（测试计量技术及仪器专业论文）智能伏安极谱仪系统的研制.pdf

摘要 本研究项目的主要目的是利用目前先进的计算机技术和配件，即目前最新型 的r i s c 单片机之一( a v r 单片机) 与具有快速数据分析处理和人机交互的优势 的微型计算机进行研究开发，最终将开发一个高效能的单片机与微型计算机结 合的应用系统：该系统为具有国际先进水平的第三代智能伏安极谱仪。此仪器 系统用于微量元素的测定，将具有较高的智能性，具有测量精度高、测量速度 快、测量数据可靠性强等优点。该仪器将为我国的材料科学、农业、环保、水 利以及国土资源调查等行业的发展提供高灵敏度、性能可靠的电化学分析仪器。 因此该仪器将具有很大的实际应用价值。 本文对该项目智能伏安极谱仪从各个方面进行了介绍。第一部分介绍了智 能伏安极谱仪的基本结构、工作原理。第二部分介绍了智能伏安极谱仪硬件系 统，重点介绍了核心器件r i s c 的单片机a t 9 0 s 8 5 1 5 及其系统、a d 及d a 转换、 光电隔离电路和电源电路。第三部分包括智能伏安极谱仪下位机与上位机的通 讯协议、待测溶液含量计算方法和过程、各种扫描实验方法和测量原理以及数 据处理分析方法。 最后，讨论了该智能伏安极谱仪有待完善或发展的方向。 关键词：智能伏安极谱仪，微量元素测量，a t 9 0 s 8 5 1 5 单片机，系统电路，含 量计算，扫描实验方法，数据处理 a b s t r a c t t h em a i no b j e c to ft h i sp r o j e c tist h ed e v e l o p m e n to ft h ea p p l i c a t i o ns y s t e m b yt h ea d v a n c e dc o m p u t i n gt e c h n o l o g ya n da p p a r a t u s ，w h i c h i sak i n do f r i s c m i c r o c o n t r o l l e r ，a v rm i c r o c o n t r 0 1 l e r ，a n dp e r s o n a lc o m p u t e r st h a th a v et h ea d v a n t a g e o v e rm a n a g i n gc o m p l e xd a t a sa n dh u m a n - m a c h i n ei n t e r a c t i o n f i n a l l yw ea r ee x p e c t e d t od e v e l o pa na p p l i c a t i o ns y s t e mc o m b i n i n gg r e a te f f i c l e n tm i c r o c o n t r o l l e r sw i t h p e r s o n a lc o m p u t e r s w h i c hist h et h i r dg e n e r a t i o no fi n t e l l i g e n tv o l t a m o g r a p hi n s t r u m e n t o u rs y s t e mi sf i tf o rm e a s u r e m e n to fm i c r o e l e m e n tb e c a u s eo ft h eh i g h m e a s u r i n gp r e c i s i o n 、r a p i dr e s p o n s et i m ea n do p e r a t i o n a lr e l i a b i l i t y t h ei n s t r u m e n t w i l l b ear e l i a b l ea n ds e n s i t i r e e l e c t r o c h e m i s t r ya n a l y s i s o n ef o rm a t e r i a l s c i e n c e 、a g r i c u l t u r e 、e n v i r o n m e n t p r o t e c t i n g 、w a t e rc o n s e r v a n c ya n ds o i l s u r v e yo f o u rc o u n t r y t h ei n s t r u m e n ti so fg r e a tp r a c t i c a la p p l i c a t i o nv a l u e s i nt h i sp a p e r ，w ec o m p l e t e l yi n t r o d u c et h ei n t e l l i g e n tv o l t a m o g r a p hi n s t r u m e n t i nt h ef o l l o w i n gf o u rs e c t i o n s i nc h a p