（通信与信息系统专业论文）基于usb接口的锅炉运行记录仪的设计.pdf

硕士毕业论文 基于u s b 接亡j 的锅炉运行记录仪的设计 摘要 锅炉运行记录仪( 锅炉黑匣子) 系统主要用于自动监测锅炉故障的各种参数，实 时监督可能发生的锅炉故障并记录故障发生的类型和时间。传统的记录仪系统基于r s - - 2 3 2 串口通信，利用外部r a md s l 2 3 0 y 存储信息，存储容量有限。随着接口技术和存 储技术的发展，本记录仪系统基于u s b 接口，采用外部u s b 移动存储器存放故障信 息。系统可以通过r s 一2 3 2 和u s b 接口的转换来对u s b 移动存储器进行读写操作，这样 就可以大大的增加了故障信息的数据量，为故障的分析提供足够的信息。 整个运行记录仪系统含硬件系统和软件系统两大部分。硬件系统在利用单片机 8 9 c 5 1 、时钟芯片d s l 2 8 8 7 、存储芯片d s l 2 3 0 y 和串口通信芯片m a x 2 3 2 对故障信息进行 采集存储和通信的基础上，重点研究了如何利用u s b 接口对外部u s b 移动存储器进行 读写操作以及p c 机如何通过u s b 接口获取u s b 移动存储器上的数据文件并将其转换成 锅炉故障信息。利用可视化程序设计工具c + + b u i l d e r 对人机界面进行设计的软件系 统，具有数据处理、数据库管理以及报表打印等功能。 关键词：u s b 接口单片机存储器串口通信数据库 堡主望些堡苎量主竺塑堡望塑塑生垩堑塑垂垡盟堡丛 一 a b s t r a c t b o i l e r so p e r a t i n gr e c o r d e rs y s t e r mi s m a i n l yu s e df o ra u t o m a t i c a l l ym o n i t o r i n gt h e p a r a m e t e r so f b o i l e r sb r e a k d o w n ，r e a l - t i m em o n i t o r i n gt h eu n d e r l y i n gb o i l e rb r e a k d o w na n d r e c o r d i n gt h e i rh a p p e n i n gt i m e sa n dt y p e s b a s e do nr s 一2 3 2s e r i a l p o r tc o m m u n i c a t i o n ， t r a d i t i o n a lr e c o r d e rs y s t e ma c h i e v e sm e m o r ys t o r a g et h r o u g hr a m d s l 2 3 0 y ，l i m i t i n gi t s m e m o r ya b i l i t y w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n t e r f a c ea n dm e m o r yt e c h n o l o g y ，t h i sp a p e r d e v e l o p sa u s b s e r i a l - p o r tb a s e dr e c o r d e rs y s t e m ，e x p l o i t i n go u t s i d eu s b m o b i l em e m o r y d i s kt os t o r a g eb r e a k d o w ni n f o r m a t i o n t h i ss y s t e mr u n st h er e a d i n ga n d w r i t i n go p e r a t i o no f o u t s i d eu s b m e m o r yt h r o u g hr e a l i z i n gt h ec o n v e r s i o no f r s 2 3 2a n du s b s e r i a l p o r t ，t h u s i n c r e a s e sal a r g ea m o u n to fb r e a k d o w ni n f o r m a t i o n m e m o r ya b i l i t y t h e d e v e l o p e ds y s t e m i sm a d e u po fh a r d w a r ea n ds o f t w a r es u b - s y s t e m s t h eh a r d w a r e s y s t e mt a k e sa d v a n t a g eo fs i n g l e c h i p8 9 c 51 ，r e a l - t i m ec l o c kc h i pd s1 2 8 8 7 ，m e m