（轮机工程专业论文）基于单片机的船舶设备信号采集及处理系统.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着计算机技术的广泛应用，由计算机组成的数字控制系统将逐步取代传 统的模拟控制系统。计算机包括个人微机( p c 机) 和工作站及网络技术也应用到 船舶的驾驶和管理之中，船用电子设备如g p s 、雷达、电罗经等设备之间存在 着各种各样的接口关系，使船舶设备的接口关系更加复杂多样1 1 4 1 。为解决信号不 统一的闯题，提出设计一种船舶信号采集与处理系统，输出的信号为标准的 n m e a - 0 1 8 3 格式信号。 船舶设备上自整角机和步进电机应用比较广泛，本系统以这两种设备的信 号采集与处理来研究并开展设计的。 自整角机是一种感应式同步微型电机，它广泛用于显示装置和随动系统中， 使机械上互不相连的两根或多根转轴能够自动保持相同的转角变化，即同步旋 转。自整角机的三相模拟信号中含有轴角信息，经过信号隔离转换电路隔离并 转换为两相正弦和余弦信号后送入轴角数字转换电路。正余弦信号进入8 9 ( 2 5 1 处理后，经串口输出标准的n m e a - 0 1 8 3 格式信号。 步进电动机又称脉冲电动机或阶跃电动机，它是一种将电脉冲转化为角位 移的执行机构。其三相绕组的电平规律为6 进制格雷码，所以对步进罗经信号 只需降压，判别航向增减即可送至单片机处理，获得标准的n m e a - 0 1 8 3 格式信 号。 8 9 c 5 1 为该系统的核心元件。对自整角机信号查表求反正切，为避免出现正 切值出现无穷大，把3 6 0 。划分为8 个区域，只需求得o 4 5 。的反正切值，根 据三角函数关系确定角度。对步迸信号，查格雷码表，得到航向在1 度以内的 变化量。根据格雷码变化规律得到航向是增还是减的信号，前一航向加或者减 该航向变化量得到新航向。这两种信号都送到8 9 c 5 1 的串口，等待上位设备来 采集。输出信号格式符合n m e a 一0 1 8 3 标准。 关键字：单片机，自整角机，步进电机，n m e a - 0 1 8 3 标准 武汉理工大学硕士学位论文 a b s tr a c t a l o n gw i t ht h ec o m p u t e rt e c h n o l o g yw i d e s p r e a da p p l i c a t i o n , t h en u m e r i c a l c o n t r o ls y s t e mw h i c hw i l lb ec o m p o s e db yt h ec o m p u t e rg r a d u a l l ys u b s t i t u t e sf o r 仃a d i t i o n a lt h es i m u l a t i o nc o n t r o ls y s t e m t h ec o m p u t e r ( p cm a c h i n e ) a n dt h e w o r k s t a t i o na n dt h e n e t w o r k i n ga l s oa p p l i e s t h es h i p s i n c l u d i n gt h ep e r s o n a l c o m p u t e rd u r i n gd r i v i n ga n dt h em a n a g e m e n t , t h es h i pw i t he q u i p m e n tb e t w e e n e l e c t r o n i ci n s t a l l a t i o nl i k e g p s ，r a d a r , g ”o - c o m p a s sa n ds o o nh a sv a r i o u s c o n n e c t i o nr e l a t i o n s , m a k e st h es h i p b o a r de q u i p m e n tt h ec o n n e c t i o nr e l a t i o n st ob e m o r ec o m p l e xd i v e r s e l y i no r d e rt os o l v et h es i g n a ln o tu n i f i e dp r o b l e m , p r o p o s e d d e s i g n sas h i p ss i g n a lg a t h e r i n ga n dt h ep r o c e s s i n gs y s t e m , t h eo u t p u ts i g n a lf o ro n i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r dn 匝a 0 1 8 3f o r m o nt h es h i p st h es y n c h r oa n ds t e p - b y s t e pm o t o rq u 沁t ob ew i d e s p r e a d ，t h i s s y s t e mi sd e s i g n e db yt h e s et w ok i n do fe q u