t e ro n e ，w ei n t r o d u c et h eb a s i cs t r u c t u r ea n d f u n d a m e n t a lp r i n c i p l e so ft h ei n t e l l i g e n tv o l t a m o g r a p hi n s t r u m e n t i nc h a p t e rt w o ，w e i n t r o d u c et h eh a r d w a r e s y s t e m m u c ha t t e n t i o ni s p a i d t ot h ea t 9 0 s 8 5 1 5 m i c r o c o n t r o l l e ro fr i s cs t r u c t u r ea st h ek e r n e lc o m p o n e n t sa n da d 、d ac o n v e r t i o n e i r c u i t 、p h o t o e l e c t r i c i t y i n s u l a t e dc i r c u i ta n dp o w e rc i r c u i t i nc h a p t e rt h r e e w ei n t r o d u c et h ec o m m u n i c a t i o na g r e e m e n tb e t w e e nu pm a c h i n ea n dd o w nm a c h i n eo f i n t e l l i g e n tv o l t a m o g r a p h i n s t r u m e n t 、t h ec a l c u l a t i n gm e t h o da n d p r o c e s s f o r c o n c e n t r a t i o no fas u b s t a n c ei nt h es a m p l es o l u t i o n 、a l lk i n d so fs w e e p i n gm e t h o d s a n dd a t ap r o c e s s i n g sm e t h o d s f i n a l l y ，w ed i s c u s st h ec o n c l u s i o na n dp r o s p e c tf o rf u t u r ei m p r o v e m e n t k e yw o r d s ：i n t e l l i g e n tv o l t u m o g r a p hi n s t r u m e n t ，m e a s u r i n gm i c r o e l e m e n t ，a t 9 0 s 8 5 1 5 m i c r o t r o l l e r ，s y s t e mc i r c u i t ，c o n t e n t sc a l c u l a t i n g ，s w e e p sm e t h o d d a t ap r o c e s s i n g 南开大学硕士学位论文 一智能仪器及其发展概况 智能仪器( i n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t s ) 是随着测试计量技术和计算机技术的发展 而产生并在近几年随着计算机技术的飞速发展而获得迅猛发展的电子仪器。它的 主要特点，或者说它同前几代仪器的主要区别，在于仪器内含有了微处理器或微 控制器( 单片机) ，从而将软件也就是人工智能引入了仪器。可以说，智能仪器 就是由硬件和软件共同构成的仪器，由于智能仪器内含有了软件，它具有了如下 一些突出特点： 1 仪器的功能多，适于极其广泛的应用场合。 仪器的发展最初只是硬件的发展，这样的仪器功能有限，只能完成很小范围 内的任务。智能仪器内部包含了软件，可以通过数据处理实现间接测量，在 很大程度上增加了扩展仪器功能的灵活性。 2 智能仪器具有先进的人机对话方式。 智能仪器多采用以微处理( 控制) 器为测控核心，结合微型计算机作数据处 理及显示的系统；或采用为数不多的单触点功能键和数字键，面板显示多采 用七段l e d 显示、点阵式字符显示或c r t 显示的系统。它们在监控软件的 作用下，通过键语使仪器以使用者的愿望实现某项功能或某几项功能的组 合。与此同时，仪器还可将自身的运行情况、工作状态、测量数据及处理结 果及时告诉使用者，从而更加密切了人机之间的关系。 3 智能仪器具有远程控制和数据传输能力。 智能仪器一般配有一种或几种外部接口总线，可以和计算机连接或纳入自动 测试系统中工作；或接入网络实现数据的远程传输和控制。 4 仪器性能有很大的提高。 智能仪器通过自调零、自校准、自检、自动改换量程等特有的技术手段，大 大提高了仪器的性能并扩大了量程范围。在智能仪器出现之前，人们为提高 仪器的精确性、稳定性和可靠性付出了巨大的努力。智能仪器的出现使这些 问题获得了突破性的解决，其根本手段就是依靠电脑的智力自动校准和 自动检验。