（机械电子工程专业论文）多功能计算机辅助测试实验系统.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 随着科学技术的发展、工业自动化程度的不断提高，计算机辅助测试( c a t ) 系统以其稳定可靠、测试准确度高、具有柔性等优点，在生产和科研中的应用 日益广泛。c a t 实验教学仪器在更新实验手段，增加实验教学内容，提高实验 开出率等方面，都有着不可忽视的积极作用。 本文从模块化程序设计的思想出发，根据c a t 系统的结构和测试实验的特 点给出了c a t 实验系统的设计方案及其主要部分的实现。多功能板和调理模块 是本文实验硬件系统设计的主要部分，其中多功能板实现了实验数据的采集、 处理、分析和人机交互等功能，调理模块完成了对传感器信号的处理。软件部 分由键盘、液晶显示等通用模块和针对不同实验的数据处理、分析等专用模块 组成。最后，通过多功能板和不同调理模块的组合完成实验硬件平台的建立； 通用软件模块和专用软件模块的组合实现实验软件平台的建立。该实验系统具 有连接灵活、易于扩展等优点，既可以开设硬件实验也可以开设软件实验，为 教学实验室的建设提供了一种新的恿路。 关键词：多功能，单片机，计算机辅助测试，模块化设计，实验系统 多功能计算机辅助测试实验系统 a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c b _ n j c ，a n d t h e i m p r o v e m e n to ft h e a u t o m a t i c d e g r e e ，c o m p u t e ra i d e dt e s ts y s t e mw a sa p p l y e d t o p r o d u c t i o n a n d s c i e n t i f i cr e s e a r c h w i d e l y 、撕m i t s s t r o n g p o i n t s o fh i g h r e l i a b i l i t y , n i c e t y a n d f l e x i b i l i t y t h ee x p e r i m e n te q u i p m e n t o fc a t p l a y sav e r yi m p o r t a n tr o l ei nu p d a t i n g e x p e r i m e n tm e a n s ，e n h a n c i n ge x p e r i m e n t c o n t e n ta n d i n c r e a s i n g t h er a t eo f e x p e r i m e n tu t i l i z i n g t h i sp a p e r p r e s e n t st h ed e s i g ns c h e m eo fc a te x p e r i m e n ta n d t h er e a l i z a t i o no f i t sm a i n p a r t sf r o mt h ei d e ao f m o d u l a t i z a t i o nb a s e do nt h es t r u c t u r eo fc a t s y s t e m a n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so f e x p e r i m e n t m u i f i f u n c t i o nb o r a da n dc o v e m i n gm o d u l e a t e t h em a i n p a r t so f t h es y s t e m m u l t i f u n c t i o nb o r e df u l f i l l st h ef u n c t i o n so f e x p e r i m e n t d a t ag a t h e r i n g ，p r o c e s s i n g ，a n a l y s i sa n dm a n - m a c h i n ei n t e r f a c e ，a n dt h ec o n v e r t i n g m o d u l ea c c o m p l i s h e st h ep r o c e s s i n go fs e n s o rs i g n a l s t h es o f t w a r ec o m p r i s e so ft h e c u r r e n c ym o d u l e so fk e y b o a r d ，l c dd i s p l a ya n dt h es p e c i a lm o d u l e sa i m i n ga td a t a p r o c e s s i n ga n da n a l y s i so fd i f f e r e