（机械工程专业论文）多通道压力在线测试系统设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 当今世界工业发达国家的计量测试技术都十分先进，而且发展很快。一 个国家工业要发达，科学技术要发展，没有先进的计量测试技术和强大的物 质力量是不行的。目前无论是科技界，还是工业界，都在密切关注国际计量 测试技术的最新发展。作为无论在科技还是工业生产过程中应用最广泛的三 大参数( 压力、温度、流量) 之一，压力计量测试技术和仪表的发展历来受 到人们的重视。近十余年来压力测试技术取得了明显的进展，首先是各国在 压力基准方面的研究工作不断深入。各类压力传感器的制造工艺和测量技术 均有明显进步，压力测试的准确度有较大的提高。其次是商品化压力计量仪 器发展很快，压力测试系统的自动化程度大为提高。 本课题所设计的多通道压力在线测试系统，主要用于实际工业生产中压 力的自动检测，其最大的测量压力可达i o o k n 。系统采用单片机作为控制核 心。配备了当今较为常用的外围接口芯片，并引入了在系统编程技术( i s p ) ， 可以十分方便的实现系统升级。本系统通常可以实现同时对8 路测试通道进 行压力测试，经过简单改进能够实现同时对2 4 路测试通道进行压力测试。压 力测试值可以通过测试仪的液晶显示屏进行显示，并可以通过打印机将测试 结果打印输出。同时，压力测试系统还可以与上位机( p c 机) 进行通信，将 测试结果传送n p c 机中的大容量存储器进行保存，并通过编程在p c 机的显示 器上显示出各个被测通道压力的实时变化曲线，便于对被测压力的实时监 测。 关键词：压力测试：单片机；在系统编程 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t n o w a d a y st h em e a s u r et e s t i n gt e c h n i q u e i sv e r ya d v a n c e da n d d e v e l o p i n gq u i c k l yi nt h ei n d u s t r y d e v e l o p e dc o u n t r i e s ac o u n t r y c a n td e v e l o pi t si n d u s t r ya n dt e c h n o l o g yw i t h o u ta d v a n c e dm e a s u r e t e s t i n gt e c h n i q u ea n ds t r o n gs u b s t a n t i a lp o w e r a tp r e s e n tn om a t t e r w h e t h e ri nt h et e c h n o l o g i c a lf i e l do ri nt h ei n d u s t r i a lf i e l d ，p e o p l e a r ea l lp a y i n gc l o s ea t t e n t i o nt ot h eu p t o d a t ed e v e l o p m e n to ft h e i n t e r n a ti o n a lm e a s u r et e s tin gt e c h n iq u e a so n eo ft h et h r e e p a r a m e t e r s ( p r e s s u r e ，t e m p e r a t u r e ，f l u x ) w h i c h a r ea p p l i e dm o s t e x t e n s i v e l yi nt h ei n d u s t r i a lp r o d u c t i o np r o c e s s e s ，t h ed e v e l o p m e n t o ft h ep r e s s u r et e s t i n gt e c h n i q u ea n di n s t r u m e n t si sa l w a y st h o u g h t i m p o r t a n t i nt h el a s td e c a d e ，t h ep r e s s u r et e s t i n gt e c h n i q u em a d e o b v i o u sp r o g r e s s f i r s t ，a 1 1c o u n t r i e sa r ec o n t i n u o u s l yt h o r o u g hi n t h er e s e a r c hw o r ko ft h ep r e s s u r eb e n c h m a r k ，t h em a n u f a c t u r i n g t e c h n o l o g ya n d t h em e a s u r et e c h n i q u eo fe a c h k i n do ft h ep r e s s u r e s e n s o r sh a v et h