（通信与信息系统专业论文）基于pic单片机的海水有机磷实时数据采集与控制系统.pdf

基于p i e 单片机的海水有机磷实时数据采集与控制系统 摘要 基于计算机技术的数据采集技术是现代仪器设备和信号处理的基础，广泛应 用于军事、航空、工业等领域。数据采集系统是一种具有实验室或现场进行实时 数据采集、自动存储数据、信号预处理、即时显示、即时状态分析、自动传输等 功能的自动化系统。随着信息科学的1 i 速发展，人们面临的信号处理任务愈来愈 繁重，对数据采集系统的要求也愈来愈高。 本文介绍了用于监测海水中有机磷成分的实时多路信号采集系统的设计实 现，给出了设计思想、设计方案、具体设计电路和程序，以及实验结果。 本系统的软硬件设计符合虚拟仪器的特点。数据采集卡的核心控制硬件采用 p i c 单片机实现。采用c p l d 实现系统中电磁阀和蠕动泵的开关控制，具有结构 简单、可靠性高、灵活性强的特点。针对采用的生物传感器内阻高、信号弱、双 极性等特点，用预处理电路对模拟信号进行了变换。针对本系统的工作环境，采 用低通滤波及短路环技术等减小干扰。下位机通过r s 2 3 2 串行口与上位机进行通 讯。 上位机软件使用虚拟仪器平台l a b w i n d o w s c v l 编写，具有开发周期短、功 能强大、使用灵活等特点。上位机软件负责对数据进行存储、处理和分析。用户 可以通过上位机中的虚拟仪器界面对采集系统进行控制。 在实验室及现场对系统进行的测试，其结果表明数据采集系统硬件指标达到 设计要求，能较好地满足对稳定性、精确度及自动化方面的要求而且还具有界面 友好、可扩展的特点。本论文开发的数据采集和控制系统目前已经进入了实际应 用阶段。 本论文中的数据采集系统具有良好的性能和司扩展性，还可以应用于其他模 拟信号的处理和采集。 关键词：p i c l 6 c 7 3 b ，虚拟仪器，信号采集，短路环 r e a l t i m ed a t aa c q u i s i t i o na n dc o n t r o l l i n gs y s t e mo f o r g a n o p h o s p h o r u si ns e a w a t e rb a s e do np i c m ic r o p r o c e s s o r a b s t r a c t t nt h i sp a p e r ar e a l t i m em a l t i c h a n n e ls i g n a la c q u i s i t i o ns y s t e m f o rm o r t i t o r i n gt h eo r g a n o p h o s p h o r u si ns e a w a t e ri si n t r o d u c e d ， j n c l u d i n g t h es c h e m e ，d e s i g no ft h es y s t e ma n de x p e r i m e n t a lr e s u l t s t h i ss y s t e mw o r k sa sav i r t u a li n s t r u m e n t t h eh a r d c o r ec o n t r o l1 i n g t h ed a oi sp i cm i c r o p r o c e s s o r a d o p t i n gc p l dt os w i t c hv a l v e sa n dp u m p s i se a s y ，s t a b i l ea n df l e x i b l e ap r e p r o c e s s i n gc i r e u i ti sd e s i g n e df o r a n a l o gs i g n a lt r a n s f o r m a t i o nb e c a u s eo fl a r g ei n n e ri m p e d a n c eo f b i o s e n s o ra n dh i p o l a rs i g n a l ，l p fa n ds h o r te i r c u i tr i n gi su s e d t o d e c r e a s ei n t e r f e r e n c e m i c r o p r o c e s s o rc o m m u n i c a t e sw i t hs u p e r v i s o r y c o m p u t e rt h r o u g hr s 2 3 2s e r i a lp o r t d a t ai sp r o c e s s e db yt h es o f t w a r ei n s t a l1 e di ns u p e r v i s o r yc o m p u t e r ， w h i c hi sp r o g r a m m e db yl a b w i n d o w s c v i u