（信号与信息处理专业论文）基于dsp的数据采集及硬盘存储技术的研究与实现.pdf

华北电力人学硕士学位论文 摘要 水声数据采集装置对于水声试验来说是不可缺少的，由于水底的自然环 境极其复杂，所采用的数据采集器应具有较大的动态范围，所采集信号的幅 度范围要尽可能的宽。本文分析了数据采集存储系统的基本原理，详细介绍了 数据采集存储系统的硬件设计和软件开发，硬件设计内容主要包括：a d 前端调 理电路，r a m 与c p l d 接口设计，u s b 接口设计，以及对外通信接口设计。本数据 采集处理系统采用d s p 和c p l d 为核心的硬件结构，完成了从输入的模拟信号 中采集数据信息，并利用u s b 2 0 总线实现了系统和计算机之间的实时存储的 功能。采用了独立值班系统供电设计，保证系统低功耗运行。通过在水上及 水下实验，系统基本达到了预期的目的，为低功耗、小型化、高集成的水声 数据采集装置的研究和实现提供了有益的经验。 关键词：数据采集，d s p ，u s b ，c p l d a b s t r a c t u n d e r w a t e ra c o u s t i cd a t aa c q u i s i t i o ne q u i p m e n ti sn e c e s s a r yf o ru n d e r w a t e r a c o u s t i ce x p e r i m e n t a t i o n s i n c et h es i t u a t i o nu n d e r w a t e ri sv e r yc o m p l i c a t e d ，w e a d o p tt h ed a t aa c q u i s i t i o ne q u i p m e n tw h i c hi sa d a p t i v et ot h ea b o m i n a b l ef i e l d a l lo ft h e s em a k et h ed a t aa c q u i s i t i o ne q u i p m e n tt oh a v eaw i d ed y n a m i cr a n g e a n dh a v et h eu t i l i t yt oa c q u i r et h es i g n a l sw h i c hh a v el a r g ea m p l i t u d er a n g e t o r e d u c et h en e c e s s a r yc o s tf o rt h er e s e a r c ho ni t ，t h es y s t e mm u s tb em a d et oh a v e u n v e r s i a lp u r p o s e sa n df l e x i a b l ee x t e n d i n ga b i l i t y a l lo ft h e s er e q u e s t sa r et h e k e r n a lo ft h ep a p e r t h ed e s i g ni d e a so ft h eh a r d w a r ec i r c u i t sa n dt h ep r o g r a m f l o wa sw e l la st h es c h e m et or e s o l v et h ek e yt e c h n i q u ep r o b l e m s ，t o g e t h e rw i t h s o m ed e b u g g i n gr e s u l t so fs y s t e m ，h a v eb e e ng i v e ni nd e t a i l i nt h eh a r d w a r e c i r c u i t s ，a da c q u i s i t i o na n dt h ep r i n c i p l e so fd s p ，u s b 2 ，0a n dr a mh a sb e e n i n t r o d u c e di nt h ep a p e r s i no r d e rt or e d u c ep o w e r c o n s u m p t i o n ，t h ep a p e rg i v ea w a t c h i n gs y s t e m ，t om e e tt h ed e m a n do fl o n gt i m eu n d e r w a t e r t h es y s t e mh a s b e e n e x p e r i m e n t e d b o t ha b o v ew a t e ra n du n d e rw a t e r ，t h er e s u l to f e x p e r i m e n t a t i o n sh a sb e e nm e e tt h ed e m a n d z h a ow e i ( s i g n a la n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n g ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f b a oh u i k e yw o r d s ：d a t aa c q u i s i t i o n ，d sp ，u s b ，c p l d 华北电力人学硕士学位论文 摘要 水声数据采集装置对于水声试验来说是不可缺少的，由于水底的自然环 境极其复杂，所采用的数据采集器应具有较大的动态范围，所采集信号的幅 度范围要尽可能的宽。