n te x p e r i m e n t i ns h o r t , m u l t i f u n c f i o nb o r a da n d c o v e m i n gm o d u l ea r et h ef o u n d a t i o no f t h eh a r d w a r eo ft h es y s t e ma n dt h eu r r e n c y m o d u l e sa n dt h et h es p e c i a lm o d u l e sa 弛t h ef o u n d a t i o no ft h es o f t w a r eo f t h e s y s t e m n o to n l yt h eh a r d w a r ee x p e r i m e n tb u ta l s ot h es o f t w a r ee x p e r i m e n tc a l lb ed o n eo n t h i ss y s t e m i ti sb e n e f i c i a lt ot h ec o n s t r u c t i o no f l a b o r a t o r i e sf o r t e a c h i n g k e yw o r d ：m u l f i f u n c t i o n , s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r , c o m p u t e ra i d e dt e s t ，m o d u l a r d e s i g n ，e x p e r i m e n ts y s t e m 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研 究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献 的其他个人和集体，均己在文中以明确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许论文被 查匍和借阅，可以：海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、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名：五5 堑 日 期：巡：l 至 南京航空航天大学硕士学位论文 1 1 本文研究背景 第一章绪论 在科学技术飞速发展的今天，计算机已进入到人类生活的各个领域。计算机 辅助测试( c o m p u t e r a i d e dt e s t ，简称c a t ) 是计算机技术与原有的测试技术相互 渗透、融合而产生的一门新兴技术学科。c a t 可以解决传统测试不能解决的问 题。传统测试系统只能对静态参量或极缓慢变化的参量进行测量，对于动态参 量，特别是快速过程只能借助图形记录分析。而在计算机控制下，通过高速数 据采集对动态参量可以很好的进行测试和分析p 7 1 , c a t 的突出优点表现在其软 件功能上：用软件资源提高了测试的准确性、可靠性、经济性，而且投资小、 收效大、性价比好；在不改变硬件的情况下，改变软件可使测试系统用于不同 的对象，使测试系统具有通用性，适合多品种、小批量的生产。由于c a t 的多 种功能和突出优势，在生产和科研中的应用日益广泛。 科技的发展，人才是关键。因此，培养这方面的专业人才就显得迫切需要了。 中共中央国务院在关于深化教育改革，全面推进素质教育的决定中提出， 要“抓紧建立更新教学内容的机制，加强课程的综合性和实践性。重视实验课 教学，培养学生实际操作能力。”【3 8 】如何加强实践环节，培养学生独立工作能力， 已经成为当前教学改革中一个十分重要的研究课题。实验教学仪器在更新实验 手段，增加实验教学内容，提高实验开出率等方面，都有着不可忽视的积极作 用。 本文是由实验教学改革项目提出的。目前，我院的机械工程测量学实验 内容主要是由本课程的特定内容来确定，实验内容单一，尤其是计算机辅助测 试已广泛应用于各个领域，课堂中也已介绍，但实验却还停留在传统的机械式、 光学式和一般电子式，且以验证性、演示性为主，缺乏综合性、创意性和设计 性。测试技术实验室的c s y - - 9 6 8 型传感器系统实验仪主要开出传感器的静态特 性测定实验，和一些简单的设计实验如应用电阻应变片、差动电容式传感器等 设计数字电子秤，但这些设计实验中不涉及计算机技术。这就影响了学生把所 学的理论与实践很好的结合起来，从而限制了学生的视野，封闭了思路。由于 多功能计算机辅助测试实验系统 原有仪器设备c s y - - 9 6 8 型传感器系统实验仪仍具有使用价值，不太可能淘汰： 另外，杭州高联公司的c s y - - 2 0 0 0 型传感器产品，一套需要几万元，因为资金 问题，也不太可能对原有的仪器进行更换。为了给学生创造一个良好的学习条 件，开发了多功能计算机辅助测试实验系统( 以下简称实验系统) 。 