（计算机应用技术专业论文）基于upsd3234单片机的氚表面污染测量仪的研制.pdf

摘要 基于u p s d 3 2 3 4 单片机的氚表面污染测量仪的研制 作者简介：何伶俐，女，197 8 年4 月出生。2 0 0 3 年师从于庹先国教授，于20 0 6 年毕业于成都理工大学计算机应用技术专业。 摘要 氚又称为超重氢，是一种放射性物质，会发生b 衰变，所以对生产、操 作、存储氚或氚化合物和使用氚靶的工厂以及实验场所的地板、墙壁和操作工 人身体表面的氚污染进行监测是非常有必要的。 本论文在充分了解现有测氚仪的基础上，结合相关的科研项目，以新一代 s o c 单片机u p s d 3 2 3 4 为核心构建了体积小巧、高精度的氚表面污染测量仪， 并对其性能进行了评价。 取得的主要成果有： 1 设计了一种功能较完善的氚表面污染测量系统； 2 研制了基于u p s d 3 2 3 4 单片机的嵌入式信号处理模块： 3 使用c 5 1 语言开发出了满足基本功能的数据处理和分析应用软件： 4 开发出了u s b 接口程序，用于与p c 机之间的数据传输； 5 对仪器作了初步应用和性能评价； 初步应用表明：该仪器测量精度高、稳定性好，完全能满足现场氚表面污 染的测量要求 关键词：u p s d 3 2 3 4 单片机氚表面污染脉冲计数 作者签名： 堕塑里三查堂堡主堂堡堡苎 d e v e l o p m e n to fat r i t i u ms u r f a c ec o n t a m i n a t i o ns u r v e y m e t e rb a s e do nt h eu p s d 3 2 3 4 s i n g l e c h i p i n t r o d u c t i o no ft h ea u t h o r ：h el i n gl i ，w a sb o mo na p 。r i l6 , 1 9 7 8 u n d e rt h eg u i d a n c eo fp r o f t u ox i a ng u o s h ew a sg r a d u a t e df r o mc o l l e g eo fi n f o r m a t i o ne n g i n e e r i n ga t c h e n g “ u n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g yi n2 0 0 6 a b s t r a ( 了r t r i t i m ni sai s o t o p eo fh y d r o g e na n di tw i l lo c c u rbd i s i n t e g r a t i o n s oi ti sn e c e s s a r yt o s u r v e yt h et r i t i u ms u r f a c ec o n t a m i n a t i o n nt h el o c a t i o n sw h e r et h et r i t i u mi sp r o d u c e da n d s t o r e d h a v i n gk n o w nt h ec u r r e n ts u r v e y i n gt r i t i u mc o n t a m i n a t i o nm e t e r sa n dc o m b i n i n gt h e c o r r e l a t i v es c i e n t i f i cr e s e a r c hi t e r n s ，n ea r t i c l er e s e a r c h e da n dp r o d u c e das m a r ta n dh i z h p r e c i s i o n t r t i n ms u r f a c ec o n t a m i n a t i o n s u r v e ym e t e rw h i c hi sb a s e do nt h es o c s i n g l e c h i p - u p s d 3 2 3 4 a n de v a l u a t et h ep e r f o r m a n c eo ft h em e t e r t h em a i nr e s e a r c hr e s u l t sa t ea sf o l l o w s ： 1 r e s e a r c h e da n dp r o d u c e dat r i t i u ms u r v e ys y s t e mw i t hp e r f e c tf u n c t i o n s 2 r e s e a r c h e da n dp r o d u c e das i g n a lp r o c e s s i n gm o d u l eb a s e do nt h eu p s d 3 2 3 4s i n # e c h i p ， 3 d e v