本文分析了数据采集存储系统的基本原理，详细介绍了 数据采集存储系统的硬件设计和软件开发，硬件设计内容主要包括：a d 前端调 理电路，r a m 与c p l d 接口设计，u s b 接口设计，以及对外通信接口设计。本数据 采集处理系统采用d s p 和c p l d 为核心的硬件结构，完成了从输入的模拟信号 中采集数据信息，并利用u s b 2 0 总线实现了系统和计算机之间的实时存储的 功能。采用了独立值班系统供电设计，保证系统低功耗运行。通过在水上及 水下实验，系统基本达到了预期的目的，为低功耗、小型化、高集成的水声 数据采集装置的研究和实现提供了有益的经验。 关键词：数据采集，d s p ，u s b ，c p l d a b s t r a ct u n d e r w a t e ra c o u s t i cd a t aa c q u i s i t i o ne q u i p m e n ti sn e c e s s a r yf o ru n d e r w a t e r a c o u s t i ce x p e r i m e n t a t i o n s i n c et h es i t u a t i o nu n d e r w a t e ri sv e r yc o m p l i c a t e d ，w e a d o p tt h ed a t aa c q u i s i t i o ne q u i p m e n tw h i c hi sa d a p t i v et ot h ea b o m i n a b l ef i e l d a l lo ft h e s em a k et h ed a t aa c q u i s i t i o ne q u i p m e n tt oh a v eaw i d ed y n a m i cr a n g e a n dh a v et h eu t i l i t yt oa c q u i r et h es i g n a l sw h i c hh a v el a r g ea m p l i t u d er a n g e t o r e d u c et h en e c e s s a r yc o s tf o rt h er e s e a r c ho ni t ，t h es y s t e mm u s tb em a d et oh a v e u n v e r s i a lp u r p o s e sa n df l e x i a b l ee x t e n d i n ga b i l i t y a l lo ft h e s er e q u e s t sa r et h e k e r n a lo ft h ep a p e r t h ed e s i g ni d e a so ft h eh a r d w a r ec i r c u i t sa n dt h ep r o g r a m f l o wa sw e l la st h es c h e m et or e s o l v et h ek e yt e c h n i q u ep r o b l e m s ，t o g e t h e rw i t h s o m ed e b u g g i n gr e s u l t so fs y s t e m ，h a v eb e e ng i v e ni nd e t a i l i nt h eh a r d w a r e c i r c u i t s ，a da c q u i s i t i o na n dt h ep r i n c i p l e so fd s p ，u s b 2 0a n dr a mh a sb e e n i n t r o d u c e di nt h ep a p e r s i no r d e rt or e d u c ep o w e rc o n s u m p t i o n ，t h ep a p e rg i v ea w a t c h i n gs y s t e m ，t om e e tt h ed e m a n do fl o n gt i m eu n d e r w a t e r t h es y s t e mh a s b e e n e x p e r i m e n t e d b o t ha b o v ew a t e ra n du n d e r w a t