这是智能仪器在功能上优于传统仪器的两个主要方面。此外，非 线性校正、数字滤波等数字处理方法，都是提高仪器性能的强有力的手段。 南开大学硕士学位论文 总之，智能仪器内部引入了计算机技术，使测量过程改用软件控制。这不仅 简化了硬件结构，缩小了体积及功耗，提高了可靠性和灵活性，而且使仪器的自 动化程度更高。 商品化的智能仪器出现于1 9 7 3 年，此后发展极为迅速。1 9 7 5 年时大约有七、 八十种，1 9 7 9 年猛增至六百种左右，八十年代以后，在高准确度、高性能、多功 能的测量仪器中已经很少有不采用微计算机技术的了。 智能仪器的发展前景是极其乐观的。随着计算机技术的迅速发展，微处理器、 微控制器( 单片机) 以及其他大规模集成电路的功能不断增加，性能不断提高， 而价格不断下降。同时软件技术、计算机应用技术的飞快发展也都为智能仪器的 发展提供了优越的条件。 展望智能仪器未来的发展，以下几项技术的发展是重要的方向： 1 传感器技术。目前传感器正在朝着小型、固态、多功能、集成化方向发 展。大力发展传感器技术，提高传感器的性能和稳定性，是提高智能仪器 性能的基础。 2 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t s ) 。虚拟仪器是更新一代的电子仪器，它把计 算机和测试系统更紧密地集合了起来，融合为一体，软件在系统中发挥着更大 的作用。仪器中的一些硬件甚至整件仪器都从系统中“消失”了。而由计算机 和软件来完成它们的功能，形成了所谓的“虚拟仪器”。近年来，软件技术的 飞速发展，有力地推动了虚拟仪器的发展。目前虚拟仪器还处在发展的开始阶 段，仍存在工作频率不够高的缺点。但它的出现已引起了人们的极大的兴趣， 是电子测量技术发展的一个重要方向。 3 a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t ，专用集成电路) 芯片的使用。虽 然仪器功能的软件实现方案有许多优点，但也有工作频率低等缺点。随着超大 规模集成电路工艺的成熟与稳定，随着电子c a d ( c o m p u t e r a i d e dd e s i g n ，计 算机辅助设计) 技术的完善，a s i c 技术发展得很快，为仪器设计专用的a s i c 芯片提高仪器的速度，改善其实时性，而且可缩小仪器体积、降低生产成本、 提高可靠性、降低功耗、增强保密性。 南开大学硕士学位论文 二智能极谱伏安仪简介 2 1 智能伏安极谱仪简介 智能伏安极谱仪是在我们合作单位天津地质研究院1 9 8 6 年研制完成的微机伏 安极谱仪的基础上，参考国内外智能测量、控制和检测技术，结合新型的单片机 智能控制及数字信号处理等软件，参照国外极谱伏安仪智能化、微小化、便携 化、高速度的特点研制的。天津地质研究院1 9 8 6 年研制完成的微机伏安极谱仪曾 在8 7 年获得第3 6 届布鲁塞尔尤里卡国际发明奖并获得1 9 9 0 年国家发明专 利，此次我们在原来的专利技术和工作基础上对它进行新的技术开发和升级。 智能伏安极谱仪测量原理的理论基础是电分析化学中的仪器分析方法一极谱 分析法。极谱分析法是一种在特殊条件下进行的电解分析。极谱分析法是捷克斯 洛伐克化学家海洛夫斯基( j h e y r o v s k y ) 于1 9 2 2 年创立的。1 9 2 5 年，海洛夫斯基 和志方益三共同制成第一台自动照相记录的极谱仪，并发表了第一张极谱图。1 9 3 4 年尤考维奇( d il ，k o v i c ) 提出扩散电流理论，推导出了扩散电流方程式。1 9 3 5 年 海洛夫斯基提出半波电位的概念，导出极谱波方程式。他们的工作奠定了极谱分 析的理论基础。经典极谱法是以滴汞电极为工作电极，以大面积的甘汞电极或静 汞电极为参比电极，对试液进行电解：并根据电解过程中获得的电流一电压曲线 进行定量和定性分析的方法。 伏安极谱仪主要用于各种微量元素、杂质的分析测定。它的使用场合很广， 适用于材料科学、农业、环保、水利以及国土资源调查等多个行业，并且无论是 对生产，还是科研、教学都有很好的现实意义。而且伏安极谱仪在应用于材料科 学领域里各种掺杂物或杂质的分析测量中具有至关重要的作用。例如，在材料科 学领域里各种掺杂物或杂质的存在，对各种材料起着举足轻重的作用。譬如： ( 1 ) 建筑材料中钢铁、铜、铝等各种合金中，由于微量元素的存在，其性能产生 巨大的差异：有的变得坚韧不拔、抗腐蚀、耐高温，其价值提高千百倍；相 反的微量元素的存在使各种钢材，合金变脆、变软、甚至自蚀，而成废物。 ( 2 ) 在焊接材料中p b ，c d ，s 的存在，严重的影响焊接的性能。 ( 3 ) 涂料，清漆中可溶性的c d ，p b ，大理石中放射元素的存在也都严重的危害人 们的健康。 因此对于各种材料中杂质或微量元素的测定是材料科学中相当关键的核心问 南开大学硕士学位论文 题。我国历年发布的国标中涉及钢铁、合金、高纯有色金属、半导体材料、焊 料、涂料、清漆以及各种矿物中各种微量元素、杂质的分析中，采用伏安极谱法 进行测定已有几十种元素，由此可见伏安极谱分析法在材料科学领域是一种必不 可少的分析方法，伏安极谱仪更是不可缺少的仪器。 