s e r sc a nc o n t r o lt h es y s t e m t h r o u g ht h ev is u a li n s t r u m e n t jn t e r f a c ei ns u p e r v i s o r yc o m p u t e r t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h es y s t e mc a nm e e tt h er e q u i r e m e n t i nt h es t a b i l i t y ，a c c u r a c ya n da u t o m a t i o n n o wt h i ss y s t e mh a sb e e np u t i n t oc o m m i s s i o n r h i sd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mh a sg o o dp e r f o r m a n c ea n de x p a n s i b i l i t y i tc a nb eu s e df o ro t h e r k i n d so fa n a l o gs i g n a l k e yw o r d s ：p i c l 6 c 7 3 b ，v i r t u a li n s t r u m e n t ，s i g n a la c q u i s i t i o n ， s h o r tc i r c u i tr in g 基十p i c 单片机的海水符帆磷实时数据采集，j 控制系统 l 绪论 自动控制系统最初起源于5 0 年代初期，因当时是将不同的输入和输出电路 的几种可程控仪器总装在一起形成一个组装系统，所以人们常称这一时期为总装 阶段。由于接口不能通用，组建一个自动测控系统不仅耗资巨大，而且要花费相 当长的时间，所以，此阶段的自动测控系统应用只局限于少数部门。6 0 年代末 期，专用计算机已充当了自动测控系统的主角，其接口虽没有标准化，但和初期 的自动测控系统相比有很大的改变，所以称这一时期为其发展的第二阶段。到了 7 0 年代，随着美国h p 公司提出接口电路标准化设计方案及其进一步完善，自动 测控系统的发展进入了第三阶段，在许多系统中大量使用的i e e e 一4 8 8 ( 通用接 口标准系统) 、c a m a c 系统( 计算机自动化测量和控制系统) 等就是在这一时期 形成和发展起来的，所以，我们称这一阶段为接口标准化时期。1 9 8 0 年开始， 自动测控系统的发展步入第四阶段，这一时期的自动测控系统以美国的个人仪器 为典型代表。所谓个人仪器，就是用个人计算机控制多个“仪器”，而这些仪器 与传统的概念己完全不同，它们本身大都不带机箱和显示装置，而是以插件板或 插件卡的形式作为个人计算机的附件，通过计算机的内部接口电路把计算机和各 仪器插件卡连接起来，构成个小型的自动测控系统，所以又称之为p c 仪器 ( p e r s o n a lc o m p u t e r b a s e di n s t r u m e n t ) 。这种突破了传统仪器概念的全新设 计思想被称之为虚拟仪器。虚拟仪器给测控技术的发展带来了新的技术和动力， 使得构建测控系统的开发周期更短而系统功能更加强大。 随着测控技术、计算机技术、微电子技术和数字通信技术的不断发展，数据 采集技术也有了很大的发展。其发展趋势可以概括为功能多样，体积减小和使用 方便等三个方面。对数据采集器的要求是它既是台数据采集器，又要是一台功 能较全的分析仪。其配套软件要是以通过窗口的软件为基础，功能强大【”】。 目前，数据采集与自动控制系统在诸如物流供应链管理、海洋站自动监测系 统等众多领域都有广泛的应用。 i i 课题背景 海洋生态环境是海洋生物生存和发展的基本条件，海洋生态平衡的打破， 般 来自两方面的原因：一是自然本身的变化，如自然灾害；二是来自人类的活动。 s 墨! 竖竺苎! ! 堕堕查塑! ! 壁茎! ! ! 垫型蒌鉴! ! 丝型墨堑 后者造成海洋生态环境的破坏，海洋生物多样性的减少，是人类生存条件和生存 环境恶化的一个信号。这一趋势目前正在加速发展的过程中，其影响固然直接危 及当代人的利益，但更为主要的是对后代持续性发展的积累性后果。因此，只有 加强海洋生态环境的保护，才能真正实现海洋资源的可持续利用。 目前我国正不断加强了对所辖海域和八海污染源的定期监测，以掌握海洋污 染状况和变化趋势，为海洋环境管理、经济建设和科学研究提供基础。而这其中 的重要一题，就是对海水成分进行现场快速监测。对海水中所含有机磷成分进行 实时监测和分析，便是国家8 6 3 计划现场监测技术专题所属的研究课题之一。 目前市场上的数据采集系统( 卡) 从低速、超高精度到超高速、低精度有完 整的产品线，接口包括p c i ，p x i ，p c m c i a ，i e e e1 3 9 4 ，通用串口总线( u s b ) 和i s a 总线等多种选择。 