e r ，t h e r e s u l to f e x p e r i m e n t a t i o n sh a sb e e nm e e tt h ed e m a n d z h a ow e i ( s i g n a la n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n g ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f b a oh u i k e yw o r d s ：d a t aa c q u i s i t i o n ，d sp ，u s b ，c p l d 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于d s p 的数据采集及硬盘存 储技术的研究与实现，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下 进行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢 之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华 北电力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了谢意。 学位论文作者签名：日期：丝至：兰：壁 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩 印或其它复制手段复制并保存学位论文：学校可允许学位论文被查阅或借阅； 学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方 式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期：伊罗3 , t s 导师签名： 日期：尘多丛 华北电力大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 随着计算机技术的飞速发展和普及，目前数据采集设备广泛应用于科研、工业 自动化、医疗卫生、通信等各行业，由于涉及到仪器所使用的环境不同，其实现的 方法也不尽相同。现代工业对数据采集的要求日益提高，在瞬态信号测量，图像处 理等一些高精度的测量中，需要进行数据采集，这势必会带来数据的高精度采集以 及海量数据存储的问题。如何实现高精度数据采集和海量数据存储，已成为现代数 据采集系统研究的一个重要方面。 常用的数据采集方案往往采用单片机或d s p ( 数字信号处理器) 作为控制器，控 错j j a d c ( 模数转换器) 、存储器和其他外围电路的工作。由于单片机本身的指令周期 以及处理速度的影响，难以达到高精度数据采集系统的要求，而与单片机相比，d s p 器件具有接口方便、编程方便、稳定性好、精度高、集成方便等优点n 1 。 在数据存储方面，硬盘以其体积小、容量大、可随机访问等优点，正在取代体 积大、随机访问性能差的多机处理、并行处理传输和并行记录设备、磁带记录系统。 但是，通常基于硬盘的记录系统是：制作专用的p c 卡，插入p c 机，用计算机管理硬 盘进行数据采集记录。这样虽然可以实现，但其存盘速率、体积、应用场合等诸多 方面都受到限制。所以，就需要有专门的硬盘控制装置来实现，以适应一些特定条 件下的大容量数据采集。 数据采集及硬盘存储技术的应用和普及，已经成为不可逆转的潮流。可应用在 电子与通信系统、雷达和军事等领域中，尤其是适用于海底反射声波信号的提取。 对于水下恶劣的环境，此系统需要具有较大的动态范围，所采集的幅度范围大；数 据采集装置由于长时间后打捞，需要大容量数据存储系统，所以数据采集及硬盘存 储技术特别适合于水声数据采集装置。 1 2 课题研究的背景及现状 在最早期的数据采集系统中，硬件结构非常简单，对系统的监测或者对来自p c 的控制要求不十分严格。但是这种解决方案严重依赖于p c ，速度较慢，从而导致实 时性不能得到满足。 第二代数据采集系统在p c 的c p u 之外加上一到两个独立的c p u ，可以用通用的单 片机实现。主c p u 以外的处理器进行数据采集、存储、管理控制，从而将p c 释放出 来作为显示操作界面。在数据采集系统中，通常采用单片机作为c p u ，控匍 a d c ( 模 华北电力大学硕士学位论文 数转换器) 、存储器和其他外围电路的工作。 目前的数据采集系统一般有以下几种实现方法：一是直接采用高速的多通道模 数转换芯片，这些芯片有专门设计的与d s p 接口的部分，但是这些芯片一般价格都 非常昂贵；二是直接用c p l d 完成整个的采集过程，这将耗费c p l d 巨大的资源；三是 d s p 和模数转换芯片的地址以及数据总线直接相接，通过单片机控制转换等过程， 这种方法虽然便宜，但是可扩展性太差。综上所述，一种通过c p l d 实现接口，将模 拟转换通道映射至u d s p 的i o 设备空间甚至内存空间的方法已成为数据采集系统研 究的热点，这种方法大大提高了d s p 可以访问的外设数目；同时由于d s p 不直接与模 数转换模块接口，所以a d c 芯片的升级或者替代都不会影响原来的数据采集；而且 采用了时分复用方式读取转换完成的数据，因此这个系统数据采集速率可以达到所 采用的a d c 芯片输出的最高速率。