中高八位地址。要退出等待方式有两种方式。第一是中断退出，另一种是硬件复位退出。在掉电方式下，此时片内振荡器停止工作。因此单片机内所有运行状态都停止，只有片内r a m 和s f r 中数据被保存起来。要退出掉电工作方式，只能用硬件复位，复位将从新定义所有的s f r ，但不改变片内r a m 中的内容。这三种方式电源消耗比较如下表4 ：衰a m 的几种工作方式正常运行1 6 m a5 v6 毗z等特方式3 7 m a5 v啊删z掉电方式5 0 n a5 v停振中南大学硕士论文自动录入数据转存嚣的硬件设计及蠢浆赉科管理软件的开发( 二) 8 0 c 5 l 单片机的外部扩展性能单片机都是通过片外引脚进行扩展的。为了满足系统扩展要求所有的外围芯片通过地址总线( a b ) 、数据总线( d b ) 、控制总线( c b ) 来进行扩展。地址总线宽度为1 6 位，故可寻址范围答6 4 k 字节。冈口提供低8 位地址a o 7 ，p 2 口提供高8 位地址a 8 j a l 5 。由于p o 口还要做数据总线，所以只能分时截地址总线，。如口提供低8 位地址须经琐存器镇存。琐存器的镇存控制信号由单片机引脚魈量控制。由于飑口具有输出镇存功能，故不需加琐存器镇存数据总线是应用系统中使用最频繁的通道。数据总线要连接到多个外围芯片上，丽在同一时闯里只能有一个是有效的数据传送通道。哪个芯片的数据通道有效由地址线控制各个芯片的片选线来选择。系统扩展用控制线有w r 、屁d 、删、舭e 、e a 、w r 、r d 用于片外数据存储器的读，写控制。当执行m o v x 指令时。这两个控制信号自动生成。p s e n 脚用于片外程序存储器的读控制。e a 脚用于选择片内还是片外程序存储器，当e a 卸时，只使用片外程序存储器。( 三) 8 0 c 5 l 单片机的总线驱动能力所有的系统扩展的外围芯片都通过总线驱动，外围芯片工作时有一个输入电流，不工作时也有满电流存在，因此，总线只能带动一定教量的电路。在8 0 c 5 l 单片机中，p 0 口只能驱动8 个l s l l 几电路，而其它口只能驱动4 个l s l r l 电路。当应用系统规模过大时，须增加总线驱动器。如7 札s 2 、7 4 l s 2 4 4 、7 4 l s 2 4 5 。否则，可能造成负载过大，致使驱动能力不够，系统不可靠的工作。3 3 6 数据转存器的时钟电路设计单片机虽然有内部震荡电路，但要形成时钟，必须外部附加电路。5 l 系列的单片机的时钟产生有两种方式( 1 ) 内部时钟方式即利用芯片内部的震荡电路，在) 订- 札l ，r a l 2引脚上外接定时元件，内部的震荡电路便可产生自激震荡内部时钟电路实为二分频触发电路，它将震荡器的信号除以2 ，然后为其它电路提供双向信号。( 2 ) 外部时钟方式利用外部震荡信号源直接接入矾a i 1 或r a i 2 。在采用m 帕s 器件时，外部震荡信号应从x i a l 2 引入，黜l 浮空。而对于c l 玎帕s 器件，连接恰好相反。本系统采用方式图3 4 。两种时钟电路的连接电路图如下图3 4 ，3 5 ；中南大学硕士论文自动录入数据转存嚣的硬件设计及堆浆资料管理软件的开发c m s勰1 r s 5图4 _ 4 内部时钟电路图4 s 外部时钟电路3 3 7 数据转存器的复位电路单片机的复位都是靠外部电路实现的，在时钟电路工作后，只要在引脚上出现1 0 r n s的高电频，单片机便出现状态复位。复位后，p o 廿3 口均为高电平，堆栈指针的s p 的值为0 7 h ，其它各专用寄存器和程序计数器的值皆被清零。常用的复位电路有上电复位( 见图4 石) 和按纽复位。本人采用的是复合型按钮复位( 见图4 _ 7 ) 。钉8 虻5 il 黾b t8 叱5 it - ll图4 _ 6 上电复位电路图4 - 7 复合按纽复位”j 薮据转存器外部存储器的扩晨因单片机内部数据存储器和程序存储器容量较小，不能满足应用要求，故须进行外部扩展。