e l o p e dt h ed a t aa n a l y s i sa n dm a n a g e m e n ts o f t w a r ew h i c h c a ns a t i s f yd e m a n d s 4 c o m p i l e dt h eu s bi n t e r f a c ep r o g r a mw h i c hi su s e dt ot r a n s m i tt h ei n s t r u m e n t sd a t at ot h e h o s tc o m p u t e r n er e s u l to fp r i m a r ya p p l i c a t i o ns h o w s ：t h ei n s t r u m e n tw i t hh i g hp r e c i s i o na n dg o o d s t a b i l i z a t i o nc a i ls a t i s f yt h ed e m a n d so fu s e r s k e y w u r d s ：t r i t i u ms u r f a c ec o n t a m i n a t i o ns u r v e y , u p s d 3 2 3 4s i n g l e c h i p ，p u l s ec o u n t i n g i l s i g n a t u r e ： 第l 章前言 1 1研究现状 第1 章前言 氚又称为超重氢，是氢的同位素之一，元素符号为t 或3 h 。它的原子核由 一个质子和两个中子构成，并带有放射性，会发生8 衰变，最大衰变能量为 1 8 6 k e v ，半衰期为1 2 4 3 年。由于氚有放射性危害，所以对生产、操作、存储 氚或氚化合物和使用氚靶的工厂以及实验场所的地板、墙壁和操作工人衣服表 面的氚污染进行监测是非常有必要的。 目前国外已有测量氚表面污染的产品，虽然其精度高、性能好，但价格昂 贵，所以在国内大多数用户中难以广泛应用；国内也有同类产品，如北京核仪 器厂生产的ab 表面污染测量仪和中国辐射防护研究院研制的ab7p c o l 型便 携式表面污染测量仪，但还没有专用的氚表面污染测量仪。由于这些仪器通用 性较强，对1 3 表面污染灵敏响应不够高，如北京核仪器厂生产的b h 3 2 0 6 型表 面污染仪对1 3 的探测效率只有3 0 。 随着电子学和计算机技术的发展以及一些新型电子元器件的出现，现代仪 器正朝着小型化、低功耗、高性能方向发展。 1 2 课题研究的目的与意义 “基于u p s d 3 2 3 4 单片机的氚表面污染测量仪的研制”受中国工程物理研 究院委托，并受成都理工大学青年基金( 2 0 0 4 q j 0 9 ) 和四川省应用基础研究项 目( 0 5 j y0 2 9 0 8 7 2 ) 资助。其研究目标是应用先进的核探测技术、电子技术、 信息处理技术等技术与一体，研制开发出精度高、稳定性好、轻便、直观、实 用等要求的仪器，填补目前氚表面污染测量仪的国内空白，以期在微处理器、 低功耗、便携式仪器研究、数据和信息处理等方面取得一定成果。 该仪器采用新一代s o c 单片机u p s d 3 2 3 4 ，可满足仪器高性能、低功耗、 便携等要求；采用液晶显示，能更直观、更清楚地显示测量参数和数据：为了 成都理工大学硕士学位论文 达到最好的探测效果，可根据测量现场实际情况设置探头面积、测量时间、测 量次数、高压电源值等参数；仪器内部可存储1 0 0 个测量数据，采用u s b 接 口把数据传给p c 机，并在p c 机内转换成e x c e l 格式存储，便于数据的进一 步处理和计算；该仪器正常运行功耗小于3 w ，用可充电的锂离子电池进行供 电，一般可维持2 0 个小时左右；系统还有低压报警、断电自动保存数据等功 能。 1 3研究内容 针对课题提出的研究目标，论文的研究内容为： 1 ) 氚表面污染测量仪的系统设计方案； 2 ) 查阅大量资料，了解嵌入式处理器的市场应用，选择高性能的s o c 单片机 u p s d 3 2 3 4 构建系统； 3 ) 设计适用于便携式仪器的供电方案； 4 ) 开发u s b 接口程序，用于仪器与p c 机的通信； 5 1 开发出适用于系统的功能软件： 1 4 研究成果 经过近一年的研究工作，取得了以下成果： 1 ) 设计了一种功能较完善的氚表面污染测量系统； 2 ) 研制了基于u p s d 3 2 3 4 单片机的嵌入式信号处理模块； 3 ) 使用c 5 1 语言开发出了满足基本功能的数据处理和分析应用软件； 4 1 开发出了u s b 接口程序，用于仪器与p c 机之间的数据传输； 5 ) 对仪器作了性能评价和初步应用。经验证，仪器完全满足对氚表面污染的 测量要求。 2 第2 章系统设计方案 第2 章系统设计方案 本测量仪系统主要由探测器、信号采集模块、信号处理模块( m c u ) 、液 晶显示模块、电源模块等部分组成，总体框图如图2 - 1 所示。其基本工作原理 是：氚衰变发出的b 射线通过流气式正比计数器时，使流气式正比计数器中 的气体发生电离，形成正负离子对。