（检测技术与自动化装置专业论文）熔体过热度测量系统.pdf

，北方t 业大学硕士学位论文 摘要 铝电解槽炉膛内形严重影响着电流效率，而铝电解槽的炉膛内形与电解质的过热 度有很大的关系。为了能够准确、及时的测定铝电解过程中铝电解槽中电解质过热度， 本文基于美国t i 公司1 6 位低功耗单片机m s p 4 3 0 f 4 4 9 设计了一款数据采集与处理系 统，整个系统包括：算法应用，硬件电路和软件驱动。其功能主要是，d 转换、数 据存储与处理、p c 通讯，液晶显示和过热度计算。 硬件丌发部分系统集成了d 转换、外部扩展f l a s h 存储器，u s b 通信，液晶显示 以及电源、j t a g 电路模块文章中附有电路极原理图和p c b 3 d 效果图以及详细的电路 介绍说明。 软件丌发部分以功能模块的底层驱动和过热度计算的软件实现为主，给出了各个 模块驱动的流程图，以及模块中较为重要的功能函数。过热度计算是借用差热分析原 理，根据热电偶升温特征，编写计算公式来实现。 通过软硬件联合调试，实现了多路数据的采集、处理、存储和显示，实现了按键 选择功能。论文最后还分析了调试过程中遇到的问题及下一步工作方向。 关键词：过热度，m s p 4 3 0 f 4 4 9 ，数据采集 北方工业人学硕+ 学位论文 t h em e a s u r e m e n t s y s t e m f o r s u p e r h e a t o fm o l t e n s u b s t a n c e s a b s t r a c t t 1 1 ec e ul e d g es e r i o u s l yi m p a c t so nc u r r e n te f f i c i e n c yi na l u m i n i u mp r o d u c t i o na n dt h e s u p e r h e a to fe l e c t r o l y t eg r e a t l y l i n k sw i t ht h e l e d g e 7 i h i sp a p e r i n t r o d u c e sad a t a a c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gs y s t e mb a s e do n 16 b i l s 1 0 w - p o w e rm c um s p 4 3 0 f 4 4 9 p r o d u c e db yt h et lc o m p a n y i t sm a i nf u n c t i o ni n c l u d e sa dc o n v e r t e r 、d a t as t o r a g e a n d p r o c e s s i n gp c ，c o m m u n i c a t i o n s ，l c da n dt h ec a l c u l a t i o no ft h es u p e r h e a t h a r d w a r ed e v e l o p m e n to ft h es y s t e mi n c l u d e dt h ea dc o n v e r t e r ，t h ee x t e m a l e x p a n s i o no ff l a s hm e m o r y ，u s bc o m m u n i c a t i o nw i t hp c ，l i q u i dc r y s t a id i s p l a y ，p o w e r m a n a g e m e n ta n dj t a gc i r c u i tm o d u l e t h ec i r c u i to fp c bw a sd e s c “b e di nd e t a i l ，a n dp c b 3 dg r a p h j c sw a si l l u s t r a t e d s o f 耐a r ed e v e l o p m e n to ft h es y s t e mi n c l u d e dt h ed r i v e r so ft h em o d u l e sa n ds u p e r h e a t c a l c u l a t i o n t 1 l ef l o wc h a n so ft h ed r i v e r sf o tt h em o d u l e sw e t ei n t r o d u c e d ，a n dt h e m e a n i n 寥a n dt h eu s a g eo ft h ef t l n c t i o n si nt h em o d u l e sw e r ed c s 撕b e d t h es u p e r h e a tw a s c a l c u l a t e db ye q u a t i o n sb a s e do nt h ep r i n c i p