但是现在市场上的极谱伏安仪大都是由国外的公司生产，精度不是很高，而 且价格昂贵。比较典型的是美国p a r 公司，瑞士的m e t r o h m 公司，例如美国2 7 4 系列约为3 2 万元台，瑞士6 4 6 约为2 5 万元台，其测定电流范围为3 7 5 p a 4 4 5 u a 。可是目前国内生产的精度更低，只能达到5 0 0 p a ，不仅灵敏度满足不了要 求，在使用中故障率很高，难于推广。 在目前应用中，我国有一万台己过时模拟线路伏安极谱仪分布于各个行业， 我国已迫切的需要具有高新技术的智能伏安极谱仪来更新它们。 针对以上状况，我们设计了新的智能伏安极谱仪：利用单片机和p c 有机结 合，用单片机作为下位机来实时控制测量和采样，p c 作为上位机来实现数据处理 和人机交互。用p c 处理数据有很多优点：速度快、存储量大，而且在p c 上编写 的软件性能稳定，有着非常友好的用户接口，非常方便用于大量的数据测量处 理，除了现场实时测量以外，p c 还可以非常好的完成其他的测量要求。这样就克 服了以前只用p c 而出现的实时性不高的问题。该仪器系统具有较高的智能性，具 有测量精度高、测量速度快、测量数据可靠性强等优点。因此该仪器将具有很大 的实际应用价值。该仪器将为我国的的微量元素测量的发展提供高灵敏度、性能 可靠的电化学分析仪器。 2 2 智能伏安极谱仪的基本结构： 智能伏安极谱仪由上位机( p c ) ，下位机( 单片机) 和测量部件( 滴汞电极 和接收电极及d a ，a d 变换器等) 组成( 见下图1 ) 。 j 2 3 智能伏安极谱仪的工作原理：( 见图2 ) 上位机的主要功能是通过一个友好的界面实现人机交互，由用户给出测量的要 求和标准，上位机将此转化成控制参数和数据参数发送给下位机。然后接收下位 机经过简单处理后发过来的实时测量数据，并按设定要求画出采样数据变化曲 线，通过作图和电化学方面的数学方法得到待测样品溶液的某种元素的浓度。 南开大学硕士学位论文 图1 ：智能伏安极谱仪结构简图 图2 ：智能伏安极谱仪的工作原理简图 下位机的主要功能是从上位机接收到控制参数和数据参数后，根据参数实现输 出变化的电极电压并进行实时采样，把经过简单处理后的采样数据发给上位机， 同时控制滴汞电极的滴汞以及其他数字量的输入输出。对输出电压变化的控制由 一个1 6 位d a 变换器a d 6 6 9 实现，采样由一个2 0 位a d 变换器a d 7 7 0 3 实现。 测量部件在不同的扫描方法中由不同的电极组成。多数扫描方法主要由滴汞电 极和接收电极组成。采用“滴汞电极”是为了消除液体直流导电时，电极外的 “离子鞘层”所造成加在电极间的电压降，因而应不断地更换新电极。滴汞电极 是由一个下接毛细玻璃管的盛汞容器和敲击器构成，汞由于重力作用在毛细管下 端形成汞滴，测量时在滴汞电极上加有接单片机经d a 变换输出的电压，并在受 单片机控制下的敲击器的敲击下滴落旧的汞滴，然后在由于重力作用在毛细管下 端又形成新汞滴。接收电极用来测量溶液里电流量的大小，将电流量转化为电压 量并通过a d 变换器使模拟量转化为数字量，由单片机采样。 南开大学硕士学位论文 三智能伏安极谱仪硬件系统 3 1 智能伏安极谱仪的硬件系统结构 针对伏安极谱仪目前的流行趋势和发展方向，我们设计了智能伏安极谱仪。 在硬件设计上有以下几个重要的部分： 1 ) 采用精简指令体系结构( r i s c ) 的a t m e l 公司的a v r 单片机a t 9 0 s 8 5 1 5 作 为测控核心，既负责控制仪器下位机各部分的运行，又负责简单处理数 据。 2 ) 采用两片3 2 k b y t e 的数据存储器c y 7 c 1 9 9 ，实现高速大容量的存取。 3 ) 使用高精度1 6 位d a 变换器a d 6 6 9 来实现数模变换，以提高输出数据的 精度。 4 ) 使用高精度2 0 位a d 变换器a d 7 7 0 3 来实现模数变换，以增强采集数据能 力。 5 ) 采用光电隔离电路，消除干扰信号的影响，提高抗干扰能力，以提高信号 处理电路的信噪比。 智能伏安极谱仪的结构如下图所示。 智能伏安极谱仪硬件结构框图 3 2a v r 单片机( a t 9 0 s 8 5 1 5 ) 概述 3 2 1r i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r 精简指令) 南开大学硕士学位论文 由于本系统的测控核心采用的是a t m e l 公司的a v r 单片机，而a v r 单片机的 高性能主要是因其r i s c 体系结构，所以这里有必要对r i s c 作一些简介。 单片机的体系结构有精简指令体系结构( r i s c ) 和复杂指令体系结构 ( c i s c ) 两种。其中r i s c 出现于8 0 年代初期，由于其比传统的c i s c 具有更高 的运行速度，这一点使其已成为单片机体系结构发展的必然趋势之一。 传统c i s c 体系结构存在如下缺点： ( i ) 增加了许多复杂指令的特定要求( 如浮点运算) ，但同时也大大地增加了硬 件的实现难度。 ( 2 ) 复杂指令与功能较简单的指令同时存取于一个程序区，很难实现流水性操 作，降低了机器的整体速度。 相对于c i s c ，r i s c 不是简单的简化指令系统，而是通过简化指令系统使c p u 的结构更加简单合理，从而提高运行速度，其途径是减少指令的执行周期数( 如 a t 9 0 s 8 5 1 5 的大多数指令为单周期指令) ，表现为以下几个特点： ( 1 ) 优先选取使用频率最高的一些简单指令，以及一些很有用但不复杂的指令。 避免复杂的指令( 如a 7 9 0 3 8 5 1 5 的指令系统没有乘除，长跳转等复杂指令) ( 2 ) 指令长度相对固定，指令格式种类较少，寻址种类也较少 ( 3 ) 只有取数、存数指令访问存储器，其余指令的操作都在寄存器间进行。 ( 4 ) c p u 通用寄存器数量多，算术逻辑运算指令的操作数都在通用寄存器中存 取，解放了累加器。 3 2 2 a v r 单片机 3 2 2 1a t m e l 的产品特点 a t m e l 公司是世界上著名的高性能、低功耗、非易失性和数字集成电路的一流 半导体制造公司。他最令人注目的是它的e e p r o m 电可擦除技术、闪存技术和高质 量、高可靠性的生产技术。a t m e l 的单片机在计算机外部设备、通讯设备、自动化 工业控制、宇航设备、仪器仪表和各种消费类产品种有着广泛的前景。 a t m e l 的产品主要有如下特点： ( 1 ) 以e e p r o m 电可擦除及f l a s h 技术为主导 e e p r o m 及f l a s h 技术应用于集成电路使一些芯片的应用领域扩大，其中有 f l a s hp l d 、f l a s h 存储器、a t 9 0 系列f l a s h 单片机、a v r 增强型单片机、智能i c 卡等典型产品。 7 南开大学硕士学位论文 ( 2 ) 有多种封装形式和高的质量 封装形式有：d i p 、p g a 、p q f p 、t q f p 、s o i c 、c b g a 、ub g a 和客户专门制定 等。 ( 3 ) 高标准的质量检测 3 2 2 2a v r 单片机概述 美国a t m e l 公司的a v r 单片机是目前市场上最新型的单片机之一，具有执行 高速，指令高效、低电压、低功耗、驱动能力强、程序加密、适用范围广、开发 工具廉价、可扩展性好、可作为用户专用芯片等优点，其采用了f l a s h 技术和精 简指令r i s c 结构，这种结构使其在8 位微处理器市场上具有最高的性价比，也使 其成为在8 位单片机中第一种真正的r i s c 机。 9 0 系列单片机是增强r i s c 内载f l a s h 的单片机，简称为a v r 单片机。9 0 系 列是基于新的精简指令r i s c 结构的，a v r 结构单片机能采用c 语言编程，从而能 高效的开发出目标产品。为了对目标代码大小、性能及功耗的优化，a v r 单片机采 用了大型快速存取寄存器单元和快速单周期指令。快速存取r i s c 寄存器单元由3 2 个通用工作寄存器组成。通用工作寄存器代替传统的累加器，避免累加器和存储 器之间的数据传送。在a v r 单片机中，在前一条指令执行时，就取出现行指令， 然后以一个周期执行指令。 a v r 单片机采用h a r v a r d 结构，它的程序存储器和数据存储器是分开的。可直 接访问8 m 字节程序存储器和8 m 字节数据存储器，寄存器单元被双向映射，并能 被访问如同片内允许快速上下转换的那部分s r a m 存储器。 a v r 指令系统是r i s c 结构的精简指令集，大多数指令执行时间为单个时钟周 期。指令系统包括算术和逻辑指令、条件转移指令、无条件转移指令、数据传送 指令、位指令和位测试指令，还有一些汇编伪指令。 指令给出参与运算的数据的方式称为寻址方式。a v r 寻址方式有以下几种：单 寄存器直接寻址、双寄存器直接寻址、i o 直接寻址( i n 、o u t ) 、带位移的数据 间接寻址( 变址寄存器y 、z 加指令中的位移量) 、数据间接寻址( s tx ， r 1 6 ) 、带预减量的数据间接寻址( s t - x ，r o ) 、带后增量的数据间接寻址( l d r 1 6 ，x + ) 、常量寻址( l p m ) 、程序直接寻址( j m p 、c a l l ) 、程序间接寻址 ( i j m p 、i c a l l ) 、程序相关寻址( r j m p 、r c a l l ) 。 南开大学硕士学位论文 a v r 单片机采用低功率、非挥发的c m o s 工艺制造，通过s p i 口和一般的编程 器，可以对a v r 单片机的f l a s h 存储器进行编程，使用寿命为1 0 0 0 次写擦循 环。 