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武汉理工大学 硕士学位论文 神经网络在汽车动态称重系统中的应用 姓名：陈琼 申请学位级别：硕士 专业：计算机应用 指导教师：潘昊 20060401 摘要 高速公路动态称重系统的研究对于保护公路的正常使用有着重要的经济意 义和社会价值。随着公路运输工业生产和商业贸易的不断发展，产生了对公路 车辆进行动态称重越来越严格的要求。动态称重是加强超限运输、强制实施超 限法规等管理现代化、科学化的技术条件。 就高速公路动态称重系统而言，动态称重的精度是最重要的性能指标，它 标志着高速公路动态称重系统的技术水平的高低。目前的动态称重系统由于对 采集的信号作简单的处理，缺乏对干扰因素以及之间的关系做深一层的处理。 所以系统的精度难以得到很大的提高。 鉴于影响动态称重的干扰因素很多，而且这些因素之间不存在确切的函数 关系。用传统的数学方法很难分析这些干扰因素之间的关系。而人工神经网络 在处理非线性的、复杂的问题方面有其独特的优势。 本文在理论基础方面，从提高称重精度的思想出发，介绍了人工神经网络， 重点介绍了B P 网络的基本思想、计算过程、执行步骤、存在的问题以及针对存 在的问题提出的改进方法，最后进行了网络的性能分析。在硬件方面，本系统 采用h D u C 8 1 2 单片机，对A D u C 8 1 2 单片机进行了介绍，详细介绍了A D u C 8 1 2 单 片机的软件设计流程。本文所介绍的自动称重系统除了能够实现重量数据的采 集、处理、显示和查询等基本功能外，它还实现了将采集的数据保存于数据库 中并能以报表的形式打印出来的功能，以便于统计和查阅。 本文中主要用到的前台开发工具是V i s u a lc + + 6 0 编程语言，后台数据 库用s 乱S e r v e r2 0 0 0 。主要利用A c t i v e X 控件束提供串口通信。此外本文中 还用到了C 语言编写单片机上的数据采集部分的代码。 关键字：A D u C S l 2 ；动态称重；神经网络 A B S T R A C T T h ed e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o na n dt r a n s p o r t a t i o ni n d u s t r yh a s u n d o u b t e d l yp l a y e da na c t i v e r o l e i nt h ec o n s t r u c t i o no fn a t i o n a le c o n o m y A l o n gw i t h t h ed e v e l o p m e n to ft h e H i g h w a y 1 1 a n s p o r t a t i o n ，I n d u s t r i a l p r o d u c t i o n a n dB u s i n e s s T r a d e ，i t i s r e q u i r e d t h a tt h e H i g h w a y W e i g h i n M o t i o n ( W I M ) s y s t e m sh a v em o r eq u a l i f i c a t i o no fm o d e r n i z a t i o na n d s c i e n t i z a t i o nf o rt h er a p i da u t o m a t i c a l l ya n dt h ee n f o r c e m e n to ft h eo v e r l o a d i n g r u l e F o rt h eH i g h w a yW e i g h i n M o t i o ns y s t e m s ，t h ew e i g h i n ga c c u r a c yo ft h e v e h i c l em o v i n gi st h em o s ti m p o r ts t a n d a r ds p e c i f i c a t i o n I ti n d i c a t e st h e t e c h n i c a ll e v e lo ft h eW I M s y s t e m s W h i l et h ew e i g h i n gs i g n a lp r o c e s s i n go ft h e a c t u a lW e i g h i n - M o t i o ni ss i m p l ed i g i t a lf i l t e ra n dn of u r t h e rs i g n a lp r o c e s s i n g t e c h n i q u e S ot h eW I Ms y s t e m sa c c u r a c yi sh a r d l yi m p r o v e d B e c a u s et h e r ea r es om a n yf a c t o r st h a ta f f e c tt h