本系统有机磷检测采用的生物传感器，其输出信号为一0 2 v + o 2 v ，且输出 阻抗非常高1 ，数据采集之前需要进行放大，否则会导致采集不到信号或信号精 度不高的问题4 1 。如果采用国外产品，如美国n i 公司的采集卡，虽然其配套的 信号调理系统可以测量任何型号的传感器，但是总体价格太高。国内现有的数据 采集系统很难达到本系统的要求。另外数据采集的同时还需实现对多个电磁阀、 蠕动泵的开关进行控制，因而需要研制一套满足上述要求的数据采集与测控系 统。 1 、2 研究内容 本硕士论文研制工作内释包括：数据采集与测控系统硬件( 电路原理及印制 板设诗、调试) 、较俸凌诗调试( 擎靖撬汇编疆枣、上位援痿羧平台糕序) 。该系 统采用有针对性的设计方案，在信号输入端采取了有效的阻抗转换技术，并且考 虑至g 实际应用环境静复杂萑，采取了有效的婉干扰搔施。 本系统采用的有机磷浓度测量原理是标准加入法，需要同对采集四路信号， 利用含不同浓度农药的海水时生物酶抑制作用不同，通过电极把抑制转换成电信 号a 漾薅i 生物传感器，困其输出阻抗嶷，输出信号小，为了避受出现采集不到信 号或者信号精度不高的问题，在硬件电路中设计了预处理电路，进行信号变换和 滤波。把处璞嚣豹莹号送行摸数转换褥到数攥，逶过r s 一2 3 2 总线上黄绘上棱枫， 提十p i cj 社片机的海水有机磷实时数据采集，i 梓制系统 由上位机的数据处理软件进行处理和计算。 由于对数据采集速度的要求不是很高，所以采用集成度高、体较小、价格便 宜、可靠性好的单片机作为下位机控制器是最佳选择。 上位机数据处理和浓度计算程序选择数据处理和分析能力强大的虚拟仪器 平台l a b w i n d o w s c v i 编写，灵活性高，开发周期短，有良好的界面，通过曲线 可直观的显示采集的数据，并且能够满足复杂的数据处理的需要”1 。 本系统通常实际应用于船舶上或靠近水域的环境中，湿度大，易颠簸，条件 较为恶劣“，为了减小外界干扰对系统运行及数据结果的影响，在印板上采取了 短路环技术等抗干扰措施。 在系统开发过程中，除了在实验室中完成对系统的设计、实现和调试，而且 由于本系统是国家海洋现场监测技术专题所属的船载课题，所以还到国家海洋局 青岛小麦岛观测站及海洋监测船上进行了现场调试。 2 系统设计方案 2 1 有机磷浓度的测量原理 有机磷的浓度检测使用了标准加入法，利用含不同浓度农药的海水对生物酶 抑制作用不同，通过电极把抑制转换成电信号，不同的浓度得到不同的峰值，通 过峰值得到抑制率。第i 通道的抑制率的计算公式如公式( 1 ) 耽：丛( i - l 2 34 )( 1 ) 见l a 为在标准海水中测量的峰值，p f ：为加入农药之后测量得到的峰值。 系统中设置四个测试通道，第一通道是纯净的海水，是参照通道，第二通道 是要测试的海水，第三通道为加入已知浓度农药的海水，第四通道为加入另外一 个已知浓度的海水( 和第三通道不同) 。各个通道的抑制率和浓度的关系如公式 ( 2 ) 垫二堡：! 丛生刍! 二! g ! g 竺! ! ( 2 ) ，7 3 一玎2 i g ( c ：+ c 2 ) 一l g c ， 其中c 、c 2 为三、四通道加入标准农药的浓度，c 为要测试海水的浓 拮于p i c 单片帆的晦水有机磷实时数据采集与控制系统 度，叩2 、仉、仉分别为二：、三、四通道的抑制率。通过公式( 2 ) 可以求出二通道 待测海水的浓度。 2 2 系统设计方案 根据有机磷浓度的测量原理得知，最终要计算浓度，就是需要得到各个通道 在添加农药前后出现的两个峰值。据此设计的系统工作流程如图2 一l 所示。 r e a d y7 分钟跑基打开蠕 命令，开 打开阀 线，最后1 动泵 3 分钟 始预热分钟数据的3 0 s 加 门3 0 s 读数， 均值做基线底物 加水样求出峰 值 l 排除水样i + 一 姜茹h ：撕底h 垂淼耋f l 图2 一l 系统工作流程 所谓的峰值是指加入的测试水样与生物酶充分发生反应后测得的最大值与 没加测试水样前的数据( 称之为基线值) 之差。在没加水样前测得的数据理论上 应该是一直线，但由于系统不可能达到绝对稳定，在不同时刻总存在微小的差异， 为使求的基线值尽量平滑，求取基线值需较长的时间，最后1 分钟前使系统进一 步稳定，读取最后1 分钟的数据取平均作为基线值。加入农药后，在3 分钟内让 水样与生物酶尽量充分地发生反应，取这段时间内的最大值减去基线值就得到峰 值。这里第一次测得的峰值为不含农药的海水和酶反应的峰值，第二次测得的峰 值为含农药的海水和酶反应后的峰值。 本论文中的系统主要分为三个部分：信号测试装置、数据采集系统以及上位 机控制系统。结构如图2 - - 2 中虚线内部分所示。 区 专区亘医亟，驽圜! j ，一一一一一一一一一一一一一一一一一一。一! 图2 2 系统结构框 4 堆rp i c 单片帆的海水自机磷实时数据采集哥控制系统 测试时，待测水样和预先配好的含一定浓度的农药的水样及底物( 即使所用 的生物酶复活的一种药品) 要由不同的通道加入，测试完成后还要对整个的测试 装置进行冲洗。测试装置通过不同的电磁阀和蠕动泵的开与关来实现水样和所需 要的底物在不同时刻的加入与排出。 