3 2 2 3a t 9 0 s 8 5 1 5 系列单片机的体系结构 a t 9 0 s 8 5 1 5 是a v r 增强性能r i s c 结构的低功耗c m o s 技术8 位微处理器，具有 以下特征：i k 一1 2 8 k 字节可下载的f l a s h 存储器、6 4 4 k 字节的e e p r o m 、1 2 8 4 k 字节r a m 、5 - 3 2 条通用的i o 线、3 2 个通用的寄存器、带比较模式的定时器计数 器、可编程的串行u a r t 、内部及外部中断、带内部晶振的可编程看门狗定时器、 一个可下载程序而设计的s p i 串行口、1 0 位a d 转换器、以及2 个可通过软件选 择的省电模式；闲置模式下停止c p u 的工作，而s r a m 、定时器计数器、s p i 口及 中断系统继续工作：掉电模式保留寄存器的内容，但冻结晶振，终止芯片的其它 功能，直至下一次外部中断或硬件复位。 a v r 核为3 2 个通用寄存器与丰富指令集的组合。3 2 个寄存器全部直接与运算 逻辑单元( a l u ) 连接，这使得可以通过在一个时钟周期内执行一条指令来访问到 两个独立的寄存器。这种r i s c 组合机构具备的代码效率比完成同样处理能力的常 规c i s c 微控制器要快十倍。图3 2 2 3 为其内部体系结构框图。 3 2 2 4a t 9 0 s 8 5 1 5 引脚说明( 图3 2 2 4 ) ： a 、b 、c 、d 口作为通用8 位数字i o ，他们的数据方 向寄存器d d r x ( x 代a 、b 、c 、d ) 的作用相同，可吸收 2 0 m a 的电流，能直接驱动l e d 。通用8 位数字i o 功能 见下表3 2 2 4 ( i ) 。 表3 2 2 4 ( 1 ) d d r x np o r t x ni o上拉注释 o0 输入 否 三态 01输入 是上拉低p x n 脚输出电流 10 输出 否推挽0 输出 11 输出是推挽i 输出 c i p 仃 i 州 伪哪融 t 岣缈l 暇 i 删i p 群 瑚 1 豁 嘲嘲 嗍嘲 - t a m ) 嘲 附 啪 m i m i 鸭i 啊l - i i l 嘲 m 弧d 嘲蔚 社呻 甑，柚乃 1 0 _ 札l 竹 哪洲萄 嘲体i | i i 嘲悯 喇嗍 咐岬 p 曲* 嘲 呻i i 田 嘲娴 图3 2 2 4 $ 8 5 1 5 引脚 a 口( p a o p a 7 ) 当使用外部s r a m 时( 即作第二功能时) ，a 口作为复用的低位地 址数据和输入输出口。 轴靠“鞠“蹲豫刊婶打嚣辫嚣拉科，i，伸”惶”仃伯麓- g 南开大学硕士学位论文 一，口n 一- - ，日口p 盯 图3 2 2 3a t 9 0 s 8 5 1 5 内部结构图 p - 啊 l o 南开大学硕士学位论文 b 口( p b o p b 7 ) 具有第二功能，见表3 2 2 4 ( 2 ) 表3 2 2 4 ( 2 ) ： 引脚第二功能引脚第二功能 p b ot o ( 定时计数器0 输入)p b 4 s s ( s p i 从选择输入) p b lt 1 ( 定时计数器1 输入)p b 5m o s i ( s p i 主输出从输入) p b 2a i n o ( 模拟比较正输入)p b 6m o s o ( s p i 主输出从输入) p b 3a i n l ( 模拟比较负输入)p b 7s c k ( s p i 串行时钟) c 口( p c o p c 7 ) 访问外部数据存储器时，用作高位地址线。 d 口( p d o p d 7 ) 具第二功能，见表3 2 。2 ，4 ( 3 ) ： 表3 2 2 4 ( 3 ) 引脚第二功能引脚第二功能 p d o r x d ( u a r t 输入线) p d 5o c l a p d l t d x ( u a r t 输出线) p d 6 砥 p d 2i n t 0p d 7 面 p d 3i n t l r e s e t 复位输入。晶振运行时，一个两周期的低电平可对器件进行复位。 x t a l l 、x t a l 2 ：x t a l l 为晶振反向放大器的输入端和内部时钟操作电路的输 入端，x t a l 2 为晶振反向放大器的输出端。x t a l l 和x t a l 2 单独作为反相反大器 的输入和输出，可被设置为片内的晶振器，可使用石英晶振或陶瓷谐振器，如下 图a 。当由外部源驱动器件时，当x t a l l 被驱动时，x t a l 2 不能连接，如下图b 。 i c p 定时计数器l 的输入捕获功能的输入引脚 o c l b 定时计数器1 的输出比较功能b 的输出引脚。 a l e 使用外部存储器时的地址锁存使能端。 a ( 图a 、b晶振连接) b 南开大学硕士学位论文 3 3 d a 及a d 转换电路 3 3 1a d 6 6 9 及d a 转换电路设计 3 _ 3 1 1a d 6 6 9 简介 单片机输出量为数字量，我们是通过1 6 位d a 变换器a d 6 6 9 来实现数模变 换的。a d 6 6 9 是一种完全的1 6 位d a 变换器，并带有片载参考和输出放大器。它 具有双倍缓存器。它可保证1 5 位的单调性不受温度影响，积分的非线性稳定在 + 0 0 0 3 ，微分的非线性最大为+ 0 0 0 3 ，在一个完整的变化中片载输出放大器 提供一个在1 2 l s b 以下1 0 n s 的电压输出。数据通过一个并行1 6 位格式进入 a d 6 6 9 ，二倍缓存结构清除数据偏差错误并在一个m u l t i d a c 系统中提供同时的 d a c s 升级。