在高压电场的作用下，电子被加速向阳极 方向运动，运动过程中与气体分子碰撞电离，产生新的离子对。雪崩式电离的 结果，在收集电极上将收集到一大群离子，这些带电离子经信号采集模块的电 荷灵敏放大器转换后，成为一个个微弱电压脉冲：这些电压脉冲经放大、整形 和甄别选择后送到m c u 进行计数。因为相同时间内脉冲数目的多少由b 辐射 的强弱决定，m c u 记录这些脉冲的个数和产生时间，通过软件分析的方法就 可计算出相应的表面污染水平。 图2 - 1 仪器系统总体框图 成都理工大学硕士学位论文 2 1硬件设计方案 2 1 1探测器 核辐射的探测是基于射线与物质的相互作用，探测器实际上是将射线能量 转换为电信号或其他信号能量的转换器。p 射线的探测是通过在探测器中发生 电离效应来产生电子，然后通过探测电子产生的电压脉冲的强度来探测b 射线 的强度。目前探测低能p 使用较多的探测器有闪烁计数器和流气式正比计数器。 由于闪烁计数器的使用会受到使用时间、辐射强度和温度等的影响，虽然可以 采取一些方法来消除这些影响，但有时在现场使用的时候很难满足这些条件， 所以在本仪器中选用流气式正比计数器作为探测器。如图2 2 所示，流气式正 比计数器主要由金属圆筒负极和芯线正极组成，筒内充的是甲烷气体，为了保 证计数器内所充气体浓度不变，气体一直是保持流动状态的，流气式正比计数 器适用于轻元素的检测。它具有阻下优点； 流气式正比计数器的输出信号大，可以在相当的范围内测定入射粒子的能 量； 分辨时间短，甚至可达l o 一l o - 9 秒，通常无需考虑漏记的影响； 没有噪声和暗电流； 灵敏度较高； 受温度影响很小； 脉冲幅度几乎与原电离的地点无关； 图2 - 2 流气式芷比计数器结构图 第2 章系统设计方案 2 1 2 系统核心部件一u p s d 3 2 3 4 单片机 1 单片机的发展争s o c 技术 单片机从1 9 7 6 年公布8 位机至今3 0 年时间，它没有像微处理器那样从8 位、1 6 位，一直发展到3 2 位、6 4 位，8 位机依然是单片机的主流机型。但是， 它突破了原有的集成结构，在内部集成了越来越多的外围电路和外设接口，从 而发展成为微控制器的体系结构。其发展历程大致分为以下几步： 初级单片机阶段。以i n t e l 公司m c s 4 8 系列为代表，集成了8 位c p u 、并 行i 0 口、8 位的定时、计数器，寻址空间不大于4 k b 的存储空间。 高性能单片机阶段。这一阶段推出的单片机具有串行接口、多级中断系统、 1 6 位定时、计数器等功能，并加大了片内r a m 、r o m 的存储空间，寻址 空间可达6 4 k b 。 增加控制功能部件阶段。由于单片机的高性价比及其在各领域的应用，需 要更多的面向测控对象的接口电路。例如，许多厂家以m c s 5 1 为内核， 增加了d a c 、a d c 、p w m 等外围接口部件；增加了s p l 、1 2 c 等串行总线 部件形成的具有测控能力的微控制器芯片。 s o c ( s y s t e m o n c h i p ，片上系统) 阶段。s o c 技术是一种高度集成化、固 件化的系统集成技术，它的核心思想是把整个应用电子系统全部集成在一 个芯片中。 2 u p s 0 3 2 3 4 单片机简介 u p s d 3 2 3 4 是s t ( 意法半导体) 公司推出的一款新型单片机。它以增强型 m c s 5 1 内核单片机8 0 3 2 为基础，集成了p s d ( p r o g r a m m a b l es y s t e md e v i c e ， 可编程外围器件) 模块。该单片机系列含有大容量的f l a s h 和r a m 存储器、 1 2 c 和u s b 接口电路、可编程逻辑器件( p l d ) ，是一个典型的具有s o c 特征的 单片机。该单片机的特点和性能如下： 高速的标准8 0 3 2 内核( 1 2 时钟周期) ：3 个1 6 位定时，计数器，2 个外部 中断源。 两块f l a s h 存储器：为应用程序、操作系统或图形用户界面提供2 5 6 k b 的大容量f l a s h 存储器；3 2 k b 次f l a s h 存储器可分为几个扇区，可以 通过相关指令来访问，以替代外部的e e p r o m 。 可编程的地址译码p l d ，为所有存储器提供灵活的地址映射。每个f l a s h 扇区都可设置为任意地址范围。 为外围器件的连接提供1 2 c 接口：可以工作在主从两种方式。 成都理工大学硕士学位论文 u s b 接口：支持u s b l 1 低速模式，1 5 m b p s ：支持端点0 的控制传输与端 点1 和端点2 的中断i n 传输。 最多4 6 个i o 引脚，具有6 个i o 口：多功能i o 口( g p i o 、d d c 、1 2 c 、 p w m 、电源监控和j t a g 接口) ：不需要外部锁存和逻辑电路。 通过j t a g 在系统编程( i s p ) ；在1 0 2 5 u s 内编程整块芯片，不需要片 内8 0 3 2 内核参与编程过程；省去了芯片插座和编程器部分。 