（通信与信息系统专业论文）基于嵌入式操作系统的便携式数据记录仪的设计.pdf

摘要 本文设计的基于动物活动数据监测的记录仪，其目的在于检验新药品的药 效，为进一步的临床实验打下基础。在分析同类型产品的不足后，采用嵌入式 系统设计方法，设计出功能完善、体积灵巧的便携式记录仪。它具有存储容量 大、记录通道多、数据传输速率高等特点，同时还提供了多机通信接口、可视 化通信软件及断电故障检测等新功能。 在硬件设计上，采用了先抽象后具体的设计方法，将系统划分为多个功能 模块分别设计。同时运用了“以硬代软”的设计思想，通过选用功能强大的外 围芯片，完成大量由微控制器处理的事务，简化了系统的结构和软件设计。并 且在本记录仪的设计上，总结了以微控制器为主控芯片的应用系统的一般设计 原则。 本文的重点放在系统的软件设计上，在总结了前后台系统的不足之处后， 采用面向对象的设计思想，编写了一个非抢占式的实时多任务操作系统。它采 用了时间片轮转和信号驱动的任务调度思想，同时将实时性要求高的任务交由 中断完成。最后本文详细介绍了如何采用这个实时内核完成记录仪软件的设计 和p c 机上的通信软件的编写。 关键词：记录仪，微控制器，嵌入式系统，非抢占式，实时内核 a b s t r a c t t h er e c o r d i n ge q u i p m e n td e s i g n e di nt h ed i s s e r t a t i o ni s u s e dt o d e t e c ta n i m a la c t i v i t y t h ep u r p o s eo fi ti st ot e s tt h ee f f e c to fan e w m e d i c i n ea n d g e t a g o o dr e a d y f o rc l i n i ce x p e r i m e n t a f t e r a n a l y z i n g t h e d i s a d v a n t a g e so f p a r a l l e lp r o d u c t s ，w ee m p l o y t h em e t h o d si ne m b e d d e d s y s t e md e s i g na n dd e v e l o pam u l t i f u n c t i o n ，s m a l la n dp o c k e dr e c o d i n g e q u i p m e n t i t h a sh u g em e m o r y c a p a b i l i t y ，m a n yr e c o d i n gc h a n n e l sa n d f a s tc o m m u n i c a t i o nr a t e i ta l s op r o v i d es o m en e wf u n c t i o n ，s u c ha s i n t e r f a c ef o r m u l t i p o i n tc o m m u n i c a t i o n ，v i s u a lc o m m u n i c a t i o n s s o f t w a r e i na d d i t i o n ，i tc a n i n s p e c t t h ef a u l tc a u s e d b ys u p p l yv o l t a g el o s e f o rh a r d w a r e d e s i g n ，w e d e v i s et h ew h o l es y s t e mi n t o m a n y s u b - m o d u l ea n du s em a n ym u l t i - - f u n c t i o ne x t e r n a lc h i p st oi m p l e m e n t t h ed e s i g no fe a c hs u b m o d u l e b a s e do nt h ed e s i g no ft h er e c o d i n g e q u i p m e n t ，w es u m m a r i z et h e u n i v e r s a ld e s i g nr u l e si nm o s ts y s t e m w h i c hu s et h em i c r o c o n t r o l l e rt oc o n t r o ls y s t e mo p e r a t i o n t h ed i s s e r t a t i o n e m p h a s i z e d o nt h ed e s i g no fs y s t e ms o f t w a r e f o l l o w i n ga n a l y z i n gt h es h o r t a g e o ft h ef o r e g r o u n da n db a c k g r o u n d s y s t e m ，w e w r i t ea n o n - p r e e m p t i v e m u l t i t a s kr e a lt i m e o p e r a t i o n s y s t e ma n d u s ei ti m p l e m e n tt h ed e s i g no f s y s t e ms o f t w a r ei nr e c o d i n g e q u i p m e n t a l s o ，w ep r o g r a mc o m m u n i c a t i o n s s o f t w a r eu s e di nt h e c o m p u t e r k e yw o r d s ：r e c o r d i n ge q u i p m e n t ，m i c r o c o n t r o l l e r ，e m b e d d e d s y s t e m s ，n o n - p r e e m p t i v e ，r e a l t i m ek e r n e l h 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， 也不包含为获得电子科技大学或其它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。 签名：速蕉日期：。千gs s 射7 s 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、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。本人授权电子科技大学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应遵守此规定) 签名：越导师签名：4 垒兰笙堑 日期： d 午年歹月门日 电子科技太学硕士学位论文 1 i 数据的记录和存储 第一章引言 在漫长的人类发展历史中，人类的发展进步总是随着对大自然，对外部事 物的逐步认识而产生的。从远古人类结绳计事，到今天人类通过智能机器人登 陆火星来采集火星的各项环境数据并发回地球来完成对火星的探测。对外界数 据的记录和存储一直是人类了解世界，认识世界的一个重要手段。 随着人类的进步，社会的发展，对外界数据记录和存储的手段也在不断地 更新。在原始社会中，人们通过打绳结的方式表示对物品或事件的计数，一个 绳结就表示一个物品或一件事，在这里，存储的介质是绳子，而采用的记录手 段是通过人的观察；到了封建社会，存储的介质也不断的变化，从笨重的竹简 到轻便的纸，但是记录事物的手段还是靠人的观察；到了工业化大生产时代， 随着工业技术的发展，出现了一些专门用于数据记录和存储的的仪器，但是这 些专用的仪器，一般都是手动的，在从事实验研究时，需要人的日夜守护和操 作，同时对记录结果的分析也要依靠研究人员，记录和存储方式也主要是依靠 人的观察；到了2 0 世纪，随着电子技术的飞速发展，p c 机的出现，标志着人 类进入了电子信息时代，随着大量新技术的出现，数据的记录和存储也出现了 质的飞跃，它的处理过程变得自动化、智能化，数据的记录和存储都不用人工 完成，采集到的数据也可以上传到p c 机上处理，研究人员需要作的事情仅仅 是按几个按钮。这里，数据的记录和存储都是通过智能芯片的控制，而采集数 据的分析和处理是通过p c 机来完成。 而今，在2 1 世纪的今天，数据的记录和储存又赋予了更新的使命，它与人 们的生产和生活息息相关，发挥着更加巨大的作用，大量新技术新应用的出现 都是经过大量的试验，通过对外界事物的分析和研究得出的。例如；在杂交水 稻的研制中就是通过对大量的水稻样本进行常年累月的观测和分析，才能发现 一种好的杂交水稻品种。在当今的电子信息时代，数据的记录和存储的过程实 际上就是通过传感器对外部的信号如：水的流量，汽车车轮的转速，人说话的 声音等等进行信号的变换，把这些信号变换为电子元件能够识别的电信号，转 换后的信号先经过信号的调理，再通过模数转换，把电信号变为数字信号，然 后存储在f l a s h 芯片、硬盘等存储介质上。更进一步的处理是对记录的数据 进行分析，并把数据上传到p c 机上。另外还有一些人机接口界面，如提供键 盘给用户输入相关的命令，提供l e d 或液晶显示来实时地反映当前的记录情 一一 皇王型垫查堂堕圭堂堡丝苎 况。同时还有相关的输出接口，以便在发现记录数据出现错误时，提示用户来 采取相应的措施。下面就是一个典型的数据记录和存储仪器的基本结构： 1 i 数据记录和存储仪器的结构示意图 1 2 国内外数据记录和存储仪器的发展情况 随着微电子集成技术、微计算机技术、数字技术的飞速发展，数据记录和 存储仪器的研究与开发也有了更快的发展，备大公司( 如h p 、t e k 等) 相继 投入巨资研究、开发该类仪器，以图率先占领此技术领域。 现在的数据记录和存储仪器早已今非昔比，它已经不再是低速的，通过电 机驱动纸产生曲线的记录仪或采用热记录仪及光束电流计的中速记录仪，而是 带有各种显示器的高速数据采集和存储的记录仪。电子记录和读出是其最新和 最流行的特性。