o r yc h i p d s l 2 3 0 ya n d s e r i a l p o r t c o m m u n i c a t i o n c h i p m a x 2 3 2t oc o l l e c ta n dm e m o r i z et h e b r e a k d o w ni n f o r m a t i o na sw e l la sc o m m u n i c a t ew i t hi t t h i sp a p e re m p h a s e st h es t u d i e so n h o wt ou t i l i z eu s bs e r i a l p o r tt or u nt h er e a d i n ga n dw r i t i n go p e r a t i o no fo u t s i d eu s b m o b i l em e m o r ya n dh o wt o a c q u i r et h ed a t ad o c u m e n tf r o mu s bm o b i l em e m o r ya n d t r a n s f o r mi ti n t ob r e a k d o w no ft h eb o i l e r t h r o u g hu s bs e r i a l p o r t t h es o f t w a r es y s t e m u t i l i z e st h ev i s u a lp r o g r a md e v i s i n gi n s t r u m e n t c + + b u i l d 丝t or e a l i z eh u m a n - c o m p u t e r i n t e r f a c e ，d a t ap r o c e s s i n ga n dm a n a g e m e n ta n do u t p u t p r i n t i n g k e yw o r d s ：u s bi n t e r f a c e s c m m e m o r ys e r i a l - p o r tc o m m u n i c a t i o n d a t a b a s e i i 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：年月日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：年月日 堡主兰些堡兰茎主竺塑堡呈塑塑芝垩堑里墨堡塑垦生 1 引言 锅炉是国民经济各部门广泛使用的重要设备。加强这种设备的安全管理，既是企 业技术管理的一项必不可少的内容，又是保护职工生命安全和保证生产建设顺利进行 的一项重要措施。近几年来，这种设备的数量成倍增加，而企业的锅炉安全管理工作 却没有相应地跟上。事实证明，锅炉和受压容器安全监察工作的好坏，对职工的安危 和生产建设影响很大，决不可以稍加忽视。 锅炉是工业生产中十分重要的特种设备。在世界上工业发达的国家，一般都设有 监督机构和建立健全的管理制度。我国工业所需要的动力和热能绝大部分是依靠锅炉 供给，工业各部门还广泛使用各类受压容器。这些特种设备在运行条件下具有高压、 高温等特点，因此必须加强安全管理。 1 9 8 2 年2 月，国务院发布锅炉压力容器安全监察暂行条例，为我国建立锅炉 压力容器安全监察制度提供了法规性依据。随着我国国民经济的发展、科学技术的进 步和管理水平的提高，我国锅炉行业从设计制造到使用运行水平都发生了较大变化。 1 9 9 6 年原劳动人事部在蒸汽锅炉安全技术监察规程( 劳人锅( 1 , 9 8 ) 4 号) 的基 础上对原规程进行了全面修订，新修订的蒸汽锅炉安全技术监察规程于1 9 9 7 年t 月1 日起开始执行。2 0 多年来，锅容管特安全监察工作日趋完善，法规标准体系初步 建立，安全监察机构覆盖全国，检查队伍逐渐成熟。“九五”期间特别是1 9 9 8 年国务院 机构改革，决定将锅容管特安全检查职能从劳动部门转化到质量技术监督系统，随着 全国质量技术监督系统实现省以下垂直管理，锅容管特安全监察工作进一步得到强 化。 在这种情况之下，锅炉安全监测的运行记录仪系统的重要性越来越明显了。自动 监控的运行记录仪系统不仅能对尚未造成事故的锅炉故障起到预警的作用，而且当锅 炉出现的故障导致重大事故，造成巨大损失时，能对出现事故的原因作出分析防止 悲剧的再次发生。 对运行记录仪系统的设计，涉及到硬件和软件的设计。随着计算机通信技术以及 存储技术的飞速发展，对运行记录仪系统的设计也是越来越完善。 本系统主要分为硬件和软件两大系统。 硬件系统工作在第一线，用于实时采集记录锅炉故障信息。随着u s b 技术和存储 技术的发展，硬件系统可以通过r s 一2 3 2 和u s b 接口的转换来对u s b 移动存储器进行读 写操作，这样就可以大大的增加故障信息的数据量，为故障的分析提供足够的信息。 