eo b v i o u sp r o g r e s s ，a n dt h ev e r a c i t yo ft h ep r e s s u r e t e s th a st h eb i g g e re x a l t a t i o n s e c o n d l y ，t h ec o m m e r c i a lp r e s s u r e i n s t r u m e n t sd e v e l o pr a p i d l ya n dt h ea u t o m a t i z a t i o nd e g r e eo ft h e p r e s s u r e t e s t i n gs y s t e mh a sb e e ng r e a t l yi m p r o v e d t h em u l t i - c h a n n e lp r e s s u r eo n 一1i n et e s t i n gs y s t e m d e s i g n e db y t h i st o p i ci sm a i n l yu s e df o rt h ep r e s s u r ea u t o m a t i cd e t e c t i o ni nt h e a c t u a li n d u s t r i a lp r o d u c t i o n a n di t sm a x i m a lm e a s u r ep r e s s u r ec a n a m o u n tt o1 0 0k n t h es y s t e ma d o p t sm c ua st h ec o n t r o lc o r e ，p r o v i d e s w i t ht h ep e r i p h e r a li n t e r f a c ec h i pu s e dw i d e l yn o w a d a y sa n dl e a d si n t h e i s pt e c h n i q u e s oitc a nc a r r yo u tt h e s y s t e mu p g r a d ev e r y c o n v e n i e n t l y t h i ss y s t e mc a nc a r r yo u tt h ep r e s s u r et e s t t o8t e s t c h a n n e l sa tt h es a m et i m e ，a n dc a nc a r r yo u tt h ep r e s s u r et e s tt o2 4 t e s tc h a n n e l sa tt h es a m et i m eb ys i m p l ei m p r o v e m e n t t h ep r e s s u r e t e s tv a l u ec a nb ed i s p l a y e db yt h el c do ft h et e s ti n s t r u m e n ta n dt h e 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 i i 页 t e s tr e s u l tc a nb ep r i n t e do u tb yt h ep r i n t e r a tt h es a m et i m e 。t h e p r e s s u r et e s ts y s t e mc a na l s oc o m m u n i c a t ew i t ht h eu p p e rm a c h i n e ( p c ) 。 s a v i n gt h et e s tr e s u l ti n t h eb i gc a p a c i t ym e m o r i z e ri nt h ep c ，a n d d i s p l a yt h er e a l t i m ec u r v eo fe a c ht e s t e dc h a n n e li nt h ed i s p l a yo f t h ep cb yp r o g r a m m i n g ，s oi t i se a s yt oh a v ear e a l t i m ei n s p e c t i o n t o w a r d st h et e s t e dp r e s s u r e k e y w o r d s ：p r e s s u r et e s t ，m c u ，i n s y s t e mp r o g r a m m i n g 西南交通大学硕士学位论文 第1 页 第1 章绪论 1 1 工业测试仪器仪表发展概况 当今世界已经进入信息时代，信息技术成为推动国民经济和科学技术发 展的关键技术。著名科学家钱学森明确指出：“信息技术包括测量技术、计 算机技术和通信技术测量技术是关键和基础”。现代仪器仪表是对物质世 界的信息进行测量与控制的基础手段和设备，是信息产业的源头和组成部 分。