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一个实时智能测控应用系统 摘要 本论文全面论述了a v r 单片机( a t 9 0 s 8 5 1 5 ) 应用系统及其在工业实时智能 测试系统的应用。本文分以下部分介绍： 第一部分为概述，简要介绍开发此单片机应用系统及测试系统的意义，以及 整个系统的构成和主要功能。 第二部分重点介绍a v r 单片机的r i s c 体系结构特点。 第三部分介绍a t 9 0 s 8 5 1 5 单片机应用系统扩展的硬件设计。 第四部分介绍应用系统的软件设计，包括p c 端和单片机端。 第五部分结论与展望。 关键字：a v r ( a t 9 0 s 8 5 1 5 ) 工业实时智能测试系统s c 硬件设计软件设计 一个实时智能测控应璺墨堑 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，t h ep f i n c i p l ea n dd e s i g nm e t h o do f t h ea p p l i c a t i o ns y s t e mo f a v r m i c r o c o n l l e r ( a t 9 0 s 8 5 15 ) f o rt h ei n d u s t r i a l r e a lt i m ei n t e l l e c t i v em 。龉。a n d c o n t r o ls y s t e mo fs t e p p i n g m o t o rw e r es y s t e m a t i c a l l yp r e s e n t e dt h r o u g h f i v ep a r t ： f i r s t i n t r o d u c e dt h ep u r p o s e o ft h es y s t e md e s i g n e d s e c o nd t h ea v r r i s ca r c h i t e c t u r ew a s i n t r o d u c e d t h i r d 山ed e s i g no f h a r d w a r ei nt h ea p p l i c a t i o ns y s t e m w a sd i s c u s s e d f o u n h ，t h ed e s i g n o fs o f t w a r ei nt h ea p p l i c a t i o ns y s t e m w a sd 1 8 。u 8 8 e d n l e1 a s ti st h ec o n c l u s i o n a n ds o m ei n f o r m a t i o na b o u t t h eu s a g eo f t h e8 y s t e 札 k e y w 。r d ：a v r ( a t 9 0 s 8 5 1 5 ) i n d u s t r i a ir e a l t i m ei n t e l l e c t i v e m 。8 8 u 件8 n d c 。n t r 。ls y s t e m r i s c h a r d w a r ed e s i g n s o f t w a 难n 鹳咖 一个实时智能测控应用系统 第一章绪言 一、现代分析仪器现状及其发展趋势 从7 0 年代末到现在，以计算机应用为主要标志的的信息时代来临，对科 学技术发展带来了巨大冲击，以波谱分析、光谱分析、电化学分析、色谱分析 和电镜分析等为主要内容的现代分析仪器已取得了长足进步。现在科学的进步 越来越多地依靠尖端仪器的发展，尤其在生物技术、生物医药、环境科学和材 料科学等领域。 现代分析仪器的发展趋势有以下几点： 1 、品种型号更加齐全； 2 、由通用型向专用型转化： 3 、各种联用技术层出不穷； 4 、小型化、自动化和智能化： 5 、模块化： 6 、虚拟化、网络化。 二、电化学仪器现状以及极谱仪现状 7 0 年代电化学和电分析化学复兴以来，美国一直处于绝对领先的地位，他 们的研究内容集中于科学技术发展的前沿，在注重基础理论研究的同时也相应 的注重仪器的研制，并不断推向市场，在不断的发展中建立和巩固他们的领先 地位。 