i p m e n ts i g n a lg a t h e r i n ga n dp r o c e s s i n g t h es y n c h r oi so u ek i n do fi n d u c t i o n - t y p es y n c h r o n i z a t i o nm i n i a t u r ee l e c t r i c a l m a c h i n e r y , i tw i d e l yu s e si nt h ed i s p l a yu n i ta n dt h ef 沱：l n os y s t e m ，c a u s e so i lt h e m a c h i n e r ym u t u a l l yn o tc o n n e c t e dt w oo rt h em u l t i - r o o tr e v o l u t i o na x i sc a nm a i n t a i n t h es a m ec o i n e rc h a n g ea u t o m a t i c a l l y , n a m e l ys y n c h r o n i z e dr e v o l v i n g i nt h es y n c h r o t h r e e p h a s es i m u l a t e ds i g n a li n c l u d e st h ea x i a la n # ei n f o r m a t i o n , i s o l a t e sa f t e rt h e s i g n a li s o l a t i o ns w i t c h i n gc i r c u i ta n dt r a n s f o r m si st w os i n e sa n dt h ec o s i n es i g n a l e v a c u a t i o n se n t e r st h ea x i a la n g l e n u m e r a ls w i t c h i n gc i r c u i t e n t e r s t h e8 9 c 5 1 p r o c e s s i n gt h e s et w os i g n a la d t r a n s f o r m a t i o ne v a c u a t i o n s t e p - b y - s t e p sm o t o rt oc a l lt h ep u l s ee l e c t r i cm o t o ro rt h es t e pe l e c t r i cm o t o r , i t i so n ek i n dt r a n s f o r m st h ee l e c t r i c i t yp u l s ea st h ea n g u l a rd i s p l a c e m e n ti m p l e m e n t i n g a g e n c y i t st h r e e - p h a s ew i n d i n gl e v e lm l ei s6e n t e r st h es y s t e mg r a yc o d e ，t h e r e f o r e t os t e p - b y - s t e pc o m p a s st h es i g n a lo n l yt oh a v e v o l t a g ed r o p p i n gr e s i s t o r , d i s t i n g u i s h t h ec o u r s et h e nd e l i v e r si tt om o n o l i t h i ci n t e g r a t e dc i r c u i tp r o c e s s i n g 8 9 c 5 1i st h i ss y s t e mc o r ep a r t i ta s k st h ec o u n t e r - t a n g e n tt ot h es y n c h r os i g n a l t a b l e l o o k - u p ，i s a v o i d s a p p e a r i n g t h e t a n g e n t v a l u et o a p p e a r t h e i n f m i t y , 3 6 0 d i v i s i o n si s8r e r u n s ，o n l yd e m a n do 一4 5 。c o u n t e r - t a n g e n tv a l u e s 。 