l eo fh e a ta n a l y s i s t 1 1 ep a p e rr e a l j z e dt h em u l t j - c h a n n e ld a t ac o l l e c t i o n ，p r o c e s s i n g ，s t o r a g e ，d i s p l a y ，a n d t h ek e y st of u n c t i o nt h r o u 曲t h ej o i n td e b u g 酉n go fh a r d w a r ea n ds o f t 、v a r e ，t h ep r o b l e m s i nt h es y s t e ma r ea l s od i s c u s s e d 壬二e y w o r d s ：s u p e r h e a t ， m s p 4 3 0 f 4 4 9 ， d a t aa c q u i s i t i o n ， l i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得j 量友王些太堂或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签簪批签字日期：谚彩月石日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解j 垦直王些太堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅 和借阅。本人授权! e 友王些太堂可以将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、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：乃乙 签字日期：碑；年6 月6 日 v 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址； 导：啄o ( 萄 签字日期：口睁6 月6b 电话： 邮编： 北方t 业人学硕十学位论文 1 绪论 1 1 目的和意义 随着现代科学技术的发展和计算机技术的普及，运用多路数据采集和处理的场合 越来越多。在生产工程中，应用这一系统可对生产现场的工艺参数进行采集、监视和 记录，为提高产品质量、降低成本提供信息和手段。在科学研究中，应用数据采集系 统可获得大量的动态信息，是研究瞬间物理工程的有力工具，也是获取科学奥秘的重 要手段之一。总之，不论在哪个应用领域中，数据采集与处理越及时，工作效率就越 高，取得的经济效益就越大。它已渗透到了地质、医药器械、雷达、通信、遥感遥测 等各个领域，为我们更好的获取信息提供了良好的基础。多路数据采集系统的任务是 同时采集生产过程中的多个工况二次参数并经过d 转换器送入内存储器中，然后 再由c p u 对这些参数和数据进行分析、运算和处理，如数字滤波、量纲变换、仪表 误差修f 、数字显示、越限报警及打印等，如再配上输出通道就可以方便地组成计算 机控制系统。数据采集系统性能的好坏，主要取决于它的精度和速度。在保证精度的 条件下，应有尽可能高的采样速度，以满足实时采集、实时处理和实时控制对速度的 要求。现代工业生产和科学研究对数据采集的要求日益提高。除了性能好以外，还要 求数据采集系统能有其它特点，如使用方便、经济合理、安全可靠、抗干扰能力强等。 1 2 研究现状 目前生产中研究和使用的数据采集系统大致可分为四种： ( a ) 基于通用微型计算机( 比如p c 机) 的数据采集系统。这种系统主要功能是将采集 来的信号通过外部的采样和a ，d 转换后的数字信号通过接口电路送入微机内进行处 理，然后再显示处理结果或经过d a 转换输出。它主要有以下几个特点：( 1 ) 系统较强 的软、硬件支持。通用微型计算机系统所有的软、硬件资源都可以用来支持系统进行 工作。( 2 ) 具有自开发能力。( 3 ) 系统的软硬件的应用配置比较小系统的成本较高，但 二次时，软硬件扩展能力较好。( 4 ) 在工业环境中运行的可靠性差，对安放的环境要 求较高：程序在蝴中运行，易受外界干扰破坏。 ( b ) 基于单片机的数据采集系统。它是由单片机及其一些外围芯片构成的数据采 集系统，是近年来微机技术快速发展的结果，它具有如下特点：( 1 ) 系统不具有自主开 北方一r i 业大学硕十学位论文 发能力。因此，系统的软硬件开发必须借助开发工具。( 2 ) 系统的软硬件设计与配置 规模都是以满足数据采集系统功能要求为原则，因此系统的软硬件应用配置比接近 于1 ，具有最佳的性价比。系统的软件一般都有应用程序。( 3 ) 系统的可靠性好、使用 方便。应用程序在r o m 中运行不会因外界的干扰而破坏，而且上电后系统立即进入 用户状态 ( c ) 基于d s p 数字信号微处理器的数据采集系统。d s p 数字信号微处理器从理论上 而言就是一种单片机的形式，常用的数字信号处理芯片有两种类型，一种是专用d s p 芯片，一种是通用d s p 芯片。