eW I M s y s t e m sa c c u r a c y , a n dt h e r ea r en o te x a c tf u n c t i o nr e l a t i o n sa m o n gt h o s ef a c t o r s W h i l en c u r a l n e t w o r kh a si t so w ns p e c i a la d v a n t a g eo fp r o c e s s i n gH O B - l i n e a ra n dc o m p l e x p r o b l e m s - I nt h e o r y , f r o mi m p r o v i n gt h eW I Ms y s t e m s a c c u r a c y , t h i sp a p e r i n t r o d u c e dn e u r a ln e t w o r k , a n dm o s t l yi n t r o d u c e dt h eb a s i ci d e a ，c a l c u l a t e d p r o c e s s ，e x e c u t e ds t e p sa n de x i s t e dp r o b l e m so fB Pn e t w o r k , a n dp u tf o r w a r d t h ei m p r o v e dm e t h o db a s e do nt h o s ep r o b l e m s F i n a l l y , t h ep a p e ra n a l y z e dt h e p e r f o r m a n c eo fn e t w o r k I nh a r d w a r e , t h es y s t e mu s eA D u C 8 1 2s i n g l e - c h i p m i c r o c o m p u t e ra n di n t r o d u c e dt h ef l o wo fs o f t w a r ed e s i g n i n gi nd e t a i l T h e W I M s y s t e mo ft h ep a p e rd e s c r i b e dc a ni m p l e m e n tn o to n l yt h eb a s i cf u n c t i o n o fg a t h e r i n gd a t a ，p r o c e s s i n gd a t a ，d i s p l a yd a t a ，a n dq u e r yd a t a ，b u tp r e s e r v e d t h eg a t h e r i n gd a t ai n t ot h ed a t a b a s ea n dp r i n ti nf o r m T h es y s t e mm a i n l yu s eV i s u a lC + + 6 0i nt h ef r o n tf i a t S Q LS e r v e r2 0 0 0i n t h ed a t a b a s e ，t h eA c t i v e Xc o n t r o lt oc o m m u n i c a t et h es e r i a l a n du s eC l a n g u a g e t ow r i t et h ec o d eo ft h e g a t h e r i n g d a t ai nt h e s i n g l e - c h i p m i c r o c o m p u t e r K e y w o r d ：A D u C 8 1 2 ：W e i g h - i n M o t i o n ；N e u r a lN e t w o r k ； 武汉理工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 。1 本课题研究的意义 随着经济的发展和科技的进步，现代交通运输业飞速发展。近几年来我国对 公路基础设施特别是高速公路建设的力度逐年加大，投资额度持续增长。从全国 通车路程来看，其发展趋势为指数曲线。交通运输业的发展无疑对国民经济建设 起到了积极的推动作用，但是号称公路隐形杀手的营运车辆超载现象越来越严重 了。 国际上许多国家，公路车辆在运输货物时，普遍存在着超重现象，而且超重 车辆比例相当高。近年来，我国公路超重运输现象也十分普遍和严重，货运部门 通过改装车身、后桥和轮胎来大幅度提高货车的装载能力，使运输效率和经济效 益得到很大的提高，但是这带来一系列不利的影响。 使国家税费大量流失。目前，我国公路的养护费、管理赞、通行费都是按 车管部门核定的吨位来收的，超载就必然导致这部分费用的流失。 加速损坏公路路面，增加公路养护成本。公路的设计施工都有一定的轴载 标准，营运车辆超载加速路面的损坏，缩短了公路桥粱的使用寿命。由于超载货 车负荷量超过公路、桥梁的承载能力，致使公路路面过早出现严重车辙、拥包、 坑槽、翻浆和龟裂等，大大降低道路桥梁使用寿命。