武汉理工大学硕士学位论文 a c c o r d i n gt ot r i g o n o m e t r i c a lf u n c t i o nr e l a t i o n sd e f i n i t ea n g l e t os t e p - b y s t e pm o t o r s i r d a r , l o o k su pt h cg r a yc o d et a b l e ，o b t a i n st h ed i r e c t i o ni n1d e g r e ew i t h i nc h a n g e q u a n t i t y o b t a i n st h es i g n a la c c o r d i n gt ot h eg r a yc o d ec h a n g er u l ew h i c ht h ed i r e c t i o n i si n c r e a s e so rr e d u c e s ，t h ep r e c e d i n gd i r e c t i o na d d so rr e d u c e st h ed i r e c t i o nc h a n g e q u a n t i t yt 0o b t a i nt h ef l e wd i r e c t i o n t h e s et w ok i n do fs i g n a l sa l ld e l i v e r8 9 c 5 1t h e s e r i a lp o r t ，w a i t e df 研t h ep o s i t i o ne q u i p m e n tg a t h e r s 1 m eo u t p u tf o r mc o n f o r m st o t h en m e a 0 18 3f o r m k e y w o r d s ：s i n g l e - - c h i p ，s y n c h r o ，s t e p - b y - s t e pm o t o r , n e m a 0 1 8 3s t a n d a r d m 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 选题背景 第1 章绪论 2 0 世纪九十年代，国际海事组织( i n t e r a a t i o n a lm a r i t i m eo r g a n i z a t i o n , i m o ) 修订了海上人命安全( s a f e t yo fl i f ea ts e a , s o l a s ) 公约，使得全球海上航行 的各类船舶完成了海难救助系统( g l o b a lm a r i t i m e d i s t r e s sa n ds a f e t y s y s t e m ，g m d s s ) 的配置，因而对及时救助遇难船舶、减少人员伤亡和财产损 失起到了一定的作用。但是由于没有采取更积极有效的措施来预防海难的发 生，导致近年来船舶的碰撞及各种海难事故还是屡屡发生。正是基于这种现 状，1 9 9 9 年国际海事组织航行安全分委会第4 5 次会议做出决定，对s o l a s 公约第五章做出了进一步修订，其中就航行安全和寻找海难事故原因；提出 扩大设备的配备要求，特别是船舶自动识别系统( a u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o n s y s t e m , a i s ) 和船舶航行数据记录仪( v o y a g ed a t a r e c o r d e r , v d r ) 这两种设备。 船舶自动识别系统是一种新型的助航设备，它有助于加强海上生命安全、提 高航行的安全性和效率，以及对海洋环境的保护。a i s 的功能有：识别船只、 协助追踪目标、简化信息交流、提供避免碰撞发生的辅助信息。a i s 极大的 减少了船舶间碰撞的可能性，增强了a r p a 雷达、船舶交通管理系统、船舶 报告的功能，在电子海图上显示所有船舶的航向、航线、船名等信息，改善 了海事通信的功能，提供了一种和其他安装了a i s 设备的船舶进行语音和文 本通信的方法，使航海迸入了数字化时代。船舶航行数据记录仪，它类似飞 机上的“黑匣子”，借助它进行海难调查，从失事的船舶中分析失事前后的各 种状态和数据，找出失事的真正原因，并进行归纳总结，不断完善现有的国 际公约、规则和规范，从而不断改进现有的船舶设备，日益提高船舶航行的 可靠性和安全性，这就是装置船舶航行数据记录仪的最终目的。 涉及触s 有关内容的s o l 峪公约将通过默认程序生效，该系统的配置 将在2 0 0 2 年7 月1 日起对新造船舶开始强制执行，所有从事海上航行的船舶 不迟于2 0 0 8 年7 月1 日以前装备完毕；2 0 0 2 年7 月1 日及以后建造的所有 客船必须装备v d r ，所有其它船舶不迟于2 0 0 9 年1 月1 日。所以在未来的 几年中，了解、开发、制造、安装和使用a i s 系统和v d r 系统将成为船电 界十分瞩目的课题。 武汉理工大学硕士学位论文 鉴于以上原因，2 0 0 2 年7 月1 日以后新建造的船舶都强制安装了a i s 和 v d r ，但对2 0 0 2 年7 月1 日以前的船舶，大部分还是采用模拟信号设备， 要想安装m s 和v d r 以及船舶新购进的需要数字罗经信号的设备( 如航海 a r p a 雷达等) ，就需要解决模拟信号设备( 比如说罗经航向信号等) 和它们的 接口转换问题。 目前船舶上通讯的信号标准主要是n m e a - 0 1 8 3 标准，所以为解决上面 的问题，拟设计输出信号符合n m e a 0 1 8 3 的船舶信号采集与处理系统。 