目前的发展趋势是向能采集、调整、记录、显示、检测、分析 和打印数据的记录仪发展，同时由于便携性的考虑，要求它又必须是体积小、 重量轻、功耗低的，最好是能够采用电池供电。以下就是几个主要的发展方向： 1 采用数字信号处理芯片，用户在采集大量数据的同时，能够及时处理， 以减少存储的容量。 2 通信接口采用标准的总线接口，逐步放弃原有的慢速总线如r s 2 3 2 和 i e e e 4 8 8 ，而采用具有w e b 接入的以太网，甚至无线接入，并且能够灵活地采 用多机通信，把各个记录仪采集的数据都上传到p c 机上处理。例如， h i t e c h n i q u e 公司的b u s d a q 数据记录仪可以采集j 1 9 3 9 、d e v i c e n e t 或其他控制 器区域网络总线的数据，并经过i n t e r n e t 将数据传送到p c 。 电子科技大学硕士学位论文 3 采用大容量的存储介质，并要求存储的数据在掉电以后不消失，大多数 的存储介质都采用了f l a s h 芯片和磁盘。例如，b o u l d e r 仪器公司的s t r e a m s t o r 记录仪采用了两个1 6 i d e 磁盘，能以1 0 0 m b s 的速率传输信息，存储容量达 1 2 0 0 g b 。 近十年来，国内数据记录和存储仪器的研究及发展也取得了相当的成果， 但在实时数据采集速率，存储容量等性能指标方面离国外的水平还有相当大的 距离。由于国外数据记录和存储仪器的通用性，它们在一些具体的应用场合并 不能满足系统的要求，我们要单纯去和国外这些大公司竞争相关的技术指标是 不现实的，只有立足于国内现有的条件和设备在一些特定的应用领域去摸索和 尝试，积累理论和实践经验，来发展具有自主知识产权的数据记录和存储仪器， 逐步缩小与国外的差距。 1 3 本课题来源和所要解决的问题 在医疗药物的研究上，任何一种物质都可能对某些病菌具有杀伤作用，但 是到底是那些物质对哪些病菌所引起的疾病具有防治及治疗作用呢? 其效果又 如何呢? 这就需要分析该物质的特性，并经过无数次的试验才能确信其实际效 果和作用。般的药理试验都是采用动物做测试样品，在给动物服用该药物后， 然后观测动物的活动及反应情况，如动物的活动强度、活动频率、血压、体温、 兴奋状态、食欲、消化和排泄等情况。通过监测这些信号，可以判断动物服用 药物后的反应情况，进而推知某药物的药效如何。 在这样的试验过程中，如果采用人工的方式，需要记录大量的数据，并且 要求实验人员的日夜守护和操作，在完成试验后记录的数据也要人工处理，工 作量非常的大。因此就需要一种实验仪器，能够自动地记录在实验过程中的各 项实验数据，并且对存储的数据能自动地分析。而目前在我们国内也有可以自 动检测动物活动的记录仪，但它又有以下几个缺点： 1 、计数通道较少，每次只能测量- - n 两路信号，而在实际的药理实验中往 往需要一次进行多个动物药理反映的监测。 2 、数据存储容量较小，只能进行几天的监测，而实际的监测往往需要一个 长期的时间：一般都是一个月。 3 、数据上传的速度较慢。 4 、在仪器出现掉电等故障时无法判断，使错误的数据影响实验结果，造成 对药物的性能不能得到准确的分析。 电子科技大学硕士学位论文 本课题，即便携式数据记录仪的设计，来源于同成都中医药大学合作的项 目。目的是研制一种高性能的专门用于动物活动检测的数据记录仪，能够完成 在新药研制中的药理试验。本文设计的便携式动物活动监测仪，采用l e d 显示、 功能齐全、体积小、重量轻、携带和使用都十分方便，是数据记录仪领域里一 类新型仪器。它具有极高的技术含量、很强的实用性和巨大的市场潜力，也代 表了数据记录仪的一种发展趋势，即向功能多、体积小、重量轻、使用方便的 便携式仪器的方向发展。 本文设计的监测动物活动的数据记录仪具有以下的特点： 1 、数据存储量大，对动物活动数据的记录可达一个月，并且采用不掉电 的f l a s h 芯片，保证记录的数据在掉电后不消失。 2 、记录通道多，可以同时记录8 路数据，每路可以单独启动，也可以同时 启动。提供了灵活多变的数据采集时间间隔，时间间隔可以从1 到9 9 分钟随意设置。 3 、增加了系统掉电保护，对于中途停电时记录的错误数据可以剔除，保证 记录数据的正确性。 4 、提高了记录数据的传输速率，提供了p c 机上的通信软件，通信速率为 5 7 6 0 0 b i t s ，并且采用r s 4 8 5 总线，将多台记录仪组成一个小网络来和 p c 机进行信息的交换。 1 4 本论文的结构和各部分的内容 本论文主要分为四部分来论述基于嵌入式操作系统的便携式数据记录仪的 设计。第一部分主要讲系统的硬件设计，在介绍了本系统总体设计思想和各模 块的具体设计基础上，提出了微控制器系统中的一般设计原则；第二部分则主 要介绍嵌入式操作系统，在概述了嵌入式操作系统的发展和目前几种常见的嵌 入式操作系统的特点后，编写了一个基于时间片轮转和信号驱动的非抢占式多 任务实时操作系统，并采用该实时内核完成了数据记录仪的软件设计；第三部 分主要是介绍通信软件的编写，包括单片机端的下位机软件和p c 机端的上位 机软件。第四部分主要讲整个系统的测试，并详细讲述了整个系统设计过程中 遇到的问题和解决方法。 