监控功能：低电压或者看门狗时钟产生复位，可以省去外部芯片；还可通 过引脚复位。 加密安全技术：可编程的加密位，防止非法访问器件。 零功耗技术；在输入发生改变的间隙，存储器和p l d 自动降到静态电流。 由此可见，u p s d 3 2 3 4 单片机是一种性能比较强大，功能部件比较齐全， 尤其是存储容量大的s o c 芯片。作为便携式仪器，在性能满足的前提下，电 路设计首先考虑的是功耗和体积。在程序设计上对c p u 运行状态进行监控； 在芯片选择上，应尽量使用低电压、低功耗、高集成度的芯片，因此m c u 的 选择好坏直接决定系统性能。由于本系统需要大量的i o 接口以及各种功能扩 展和通信接口，并需要大量数据存储缓冲，控制对象多，功能复杂。若用传统 的单片机，除了一片单片机外，通常还需要几片或者数十几片其它外围芯片， 这样不仅使系统复杂，丽且外围芯片的成本大大高于作为控制核心的单片机本 身。所以，采用这款u p s d 3 2 3 4 单片机能很好的满足本系统要求。 2 1 3 电源解决方案 仪器共需要+ 5 v ，+ 1 2 v ，- 1 2 v 低压电源以及4 5 0 0 v 可调高压电源。考虑 到仪器的便携式特性，本系统采用可充电的l i + ( 锂离子) 电池作为供电电源。 1 主要器件的选择 ( 1 ) 充电电池 电池是便携式仪器的核心动力。一个好的电池方案对于仪器的正常使用非 常重要。随着新材料、新工艺的出现，先进耐用的充电电池不断出现，表2 1 是几种主要类型的可充电电池的特性比较，可以看出，l i + 电池具有体积小， 重量轻，容量大，寿命长等优点，近年其成本也不断下降。通过适当的电芯组 合，仪器选用了7 2 v 6 6 h 的l i + 电池组。( 体积约为：长宽高= 1 1 0 m m 1 5 m m 6 5 m m ：重量：约为1 2 0 9 ) 。 第2 章系统设计方案 表2 - i 各类充电电池的特性比较 电池工作电压重量比能量 体积比能量循环记忆 自放电率 类型( v ) ( w h k g ) ( w h 1 )次数效应( 月) 铅酸 2 o 4 0 0 6 0 0 无 3 n i c d1 2 5 0 1 5 0 4 0 0 5 0 0 有 2 5 n i m h1 26 0 8 02 4 0 3 0 0 5 0 0 无 2 0 l i 离子 3 ，61 2 0 1 4 0 3 0 0 i 0 0 0 无 1 0 ( 2 ) d c d c 变换器 由于电池工作时随着电量的消耗，其输出电压会降低，是输出可变的电源， 而负载需要稳定的电源，故选用了深圳安时捷公司的宽范围输入( 4 1 i o v ) 的高效d c d c 集成开关式稳压转换模块+ 5 vh d w s - 6 s 0 5 和_ + 1 2 vh d w 5 6 d 1 2 。它 们的主要特点是：输出电压+ s v 时，输出电流为1 0 0 0 m a ；输出电压+ _ 1 2 v 时，输 出电流为2 0 5 m a ；带禁止输出和短路、过流保护等功能，体积非常小巧( 小s i p 封装，体积约为：长宽高= 4 2 m m x l 5 m m x6 m t a ) 。 ( 3 ) 高压电源模块 高压电源模块提供流气式正比计数器所需高压，它输入+ 1 2 v 电压，输出 0 4 5 0 0 v 连续可调高压。本系统选用天津东文高压厂的产品d w p 4 5 2 0 i c ， 它是一种采用灌封工艺的模块化产品，具有耐潮湿、电绝缘性良好，抗电磁干 扰等优点。高压模块主要技术指标如表2 2 所示。 表2 - 2 高压模块技术指标 输入 + 1 2 l v工作 输出过流保护有 2 5 6 5 电压 温度 输出 0 4 5 0 0 v 额定输 输入输出 共地0 1 m a 电压连续 出电流 转换输出电 输出电 7 0 液晶显示程序； 实时时钟程序： 高压电源调节程序； 2 2 2 开发语言与软件开发环境的选择 1 开发语言 c 语言作为高级语言，具有结构性好、可移植，且编译效率高等优点，已 成为当今嵌入式系统开发的首选语言。使用c 语言，可大大缩短开发周期，而 且u p s d 3 2 3 4 单片机片内集成了大容量的s r a m ( 8 k ) 和2 5 6 k bf l a s h ，很好的支 持了使用高级语言的开发，所以本系统选用c 语言作为开发语言。 2 开发环境 本系统分别选用k e i l5 1 和p s d s o f te x p r e s s 作为开发环境。 e e i l5 1 是德国公司k e i l 开发的5 1 系列单片机的开发工具，支持世界上 几乎所有的5 1 单片机，并不断推出新的版本，以支持5 l 系列单片机的新系列、 新型号。同样k e i l5 l 也支持u p s d 3 2 3 4 单片机。u v i s i o n 2 是k e i l5 l 在w i n d o 计s 环境下的集成化文件管理编译系统，它集成了文件编译处理、项目管理、编译 连接、软件仿真调试等多种功能，支持汇编语言和c 语言的程序设计。 