3 个t t l l s t tl 5 vc m o s 兼容信号控制开关：c s ，l 1 和l d a c 。 a d 6 6 9 的输出档是脚控的，而且可被设为提供0 , - + 1 0 v 的单极输出或1 0 v , - , + 1 0 v 的双极输出。它在单极输出时最小变化单位为0 1 5 3 m v ，双极输出时最小 变化单位为o 3 0 6 m v 。 3 3 1 2 、8 5 1 5 单片机控制a d 6 6 9d a 转换电路设计： a d 6 6 9 的数据输入是并行1 6 位格式的。而8 5 1 5 单片机只能同时给出一个8 位 的并行输出，这就需要用到两个5 7 3 锁存器，分别将8 5 1 5 单片机分两次发送的两 个字节锁存，然后同时给到a d 6 6 9 。对5 7 3 的片选由一个h c l 3 8 三线译码器实 现。 图3 为8 5 1 5 单片机控制a d 6 6 9 d a 变换输出的原理示意简图，锁存器 7 4 h c 5 7 3 的1 1 脚接收片选信号，低电平有效。a d 6 6 9 的l 1 是第一级缓存信号， 图38 5 1 5 单片机控制a d 6 6 9 实现d a 变换简图 1 2 南开大学硕士学位论文 低电平有效；c s l 为片选信号接地，低电平有效。l d a c 为d a 变换信号，高电 平信号有效。 变换过程为：单片机通过1 3 8 译码器先选通第一块5 7 3 ，给出第一个字节； 然后关该5 7 3 ，选通第二个5 7 3 ，给出第二个字节；再通过置c s l 、l 1 为低就可 以得到一个并行1 6 位的数据。 这里数据输出的并行8 位总线是通过8 5 1 5 的a 口实现；选用c 口的与外部 s r a m 有关的第二功能来控制1 3 8 译码器进而控制5 7 3 的选通，通过m c u 控制寄 存器m c u c r 的s r e 、外部s r a m 使能位把c 口设置为第二功能；p d 0 脚控制 a d 6 6 9 的l d a c ，p d 3 脚控制l 1 ；而c s i 接地，一直保持低电平。 a d 6 6 9 单极性双极性输出的控制是通过电路板上的跳线实现的。 基于以上的硬件设计，8 5 1 5 单片机控制a d 6 6 9 的软件d a 变换模块可以通过 简单写外设地址的方法实现。 首先把8 5 1 5 单片机设置为对外部s r a m 读写，即设置m c u 控制寄存器 m c u c r 的s r e 位、s r w 位、i s c l l 位和i s c l 0 位为1 。设置s r e 位的作用是外部 s r a m 使能，且引脚a d 0 - a d 7 ( a 口) 、a s a 1 5 ( c 口) 、r d 和w r ( d 口) 作 为第二功能被激活。设置s r w 位的作用是加入外部s r a m 的等待状态。设置 i s c i1 位和i s c l 0 位的作用是i n t l 的上升沿产生一个中断请求。此功能由一个读写 外部s r a m 的程序模块实现。 然后通过分别写入从电路板的设计得到的对应两个5 7 3 锁存器的两个地址 ( $ f 3 f f 和$ f o f f ) ，实现对两个字节的锁存，从而实现对a d 6 6 9 的1 6 位并行数据 的输出。 需要注意的是由于a d 6 6 9 的1 6 位并行数据中1 l s b = 0 1 5 3 m y ( 单极性) 或 o 3 0 4 m v ( 双极性) ，上位机发送来的电压数据都要提前换算为以1 l s b 所代表的电压 为单位( 在p c 机处理中以换算完成) 。 d a 变换程序结构比较简单，这里不再作详细介绍。 3 3 2a d 7 7 0 3 及a d 转换电路设计 3 3 2 1a d 7 7 0 3 简介 a d 7 7 0 3 是一种高精度单片集成c m o s 结构低功耗的2 0 位a d 变换器。采用 了过采样- 一转换技术和片内自校准控制电路，精度高、成本低、工作温度范围 宽。而且它的噪声低、抗干扰能力强；带有六角高斯响应的片上数字滤波器的调 南开大学硕士学位论文 制模块连续采样输入信号，输出占空因数同输入信号成比例的信号，以高达4 k h z 的速度刷新2 0 位的输出寄存器，外部提供的或是片上振荡器的主时钟频率决定采 样率、滤波角频率、输出数据速率；带有片载自校准电路和可编程低通滤波器， 此保证了a d 转换的良好的线性；通过串口有两种同步方式( 通过移位寄存器或 工业标准的位控制器的串口) 输出数据；需0 2 5 或+ 一2 5 v 电源；空闲方式下功耗 可低至1 0uw ：转换精确度高达0 0 0 0 3 。 3 3 2 2 8 5 1 5 单片机控制a d 7 7 0 3a d 变换电路设计 单片机接收a d 变换采样是通过单片机同步串行通讯口s p i 接收一个2 0 位 a d 转换器a d 7 7 0 3 来实现的。 