同时，d s p 虽然在算法处理上功能很强大，但其控 制功能是非常弱的；而c p l d 本身并不具有内部寄存器，虽然可以用c p l d 的逻辑块来 实现寄存器，但是这将耗费大量的c p l d 资源。c p l d 的强项在于时序和逻辑控制，所 以采用c p l d 实现对d s p 的控制。 国内现有的高速多通道a d 采集卡，其采样频率可达至0 2 0 m h z ，每个高速模拟通 道是一块独立的采集板，多个通道是通过多块采集板组装而成，这种结构也只能做 到最多八通道同步采样，通道数要通过硬件组合的方式来选择，这种方式显然欠缺 灵活性。国内其他类的数据采集卡，也有提供多通道采样功能的，但普遍很少具有 同步采样功能。 国外的数据采集产品，以美国国家仪器公司n i 公司为代表，虽然产品的采样精 度可以达到1 6 位，采样频率也高达1 2 5 m ，但产品中具有同步采样功能的m 系列数据 采集卡，只有8 通道，而一般每块采集卡都要上万元；其它的高速示波器、通用虚 拟仪器采样速率虽然能达到上亿次每秒，分辨率较高，但往往采样通道数较少，且 同步功能较差，这类的仪器也只适合在导航设备中。一些高档的数据采集板卡，也 有提供多通道同步功能的，但价格非常昂贵。 模数转换器件经历了从低性能到高性能的发展过程，并产生了多种结构类型的 转换器件。从可以购买到的a d 器件来看，8 位的a d 变换器其最高采样率高达1 5 千 兆位采样率。分辨率在8 位以上的a d 器件，目前采样率不高。近些年来，国外先后 出现了一些高速高分辨率的闪电式a d c ，如：a d i 公司的a d 9 4 1 0 ( 1 0 b i t ，2 1 0 m s p s ) ， a d 9 4 3 0 ( 1 2 b i t ，2 1 0 m s p s ) 。另外，最近a d i 公司基于多片a d 并行的结构研制出了 a d l 2 4 0 0 ( 1 2 b i t ，4 0 0 m s p s ) ，并且据a d 公司介绍，正在利用这种多片a d 并行的结 构研制采样率更高的产品。 在数据存储方面，目前用于p c 机的数据采集卡大部分是基于i s a ( i n d u s t r i a ls t a n d a r da r c h i t e c t u r e ) 总线的，其最大缺点是传输速度太低，不能 2 华北电力大学硕士学位论文 实现实时传输。而通用串行总线u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 凭借其即插即用、 热拔插以及较高的传输速率的场合，支持4 8 0 m b p s 的传输速率。在实际应用中，通 常会遇到一些突发信号，需要对其进行高速采集，对数据进行高速传输，所以u s b 2 0 标准自然成为首选。 随着电子计算机的广泛应用，社会的数字化程度越来越高，数据采集也越来越 重要，通用的数据采集系统可用于生物电波、声波分析等瞬态信号的实时采集和观 察等场合。其中基于c p l d 控制周围电路、u s b 总线传输的高速采集系统具有可靠性 高、数据不丢失、抗干扰性强、便于数据传输和处理等优点，因而具有良好的应用 前景和很大的实用价值。 1 3 课题主要研究的内容 本课题研究利用d s p 芯片实现数据采集及数据存储。首先，模拟信号经a d 转换 变成数字信号；然后，d s p 芯片对缓存在f i f o ( 或双口r a m ) 中的采样数据进行读取； 最后，将采集数据通过u s b 总线传输并存储到硬盘里，以便后续的数据分析、处理。 海洋环境监测噪声仪系统总体框图如图i - i ： 图卜i 海洋环境监测噪声仪系统总体框图 采集存储板的主要性能指标如下： ( 1 ) 电源：+ 3 3 v ( 2 ) 采集速率：大于8 0 k h z ( 3 ) 采样精度( a d 分辨率) ：不小于1 6 b i t ( 4 ) 存储空间：不小于8 6 b ( 5 ) 动态范围：大于1 l o d b ( 6 ) 信噪比：大于9 0 d b ( 7 ) 转存速率：大于5 0 m b ( 8 ) 系统功耗：不大于1 5 0 m a 3 蟹 华北电力大学硕士学位论文 第二章数据采集供电与通信系统 如图i - i 所示，海洋环境监测噪声仪总体设计方案中，电源控制和微处理器模 块工作量比较大，需要设计一个独立系统。这个独立系统可以减少数据采集存储系 统的工作量，把数据采集存储系统从与上位机的频繁通信中解放出来，省去实时处 理时钟信息，同时数据采集系统也不用始终运行，从而减少系统电量的消耗。独立 系统采用微功耗电路系统进行值班，当时钟到达测量时刻，独立系统的微控制器被 唤醒，微控制器控制打开d s p 采集存储模块电源和水听器电源，启动d s p 采集存储 模块采集数据，当完成要求时间的数据采集存储后，d s p 采集存储模块将测量完成 信息反馈到微控制器，由其关闭d s p 采集存储模块电源和水听器电源，然后系统进 入休眠状态，等待下一测量时刻被唤醒。微控制器系统以下简称值班系统。