传感器将化学信号转换为电压信号。数据采集系统将传感器转换的模拟信号 转换为数字信号，通过标准的r s 一2 3 2 串行口传送到上位机。 安装在上位机中的由l a b w i n d o w s c v i 编写的上位机数据处理程序，可以让 用户通过主机的虚拟面板灵活地实现测试所需各步骤时间参数的设定，通过曲线 和数据两种方式实时、直观地显示所采集的数据，根据测试的数据通过数值计算 的方法得到最终的浓度。 系统工作时，用户在p c 机的虚拟仪器上设置好通信端口的参数和各阀门、 蠕动泵的工作时间后，通过串行口传输至单片机，单片机根据接收到的时间参数 设置各个电磁阀和蠕动泵的开关时间。在接收到上位机( 即p c 机) 开始采集的 命令后，单片机自动控制采集部分开始工作。单片机根据p c 机发送的时间参数， 通过c p l d 控制各电磁阀和蠕动泵的开与关，同时，读取a d 转换的四通道的数 据，显示在l c d 上，并每隔l s 把采集的四通道的数据传给上位机，上位机接到 数据后，把采集的数据通过曲线实时动态地显示在虚拟仪器界面上。最终采集完 毕后，分析计算的浓度值在界面上显示出来。 2 3 数据采集参数确定 数据采集系统中数据采集参数由海水有机磷监测系统的性能指标确定。海水 有机磷监测系统与数据采集系统相关的性能指标为： 信号范围：一0 2 + 0 2 v 测量精度：0 i m v 测量频率：i h z 测量通道数：4 根据海水有机磷监测系统测量精度和信号电压的范围，可计算出数据采集系 统应有4 0 0 0 的动态范围。t 2 b i ta d 的动态范围可以达到4 0 9 6 。因此数据采集系 统中应采用最少1 2 b i t 的a d 转换芯片。 堡j ! ! 兰堕坚塑塑坐鱼叟! ! ! 兰堕垫丝墨堡兰丝! 型墨堕 测试时，待测水样和预先配好的含定浓度的农药的水样及底物( 即使所用 的生物酶复活的种药品) 要出不同的通道加入，测试完成后还要对整个的测试 装置进行冲洗。测试装置通过不同的电磁阀和蠕动泵的开与关来实现水样和所需 要的底物在不同时刻的加入与排出。 传感器将化学信号转换为电压信号。数据采集系统将传感器转换的模拟信号 转换为数字信号，通过标准的r s 一2 3 2 串行口传送到上位机。 安装在上位机中的由l a b w i n d o w s c v i 编写的上位机数据处理程序，可以让 用户通过主机的虚拟面板灵活地实现测试所需各步骤时问参数的设定，通过曲线 和数据两种方式实时、育观地显示所聚集的数据，根据测试的数据通过数值计算 的方法得到最终的浓度。 系统工作时，瑁户在p c 桃的虚拟仪器上设置好通信端口的参数和各阀f 、 蠕动泉的工作时问后，通过串行口传输至单片机，单片机根据接收到的时间参数 设置各个电磁润和蠕动泵的开关时间。在接收到上位机( 即p c 机) 开始采集的 命令后，单片机自动控制采集部分开始1 二作。单片机根摒咒机发送的时间参数， 通过c p l d 控制各电磁阀和蠕动泵的开与关，同时，读取a 1 ) 转换的四通道的数 据，显示在l c d 上，并每隔ls 把采集的四通道的数据传给上位机，上位机接到 数据后，把采集的数据通过曲线实时动态地显示在虚拟仪器界面上。最终采集完 毕后，分析计算的浓度值在界面上显示出来。 2 3 数据采集参数确定 数据采集系统中数据采集参数由海水有机磷监测系统的性能指标确定。海水 有机磷监测系统与数据采集系统相关的性能指标为： 信号范围：一0 2 + o 2 v 测量精度：0 1 m v 测量频率：l h z 测量通道数：4 根据海水有机磷监测系统测量精度和信号电压的范围，可计算出数据采集系 统应有4 0 0 0 的动态范围。1 2 b i ta d 的动态范围可以达到4 0 9 6 。因此数据采集系 统中应采用最少1 2 h i t 的a d 转换芯片。 统中应采用最少1 2 b i t 的a d 转换芯片。 拱于p i c 单片机的海水有机鳞实时数据采集与控制系统 2 4 单片机芯片选择 设计采用单片机作为数据采集系统的核心控制器件。目前国内在使用单片机 作控制系统的微处理器时多选择5 l 系列或m o t o r o l a 系列单片机，而本系统选用 的p i c 系列单片机在多个方面较之其它系列单片机更有优越性“1 。 美国m i c r o c h i p 公司推出的p i c 系列单片机是采用精简指令集r i s c 、哈佛 双总线和两级指令流水线结构的高性能价格比的8 位嵌入式控制器( e m b e d d e d c o n t r o l l e r ) 。它具有高速度( 每条指令最快可达1 6 3 n s ) 、低工作电压( 最低 工作电压为3 v ) 、低功耗、较大的输入输出直接驱动l e d 能力、一次性编程o t p ( o n et i m ep r o g r a m m a b l e ) 芯片的低价位、小体积、指令简单易学易用等特点。 该公司推出了多个不同层次系列、不同型号的产品，用户可以根据需要选择具有 ) f n 夕b 围接口功能、不同封装形式弃u ) f n o g l k , 范围的芯片“1 。 