软件系统是指p c 机的人机界面。当需要采集运行记录仪中故障数据时，使用串1 3 线将p c 机的r s 一2 3 2 串口和运行记录仪系统连接，人机界面则为操作人员对运行记录 仪中数据的采集处理提供良好的环境。 硕士毕业论文基于u s b 接口的锅炉运行记录攸肋设计 2 系统整体方案设计 锅炉是一种危险性较大的生产、生活设备，运行环境恶劣，事故发生比例较高， 故障的分析、处理、预防费用也比较大。目前，锅炉运行状况主要靠操作人员填写设 备运行记录来进行监督管理，其客观性很差。为准确反应锅炉实际运行状况，降低事 故( 故障) 分析成本，保证锅炉安全运行，工业锅炉设备迫切需要一个运行记录仪来 自动记录自身的运行状态。 2 1 设计指导思想 工业锅炉自身有较完善的电气控制系统，电路的断、开( 有电、无电) 基本能反 应出锅炉的实际运行状态。运行记录仪可以用电气系统的电路状态作为信号来源，直 接用电路状态( 高电平、低电平) 作为该装置的数字信号。 运行记录仪的主要部件由信号存储器、输入输出系统组成。信号存储器应能将电 路状态信号存储一个检验周期( 一般为1 2 至2 4 个月) 以上。输出系统分为实时发送 系统( 第二代产品) 、定期传输系统( 第一代产品) 两部分。实时发送系统可将信号 通过网络实时发至监控计算机；定期传输系统能将前阶段的信号集中传输给移动式 存储器或便携式计算机。 2 2 运行记录仪系统整体框图 系统整体框图如图2 2 1 所示。 f 露露雾瑟瑟霹霹雾1 i |j t _ ”一i 。 ，i j 莺型燎精器孽澍 i 一童爱麓i i 瑟熊! i + d f 一+ 1 i圭控服务器? ； * ( 稽哮识别中一心) j ； ! 圈22l 运行记录仪系统整体框图 i 地 一星! 卜堆i i 中； ：| 心j 堕主兰些鲨苎茎兰竺! ! 塑旦丝塑竺垩堡望茎垡塑堡笪 2 3 数据源分析 工业锅炉控制信号虽因锅炉型号不同有所区别，也因控制台生产厂家不同线路不 完全规范。但其主要控制线路的功能相同，控制线路输出端均有信号接至面板作显示 信号( 信号灯、各种显示仪表) 输入。运行记录仪即以此信号作为数据源。由于每种 故障的产生和结束可用一个位( b i t ) 0 或l 来表示，贝i j 八种故障正好可以用一个字节 来表示，具体定义见表2 3 1 。 输 序入 信号类型或意义 外部电 信号代码说明 号引路状态 脚 1 i n o 锅炉超压 有电0 0 0 0 0 0 0 1故障信号 2 i n i 锅炉低水位( 缺水) 有电0 0 0 0 0 0 1 0故障信号 3 i n 2 锅炉高水位( 满水) 有电0 0 0 0 0 1 0 0故障信号 热载体炉循环泵停止运 4 i n 3行或燃油炉燃油泵停止有电 0 0 0 0 1 0 0 0故障信号 运行 5 i n 4 锅炉引风运转 有电0 0 0 1 0 0 0 0运行控制信号 6 i n 5 锅炉炉排运转 有电0 0 1 0 0 0 0 0运行控制信号 7 i n 6 锅炉鼓风运转 有电0 1 0 0 0 0 0 0运行控制信号 8 i n 7 锅炉进水 有电1 0 0 0 0 0 0 0运行控制信号 表2 3 1运行记录仪系统的信号含义列表 2 4 系统硬件设计简介 运行记录仪硬件系统主要技术指标： 1 输入信号通道范围：l 8 路故障信号输入； 2 输入信号电压范围：6 3 v 2 2 0 v ，交直流均可； 3 通信接口：i r s 一2 3 2 接口( 与p c 机通信) ； i i u s b 接口( 写u s b 移动存储器) ； 4 存储容量：i 3 2 k 字节( 通过r s - 2 3 2 接口) ： i i 3 2 m 1 2 8 m 字节或更大( 通过u s b 接口) ： 5 存储故障时间：年、月、日、时、分、秒，实时时钟允许误差：_ _ _ 5 s d ： 6 时钟分辨率：1 秒钟： 硕士毕业论文基于u s b 接口的锅炉运行记录仪的设计 7 可选的故障采样时间间隔：可根据软件分频器选择0 5 s 、 8 工作环境：正常工作温度：o 7 0 。c ： 正常工作湿度：2 0 r h 9 5 r h ； 9 工作电源电压：( 2 2 0 1 0 ) v 交流电压，5 0 h z ： 1 0 断电后数据保存时间：l o 年； 1 1 记录时问：2 4 小时实时记录存储。 系统硬件框图如图2 4 1 所示 2 2 0 v 控制信号 1 1 b y 控制信号 1 6 v 控制信号 0 r 一 0 r o r 6 3 v 控制信号1 o r 信号转换( 整 流、变压) u b s 移动存储器 8 9 c 5 1 处理器 数据存储器( 3 2 k ) r s 2 3 2 通讯接口 ( 输出) 圈2 4 1 运行记录仪硬件系统框图 2 5 系统软件设计简介舱 p c 机信号采集及 数据库系统 实 时 时 钟 芯 片 系统界面软件主要是面向操作人员，它的好坏往往决定了用户对整个系统的满意 程度。运行记录仪系统的p c 机界面软件采用i n p r i s e 公司( 原b o r l a n d 公司) 的c + + b u i l d e r 集成开发环境。