值班 系统的功能主要有以下两点： 互。 ( 1 ) 负责对d s p 模块和水听器进行电源控制； ( 2 ) 负责与水上控制机的通讯、水上控制机和d s p 数据采集存储模块的信息交 值班系统的构成以及与外围的关系如2 - 1 图所示： 图2 - 1 值班系统与外围关系图 值班系统是由锂电池组经过保护电路提供直流2 8 v - 4 2 v 电能，通过d c d c 总电荷泵给微控制器、串口接口芯片以及时钟芯片供电。而d c d c 电荷泵1 主要给 d s p 采集存储板提供稳定的3 3 v 电压，d c d c 电荷泵2 主要给水听器提供电能。微 控制器通过开关智能控制水听器和d s p 采集存储板工作，以上就是所说的功能一电 4 华北电力大学硕士学位论文 源控制。微控制器通过串口接口芯片与数据处理计算机进行信息交互，完成数据计 算机对值班系统的时问校准，值班系统通过另一个串口对d s p 采集的时问进行设置。 同样，微控制器也通过串口接口芯片与d s p 采集存储板进行信息交互。主要对d s p 采集存储板的采集和存储进行控制，以及当接受到采集完毕后，对其供电关闭，当 采集时问到达时通知采集存储板进行采集存储。 2 1 硬件的选择及方案设计 2 1 1 硬件总体设计方案 由于微控制器模块是整个系统的值班电路，考虑其长期处于加电状态，因此对 其可靠性和功耗要求较高，经过比较筛选，将硬件型号选择以框图的形式列举如图 2 - 2 ： 2 1 2 器件选择 图2 - 2 值班系统硬件选型框图 ( 1 ) 微控制器隆1 值班系统对微控制器的要求有以下几点：第一，处理器运算能力可以保证各部 分响应及时；第二，对功耗需要严格，找到能够符合总体功耗要求的微控制器：第 三，便于开发使用，从而缩短开发周期。除了以上三点，还要考虑到芯片的相关的 技术资料和技术支持，还要考虑封装形式和供货情况。综合考虑，由于t i 公司生 产的m s p 4 3 0 f 1 4 9 低功耗单片机功耗少，外围接口丰富，具有较高的性价比，所以 选用m s p 4 3 0 f 1 4 9 作为值班系统的微控制器。 m s p 4 3 0 f 1 4 9 是t i 公司1 9 9 6 年推出的一款低功耗高性能的1 6 位单片机，其特 华北电力大学硕士学位论文 点是功耗低，工作电流小于4 0 0pa ，休眠工作电流小于1 | la 。主要特点： 具有很低的供电电压。单片机的供电电压最低可以达到1 8 v ，单片机的供电 电压范围是1 8 v 3 6 v 。 超低的功耗。这是目前其它单片机没有的特色。它在休眠的条件下工作的电 流只有0 8ua ，就是在2 2 v 、1 m h z 条件下工作的电流只有2 8 01 1a 。 快速的唤醒时间。从休眠方式唤醒只需要6 p s 。 快速的指令执行时间。它采用的是1 6 位的r i s c ( c o m p l e xi n s t r u c t i o ns e t c o m p u t e r ) 结构，指令的执行时间只需要1 5 0 n s ，是传统单片机不能比拟的。 概括来说，m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机具有极低的功耗、强大的处理能力、丰富的片上 外围模块，方便高效的开发方式。m s p 4 3 0 f 1 4 9 的以上特点，使其非常适合于构成一个 全功能的便携式单片机值班系统。 ( 2 ) 时钟芯片的选择 p c f 8 5 6 3 是低功耗的实时时钟日历芯片，它提供一个可编程时钟输出，一个 中断输出和掉电检测器，所有的地址和数据通过1 2 c 总线接口串行传递。最大总线 速度为4 0 0 k b i t s s ，每次读写数据后，内嵌的字地址寄存器会自动产生增量。 p c f 8 5 6 3 有1 6 个8 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( 用于给实时时钟 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 总线接口。所有1 6 个寄存器设计成可寻址的8 位并行寄存 器。前两个寄存器( 内存地址0 0 h ，0 1 h ) 用于控制寄存器和状态寄存器，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 一- - o c b 用于报警寄存器( 定 义报警条件) ，地址o d h 控制c l k o u t 管脚的输出频率，地址o e h 和o f h 分别用 于定时器控制寄存器和定时器寄存器。秒、分钟、小时、日、月、年、分钟报警、 小时报警、日报警寄存器，编码格式为b c d ( b i n a r y c o d e dd e c i m a l ) ，星期和星期 报警寄存器不以b c d 格式编码。 ( 3 ) 标准串口芯片的选择 r s 一2 3 2 标准串口，选用m a x 3 2 2 3 低功耗芯片，其具有以下特点： lua 电源电流、+ 3 v 至+ 5 5 v 、r s - 2 3 2 收发器，带有a u t o s h u t d o w n ； r s 2 3 2 接口，可以与电脑串口相连； t t l 接口，可以与单片机，a r m 等m c u 相连； 1 个e n 使能信号； 6 华北电力大学硕士学位论文 1 个i n 输出信号； 2 个通讯状态指示灯； 由以上可知，m a x 3 2 2 3 芯片也可完成多路3 - - - 5 v 电平与串口电平的双向转换。 