基于d s p 数字信号微处理器的数据采集系统的特点如下： 精度高、灵活性好、可靠性好、容易集成、分时复用等，但同时其价格不菲。 ( d ) 基于混合型计算机采集系统。这是一种近年米随着8 位单片机出现而在计算机 应用领域中迅速发展的一种系统结构形式。它是由通用计算机( p c 机) 与单片机通过标 准总线( 例如r s 2 3 2 一c 标准) 相连而成。单片机及其外围电路构成的部分是专为数据采 集等功能的要求而配置的，主机则承担数据采集系统的人机对话、大量的计算、记录、 打印、图形显示等任务。混合型计算机数据采集系统有以下特点：( 1 ) 通常具有自开发 能力。( 2 ) 系统配置灵活。易构成各种大中型测控系统。( 3 ) 主机可远离现场而构成各 种局域网络系统。( 4 ) 充分利用主机资源，但不会占有主机的全部c p u 时间。 微电子技术的一系列成就以及微型计算机的广泛应用，不仅为数据采集系统的应 用开拓了广阔的前景，也对数据采集技术的发展产生了深刻的影响。数据采集系统的 研究发展趋势主要表现在以下几个方面【2 1 】：( 1 ) 新型快速、高分辨率的数据转换部件 不断涌现，大大提高了数据采集系统的性能。( 2 ) 高性能单片机的问世和各种数字信 号处理器的涌现，进一步推动了数据采集系统的广泛应用。( 3 ) 智能化传感器( s m a n s e n o r ) 的发展，必将对今后数据采集系统的发展产生深远的影响。( 4 ) 与微型机配套的 数据采集部件的大量问世，大大方便了数据采集系统在各个领域里应用并有利于促进 数据采集系统技术的进一步发展。( 5 ) 分布式数据采集是数据采集系统发展的一个重 要趋势。 2 北方l ：业人学硕+ 学位论文 2 多路数据硬件设计 2 1 系统主要功能 如前所述，正为了顺应数据采集系统的发展，本着拓宽系统功能，使用更少的元 器件、降低系统功耗件、使系统更加可靠、性能更加强大的目标丌发了以m s p 4 3 0 f 4 4 9 单片机为核心的数据采集系统。该系统可以实现同时对八路任意模拟信号采集，转化 成对应的模拟量，通过中断按键执行各个子程序。各子程序的功能包括数掘液晶显示， 数据存储，数据处理以及将数据上传给p c 机。 2 2 硬件设计 多路数据采集系统主要采用t i 公司的微控制器m s p 4 3 0 f 4 4 9 芯片，a t 公司的 a t 4 5 d b 0 4 1 b 存储芯片、独立式三键键盘、p d i u s b d l 2u s b 接口芯片、点阵液晶显 示屏。硬件总体结构如图2 1 ： 图2 1 硬件总体架构图 2 2 1 温度数据采集及处理核心模块 为满足系统具有多路数据采集功能，保证整个检测系统的精度和可靠性，实现低 功耗，稳定同时又具有强大的运算处理能力，选用了1 6 位低功耗混合信号处理器 m s p 4 3 0 系列的m s p 4 3 0 f 4 4 9 。m s p 4 3 0 系列是美国德州仪器公司生产的一种特低功 耗的f l a s h 微控制器，有“绿色微控制器( g r e e nm c u ) ”称号，其技术特征代表 了单片机的发展方向。其存储器模块是目前业界所有内部集成n a s h 存储器产品中 3 北方t 业大学硕士学位论文 功耗最低的一种，消耗功率仅为其它闪存微控制器( f l a s hm c u ) 的五分之一。 系统的温度采集部分采用的是4 3 0 自带的1 2 位精度摸数转换模块，其结构包括 内置温度传感器、参考电压发生器、模拟多路器、具有采样与保持功能的1 2 位转换 器内核、采样及转换所需的是时序控制电路、转换结果缓存另外可以软件实现关闭转 换内核支持超低功耗。 2 2 2 数据存储( f 1 a s h 扩展) 根据多路采集系统海量存储的需要，选用了a t m e l 公司生产的可重复擦写闪烁 存储器a r 4 5 d b 0 4 1 b 芯片。a t 4 5 d b 0 4 1 b 存储容量约有4 m b ，采用s p i 【1 1 】串行总线 存储数据，仅3 根线就可完成对存储器的读写。时钟频率可高达2 0 m h z 。供电的电 压低，为2 5 3 6 和2 7 3 6 共至更低。4 m a 的典型电流，休h 民电流2ua 。因此 具有功耗低、体积小、容量大、传送快速以及掉电后数据不丢失等特点。 a t 4 5 d b 0 4 1 b 具有2 6 4 k b v t e 主存储器，1 0 2 4 页，每页2 6 4 字节，带有双2 6 4 字 节的s r a m 数据缓冲区，可在对主存储器操作同时对缓冲区写入或读取数据。具有 硬件擦、写保护功能，当wp 脚为低时，前2 5 6 页禁止编程；输入输出与c m o s 和 t r l 电平兼容；复位时将终止正在进行的操作，当复位管脚恢复高电平时，操作也可 以恢复；传送数据时，高位( m s b ) 在前。a r 4 5 d b 0 4 1 b 的外围主要引脚见表2 1 ： 表2 1a r 4 5 d b 0 4 1 b 引脚功能表 a r 4 5 d b 0 4 1 b 的c s ，s c k ，s i ，s 0 ，w p r e s t 分别与m s p 4 3 0 f 4 4 9 的p 6 o p 6 5 相连， 与a r 4 5 d b 0 4 1 b 的通信就是通过向p 6 ，o p 6 5 发送和接收数据实现的。 