研究表明，目前的超载运输 状况使路面使用年限缩短4 0 左右。据统计每年因车辆超载而额外支出公路养护 费用多达上百亿元的资金，造成国民经济的大量浪费。 造成交通事故频繁发生。车辆超载后其平稳性、操纵性、制动性等安全系 数都会大幅度地下降，带来的后果就是交通事故率的大幅度上升，严重威胁着入 的生命和财产安全。每年的交通事故中，由于车辆超载而引起的约占4 5 左右， 直接经济损失达数十亿元。 以太旧高速公路为例田1 ，从1 9 9 9 年2 0 0 1 年的事故统计来看，有9 0 以上 的交通事故是货车引起的，其中由于超限车辆引起的交通事故就占了8 0 。 严重的环境污染。由于车辆超载，发动机超负荷运转，排出的浓烟和噪声 是正常情况下韵几倍，对自然和社会环境的危害是显而易见的。 加速车辆的损坏。由于超载而严重损坏车辆机件，缩短了车辆二级维护的 周期，加快了车辆报废速度，造成资源浪费。 以上情况促使公路交通部门了解当前公路上行驶车辆的车型组成、轴载谱和 超重程度，分析超重车辆对路面损坏的影响程度，以便估算公路交通部门需为此 武汉理工大学硕士学位论文 增加的建设投资，并制定相应的管理措施和管理法规，为公路运营部门按车重收 费提供有效的技术手段口。 同时提高动态称重的精度，降低称重系统的成本仍是一个未能解决的问题。 国内外一直都在探索一种全新型的动态称重方案。如何设计出速度快、抗干扰能 力强、准确度高的新型动态称重，对交通部门有效地实施超限管理，保证行车安 全、延长公路的使用寿命、降低公路养护的成本、减少环境污染等方向有着显著 的社会效益和经济效益。 1 2 动态称型1 0 】 动态称重是测量行驶车辆的动态轮胎受力并计算相应的静态车辆重量的过 程；一个公路动态称重系统是一套传感器和支持仪器，用来测量在特定地点和特 定时间辆行驶车辆的出现及其动态轮胎受力，计算车辆的重量、车速、轴距、 车辆类型以及有关车辆的其它参数并且处理显示和存储这些信息。其主要特点是 节省时间，效率高，使得称重时不至于造成对正常交通的干扰。这对公路建设与 管理有着极为重要的意义，同时对车辆运输现代化管理也有较大的促进作用。 动态称重时，车辆以一定速度通过传感器，不仅轮胎对平台的作用时间很短， 而且作用在平台上的力除真实轴重外，还有许多因素产生的干扰力，如：车速、 加速度、轮胎驱动力等。这些给动态称重实现高精度测量造成很大困难。因此， 在外面随机不确定的干扰力作用下如何准确测量真实重量。就造成了动态称重系 统的技术难点和关键。 1 3 国内外研究的现状 6 0 年代末7 0 年代初，国外开始研究高速公路动态车辆称重系统以防止车辆 超载对路面造成的损坏，我国则起步较晚，开始于8 0 年代初期【1 1 】，表 - 1 列出 了国外一些主要国家( 美国、德国、英国、法国等) 在动态称重系统方面的研究 状况。 武汉理工大学硕士学位论文 表1 - 1 国外主要国家在动态称重系统的研究 时间国家 动态称重的研究发展 1 9 5 8美国开始了为期1 6 年的动态称重的研究 1 9 6 8 南非获取了第一个电容式动态称重传感器专利。西德的P A T 公 司也在这一年开始了平板式动态车辆称重器的研究。 1 9 7 4美国首次在车辆载荷研究中使用动态称重系统：同年，法国取 得了一项电缆动态车辆称重器的专利，即V i b r a c o a x 。 1 9 8 2 美国和英美国的S t r e e t r e 、英国的G o l d e n R i v e r 公司在南非专利基础 国 上采用先进电子技术，使性能大大提高。 1 9 8 3 法国V i b r a c o a x 动态称重系统首次在法国投入使用， 1 9 8 3 美国P V D F 压电材料用作动态称重的研究在美国开始。这一年9 月，美国联邦公路管理部署提议研究“低成本动态车辆称 重系统” 1 9 8 4美国 美国3 6 个州安装了动态称重系统。 1 9 8 5 美国 “低成本动态称重系统”在现场投入运行并提交美国联邦 公路部署推广使用 1 9 8 8 英国研制了一种性能优于V i b r a c o a x 的新型称重压电传感器 V i b e t e k 5 1 9 9 0西德在美国举行的“国际交通数据采集技术会议”上，西德P A T 的平板式传感器性能较理想。同时展示数种低成本的动态 称重系统，它们主要基于压电缆、压电膜和电容传感技术。 在安装条件很好的情况下，能使统计平均误差控制在1 5 左右。 【1 9 9 1 英国V i b e t e k 5 该型为V i b e t e k 2 0 1 9 9 4 德国在中国举行的“国际交通自动化技术会议”上，德国展示 了采用平板式传感器的S A W l 0 0 动态称重系统及其在自动 收费站的应用。 我国高等级公路的发展较国外晚，但超载现象特别严重，尤其是矿产资源富 有地区。为此，1 9 8 7 年国务院颁布了中华人民共和国公路管理条例、1 9 8 8 年交通部颁布了中华人民共和国公路管理实施细则，2 0 0 0 年交通部再次颁布 了超限运输车辆行驶公路管理规定。 我国于2 0 世纪8 0 年代出现了带基坑和无基坑两种电子汽车衡【1 Z l ，1 9 9 4 年一 种动、静态两用电子轨道衡I l 在太原钢铁公司通过了鉴定，该产品集动态和静 态轨道衡的优点于一身，较好地解决了检测精度与汽车通过时速度之间的矛盾。 