1 2 本文研究意义 实验系统采用了模块化设计的思想，融入了计算机、电子和测试等技术， 形成“从传感器一前景调理、接口电路一a 仍转换电路一计算机一后置接口电路 一测控对象”综合c a t 实验系统。可开设的实验内容融合了相互联系的基础和 专业课程的知识( 主要包括计算机、电工电予学、测试技术、传感器技术、c a t 技术等) ，可以帮助学生将这些课程知识综合起来，融会贯通，形成系统的概念； 易于变验证性实验为设计、开发性实验，使学生积极地参与实验，将理论知识 与实际应用有效地联系起来；利用实验系统可以完成综合性课程设计、毕业设 计等实践活动，有利于提高实验教学质量。同时，它可实现数据的传输为建设 虚拟实验室打下基础，为教学实验室的建设提供了一种新的思路。 1 3 本文研究主要内容 本文从模块化设计的思想出发，根据c a t 系统的结构和测试实验的特点给 出了c a t 实验系统的设计方案及主要部分的实现，具体内容如下： 一、多功能板卡 多功能板的设计主要是以单片机为基础的应用系统设计，包括8 路模拟量 的输入，2 4 路模拟量的输入，输出，1 路模拟量的输出，3 路定时，计数器，键盘， l c d 显示，r s - - 2 3 2 c 接口等功能。 二、调理模块 1 通用调理模块：音频信号发生器、电桥、移相器、相敏检波、测量放大 器、低通滤波器等。 2 专用调理模块：集成温度传感器a d 5 9 0 、数字温度传感器d s l 8 8 2 0 、差 动变压器式传感器、差动电容式传感器等信号的变换电路。 三、软件模块 1 通用软件模块：键盘、l c d 显示、串口通信和1 2 c 总线数据存储器的读 南京航空航天大学硕士学位论文 写模块。 2 专用软件模块：数字温度传感器d s l 8 8 2 0 的读写模块。 多功能计算机辅助测试实验系统 第二章实验系统总体方案 2 1 c a t 系统的典型组成 c a t 系统的典型组成如图2 1 所示，主要由4 个子系统组成 1 】 出 央 处 理 器 图2 1 c a t 系统典型组成框图 1 硬输入子系统：将检测对象的参数p 输入中央处理器。主要包括传感器 p a 、传感器调理电路a a 、模数转换装置a d 。 2 硬输出子系统：其任务是由中央处理器向测试对象及装置发出各种被控 信号、应急处理命令、激励信号等。主要包括数模转换装置、电模拟量变换a a 、 和执行伺服系统。 3 软输入子系统：由键盘等输入设备通过接口向中央处理器输入各种软信 息，如程序、命令和数据等。 4 软输出子系统：中央处理器通过接口向输出设备输出各种软信息，如测 试结果等。 2 2 实验系统硬件设计方案 2 2 1 实验系统硬件设计目标 1 - 具有灵活性，以便于组成各种不同的实验项目和综合系统： 2 具有易扩展性，能够比较方便地在现有实验系统的基础上增开新的实验 3 具有良好的人机交互界面： 4 能实现数据的传输，为建设虚拟实验室打下基础； 南京航空航天大学硕士学位论文 5 节约经费。 2 2 2 实验系统硬件组成 实验系统的硬件组成如图2 2 所示：主要由多功能板，调理模板和试验台组 成。在结构上将模拟量的输入艨出、数字量的输入，输出、数据处理、人机接口 和通信接口做在一块p c b 板上( 以下简称多功能板) 作为通用的实验硬件平台， 各类传感器的调理电路以及驱动电路做成独立的调理模板。多功能板和调理模 板通过多功能接口连接起来，它们之间采用层层叠加的方式，一块多功能板上 可同时连有多个调理模板，如图2 - 3 所示。这种结构具有很强的灵活性和扩展性。 最后通过多功能板和各调理模块的组合形成“从传感器一前置调理、接口电路 一。姻转换电路一计算机一后置接口电路一测控对象”综合c a t 实验系统。 广一一一一ir 一一一一1 ir 一1 _ d 习 。 ( 困多 p l r s 2 3 2 i 盟功 q 三互卜 能 c 1 接口r 片 接 机 呻l ! 竺：卜_ 一 口 连 机 接 叫定时，许最h + 嚣 i 数字量i oi + iin 掰筒酮i 沥霹订； i 河网 ：l 蕉生墨i ：i 墨壅垫壁l ： 墨堡登翌 丽e y 2 k 2 | 圜；j 匾 0 圃i 单u 半 i 固 陌訇 i il 屯甘l 心ii ：一： 弱丽订： ：匝圃：u 划： i l1 0 塑! 苎竺羔i 立苎竺望兰 诅翟篇幅 图2 2 实验系统硬件组成框图 2 2 3 实验系统主机电路选择 在现代测控系统中，通常把c p u 及与其相连的存储器和接口电路称为主机 电路，它主要用来进行数据存储、数据运算、结果显示及打印、数据通信、系 统控制等。目前现代测控系统采用的主机电路主要有p c 机和单片机两种【1 4 】。 一、基于p c 机的主机电路：可分为内插式，外接式和组合式三种 1 内插式：它是将输入或输出接口电路制成印制板的插板形式，并直接插 入p c 机主机箱内，通过计算机的各种系统总线( i s a 总线、p c i 总线、a g p 总 线等) 与c p u 交换信息。来自测量电路的测量信号通过插板与计算机打交道， 三一 妻垫墼茎兰垫塑壁型蔓塞垦墨堕 主机与控制电路系统之间也是通过插板进行联系。 