其接口电路如图2 2 所示：在电路板上其与液晶显示模块共享端口p 6 ，通过拨位 开关进行功能转换，这样既实现了功能，又节省了端口资源。其电路接口如图2 2 所 4 北方工业人学硕十学位论文 不： m s p 4 3 0 c s 气t 4 5 d b 0 2 1 f 4 4 9p 6 以 s c k v s i s 0 r e s e t 哺弋 幽2 2 外部扩展f l a s h 接口电路 2 2 3 键盘及显示模块 a ) 键盘模块出于4 3 0 带有中断能力的端口有限，故采用了独立式键盘的方法 实现键盘接口。图如下： 图2 。3 键盘接口电路 此种按键方式的主要特点是硬件电路简单，只以单纯的中断标志来判断键值以及按键 次数，但同时给软件设计增加了一定的难度。图中端口通过上拉电阻连接到电源，同 时，将端口中断寄存器设置为边沿触发，待有按键中断发生的时候由于管脚与地短接， 导致端口出电平由高变低触发中断，进而完成按键功能。 b ) 显示模块：此模块选用的是z j m l 2 8 6 4 b s b d 一种低功耗的点阵图形式液晶显示 模块。其接口电路如图2 4 北方：r 业大学硕士学位论文 图2 4 液品显示接口电路 其管脚功能定义为：表2 2z j m l 2 8 6 4 引脚功能表 其时序特性如下图： 6 北方丁业大学硕士学位论文 ( e i ，t w i、 2 o v 广 7 7 一 t w h ?* - 一 o 8 v i t 厂 c t f、c = ) r w = o - 】 了 r w = 1 t a su 0 曲 图2 5 时序特性图 表2 3 上图中参数定义为： 特性符号最小值最大值单位 e 信号周期 t c1 0 0 0n s e 高电平宽度 t w h4 5 0n s e 低电平宽度 t w l4 5 0n s e 上升时间 t r2 5n s e 下降时间 t f2 5n s 地址建立时间 t a s u1 4 0n s 地址保存时间 t a h1 0n s 数据建立时间 t s u2 0 0n s 数据延时时间 t d3 2 0n s 数据保持时间( 1 ) t d h w1 0n s 数据保持时间( 2 ) t d h r2 0n s 2 2 4p c 通信模块 为实现将采集的数据传送给p c 机，系统采用了两种通讯模块：( a ) u s b 高速通信 模块；( b ) r s 2 3 2 通讯模块。 7 北方工业人学硕+ 学位论文 近年来，u s b 通用串行总线现在应用越来越广泛，u s b 总线是一个星型总线结 构，具有以下优点。 1 1 ) 快速；2 ) 连接简单灵活 3 、可以采用总线供电 4 ) 抗干扰性强。 5 ) u s b 设备不涉及主机中断请求( i r q ) 冲突问题 6 1 u s b 设备一般都比同类功能的设备成本低。 为实现u s b 通信，采用了p h l l i p s 公司生产的p d i u s b d l 2u s b 接口芯片。它 是的在u s b 协议设备使用作多的接口芯片之一。该：吝片是带有并行总线和局部d m a 传输能力的全速u s b 接口器件。片内集成了高性能的u s b 接r 器件，支持u s b l 1 协议，s i e ，f i f 0 存储器，收发器以及电压调整器等，可与任何外部微控制器微处 理器实现高速并行接口。在批量和同步模式下，可实现1 m b s 的传输速率。具有 s o f t c o n n e c t 软件连接功能；采用g o o d l i n k 连接指示器，在通信时能使l e d 闪烁。 p d 砌s b d l 2 的并行数据端口d a r a 0 d 觚a 7 与作为双向并行数据传送端口的3 0 p 3 7 相连，m s p 4 3 0 f 4 4 9 的p 4 2 p 4 6 分别与p d i u s b d l 2 的a l e 、c s _ n 、r d n 、 w rn 、r e s e t n 连接，实现m s p 4 3 0 f 4 4 9 对p d m s b d l 2 的地址锁存、片选、读 写、复位的使能控制，挂起端s u s p e n d 则与m s p 4 3 0 f 4 4 9 的p 4 5 相连，利用 m s p 4 3 0 f 4 4 9 的p 1 口的外部中断功能，使p d o u s b d l 2 的中断口i n tn 与 m s p 4 3 0 f 4 4 9 的p 1 4 相连，以便当p d i u s b d l 2 接收到数据时能触发m s p 4 3 0 f 4 4 9 单 片机的外部中断，进入中断服务程序。