武汉理工大学硕士学位论文 作为国家“八五”重点科技项目，交通部重庆公路科学研究所F 1 研制了一种固 定式动态汽车称重系统，该系统轴重误差小于1 0 ，置信度为9 5 。1 9 9 9 年， 德国P A T 载荷监控产品丌始进入中国市场。云南航天新技术工程有限公司引进 其技术并于1 9 9 9 年8 月获得了国家技术监督局的计量器具型式批准证书。 目前，国内动态称重系统的研究由于缺乏对影响汽车动态称重的干扰因素作 系统分析，未对检测信号作深层次的处理，为了提高检测精度，往往要求信号在 经过一定时间衰减并达到稳定后开始测量，使得这类产品往往需要较长的受荷板 或受制于较低的汽车通过速度，检测精度也不高，一般平均误差从4 - 5 4 - 3 0 不等，相应的置信度为9 0 或9 5 。因此检测精度和汽车通过速度的问题一直 未能在实际中得到很好地解决。 1 4 本课题研究的内容 综上所述，现行的动态称重系统经过几十年的研究，仍没有取得令人满意 的进展。分析原因，可以发现以往的研究存在着以下不足： 对车辆的动态称重时的干扰因素缺乏完整的分析，以往的研究主要致力 于结构的改进、传感器的设计等硬件方面，使其动态性能得以改善；但称重精度 没有得到相应的回报。 缺乏对动态称重系统设计理论的研究，至今动态称重系统设计仍沿用静 态称重设计方法。 没有一个确定的公式、函数或依据来计算动态车辆的重量。 本课题研究主要从称重精度方面着手。通过对动态称重时的干扰因素分析来 提高称重精度。鉴于影响动态称重的干扰因素很多，而且这些因素之间不存在确 切的函数关系。用传统的数学方法很难分析这些干扰因素之间的关系。而人工神 经网络在处理非线性的、复杂的问题方面有其独特的优势。 人工神经网络中的B P 网络结构简单，可塑性强，具有良好的自适应、自学 习、极强的非线性逼近、大规模并行处理和容错能力等特点。而误差逆向传播学 习法( 简称B P 算法) ，其算法数学意义明确、步骤分明，是神经网络中最为常 用、最有效、最活跃的一种方法。主要特点有：神经网络具有过滤及在有噪声 的情况下得出正确结论的能力。训练过的神经网络能存储有关过程的知识，能 直接从定量的，历史故障中学习。尽管B P 神经网络具有很多显著的特点，但是 也存在着固有的缺陷；易陷入局部极小不具有全局搜索的能力网络训 练速度慢等。针对以上问题，不少专家提出了相应的解决方案，比如粱曼君等人 提出了在训练过程中加入动量项法，以提高B P 算法的收敛速度。还有通过融合 其它优化技术。 4 武汉理工大学硕士学位论文 本文介绍了一个动态称重系统的开发过程。第二章分析了系统的结构，大致 分为两个部分：数据采集和数据处理。简单介绍了数据采集和数据处理的过程。 第j 章介绍了硬件电路的设计。阐述了硬件电路设计的原则，单片机的选用原则。 本系统采用A D u C 8 1 2 单片机，对A D u C 8 1 2 单片机进行了介绍，详细介绍了 A D u C 8 1 2 单片机的软件设计流程。筇四章介绍了人工神经网终，为了提高称重 精度，本文花了大篇幅介绍了神经网络的发展和特点。重点介绍了B P 网络的基 本思想、计算过程、执行步骤、存在的问题以及针对存在的问题提出改进方法， 最后进行了性能分析。第五章介绍了P C 机上软件的设计，大致分为四个模块： 串口通信、数据处理、数据管理和系统显示。本系统前台采用V i s u a lc + + 6 0 ， 后台采用S O L S e r v e r 2 0 0 0 。第六章对本系统进行了总结和展望。 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 系统概述 第二章系统简介 本系统是将计算机和单片机应用于汽车的动态称重系统中，它们在系统中占 据核心的位置。本系统是一个既能获取称重的数据，实现对数据的采集、处理以 及管理，又可以为用户提供一个高效的、多功能的自动称重系统。 该自动称重系统的运行流程( 即功能) 是这样的：采集高速公路上的车辆的 信息( 包括：速度、加速度、车型号、总轴距等等) ，通过单片机转换为数字信 号，然后通过串口传到计算机上，经过神经网络的处理最后保存到数据库，并 可以显示在屏幕上以及可以以报表的形式打印出来。根据系统的功能可以将系统 大致分为三个模块：第一个是硬件电路模块即数据信号的采集；第二个是单片机 上数据的信号转换；第三个是计算机上的软件设计模块。第一、第二个模块属于 以单片机为主的硬件设计模块，因此第一和第二个模块都属于数据的采集系统， 完成数据的获取功能。为第三个数据处理模块服务。因此主要分为两大部分：数 据的采集和数据的处理。该系统的功能结构图如图2 - 1 所示： 图2 - 1 系统功能图 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 数据采集系统 数据采集是指将速度、加速度、压力等模拟量采集、经过处理后转换成数字 信号，并送入计算机进行存储、处理和输出结果的过程。由此可见，数据采集系 统的任务就是将传感器输出的模拟信号经过单片机转换成数字信号，然后送入计 算机或其它设备进行处理。典型的数据采集系统的框图如图2 2 所示： r 厂j 多 ；蒌H 繁p 计 路：m 睦JP | 开 。一。