该开发系统开出来的界面优雅大方，给人耳目新的感觉。 、系统软件分故障信息采集和数据库管理两大部分。 硕士毕业论文 基于u s b 接口的锅炉运行记录仪的设计 2 5 1 故障信息采集系统软件 数据源为6 3 v 2 2 0 v 交直流电源，八路数据应能同时采集，同时处理，各自存 贮，互不干扰。采集目标是各路电信号出现的时间和频率，数据出现时间以自然时间记 载( 可以精确到秒钟) 。 故障信息的采集有两种方法：i 通过r s 一2 3 2 串口和硬件系统的通信；2 通过u s b 接口读取u s b 移动存储器中的数据文件。不管哪种方法，对采集到的故障信息的处理 都是一样的。通过对一个字节的故障信息的处理，获得八个故障中哪些故障开始产 生，哪些故障已经结束，然后把分析的结果连同六个字节的时间信息( 年、月、日、 时、分、秒) 写入数据库。 2 5 2 数据库系统软件 2 5 2 1 数据库系统软件主要功能框图 如图2 5 1 所示，数据库系统具有显示数据、统计数据和打印数据的劝能。在数 据库中，八个故障是分八张数据表分别存放的，每张表有两个字段名：故障的起始时 间和日期与故障的结束时间和日期。 这样每个故障的起始和结束看起来一目了然，当然生成的报表也具有统计的功 能，可以打印一个故障的信息，也可以打印一段时间内所有故障的信息。 2 5 2 2 数据库存放格式 图2 5 1 数据库操作框图 故障信息在数据库中是以表格的方式存放，八个故障对应八张表。另外，由于计 算机缓存不够，必须将已接收但还未处理的数据先存进数据库，待后来处理，于是在 数据库中还有一张接收数据表，但这张表是尚未处理的数据，对用户般没有用途， 也不做打印输出。 故障数据表如表2 5 2 所示。 信号含义( 1 ) 故障开始日期和时问l 故障结束日期和时间 2 0 0 3 9 一1 41 0 ：4 9 ：1 2 l2 0 0 3 9 1 41 1 ：5 5 ：1 3 堡主望些丝兰 苎竺! ! 壁望塑堡生垩堑笙i 坠塑堡生一 信号含义( 2 ) 塑堕五堕旦塑塑堕囹 2 0 0 3 - 9 1 41 3 ：3 3 ：5 5 故障结束日期和时间 2 0 0 3 9 1 50 8 ：5 1 ：1 4 信号含义( 8 ) 故障开始e ：i 期和时间i 故障结束r 期和时间 2 0 0 3 9 1 31 3 ：5 6 ：3 4 i2 0 0 3 9 1 60 9 ：3 1 ：2 2 表2 ，5 ，2 锅炉故障数据表 2 5 2 3 数据库主要功能设置 数据库主要功能框图如图2 5 3 所示。 数据输入 数据库字段录入 数据库表名修改 数据库特定时间段内故障添加 数据库特定时间段内故障删除 输入用户信息及用户信息修改 l, - t -1i 塑塑星壁蕉堕囹璧虫苤垫堕堕盐 i 卜_ + i 数据库特定时间段内多故障统计 臣丑。 页面设置 打印预览 打印 数据库备份 数据另存为 图25 ，3 数据库主要功能框图 3 系统硬件设计与实现 锅炉运行记录仪硬件系统设计涉及三大部分：1 信号转换部分：锅炉内部的故障可 通过已有的检测设备检测出来，但是输出的是数值较大的交流电压，不适合运行记录 仪直接进行采集处理，要通过信号转换部分将其转换成标准的t t l 电平以供采集处 理：2 信号的采集存储处理及串口通信部分：将信号转换部分输出的t t l 电平进行处 硕士毕业论文基于u s b 接口的锅炉运行记录仪的设计 理，得到故障信息( 故障类型和日期) 并进行存储，当p c 机要求采集存储器中的数据 时，可将r a m 中的数据通过r s 一2 3 2 串口和单片机通信；3 外部u s b 移动存储部分： 由于外部r a m 的存储容量有限可利用u s b 接口，通过运行记录仪内的数据格式转换 电路将外部r a m 中的数据以文件的形式写入u s b 移动存储器，以及p c 机通过u s b 接 口获取u s b 移动存储器上的数据文件并将其转换成锅炉故障信息。 3 1 信号转换部分 锅炉内部故障通过锅炉自带的装置检测出来，不同的锅炉故障检测装置输出的电 压值不同，一般情况下有四种交流电压：2 2 0 v 、1 1 0 v 、1 6 v 、6 3 v 。为了便于单片机 处理，都需要转换成统一的1 v r l 电平以便运行记录仪采集处理。 首先，将交流信号通过跳线装置如图3 1 1 所示，将各路交流信号通过对应的 电阻以获得相同的的电流来驱动光隔耦合器t i l l l 3 ，光耦输出的电压通过整形成方 波，最后经过电压比较器输出一个标准的t t l 电平。 3 1 1 整形电路 圈31 1 信号转换电路图 为将光耦输出的信号转换为规则的脉冲信号，采用集成电压比较器l m 3 3 9 将信号 u i 进行整形，实现波形转换。 硕士毕业论文基于u s b 接u 的锅炉运行记录仪的设计 电压比较器的功能是将输入的模拟信号与一个参考电压进行比较，当u i u r e f 时，输出电压产生跃变，从而来判断输入信号的大小。其电路图与传输特性见图 3 1 2 ，整形电路输入、输出电压波形见图3 1 3 。 