p d 砌s b d l 2 与m s p 4 3 0 f 4 4 9 的连接图2 6 如 下： 8 北方t 业大学硕士学位论文 p 3 o d 0 p 3 1d l p 3 2 d 2 m s p 4 3 p 3 3d 3d 1 2 p 3 4 d 4 0 f 4 4 9 p 3 5 d 5 p 3 6d 6 p 3 7 d 7 p 4 7c s p 4 6 s u s p 4 5r e s p 4 4 w r p 4 3 r d 图2 6p d i u s b d l 2 与f 4 4 9 单片机连接图 图中m s p 4 3 0 的p 3 口与d 1 2 的d 蛆1 a 引脚对应，d 1 2 采用3 3 v 供电，所以需 将3 3 v 电压连接到v c c 和v o u t ( 3 3 ) 脚。当d 1 2 的a l e 引脚没有用到数掘地址总线 复位时可以和g n d 相连接地。在四线u s b 接口的d + 接一个1 5 k 上拉电阻，由于 m s p 4 3 0 采用的是边沿触发中断所以为了保证信号的强度，在m s p 与d 1 2 中断连接 一个上拉电阻。d 1 2 的晶振为6 m ，而m s p 单片机所使用的是内部数字晶振，同时使 用其内部集成的锁频环模块，得到所需要的工作频率。d 1 2 的c s - n 在d 1 2 是唯一 器件时可以选择接地。 p d i u s b d l 2 器件【2 3 】具有3 种端口：端点0 、端点1 、端点2 ，这三个端点在 p d 砌s b d l 2 中的分工如下：端点0 有两个端点号：端点号0 ( 控制输出) 和端点号1 ( 控制输入) ，主要用于与主机进行配置信息的交换和控制信息的接收，一般用作厂 商和标准设备请求的传输。端点1 有两个端点号：端点号2 ( 普通输出) 和端点号3 ( 普通输入) ，当端点2 接收到一个o u t 的p i d ( 分组标识) 时，p d i u s b d l 2 向单 片机发出一个中断，单片机接收到中断后立刻查询p d i u s b d l 2 接收的信息包，并从 中提取出对应的信息，指导单片机之后的操作。当发送数据时，单片机把数据写到 p d i u s b d l 2 的端点号3 的缓冲区，待p d i u s b d l 2 接收到主机命令l n 的p i d 时就自 动把数据发送出去。端点2 包含端点号4 ( 输入) 和端点号5 ( 输出) ，并且有四种工 作模式：非同步模式( 模式0 ，即普通输入输出模式) 、同步输出模式( 模式1 ) 、同 9 北方t 业大学硕士学位论文 步输入模式( 模式2 ) 、同步输入输出模式( 模式3 ) 。 r s 2 3 2 c 是美国电子工业协会( e i a ) 正式公布的【1 7 1 ，在异步串行通信中应用最 广的标准总线1 标准适用于d c e 和d t e 间的串行二进制通信，最高数据传送速率可 达1 9 2 k b p s ，最长传送电缆可达1 5 米1 r s 2 3 2 c 标准定义了2 5 根引线，对于一般 的双向通信，只需使用串行输入r x d ，串行输出t x d 和地线g n d l r s 一2 3 2 c 标准 的电平采用负逻辑，规定+ 3 v + 1 5 v 之川的任意电平为逻辑“0 ”电平，3 v 1 5 v 之间的任意电平为逻辑“1 电平，与t t l 和c m o s 电平是不同的，在接口电路 和计算机接口芯片中大都为t t l 或c m o s 电平，所以在通信时，必须进行电平转换， 以便与r s 2 3 2 c 标准的电平匹配m a x 2 3 2 芯片可以完成电平转换这一工作。 m a x 2 3 2 芯片是m a x l m 公司，上产的低功耗、单电源双r s 2 3 2 发送接收器1 适用 于各种e i a 2 3 2 e 和v 2 8 v 2 4 的通信接口1 m a x 2 3 2 芯片内部有一个电源电压变 换器，可以把输入的+ 5 v 电源变换成r s 2 3 2 c 输出电平所需1 0 v 电压，所以采用 此芯片接口的串行通信系统只要单一的+ 5 v 电源就可以。m a x 2 3 2 外【嗣需要4 个电 解电容c 1 、c 2 、c 3 、c 4 ，是内部电源转换所需电容1 其取值均为1uf 纪5 v 1 宜 选用钽电容并且应尽量靠近芯片1 c 5 为o 1pf 的去耦电容m a x 2 3 2 的引脚t 1 i n 、 t 2 i n 、r 1 0 u t 、r 2 0 u t 为接t t uc m o s 电。平的引脚1 弓i 脚t 1 0 u t 、t 2 0 u t 、r 1 i n 、 r 2 玳为接r s 2 3 2 c 电平的引脚1 因此1 叫c m o s 电平的t 1 州、1 r 2 i n 引脚应接 m s p 4 3 0 f 4 4 8 的串行发送引脚t x d ：r 1 0 u t 、r 2 0 u t 应接m s p 4 3 0 f 4 4 9 的串行接收引 脚r x d l 与之对应。其电路如图所示： 1 0 北方工业人学硕十学位论文 m a x 2 3 2 v s +t 1 l n 一p 4 ，o 广 v s r 1 0 p 4 1 c 1 一r 1 l n 厂 c i +t 1 0 c 2 g n d - j 厂 c 2 +v c c 幽2 7 串口电i i ! 各幽 2 2 5 硬件复位电路 复位电路的基本功能是：系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销 复位信号。