根据国际发展潮流和我国的现状，现代仪器仪表按其应用领域和自身技 术特性大致划分为6 个大类，即工业自动化仪表与控制系统，科学仪器，电 子与电工测量仪器，医疗仪器，各类专用仪器，传感器与仪器仪表元器件及 材料。其中，工业自动化仪表与控制系统，主要指工业，特别是流程产业生 产过程中应用的各类检测仪表、执行机构与自动控制系统装置。 世界发达国家都高度重视和支持仪器仪表的发展，美国国家长期安全和 经济繁荣至关重要的2 2 项技术中有6 项与传感器信息处理技术直接相关；日 本科学技术厅把测量传感器技术列为2 l 世纪首位发展的技术：德国大面积推 广应用自动化测控仪器系统，2 0 世纪9 0 年代6 年就增加了3 5 0 的市场，保证 了劳动生产率增长1 9 ；欧共体制定第三个科技发展总体规划，将测量和检 测技术列为1 5 个专项之一。 数字技术的出现把模拟仪器的精度、分辨力与测量速度提高了几个量 级，为实现测试自动化打下了良好的基础。计算机的引入，使仪器的功能发 生了质的变化，以个别参数的测量转变成整个系统特征参数的测量：从单纯 的接收显示转变为控制、分析、处理、计算与显示输出；从用单台仪器测量 转变为用测量系统测量：使电子测量仪器在传统的时域与频域之外，又出现 了数据域测试。上世纪9 0 年代，一个突破性的进展是仪器仪表智能化程度 的提高；d s p 芯片的大量问世，使仪器仪表数字信号处理功能大大加强；微 型机的发展，使仪器仪表具有更强的数据处理能力和图象处理功能。现场总 线技术是9 0 年代迅速发展起来的一种用于各种现场自动化设备与其控制系 统的网络通信技术，i n t e r n e t 技术也将进入控制领域。现代仪器仪表已经 向着计算机化、网络化、智能化、多功能化的方向发展。跨学科的综合设计、 西南交通大学硕士学位论文第2 页 高精尖的制造技术使之能更高速、更灵敏、更可靠、更简捷地获取被分析、 检测、控制时象的全方位信息。 1 2 我国自动化测试仪器发展现状及规划 我国自动化测试仪器技术落后于国际先进水平，差距是全方位的，包括 测量与控制的精度不高，品种短缺，外观不美等各个方面。现有的自动化检 测仪器及系统仍以模拟仪表为主，一般性产品多，技术含量高的高附加值的 产品少，在7 0 0 0 多个主要品种中，数字化、智能化的产品只占2 0 5 。目 前国内变送器水平属中低档次，量程小、功能少，且以模拟量和非智能型为 主。但最致命的差距表现在产品的可靠性和稳定性上，可靠性指标m t b f 为 3 万小时，而国外m t b f 为8 万小时以上。执行器多数产品可靠性技术指标 比国外低1 2 个数量级。使用国产仪器仪表，一次开机成功率普遍不高， 使用中维修率却不低。可靠性和稳定性问题长期得不到根本性解决，成为我 国自动化测试仪器发展中的“瓶颈”，严重地阻碍了国产自动化测试仪器仪 表的应用。我国平均每年的自动化测试仪器仪表进口金额大约在9 0 亿美元 左右，而且近年来还在大幅度增加，除了部分用户确实购置我国短缺的高端 大型精密的自动化测试仪器外，不少业主购进的是我国已有的自动化测试仪 器仪表。究其原因，主要就在于测量精度、可靠性和稳定性不高影响到了国 产仪器仪表的可信度。制约国产自动化测试仪器仪表的可靠性和稳定性的主 要原因是：长期忽视了基础技术的研究和开发：国产通用件和基础件的 质量不过关：自动化测试技术应用水平不高；企业对产品的质量管理和 培训能力。 我国政府在国民经济和社会发展第十个五年计划纲要中明确提出“把 发展仪器仪表放到重要位置”，国家发改委列出资金专项支持仪器仪表的发 展。“十五”工业自动化仪表技术结构调整的重点是：在“九五”发展的基 础上，进一步推进仪表的智能化、系统的网络化、软件的工程化、应用的综 合化。其关键技术如下： ( 1 ) 传感变送一体化技术传感器智能化技术；复合测量传感器技术； 传感变送专用电路功能模块及其工程化。 ( 2 ) 仪表智能化技术现场总线性能分析；现场总线智能仪表可靠性、 西南交通大学硕士学位论文第3 页 安全性、互操作性：现场总线智能仪表高级控制模块等。 ( 3 ) 现场总线控制系统技术典型现场总线控制系统体系结构和通信技 术；不同现场总线系统的并网集成技术；高速总线控制系统及其相应的网络 设备与软件技术。 ( 4 ) 自动化软件技术自主版权的自动化控制、监控、管理软件及其工 程化技术：设备管理系统及其应用技术。 ( 5 ) 综合自动化技术基于新型控制系统的综合自动化体系结构及工程 设计技术：先进控制策略与算法：综合自动化控制设备的连接与集成技术， 以及控制网络与企业信息网络自动化工程应用。 ( 6 ) 现场总线智能仪表与系统的环境适应性与质量保证技术现场总线 智能仪表及系统的防爆技术、电磁兼容性技术、可靠性技术、关键制造工艺、 测试技术等。 在未来1 0 到1 5 年的时间内，充分利用我国经济高速发展和巨大的市场 优势，大力推进新技术新工艺在自动化测试仪器仪表中的应用研究，掌握各 类先进自动化测试仪器仪表的设计、生产工艺等关键技术，使我国仪器仪表 产业总体水平同国际水平的差距缩短到3 至5 年，约3 0 的产品达到国际同 期先进水平，国产自动化测试仪器仪表在大工程中的配套能力达到8 5 以 上，在国内市场需求中占领7 5 以上的份额。 1 3 论文研究背景及意义 工业生产过程中应用最广泛的三大参数( 压力、温度、流量) 之一，压 力计量测试技术和仪表的发展历来受到人们的重视。