较之于常用的其他类型的单片机，p i c 系列单片机具有明显的优越性，主要 体现在以下几个方面。 、r i s c 技术 哙佛结稳，程序存储器稆数据存储器总线相互独立，采用长字指令，所鸯 指令都为单字长。 棚对小的指令集合和相对少的寻娥方式，使用固定的指令格式，大多数指 令在一个指令周期内执抒。 指令流水线结构，取指令和执行指令可以随叠进行，效率较高。 文释毒存器裰念，特豫功簸骞存器秘逶蠲鸯存器袋弱耪溺瓣寻蛙方式。 由于上述特点，p i c 单片机较c i s c 结构单片机可节省一半以上的程序空间 稆两倍以上静孤行速度。 二、c m o s 工艺 商速。p i c l 7 c 4 x 筚片视指令周期可达到1 6 0 n s ：p i c l 6 c x x 可达2 0 0 n s 。 工作电压范围宽，一般可从2 5 v 6 。2 5 v 。不同型号略有夔别。 低功耗。正常运行时为2 m a ，电压和工作频率降低时，功耗更低。p t c 单 片祝更疆供了一耱甄功耗洼眠方式。瑟辩，毫滚霹强至3 蛙a 醴下。 1 1 0 口具有全c m o s 输出驱动能力，减少用户使用外部驱幼芯片，可直接 6 基于p i c 单片机的海水亩机磷实时数捌采浆。抖黜0 系统 驱动l e d 显示。 三、信息交换方式增多 将模拟功能集成到片内，如p i c l 6 c 6 2 x 有模拟比较器、p i c l 6 c 7 x 的 a d 转换器以及p w m 输出。多功能定时器，除普遍结构的定时计数器外，还 提供了监视定时器w d t ，可有效检测由于干扰引起的软件“跑飞”现象，自动 复位c p u ，回复程序运行。某些型号具有的捕捉比较模块与标准的定时计数器 相比，可提供更准确的定时，减少软件干预，并提供多种工作方式，提高i o 速 度，以最快的速度读取外部事件或触发外部设备。采用新型串口总线接i s j ，如1 2 c 、 s p i 总线，使得扩展连线大为减少。串行通讯接口s c i u s a r t 为与上位机通讯 和构成网络系统提供了方便条件。 本系统选用的型号为p i c l 6 c 7 3 b ，下面对其进行简要介绍。 雨曩：m i i ：o r 洲 k o _ - - r ， 心i h r 皇， k 2 + r a 3 m n 3 ，v , i lf ，。 r a 4 , e l o c k i - - - 只 辩s 封 k d 卜 v s s - 0 8 c ，e u i n + 0 3 c 剖c l k o u t j c o 玎t o i ；o c t i r a k i - - - h c i 门1 0 若# c c p f l 卜- r c 2 ：c c g i t - r c 3 虻船s 【x + _ - f l t 3 7 _ + n b 6 _ + h h 5 h b 4 + n 0 3 - + 9 0 2 + r b l - + h 0 “i n l _ l v i 一v ：撼 - - h 0 7 ，日x ，d t - - h c b 丌x ，c k - _ - 只c 57 s d o + 科c 4 + s t 坩s 掘 图2 3p i c l 6 c 7 3 b 管脚图 由于p i c 系列微控制器具有高度的兼容特性，所以p i c l 6 c 7 3 b 具有基础级系 列微控制器的一切特性，下面我们仅将p i c l 6 c 7 3 b 单片机所独具的特性及内部资 源加以说明。p i c l 6 c 7 3 b 是一款基于e p r 0 t 的8 位高性能微控制器，其管脚如 图2 3 所示。芯片上集成了一个8 位算术逻辑单元和工作寄存器，4 k 程序存储 器，1 9 2 个数据寄存器，三个端口共2 2 根i o 线，三个定时计数器及二个捕捉 比较p w m 模块，二个串行口，中断源1 1 个。2 0 m h z 的振荡时钟，2 0 0 n s 的指令 周期。表2 一l 为单片机引脚说明。 表2 1p i c l 6 c 7 3 b 引脚说明 管脚f 引脚l 说明 基平t f c 单片机的海水有机磷实时数据采集与控制系统 o s c c l kt n9 振荡器输入外部时钟源输入 o s c c i 。k o u t 1 0 振荡器输出 m c l r v p p1 复位输入编程电压输入 r a o a n o 2 口a 为双向i o 口 r a l a n l 3 a n o 一4 为模拟输入o 4 通道 r a 2 a n 24r a 5 a n 4 孤可选择作为同步串口使用 r a 3 a n 3 v r e f5 r a 4 t o c k l 6 r a s a n 4 西 7 r b o2 l 口b 为双向i 0 口 r b l2 2 r b 4 i n t 可选择作为外部中断输入端 r b 22 3r b 4 7 可产生变化中断 r b 32 4 r b 6 可作为串行编程时钟端 r b 4 2 5 r b 7 可作为串行编程数据端 r b 52 6 r b 62 7 r b 72 8 r c o t 1 0 s o t l c k l 1 1 口c 为双向i l o 口 r c l t l o s l c c p 21 2 r c o t l o s o t 1 c k l 可选择作为t m r l 振荡器输出或 r c 2 c c p l1 3 t m r i 时钟输入。 