p s d s o f te x p r e s s 软件是s t m i e r o e l e c t r o n i c s 公司专为p s d 模块的引脚配 置、f l a s h 存储器的管理配置、程序和可编程逻辑的下载所开发的，操作非常 简单方便。该软件将整个操作过程设计成一个流程，用户通过菜单或单击流程 框，就可以完成m c u 的选择、i o 引脚的配置、p l d 的设计、f l a s h 的分配和译 码、程序的下载等。 9 成都理工大学硕士学位论文 第3 章硬件设计 图3 - 1 是整个系统的硬件结构框图，其中包括很多小模块，它们以 u p s d 3 2 3 4 为核心，实现不同的功能，以下详细介绍各个模块。 3 1u p s d 3 2 3 4 单片机 图3 - 1 系统硬件结构图 u p s d 3 2 3 4 单片机以增强型m c s 一5 1 内核单片机8 0 3 2 为基础，集成了 p s d ( p r o g r a m m a b l es y s t e md e v i c e ) 模块，内部含有大容量的f l a s h 存储器和 s r a m 存储器、1 2 c 接口和u s b 接口电路以及可编程逻辑阵列器件( p l d ) 等。 3 1 1单片机内部结构 u p s d 3 2 3 4 单片机实际上是一个增强型的8 0 c 3 2 的m c u ，通过总线与p s d 模块 组合在一起的具有超大存储容量和可编程器件等扩展部件的s o c 单片机。其功 能模块大致可分为： 1 c p u 系统 内含一个8 位的运算器，能处理8 位二进制数据和代码，数据和代码可分别 第3 章硬件设计 寻址达6 4 k b 空间；支持位操作和位寻址；共有指令五大类1 1 1 条。 2 复位和时钟电路 u p s d 3 2 3 4 单片机的内部含有时钟电路，只需外接石英晶体振荡器，最高晶 振频率可达4 0 m h z ：外部复位引脚( 新) 和内部复位电路及看门狗监视定时器 可以形成3 种复位方式。 3 存储器系统 单片机内部包含了2 5 6 b 的内部r a m 、2 3 2 k b 的s r a m ，内核中1 2 8 b 的特殊 功能寄存器( s f r ) 和p s d 模块中2 5 6 b 的s f r 。主次2 片大容量的f l a s h 存储器， 分别都可以配置成数据或者程序存储器，并且可以分页，以满足6 4 k b 的寻址空 间。 4 中断系统 u p s d 3 2 3 4 单片机的中断功能较强，可以满足控制应用的需要，菇有l o 个中 断源，分别为3 个定时中断、2 个外部中断、2 个异步串行口( u a r t ) 中断、1 个 1 2 c 中断、u s b 中断和d d c 中断。 5 定时，计数器 单片机具有3 个定时计数器，分别可以工作在4 种工作模式，其中定时 计数器2 具有时间捕捉功能。 6 并行i o 口 单片机共有6 个并行i o 端口，多达5 0 个i o 引脚。除了m c s 一5 1 内核p o p 3 外，增加了p 4 和p s d 模块中的p a 、p b 、p c 、p d 口a 7 o s b 接口和1 2 c 接口 单片机提供了u s b l 1 接口和1 2 c 接口。 3 1 2单片机的引脚与功能 单片机的引脚配置如图3 - 2 所示。 成都理工大学硕士学位论文 圈3 - 2u p s d 3 2 3 4 单片机引脚鼠置图 主要引脚功能如表3 - 1 所示。 表3 1 u p s d 3 2 3 4 单片机的部分引脚功能 信号输入 端口号引脚号基本功能第二功能 名称输出 通用输入定时器2 p 1 0t 25 2 i 0 输出端口豹计数输入 通用输入 定时嚣2 的 p 1 1t 2 e x5 4 i o 输出端口触发输入 通用输入 p 1 2r x d 25 6 i 0u a r t 2 接收 输出端口 通用输入 p 1 3t x i ) 25 8 i ou a r t 2 发送 输出端口 p 1 4 a d c 0 5 9 ，6 0 ， 通用输入 i 0a d c 的0 3 通道输入 p 1 7a d c 36l ，6 4 输出端口 通用输入 p 3 2i n t o7 9 i o外部中断0 输出端口 通用输入 p 3 5t 14 2 i 0计数器i 输入 输出端口 第3 章硬件设计 表3 - 1u p s d 3 2 3 4 单片机的部分脚功能( 续裹) 通用输入 p 3 6s d a 24 4 i 0 i2 c 总线数据 输出端口 通用输入 p 3 7s c l 24 6 i 0 i2 c 总线时钟 输出端d p c ot m s2 0i j t a 6 引脚1 p c o 。