近十余年来，压力测试 技术取得了明显的进展，首先是各国在压力基准方面的研究工作不断深入。 各类压力传感器的制造工艺和测量技术均有明显进步，压力测试的准确度有 较大的提高。其次是商品化压力计量仪器发展很快，压力测试系统的自动化 程度大为提高。目前，我国水利、电力、石油化工、轻工机械等行业，对于 生产现场中压力参数的测量，一般都采用现场安装压力表或短距离毛细管传 输压力表，需要安装在要测量的压力现场附近，由操作人员定时巡查各点的 压力参数。这样的测量方式，不但操作人员劳动强度大，而且无法做到随时 能观察到设备运行过程中各点压力参数的变化，难以预防突发事故的发生。 西南交通大学硕士学位论文 第4 页 多通道压力在线测试系统主要应用于火力发电厂的汽轮机安装过程中。 测量各个气缸安装支点的处的压力。通过各个支点处的压力测试，判断气缸 的安装是否达到平衡，各支点是否均匀受力，防止在运行过程中出现事故。 同时，在实际的工业现场应用中，与不同的压力传感器和测量电路相配套， 可广泛应用于各种不同场合，各种不同组态下介质压力的在线实时测量。 多通道压力在线测试系统与传统的压力测试系统相比较，主要具有以下 技术特点： l t 自补偿和计算功能： 利用微处理器对测试的信号进行软件计算，采用多次拟合等计算方法对 漂移和非线性进行补偿，从而能获得较精确的测量结果。 2 自检、自校、自诊断功能： 系统在电源接通时进行自检，诊断测试以确定系统组件有无故障。再根 据使用时间在线进行校正，微处理器利用存在e p r o m 内的计量特性数据进行 对比校对。 3 实时性功能： 系统在较短的时间内完成数据采集、计算、处理和输出，通过软件可迅 速完成包括标度换算、数字调零、非线性补偿、温度补偿等功能计算。 4 双向通信功能： 系统能通过通信单元以数字形式与上位机( p c 机) 进行双向通信，将 测试数据传送到上位机进行存储和分析。并可以通过在系统编程功能( i s p ) ， 对系统软件进行在线升级，以及相关设定参数的调整。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章系统总体设计 2 1 系统的主要技术指标 为适应在实际工业生产中的具体应用和要求，本系统要求具有以下主要 技术指标： 1 测试精度等级：0 5 级； 2 测试灵敏度：1 o i 5 m v v ； 3 压力测试范围：0 1 0 0 k n ： 4 测试通道数目：8 通道( 可扩展为2 4 通道) ； 5 具有与上位机( p c 机) 直接进行通信功能； 6 具有多通道测量结果实时显示、存储和打印输出功能： 7 具有在系统编程功能方便升级系统软件； 2 2 系统的总体组成 根据压力测试系统主要技术指标，本系统主要由数据采集转换、单片机 控制、数据输出、数据通信四部分组成。 1 数据采集转换单元 根据压力测试系统的设计要求，采用电阻应变式荷重传感器( c z l y b 一4 a ) 接收压力值，并使用高增益、低漂移的直流电压型测量放大器( a m p v i a q ) 进行信号放大。被测信号放大后送a d 转换电路实现a d 转换。其测量范围： o 一1 0 0 k n ，灵敏度：1 o 1 5 m v v 。a d 转换器选用1 2 位m a x l 9 7 ，其线性误 差为0 5 l s b ，转换时间为2 5us ，适合在高精度快速采样系统中使用。 2 单片机控制单元 选用8 9 c 5 1 r d 2 作为控制芯片，进行数据处理及流程控制。同时，该单片 机具有在系统编程( i s p ) 功能，可以实现系统软件的方便升级换代。 3 数据输出单元 通过存储器扩展实现数据测试数据的存储，为了保证断电数据不丢失， 使用2 4 c 1 6 作为数据存储器；i o 扩展连接液晶显示器完成数据显示，最大值 可显示i o o k n 。打印输出功能，采用1 6 字行针式并行微型打印机，国标一级 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章系统总体设计 2 1 系统的主要技术指标 为适应在实际工业生产中的具体应用和要求，本系统要求具有以下主要 技术指标： 1 测试精度等级：0 ，5 级： 2 测试灵敏度：i o i 5 m y v ： 3 压力测试范围：0 1 0 0 k n ； 4 测试通道数目：8 通道( 可扩展为2 4 通道) ； 5 具有与上位机( p c 机) 直接进行通信功能； 6 具有多通道测量结果实时显示、存储和打印输出功能； 7 具有在系统编程功能方便升级系统软件： 2 2 系统的总体组成 根据压力测试系统主要技术指标，本系统主要由数据采集转换、单片机 控制、数据输出、数据通信四部分组成。 1 数据采集转换单元 根据压力测试系统的设计要求，采用电阻应变式荷重传感器( c z l y b - 4 a ) 接收压力值，并使用高增益、低漂移的直流电压型测量放大器( a m p v 一1 a q ) 进行信号放大。被测信号放大后送a d 转换电路实现a d 转换。其测量范围： o 一1 0 0 k n ，灵敏度：1 0 1 5 m v v 。a d 转换器选用1 2 位m a x l 9 7 其线性误 差为0 5 l s b ，转换时日j 为2 51 ts 适合在高精度快速采样系统中使用。 