u o u o u 图3 1 2电压比较器电路图与传输特性 u i u e r f 图3 1 3 整形电路输入、输出电压波形 硕士毕业论文基于u s b 接u 的锅炉运行记录仪的设计 3 2 信号采集存储处理及串口通信部分 将信号转换部分输出的t t l 电平进行处理，得到故障信息( 故障类型和日期) 并 进行存储。信号处理核心部分用到单片机8 9 c 5 1 、时钟芯片d s l 2 8 8 7 、3 2 k 外部数据存 储器d s l 2 3 0 y 和m a x 2 3 2 串口通信芯片，具体电路见图3 2 1 。 3 2 1 m c s 5 1 型单片机简介 为满足广大应用的需要，随着大规模集成技术的发展，微型计算机的发展形成了 两个分支：一是充分利用大规模集成电路技术，不断扩大微处理器的功能，向以赶超 小型机，超小型机乃至中大型计算机为目标的方向发展；另一个分支是单片微型计算 机的诞生和发展。 单片机是指在一块芯片上集成了构成一台计算机的基本部件，包括中央处理器 ( c p u ) ，存储器( r a m r o m ) ，i o 接口以及其他有关部件，一块芯片就构成一台计算机 故称为单片微型计算机，简称单片机。 图3 2 1 信号采集处理及申口通信部分电路图 3 2 1 1 m c s 一5 1 型单片机特点。1 1 体积小 硕士毕业论文基于u s b 接口的锅炉运行记录饺的设计 受集成度限制，片内存储器容量较小，一般r o m 为4 k 8 k 字节，r a m 为2 5 6 字 节。但是，可以在外部扩展。通常r o m 和r a m 分别扩展到6 4 k 字节。 2 可靠性高 芯片本身是按照工业测控环境要求设计的，由于一般通用c p u 、程序指令、常数及 表格固化在r o m 中不易破坏，许多信号通道均在一个芯片内，故可靠性高。 3 易扩展 片内具有计算机正常运行所必须的部件。芯片外部具有许多供扩展用三总线及并 行、串行输入输出管脚，很容易构成各种规模的计算机应用系统。 4 控制功能强 为满足工业控制要求，单片机的指令系统中均有极丰富的条件分支转移指令，i o 口的逻辑操作以及位处理功能，一般单片机内无监控程序或系统通用管理软件，只放 置有用户调试好的应用程序。 3 2 1 2m c s 5 1 型芯片内部结构乜抽“1 1 5 1 型单片机芯片内部结构 一个8 位的c p u ： 4 k 字节内部程序处理器； 1 2 8 字节内部数据存储器； 3 2 根i 0 线： 特殊功能寄存器区； 0 2 个1 6 位定时器计数器； 具有5 个中断源、2 个优先级的嵌套中断结构； 1 个全双工串行口； 1 个振荡器和时钟电路。 2 5 1 型单片机的引脚配置和功能 其4 0 脚的功能如下： v s s 和v c c 为主电源引脚； 外接晶体引脚x t a l l 和x t a l 2 ： 控制或和其他电源复用引脚r s t v p d 、a l e p r o g 、p s e g 和e a v d d ： 输9 输出引脚p o o p o 7 、p 1 o p 1 7 、p 2 o p 2 ，7 、这8 个引脚还有变异 功能。 如图3 2 2 所示： 硕士毕业论文幕于u s b 接口的锅炉运行记录仪的设计 ，l qp p l l靼1 尊l j p 0 2 靓， p 0 3 p14。p04 p 1 5p 0 5 p 1 6娜 p i 7脚 埘t lp 2 0 瑚t 0p 2 1 p 2 2 7 t ip t 0吻 膨 脬p 笛 p 钾 x l x 2 诬s e _ f鼯d 戡；u 叠鎏 铽j_ “谴i 图3 2 ，28 0 5 1 芯片图 3 总线结构 单片机的管脚除了电源、复位、用户i o 口外，其余管脚都是为了实现系统扩展 而设置。这些管脚构成了三总线形式。 地址总线( a b ) 地址总线宽度为1 6 位，外部存储器直接寻址范围为6 4 k 字节。1 6 位地址总线由 p 0 口经地址锁存器提供低8 位地址，p 2 直接提供高8 位地址。 数据总线( d b ) 数据总线宽度为8 位，由p 0 口提供。 控制总线( c b ) 由p 3 口的变异功能和4 根独立控制线r e s e t 、卧、a l e 、p s e n 组成。 4 内部结构 算术逻辑运算部件a l u 它的作用是对传送的c p u 的数据进行算术、逻辑运算操作。m c s 一5 1 的a l u 还具有 极强的位处理功能：置位、清零、取反、逻辑与、逻辑或等操作。故其称为布尔处理 器。 寄存器 c p u 中专用寄存器有： a 累加器a ：它用于提供操作数和存放运算结果； 硕士毕业论文基于u s b 接口的锅炉运行记录仪的设计 b 寄存器b ：与累加器配合使用； c 程序状态寄存器( p s w ) ：它的重要特点是可以编程，即可以通过软件来改变 p s w 的状态标志； d 堆栈指针s p ：为8 位寄存器，用以指示堆栈栈顶地址。单片机复位后，栈指针 s p 总是指向0 7 h 单元，这时第一个压入栈的数据应存放在0 8 h 单元中，并以此为栈豹 起始。