p c i p c 5 ，p c 6 作 p c it c k1 6i j t g 引脚为j t a 6 专用引脚， 通用输入p c 3 ，p c 4 可以作为扩 p c 2vs t b tl5 i 0 输出端口 展的j t a g 引脚 通用输入 2 p c 2 作为s r a m 的备用 p c 3v -1 4i 0 输出螭日 电池输入 运用输入 3 p c 4 作为备用电池接通 p c 4t b r r9i 0 输出端口 指示 p c 5t d i7i j t a g 引脚 p c 6t d 060 j t a 6 引脚 u s b -8i 0u s b 引脚 u s e +1 0i 0u s e 引脚 1 p l d 宏单元输出 3 5 3 4 ，3 2 通用输入2 p l d 输入 p a o p 72 8 2 6 ，2 4 ，i 0 输出端口3 外设i 0 模式 2 2 ，2 1 4 地址镄存输出( a o a 7 ) 8 0 ，7 8 ，7 6 1 p l i ) 老单元输出 通用输入 p b 0 p b 7 7 4 。7 3 ，7 2 i 02 p l e 输入 输出端口 6 7 6 63 地址镄存输出( a 0 a 7 ) 复位，低电 r e s e t 6 8i 平有效 系统时钟晶 x t a l l4 8i 振输入 系统时钟晶 x t a l 2 4 9o 振输出 1 3 堕塑堡三查堂堡主兰丝笙壅一 3 2 信号采集模块 信号采集模块原理框图如图3 - 3 所示。它的主要作用是将流气式正比计数 器送来的带电离子经电荷灵敏放大器转换成电压脉冲，再把这些脉冲信号放 大、整形和选择展宽后送入m c u 进行计数。因此，这部分主要由放大整形电路、 阈值甄别电路和脉冲选择展宽电路构成。 3 2 1 放大整形电路 图3 - 3 信号采集模块框图 如图3 - 4 所示，放大整形电路由电荷灵敏放大器、两级电压放大器( 主放 大器) 和积分电路组成。电荷灵敏放大器采用l f 3 5 6 ，l f 3 5 6 是一种j f e t 输 图3 - 4 放大电路原理图 1 4 第3 章硬件设计 入的高速运算放大器，它具有输入阻抗大，噪声低，偏移电流小等优点，并能 调整偏移电压。根据电荷灵敏放大器的原理可知，当放大器有足够的开环增益， 电容c 1 本身是常数时，电荷灵敏放大器输出电压与正比式流气计数器的输出 电荷q 成正比。电荷灵敏放大器的输出电压脉冲经过集成运算放大器t l 0 6 2 两 级放大，并用积分电路进行“平滑”整形后，送入后续的上下阈值甄别电路。 3 2 2 上下阈值甄别电路 从放大电路过来的电压脉冲，并不是一样大小的，而是服从统计规律的， 表现在脉冲幅度上，就是时大时小。对脉冲幅度的测量一般都采用脉冲幅度甄 别器来进行，这种电路只允许定幅度的脉冲通过，供后续电路记录，其目的 是消除高能或低能噪声对测量的干扰。 甄别电路的应用电路如图3 5 所示。l 1 a 、l 2 b 是比较器l m 3 9 3 。r 2 3 和r 2 4 组成的电压分配器用于设定上阈值v h ，r 2 6 和r 2 7 组成的电压分配器用于设定 下阈值v 。应该注意，为了使上下阈值有相同的温度漂移方向，使用的元件 要有良好的稳定性，如采用精度为5 以上的电阻来降低温度系数等。 图3 - 5 上下两值甄募i j 电路原理囝 由比较器的原理可知，当输入信号低于下闽值v l 时，比较器l 1 a 和l 2 b 的输出电压为0 ，无脉冲输出；当输入信号幅度高于上甄别阈v h 时，l i a 和 l 2 b 的输出电压接近电源电压+ 5 v ，这时，比较器翻转，l 1 a 和l 2 b 输出负脉 冲；当输入信号高于v l 且低于v h 时，l 1 a 无输出，l 2 b 输出负脉冲。 成都理工大学硕士学位论文 3 2 3 脉冲选择与展宽电路 由于从甄别电路输出的脉冲可能宽窄不一。有的脉冲并不是电路所需要记 录的，需剔除，为了使后续电路能更好地记录这些脉冲，需要对脉冲进行展宽 与选择。在本模块中，用m c l 4 5 3 8 b 来实现这部分功能，它一种是双精度、重 触发、重置位的单稳态振荡器。 1 m c l4 53 8 b 工作原理 内部结构如图3 - 6 所示。当没有输入脉冲的时候，电路处于静止状态，q 端输出为低。定时电容c x 被充电到v d d 。当有一个上升沿脉冲从a 端输入( 当 输入b 和尉；懿汀脚被拉到v s s 时) ，将打开比较器c 1 和场效应管n l 。与此同 图3 - 6h c t 4 5 3 8 b 内部结构图 时，o u t p u tl a t c h 被置位，q 端输出高电平。由于n 1 打开，电容c x 迅速放 电，当放电到参考电压v t c f l 时，比较器c 1 改变状态，n 1 关断，同时n 2 打 开。由于n i 关断，c x 通过电阻r x 迅速充电，当c x 上的电压等于v r c f 2 时， 比较器c 2 改变状态，引起o u t p u tl a t c h 复位，0 端变低。至此，个触发周 期完成，等待下个触发脉冲。在输出端o 变到0 状态前，假如一个有效的触 发之后又有一个有效的触发，m c l 4 5 3 8 b 将被重触发。任何一个重触发，在引 脚2 或者引脚1 4 的时间模式电压上升到v t e f l 但还没达到v r e f 2 时，都将使输 出脉冲宽度t 增加。当r e s e t 引脚始终为低时，任何输入都将不会改变q 端和 q 端的状态。时序图如图3 7 所示。 篁! 