为可靠起见，电源稳定后还要经一定的延时彳。撤销复位信号，以防电源丌 关或电源插头分一合过程中引起的抖动而影响复位。一般它是由r c 电路组合实现基本 功能，但为解决电源毛刺和电源缓慢下降( 电池电压不足) 等问题而且调整r c 常 数改变延时会令驱动能力变差。c 3 可避免高频谐波对电路的干扰，如图所示的复位 电路增加了二极管，在电源电压瞬间下降时电容迅速放电，一定宽度的电源毛刺也可 令系统可靠复位。其电路如图所示： v v 【i + 1 】& v 【i 】 v 【i - 1 】) 这条语句判断来实现的。 北方t = 业火学硕士学位论文 一 图3 6 冷却曲线中初晶点的确定【2 8 3 3 3 按键与显示模块 按键模块：p 1 5 ，p 1 6 ，p 1 7 列线分别由上拉电阻接电源，同时又通过按键与地相 连，如果有键按下，对应的端口的电平将由高变低触发中断，程序将测到某个端口为 低时就可以确定与此端口连接的按键被按下，因为独立式键盘硬件电路和执行简单， 消耗c p u 资源少，所以在案件少的情况下比较有利。 此模块工作过程为：当有按键按下时，产生的下降沿出发中断。在按键端口中断 程序中判断中断源，如果有按键被按下，则关闭所有引脚中断，并启动定时器a ，定 时时间为2 0 m s ，2 0 m s 后定时器a 触发中断，在此中断函数中调用按键有效性判断函 数，如果有效，按键次数加1 ，否则无效。以后每次定时器产生中断都查询一次按键 如果此按键未被释放，则累计计时达到1 秒钟时，按键次数加1 。如果按键被释放， 则关闭定时器，打开按键端口中断，监测是否有按键被按下。 主程序进入循环，调 用k e v c ( 按键程序) 中的函数来获得键值和按键次数，确定了按键次数和键值后， 进入中断函数执行相应的功能函数其功能的跳转要通过s w i t c h ( 按键次数) 语句来完 成。按键程序流程图如下： 2 1 北方工业人学硕士学位论文 图3 7 按键程序流程图 三个按键按其功能被定义为：p 1 5 增记数功能键；p 1 6 ，为功能执行键；p 1 7 为 减记数功能键。 显示模块：此模块选用的是z j m l 2 8 6 4 b s b d 种低功耗的点阵图形式液晶显示模 块，此模块中主要包括两个函数供系统调用，其作用是1 显示汉字。这部分主要伴随 按键变化而显示相应的字模；2 显示数据曲线。其主要功能将显示由a d 转换来 的数据，以曲线的形式呈现在液晶显示屏上。每次可以显示的数据最大为1 2 8 ( 由点 阵数决定) ，其流程图如图3 8 ： 北方t 业人学硕士学位论文 i 端口初始化 上 i 显示数据处理 上 f 调用曲线函数 上 l 按键返同 l 端口初始化 0 i 选定字模数组 上 f 调刚汉字函数 l l 按键返同 i ( a ) 曲线显不( b ) 汉字显不 幽3 8 液晶显示流科图 曲线显示数扼转换方法及函数的原型：作为一款点阵显示器，要使其显示数据首 先要确定显示点的位置坐标，即页地址和段地址而后为起始行，然后才是写入数据。 由于系统使用的液晶模块为为纵向取模，字节倒序，所以在写入随机数据时要对其进 行高低位转换。先定义数组 c o n s tb y t ec h a l c u r v e 【8 】= o x 8 0 ，0 ) 【4 0 ，o ) 【2 0 ，o x1 0 ，o ) 【0 8 ，o x 0 4 ，0 x 0 2 ，o ) 【0 1 ；作为转换工具数据 m o w 【c y c l e 】= 7 一d a t a 【c y d e 】8 ；页地址计算，1 2 8 6 4 点阵将纵向定义为8 页，将要显 示的数据对8 取模又因为倒向的缘故，模数被7 减，结果即为数据显示的页地址。 d a t a 【c y c l e 】为显示内容数组。 y u s h u 【s c y c l e 】= c h a l c l l n ，e 【d a t a 【s c y c l e 】8 】；页内点显示，作为8 位倒向数据，对8 取余查询数组对应位码确认显示段地址。 函数原型 v o i dd i s p l a y 一1 6 1 6 j c o n ( b y t e 宰c h r ，b y t e 车a c h r ) b y t e j ； f o r ( i = 0 ；i b i t s ； u n s i g n e ds h o r tv a l u e ； e p p f l a g s ； ：1 ： ：1 ： ：1 ： ：2 ： ：1 ： ：1 ；a d db yl i uy i n gb i n ：1 ； ：1 ； m s p 4 3 0 f 4 4 9 单片机的固件程序设计为积木式结构如图所示【1 l ： 图3 9 固件结构和数据流向 以上各程序模块的作用如下： 提取层是固件中的最底层代码，其执行对p d i u s b d l 2 和线路板硬件与口相 关的访问。根据硬件电路的连接，d 1 2 的a o 不用1 2 2 1 ，采用多路地址，数据总线方式， 2 7 北方1 ：业人学硕+ 学位论文 多路地址数据总线a l e 接单片机的i o 口p 3 0 单片机与p d i u s b d l 2 的通信就像单 片机外扩了一片涨一样。