栈指针可编程，以实现堆栈再定位的内部数据存储器的任意区域： e 数据指针( d p t r ) ：是一个独特的1 6 位地址寄存器，它可指向6 4 k 字节范围内 的任一地址单元。 时钟电路 8 0 5 1 的引脚x t a l l 和x t a l 2 分别为片内单极反向放大器的输入输出端，这个内帮 反相器可与外部元件组成皮尔斯( p i e r c e ) 振荡器。在任何情况下，振荡器始终驱动 内部时钟向主机提供时钟信号，再由内部时钟信号确定c p u 的时序。指令的机器周期 包含1 2 个时钟周期。 存储器 m c s 一5 1 的存储器有程序存储器( r o m ) 和数据存储器( r a m ) ，在使用上二者是严 格区分开的。它们各有自己的寻址系统、控制系统和功用。 m c s 一5 1 存储器空间可分为片内、片外的数据存储空间。 a 程序存储器 程序存储器空间有6 4 k 字节，分为片内，片外两部分。 当片脚队= l 时，8 0 5 1 按地址1 0 0 0 h ( 8 0 5 2 按2 0 0 h ) 分界。地址在1 0 0 0 h 以下 的，去内部存储器取指令。地址在1 0 0 0 h 以上则去外部存储器取指令。若e a = o , 则眷 去外部程序存储器取指令。程序存储器用1 6 位地址总线，由1 6 位程序计数器( p c ) 和能产生1 6 位地址的指令进行寻址。 程序存储器( r o m ) 内部和外部的地址是连续的，内部为0 0 0 0 h o f f f h ，共4 k b ： 外部为1 0 0 0 h f f f f h ，共6 0 k b 。r o m 主要用来存放程序或常数。当程序计数器由内 o f f f h 执行至o c j 部1 0 0 0 h 时，会自动跳转。 程序存储器间传送指令用m o v ca ， a + p c 或m o v ca ， a + d p t r 。该系统中，8 0 5 1 内部程序存储器4 k b r o m ，8 7 5 1 为4 k b e p r o m ，而8 0 3 1 内部则没有程序存储器。因此，在 使用8 0 3 1 时，e a = l 。8 0 5 1 的程序由厂家一次写入。8 7 5 1 的程序可由用户编写，而8 0 3 1 则须扩展外部r o m 。这种情况比较适合我国的情况，因此，目前国内使用的m c s 一5 1 系 列单片机多为8 0 5 1 。 b 内部数据存储器 堡主兰些笙皇苎：! = 旦塑垫旦塑塑生墨堑里墨堡塑塑生 这是灵活的地址空间，此空间分为两个区：低1 2 8 字节为r a m 区、高1 2 8 字节为 专用寄存器( s f r ) 区，在8 0 5 2 8 0 3 2 单片机中高1 2 8 字节既是s f r 区又是r a m 区，高 i a m 区与s f r 区共享同样地址。 它们由不同的寻址方式来区别，内部数据存储器可设置堆栈，复位时栈顶自动定 位为0 7 h 。 可以通过专用寄存器s p ( 堆栈指针) ，来确定栈顶的地址。堆栈深度不能超过内 部r a m 空间。内部r a m 块中的3 2 4 7 ( 2 0 h 2 f h ) 单元和s f r 块中的1 2 单元构成布尔 处理器的存储空间。这2 8 个单元的2 2 1 位都有专用的位地址。 内部r a m 存储器分成4 个区，不同区域，其功能也不同：i 工作寄存器：8 0 5 1 单片机由内部r a m 的3 2 个单元分成4 个工作寄存器区，每个区有r o a r 7 共8 个工作 寄存器。工作寄存器区间的选择由程序状态寄存器p s w 的r s l 和r s o 两位来选择。 i i 寻址寄存器：内部r a m 的2 0 h 2 f h 这1 6 个单元作为位寻址寄存器区，该区内的 每一位都有一个8 位地址，编址为o o h t f h 。除了r a m 中的位寻址空间以外，在专用寄 存器中也有一部分寻址空间，但不是所有的专用寄存器都可以，只有其字节地址能被8 整除的专用寄存器，才能按位寻址。 c 专用寄存器 8 0 5 1 有2 1 个专用寄存器，它们被分散地安排在内部r a m 的8 0 h f f h 地址空间。 5 定时计数器 8 0 5 1 单片机的内部有两个1 6 位定时计数器t o 和t 1 ，它们即可用于定时，也可 用于对外部计数脉冲计数，还可以作为串行口波特率发生器。 定时计数器主要由几个寄存器组成：t m o d 、t c o n 、t h o 、t l o 、t h l 、t l l 。其中， t m o d 为定时计数器的方式控制字寄存器；t c o n 用作中断溢出标志，并控制定时计数 器的启停；t h o 、t l o 、t h l 、t l l 分别为t 0 和t 1 的时间常数寄存器。t h o 和t h l 为高8 位，t l o 和t l l 为低8 位。定时计数器的主要应用是设置t m o d 和t c o n 两个控制寄存 器状态。 6 。串行接口 8 0 5 1 系列单片机采用全双工串行接口，即能同时进行发送与接收。串行口包括两 个寄存器。个是数据缓冲寄存器s b u f ，它是一个可直接寻址的专用寄存器。