2 单片机控制单元 选用8 9 c 5 1 r d 2 作为控制芯片，进行数据处理及流程控制。同时，该单片 机具有在系统编程( i s p ) 功能，可以实现系统软件的方便升数换代。 3 数据输出单元 通过存储器扩展实现数据测试数据的存储，为了保证断电数据不丢失， 使用2 4 c 1 6 作为数据存储器；i o 扩展连接液晶显示器完成数据显示，最大值 可显示i o o k n 。打印输出功能，采用1 6 字行针式并行微型打印机国标一级 可显示i o o k n 。打印输出功能。采用t 6 字行针式并行微型打印机，国标一级 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 字库，满足系统需求，并且经济实用，性价比较高。 4 数据通信单元 考虑到系统要求及方便实用，且m a x 2 3 2 5 行通信开发成本低，开发周期 短，性价比较高，故采用9 针1 a x 2 3 2 串行口及m a x 2 3 2 构成通信单元来完成电 平转换与串行通信。通过设定串行通信协议，将测量数据传输n p c 机。 2 3 压力测试系统外型效果图 压力测试系统的外型效果图和实际测试工作状态，如图2 - 1 和2 2 所示。 图2 - 1压力测试系统的外型效果图 图2 2压力测试系统的测试工作状态 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第3 章系统硬件设计 3 1 系统硬件组成 系统硬件组成框图如图3 - 1 所示 叵堕乎匝母 图3 1 系统硬件组成框图 本系统硬件部分中央处理单元采用飞利浦公司的微处理器p 8 9 c 5 1 r d 2 ， 该单片机具有6 4 k 并行可编程的非易失性f l a s h 程序存储器，并可实现对器件 串行在系统编程( i s p ) 和在应用中编程( i a p ) 。另外，还包括串行通信芯片 ( m a x 2 3 2 ) 、a ，d 转换芯片( m a x l 9 7 ) 、数据存储芯片( 2 4 c 1 6 ) 以及其 它必要的外围电路构成。按功能可以分为单片机控制单元、数据存储单元、 数据显示单元、数据打印输出单元、a d 转换电路单元、通信单元、信号处 理单元及检测传感器单元等几大部分。 3 2 压力传感器和信号处理电路 3 2 1 压力传感器 传感器是决定测重仪精度的关键元件，传感器的选择主要由工作环境、 测量精度、测量范围、线性度、灵敏度、稳定性、功耗、体积等决定。根据 压力测试系统的设计要求，选用成都新普传感器有限公司生产的电阻应变式 亘 雪 囹幸宅一 西南交通大学硕士学位论文第8 页 荷重传感器( c z l y b 一4 a ) 。主要用于压式称重测力，具有较高的测量精度 结构简单安装方便，另有穿心孔式各种大量程结构。 1 压力传感器的主要技术参数 精度等级：0 5 级 灵敏度：1 o 1 5 m v v 量程 c z l b 一4 a 量程( t ) a h ld m 1 7口6 5 8 8 7 5口3 8 x m 6 1 0 - 3 00 9 2 x1 3 0 x1 0 5口5 6 m 8 5 0 1 0 0a 1 2 6 1 7 4 x 1 4 0口9 0 m 1 0 2 压力传感器的安装外形图 图3 2压力传感器的安装外形图 3 2 2 信号处理电路 在压力传感器信号检测中，检测精度受到诸多因素的影响，其中压力传 感器信号的变送与远距离的传输处理是影响信号精确度的重要因素之一。常 用的压力传感器信号处理有两种方法：一种方法是将被测压力信号转变为电 压信号；另一种方法是将压力传感器信号转换成电流信号。本设计的压力测 试系统与压力传感器之间的距离不远( 一般为几米十几米) ，因此采用 电压输出型的信号处理电路。系统与传感器配套选用成都新普传感器有限公 司生产的信号处理电路，其内部主要是一个高增益、低漂移的直流电压型测 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 量放大器( a m p v 一1 a q ) 。 a m p v 一1 a q 型测量放大器的主要技术指标： 精度：0 0 5 输出：d c ：0 5 v 外部调零范围：8 外部供电：d c 1 2 v 外形尺寸： 5 0 3 0 1 1 0 m m 3 3 单片机控制单元 单片机控制单元是整个系统的核心部分。针对便携式测试仪器的特点， 兼顾设计成本和开发周期，通常c p u 的选型可从两个方面来考虑。第一， 选择成品工控设备，如类似于p c i 0 4 板。开发周期短，但灵活性差，仪器 体积大，成本高。第二，选择单片微处理器m c u 或数字信号处理器d s p ， 体积小、成本低、设计灵活。综合各种因素，本设计选用飞利浦公司推出的 微处理器p 8 9 c 5 1 r d 2 作为系统c p u ，主要完成以下功能： 负责对整个系统的工作进行协调、控制及管理。 负责与上位机进行通信。 自a d 转换电路读取数据并向a d 转换电路发送控制指令。 读取输入信号，进行分析处理后，输出至显示设备等。 进行打印机编程及控制。 进行液晶显示模块编程及控制。 对存储器进行读写，读取相应结果、再现和打印处理结果。 