为减少芯片数量和系统的复杂性，采用了3 2 k 大容量的数据存储器。因低八位地址线和数据线分时复用。故低八位地址线须由p 0 口经地址锁存器锁存后再连接到数据存储器和程序存储器上。1 4中南大学硕十论文自动录入数据转存器的硬件设计及罐浆资料管理软件的开发( 1 1存储器技术的发展存储器的发展方向主要是解决容量、易写、不丢以及软件的保密问题。( a ) 为了解决容量问题，采取加大单片存储容量的办法。一般的r o m 可达4 k 至8 k 字节，有的r o m 容量可达1 2 k 字节，如1 r i 公司的7 0 1 2 0 系列单片机。( b ) 为了解决易写的问题，e r o m 开始e e r o m 化，由于e i m 需要高压编程写入，紫外线擦抹，给用户带来不便。采用电改写的e e r o m 后，不需紫外线擦抹，只需重新写入。特别是能在常压( 如+ 5 伏电压) 下读写的e e r o m ，既有静态r a m 读写操作简便，又有数据不易丢失的特点。鉴于e e r o m 中数据不易丢失能永久保存，因此，有的单片机系统也将做r a m 用。( c ) 编程的保密性。一般的e r o m 编程写入的程序很容易被复制。为了防止复制，i n t e l 公司开始采用k e p r o m 编程写入，有的对e p r o m 或e e r o m 采用加锁方式，加锁后，别人无法读取其中的程序，若要去锁，必须抹去e e r o m 中的信息，这就达到程序保密的目的。( 2 ) 本系统的数据存储器的特点本单片机系统采用了一种较新、较大容量、可编成的e e r o m 芯片2 8 c 2 5 6 做数据存储器e e r o m 既可做程序存储器，也可做数据存储器。e e r o m 做数据存储器时，使用的是数据存储器的地址、控制信号和操作指令。她与一般的随机存储器相比由与要擦、写时间长，故写入周期比随机存储器r a m 的写周期长。所以应根据芯片的要求设置等待或中断、查询。它的容量达3 2 k ，可以保存几十段灌浆数据( 若灌浆仪主机每天采集数据8 小时，大约须三天时间) 。它用来做数据存储器有较好的安全性。因为e e r o m 芯片内部数据的修改，只有同时具备下列几个条件才有可能。( 1 ) v c c = 5 “2 ) w e = o ( 3 ) c e = 0 。另外，e e r o m 芯片2 8 c 2 5 6 中的数据在通常情况下可以保存二十年左右。( 3 ) 数据存储器的数据传送特性因外围芯片与数据存储器统一编址，所以在扩展时，须进行地址译码，地址译码有两种方式。第一线选法，即把单独地址线接到外围芯片的片选端上，只要该地址线为低电平，就可以选通该芯片。第二种是全地址译码，即用译码器对高位地址线进行译码，译码器输出的地址线用作片选线。当芯片所需的片选线多于可利用的地址线时，通常采用这种方法。因本系统的扩展芯片较少，就采用了第一种方法。2 8 c 2 5 6 有3 2 k 的容量，须1 5 根地址线。此数据存储器的读写由单片机的r d 、w r 两线信号控制。其工作方式选择如下表5 。中南大学硕士论文自动录入数据转存器的硬件设计及灌浆资料管理软件的开发表5 数据存储器的工作方式选择引脚ic e0 ew er d y输入( 2 0 )( 2 2 )( 2 7 )b u s y工作方盐读v i lv i lv i h高阻v o u t维持v i h任意任意高阻高阻字节写入v i lv 1 hv i lv o ld r n字节擦去给关键字( 4 ) 程序存储器选择本系统选用2 7 c 6 4 b 芯片做程序存储器，因为它有如下一些优点。2 7 c 6 4 b 是一个高速紫外光可擦去和电可编程c m o s 型e p r o m 采用p p c m o s 双极性硅栅技术制造在具高密度和高性能同时还有低功耗和极好的可靠性，特别适和要求快速转换和图形试验和低功耗等应用场合。2 7 c “b 设计允许为+ 5 v 士1 0