1 2 发展现状和趋势 目前，自动化程度高的船舶为符合国际海事组织的要求，适应现代船 舶通讯，一些主要设备都专设数字接口，可以直接采用。但是大多数现有 的船舶自动化程度还不是很高，很多信号还不是标准的n m e a 0 1 8 3 信号。既 有不同等级电压信号、电流信号，也有不同通讯标准的数字信号。对于船 舶各种信号的的采集，例如自整角机，国内外已经有一些专门的角度数字 转换器。自整角机是将机械角位移转换成电信号的装置，由于它转换精度 高，工作稳定可靠，在机载电子设备( 如陀螺仪表，惯性导航系统) 中得到 了广泛的应用，美国航空无线电公司( a r i n c ) 为自整角机( 同步器) 信号制 定了a r i n c 4 0 7 标准。随着计算机技术的发展，机载仪表系统也由过去的机 械仪表向电子式仪表( e f i s ) 发展，为了实现自整角机信号与计算机接口， 国外研制开发了s d c1 7 0 0 系列自整角机数字转换模块，与之相对应，国 内也开发了z s z 系列自整角机数字转换模块。z s z 系列转换器是一种采用 跟踪技术和模块化结构的自整角机数字转换器，它采用二阶伺服回路，输 出与t t l 电平兼容的并行二进制码，与美国a d 公司的a d c l 7 0 0 系列转换器 完全兼容。本文介绍了z s z 系列自整角机数字转换模块的工作原理、引脚 功能和实际接口电路。还有如上海广电通讯公司的n i c 一1 型导航信息转换 器，它组合转换电罗经、计程仪和g p s 三类信号，可供导航雷达、a i s 船用 应答器、电子海图导航仪等设备使用，结构小巧，安装方便。它可以接收各 类电罗经和计程仪的模拟信号，转换成符合i c e 一6 1 1 6 2 的n m e a 0 1 8 3 格式的 数字信号；也可以接收g p s 、导航仪输出的本船信息，与罗经、计程仪信息 合成输出。 但是，上面提到的各种转换设备仅局限于个别或者几种信号，没能普 到船舶各类设备。船舶中需要采集的对象主要包括航海信息、机舱设备和 2 武汉理工大学硕士学位论文 气象海况信息。航海信息包括g p s 提供的船位信息( 经纬度) ；罗经、雷达 等给出的航向信息；计程仪、雷达、g p s 给出的航速信息等。机舱信息包 括主机信息、各种重要设备、仪器仪表以及各种报警监测点信息。气象海 况信息包括水深及气象( 风向、风速) 信息。这些信号既有模拟量，又有数 字量，并且模拟量又有不同的电压等，而数字量也有不同的格式。这就需 要一种转换模块来采集处理各种不同的信号，输出同一种标准格式的信号， 以适应现代船舶通讯的需要，提高船舶自动化程度。 1 3 本课题的任务 本课题针对船舶信号的特点，选择船舶上应用比较广泛、比较重要的步 进电机信号和自整角机信号作为研究对象。以a t 8 9 c 5 1 单片机芯片为核心芯 片，设计一款能采集和处理这两种信号的转换接口。 本课题主要完成的工作有： 1 ) 通过对步进电机和自整角机的了解，研究适合这两种信号采集的方法 和路线。 2 1 系统的硬件设计。包括单片机外围复位电路和时钟电路、步进电机信 号采集电路、自整角机信号采集电路、串口通讯电路等的设计和实现。 系统软件的设计。研究适合步进电机信号和自整角机信号处理的算法， 在此基础上设计系统的主程序、步进电机信号处理程序、自整角机信号处理 程序、串口通讯接口程序等。 4 、系统抗干扰方面设计的探讨。 3 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章自整角机及步进电机工作原理概述 2 1 自整角机 2 1 1 自整角机的分类、特点 自整角机是一种感应式同步微型电机，它广泛用于显示装置和随动系统 中，使机械上互不相连的两根或多根转轴能够自动保持相同的转角变化，即 同步旋转。 自整角机按照使用的电源，可分为三相和单相两种。单相自整角机励磁 绕组由单相电源供电，三相同步绕组由彼此在空间相距1 2 0 度连接成星形的 三个绕组所组成。应当指出，由于变压器的作用原理，同步绕组中通过的电 流在时间上是同相位的。这是白整角机的特点。自动控制系统中所使用的自 整角机一般为单相。三相自整角机多用于功率较大的场合，即所谓的电轴系 统中嘲。 自整角机按其功能不同，可分为力矩式和控制式自整机两种。力矩式自 整机主要用于同步指示系统，可以作为两地或更多地点之间的“机械连接” 使用，通常用于那些不宜采用直接纯机械连接的场合，以便远距离同步传递 轴的转角。控制式自整角机主要用于伺服机构组成的随动系统中。其接受机 转轴不直接带动负载，而当发送机和接受机转子之间有角度差时，接收机将 有与此角度差呈正弦函数规律的电压输出。 自整角机按其信号的输出输入分为自整角发送机和自整角接受机。发送 机的作用是将转子转角的交化转变为电信号输出。接收机的作用是接收发送 机的电信号产生相应的输出，经处理后使其转子转到对应于发送机转子的位 置。在控制式自整角机中。因接收机是工作在变压器状态，所以通常将接收机 又称为自整角变压器；控制式发送机又分为控制式发送机和控制式差动发送 机二种。控制式发送机的作用如前所述；控制式差动发送机串接于控制式发 送机与自整角变压器之间，其作用是将发送机转子转角及其自身转子转角的 和( 或差) 变换成电信号送入自整角变压器【”。 4 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 2 自整角机的工作原理及应用 力矩式自整角机和控制式自整角机不同之处在于发送机和接收机的转子 绕组都需要励磁，并且其接收机的转子上带有负载，而控制式自整角机只有 发送机需要励磁。