2 外接式：它是将输入接口与输出接口安装于机箱外一个独立的专用电箱 中，并通过外部总线如r s - - 2 3 2 c 串行总线或i e e e - - 4 8 8 并行总线等与p c 机通 信和传递数据。 3 组合式：组合式系统是将内插式和外接式两种方式有机结合起来，兼有 两种方式的优点和特长。输入接口与输出接口安装于p c 机箱外部一个独立的专 用机箱中，同时在p c 机内部扩展槽内也安装有接口板，测量信号和控制信号通 过外接电箱后，再经过接口板与计算机交换数据。 图2 3 多功能板和调理模板的连接示意图 二、基于单片机的主机电路 单片机是指在一块芯片上集成了计算机的基本部件，包括中央处理器 ( c p u ) 、存储器( ra m ，i i ) 、输入输出接口、计数器定时器以及其他有关 部件。一块芯片就构成一台计算机。以单片机为核心的主机电路的设计是将单 片机作为一个芯片，同主机电路的其他芯片有机地结合起来，从而构成一体化 处理系统。由于单片机内部的存储器容量和i ，o 端口能力十分有限，因此基于单 片机的主机电路系统的设计主要认为是对单片机的存储器和端口进行扩展。 三、实验系统的主机电路选择 单片机具有可靠性高、易扩展、控制能力强、体积小、开发周期短和成本低 等优点，因此目前常见的微机化测控系统，特别是小型测控系统和便携式测控 仪器大多采用单片机。单片机在我国已经取得了大规模的应用。在全国高等工 科学校中，已普遍开设单片机及相关课程，包括单片机、传感器技术，测试技 术及控制。采用基于单片机为主机电路的实验系统可以帮助学生将单片机技术、 电工电子学、测试技术、传感器技术、c a t 技术等课程综合起来，融会贯通， 形成系统的概念，培养学生的创新能力、工程实践能力。 p c 机具有强大的数据处理能力和存储容量，并且有各种专用软件支持如： 南京航空航天大学硕士学位论文 m a t l a b l a b v i e w 等；可以利用计算机的网络功能实现数据的远程传输，为 建设虚拟实验室做好基础。 从实验室的实际情况和实验教学角度出发，实验系统的主机电路在选择时兼 顾了单片机系统的应用广泛性和p c 机的强大数据处理能力和远程数据传输等优 点，将多功能板采用基于单片机的主机电路，并且设计了和p c 机间的串行通信 接口，可以实现数据的传输以满足进一步分析处理的需要。 2 2 4 多功能接口设计 由图2 3 可看出多功能板和调理模板之间的信号传递是通过多功能接口来实 现的。多功能接口连接器结构设计的好坏影响整个系统的可靠性，多功能接口 功能设计的全面与否直接影响到整个实验系统的通用性和扩展性。 一、多功能接口连接器 接口连接器如图2 4 所示。以层叠连接，即多功能板和调理模板是通过上层 的针和下层的孔相互咬合相连，这种层叠封装有极好的抗震性。该接口采用6 4 脚插座作为接口连接器，它的两排引脚分别定义为a 1 一a 3 2 和b 1 - - b 3 2 。脚距 为2 5 4 r a m ( 0 1 英寸) 。 一k _ ! l ! i! ! ! ! iia 1a 2a 3a 3 】a 3 2 2 5 4 m 工斗- o oo 一一一一一一一一oo 下寸- b 0 1b 0 2 8 0 3 一一一一一一一一b 0 3 1 8 0 3 2 i i 3 33 43 56 36 4 图2 4 多功能接口连接器结构 二、多功能接口引脚的定义 多功能接口的引脚分配、信号名称和信号进出方向( 信号经接口引入多功能 板定义为“i ”，从多功能板送往接口的信号定义为“o ”) 如表2 1 所示。表 中各信号功能分为如下几类： 1 电源、地：提供给调理模块使用，为了提高抗干扰能力，将模拟地和数 字地分开； g n d ：数字地； a g n d ：模拟地； 多功能计算机辅助测试实验系统 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ - - _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ - h h _ _ _ _ _ - 一一 + 5 v ，- - 5 v ：稳压直流电压，相对于数字地为+ 5 v ，- - 5 v ； + 1 5 v ，一1 5 v ：稳压直流电压，相对于模拟地为+ 1 5 v ， 一1 5 v ： - + 2 4 v ：稳压直流电压，相对于模拟地为+ 2 4 v 。 表2 1 多功能接口引脚定义 引脚信号名方向引脚信号名方向引脚信号名方向引脚信号名方向 lg n d1 7d 1 0u 03 3+ 2 4 v4 9d l li 0 2g n d1 8d 1 2u 03 4+ 1 5 v5 0d 13i ，o jg n d1 9d 1 4i 03 515 v5 id 1 5i 0 4g n d2 0d 1 6b 03 6+ 5 v5 2d 1 7i 0 5g n d2 ld 1 8v 03 75 v5 3d 1 9i ，0 6a o u t02 2d 2 0u 03 8g n d5 4d 2 li 0 7a 1 0i2 3d 2 2o3 9a i ii5 5d 2 3i o 8a 1 2i2 4o u i do4 0a i ：i5 60 u t l o 9a 1 42 5g a t e 0i4 1a 1 5i5 7g a