当向 s b u f 写入时，数据进入发送寄存器，而从s b u f 读出时，数据从接收寄存器读出。 串行口的另一个寄存器是控制寄存器s c o n ，用以控制和监视串行口的工作状态。 3 2 1 3 单片机系统扩展及接口技术n h 7 1 1 程序存储器的扩展 硕士毕业论文基于u s b 接口的锅炉运行记录伎的设计 单片机在原理设计上，程序存储器和数据存储器的地址空间是相互独立的，扩展 用的程序存储器芯片大多采用e p r o m ，最大可扩展到6 4 k 字节。 2 ，地址线 程序存储器的低8 位地址线( a o a 7 ) 与p 。口( p o o p o 7 ) 相连。程序存储器 的高8 位地址线( a 8 a 1 5 ) 与p 2 口( p 2 0 p 2 7 ) 相连。 由于单片机的p 0 口分时输出低8 位地址和数据，故必须外加地址锁存器，并由 c p u 发出的地址锁存允许信号a l e 的下降沿将地址信息锁存到锁存器中。单片机的p 2 口一般作为高位地址线及片选线，由于p 2 口输出具有锁存功能，故不必外加地址锁存 器。 3 数据线 程序存储器的8 位数据线与p 0 口( p o 0 p 0 7 ) 从低到高对应相连。 4 控制线 程序选通有效信号p s e n 端与程序存储器的输出使能端o e 相连。地址锁存允许信 号a l e 通常接至地址锁存器的锁存控制端l e 。 3 2 2 d s l 2 8 8 7 实时时钟芯片简介 d s l 2 8 8 7 是内部带有非易失性r a m 的实时时钟芯片，采用双列直插d i p 封装，内有 石英晶体、锂电池和一个集成电路。集成电路内包括振荡器、多级分频器、周期中断 选择器、方波发生器、方波输出电路、日历时钟、警报时钟、实时时钟、总线接口、 电源开关、写保护电路、计数器、4 个寄存器以及1 1 4 字节的用户r a m 。 3 2 2 i d s l 2 8 8 7 实时时钟芯片特点和功能1 3 l i i 1 即使掉电也保证内部r a m 内容不丢失和内部时钟正常工作 当外部供电不低于4 2 5 v 时，d s l 2 8 8 7 一切工作均正常，具有所有的功能。当外部 供电低于4 2 5 v 时，此时虽然电路内部工作仍正常，但是写保护起作用，外部将不能 改变内部r a m 内容，各引脚输出为高阻抗。 当外部供电低于3 v 时，d 8 1 2 8 8 7 内部电源开关切断外部供电，而由其中的锂电池 供电。由锂电池供电的情况下，时钟仍f 常工作，并保证内部1 2 8 字节r a m 的内容在 l o 年内不丢失。这1 2 8 字节包括d s l 2 8 8 7 工作所需要的1 4 字节和用户可使用的1 1 4 字 节。 2 有永不停止的计时功能 d s l 2 8 8 7 可进行年、月、日、时、分、秒计时功能，还有润年补偿功能。通过写控 制字，可以采用夏令时功能。通过对控制位编程，可以采用二进制或b c d 码表示时 间、日历a 可以采用1 2 小时或2 4 小时时钟。在采用1 2 小时模式时，带有p m 和a m 指 堡主兰些垦奎 苎! 旦! ! 堡呈塑塑竺垩堑里至垡竺塑生一 示，因为内部有锂电池作为后备电源，所以不管外部供电电压为何值，在1 0 年之内 ( 电池使用寿命) ，这些计时操作均可正常进行。 3 有可编程方波输出功能 通过对寄存器的s q w e 位的编程，可以允许或不允许s q w 引脚输出方波，方波周期 可在5 0 0 i _ t s 到1 2 2 0 7j t s 共1 3 种周期中任选一种，这可通过对寄存器a 的r s 3 r s o 这 4 位编程实现。当不允许s o w 引脚输出方波时，8 0 w 引脚为低电平。 4 可发出三种中断请求 可通过对d s l 2 8 8 7 内部寄存器a 、8 、c 编程，提供三种中断源。当满足时间和条 件时便自动请求中断。当引脚丽为低电平时，表明请求中断，这三个中断是警报中 断、周期中断和更新结束中断。每一个中断均有自己的中断控制位和中断标志位，虽 然任何一个中断源引起的中断请求的表现都是使豫q 引脚变为低电流，但通过查询这 三个中断标志位便可知是哪一个中断，从而决定程序的转向。 周期中断的特点是两次中断的时间间隔不变。 警报中断是定时刻的中断。 更新结束中断是为正确读取实时时钟而设置的。这是因为时钟不断的计时，并不 断的及时把实时时钟值存于l o 个r a m 单元中。存实时时钟的值称为数据更新。数据更 新每秒进行一次，不需程序干预，而是自动进行。在数据更新过程中读取数据，所读 取的结果可能是不正确的。正确读取实时时钟的方法有三种。利用更新结束中断是方 法之一。如果通过写控制字允许数据中断，则会在每次数据更新结束之后立即请求中 断( i r q 为低电平) 。请求中断之后约在至少2 4 4 p - s 之内不会开始下一次数据更新。 因此，程序可在d s l 2 8 8 7 发出更新结束中断之后立即响应此中断，利用这2 4 4 9 s 的时 间读取实时时钟，所读取的结果便是正确的。 5 可选择两种总线模式 可通过对模式选择引脚m o t 的不同接法( 接正电源v c c 或接地g n d ) ，使d s l 2 8 8 7 的总线与微机兼容。