兰堡堡垒盐一 图3 - 7m c l 4 5 3 8 b 工作时序图 2 脉冲选择与展宽的具体实现 如图3 - 8 所示，上阈值甄别器的输出脉冲送入m c l 4 5 3 b 的b a 端，下阈值 甄别器的输出脉冲送入m c l 4 5 3 b 的a b 端。从图3 - 9 可以看出，i n l 端输入负 脉冲时，百a 端也输出一个展宽的负脉冲，这个脉冲信号送入l 2 b 的复位端t 封锁住了从i n 2 输入的一个负脉冲。由此可知，只有当o u t l 端输入脉冲的幅 值在v h 和v l 之间时，才能被展宽并送入m c u 进行计数。 图3 - 8 脉冲展宽电路 成都理工大学硕士学位论文 3 3按键模块 图3 - 9 脉冲的甄别和选择波形图 按键模块电路如图3 一1 0 所示，本模块的核心器件是z l g 7 2 9 0 芯片。z l g 7 2 9 0 是一种1 2 c 接口键盘及l e d 驱动管理器件，提供数据译码和循环、移位、段寻 址等控制。它可采样6 4 个按键或传感器，单片即可完成l e d 显示、键盘接口 的全部功能。它通过1 2 c 总线同单片机通讯，提供键盘中断。本系统中，z l g 7 2 9 0 的s d a 、s c l 、i n t o 分别与u p s d 3 2 3 4 单片机的p 3 6 、p 3 7 、p 3 2 相连。 z l g 7 2 9 0 有8 个位选和8 个段选引脚，可以接6 4 个按键，其中包括5 6 个 数字键和8 个功能键。5 6 个数字键的键值分别为l 到5 6 。有效的按键动作( 普 通键的单击，连击和功能键状态变化) ，都会使系统寄存器( s y s t e m r e g ) 的 k e y a v i 位置1 ，i n t 引脚信号有效( 变为低电平) 。用户的键盘处理程序可由 i n t 引脚低电平中断触发，以提高程序效率。它的系统框图如图3 1 l 所示。 1 8 第3 章硬件设计 圈3 1 0 按键模块电路囤 下面详细介绍z l g 7 2 9 0 内部各个寄存器的功能和用途； 系统寄存器( s y s t e m r e g ) ：地址o o h ，复位值1 1 1 1 0 0 0 0 b 。 系统寄存器保 存z l g 7 2 9 0 系统状态并可对系统运行状态进行配置。s y s t e m r e g 0 置l 时 表示有效的按键动作( 普通键的单击、连击和功能键状态变化) ，i n t 引 脚信号有效( 变为低电平) ：清0 表示无按键动作，i n t 引脚信号无效( 变 为高阻态) 。有效的按键动作消失后或读k e y 后，s y s t e m r e g o 位自动清0 。 键值寄存器( k e y ) ：地址0 1 t t ，复位值o o h 。k e y 表示被压按键的键值。当 k e y = o 时表示没有键被压按。 连击次数计数器( r e p e a t c n t ) ：地址0 2 h ，复位值o o h 。r e p e a t c n t = 0 时表 示单击键。r e p e a t c n t 大于0 时表示键的连击次数。用于区别出单击键或 连击键，判断连击次数可以检测被按时间。 功能键寄存器( f u n c t i o n k e y ) ：地址0 3 h ，复位值o f f h 。f u n c t i o n k e y 对 应位的值为0 表示对应功能键被压按( f u n c t i o n k e y 7 f u n c t i o n k e y 0 ，对 应$ 6 4 s 5 7 ) 。 命令缓冲区( c m d b u f o c m d b u f l ) ：地址0 7 i - 1 0 8 h ，复位值o o h o o h ，用 于传输指令。 1 2 c 接口：z l g 7 2 9 0 的1 2 c 接口的传输速率可达3 2 k b i t s ，容易与处理器接 口。并提供键盘中断信号，提高主处理器时间效率。 成都理工大学硕士学位论文 卜s c l + s d a 一一i r 钟啪盘c mi 口mtl翘纳拄i | i n t 一 皑政lf l n 曲呻k 科i 且ii s h l 垡生竺! 竺i 蛐! 监蛆 s e g a 键盘 ir _ v o c 扫i i l g n d l e d d 叼7 q t - - 瓤站 r _ 1i ；，蹬 9 0 + - 1 n i 一一一0 1 _ 一 瞳窭式兰划，麓嚣 3 4时钟模块 囤3 - 1 1z l g 7 2 9 0 系统框图 因为系统需记录下每次测量的详细日期和时间，所以采用s t 公司生产的 实时时钟芯片m 4 1 t 8 l 来实现此功能。电路原理图如图3 一1 2 所示。 m 4 1 t 8 1 是一个具有串行访问的计时保持s r a m 的低功耗串行实时时钟芯片。 其内建3 2 7 6 8 k h z 振荡器( 外部晶体控制) 。有8 b 的s r a m 用于计时日历功能， 采用压缩b c d 码格式表示日期和时间数据，可计时毫秒、秒、分钟、小时、星 期、日、月、年、世纪，日期可记录到2 1 0 0 年，自动切换3 0 天或者3 1 天。 额外附加1 2 b 的s r a m 报警器、看门狗和方波输出功能的状态控制。