所以选用m a x 3 2 2 3 作为标准串口芯片。 ( 4 ) 电荷泵d c d c 转换芯片的选择 m a x 7 1 0 集成了一个升压型d c d c 变换器和一个线性稳压器，产生升降压电压 变换功能。升压模式转换部分，m a x 7 1 0 的升压模式转换器主要包含一个n 沟道 m o s f e t 功率开关管，一个储能元件电感。一个二极管和一个输出电容。功率开关管 在调宽或调频脉冲的控制下，不断地接通关闭，控制电感的充放电，它总是处在开 关工作状态。降压模式转换部分，为m a x 7 1 0 提供降压变换的是个低压差线性稳压 器，m a x i m 用p 沟道的f e t ( 场效直管) 取代了通常线性稳压器中的双极性p n p 三极 管，这样做的优点是大大减少了器件本身的电源电流消耗，m a x i m 的线性调节器通 常的静态电流为几十i ia 。而一般线性稳压器则为几个m a 。m a x 7 1 0 是1 6 脚的窄s o 封装，体积更小。 2 2 硬件电路的设计 2 2 1m s p 4 3 0 f 14 9 外围电路设计 m s p 4 3 0 f 1 4 9 是微控制器的控制中心，完成采集数据流程的控制，开关量信号的 开通，u s a r t o 和u s a r t l 两个串口通信的管理，与串口m a x 3 2 2 3 器件的通信与控制。 图2 - 3m s p 4 3 0 f 1 4 9 电路图 7 华北电力入学硕+ 学位论文 德州仪器( t i ) 公司的m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机是f l a s h 类型单片机，内置6 0 k b + 2 5 6 字节f l a s h ，2 k br a m 。m s p 4 3 0 f 1 4 9 中6 0 k b 的f l a s hr o m 满足系统程序对存储空间 的需求；丰富的i 0 资源实现了开关电源信号的选通，以及串口m a x 3 2 2 3 器件的通 信和控制。其外围电路如图2 - 3 所示，i o 接口是和m a x 3 2 2 3 芯片进行通信的，串行 时钟线s c l ( s e r i a lc l o c kl i n e ) 和串行数据线s d a ( s e r i a ld a t aa c c e s s ) 分别 接的是时钟芯片的s c l 和s d a 端口口1 。 2 2 2p c f 8 5 6 3 时钟模块的设计 p c f 8 5 6 3 是p h i l i p s 公司推出的一款带1 2 c 总线具有极低功耗的多功能时钟 日历芯片，具有四种报警功能和定时功能；内部时钟电路、内部振荡电路、内部低 电压检测均采用两线制1 2 c 总线通信方式，不但使外围电路简洁，而且增加了芯片 的可靠性。 p c f 8 5 6 3 的s c l 为时钟输入端，数据随时钟信号同步输入器件或从器件输出； s d a 为双向引脚，用于串行数据的输入输出；i n t 是中断信号输出端，可通过设置 寄存器按指定时间在该脚产生信号，低电平有效；s d a 、s c l 、i n t 均为漏极开路， 必须上拉电阻；1 、2 分别为反相放大器的输入、输出端；可在1 端接入3 2 7 6 8 k h z 的石英晶振，配置成片内振荡器。本系统p c f 8 5 6 3 与m s p 4 3 0 f 1 4 9 接口采用图2 4 所示接口方案。在1 、2 端接入3 2 7 6 8 k h z 的石英晶振，将时钟源配置为片内振荡 器。v d d 与地之间加入1 个1 0i j - f 的电解电容维持时钟芯片供电，锂电池同时开始 工作，给时钟芯片供电，使时钟芯片工作不受影响。 图2 - 4p c f 8 5 6 3 电路图 按1 2 c 总线协议规约，p c f 8 5 6 3 有唯一的器件地址o a 2 h 。本设计中用来实现1 2 c 总线接口的是具有输入输出和中断功能的p 2 口的p 2 0 和p 2 1 。p 2 0 产生1 2 c 总 线的时钟信号，用p 2 1 完成1 2 c 总线的串行数据输入输出。c l 微调电容通常选择 1 2 0 p f ，在本设计中选用2 0 p f 电容，经调试日历时钟工作精度较高。实现1 2 c 总 线协议主要是控制s d a 、s c l 使其产生协议所规定的各种时序。要控制p 2 0 和p 2 1 华北电力大学硕士学位论文 产生1 2 c 总线要求的各种时序，就要频繁使用到输入、输出以及方向寄存器。由基 本操作时序可以看出：1 2 c 总线在无数据传输时均处于高电平状态：s d a 引脚是数 据的输入输出端，它的状态变化最为复杂，控制它需要频繁的使用p 2 i n 、p 2 0 u t 和 p 2 d i r 三个寄存器。