电子科技大学硕士学位论文 第二章数据记录仪的系统设计 本设计采用嵌入式系统设计方法，先根据本系统要实现的功能要求，对系 统进行功能的细化，分成若干功能模块，画出系统功能框图，再对功能模块进 行硬件和软件功能实现的分配。 硬件设计主要是根据性能参数要求对各功能模块所需要使用的元器件进行 选择和组合，其选择的基本原则就是市场上可以购买到的性价比最高的通用元 器件。必要时，须分别对各个没有把握的部分进行搭试、功能检验和性能测试， 从模块到系统找到相对优化的方案，画出电路原理图。硬件设计的关键一步就 是利用p r o t e l 等e d a 软件对系统的元器件进行布局和布线，接着是印制板j j n - r 、 装配和硬件调试。而软件设计则贯穿整个系统的设计过程，主要包括任务分析、 资源分配、模块划分、流程设计和细化、编码调试等，其主要的工作就集中在 程序的调试。 2 1 记录仪的系统设计 我们采用单片机为主控芯片，外围辅以其他功能强大的芯片来完成系统的 设计，其系统结构示意图如图2 1 所示： 图2 - - 1 记录仪系统结构 整个系统包括主控芯片、人机接口、时钟接口、数据存储、信号输入通道、 通信接口和电源及处理器监控部分等各部分。其中人机接口和时钟接口采用了 功能强大的专用芯片，大大减轻了系统硬件和软件的设计。 电子科技大学硕士学位论文 信号的输入通道主要是完成对动物活动信号的转换，把它变换为电信号， 再经过信号的整形后送入计数器进行计数。 主控芯片采用台湾华邦公司的w 7 8 e 5 1 6 ，该芯片采用5 1 内核，具有很强 的控制功能，拥有丰富的片内资源和输入输出端口，利用它作为主控单元，控 制整个系统的运作，它同时完成一些简单的数据处理功能。 人机接口采用专用的显示芯片z l g 7 2 8 9 ，该芯片功能强大，本身就具有相 应的控制功能，可以独立完成l e d 数码管的显示和键盘键值的读取，大大减 轻了对主控芯片的资源占用。 时钟接口采用专用的时钟芯片，为系统提供准确的时间，并提供后备电源 保证在系统断电的情况下时钟也能够正常工作。 存储芯片采用f l a s h 芯片，容量为2 5 6 k ，具有整片擦除、块擦除、字节编 程等功能，并且具有掉电后保存数据的特性。 通信接口采用r s 4 8 5 接口标准，这种通信接口标准在通信线上采用电平差 来传输数据，因此数据抗干扰能力强，传输的距离远，最大可达1 2 0 0 米，且通 信速率很大，可达1 0 0 k b s 。 电源模块提供系统需要的5 v 电源，监控模块则负责提供系统的复位信号 及监控电源电压的变化和微处理器的工作情况。 2 2 记录仪各模块的设计 本节将按照数据记录仪系统结构中各功能模块的划分，依次论述主控芯片、 人机接1 3 、时钟接口、数据存储、信号输入通道、通信接口和电源及处理器监 控部分等各个部分。在论述各个部分时，重点讲述各模块的实现方案，主控芯 片对各模块的控制和它们之间的通信机制。 2 2 1 主控芯片 主控芯片完成对整个系统的控制，统一协调各功能模块的运行，因此要求 它具有较强的控制能力、丰富的片内资源和较好的抗干扰能力。这里采用了台 湾华邦公司生产的w 7 8 e 5 1 6 ，该芯片自身有较强的抗干扰能力，采用全静态设 计，工作频率可达4 0 m h z ，且与标准的5 1 内核兼容，对于熟悉5 1 系列芯片的 人而言很容易上手。下面主要讲一讲这款芯片一些独特的地方【8 】： 电子科技大学硕士学位论文 1 具有i s p ( i ns y s t e mp r o g r a m m i n g ) 能力，同时片内有6 4 k b 的a p r o m 存储 应用程序和4 k b 的l d r o m 存储控制i s p 操作的程序。2 块存储器均为 m t p ，r o m ，可以进行多次编程。 2 5 1 2 字节的片内r a m ( 包括2 5 6 字节a u x r a m ，可由软件选择) ，它分 成2 个存储单元：2 5 6 字节高速暂存和2 5 6 字节辅助缓存。2 5 6 字节高速缓 存的使用方法和8 0 5 2 相同。而2 5 6 字节的辅助缓存实际上是把片外r a m 的第一页即0 0 h 单元到f f h 单元集成到了芯片的内部，它的访问是通过指 令m o v x 进行的，且在c h c o n 寄存器中的第4 位置位后，a u x r a m 才 有效。 2 2 ，2 人机接口 任何一个便携式设计的应用系统，通常都需要配置人机对话通道，以便于 用户对应用系统的状态干预、参数设置、特殊故障处理和应用系统向用户报告 其运行状态、计算结果、采集的数据等。本系统提供了键盘和l e d 数码管显示 作为输入和输出的人机接口。在传统的键盘和显示接口中，一般会占用微控制 器大量的i o 口线，同时在读键盘键值和显示更新时要占用大量的c p u 处理时 间。基于这种考虑，我们采用了一种“以硬代软”的思想，即采用功能强大的 专用芯片来完成键盘和显示的处理，不占用单片机的处理时间。通过对市场上 各种常见的键盘显示芯片分析比较，我们选择了周立功单片机公司生产的键盘 显示专用芯片z l g 7 2 8 9 b ，该芯片具有以下的特点【l o 】： 1 具有s p i 串行接口功能，可同时驱动8 位共阴式数码管或6 4 只独立l e d ，该 芯片同时还可连接多达6 4 键的键盘矩阵。 