3 3 1p 8 9 c 5 1r d 2 微处理器概述 p 8 9 c 5 1 r d 2 是飞利浦公司推出的具有6 4 k 并行可编程的非易失性f l a s h 程序存储器，并可实现对器件串行在系统编程( i s p ) 和在应用中编程( i a p ) 的微处理器。通过在系统编程i s p ( i n s y s t e mp r o g r a m m i n g ) ，当m c u 安装 在用户板上时，允许用户下载新的代码。通过在应用中编程i a p ( i n a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n g ) ，m c u 可以在系统中获取新代码，并对自 己重新进行编程。这种方法允许通过调制解调器连接进行远程编程。片内r o m 中固化的默认的串行加载程序( b o o tl o a d e r ) 允许i s p 通过u a r t 将程序代码 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 装入f l a s h 存储器。而f l a s h 代码中则不需要加载程序。对于i a p ，用户程序 通过使用片内r o m 中的标准程序对f l a s h 存储器进行擦除和重新编程。 p 8 9 c 5 1 r d 2 可通过并行编程或在系统编程的方法对一个f l a s h 位进行编 程，从而选择6 时钟或1 2 时钟模式。此外，也可通过时钟控制寄存器c k c o n 中的x 2 位选择6 时钟或1 2 时钟模式。另外，当处于6 时钟模式时，外围功能可 以通过c k c o n 寄存器选择一个机器周期6 时钟或是1 2 时钟。 p 8 9 c 5 1 r d 2 微控制器是8 0 c 5 1 微控制器的派生器件，是采用先进c m o s 工艺制造的8 位微控制器，指令系统与8 0 c 5 1 完全相同。该器件有4 组8 位i o 口，3 个1 6 位定时计数器，多中断源一4 中断优先级一嵌套的中断 结构，1 个增强型u a r t 片内振荡器及时序电路。新增的特性使得p 8 9 c 5 1 r d 2 成为功能更强大的微控制器，更好地支持应用于脉宽调制，高速i o ，递增 递减计数能力( 如电机控制) 等场合。 其主要特性如下： ( 1 ) 8 0 c 5 1 中央处理单元； ( 2 ) 具有i s p 干n i a p 功能的片内f l a s h 程序存储器； ( 3 ) 片内b o o tr o m 包含底层f l a s h 编程子程序以实现通过u a r t 下载程 序； ( 4 ) 可实现最终用户应用的编程i a p ； ( 5 ) 与8 7 c 5 1 兼容的并行编程硬件接口； ( 6 ) 每个机器周期为6 个时钟周期标准； ( 7 ) 可通过并行编程器选择6 时钟1 2 时钟模式，芯片擦除后默认的时 钟模式为1 2 时钟： ( 8 ) 可通过i s p 对选择6 时钟1 2 时钟模式的f l a s h 位进行擦除和编程； ( 9 ) 可通过s f r 位在运行中改变6 时钟1 2 时钟模式； ( 1 0 ) 当c p u 为6 时钟模式时，外围功能p c a 定时器u a r t 可选择使用6 时钟 1 2 时钟模式； ( 11 ) 采用6 时钟周期时频率可高达2 0 m h z ( 相当于4 0 m h z ) ，采用1 2 时 钟周期时频率可达3 3 m h z ： ( 1 2 ) 全静态操作； ( 13 ) r a m 可外部扩展至 j 6 4 k 字节： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 ( 1 4 ) 4 个中断优先级； ( 1 5 ) 7 个中断源； ( 1 6 ) 4 个8 位i 0 口； ( 1 7 ) 全双工增强型u a r t ； 帧错误检测 自动地址识别 ( 1 8 ) 电源控制模式 时钟可停止和恢复 空闲模式 掉电模式 ( 1 9 ) 可编程时钟输出： ( 2 0 ) 异步端口复位； ( 2 1 ) 双d p t r 寄存器： ( 2 2 ) 低e m i 禁止a l e ； ( 2 3 ) 可编程计数器阵y l j p c a ； p w m 捕获t t 较 3 3 2p 8 9 c 5 1r d 2 的引脚排列及功能 p 8 9 c 5 1 r d 2 的引脚排列如图3 3 所示。 v s s ( 2 0 ) ：电源地，o v 参考点： v c c ( 4 0 ) ：电源，提供掉电、空闲及正常工作电压； p o 0 - 0 7 ( 3 9 3 2 ) ：p o 口，p 0 口是开漏双向口，可向其写入l 使其状 态为悬浮，用作高阻输入。p 0 也可以在访问外部程序存储器时作地址的低字 节，在访问外部数据存储器时作数据总线，此时通过内部强上拉传送l ； p 1 o 1 7 ( 卜8 ) ：p 1 口，p l 口是带内部上拉的双向i o d ，向p 1 口写入 l 时，p l 口被内部上拉为高电平，可用作输入1 ：3 。