r e li i 10a 1 6i2 6c l k oi4 2a 1 7i5 8c l k li l ia g n d2 7o u no4 3a g n d5 9t oi m l2d oi 02 8g a 2i4 4d 1u o6 0t li ，o l3d 2i o2 9c l k 2i4 5d 3o6 ls d ai ，o 1 4d 4i 03 0g n df o4 6d 5“o6 2s c li ，o l5d 6i o3 10 n d4 7d 706 3n q t li 1 6d 8i ，o3 2g n d4 8d 9u 06 4g n d 2 模拟曼的输入输出： a o u t ：模拟量的输出，大小为2 5 v ： m o a 1 7 ：模拟量的输入，范围为5 v 或1 0 v ，具体范围在实 验中可通过多功能板上的跳线来选择。 3 数字量的输入偷出： d 0 d 2 3 ：数字量的输入输出，这2 4 路数字量的方向可通过编 程来灵活实现。 4 定时计数： o u t o o u t 2 ：8 2 5 4 的三个定时，计数器的输出端： g a t e 0 - g a t e 2 ：8 2 5 4 的三个定时计数器的门控信号； c l k 0 c l k 2 ：8 2 5 4 的三个定时，计数器的时钟信号输入端： t o ，t 1 ：单片机的内部定时计数器。 南京航空航天大学硕士学位论文 5 其它： s d a ：1 2 c 总线器件的数据信号，由p i 1 提供 s c l ：i ：c 总线器件的时钟信号，由p 1 2 控制 i n t i ：单片机的外部中断控制信号。 2 3 实验系统软件设计方案 2 31 实验系统软件设计目标 1 具有易读性：方便学生在开放性实验中参考。 2 可移植性：方便学生在实验过程中根据需要来选择使用。 2 3 2 实验系统软件组成 为了实现软件设计的目标，实验系统采用模块化设计的方法，将软件分为通 用软件模块和专用软件模块，组成如图2 5 所示。通用软件模块基本上是各个实 验都需要的，它分成键盘，液晶显示，串口通信和数据存取四个部分。专用软 件模块是根据各个实验自身的特点来设计的，由数据采集、数据处理和驱动控 制三个模块组成。 2 3 3 编程语言的选择 对于8 0 5 1 单片机，现有4 种语言可以支持：汇编、p l m 、c 、和b a s i c ”】。 b a s i c 采用逐行解释，每一行程序必须在执行时转换成机器代码，需要花 费许多时间不能做到实时性，并且不能解决浮点运算问题，适用于要求编程 简单而对编程效率要求不高的场合。 p l m 是i n t e l 从8 0 8 0 微处理器开始为其系列产品开发的编程语言，是一种 结构化语言。但对8 0 5 1 系列，它不支持复杂的算术运算、浮点变量，也无丰富 的库函数支持。 汇编语言程序效率高，但可移植性差。 c 语言是一种结构化语言，具有语言简洁、紧凑，使用方便、灵活，运算符 丰富，生成目标代码质量高，程序执行效率高，具有结构化的控制语句等特点。 用c 语言写的程序可移植性好( 与汇编语言比) 。基本上不用作修改就能用于各 种类型的计算机和各种操作系统。 多功能计算机辅助测试实验系统 当开设开放性综合实验时，程序模块要能够方便学生调用，它要求有很好的 移植性，因此编程语言选择c 。 2 4 本章小结 图2 5 实验系统软件组成框图 本章首先给出了c a t 系统的典型组成，然后根据这个典型组成给出了实验 系统的硬件和软件总体设计的目标和方案。在硬件设计中，给出了实验硬件系 统的组成、分析了主机电路的选择理由和多功能接口的设计；在软件设计中， 给出了软件组成和编程语言的选择。 o 童室墅窒塾丕查兰堡主兰堡笙苎 一 第三章实验系统硬件设计 实验系统的硬件设计主要包括多功能板和调理模块的设计。 3 1 多功能板设计 多功能板是实验系统的主要组成部分，通用的硬件平台，其功能的强弱直接 影响到实验系统的通用性和扩展性。因此，多功能板的功能设计不仅要根据目 前实验室开设实验的要求，还要考虑到以后可能开设的实验。其功能如图3 1 所 示。单片机是多功能板的核心部分，它主要实现数据的处理：传感器经过调理 电路转换后的模拟量信号的采集；外部i 乙m 主要实现数据存锗。 由图3 1 可以看出多功能板是以单片机为核心。它的设计主要是对单片机进 行扩展。 键盘h , - q 8 路模拟量输入 盥 ll c d 卜- - , i l 路模拟量输出 片 l 外部r a mi 3 路定时，计数器 帆 i r s2 3 2 h 叫2 4 路数字量输入输出 图3 1 多功能板的功能示意图 3 1 1 单片机基本应用系统 本文选用a t m e l 公司的a t $ 9 c 5 2 ，内部带有8 k 的程序存储器，指令系统 与5 1 系列单片机兼容。基本应用系统的设计包括单片机工作所需的时钟和复位 电路、总线驱动、译码、数据存储器和并行i o 扩展等。 一、时钟电路 单片机的时钟产生有两种方法【划： 1 内部时钟方式：这种方式是利用芯片内部的振荡电路，在x t a l l 和 x t a l 2 引脚上外接定时元件，使内部的振荡电路产生自激振荡。 