2 芯片内部含有译码器可直接接受b c d 码或1 6 进制码，并同时具有2 种译码方 式。此外还具有多种控制指令如消隐、闪烁、左移、右移、段寻址等。 3 ，无需外围元件可直接驱动l e d ，同时6 4 键键盘控制器内含去抖动电路。 由于该芯片功能非常强大，单片即可完成l e d 数码管显示和键盘接口的全部 功能，同时和m c u 的接口采用串行方式，只占用了单片机的4 根i o 口线。单片机 所作的工作就是按照串行接口的时序要求访问芯片的相关寄存器，进行初始化设 置、显示数据的送入和键盘数据的读出，就可以完成人机接口所需的全部功能。 这样不仅简化了系统的硬件设计，同时也减轻了主控芯片的负担。 尽管该芯片功能强大，操作也非常地方便，但实际使用中还要注意以下问题： 电子科技大学硕士学位论文 1 在读入键盘数据时，首先要发出读键盘数据的命令，然后才从口线上读取键 盘数据，而数据1 2 1 线只有一根，因此在读键盘数据时要涉及到个口线输入 输出状态切换的问题，即在发送读键盘数据命令时，数据口线处于输出状态， 在读取键盘数据时，数据口又必须切换到输入状态。对于w 7 8 e 5 1 6 而言，它 没有专门的口线输入输出状态切换寄存器，把口线置为输入态实际上是由指 令s e t bp x x 完成的。 2 数据传输采用s p i 接口方式，单片机向键盘显示芯片发送命令时是上升沿送 出数据，即先在数据线上送出数据后，然后在时钟线上形成上升沿；单片机 从键盘显示芯片中读取数据则是在高电平期间读，即先把时钟线拉高后，再 去数据线上读数，读数完成后再把时钟线拉低。 2 2 3 时钟接口 时钟接口一般作为应用系统的同步标志或时间标志，在我们设计的数据记 录仪中，时钟接口主要是提供数据记录的起始时间和提供每一分钟的定时中断 来形成应用系统中l 9 9 分钟的数据采集时间间隔。同时由于要求对系统掉电 故障能够判断并剔除不合理数据，则需要时钟接口能够在掉电时也能正常运行。 在传统的时钟接口设计时，常常采用单片机自带的定时器来完成。但是，当定 时时间较短时，则需要频繁的执行时钟中断程序并且占用了单片机的处理时间； 如果定时时间较长，则可能需要多个定时器，并占用单片机内部大量的r a m 空间。同时采用单片机内部的定时器作时钟基准时，时钟每次中断发生的时间 并不是固定的，因为单片机对中断的响应都需要一个相应的过程，因此会造成 时钟的时基不准。 基于上述的考虑，我们在设计过程中采用了美国x i c o r 公司生产的x 1 2 2 6 实时时钟芯片，它计时准确、体积小、功能强，且与单片机接口方便、性价比 高，主要具有以下特点【l 2 j ： 1 时钟精度高，可以准确地用秒、分、时、日、星期、月、年来显示时间和 日期，具有世纪字节，解决了两千年问题，自动实现闰年调整。在时钟不 准时，可以通过内部的模拟微调寄存器a t r 和数字微调寄存器d t r 来调 节时钟的精度，保证长时间稳定的走时。 2 具有2 路报警，可设置为按秒、分、时、日、月和星期任意组合的定时报 警，报警能够在状态寄存器被查询时提供一个周期性或一个特定时刻发生 的硬件中断( 1 e e 管脚) 。 电子科技大学硕士学位论文 3 采用i i c 总线与单片机接口，一次可传送多个字节的数据，数据传送的速 率为4 0 0 k h z 。 4 可以采用双电源供电，提供一个备用电源输入引脚( v b a c k ) ，接一电池 作为备用电源，可在主电源( v c c ) 失效时保证芯片正常工作和时钟的连 续运行。 x 1 2 2 6 采用i i c 总线方式同单片机通信，它的主要操作就是通过单片机模 拟出i i c 总线时序来访问其内部的时钟寄存器和报警控制寄存器来完成的初始 时钟的设置和报警中断的设置。下面将详细介绍i i c 总线通信和电源切换这两 部分的原理。 2 2 3 1| | c 总线通信 i i c 总线是p h i l i p s 公司开发的一种新的硬件接口，它只需要两根线，即一 根串行数据线( s d a ) 和一根串行时钟线( s c l ) 就可完成器件之间的通信。 同时由于i i c 总线是双向同步串行总线，其内部接口为双向传输电路，总线端 口的输出为开漏结构，故总线上必须有上拉电阻。这种开漏结构的总线接口， 容许在总线上挂接多个i i c 器件，每个器件都有唯一的地址，访问是可以通过 软件寻址来避免通信中的冲突。它的标准传输模式为1 0 0 k b p s ，在快速模式下 为4 0 0k b p s ，在高速模式下为3 4 m b p s 。 i i c 总线在通信时有严格的时序要求。在s d a 线上的数据只有当s c l 为低时 才能改变状态，当s c l 为高时改变s d a 状态被用于表示开始s t a r t 和停止s t o p 。 在总线上传送的每一帧数据均为一个字节。当启动i i c 总线后，传送的字节数没 有限制，只要求在每传送一个字节后，对方回应1 个应答位。在发送时，每次发 送的是数据的最高位。每次传送开始时有起始信号，结束时有停止信号。在总 线每传送完一个字节后，可以通过对时钟线的控制，使传送暂停。 