1 、8 5 1 5 和a d 7 7 0 3 同步串行通讯的实现： 同步串行口连线圈 数据主发送( 从接收)数据从接收( 主发送) 时钟主发送( 从接收)时钟从接收( 主发送) 地线地线 8 5 1 5 单片机同步串行通讯口s p i 简介： 8 5 1 5 单片机同步串行通讯口( s p i ) 允许9 0 系列单片机和外设或几个9 0 系列单 片机之间高速同步数据传送。9 0 系列单片机s p i 的特征如下： ( 1 ) 3 线、全双工数据传输。 ( 2 ) 主机或从机模式。 ( 3 ) 5 m b i t s 的最大数据率 ( 4 ) l s b 或m s b 位起始数据发送。 ( 5 ) 四种可编程的数据传输率。 ( 6 ) 数据传送完成中断标志。 ( 7 ) 写数据冲突标志保护。 ( 8 ) 闲置( i d l e ) 模式下唤醒( 仅从模式) 。 2 、通讯方法： a d 7 7 0 3 一直处于主模式，并一直向8 5 1 5 单片机发送实时的a d 采样数据， 单片机在a d 采样模块被调用时，开始找数据头。具体方法是：在时钟接收脚 ( p b 7 ) 查找时钟脉冲，找到个后再延时到第2 0 个和2 1 个时钟点上看是否有 时钟脉冲，如果第2 0 个有、第2 1 个没有，说明找到数据头，否则重新查找( 这 南开大学硕士学位论文 里经过实验，主模式的a d 采样电路用的是2 m 晶振片来提供同步脉冲) 。在找 到数据头之后，下一次来的数据段就是一个完整的2 0 位u d 采样数据，此时s p i 使能，通过查询s p i 中断标志位来接受a ，d 采样数据。 下图为查找数据头的方法示意图： 1 ：2 1 92 02 1 1 1 1 竺塑! 阳厂 阳立：厂 鼙，小奎一 o 有s c k 7有s c k 睁无s c k ? 3 3 - 2 3 对采样值干扰的处理： 采样值干扰主要有两大类： 1 ) 突发干扰：数据在传输过程中可能产生突发干扰，表现为数据的瞬时增大 或减小，干扰时间相对很短。所以单个采样数据会有一定的误差，这就要求采样 时采取采多点，去掉若干个最大最小值后求平均值的方法来尽量减小误差。 2 ) 周期性干扰及5 0 h z 的工频干扰：由于参考电源有5 0 周的固定干扰，所以 采样信号中就带有5 0 h z 的工频干扰及其他一些周期性干扰。而该类干扰有以下特 点： i d ( t ) d t = 0 i n ( t ) d t = 0 ( 2 ) 占 d ( t ) 为干扰信号的幅度，t 为其周期，n 为正整数；n ( t ) 为噪声幅度。 所以对于测量信号而言，消除该类干扰( 大多是5 0 h z 工频干扰) 影响的一个简 单有效的方法是对信号作积分。智能伏安极谱用软件进行积分，即可消除该类干 扰影响。 在t e a ，b 区间建立对v = v ( t ) 作数值积分会引进计算误差。为了保证积分的 精度，最方便的是使用抛物线法进行积分，其积分公式称为复合s i m p s o n 公式： 。料v t o4善v化。m芝v(t：洲化。，一n2i=l i 。= t iv ( ) + 4 ( t 2 j 一1 ) + 2 ：i ) + v ( t ：。) l ；m = ( 3 ) o l i - i j 其误差为： 南开大学硕士学位论文 e 。：一( b - a ) ( a t ) 4v ( 一( t 1 ) ，qe a ，b “一 1 8 0 、。7 。“1 ( 4 ) a t = b ，- ，a 。抛物线法的积分精度很高。因为实际微弱信号测量中的干扰信号主 n 要是5 0 h z 交流成分，为了消除它，积分时间应取其周期的整倍数，最小为 2 0 m s ，这样才可以有效地消除它。但是，这种方法只能应用于曲线采样点间隔 大于2 0 m s ( 这一点所有曲线都满足) ，且电压变化间隔大于8 0 m s 的电压变化 曲线。 3 4 光电隔离电路 在仪器的a d 变换部分与信号放大执行部分之间加有光电隔离电路。是为了 防止强电干扰进入系统，它既有电信号隔离作用、又有线性传输功能，从而使仪 器的使用范围更大，又提高了信号处理电路的信噪比。 仪器的隔离电路采用了线性光耦器件s l c 8 0 0 ( 实验阶段用) ，线性光耦 s l c 8 0 0 光电隔离器是电子线路中做隔离的优选器件，具有体积小、隔离效果 好、成本低、便于安装等特点。线性光耦是由发光二极管和光敏二极管构成，电 信号被发光二极管转变成光信号，通过光通道传给光敏管还原成电信号。由于输 入和输出端是靠光信号耦合的，在电气上是完全隔离的，因此输出端的信号不会反 馈到输入端，也不会产生地线干扰和其他串扰。由于发光二极管的正向电阻抗值 很低，而外界干扰的内阻一般很高，根据分压原理，干扰源能馈送到输入端的干 扰噪声很小，因此增加了抗干扰能力。 1 ) 线性光耦s l c s 0 0 的结构和参数 是由一对隔离信号组成，一个是输出信号，另一个是输入信号的伺服反馈信 号。这对信号高度匹配，要求两个光敏三级管的参数高度一致。 图：线性光耦s l c s 0 0 的内部结构示意图 南开大学硕士学位论文 线性光耦的主要参数： 输入电流：i f ，m a x = 1 5 m a 伺服电流：i p i ， 输出电流：i p 2 伺服增益：k l = i p l i f ，m i n = 0 0 0 3 ，m a x =