d 1 2 在a l e 的下降沿数锁存地址信息。奇数地址的输 出为命令，偶数地址的输出为数据。发命令，首先向d 1 2 发奇地址，让a l e 下降沿 锁存地址信息，再向命令地址发命令；发数据，首先向d 1 2 发偶地址，让蛆正下降 沿锁存地址信息，再向数据地址发送数据。 p d i u s b d l 2 命令接口：对p d i u s b d l 2 器件进行操作的模块子程序集。有3 种 基本命令：初始化，数据流和通用命令。命令接口部分就是将各命令用函数的形式加 以实现。主要命令有： ( 1 ) 设置地址使能命令；( 2 ) 设置端点使能命令；( 3 ) 没置模式命 令；( 4 ) 设置d m a ；( 5 ) 读取中断寄存器；( 6 ) 端点选择命令；( 7 ) 读取端点最后处理状 态；( 8 ) 设置端点状念；( 9 ) 发送恢复命令；( 1 0 ) 读取当 j ，j 帧标志；( 1 1 ) 渎取端t i 数据； ( 1 2 ) 把数据写入端点：( 1 3 ) 端点应答处理 以上所有命令都是通过调用底层函数实现的。以设置模式命令程序为例： v o i dd12 一s e t m o d e ( u n s i g n e dc h a rb c o n f i g ，u n s i g n e dc h a rb c l k d i v ) o u t p o n b ( d 1 2 _ c o m m a n d ，o x f 3 ) ； o u t p o r t b ( d 1 2 一d a i a ，b c o n f i 酚； o u t p o n b ( d 1 2 - d 闷巳b c l k d i v ) 中断服务程序：p d i u s b d l 2 向单片机发出中断请求，单片机将数据从p d i u s b d l 2 内部的f i f o 取回到c p u 存储器，并建立正确的时间标志，以通知主循环程序进行处 理，在i s r 的入口，固件使用d 1 2 _ r e a d i n t e 舢p t r e g i s t e o 来决定中断源，然后进行相 应的子程序进行处理，其程序流程图如图3 1 0 ： 北方一l ：业大学硕士学位论文 图3 1 0d 1 2 中断服务程序流程图 其中控制传输总是在s e t u p 阶段开始，之后为可选的d a t a 阶段，然后在 s t f 辄i s 阶段结束。 端点1 和端点2 在系统中定义为普通输入输出，对应于p d i u s b d l 2 的模式0 ， 对于端点1 和端点2 输出( o u d 端点配置为从主机接收数据包。当m c u 从主机接收 北方丁业人学硕士学位论文 输出中断标志( 通过读中断寄存器识别) 时，d 1 2 中断位清零。选择端点将清零缓冲 区，接下来m c u 需要确认数据的长度并把数据读出，然后设置受到数据标志位 b e p p f l a g s 。对于输入( i n ) 端点的中断，只要读取端点号的最后寄存器来清除中断寄存 器的相应位，并把状态清零即可。输入( i n ) 端点中断是在发送完成数据后才产生的， 当还有数据要发送时，可以在中断程序早接着继续发送。 u n s i g n e dc h a rl e n ，e p s t a t u s ； e p s t a t u s = d 1 2 一r e a d l a s t t r a n s a c t i o n s t a t u s ( 4 ) ； e p s t a t u s = o x 6 0 接收数据 i f ( e p s t a t u s = = o x 6 0 ) l e n = d 1 2 一r e a d e n d p o i n t ( 4 ，6 4 ，e p b u f ) ； 标准请求处理程序是对u s b 的标准设备请求进行处理现。当建立包标志为真时， 利用c o n t r o lh a n d l e r ( ) 函数进入不同的标准请求。u s b 标准设备请求是用来完成u s b 设备枚举的命令，u s b 设备必须对标准设备请求做出响应，不管改该设备是否已经 被分配了一个默认的地址或该设备目前正在配置。所有的标准设备请求都是使用默认 管道来传输的。u s b 标准请求是通过建立包数据中的设备请求类型的d 5 ，d 6 位判断 的。当d 5 ，d 6 位为零时，设备请求类型为标准请求类型。u s b 标准设备请求有1 1 个命令：1 获取状态g e ts t a t u s ( o o h ) ，获取状态请求要求接收方返回一个相应的状态， 设备返回1 6 位的状态描述。接收方通过建立包数据中的索引来确定，可以是设备， 接口和端点。其中获取设备状态的返回值中，b i t 0 表示是否自供电( 0 ：总线供电；1 ： 自供电) b i t l 表示是否支持远程唤醒( 0 ：不支持远程唤醒；1 ：支持远程唤醒：) 。2 清 除特性c l e a rf e a t u r e ( 0 1 h ) ，清除特性用来清除或禁止设备一个特定的特性。