r c 3 s c k s c l 1 4 r c l t 1 0 s 1 c c p 2 可选择作为t m r i 振荡器输入或捕捉 r c 4 s p i s d a1 5 器2 输入e b 较器输出p w h i 输出。 r c 5 s d o 1 6 r c 3 s c k s c l 可选择作为同步串行时钟输入s p l ，1 2 c r c 6 t x c k 1 7 方式输入。 r c t r x d t1 8 r c 4 s d i s d a 可选择作为s p i 数据输入( s p i ) 或数据 t o ( 1 2 c ) r c 5 s d o 可选择作为s p i 数据输入( s p i ) 。 v s s8 1 9地 v d d2 0电源 8 蜒于p 1 c 单片帆的海水商枫磷实时数据采集与控制系统 p c 1 6 c 7 3 b 可提供或灌入2 5 r r l a 的电流，它的任意一条i o 管脚都有很强的带 负载能力。因此，在某些场合，这些管脚可作为可控的电源。举个例子，在一些 低功耗的设计中，希望一些周围的器件在系统待命时不耗电或尽量少耗电，此时， 可考虑这些器件的电源供电由一条s o 脚负责提供，在工作时，m c u 在该条管脚 上输出高电平( 接近v d d ) ，带几个r n a 的负载绝对不成问题：若要进入低功耗模 式，m c u 就在该管脚输出低电平( 接近0 ) ，被控器件没有了电源，也就不会耗电。 t e 如l c i ) 显示电路，信号调制电路等都非常适合此类控制。p i c l 6 c 7 3 b 的另一个 特点是工作电压范围宽( 电压范围：3 o 6 o v ) ，当电源电压波动范围比较大时， c p u 能正常工作。 另外一个选择p i c l 6 c 7 3 b 的原因，就是本系统中单片机要与多个外围设备如 l c d 、e 2 p r o m 、c p l b 以及p c 机进行通讯。而p i c l 6 c 7 3 b 采用新型串口总线接口， 如i ? c 、s p i 总线，使得扩展连线大为减少。串行通讯接口s c i u s a r t 则为与上 位机通讯和构成网络系统提供了方便条件。 3 硬件电路设计 图3 - 1 所示为系统硬件结构框图，其中电磁阀、蠕动泵及其控制电路，以及 传感器构成测试装置：c p u 、预处理电路、a d 转换器、译码器、l c d 显示器等构 成自动采集控制部分；p c 机及安装其上的由l a b w i n d o w s c v i 编写的软件构成上 位机数据处理部分。 图3 一l系统硬件结构框图 系统共需要4 个蠕动泵和8 个电磁阀。要实现整个测试过程的自动控制，就 要能根据测试的要求，在不同时刻给出控制信号控制某些电磁阀或蠕动泵的丌与 9 基于p i c 单片机的海水有机磷实时数锯采集与拄制系统 关。系统设计由单片机通过c p ，d 在不同时刻输出不同的控制信号控制不同电磁 阀、蠕动泵自动开、关，从而控制四个通道的实验所需水样及底物按时按序加入。 传感器转换的四通道电压信号经过放大、滤波等预处理，经a d 转换器转换 为数字信号，经单片机读八处理后，通过标准的r s 一2 3 2 串行口传送到上位机， 同时单片机带一片l c d 实时显示采集的四通道的数据。 3 1 信号预处理 传感器输出的电压信号范围是一2 0 0 m v 到+ 2 0 0 m v 。“，而1 2 位a d 转换器要求 输入的电压信号范围是0 2 5 v ，所以需要在a d 转换前对信号进行放大。系统 所采用的电位型生物传感器可以等效为一个电压源与输出阻抗的并联，其输出阻 抗很高，可达1 0 ”q ，因此选择集成运放c 7 6 5 0 来组成放大电路，它的输入阻抗 很大，可达1 0 ”q ，输出阻抗很小，而且输入偏置电流、输入失调电流及温漂都 很小4 1 。 图3 一l 信号预处理电路 如图3 一l 所示，在由c 7 6 5 0 组成的负反馈放大电路中，v r 3 与r 2 9 串联构成 负反馈电阻。为了减小噪声对系统的干扰，在负反馈电阻两端并联电容器c 3 2 ， 构成低通滤波器，则反馈电阻相当于电容容抗与电阻的并联。当遇到高频噪声时， 反馈电阻减小，对高频信号的放大倍数随之减小，起到了滤波的作用。v r 3 用于 调节放大倍数，v r 2 用于调节偏置电流的大小，从而控制放大电路的输出在a d 的输入要求电平范围内。 放大电路采用电压串联负反馈，输出电压u 。：一生u ，。信号源相当于内阻 基于p i c 单片帆的海水有机磷实时数据采集j 控制系统 为r s 的电压源，如果将信号源与放大电路直接连接，则“。：一 ! u ，由于 。 r j + r 2 6 r 。接近1 0 ”q ，实现不了系统要求的放大近1 0 倍的效果。