力矩式自整角机广泛应用与船舶上的传令钟( 车钟) 、舵 角指示器、罗经复示仪等例。本文就以力矩式自整角机为例来进行设计。图 2 - 1 是它的工作原理图。图中两台自整角机，一台做发送机用，一台做接收机 用。它们的励磁绕组接入同一单相交流电源励磁，三相整步绕组彼此对应相 接。为便于分析其性能，做如下简化： 1 忽略其电枢反应； 2 假定自整角机气隙磁通密度按正弦规律分布； 3 自整角机磁路为不饱和状态，忽略磁势和电势中的高次谐波影响。 b 图2 - 1 力矩式自整角机系统的工作原理图 在自整角机中，通常以a 相整步绕组和励磁绕组两轴线见的夹角，作为转 子的位置角。如图2 1 ，这时发送机转子的位置角为口，接收机转子的位置角 一，而 a 8 = 口一日 ( 2 1 ) a 口为失调角。 5 武汉理工大学硕士学位论文 自整角机的整步绕组为星形连接的三相绕组。当励磁绕组接入单相交流 电源励磁，交变的励磁电流在电机的工作气隙中建立起脉冲磁场。即磁密沿 定子内圆周围( 工作气隙) 成正弦分布，且磁密幅值处于励磁绕组的轴线上， 同时，气隙中任一点的磁密则随时间做正弦变化。用磁密空间向量y 来描述 发送机励磁磁场。假设某瞬间r 与轴线有0 角的偏差，发送机的励磁磁场与 其定子三组绕组具有不同的耦合程度。因此，三相整步绕组中的感应电势的 大小将取决于各相绕组的轴线与励磁绕组之间的相对位置，即 e 。一e c o s o e b e c o s ( o - 1 2 0 。、 e 。e c o s ( 0 + 1 2 0 。) ( 2 2 ) 式中e 是整步绕组中最大感应电势的有效值 e - 4 4 4 f n k , , 妒_( 2 3 ) 式中丸自整角机中主磁场每极磁通的幅值； f 一励磁电源的频率，即主磁通的脉振频率： n 一整步绕组每相匝数； k 整步绕组的基波绕组系数。 那么反映在定子侧则输出如下的与励磁电压同频率的电压的信号： k s i n w t s i n 0 v 2 - s i n w t s i n ( 0 - 1 2 0 。) 蚝- 匕s i n m t s i n ( 0 + 1 2 0 。) 式中屹s i n 耐自整角机转子的励磁电压。 p 为转予相对与定子的转角 式中0 为转子相对于定子的转角( 即所要测的方位角信号) ， 们要转换成数字量的角度。 6 ( 2 - 4 ) 也就是我 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 步进电机 2 2 1 步进电机应用及特点 步进电动机又称脉冲电动机或阶跃电动机，它是一种将电脉冲转化为角 位移的执行机构。通俗一点讲，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱 动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度( 及步距角) 。可以通过控制脉 冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时也可以通过控制脉 冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。 步进电动机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在 非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲 数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步 距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差 等特点，使得在速度、位置等控制方面用步进电机来控制变得非常简单【3 j 。 步进电动机是较早实用的典型的机电一体化元件组件。步进电动机本体、 步进电机驱动器和控制器构成步进电动机系统不可分割的三大部分。 自上世纪中叶，步进电动机的应用渗透到数字控制的各个领域，尤其在 数控( n u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) 机械中广泛利用其开环控制的特点。近几年来，步 进电动机在o a ( o f f i c ea u t o m a t i o n ) 机器、f a ( f a c t o r ya u t o m a t i o n ) 机器和 计算机外部设备以及远洋船舶和航空航天等领域作为控制用电动机和驱动用 电动机而被广泛使用，应用得到了广泛的推广。在船舶上，主要应用于电罗 经等设备。步迸电动机的性能主要由静转矩、动转矩和角度精度来评价，但 应用场合不同则对其性能要求各异1 1 9 1 。 2 2 3 步进电机的动态指标 l 、步距角 指每给一个电脉冲信号电动机转子所应转过的角度的理论值。步距角 日。堡 小1 z ， 式中z ，转子齿数； 7 ( 2 - 5 ) 武汉理工大学硕士学位论文 挪。运行拍数，通常等于相数或相数的整数倍，即掰。= k m ： m 一电动机相数。 2 、齿距角 相邻两齿中心线间的夹角，通常定子和转子具有相同的齿距角。