3 设置 特性s e tf e a t u r e ( 0 3 h ) ，设置特性与清除特性是两个相反的动作，用来设置或允许一 个特性。4 设置地址s e t a d d r e s s ( 0 5 h ) ，在u s b 设备枚举的时候，主机会分配一个新 的地址给设备，以取代默认地址0 。当设备接收到这一设备请求的时候，要做的事情 就是把设备的当前地址改为分配的地址，以让设备对新的地址做出响应。5 获取描 述符g e td e s c r i p t o r ( 0 6 h ) ，获取描述符使主机用来获取u s b 设备相对应的描述符的 一个请求。设备请求值的高8 位为要求获得描述符的类型，设备按照请求类型返回相 应的描述符。6 设置描述符s e td e s 翻p t o r ( 0 7 h ) 。7 设置配置s e tc 蚰f i g u r a t i o n ( 0 8 h ) ， 北方下业大学硕士学位论文 设置配置是用来选择设备的工作配置。8 获取配置信息g e tc 0 n f i g u r a t i o n ( 0 9 h ) 。9 获 取接口信息g e th t e r f a c e ( o a h ) 。1 0 设置接口s e ti n t e r f a c e ( o b h ) 。1 1 同步帧s y n c h f r 锄e ( 0 c h ) 。对应于每个请求都有相应的函数，当上位机发送不同的请求时，调用 相对应的子程序。 厂商请求处理程序跟u s b 设备标准请求一样，都是从c o n t r o l d a t a 罩读取s e t u p 包数据。它是对用户添加的厂商请求进行处理。设备请求号是( o c h ) ，厂商请求的名 称是r e a d _ w r i t e r e g i s t e r 。对于数据传输命令( 0 4 7 1 h ) ，在s e t u p 包后还包括6 个字节， 对于获取固件版本号命令( 0 4 7 2 h ) ，返回1 个字节的图鉴版本号。对于获取缓冲区大 小命令( 0 4 7 4 h ) ，返回端点2 的缓冲区大小。 北方工业人学硕十学位论文 4 系统的软件调试 4 1 软件的调试过程 数据采集系统软件包括很多模块，因此不仅在软件编写示需要严格要求，并且在 测试时更要解决出现的各种问题。在软件调试过程中，运用设置端点，跟踪等调试方 法对软件进行调试。软件测试过程如下：1 ：进行单独模块测试。 2 ；联合调试。3 ：系统测试。模块测试主要是针对通讯模块、数据采集模块、数据处 理模块等进行调试，发现模块中存在的基本编程错误和界面错误并及时改诈。联合调 试是将上述模块组成一个完整系统进行的调试，将上述子模块按从下到上的方法组合 成整个系统，测试模块之问的调用、控制与协调是否满足要求。最后进行系统测试， 测试系统是否满足软件功能要求、是否存在安全问题、性能是否可靠与稳定。 4 2 软件调试结果 系统软件经过整体调试后，能够实现对模拟信号进行多次采集，d 转换，能够 将采集的数据进行存储和从存储器中读出；能够将数据( 电压值) 液晶显示，能够对数 据进行处理，计算出数据增长速度的极大值以及曲线显示。调试过程中截取的图片以 供参考；通讯模块没有能够调通，本装置后上电通过u s b 接口连接到p c 机，上位 机能够识别到设备，但无法接收到数据，通过读取d 1 2 寄存器数值( 芯片i d 号) 以 及示波器测量得出结论4 3 0 与d 1 2 通讯正常包括数据、命令的写入与读出，有待进 一步调试。 3 2 北方川卫人学硕_ f 学位论文 4 3 调试结果截图 1 ) r e 甜 州即o 0 一吣 日n t 止t g ! k! r d 州b d 0 口画；曰口咎曝 j 。二。0 j 0 步一4 甜蝌。气9 瞄白 d 出目 f i l e 5 日目 l 咽国2 t e s t d 4 ， l 目1 0 口u t r 虬( v e r m，中v 魄口d t p 国陇。叼曼卵 辩 q ? 1 ? ht ) _ o ：“ ，b z ：1 ：州口b 叶o o i l l 95 2 列2 0 0 8 下叫i e e 5 e f 9 鸵2 52 0 0 bt 酊g 目r e s e f f m 叫16 1 复5 22 52 0 0 8t d 9 8 fr 啪t h m e y l 6 195 22 82 0 0 8br e e k p o i n lh 十c 。d e 2 t e s t 4 乞a d c 一0 5c6 53 h m 节1b 性轮3 0z 0 0 bt a q e tr e 5 目 塑堕厣面一 一一一一一 00 l0 e cf f 盯f f f e 0 0 1 0 f 0f f ? ff i f f f n 1j f 4f f f ff ? f f n0 】0 f 8 f f f ff f f f 0 0 l 0 f cf f f ff f f f c s t 6rl e e 9 1 n # r m s t a r t 0 0 l l00 0 lo a 0 0 c ；t a j t 一t 一o d 0 1 1 口44 0 1 c07 0 0 0 0 1 10 84 0 扼0042 0 0 1 10