例如：如果把引脚m o t 接g n d ，则d s l 2 8 8 7 的总线便与单片机 8 0 5 1 的总线兼容。这是只要把8 0 5 1 的p o 7 p o 0 接d s l 2 8 8 7 的a d 7 a d o ，把8 0 5 1 的 a l e 、r d 和w b 引脚分别接d s l 2 8 8 7 的a s 、d s 和r w 引脚即可。 3 2 2 2 d s l 2 8 8 7 实时时钟芯片的引脚排列和功能 d s l 2 8 8 7 采用2 4 引脚双列直插式封装。 各管脚功能如下： 1 v c c 和g n d ：v c c 是外部供电电源， 所有电平均以此为参考点。 引脚排列图如图3 2 3 所示 v c c = + 5 v ( 以g n d 为参考点) 。g n d 为地 硕士毕业论文 基于u s b 接l j 的锅炉运行记录仪的设计 2 m o t ：两种总线模式选择引脚。当m o t 接v c c 时，选择m o t o r o l a 模式。此时总 线( a d o a d 7 、d s 、r 矿、a s 和一c s ) 的时序与m o t o r o l a 系列微机的总线相匹配a 当 m o t 接g n d 时，与i n t e l 系列微机( 例如8 0 8 5 、8 0 8 8 、单片机m c s 一5 1 等) 的总线时序 匹配。 t m - t p u n 矬屺a 陌l i u 盯e d 弹国u 婚b 图3 2 32 4 脚i ) s 1 2 8 8 7 封装图 3 s q w ：方波输出引脚。通过对寄存器a 的频率选择位r s 3 r s 0 的赋值，可以选 择d s l 2 8 8 7 内部的1 5 级分频器中的1 3 个抽头之一，等待从引脚s q w 输出。这1 3 个抽 头所对应的方波周期在5 0 0 m s 1 2 2 0 7 p s 之间，如表3 2 4 所示，在通过把寄存器b 的方波输出控制位s q w e 置“1 ”或0 分别允许或不允许在引脚s o w 输出方波。如果 编程为允许在引脚s q w 输出方波，并且v c c 4 2 5 v ，则会在s q w 引脚输出所选定频率 的连续方波。如果v c c 3 v ，则引脚s q w 为高阻抗。 4 豫q ：中断请求输出引脚低电平有效。只要中断条件得到满足( 此条件是引起 中断的标志位为“1 ”，并且相应的中断允许控制位已被置“1 ”) ，便使寄存器c 中 的中断标志位p f 变为“l ”，且使馏q 引脚立即变为低电平并保持低电平，以表示请 求相应的中断。中断标志位共3 个，它们是寄存器c 中的中断标志位p f 、警报中断标 志位a f 和周期更新结束中断标志u f ，它们对应三种中断。相应的中断控制位分别为寄 存器b 中的周期中断允许位p i e 、警报中断允许位a i e 和更新结束中断允许位u i e 。如 果中断条件未被满足，则豫q 引脚为高阻抗。 删；惦!l礴廊鹋舭蝴楠酾 “秘篮烈掷璁埔”抽侣博 2摹4墓r叠柏“话 妍噼孵椭删撇椭删船琏黼啪 堡主望些垒苎苎兰旦! ! 堡旦竺塑塑堡堑里墨堡堕堡生 s e l e c l lb i 1 - sr e g l s i i e rat p ip e r i o d i c s q w o u t p u t r s 3 r s 2r s ir s 0 i n t e r r u p tr a t ef r e q u e n c y o00( 1 n o b e n a n c 0001 3 9 0 6 2 5m s 2 s 6 h z 001 07 8 1 2 5f i t s 1 2 8 h z 00i11 2 2 0 7 0i l s 8 i q 2k h z 010 2 4 4 1 4 1t t s 4 0 9 6k h z o1014 8 8 2 8 li t s 2 0 4 8k h z o1 l 0 9 7 6 5 6 2 5 i s 1 0 2 4k h z o l11 1 9 5 3 1 2 5i y i $5 1 2 h z l0o0 3 9 0 6 2 5m s2 5 6 h z loo i7 8 1 2 5i l l s 1 2 8 h z l0l0 l5 6 2 5m s 6 4h z l0ii3 1 2 5i l l s 3 2h z l1006 2 5 m s 1 6h z i1o1j 2 5 m s 8h z l1l 02 5 0 m s4h z ljl15 0 0 m s 2h z 袭3 2 4 周期中断和i 方波输出频率表 5 雨湎亍：复位输入。如果把此引脚用于上电复位，r e s e t 应该先是低电平， 然后在v c c 4 2 5 v 时，上升到高电平。r e s e t 引脚保持低电平的时间不小于2 0 0 1 x s ， 以便保证上电后d s l 2 8 8 7 内部定时器定时结束。当r e s e t 引脚从低电平升高到高于 4 2 5 v 后( 完成复位操作) ，发生以下情况： 周期中断使能位p i e 、警报中断使能位h i