齿距角 见孚 ( 2 - 6 ) 厶， 3 、矩角特性矩角特性 指不改变各相绕组的通电状态，即一相或几相绕组同时通以直流电流时， 电磁转矩与失调角的关系，即t = f ( 一) ，如图2 6 所示 电概一 转矩 六茹 v 失调； 稳定点 图2 - 5 电磁转角与失调角的关系 4 、失调角( 口) 失调角是转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角， 由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。 5 、步距角精度 步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。用百分比表示： 误差步距角* 1 0 0 。不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在5 之内，八拍 运行时应在1 5 以内。 8 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章系统硬件的设计与实现 3 1 系统总体构架 本系统采用了a t 8 9 c 5 1 单片机作为核心器件，对船舶设备上的自整角机 和步进电机的角度信号进行采集与处理。自整角机信号是模拟信号，对其信 号采集需要a d 转换，而又需要多路采集，需要在转换前要采样保持，并且 需要加多路转换开关。步进电机信号本身是数字脉冲信号，不需要a d 转换 了。如图3 - 1 所示为系统的总体框架图。 图3 - 1 硬件原理框图 3 2 a t 8 9 0 5 1 单片机的结构特点与工作原理 据 出 微型计算机主要由运算器、控制器、存储器和输入输出电路四个基本部 件组成，其中运算器与控制器集成于c p u 中。单片机是一种微型了的微机， 其基本结构包含了这几个部分，m c s 5 1 系列单片机中，当前最为流行的机 种8 9 c 5 1 单片机的原理结构如图3 2 所示。 9 武汉理工大学硕士学位论文 时钟源计数信号 图3 - 2 结构原理方框图 8 9 c 5 1 片内除有c p u 、各类存储器和输入输出端口外，还包含有定时 器计数器，中断与时钟振荡电路等，由此构成一个完整的单片微型计算机。 3 2 1 存储器 8 9 c 5 1 单片机有4 个存储器空间，分别用来安排4 种不同功用的存储器： 内部数据存储器；特殊功能寄存器；程序存储器；外部数据存储器。 内部数据存储器和特殊功能寄存器集成于片内，程序存储器已有一部分 集成于片内，如果容量不够，可在片外扩展。外部数据存储器贝| j 只能安排在 片外，用通过电路与单片机连接。4 种存储空间中，内部数据存储器和特殊 功能寄存器统一编址，程序存储器和外部数据存储器独立分开编址。由此可 见，8 9 c 5 1 的存储器有三套独立编址的存储空间。 当8 9 c 5 1 单片机同时外接程序存储器和数据存储器时，操作两者的区别 在于：程序存储器只有读操作而无写操作，且读操作信号由引脚p s e n 提供； 数据存储器则有读写操作，且由引脚信号r d 和w r 选通读写操作。对片内 r a m 和片外r a m 操作的区别在于：片内r a m 操作时无读写信号产生，片 外r a m 操作时则有读写信号( e m ，w r ) 产生。不同的存储器操作在硬件信 号方面的区别，这些反映在符号指令上则是有着完全不同的符号形式和寻址 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 方式。 3 2 2 定时器计数器 定时器计数器简称定时器其作用主要包括产生各种时钟间隔、记录外 部脉冲与事件的数量等，是微机中最常用、最基本的部件之一。8 9 c 5 1 单片 机有2 个1 6 位的定时器计数器：定时器0 ( t o ) 和定时器1 ( t 1 ) 。 t o 由2 个定时寄存器t h 0 和t l 0 构成，t 1 由t h l 和t l l 构成，它们 都分别映射在特殊功能寄存器中，从而可以通过对特殊功能寄存器中这些寄 存器的读写来实现对这两个定时器的操作。作定时器时，每一个机器周期定 时寄存器自动加1 ，所以定时器也可看成是计量机器周期的计数器。由于每 个机器周期为1 2 个时钟振荡周期，所以定时的分辨率是时钟振荡频率的 1 1 2 。作计数器时，只要单片机外部引脚t o ( 或t 1 ) ，有从1 到0 电平的负 跳变，计数器就自动加1 。计数的最高频率一般为振荡频率的1 1 2 ，例如，选 用1 2 m h z 晶振，则最高计数频率为1 m h z 。 t o 或t 1 无论用作定时器或计数器都有4 种工作方式：方式0 、方式1 、 方式2 和方式3 。 3 2 3 中断系统 8 9 ( 2 5 1 单片机的中断系统简单实用，其基本特点是：有5 个固定的可屏 蔽中断源，3 个在片内，2 个在片外，它们在程序存储器中各有固定的中断入 口地址，由此进入中断服务程序五个中断源有两级中断优先级，可形成中断 嵌套；2 个特殊功能寄存器用于中断控制和条件设置的编程。 外部中断有下跳沿引起和低电平引起的选择；串行中断有发送( t o 和接 收限d 的区别，各个中断源均有申请中断的标志，其打开与否，受该中断自 身的允许位和全局允许位的控制，并具有对于高优先级和低优先级的选择。 中断系统有两个控制寄存器m 和口，它们分别用来设定各个中断源的 打开关闭和中断优先级。此外，在t c o n 中另有4 位用于选样引起外部中断 的条件并作为标志位。 