一 雪掌 关 i 1 定时与控制逻辑K ：二= 机 图2 - 2 数据采集框图 模拟信号处理，主要涉及到改善传感器输出的模拟信号的质量而采用的一系 列措施，如放大、滤波、函数拟合、非线性补偿、信号的压缩与展开等。模拟信 号处理后，需要将模拟信号转化成数字量以便于计算机系统作进一步的处理、分 析和存储等。 数据采集的结果直接影响到的数据处理的效果。因此数据采集应保证所采集 数据的准确性和实时性。这也是本系统的一个关键之处。为了使系统稳定、高 效地运行，系统采用A D u C 8 1 2 单片机的大容量数据采集系统来实现数据的采集。 2 3P C 机软件系统 该模块是整个课题设计的重心部分，它可以完成多种功能，如：串口数据的 读取、数据的处理、数据库记录的添加、删除、查询等，它还可以对数据库中的 记录进行访问、统计、并能以报表的形式打印出来。在该模块设计中，数据库部 分占有极其重要的地位，它不仅影响整个系统的实现方法和运行效率，还关系到 数据的安全性、完整性和一致性。 该部分也采用模块化设计，根据程序的功能可以分为：数据的存取、数据的 武汉理工大学硕士学位论文 处理、数据的显示和打印等模块。 2 3 1 数据的存取 数据存取是P c 机通过通信协议从串口读取数据，所读取的数据经过神经网 络技术处理后存储到数据库中。由于单片机发送数据和P c 机读取数据的速度与 神经网络处理数据的速度不匹配，为了防止数据的丢失、保证数据的完整性和一 致性，该系统在接收数据和处理数据之间建立一个“虚拟中间站”，即建立一个 数据缓冲区，读取的数据先送往缓冲区里边，数据处理模块不停的从缓冲区取数 据进行处理。 通信协议：由P c 机承担主控任务，单片机接受P c 机指令，并根据指令信息 发送数据。通信协议如下： 采用R s 一2 3 2 串口异步通信【“，1 位起始位，8 位数据位，l 位停止位，无 奇偶校验，波特率9 6 0 0 b s 。传输数据采用二进制模式。 m _ c t r l C o m m S e t l n p u t P o r t ( 1 ) ：选择C O M I m _ c t r l C o m m S e t t i n g s ( “9 6 0 0 ，1 3 ，8 ，l ”) ： m _ c t r C o m m S e t I n p u t M o d e ( 1 ) ： 输入方式为二进制方式 数据缓冲区：建立一个队列数组，数组的个体为一个含有速度，加速度，压 力等数据元素的结构体。 数据存取流程：初始化串口，建立读数据的线程，如果有数据，产生中断， 读取数据，放到缓冲区，建立处理数据线程，处理数据，存入数据库 数据存取流程图如图2 - 3 所示： 2 3 2 数据处理 图2 - 3 数据存取流程图 由于影响动态称重的因素复杂多样，以及各因素之问存在复杂的非线性关 武汉理工大学硕士学位论文 系，不存在确定的函数关系。因此确定的数学方法已经无能为力了，而B P 神经 网络技术为处理非线性的、模糊的等没有确定函数关系的问题提供了强有力的工 具，因此本系统采用B P 神经网络技术来进行数据处理。 B P 神经网络是基于数据的统计学模型，它可以看作一个输入和输出之间高 度的非线性映射。但是由于B P 网络存在固有的缺陷，网络的初始权值是随机生 成的【2 J ；易陷入局部极小，网络训练速度慢等等。因此本系统采用了改进的B P 神经网络技术。 2 3 3 数据的显示和打印 一个友好的用户界面，有助于提高工作效率，促进人机更好的交互。本系统 为了使用户更直观、方便的了解车辆的信息，给出了人性化的数据显示方式和报 表打印方式。 数据按照用户的使用习惯，按照日期时间的倒序进行排列，以列表的形式详 细列出车辆的信息( 时间、车型、速度、加速度等) 。具有添加、删除、修改功 能、查询和统计( J V 同的用户权限不同，使用的功能不同) 。 报表打印按照用户的需要进行设计，使用户更直观、方便查看所想查看的结 果。 P C 机软件系统是整个称重系统的关键部分。它以直观的形式把车辆的信息 显示给用户。该部分是用户做出结论的最直接、最直观、最方便的依据，因此它 在整个系统的设计中处于核心的地位。 2 4 本章小结 计。 本章主要完成以下工作 从硬件和软件方面将系统分为两个部分：数据采集和数据处理。 简单介绍了硬件电路的设计。 从数据存取、数据处理和数据显示三个部分简单介绍了P C 机上的软件设 9 武汉理工大学硕士学位论文 第三章硬件电路的设计 3 1 硬件电路设计原则 该硬件电路系统实际上就是一个数据采集系统，任务是把由传感器输出的3 2 0 m A 的电流信号转换来的o 5 v 的电压信号传送给模数转换器，然后单片机将 该模拟信号转换为O O H F F H 的数字信号，当其转换结束时通过串口发送给P c 机进行处理和保存。 为了使硬件电路设计趋向合理，借鉴别人的成功经验，系统的电路设计着重 考虑到以下几个方面： 尽可能选择典型电路，并符合单片机的常规用法，以提高设计的成功率。 为硬件系统的标准化、模块化打下良好的基础； 尽量选用功能强、集成度高的芯片。 系统扩展与外围设各的配置水平应充分满足应用系统的功能要求，并留 有适当余地，以便进行二次开发。 硬件结构应结合应用软件方案一起考虑。硬件结构与软件方案会产生相 互影响，考虑的原则是：软件能实现的功能尽可能由软件来实现，以简化硬件结 构。