2 外部时钟方式：将外部时钟信号直接加到x t a l l 或x t a l 2 。 为了得到高稳定性的频率，本文中选用封装好的1 1 0 5 9 2 m h z 的晶体振荡器， 多功能计算机辅助测试实验系统 将晶体振荡器的信号输出端和a t 8 9 c 5 2 的x t a l i 相连即可。这里选择 1 1 0 5 9 2 m h z 的晶振主要是为了在和p c 机串口通信时获得精确的波特率。 二、复位电路 简单的复位电路，干扰容易串入复位端，可能会引起单片机的错误复位。 为了提高实验系统的稳定性，选择美国m a x i m 公司的m a x 8 1 3 l 专用复位芯 片。它具有在加电、掉电以及供电电压下降的情况下复位输出，还有独立的看 门狗电路，它可以监视程序运行，若程序跑飞，则产生复位信号，使单片机重 新返回程序正常运行。a t 8 9 c 5 2 的复位电路如图3 2 ，本文提供手动复位和上电 自动复位两种功能，m r 为手动复位端，当输入低电平保持1 4 0 m s 以上， m a x 8 1 3 l 就能产生脉宽为2 0 0 m s 的复位信号。看门狗输入端w d i 和a t 8 9 c 5 2 单片机的p 1 3 相连，单片机必须每隔1 6 s 之内向该端送一次信号：若超过1 6 s w d i 接收不到喂狗信号，则w d o 输出低电平，使m r 也为低电平，产生复位信 号。 图3 2a t 8 9 c 5 2 复位电路 三、总线驱动 在单片机应用系统中，外围芯片通过总线驱动，外围芯片工作时有一个输入 电流，不工作时也有漏电流存在，因此总线只能带动一定数量的电路。当应用 系统规模过大时，可能造成负载过重，致使驱动能力不够，导致系统不能可靠 的工作1 。 一 在本文中p 0 口作为数据总线和低8 位地址总线，连接的外围芯片最多，需 要对p 0 口进行驱动扩展。选用双向驱动器7 4 h c 2 4 5 ( 2 0 脚d i p 封装) ，它有1 6 个三态门每两个三态门组成一路双向驱动。驱动方向由百、d i p 两个控制端控制， 石控制端控制驱动器有效或高阻态，d i r 控制端控制驱动器的驱动方向。当d i r = 0 时，驱动方向为从b 到a ：d i r = 1 时，驱动方向为从a 到b 。7 4 h c 2 4 5 和 单片机接口电路如图3 3 所示，7 4 h c 2 4 5 的百接地，保证芯片直处于工作状态， 南京航空航天大学硕士学位论文 d i r 和单片机的读控制引脚( i 西) 相连。当i 西信号有效时，d i r = 0 ，驱动方 向从b 到a ，当i 面信号无效时，d 取= l ，驱动方向从a 到b 。这种连接能够 保证p o 口不管是输入还是输出均得到驱动。 圈3 3a t 8 9 c 5 2 总线驱动电路 四、译码设计 单片机系列应用系统中，数据存储器和外部扩展芯片是统一编址的。由于各 个外围芯片均通过总线与荜片机相连，为了使单片机数据总线分时地与外围芯 片进行数据传送而不发生冲突，必须解决好地址译码问题。 常用的地址译码方法有线选法和全地址译码两种】。线选法是把单独的地址 线( 通常是p 2 口的某一根线) 接到外围芯片的片选端上，只要该地址线为低电 平，就选中该芯片。这种方法只适用于扩展少量外围芯片。全地址译码是将低 位地址作为片内地址，而用译码器对高位地址线进行译码，译码器输出的地址 选择线作为片选线。这种方法适合于外围芯片较多的系统。 在本文中通过总线扩展的外围芯片有：6 2 2 5 6 、8 2 5 4 、a d 5 7 4 a 、d a c 0 8 3 2 、 l c d 和两片8 2 5 5 ，因此需要7 根片选线。由于数据存储器6 2 2 5 6 的容置是3 2 k ， 片内地址就需要1 5 根地址线，所以需要用高4 位地址线作为译码器的输入端。 最高位地址线p 2 。7 直接和6 2 2 5 6 的片选信号相连。实验系统的地址译码如表3 1 所示。 t 本文中选择通用阵列逻辑器件g a l l 6 v 8 来实现译码功能。g a l l 6 v 8 是 l a t t i c e 公司研制的电可擦除、可重复编程的高性能p l d 器件。它有8 个输出逻 辑宏单元，允许用户根据需要进行配置，可对输出极性编程，为组合逻辑设计 提供了很大的柔性，简化了实验系统的结构并且使系统具有更强的适应性。逻 辑器件使用a b e l 语言，逻辑关系如下( 表达式中的# 表示逻辑关系或， a b l 2 a b l 5 表示高4 位地址) ： 多功能计算机辅助测试实验系统 表3 ，1 实验系统地址译码 外围器件地址选择线( x 0 )地址编码 6 2 2 5 60 xxx xxxxx 0 0 0 0 7 f f f 8 2 5 5 ( 1 )1000000 00000 00 x 8 0 0 0 8 0 0 3 8 2 5 5 ( 2 ) 10010000 000000 x 9 0 0 0 9 0 0 3 8 2 5 4 l010 0000 0000 00xx a 0 0 0 a 0 0 3 a d 5 7 4 alo1 lo o0 000 0 00 00 x b 0 0 0 b 0 0 1 d a c 0 8 3 2l l00 