当作为输入脚时，被外部 拉低的p l 口会因为内部上拉而输出电流； p 1 口第2 功能： t 2 ( p 1 0 ) ：定时计数器2 的外部计数输入时钟输出： t 2 e x ( p 1 1 ) ：定时计数器2 重装载捕捉方向控制； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 e c i ( p 1 2 ) ：p c a 的外部时钟输入； c e x o ( p 1 3 ) ：p c a 模块0 捕获比较模式的外部i o 管脚； c e x l ( p 1 4 ) ：p c a 模块1 捕获l t 较模式的外部i o 管脚； c e x 2 ( p 1 5 ) ：p c a 模块2 捕获比较模式的外部i 0 管脚： c e x 3 ( p 1 6 ) ：p c a 模块3 捕获比较模式的外部i o 管脚： c e x 4 ( p 1 7 ) ：p c a 模块4 捕获l t 较模式的外部i o 管脚 v c c e 日 罪可 图3 3p 8 9 c 5 1 r d 2 ( d i p 封装) 引脚排列示意图 p 2 0 2 7 ( 2 1 2 8 ) ：p 2 口，p 2 口是带内部上拉的双向i o 口，向p 2 口 写入1 时，p 2 口被内部上拉为高电平可用作输入口。当作为输入脚时，被外 部拉低的p 2 口会因为内部上拉而输出电流。在访问外部程序存储器和外部 数据时分别作为地址高位字节和1 6 位地址( m o v x d p t r ) ，此时通过内部强上 拉传送1 。当使用8 位寻址方式( m o v r i ) 访问外部数据存储器时，p 2 口发送 p 2 特殊功能寄存器的内容，p 2 7 在编程擦除时必须为l ； p 3 o 一3 7 ( 1 0 一1 7 ) ：p 3 口，p 3 口是带内部上拉的双向i 0 口，向p 3 口 写入1 时，p 3 口被内部上拉为高电平，可用作输入口。当作为输入时，被外 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 部拉低的p 3 口会因为内部上拉而输出电流； p 8 9 c 5 1 r x 2 的p 3 口脚具有以下特殊功能： r x d ( p 3 0 ) ：串行输入口； t x d ( p 3 1 ) ：串行输出口； i n t o ( p 3 2 ) ：外部中断0 ； i n t l ( p 3 3 ) ：外部中断； t o ( p 3 4 ) ：定时器0 外部输入； t 1 ( p 3 5 ) ：定时器l 外部输入； w r ( p 3 6 ) ：外部数据存储器写信号； r d ( p 3 7 ) ：外部数据存储器读信号： r s t ( 9 ) ：复位，当晶振在运行中，只要复位管脚出现2 个机器周期 高电平即可复位，内部有扩散电阻连接到v s s ，仅需要外接一个电容到v c c 即可实现上电复位； a l e ( 3 0 ) ：地址锁存使能，在访问外部存储器时，输出脉冲锁存地址 的低字节，在正常情况下，a l e 输出信号恒定为1 6 振荡频率。并可用作外 部时钟或定时，注意每次访问外部数据时一个a l e 脉冲将被忽略。a l e 可以 通过置位s f r a u x i l i l a r y 0 禁止，置位后a l e 只能在执行m o v x 指令时被激活： p s e n ( 2 9 ) ：程序存储使能，读外部程序存储。当从外部读取程序时， p s e n 每个机器周期被激活两次，在访问外部数据存储器p s e n 无效，访问 内部程序存储器时p s e n 无效； e a v p p ( 3 1 ) ：外部寻址使能编程电压，在访问整个外部程序存储 器时，瓦i 必须外部置低。如果瓦i 为高时，将执行内部程序。当r s t 释放后， e a 脚的值被锁存。任何时序的改变都将无效。该引脚在对f l a s h 编程时用 于输入编程电压( v p p ) ； x t a l l ( 1 9 ) ：晶体1 ，振荡反向放大器输入端和内部时钟发生电路输入 端； x t a l 2 ( 1 8 ) ：晶体2 ，振荡反向放大器输出端； 3 3 38 9 0 5 1 r d 2 的实际应用 本设计中的单片机应用电路如图3 4 所示。单片系统的外部时钟采用 1 2 m h z 石英振荡器，将p o 口作为8 位数据输入输出端口，单片机的复位信 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 号由专用的复位芯片( i m p 7 0 8 ) 提供，在实际工作中将在两种情况下产生复 位信号。一种情况是在通常当系统上电时，复位芯片输出复位信号( r s t ) 对单片机进行复位；另一种情况是当外部复位按键输出复位信号( r e s e t ) 时，通过复位芯片输出复位信号( r s t ) 对单片机进行复位，第二种复位方 式主要用于外部手动复位和系统实现i s p 功能时使用。 望! 