但必须注意，由软件实现的硬件功能，其响应时间要比直接用硬件实现来得 长，而且占用C P U 的时间，应当充分考虑两者速度匹配的问题。 在电路设计时，充分考虑应用系统各部分的驱动能力。不同的电路有不 同的驱动能力，对后级系统的输入阻抗要求也不一样，实验表明，如果阻抗匹配 不当，系统的驱动能力不够，将导致系统工作不可靠甚至无法工作。而且这种不 可靠很难通过一般的测试手段来确定。因此，在电路设计时，注意增加系统的驱 动能力和减少系统的功耗。 可靠性及抗干扰设计是硬件系统设计不可缺少的一部分，它包括芯片、 器件选择、印刷电路板布线、通道隔离等等。 3 2 单片机的选择 3 2 1 选用原则 在项目开发的初期，必须做出单片机的最初选择。使用的硬件平台对后期的 软件和硬件设计决策有很大的影响。单片机的选择主要考虑以下几个问题【2 l ： 武汉理工大学硕上学位论文 所选的单片机的性能能否满足所需完成的任务的需要； 所选的单片机是否有足够的片内存储器来存储需要的数据和代码，如果不 够，那么革片机是否允许使用适当的外部存储器； 所选的单片机是否有适当的片内模块( 例如，C A N 接口、P W M 接口) 来支 持所需的任务； 所选的单片机是否有足够的端口引脚f 或合适的串行接口) 来满足连接外 部元件f 诸如键盘、L C D 显示) 的所有要求； 所选的单片机的功耗是否合适 在当今的单片机市场，种类繁多，功能齐各的单片机层出不穷。各种单片机 都有其独有的特点，至于具体选择哪种单片机型号，则要遵循工程应用的实际需 要和经济性。 3 2 2A D u C 8 1 2 介绍 根据工程实际的需要，本系统采用具有A D 转换功能的A D u C _ 8 1 2 单片机 其结构功能图如图3 - 1 所示f 3 j 1 4 j ： 图3 一IA B u C 8 1 2 单片机功能图 A D u C 8 1 2 单片机是一种新型的高度集成的高精度1 2 位数据采集系统。在其片 内，不仅包含了可重新编程的非易失性闪速电擦除程序存储器的高性能8 位( 与 8 0 5 1 兼容) M C U ，还包含了高性能的自校准多通道( 8 个输入通道) A D C ，两个1 2 位D A C 。h d u C 8 1 2 微控制器内核与8 0 5 1 指令集兼容，具有9 个中断源( 2 个优先 级) 。片内还集成了8 K 字节的闪速电擦除程序存储器、6 4 0 字节的闪速电擦除 数据存储器以及2 5 6 字节R A M 。 A D u C S l 2 具有以下特点“1 ： 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 具有高速( 2 0 0 k S P S ) 8 通道1 2 位高精度的A D C ，片内4 0 1 0 6 电压 基准，片内集成温度传感器。A D u C 8 1 2 单片机的A D C 有三种工作模式：用软件或 通过把转换信号加至外部引脚可以执行单步或连续转换模式；用定时器T 2 产生 A D 转换的触发信号执行单步或连续转换模式；配置A D C 工作在D M A 模式。在D M A 模式，A D C 连续采样并把采样结果自动写到预定的外部R A M 空间，而不需要来自 M C U 核的任何干预。这种模式可以实现2 0 0k S P S 高速A D 转换，D M A 模式尤其适 用于要求高速采样数据流的存储测试系统。 D P P 数据页指针可以访问最大为1 6 M B 的大容量外部数据存储器。A D u C 8 1 2 具有扩展6 4 k B 的程序存储器和1 6 M E 的数据存储器。图2 为扩展1 6 M B 数据存储 器的接口电路。P O 作为分时复用的地址数据总线，它先送出数据指针的低位字 节( D P L ) 作为低位地址，由A L E 锁存到低位地址锁存器，然后给出数据( 写操 作时) 或变为高阻态( 读操作时) ，由S R A M 把数据加载到数据总线。P 2 口在P 0 口送出数据指针的低位字节的同时，它送出数据指针页字节( D P P ) ，并由A L E 锁存到高位地址锁存器，然后给出数据指针的高位字节( D P H ) 作为中位地址。 当P 2 口没有外接锁存器时，D P P 被忽略，A D u C 8 1 2 同8 0 5 1 一样访问外部6 4 k B 数据存储器。 A D u C 8 1 2 可以工作在低电压、低功耗的省电模式。它可以在3 v 或5 V 电压 下工作，具有正常、空闲和掉电模式。通过软件可以控制芯片从正常模式切换到 空闲模式，也可以切换到掉电( 关闭) 模式。在空闲模式下，振荡器继续工作， 但不与芯片内核接通，芯片上外设可接收时钟信号并处于激活状态。在掉电模式， 振荡器停止工作t 所有片上外设被关闭，芯片在接收到硬件复位信号或重新上电 时，将从掉电模式恢复到正常工作模式。在掉电模式下，A D u C 8 1 2 消耗的总电流 约为5 u A 。 与以往的8 0 C 5 1 单片机不同，A D u C 8 1 2 具有独特的在线调试和下载功能，由 A D u C 8 1 2 的开发工具包( Q u i c k S t a r t ) 提供。也就是说，在用户系统保留A D u C 8 1 2 的情况下，通过开发系统与A D u C 8 1 2 的串口通信，可直接对用户系统进行调试， 并在调试完成后将已调试好的程序下载到A D u C 8 1 2 中。 