在实际的设计中，x 1 2 2 6 和单片机w 7 8 e 5 1 6 采用i i c 总线通信，单片机向 总线发送命令和数据，作为主器件，而时钟芯片接收命令和数据，作为从器件。 由于单片机w 7 8 e 5 1 6 自身没有i i c 接口，因此采用了i o 口线模拟i i c 的时钟 线和数据线的方法，并在总线上加了5 k 1 的上拉电阻。x 1 2 2 6 的i i c 通信速率 为4 0 0 k b p s ，而单片机的时钟为l 1 , 0 5 9 2 m h z ，每条指令执行时间约为l u s ，在 模拟时钟时还要加入一些延时的指令。具体的通信操作有发送启动信号，发送 结束信号，发送应答信号，写操作和读操作，这些操作只要按照规定的时序和 芯片的操作要求，就可以很方便地完成对x 1 2 2 6 的设置和通信。需要注意的是 在整个i i c 总线通信中，当单片机向时钟芯片x 1 2 2 6 发送数据时，每发送一个 电子科技大学硕士学位论文 字节数据，都必须进行应答位的查询，如果没有查询到应答位，表示器件并没 有收到该字节数据，这时候必须重新开始整个写操作序列。当单片机从时钟芯 片中读取数据时，在每读取一字节数据后，单片机也必须发送应答位给时钟芯 片查询，以表示单片机已经正确收到该字节数据。 2 2 3 2 电源切换 在基于动物活动监测的数据记录仪中，掉电保护是一个很重要的功能，通 过它可以解决掉电对记录数据造成的影响，剔除错误数据，保证记录数据的正 确性。而这个功能在硬件上正是基于实时时钟芯片的电源切换功能。x 1 2 2 6 具 有两个电源引脚：v c c 主电源引脚和v b a c k 备用电源引脚，在芯片内部两个 电源引脚实际上是接到一个比较器的两个输入端，电源控制电路在v c c ( v b a c k - 0 2 v ) 时采用v b a c k 驱动时钟芯片，当v c c 超过v b a c k 时切换回 v c c 给器件供电。在硬件的实际设计中我们采用了可充电的n i c d 电池作为时 钟芯片的备用电源。具体的电路如图2 2 所示。从图中我们可以看出；当系统 的电源电压正常时，由系统电源供电，并对备用电池通过二极管和电阻进行充 电，当系统电源掉电时，电源控制电路就把备用电池作为电源来驱动时钟，从 而保证了时钟在掉电的情况下也能正常工作，进而保证系统的时间正常。 2 2 4 数据存储 数据存储一直是数据记录仪中一个很重要的部分。它不仅要求提供大容量、 高速率的数据存取，还要保证数据的安全性和可靠性，同时在发生掉电故障的 情况下数据不会丢失。而综合各种半导体存储器件考虑，f l a s h 芯片的字节写 入速度一般为几十个s ，明显高于e 2 p r o m 型存储器，同时价格又远低于同容 量的非易失性静态存储器( n v s r a m ) ，芯片读写速度满足绝大多数场合，是 一种性价比很高的存储器。因此我们选取了s s t 公司生产的f l a s h 存储芯片 s s t 3 9 s f 0 2 0 ，它具有容量大、数据写入和读取时间短、完善的片内数据保护机 制也及支持字节写入、扇区擦除等多种操作的特点，下面就是该款芯片的主要 特性 9 】： 1 按2 5 6 k 8b i t 结构组织，非常适合应用于8 位单片机系统中。 2 单一+ 5v 供电下的读写操作，不需要提供额外的编程电压。 3 具有字节写入、扇区擦除和整片擦除的能力，同时写入和擦除的时间很快。 扇区擦除以4k b 空间为基本擦除单位，擦除时间为1 8m s ，芯片檫除时间 为7 0m s ，字节擦除时间为1 4 p , s ，芯片整体重新写入时间为2 s 。 电子科技大学硕士学位论文 u 6x 1 2 0 3 图2 2 实时时钟的电池切换电路 f l a s h 存储芯片s s t 3 9 s f 0 2 0 的地址数据线相互分离，采用总线方式和单片 机相连，同时数据传输采用8 位并行传输的方式，数据访问快。由于芯片片内 集成了数据和地址锁存功能，因此不用外扩锁存器。s s t 3 9 s f 0 2 0 作为一种闪 速型的存储器，在硬件电路设计中，其连接关系与通常所用的s r a m 或e 2 p r o m 相同，只要读写信号和片选信号配合正确，一般不会出现时序方面的问题。它 对数据的存储是在芯片选通的基础上，通过发送相应的操作命令来完成的。需 要注意的有以下几个问题： ( 1 ) 由于s s t 3 9 s f 0 2 0 的寻址范围为2 5 6k 1 3 ，而8 位单片机直接寻址空 间大多是6 4k b ，因此可以将s s t 3 9 s f 0 2 0 的地址空间划分为6 4 x 4k b 或3 2 8 k b ，连接时将低位地址线与单片机的相应地址线直接相连，高位地址线由单片 机的其他端口直接或通过译码电路控制。这样的硬件设计既简单又不容易引起 寻址混乱。 ( 2 ) 由于s s t 3 9 s f 0 2 0 扇区擦除操作的清除范围为4k b ，且在写入新数据 的时候必须将该数据所在4 k b 大小范围内的原数据清除，所以在程序设计时要 注意合理分配数据存储空间。通常应以4k b 为基本空间，一次采集数据的存放 空间按4k b 倍数设计，避免因清除某次数据而将其他有用数据删除。 ( 3 ) 在字节写入操作完毕后，可延时几个m s 后再将刚写入的数据读出与 原值比较，以保证数据正确写入。 2 2 5 信号输入通道 在一个数据采集和记录系统中，要记录的数据一般都是模拟的信号如温度、 水流量、体积、重量和速度等，而数据采集部分一般只能处理数字信号。因此 电子科技大学硕士学位论文 就有一个信号的传感问题，把模拟信号变为系统可识别的数字信号，再通过信 号的调理来改变信号的幅度范围和信号的波形，最后送入采集系统进行数据的 采集、处理和记录。在本系统的设计中，信号的输入通道就包括了信号的传感 和整形以及信号的计数。下面分别对这两个模块作详细的介绍： 2 2 5 1 信号的传感和整形 本系统监测的是动物的活动，并通过动物的活动量来判断它服药后的反应。 如何判断动物的活动量呢? 我们是通过下面的一种方法来判断的：将要监测的 动物( 在一般的药理实验中，作为监测对象的动物都是小白鼠) 放在一个转动 的铁笼中，服药后的小白鼠就会在铁笼中不断的跑动，它的跑动就促使了铁笼 的转动，单位时间内铁笼转动的圈数和小白鼠跑动的圈数相同，通过记录下单 位时间内铁笼转动的圈数就可以反映出小白鼠韵活动量，从而获得它在服药后 的药理反映。具体的示意图见图2 3 。 从图中可以看到，当小白鼠带动铁笼转动时，固定在铁笼上的一块铁片会 划过一个“凹”形光电红外对管的凹槽处，铁笼每转过一圈，铁片就划过一次 光电红外对管的凹槽，而光电红钋对管的凹槽每被划过一次，它的输出端就会 出现一个脉冲信号，这样就把对小白鼠转圈圈数的计数变换为对光电红外对管 输出端的脉冲计数。具体的光电传感电路如图2 4 所示： 它的电路原理是这样的：在“凹”型的光电红外对管中，凹槽的两侧分别 安装的是红外发光管和红外接收管，其中发光管是由二极管组成，接收管是由 三极管组成。当没有铁片划过时，发光二极管发出的红外光能到达接收管的基 极，使三级管导通，三极管导通后，把上拉电阻拉低到了接近“o ”电平，输出 端就输出低电平；当铁片划过凹槽时，发光二极管发出的红外光被铁片遮挡， 无法到达接收管的基极，此时三极管截至，三极管截止后，在上拉电阻的作用 下在输出端输出一个高电位，其持续的时间就是铁片划过凹槽的时间。 光电红外对管的输出端输出的脉冲信号，其信号的电平范围直接就在0 5 v 之间，因此不需要对信号进行幅值的变换，只需要对信号进行整形处理，变 为规则的方波就可，因此把信号通过带施密特触发器的反相器7 4 h c l 4 即可完 成信号的整形，并且信号同时完成了一次反相操作。 电子科技大学硕士学位论文 v c c 图2 3 信号传感示意图 v c c 图2 4 光电传感电路 2 ，2 5 2 信号的计数 在本系统中，信号的计数实际上就是对动物活动的监测，记录下小自鼠在 单位时间内转圈的圈数。输入信号经过传感器传感及信号整形后送入计数单元 计数，计数单元采用十进制计数器7 4 l s l 6 0 完成对脉冲的计数。7 4 l s l 6 0 是一 个高速同步计数器，它的最高计数频率为3 2 m h z ，并具有异步清零、同步预置 等功能，同时具有两个计数使能端和一个进位输出端。计数器在时钟的上升沿 计数，在计数器内部，时钟经过一个缓冲器同时接到每个触发器的时钟端，保 皇三型垫查堂翌主兰堡笙兰 证了时钟的同步。计数器内部还采用“提前进位”的方法，即计数器计数到9 时，就开始在进位端输出一个高电平，持续时间为一个时钟脉宽，这种方法在 高速计数的场合非常有用。实际应用中，计数器启动计数前要把输出端先清零， 然后启动计数器，即把使能端置为高电平，经过整形后的信号源源不断地接入 计数器的时钟端，所有计数器的进位端通过或门组合后送入单片机的外部中断， 以便单片机判断计数器在计数过程中是否发生了溢出。 2 2 6 通信接口 当记录仪完成动物活动数据的记录和存储后，要把数据上传到p c 机上进 行后期的处理。对通信接口的基本要求就是速度快，无误码。关于通信接口硬 件和软件的具体设计请参见本论文的第四章计算机通信接口的特点及通信软 件的设计。 2 2 7 电源和处理器监控 电源和处理器的监控是系统设计中一个很重要的抗干扰措施，下面将分别 讨论电源的监控和处理器的监控。 2 2 7 1 电源监控 电源在一个应用系统中的作用就好比人的心脏，源源不断地提供系统运行 的能量。应用系统的电源首先要保证是干净的，即没有混入5 0 h z 的工频干扰 且电压要稳定，波动小，纹波系数也要求小。其次应用系统自身要具有电源的 监控能力，在电源发生故障前，预先把重要的数据进行保存或者切换到备用电 源供系统使用。本系统的供电采用市电供电，市电2 2 0 v 首先通过环形变压器 变压，把电压降为交流6 v 。在变压器部分电路中加入了滤波电路来滤除5 0 h z 的工频干扰以及并入一个压敏电阻来避免市电电网波动时产生的瞬间浪涌电 压，再经过桥式整流电路的整流和滤波电路的滤波以后，送入三端线性稳压芯 片7 8 0 5 ，在输出端就得到了供系统使用的5 v 电源。由于整个系统采用的集成 电路较多，系统的功耗较大，因此在稳压块芯片处加入了散热块来确保芯片的 良好散热。 除了保证电源自身的纯洁和稳定外，外加的电压监控也是必不可少的，特 别在本系统的应用中，如果在采集数据时突然出现了电源的故障，就会产生一 些不正确的数据。