旦 r 4 髓s 2 c = = = 卜 型 c a p i l i m p 7 0 8 坚眵 叠 b u s y l c d e 蕊 n cv c c p 1 0 ，r 2p 0 0 ，a 0 p 1 1 ，r 2 e xp 0 1 ，a 1 p l2 压c ip 0 2 膻2 p 1 3 虻e x 0 p 0 3 ，a 3 p 1 4 忙e x lp 0 4 ，a 4 p l 5 j c e x 2p 05 a 5 p 1 石圮e x 3p 0 6 i a 6 p 1 7 厄e x 4p o7 旭7 r s te a p 3 0 舷dh c n ca l e p 3 1 ，r x dp s e n p 3 2 m 4 t 0p 2 7 ，a 1 5 p 3 3 m 4 t lp 2 6 擅1 4 p 34 ，r 0p 2 5 ，a 1 3 p 35 ，r 1p 2 4 1 t 1 2 p 36 九rp 2 3 ，a l l p 3 7 j l i d p 22 ，a 1 0 x t a l 2 p 21 ， 9 x t a l lp 20 值8 g n dn c 2 m h z l 丽b 丽五瓦瓦 c l l c 1 2 g n d 图3 4单片机应用电路 在单片机应用系统中，地址译码器是经常使用的。用于地址译码的器件 一般为两类，一类是集成的固定译码器，比如：二一四译码器、三一八译码 器、四一十六译码器等，这种译码器使用方便，但由于译码器各输出端的地 址间隔固定( 一般为1 6 k b 、8k b 、4 k b 等) 的不足，这类译码器使用起来不够 灵活。另一类是用g a l 器件设计的地址译码器，且也是g a l 器件最常见的应用 方式，它可以设计出任意地址范围的译码器并且还具有保密性。 压力测试系统内部单片机的外围硬件接口电路较多，主要包括：液晶显 示接口、a d 转换接口、打印机接口和数据缓冲器( 7 4 f 2 4 4 ) 等。为了保证 蚪一帕一蛇一札一一曲一粥一所一靳一筇一斟一一弛一虬一一嚣一勰一卯一描一签一孔一6一，一。一9一mu一坨一一h一坫一m一一博一挎一一越一挖 麟旨墨灯 鉴篇嚣等嚣到 a 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 各个外围接口电路正常工作，避免各个外围接口电路出现地址冲突，设计中 采用了用g a l 器件( g a l l 6 v 8 ) 设计的地址译码器。 g a l l 6 v 8 的逻辑设计软件可用a b e l ( 3 o 版以上) 或其它高级逻辑设计语 言，其中比较方便的方法是采用p r o t e l 公司的p r o t e l 9 8 9 9 集成的c u p l 逻辑 设计语言。c u p l 语言也是一种编译型硬件描述语言v h d l ，支持所有的p l d 器 件。p r o t e l 9 9 的p l d 设计工具支持实时检测功能，在汇编和仿真的过程中能 进行自动检测，并给出错误提示。通过其中自带的p l d _ c u p lw i z a r d 可以很 方便的建立基于原理图或者文本方式的p l d 设计文件，对这个文件进行编译， 就可以得到符合工业标准的j e d e c 文件( 术j e d ) ，最后通过编程器烧入p l d 器件。 g a l l 6 v 8 的逻辑设计电路示意图，如图3 5 所示，g a l l 6 v 8 的逻辑设计 文件见附录卜1 。 i n0 c l k i n l1 0 7 i n 21 0 6 i n31 0 5 i n41 0 4 i h 51 0 3 i n 61 0 2 i m 7i o l i n 81 0 0 i n9 d e 0 1 6 v 8 图3 - 5g a l l 6 v 8 的逻辑设计电路 设计实现的片选信号布尔方程为： c s 0 = r d w r + a 1 5 + a 1 4 + a 1 3 + a 1 2 c s l = r d 丰w r + a 1 5 + a 1 4 十a 1 3 十a 1 2 c s 2 = r d 术w r + a 1 5 + a 1 4 + a 1 3 + a 1 2 c s 3 = r d 木w r + a 1 5 + a 1 4 + a 1 3 + a 1 2 c s 4 = r d 半w r + a 1 5 十a 1 4 + a 1 3 + a 1 2 c s 5 = r d 木w r + a 1 5 + a 1 4 + a 1 3 + a 1 2 a o = a 8 由上可以确定出液晶显示模块的i o 缓冲器选择信号a o 为单片机的a 8 ( p 2 0 ) 口。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 当单片机的读写信号分别有效时，g a l l 6 v 8 的各个片选输出的地址空 间为： c s o ：8 0 0 0 h 8 f f f h c s1 ：9 0 0 0 h 9 f f f h c s 2 ：o a o o o h 0 a f f f h c s 3 ：o b 0 0 0 h o b f f f h c s 4 ：0 c o o o h 0 c f f f h c s 5 ：o d 0 0 0 h 卅d f f f h 3 4 数据存储单元 数据存储单元一片采用存储容量为2 k 的串行e e p r o m 存储器( 2 4 c 1 6 ) ， 主要用于单独使用压力测试系统时对压力测试数据进行存储。同时，为了实 现压力的实时测量，以及便于对测试数据的分析，该单元还包括了一个时钟 电路( x 1 2 0 5 ) ，可以实现测试的数据和时间相对应。数据存储单元的数据 存储和提取都采用1 2 c 总线进行传送。 3 4 1i2 c 总线概述 i2 c 总线使用两根信号线来