3 2 3A D u C 8 1 2 应用中存在的问题及解决方法 虽然A D u C 8 1 2 具有上述各种优庭性能，但由于它是一种新型微控制器，与以 往的单片机相比，在用法上有许多不同之处。因此，在进行A D u C 8 1 2 系统开发应 用时，仍然有许多问题需要注意。以下是在应用A D u C 8 1 2 开发产品时应注意的问 题以及解决方法。 基准电压 武汉理工大学硕士学位论文 A D u C 8 1 2 内A D 转换器的2 5 V 基准电压既可由片内提供，也可由外部基准 经。引脚提供。若使用内部基准，则在K 。和c 。，引脚与A G N D 之间都应当连 接0 1 时电容以便去耦。这些去耦电容应放在紧靠和c 。引脚处。为了达到 规定的性能，该基准应当在2 3 V 和模拟电源A V D D 之间。 图3 2 示出了把片内基准用到转换器外时韵应用电路 图3 - 2 片内基准用到转换器外时的应用电路 由于片内基准高精度、低漂移且经工厂校准，并且当A D C 或D A C 使能时，在 ”t ”引脚会出现此基准电压。因此，在进行系统扩展时，我们选此电压作为分压 网络的基准电压。具体应用时在，引脚上加以缓冲并应在此引脚与A G N D 之间 连接0 1 u F 电容。 在实际应用中应当特别注意，内部，将保持掉电直到A D C 或D A C 外围设备 模块之一被它们各自的使能位停止为止。这种功能可以节省功耗，减少不必要的 开支。 P l 口的应用 在A D u C 8 1 2 中端口O 、2 和3 是双向端口，而端口1 只是输入端口。在A D u C S l 2 中P I 口的内部电路中包括了位锁存器和输入缓冲器，但没有输出驱动器因而 P 1 口只能被配置为数字输入或模拟输入，不能用于输出。 P 1 口管脚说明如表3 一l “1 当P 1 口用作模拟输入时，它对应于A D u C S ) 2 内8 通道模数转换的输入端口 A D C O A D C 7 。在实际使用中，只需1 个通道的A D C ，所以将剩余的P 1 口引 脚设置为数字输入。A D u C 8 1 2 与标准的8 0 5 1 单片机用作数字输入的通用Y O 口不 武汉理工大学硕士学位论文 同f 端口寄存器写1 时用作数字输入) 。因此，P 1 口用作数字输入时，在读引脚数 字信号之前，须将O 写至对应端口寄存器，然后再输入。系统在设计时，将用作 数字输入的P 1 口引脚接1 个1 呲Q 下拉电阻。 表3 - 1P 1 口管脚说明 符号类型功能 P 1 O P 7 0 输入端口1 仅为8 位输入端口。端口1 缺省为模拟输入端口， 为了把这些端口的任一个引脚配置为数字输入，应把0 写至端口值。端口1 引脚是多功能的。 A D C 0 A D C 7 输入8 个单端模拟输入。通过A D C C O N 2 S F R 进行通道选择 设出端口 T 2 ( P 1 0 ) 输入定时器2 数字输入。输入至定时器记数器2 。当被使能 时，对应于T 2 输入的1 至0 的跳变，计数器2 增量 T 2 E X ( P 1 1 ) 输入 数字输入。计数器2 C a p t u r e R e l o a d 捕获，重载触发并用 作计数器2 U p D o w n 控制输入 S S ( P 1 2 )S P I 接口的从属选择输入 模拟输入 与其它A D C 芯片相比，A D u C 8 1 2 的A D C 模块有一个缺点，就是A D C 正常工作的模拟输入范围为0 。实际应用时，如图3 - 3 所示： 图3 3 A D C 输入放大缓冲器的电源 为保证输入的模拟电压为正电压。A D C 的输入缓冲放大器采用O 5 v 的电源 工作，这样，可以保证A D C 的输入在A D o C 8 1 2 的A D 转换器的安全输入范围内。 一旦输入负的模拟电压，则会影响A D u C 8 1 2 正常工作，表现为A D C 的基准电 压( V R E F = + 2 5 V ) 消失和采样结果不正确，且若长时间输入负电压，将有可能损坏 芯片。因此，在实际应用中，若发现启动A D C 之后V R E F 端无电压，则应立即将 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 芯片复位，并检查模拟输入信号的值。 注意，A D C 的输入端有一个0 O I u F 的电容，这个电容是为了保证A D C 的转 换精度。 A D C 工作模式 通过设置A D u C 8 1 2 的A D C C O N l 和A D c c o N 2 两个寄存器，可使A D C 处于三种不 同的工作模式“3 单步转换模式； 连续转换模式； D M A 工作模式。 用软件或通过把转换信号加至外部引脚2 3 ( C O N V S T ) 可以启动单步或连续转 换模式，同时还可设置定时器2 的溢出位，用作A D C 转换起始触发脉冲输入。 D h I A 工作模式与其他两种工作模式有显著不同，若配置A D C 工作在D M A 工作 模式，则A D C 块将进行连续转换并把采样值捕获到外部R A M 空间，而不需要来自 M C U 核的任何干预。 