000000000000c 0 0 0 l c d1iol000 0o 000 xxx d o o o d o o e 8 2 5 5 ( 1 ) _ c s = ( ! a b l 5 ) # ( a b l 4 ) # ( a b l 3 ) # ( a b l 2 ) ： 8 2 5 5 ( 2 ) - c s = ( ! a b l 5 ) # ( a b l 4 ) # ( a b l 3 ) # ( ! a b l 2 ) ： 8 2 5 4 一c s = ( ! a b l 5 ) # ( a b l 4 ) # ( ! a b l 3 ) # ( a b l 2 ) ： 5 7 4 - c s 2 ( ! a b l 5 ) # ( a b l 4 ) # ( ! a b l 3 ) # ( ! a b l 2 ) ( 注：这里的5 7 4 一c s 信号并不 是送到a d 5 7 4 a 的片选端，只是说明对a d 5 7 4 a 进行读写时，地址的高4 位必 须满足给定的关系，即101 1 。) 0 8 3 2 一c s = ( ：a b l 5 ) # ( r a b l 4 ) 故a b l 3 ) # ( a b l 2 ) ； l c d c s = ( ! a b l 5 ) # ( ! a b l 4 滞( a b l 3 ) # ( ! a b l 2 ) ( 注：这里的l c dc s 信号 并不是送到l c d 的使能端，只是说明对l c d 进行读写时，地址的高4 位必须 满足给定的关系，即1l01 。) 五、数据存储器 数据存储器的扩展包括一般的随机存储器r a m 和具有掉电保护功能的 a r 2 4 c 2 5 6 。 随机存储器r a m ，有静态( s r a m ) 和动态( d r a m ) 两种。静态r a m 具 有速度快、使用简单等优点。目前常用的静态r a m 有6 1 1 6 、6 1 6 4 、6 2 2 5 6 等， 本文选用6 2 2 5 6 ，它是3 2 k x 8 位的芯片，单+ 5 v 供电，存取时间7 0 s 。它和 革片机相连的控制线为w r 和r d ，片选c s 和1 6 位地址线的最高位p 2 7 相连， 地址为0 0 0 1 37 f f f 。 a t 2 4 c 2 5 6 是a t m e l 公司生产的2 5 6 k 位串行电可擦除的可编程只读存储 器，可以用来存储传感器的特性参数等；它采用1 2 c 的串行总线标准，可以开设 1 2 c 总线方面的实验。引脚如图3 4 所示，功能如下 4 0 1 ： a 0 、a l ：地址选择输入端。在串行总线结构中，如需连接4 个a t 2 4 c 2 5 6 、4 南京航空航天大学硕士学位论文 芯片，则可用a 0 、a 1 来区分各芯片。 s c l ：串行时钟输入端。通常在其上升沿将s d a 上的数据写入存储器，而 在其下降沿，从存储器读出数据并送往s d a , a 2 4 1 7 2 5 6 图34a t 2 4 c 2 5 6 的引脚图 s d a ：双向串行数据输a 输出口。用于存储器与单片机之间的数据交换； w p ：写保护输入。此引脚与地相连时，允许写操作；与v c c 相连时，所有 的写存储器操作被禁止。如果不连，该脚将在芯片内部下拉到地； v c c ：电源： d ：地； n c ：悬空。 a t 2 4 c 2 5 6 与单片机接1 2 简单，如图3 5 所示。由于系统中只使用了一片 a t 2 4 c 2 5 6 ，所以将a 0 和a 1 都接低电平，w p 悬空( 内部拉到地) 允许写操作。 s d a 和s c l 分别由p 1 1 和p 1 2 进行控制。 a t 2 4 c 2 5 6a 鸭9 c 5 2 圈3 5 a t 2 4 c 2 5 6 与a t 8 9 c 5 2 接1 3 1 电路 六、并行i o 口的扩展 a t 8 9 c 5 2 共有4 个8 位的并行i oe l ：p 0 、p 1 、p 2 、p 3 。在本文中，p 01 2 作为数据线和低8 位地址线。p 11 2 功能分配如下：p 1 0 保留；p 1 1 和p 1 2 用来 扩展1 2 c 总线器件，p 1 2 提供时钟信号：p 1 1 提供数据信号；p 1 - 3 作为看门狗 电路的喂狗信号；p i 4 p 1 6 作为定时计数器8 2 5 4 的三个门控信号，p 1 7 用 来查询a d 转换器的转换结束标志。p 2 臼作为高8 位地址线。p 3 口使用其第二 多功能计算机辅助测试实验系统 功能。所以，要实现键盘( 使用i o 口扩展键盘原因见3 1 7 ) 和数字量的输入 输出功能需要进行i o 口扩展。 本文中使用两片8 2 5 5 来扩展并行i j o 口，一片用来扩展键盘，另一片用作 数字量的输入输出。 3 1 2a d 接口 实验系统中，传感器的输出信号中有模拟量，需要转换成数字量才能被单片 机采集、分析和处理。在本文中a d 接口由a d 转换器、采样保持器和模拟多 路转换器组成。 一、a d 转换器 a d 转换器是将模拟量转换成数字量的器件。