所以在放大电路前设 置了一级电压跟随器，输入电阻大，输出电阻小，能起到减小信号源内阻的作用， 可以保证将传感器电位差信号真实地传给放大电路，并且确保达到要求的放大效 果吮 在本系统中通常在输入电压为毫伏量级的情况下高增益工作，要保证放大器 的精度，必须提高印制板的质量，防止印板表面的漏电流。为此，在印制板上设 置了短路环( 即保护环) ，利用输入端周围的空脚，构成短路环，将漏电流导入 到输出端( 如图3 - 2 所示) 。 oooo0 0 图3 2 印板上的短路环布置 n 、j 0 、 啊 a 3 2a d 转换器和c p i j 的连接 系统所采集信号的范围为- 2 0 0 m v + 2 0 0 m v ，所以要求采集的信号转化为数字 信号后精确到0 i m v ，p i c 单片机自带的8 位a d 转换器不能满足系统对数据精 度的要求，并且它只有5 路模拟输入通道，没有足够的裕度嘶1 。所以选用t l c 2 5 4 3 做a d 转换器。t l c 2 5 4 3 是t i ( t e x a si n s t r u m e n t ) 公司的1 2 位串行开关电容 逐次逼近a d 转换器。t l c 2 5 4 3 有两种封装形势：d b 、d w d b 封装引脚如图3 3 所示。每个器件有3 个控制输入端：片选( c s ) 、输入输出时钟( i oc l o c k ) 及地址输入端( d a t ai n p u t ) 。片内具有一个1 4 通道多路选择器用于在1 1 个模 拟输入通道( a i n o a i n l 0 ) 和3 个内部自测试电压( s e t ，卜t e s t ) 中任选一个， 可通过对其8 位内部控制寄存器进行编程完成通道的选择，这样，四路模拟量的 转换用这一块芯片就可以完成，同时和c p u 连接只占用三条口线，在速度和精度 摧rp i c 单片机的海水有机磷实时数据采集与控制系统 完全满足系统测试的要求的情况下，比并行的转换芯片节省1 2 1 线。t 【c 2 5 4 3 可以 对输出结果的位数和极性进行选择。1 。 a i n 0 a i n l a j n 2 a i n 3 舢n 4 j n 5 a j n 6 a j n 7 田q 8 o 渤 v c c e o c o c i d c k d a t ai n p u t d a t a 似用h 1 c s r e f t r e f a 1 n l o a i n 9 图3 3t l c 2 5 4 3 引脚图 t l c 2 5 4 3 性能特点： ( 1 ) 1 2 位分辨率。 ( 2 ) 1 1 个模拟输入通道。 ( 3 ) 线性误差1 l s bm a x 。 ( 4 ) 输出数据单极性或双极性、数据长短、m s b 或l s b 前导可编程。 ( 5 ) 正常温度范围内l o h s 转换时间。 ( 6 ) 自动采样与保持。 ( 7 ) 片内系统时钟。 ( 8 ) 三种内置自测试方法。 ( 9 ) 转换结束信号e o c 。 转换的工作包括二个周期：i o 周期和转换周期t ( c o e i v ) 。i o 周期完成对 内部控制寄存器的初始化和在d a t ao u t p u t 端数据的输出：转换周期完成模拟量 到数字量的转换。在转换周期开始时，状态线e o c 输出变低；当转换完成时变高， 转换结果由内部自带的输出数据寄存器锁存。 t l c 2 5 4 3 上电工作时，要求片选西的电平有从高到低的变化，从而开始一次 i o 周期，使内部控制寄存器置为零，并且使转换状态线e o c 为低电平。此时e o c 为高，输出数据寄存器的内容是随机的。 在i o 周期中，首先要对内部控制寄存器进行设置。模拟信号通道确定后， 芯片即开始对选定的输入信号进行采样。开始时，片选醛为高，i oc l o c k 、d a t a 1 2 撼于p i c 单片机的海水有机磷实时数据采集与控制系统 i n p u t 被禁止，d a t ao u t p u t 呈高阻状态，e o c 为高。使西变低，i oc l o c k ，d a t a i n p u t 使能，d a t ao u t p u t 脱离高阻状态。1 2 个时钟信号从i 0c l o c k 端依次加 入，随着时钟信号的加入，控制字从d a t ai n p u t 一位一位地在时钟信号的上升沿 时被送入t l c 2 5 4 3 ( 高位先送入) ，同时七一周期转换的数据，即输出数据寄存器 中的数据从d a t ao u t p u t 一位一位地移出。t l c 2 5 4 3 收到第4 个时钟信号后，通 道号也已收到，因此，此时t l c 2 5 4 3 开始对选定通道的模拟量进行采样，并保持到 第1 2 个时钟的下降沿。在第1 2 个时钟下降沿，e o c 变低，开始对本次采样的模拟 量进行a d 转换，转换时间约需l o ps ，转换完成e o c 变高，转换的数据在输出 数据寄存器中，等待在下一个工作周期输出”1 。工作时序如图3 4 所示。 蔓1。，一 w ， ：厂1n 阿门门同n 一一。同同1 _ 。o 。 - 一 戡撕注牌j 一埋一+ i 敏女：性 埘啪 - ， 篙至x d 匹) ( d 叵x 9 互囝c 三x 默竺 三 ? i ；i 一i 辅。