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 3 2 4 输入输出端口 8 9 ( 2 5 1 单片机有4 个8 位双向并行i o 端口：p o ，p 1 ，p 2 ，p 3 。每个i o 端口除可作为字节的输入输出外，其各条f o 线也可单独地用作输入输出 线。此外，单片机内还有一个全双工的串行i o 端口，能用于i o 端口扩展 或者串行异步通信。可见，8 9 c 5 1 单片机共有3 4 条! o 线。各端口编址于特 殊功能寄存器中，一般既有字节地址，也有位地址，对相应地址单元的读写， 就实现了从相应端口的输入输出操作。 1 并行端口 4 个并行端口p 0 ，p 1 ，p 2 和p 3 有着不同的结构特点和功用。 p o 端口：总线i o 端口，双向，三态，数据地址分时复用。 p 1 端口：i o 端口，准双向静态口，输出的信息有锁存，输入有读引脚 和读锁存器之分。 p 2 端口：p 2 端口在片内既有上拉电阻，又有切换开关m u x ，所以p 2 端口在功能上兼有p 0 端口和p 1 端口的特点。 p 3 端口：双功能静态i o 口p 3 端口和p 1 端口的结构相似，区别仅在于 门端口的各端口线有两种功能选择。当处于第一功能时，第二输出功能线为 1 ，此时，内部总线信号经锁存器和场效应管输入，输出，其作用与p 1 端口作 用相同，也是静态准双向f o 端口。当处于第二功能时、锁存器输出1 ，通 过第二输出功能线输出特定的内含信号，在输入方面，既可以通过缓冲器读 入引脚信号，还可以读人片内的特定第二功能信号以替代输入功能信号。由 于输出信号锁存并且输入筋出都有双重功能，故称p 3 端口为静态双功能端 e l l 7 1 。 8 9 c 5 1 的端口驱动能力很弱，一般都需要在单片机外加上拉电阻，以便 可以提供更大的电流 2 9 1 。由于p 0 p 3 端口已映射成特殊功能寄存器中的p 0 - p 3 端口寄存器，所以对这些端口寄存器的读写就实现了信息从相应端口的输入 输出。 2 串行端口 8 9 c 5 1 单片机片内有一个串行i o 端1 2 ：i ，通过引脚r x d ( p 3 和 t x 0 0 3 1 ) 可与外设电路进行全双工的串行异步通信0 0 l 。 ( 1 ) 串行端口的基本特点 单片机的串行端口有4 种基本工作方式，通过编程设置，可以使其工作 武汉理工大学硕士学位论文 在任一方式，以满足不同应用场合的需要。其中，方式0 主要用于外接移位 寄存器，以扩展单片机的i ，o 电路：方式l 多用于双机之间或与外设电路的 通信；方式2 和3 除有方式1 的功能外，还可用作多机通信，以构成分布式 多微机系统。 串行端口有两个控制寄存器，用来设置工作方式、发送或接收的状态、 特征位、数据传送的波特率( 每秒传送的位数) 以及作为中断标志等。 串行端1 3 有一个数据寄存器s b u f ( 在特殊功能寄存器中的字节地址为 9 9 i ) ，该寄存器为发送和接收所共用。发送时，只写不读；接收时，只读不 写。在一定条件下，向s b u f 写入数据就启动了发送过程；读s b u f 就启动 了接收过程。 串行通信的波特率可以程控设定，在不同工作方式中，由时钟振荡频率 的分频值或由定时器t 1 的定时溢出时问确定，使用十分方便灵活。 ( 2 ) 串行端口的工作方式 方式0 8 位移位寄存器输入，输出方式。多用于外接移位寄存器以扩展i o 端口。 i t 波特率固定为导，淼为单片机时钟频率。 1 二 在方式0 中，串行端口作为输出时，只要向串行缓冲器s b u f 写入一字 ， 节数据后，串行端口就把此8 位数据以箐波特率，a r x d q l ( g 1 二 低位到高位) 。数据发送前，尽管不使用中断，中断标志1 r i 还必须清零， 位数据发送完后，1 1 自动置1 。如要再发送，须用软件将t i 清零。 串行端口作为输入时，r x d 为数据输入端，t x d 仍为同步信号输出端， ， 输出频率为警的同步移位脉冲，使外部数据逐位移入r x d 。当接收到8 1 二 位数据( 一帧) 后，中断标志r i 自动置1 。如要再接收，必须用软件将r l 清零。 方式1 1 0 位异步通信方式。其中，1 个起始位( 0 ) ，8 个数据位( 由低位到高位) 和1 个停止位( 1 ) 。波特率由定时器t 1 的溢出率和s m o d 位的状态确定。 一条写s b u f 指令就可启动数据发送过程。在发送移位时钟( 由波特率确 定) 的同步下，从t x d 先送出起始位，然后是8 位数据位，最后是停止位。 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 这样的一帧1 0 位数据发送完后，中断标志r 1 1 置位。 在允许接收的条件下( 只e n = 1 ) ，当r x d 出现由1 到0 的负跳变时，即 被当成是串行发送来的一帧数据的起始位，从而启动一次接收过程。当8 位 数据接收完，并检测到高电平停止位后，即把接收到的8 位数据装入s b u f ， 置位r i ，一帧数据的接收过程就完成了。 方式1 的数据传送波特率可以编程设置，使用范围宽，其计算式为： ，s m o d 波特率- 兰i _ ( 定时器r 1 的溢出率) 。其中，s m o d 是控制寄存器p c o n 中的一位程控位，其取值有0 和1 两种状态。