a d 转换器的种类很多，根据 转换原理，可分为逐次比较式、双积分式、量化反馈式和并行式 2 3 1 。a j d 转换 器的选择主要从以下两个方面考虑： 1 a d 转换器位数。a d 转换器位数的确定与整个测量系统所要测量的范 围和精度有关。大多实验的精度要求为1 ，在综合考虑从传感器到单片机数据 输入的全过程，选择1 2 位的a d 转换器。 2 a d 转换器转换速度。a d 转换器转换速度的选择与测量信号的频率有 关。实验系统中的位移传感器进行动态实验时，梁振动的频率为3 3 0 t - i z ，由采 样定理：采样频率工必须高于信号频率成分中最高频率，m 。的两倍，才能避免混 叠产生，即正，2 f 。，得出采样频率正必须大于6 0 ，a d 转换器的转换时间应 小于1 6 7 m s ，所以选用中速的a d c 。 综合考虑以上两方面因素，本实验系统选择1 2 位的a d 转换器a d 5 7 4 a 。 a d 5 7 4 a 是一个具有输出三态缓冲器的1 2 位逐次比较式a 仍转换器，具有低噪 声、低功耗、高精度、高分辨率和高采样率的特点。一次转换时间为2 5 微秒， 可直接与单片机接口，不需要外接时钟电路：输入模拟电压既可是单极性，也 可以是双极性；数字量的位数可以设定为8 位，也可以设定为1 2 位。有5 个控 制引脚( c e 、西、r l f f 、如、1 2 ，i ) ，其中c e 、石、r ，亭分别是片使能、片 选、数据读启动信号，如和1 2 g 用于控制一次输出数据的长度。这些信号的组 合功能见表3 2 ( 3 9 1 。 二、采样保持器 1 设置采样保持器的原因 南京航空航天大学硕士学位论文 a d 转换器对信号进行转换时有一定的孔径时间，当信号频率较高时，会造 成过大的转换误差，要减少此误差，只能减小孔径时间。采样，保持器能大大减 少由孔径时间造成的误差【2 3 1 。 表3 2t e ) 5 7 4 a 逻辑控制真值表 以心j r c 1 2 ，84 0工作状态 0禁止 1禁止 l000启动1 2 位转换 l00l启动8 位转换 lol 5 v 1 2 位并行输出有效 10lo n do 高8 位并行输出有效 101g n dl 低4 位加上尾随4 个。有效 下面说明实验系统需要采样保持器的原因【1 4 】： 假设待转换的信号为u j = u ，c o s t ，该信号的最大变化率为 d r ，l = 引 = 。e ，。= 2 z f 。 “l 假设信号的正负峰值正好达到a d 转换器的正负满量程，m 为仍转换器的位 数，t 。为转换时间，要保证1 l s b 的转换精度，在转换时间f 。内，被转换信号 的最大变化量不应超过一个量化单位，即 g = i u r z r ， 2 z f l j - f 。s g = 等 得出在不加采样像持器时，待转换信号允许的最高频率为 1 7 一。i 焉万 对于a d 5 7 4 a 来说t0 = 2 5 卢，m = 1 2 ，则_ ，矗= 1 5 h z 。实验系统中的位移传 感器进行动态实验时，梁振动的频率为3 3 0 i - i z ，待测信号频率远大于的1 5 h z ， 由于a d 5 7 4 a 不带有采样保持器，所以需要设置采样，保持器。 2 采样保持器的选择 采样保持器的选择主要从孔径时间和捕捉时间来考虑。a d 5 8 2 是反馈型采 样保持器，当保持电容c = i o o p f 时，捕捉时间f 。c l a 2 r 2 c i c 2 输出相位滞后输a e 6 1 。 r 3 l o k 图3 2 1 移相器电路 3 2 1 6 低通滤波器 低通滤波器如图3 2 2 所示，是一个由集成运放与两个r c 低通电路构成的 有源二阶低通滤波器。电路中第一级的电容不接地而是改接到输出端，相当于 在二阶有源滤波电路中引入了一个反馈，这样可以使输出电压在高频段迅速下 降，并且在接近于通带截止频率，0 的范围内不致下降太多，有利于改善滤波特 性【9 1 。该电路的截止频率： ，o = 壶= 五五杀磊丽吲也 l 图3 2 2 二阶低通滤波器电路划 3 2 2 专用调理模块设计 3 2 2 1 温度传感器变换电路 温度是工业生产和科学实验中一个非常重要的参数。物体的许多物理现象 和化学性质都与温度有关。许多生产过程都是在一定的温度范围内进行的，需 要测量温度和控制温度 2 1 。 随着传感器技术的飞速发展，各种各样的温度传感器被广泛的应用于教学、 科研和工业生产中。其中集成温度传感器a d 5 9 0 ，因其线性好，精确度高和易 用于实现计算梳在线测试与数据处理等优点，在常温下已占有越来越重要的位 置【8 】。数字温度传感器也得到广泛应用。为了使学生了解集成温度传感器和新型 单线式数字传感器的工作原理及应用，我们设计了d s l 8 8 2 0 和a d 5 9 0 两个温度 传感器的变换电路。 一、数字式温度传感器d s l 8 8 2 0 1 d s l 8 8 2 0 简介【1 0 1 d s l 8 8 2 0 是美国达拉斯( d a l l a s ) 半导体公司推出的数字温度传感器， 多功能计算机辅助测试实验系统 它能将被测温度直接转换成计算机识别的9 到1 2 位( 最高位为符号位，即“1 ” 为正温度，