在对本系统的电压迸行监控时，我们选择了x i c o r 公司生产 的电压及单片机监控芯片x 5 0 4 5 。该芯片把四种常用的功能：上电复位、看门 电子科技大学硕士学位论文 狗定时器、电源电压监控和具有写保护功能的串行e e p r o m 集成在单个芯片 中，这样的组合降低了系统成本，减少了电路板的空间，同时提高了可靠性1 。 x 5 0 4 5 的电压监控能力，可以避免系统在电压发生波动时对器件的误操作， 当供电电压低于预先设置的门限电压时，x 5 0 4 5 就会提供给系统一个复位信号， 该信号直持续到供电电压回到正常的工作电压并稳定为止。x 5 0 4 5 提供了5 个工业标准的门限电压供用户选择，同时用户还可以根据x i c o r 公司提供的 电路重新设置系统的门限电压，以满足用户在实际应用中的需要。 2 2 7 2 处理器监控 在些恶劣的工控环境中，各种干扰对单片机造成的后果往往是使单片机 程序“跑飞”，进而导致单片机无法工作而处于瘫痪状态，更严重的会导致单 片机执行错误的指令，对各种器件进行误操作。在对这个问题的处理上，我们 一般采用的方法是加入硬件看门狗电路。一个看门狗通常由一个硬件定时器构 成，如果没有来自微控制器的更新或是报告信息，该定时器将会溢出。因此在 系统正常时必须定时的更新定时器。结合到本系统的应用中，我们采用的是 x 5 0 4 5 自带的看门狗电路，它可以设置不同的看门狗时间，具体设置是通过设 置x 5 0 4 5 的状态寄存器的第4 位w d 0 和第5 位w d l ，具体的设置意义如下所 示【1 i 】： w d l 和w d 0 为“0 0 “表示看门狗超时周期为1 4 s ； w d l 和w d 0 为“0 l “表示看门狗超时周期为6 0 0 m s w d l 和w d 0 为“1 0 “表示看门狗超时周期为2 0 0 m s ； w d l 和w d 0 为“1 1 “表示禁止看门狗定时器； 而清除看门狗的指令是两条：c s = l ；c s = 0 ；即在c s 端模拟一个下降沿 就可以更新看门狗定时器。 那么如何在程序中加入看门狗呢? 首先我们来了解一下单片机的中断系 统：根据5 1 单片机的结构特点，其中断系统中含有两个不可寻址的“优先级生 效”触发器。一个用于指出c p u 是否正在执行高优先级的中断服务程序，这个 触发器为1 时，系统将屏蔽所有的中断请求；另一个则指出c p u 是否正在执行 低优先级中断服务程序，该触发器为1 时，将阻止除高优先级以外的切中断 请求。由此可见，若要响应同级甚至是低级中断请求，必须使得该“优先级生效” 触发器清零。但该触发器又是不可寻址的，所以无法用软件直接清零。遍历系 统所提供的1 1 1 条指令，只有r e t i 可以达到此目的。c p u 执行该指令时， 电子科技大学硕士学位论文 方面清除中断响应时所置位的“优先级生效”触发器，另一方面可从当前栈顶弹 出断点地址送入程序指针寄存器p c ，从而返回主程序。 大部分的应用中常常采用在系统的定时中断中清除看门狗或者在主程序中 清除看门狗。这两种方法都考虑的不是很全面：对于在中断中清除看门狗的方 法，如果发生了主程序跑飞而中断正常( 这在实际中比较常见) 的情况，由于 中断正常，则看门狗可以正常清除不会使系统复位，但实际上程序已经跑飞， 因此在定时中断中加入清除看门狗命令的方法不可取。同样对于在主程序中清 除看门狗的方法，如果发生的情况是主程序正常，中断跑飞，中断系统没有正 常退出。这时，如果跑飞的中断是一个高级中断，那么系统的中断将完全被屏 蔽，如果跑飞的是一个低级中断，那么系统只能响应比跑飞中断优先级高的中 断，不能响应和跑飞中断同级或低级别的中断。因为在中断跑飞时，无论是低 级还是高级中断，都没有用r e t i 指令返回，则进入中断时设置的“优先级生 效”寄存器就无法清除。 结合本系统的实际考虑，由于清除看门狗的指令是两条，如果把这两条指 令分开，分别放在主程序中和定时中断程序中就可以避免上述两种极端情况。 当分别在主程序和定时中断中加入c s 的复位或置位指令后，只有主程序和中 断程序都正常工作时，才能清除看门狗。如果其中之一发生了故障都将会使系 统复位而结束死机的状态。 当发生了看门狗电路复位时，系统处于的是一种带电复位的状态，这种状 态和初始上电时的上电复位有所不同，需要注意以下两个方面： 1 防止i o 控制的突变影响 单片机在复位时，各个引脚状态可能发生突变，在一些使用单片机i o 引 脚进行控制的应用中，要防止i o 引脚突变所引起的后果。例如：当采用单片 机的一个i o 引脚通过继电器去控制电机的运行时，如果在电机已经启动后发 生单片机复位，这时1 0 口发生的状态突变可能会造成电机运行状态的变化， 从而导致严重的生产事故。因此在实际中一般在单片机的i o 口和继电器之间 加入一级触发器，用来保存i o 口线的状态，用触发器的输出去驱动继电器， 这样就避免了在复位时由于1 0 口线状态的突变而影响被控制设备。 2 上电复位和带电复位的区分 上电复位是初始上电时发生的复位，而带电复位则是在程序发生故障时产 生的复位，这两种复位在复位后执行的操作一般有所不同，例如：在个数据 记录系统中，上电复位时通过