显然，当s m o d = 0 时，波特 率。壶( 定时器t 1 溢出率) ，而当s m o d 2 1 时波特率5 去( 定时器t 1 溢 出串) 。所谓定时器的溢出率，就是指定时器1 秒钟内的溢出次数。 方式2 和3 1 1 位异步通信方式。其中，1 个起始位( 0 ) ，8 个数据位( 由低位到高位) ， 1 个附加的第9 位和1 个停止位( 1 ) 。方式2 和方式3 除波特率不同外，其他 性能完全相同。 由此可见，方式2 和方式3 与方式1 的操作过程基本相同，主要差别在 于方式2 ，3 有第9 位数据。发送时，发送机的这第9 位数据来自该机s c o n 中的t b 8 ，而接收机将接收到的这第9 位数据送入本机s c o n 中的r b 8 。这 个第9 位数据通常用作数据的奇偶检验位，或在多机通信中作为地址数据的 特征位。 方式2 和方式3 的波特串计算式如下； , s m o d 方式2 的波特率= 寻x ，淼 方式3 的波特率= 三= _ 定时器丁1 的溢出率 j 二 由此可见，在晶振时钟频率一定的条件下，方式2 只有两种波特率，而 方式3 可通过编程设置成多种波特率，这正是这两种方式的差别所在。 ( 3 ) 串行端口控制寄存器 串行端口共有2 个控制寄存器s c o n 和p c o n ，用以设置串行端口的工 作方式、接收发送的运行状态、接收发送数据的特征、波特率的参数，以及 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 作为运行的中断标志等。 串行口控制寄存器s c o n s c o n 的字节地址是9 8 h ，位地址( 由低位到高位) 分别是9 8 h 9 f h 。s c o n 的格式如图3 - 3 所示。 9 f9 e9 d9 c9 b9 a9 99 8 位地址( h ) s c o n 三三 二耍三工至三二 三三二 二三三工三三二 珥字节地址，s h 图3 3 串行口控制寄存器s c o n s m o ，s m i ：串行口工作方式控制位。 0 0 方式0 ；0 1 方式1 ； 1 0 方式2 ；1 1 方式3 。 s m 2 ： r e n ： t b 8 ： r b 8 ： 仅用于方式2 和方式3 的多机通信控制位。 发送机s m 2 = 1 f 要求程控设置) 。 接收机s m 2 = i 时，若收到的r b 8 = i ，可引起串行接收中断5 若r b 8 = 0 ，不引起串行接收中断，s m 2 = o 时，只要有收到的 r b 8 均可引起串行接收中串行接收允许位。 o _ 禁止接收；1 允许接收。 在方式2 和3 中，t b 8 是发送机要发送的第9 位数据。 在方式2 和3 中，r b 8 是接收机接收到的第9 位数据，该数据 正好来自发送机的t b 8 。发送中断标志位。发送前必须用软件清 零，发送过程中1 1 保持零电平，发送完一帧数据后，由硬件自 动置1 。如要再发送，必须用软件再清零。接收中断标志位。接 收前、必须用软件清零。接收过程中m 保持零电乎，接收完一 帧数据后，由片内硬件自动置1 。如要再接收，必须用软件再清 零。 ( d 电源控制寄存器p c o n p c o n 的字节地址为8 7 h ，无位地址，p c o n 的格式如图3 4 所示。需 指出的是，对8 9 c 5 1 单片机而言，p c o n 还有几位有效控制位。 武汉理工大学硕士学位论文 图中，s m o d 为波特率加倍位，在计算串行方式l ，2 ，3 的波特率时：0 ， 不加倍；1 ，加倍。g f i ，g f 0 为通用的由用户安排的标志位。p d 为掉电方 式控制位。i d l 为冻结方式控制位。 9 f9 e9 d9 c9 b9 a9 99 8位地址( h ) f c o n 巨互e 匡巨正亚司珥字节地址踟 图3 - 4 电源控制寄存器s c o n ( 4 ) 串行中断的应用特点 8 9 c 5 1 单片机的串行i o 端口是一个中断源，有两个中断标志r j 和1 r i ， r i 用于接收，1 r i 用于发送。 串行端口无论在何种工作方式下，发送接收前都必须对t i r i 清零。当 一帧数据发送，接收完后，t i r i 自动置1 ，如要再发送，接收，必须先用软件 将其清除。 在串行中断被打开的条件下，对方式0 和方式l 来说，一帧数据发送，接 收完后，除置位t 1 r i 外，还会引起串行中断请求，并执行串行中断服务程 序。但对方式2 和方式3 的接收机而言，还要视s m 2 和r b 8 的状态，才可 确定r j 是否被置位以及串行中断的开放： s m 2r b 8接收机中断标志与中断状态 00激活r 1 ，引起中断 0l激活r 1 ，引起中断 10 不激活r i ，不引起中断 11激活r i ，引起中断 单片机正是利用方式2 ，3 的这特点，实现多机间的通信。 ( 5 ) 波特率的确定 对方式o 来说，波特率己固定成，淼1 2 ，随着外部晶振的频率不同， 波特率亦不相同。8 9 c 5 1 单片机常用的有1 2 m h z 和2 4 m h z ，所以波特率相应 为1 0 0 0 x 1 0 6 和2 0 0 0 x 1 0 6 b i t s 。在此方式下，数据将自动地按固定的波特率发 送接收，不用专门设置。 对方式2 而言，波特率的计算式为2 “”，n 6 4 。当s m o d = 0 时， 武汉理工大学硕士学位论文 波特率为歹6 4 ，当s