图2 - 4 中r 1 和r 2 两个电阻可以将p 2 0 和p 2 1 于接收状态时 使该点的电平上拉为3 6 v ，这样可以确保总线空闲时有稳定的高电平。用单片机来 控制1 2 c 总线，除了要严格保证s d a 和s c l 口线的电平外，还要控制好时序。 2 2 3 串口通信模块的设计 串口通信模块是基于m s p 4 3 0 f 1 4 9 和t i 公司的m a x 3 2 2 3 ，m a x 3 2 2 3 用的是第二 个r s 2 3 2 接口，在m a x 3 2 2 3 的p c ( 2 ，3 ，5 脚) 端为了抑制噪声串接了一个极性电 容。在m a x 3 2 2 3 的r o u t l 、r o u t 2 端接m s p 4 3 0 f 1 4 9 的m c l k 端口进行数据输出，d i n i 、 d i n 2 端和m s p 4 3 0 f 1 4 9 的m c l k 端口进行数据传输，这样达到了m a x 3 2 2 3 和 m s p 4 3 0 f 1 4 9 的数据交换。m a x 3 2 2 3 的d o u t i 、d o u t 2 端口和d s p 数据采集存储模块 进行数据输出，r i n l 、r i n 2 端口和d s p 数据采集存储模块进行数据输入，这样也就 实现了微控制器模块和d s p 数据采集存储模块的信息交互h 1 。m a x 3 2 2 3 的电路原理 图如图2 - 5 所示。 髫t 拱。 鹫 ； ；p ” i i 糟j 浮h iil li ； hl ： 一 ! 厂，翟严 爿专蹲 n 1 口m o ， c 1 + v 七c ： 口4d 1 j i i = ：b - ， l ，；1 一 c1-】dot，t1 。二，i i l l f ； cj+口口n1 爿圭嚣 6 c，lot，t1 1 盖- o k d o ，i；1 if v ，o ，l c z o n i o t ，t 2d n 1 铲 r ，d ， 1 1 m 1 e = 臼 苴z - | ，d 目b 4 j 1 t r o t r l ! ji v 也d j “垆鼍2 3 p o 2 3 软件设计 图2 - 5m a x 3 2 2 3 电路图 软件部分主要是围绕m s p 4 3 0 f 1 4 9 展开，m s p 4 3 0 的开发语言有c 语言和汇编语 言两种，用汇编语言进行设计的程序可读性和可移植性相对较差，升级修改比较困 难，而用c 语言编写的程序在不同的硬件平台间可灵活的转换，程序的可移植性强。 整个系统程序包括m s p 初始化，p c f 8 5 6 3 程序设置，串口数据通信等。 9 华北电力大学硕士学位论文 2 3 1 总体系统流程 本系统需要完成数据计算机与微处理器m s p 4 3 0 f 1 4 9 的指令通信，微处理器 m s p 4 3 0 f 1 4 9 与d s p 数据采集板的指令通信以及微处理器m s p 4 3 0 f 1 4 9 对供电时间的 开启三部分的基本功能，系统软件设计的主要流程如图2 6 所示。 图2 - 6 系统软件设计流程图 首先是系统的初始化，主要是根据m s p 4 3 0 f 1 4 9 芯片故有的功能和特征，进行 主程序入口设置，所有的寄存器清零，中断矢量设置，时钟源设置等。初始化首先 关闭看门狗，设置振荡器为x t 2 ，接着清除振荡器的失效标志，延时等待振荡器起 振。选择m c l k 、s m c l k 的振荡器源为x t 2 ；接着处理中断标志；接下来初始化串口 u s a r t o 和串口u s a r t i ；当有指令需要处理时就会触发串口中断，从而m s p 4 3 0 f 1 4 9 通过识别串口的指令，去指挥d s p 的采集，以及水听器和d s p 采集板的通断电。 2 3 2i2 c 总线的程序实现 在m s p 4 3 0 系列中只有f 1 5 x f 1 6 x 集成了1 2 c 模块，其他的型号没有集成。所 以选用的m s p 4 3 0 f 1 4 9 不含有1 2 c 模块，然而p c f 8 5 6 3 是通过1 2 c 总线通信来读取 和设置时间信息。由于1 2 c 总线协议非常简单，所以考虑用软件来模拟。 总线协议的基本内容为：s d a 为数据线，s c l 为同步时钟线。同步时钟信号s c l 始终由主设备发送。1 2 c 协议中包含两种信号：控制信号和数据信号。s c l 为高电 平时，s d a 上的电平如果发生跳变，则表明传送的是控制信号。s c l 为高电平时， s d a 上的信号稳定，则表明传送的是数据。传送数据时，s d a 上的信号只能在s c l 为低电平时改变。 1 0 华北电力大学硕士学位论文 2 3 3 时钟设置程序实现 时钟设置程序的设置是建立在1 2 c 总线软件设计的基础上实现的，没有1 2 c 总 线软件设计，则时钟设计就无法实现。通过对p c f 8 5 6 3 的分析，归纳出时钟设置程 序主要分为由微控制器向p c f 8 5 6 3 写数据，微控制器向p c f 8 5 6 3 读数据和设置 p c f 8 5 6 3 初始时问这三个函数组成。 