地址和数 据的传输通过1 2 c 接口，内建地址寄存器在读或写数据字节时自动增加。系统 还具有断电自动保存的功能。当掉电后，m 4 1 t 8 1 自动切换到备用电池供电，保 持时钟计时( 备用电池电压3 v ，维持电流仅需1 u a ) 。 图3 - 12 时钟模块电路图 第3 章硬件设计 表3 - 2 为m 4 1 t 8 1 引脚功能。与z l g 7 2 9 0 一样，m 4 1 t 8 1 的8 d a 、s c l 、i n t o 分别与u p s d 3 2 3 4 单片机的p 3 ，6 、p 3 7 、p 3 2 相连。 表3 - 2 引脚功能 引脚号 名称功能 lx i 振荡器输入 2x o 振荡器输出 3 v 自 t电池供电 4y s s地 5s o a 串行数据( 双向) 6s c l 串行时钟 7i r q f t 0 u t s q w 中断输出驱动频率测试方波输出( 漏极开路) 8v 电源供电 3 5 接口电路 u p s d 3 2 3 4 单片机在片内集成了j t a g 接口和u s b 接口，分别用于单片机的在 系统编程和单片机与p c 机之间的数据传输。 3 5 1j t a g 接口 u p s d 3 2 3 4 单片机内置了j t a g 标准信号，如表3 3 所示。 表3 - 3u p s 0 3 2 3 4 单片机的j t a b 信号 p c o t m s j t a 6 引脚 p c it c k j t a g 引脚 p c 3t s t a t附加的j t a g 引脚 p c 4 t e r r 附加的j t a g 引脚 p c 5 t d i j t a g 引脚 p c 6t d oj t a g 引脚 j t a g ( j o i n tt e s ta c t i o ng r o u p ) 是1 9 8 5 年制定的检测p c 8 和i c 芯片的 2 1 成都理工大学硕士学位论文 标准，1 9 9 0 年被修改后成为i e e e 的个标准，即i e e e l l 4 9 卜1 9 9 0 。通过该标 准，可对具有j t a g 口的芯片的硬件电路进行边界扫描和故障检测。j t a g 的标准 信号有4 个： t d i ：数据输入线； t d o ：数据输出线： t m s ：工作方式控制线； t c k ：工作时钟； 为了加速编程和擦除操作，u p s l ) 3 2 3 4 单片机另外附加了两个信号t s t a t 和 t e r r 。当f l a s h 存储器擦除一个扇区或编程一个字节时，如果发生错误，t e r r 信号将变低，并且保持低电平状态直到执行了特殊的j t a g 命令或者收到个 复位脉冲；当f l a s h 存储器处于读取模式时，t s t a t 信号变高，对f l a s h 存储 器进行编程或擦除时，t s t a t 信号将变成低电平。在单片机上电之后，标准的 j t a g 引脚( t m s 、t c k 、t d o 、t d i ) 都是作为输入，等待j t a g 控制器件设备的 串行命令。当单片机收到j t a g 使能命令，t o o 变成输出，j t a g 通道开始工作。 j t a g 接口电路如图3 1 3 所示。 3 5 2u s b 接口 图3 1 3j t a g 接口电路图 通用串行总线u s b ( o n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 是一种新兴的计算机外围串 行通信接口标准，它克服了传统计算机串并口的缺陷。具有热插拔、数据传 输可靠、扩展方便、低成本等优点，已成为计算机必备的接口之一。现在u s b 第3 章硬件设计 接口不仅仅作为计算机外设接口使用，同时也被大量应用于嵌入式系统和单片 机系统的设计中比如集中监控、数据采集系统等。 u p s d 3 2 3 4 在片内集成一个u s b 接口，它支持低速的u s b l 1 规范，支持端 点0 ( e n d p o i n t 0 ) 的控制传输，以及端点1 ( e n d p o i n t l ) 和端点2 ( e n d p o i n t 2 ) 的中断i n 传输。所以，利用u p s d 3 2 3 4 的u s b 接口，将系统设计为支持 j s b 接 口的系统，在硬件上已不再需要增加u s b 的接口器件。 图3 1 4 为u s b 接口电路图。上拉电阻r 1 6 的作用是将u s b 数据线d 一上拉， 表示设备为一个u s b 的低速设备。 3 6 液晶模块 图3 - 1 4u s b 接口 液晶模块的主要作用是实时显示测量数据和参数，为仪器提供良好的人机 界面。采用的是1 2 8 6 4 点阵的m g l s 一1 2 8 6 4 ，它的驱动控制器是两片k s 0 1 0 8 b 和一片k s 0 1 0 7 b 。k s 0 1 0 8 b 是一种带有列驱动输出的图形液晶显示控制器，与 k s 0 1 0 7 b 配合对液晶屏进行行、列驱动，可直接与单片机相连。液晶模块内部 结构如图3 一1 5 所示。 由于u