“8 一1 若- 竺z o ) 宅) o g x o ( ) ( ) 2 一乏；粥亿 ：愚 “” 出 ” w ，_ 十一。1广卜一 姐譬善格出择释的地耻 ：+ 一q c 洲i 一 - ：。 ，n 转靛辟 艳 - f 哥 图3 - 4t l c 2 5 4 3 时序图 正如上面所介绍的，t l c 2 5 4 3 在当前工作周期所输出的数据，其实是在上一 工作周期内转换的数据，所以在本系统中，第一次将0 通道采集的控制字写入 t l c 2 5 4 3 内部控制寄存器的同时输出的数据是随机的，转换结果不准确，应忽略。 而在下一个周期将i 通道采集的控制字写入内部控制寄存器的同时输出的数据 才是0 通道采集的准确数据。同理在2 、3 通道控制字写入周期内输出1 、2 通道 采集的数据。照此依次对四个通道进行循环采集。 t l c 2 5 4 3 外围电路如图3 5 所示。其中t l c 2 5 4 3 的转换状态线e o c 与 p i c l 6 c 7 3 b 的r a o 脚相连，i 0c l o c k 端与r a l 脚相连，d a t ai n p u t 端与r a 2 脚 相连，d a t ao u t p u t 端与r a 3 脚相连，片选口西与r c 5 脚连接。参考电压vr ef + 由2 5 v 精密基准电压源l m 3 3 6 2 5 提供。传感器输出的四路模拟信号分别连接 接于p i c 单j - j t 的海水有机磷实时数据采集1 j 拄制系统 到a i n 0 a i n 3 模拟输入通道。 图3 5t l c 2 5 4 3 外围电路 3 3c p t l 与外围设备的接口电路 这部分电路包括处理器与e e p r o m 、l c d 及c p l d 等的接口电路。 3 3 1 上电复位电路 对于一般场合，只需将丽瓦蟊直接连至v d d 即可完成正常复位。在v d d 上升 较慢或采用需要较长启动时间的低频晶体振荡器时，可采用图6 中所示的外部复 位电路。 要实现正确复位，要求v d d 到达最高电平后开始计算，而瓦i 到达高电平的 时间加上振荡启动定时器o s t 的计数满1 8 m s 时间应大于低频振荡器从启动到稳 定所需要的时间。由于o s t 的周期是1 8 m s ，它是固定不能改变的，因此在v d d 到达高电平后，丽面i 到达高电平的时间长短会影响复位过程。利用外接r c 电 路就可延长而瓦瓦到达高电平的时间，从而保证复位过程的正确。图3 6 中，v d d 接十p i c 单片机的海水有机磷实时数据采集o 控制系统 达到高电平后对c 充电，在此期间，使丽原有较长低电平时间。三极管p l 使电 容在v i ) d 掉电时快速放电”1 。 图3 - 6 外接上电复位电路 3 3 2 单片机与c p l d 接口电路 测试装置要求控制4 个蠕动泵和8 个电磁阀，如果用普通的1 3 8 译码器，不 仅需要进行扩展，而且其译码输出某一时刻只能有一个有效电平，不能实现控制 几个电磁阀或者蠕动泵同时工作在相同状态。因此借助于m a x + p l u si i 开发工 具，使用一片a i t e r a 公司的c p l d ( 复杂可编程逻辑器件) e p m 7 0 3 2 s 形成4 线一 1 6 线译码器，输出带锁存器，使得输出状态得以保持。用c p l d 代替小规模数字 电路，连线少，硬件布线简单，可以节省板上空间，还能够提高整体的可靠性和 抗干扰能力，而且输出的控制线还有余量。另外还能够在不改变硬件设计的情况 下修改电路逻辑，缩短仪器的开发周期并提高效率。 e p m 7 0 3 2 s 用来提供阀泵控制电路需要的组合逻辑。它属于m a x 7 0 0 0 s 系列， 是a l t e r a 公司的基于第二代m a x 结构的c p l d ，采用0 8 岬c o m se p r o m 技 术制造，4 4 脚p l c c 封装。它是高密度、高性能的c o m se e c p l d ( 电可擦除可编 程逻辑器件) 器件，可用门数6 0 0 门，宏单元3 2 个，l a b ( 逻辑阵列块) 2 个。 e p m 7 0 3 2 s 共有3 6 个i 0 引脚( 如图3 7 所示) 可供编程使用，除去用于和单片 机通信的7 个端口，还有2 9 个端口可以使用，可满足大部分对于端口扩展设计 的需求。可以容纳各种各样的独立的组合逻辑和时序逻辑功能”。 i o 控制块允许每个i 0 引脚单独地配置为输入、输出和双向工作方式。所 有i o 引脚都有一个三态缓冲器。它们由两个专用的低电平有效的输出使能引脚 一 兰里! 望竺垫竺塑查塑! ! 壁壅堕墼塑墨堡兰堡型至竺 o e i 和o e 2 来控制。 t o 3 一：0p o z 。 w ： o m 。0 m 2 - n ： 图3 7e p m t 0 3 2 s 管脚图 c p l d 的9 、1 1 、1 2 、1 4 引脚分别和单片机p i c l 6 c 7 3 b 的r b i r b 4 引脚相连， 用于地址译码的输入；4 4 脚( 即0 e l 脚) 和单片机