由微控制器向p c f 8 5 6 3 写数据首先定义写数据函数，具体如下： v o i dw r i t e d a t a ( u n s i g n e dc h a ra d d r e s s ，u n s i g n e dc h a rm d a t a ) s t a r t0 ： w r i t e 8 b i t ( o x a 2 ) ： w r i t e 8 b i t ( a d d r e s s ) ： w r i t e 8 b i t ( m d a t a ) ： s t o p0 ： ) 通过设定a d d r e s s ，从而设置数据是具体的年月同还是时分秒，设定m d a t a 间 接设置具体时间或日期的数值。通过定义以上的函数，设置或调整时间日期就变得 方便易行。 微控制器向p c f 8 5 6 3 读数据首先定义读取数据函数，方法与写数据函数一样， 然后设置读数据具体函数，具体如下： v o i dp 8 5 6 3 r e a d0 u n s i g n e dc h a rt i m e 8 ： r e a d d a t a l ( 0 x 0 2 ，o x 0 8 ，ti m e ) ： p ti m e s t o r e 0 = ti m e 0 & 0 x 7 f ：秒 p t i m e s t o r e 1 = t i m e 1 & 0 x 7 f ：分 p ti m e s t o r e 2 = ti m e 2 & o x 3 f ：d 时 p ti m e s t o r e 3 = ti m e 3 o x 3 f ：日 p t i m e s t o r e 4 = t i m e 4 & 0 x 0 8 ；星期 p t i m e s t o r e 5 = t i m e 5 & o x o f ：月 p ti m e s t o r e 6 = ti m e 6 & o x f f ：年 华北电力人学硕士学位论文 p ti m e s t o r e 7 _ ti m e 7 & o x 8 0 ：世纪 这样就可以从p c f 8 5 6 3 读出所需的时间信息并且存储到数组中，以便进一步的 处理和应用。 设置p c f 8 5 6 3 初始时间需要编写设定函数，这里需要注意一个问题，如果秒为 零就会导致时间设置的变化，需要再读一次，具体函数如下： v o i dp 8 5 6 3 g e t t i m e0 p 8 5 6 3 一r e a d 0 ： i f ( p r i m e s t o r e 0 = = 0 ) p 8 5 6 3 一r e a d ( ) ： ) 2 3 4 串口程序实现 ( 1 ) 数据处理计算机与微控制器之间的通信： “$ t i m e ，y y m m d d h h m m s s ，# ”指令，为数据处理计算机对微控制器时间校准指令， 完成后，微控制器返回信息“s t i m e ，y y m m d d h h m m s s ，# 由数据处理计算机确认( 其 中y y m m d d h h m m s s 为日期的年月日时分秒) ； “$ w o r k ，y y m m d d ，y y m m d d ，t t t ，n n ，# 指令，为数据处理计算机对微控制器设置 起始工作时间和终止工作时间指令，微控制器接收并完成该指令后，返回信息 “$ w o r k ，y y m m d d ，y y m m d d ，t t t ，n n ，# ”由数据处理计算机确认，其中t t t 表示两次测 量的时间间隔，单位为分钟，n i l 表示每次测量的时间，单位为分钟； s l i n k # ”指令，为数据处理计算机命令微控制器打开d s p 采集存储模块电源并 启动连接进行数据转存指令，微控制器接收并完成该指令后，返回信息“s l i n k # 由数据处理计算机确认。 ( 2 ) d s p 采集存储模块与微控制器之间的通信： “$ w h a t # ”指令，为d s p 系统启动完毕信息指令，即d s p 加电完成启动后向 微控制器发送该指令；“$ t i m e ，y y m m d d h h s s ，n i l ，# ”指令，为d s p 测量启动指令，即 d s p 收到该指令后将该指令返回给微控制器，并开始数据采集，采集的数据以二进 俐方式存储成一个文件，文件名格式为“n y y m m d d h h s s b i n ( 其中n 为文件名固定 字符，y y m m d d h h s s 为接收到微控制器指令中的时间信息) ，如果由于串行通信故障 d s p 无法获取所需参数，则d s p 按照默认的方式工作，文件名为“n x b i n ( 其中n 1 2 华北电力大学硕士学位论文 为文件名固定字符，x 为记录文件的序号) ； “$ s t o p # 指令，为d s p 测量数据存储完毕信息指令，即d s p 完成采集存储后 向微控制器发送该指令，微控制器接收到该指令后，关闭d s p 模块的工作电源； “s l i n k # 指令，为d s p 启动连接指令，即d s p 模块接收到该指令后，启动u s b 连接并进行数据转存。 为了实现上述两个串口通信指令的正确及时应答，在设计中主要采用了设置适 当的寄存器使串口工作，并且两个串口通信都采用中断