值得注意的是，若工作于D t , I A 工作模式，在D ) a A 期问，单片机不继续代码的 执行。这样就不能在串口事务发生时进行及时处理，所以本论文所涉及的数据采 集系统中没有应用D M A 操作。 3 3 单片机的软件设计 目前，开发单片机应用系统大多使用的是汇编语言，其编写和测试工作比较 复杂，软件开发周期长，对编程人员要求也高。没有编程经验、不掌握调试技巧 就不能编出一个适用的程序。因此为了提高单片机应用系统的开发效率，同时减 轻编程人员的负担，采用高级语言编程是当今以及以后发展的趋势。 本系统采用c 语言编写，根据系统的功能，可以采用模块化结构，分为主程 序模块、A D 转换子模块、数据处理子模块及通信子模块四个部分。 开发流程为：在P c 上编程，编制主程序。设置系统的采样值，处理数据的 格式，完成逻辑运算和数据的计算功能。在编程环境上编制好程序，用计算机的 串口写入A D u C 8 1 2 ，调试程序，修改和完善程序，得到正确的结果。 单片机作为一个微型的逻辑运算单元，在按照程序运行前必须对系统的各个 寄存器和程序状态字以及工作频率进行总体设计，画出各个模块的程序流程图， 书写耦合性和内聚性好的程序。 武汉理工大学硕十学位论文 3 3 1 主程序模块 该模块功能是：完成全部的时序程序设计，从系统初始化，数据的采集处理 到与上位机的通信等等一系列的设计。其流程图如图3 - 4 3 3 2A D 转换模块 图3 - 4 主程序模块流程图 该模块的功能是：设置数据的采集频率，设置转换的格式，将采集到的数据 转换成单片机能识别的数字信号。其流程图如图3 5 武汉理工大学硕士学位论文 3 3 3 数据处理模块 设置A 加转换模块的采样 频率、精度 二- Z 一 传感器检测 一 l 对输入数据预处理【 J 采集、调整频率和幅值 图3 - S | D 模块转换流程图 该模块的功能是：对得到的信号进行存储、运算和输出。其流程图如图3 - 6 l 输入数据】 I 读状态存储器并判断b l l 1 调用延时1 送算术逻辑单元处理 J l j 用子程序完成逻辑运算 萑 输出锁存 图：3 - 6 数据处理模块流程图 3 3 4 通信模块 该模块完成了串行口的初始化和波特率的设置，并将数据传送给P C 机。其 流程图如图3 - 6 单片机与外部设备交换数据有两种方式：串行通信和并行通信旧。 1 7 武汉理工太学硕上学位论文 串行通信是指一条信息的各位数据被逐位按顺序传送的通信方式。串行通信 的特点是：数据位传送，按位顺序进行，最少只需一根传输线即可完成，成本低 但传送速度慢。串行通信的距离可以从几米到几千米。 并行通信是指一条信息的各位数据被同时传送的通信方式。并行通信的特点 是：各数据位同时传送，传送速度快、效率高，但有多少数据位就需多少根数据 线，因此传送成本高，且只使用于近距离( 相距数米) 的通信。 由于串行通信方式具有使用线路少、成本低、特别是在远程传输时，避免了 多条线路特性的不致而被广泛采用。在串行通信时，要求通信双方都采用一个 标准接口，是不同的设备可以方便地连接起来进行通信。当前流行的接口有： R S - 2 3 2 一C 和R S 一4 8 5 。 R S 一2 3 2 ：R S 一2 3 2 一C 是美国电子工业协会E I A ( E l e c t r o n i cI n d u s t r y A s s o c i a t i o n ) 制定的一种串行物理接口标准。R s 是英文“推荐标准”的缩写， 2 3 2 为标识号，c 表示修改次数。R S 一2 3 2 一c 总线标准设有2 5 条信号线，包括一 个主通道和一个辅助通道。在多数情况下主要使用主通道，对于一般双工通信， 仅需几条信号线就可实现，如一条发送线、一条接收线及一条地线。R S 一2 3 2 一C 标准规定的数据传输速率为每秒5 0 、7 5 、1 0 0 、1 5 0 、3 0 0 、6 0 0 、1 2 0 0 、2 4 0 0 、 4 8 0 0 、9 6 0 0 、1 9 2 0 0 波特。 R S 一2 3 2 一C 标准规定，驱动器允许有2 5 0 0 p F 的电容负载，通信距离将受此电 容限制，例如，采用1 5 0 p F m 的通信电缆时，最大通信距离为1 5 m ；若每米电缆 的电容量减小，通信距离可以增加。传输距离短的另一原因是R S 一2 3 2 属单端信 号传送，存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题，因此一般用于2 0 m 以内的通 信。 R S 一4 8 5 ：R S 一4 8 5 总线，在要求通信距离为几十米到上千米时，广泛采用 R s 一4 8 5 串行总线。R S 一4 8 5 采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的 能力。R s 一4 8 5 采用半双工工作方式，任何时候只能有一点处于发送状态，因此， 发送电路须由使能信号加以控制。 R S 一4 8 5 用于多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线。应用R S 一4 8 5 可以 联网构成分布式系统，其允许最多并联3 2 台驱动器和3 2 台接收器。 工业现场较近：直接用R S 2 3