我国在5 0 年代即开始生产简易的仪器，但近来发展不大，产品规格单一 档次较低且质量较差；特别是在当今微电子技术和计算机技术高速发展形势下， 没有能力进行高技术跟踪。 极谱仪在国内有较好的基础，早期就有电子管脉冲极谱仪，后有7 0 年代未 复旦大学研制的晶体管脉冲极谱仪，9 0 年代初，计算机技术被初步应用，如9 1 年用于油、水界面电化学分析的d s j p 1 微机控制电流扫描极谱仪，9 5 年以阳 极溶出和电位溶出分析为主m c 9 8 a 型多功能极谱仪，它们主要使用计算机系 统控制极谱仪，实时性差，提供的分析方法不够全面。在9 0 年代术，单片机被 逐渐应用到极谱仪上，出现了微计算机控制的各种用途的极谱仪。本系统正是 南开大学砸士研究生单业( 学位) 论文 个实时智能测控应用系统 在这种形势下研制的，它提供真正的实时测试和分析，提供1 4 种电极方法以及 四种分析方法，是目前功能较强大的极谱仪。 本系统采用上下位机模式，单片机为下位机，连接全部传感器，执行机构 等硬件，承担实时测控任务；上位机为i p c ，完成数据存储、处理、分析、计 算等功能及统计处理、人机界面、打印等，做单片机的软件后援。上下位机之 间按照一定规程进行通讯，上位机按照要求，算出每次测量所需要的全部参数。 发送给单片机。这样上下位机发挥各自特长，协调工作，完成整个的系统功能。 下图( 图1 1 ) 为本系统的功能分配图 处理 控制数据 控制 外闹 一p r k 8 5l5lu 电路 yv 显示 r s 。o 。 ，。o数据 图1 1r o t 功能分配简图 下图( 图1 2 ) 为系统下位机端的功能图： 圈1 2f 位机端的功能图 南开太学礓士研究生单业( 荦位) 论文 2 个实时智能测控应用系统 第二章a v r 单片机概述 2 1 r i s c ( 精简指令集) 由于本系统的测控核心采用的是a t m e l 公司的a v r 单片机a t 9 0 s 8 5 1 5 ，而 a v r 单片机的高性能主要是因为其为r i s c 体系结构，所以首先对r i s c 作一些 简单的介绍。 单片机的体系结构有精简指令体系结构( r i s c ) 和复杂指令体系结构 ( c i s c ) 两种。其中r i s c 出现于8 0 年代初期，由于其比传统的c i s c 具有更 高的运行速度，这点使其已成为单片机体系结构发展的必然趋势之 。 传统c i s c 体系结构存在如下缺点： 1 、增加了许多复杂指令的特定要求( 如浮点运算) ，但同时也大大地增加 了硬件的实现难度。 2 、复杂指令与功能较简单的指令同时存取j 二一个程序区，很难实现流水性 操作，降低了机器的整体速度。 相对于c 1 s c ，r i s c 不是简单的简化指令系统，而是通过简化指令系统使 c p u 的结构更加简单合理，从而提高运行速度，其途径是减少指令的执行周期 数( 如a t 9 0 s 8 5 1 5 的大多数指令为单周期指令) ，表现为以下几个特点： ( 1 ) 优先选取使用频率最高的+ 些简单指令，以及一些很有用但不复杂的 指令，避免复杂的指令( 如a t 9 0 s 8 5 1 5 的指令系统没有乘除、长跳转等复杂指 令，m e g a l 2 8 有乘法和长跳转指令) 。 ( 2 ) 指令长度相对固定，指令格式种类较少，寻址种类少而灵活。 ( 3 ) 耿数指令和存数指令访问存储器，其余指令的操作都在寄存a f b j 进 行。 ( 4 ) c p u 通用寄存器数量多，算术逻辑运算指令的操作数都在通用寄存器 中存取，代替了传统的累加器。 南开太学硕士研究生毕业( 学位) 论文 3 一个实时智能测控应用系统 2 2a v r 单片机 2 2 1 a t m e l 的产品特点 a t e l 公司是世界上著名的高性能、低功耗、非易失性和数字集成电路的 一流半导体制造公司。他最令人注目的是它的e e p r o m 电可擦除技术、刚存技术 和高质量、高可靠性的生产技术。a t m e l 的单片机在计算机外部设备、通讯设 备、自动化工业控制、宇航设备、仪器仪表和各种消费类产品种有着广泛的前 景。a t e l 的产品主要有如下特点： ( 1 )以e e p r o m 电可擦除以及f l a s h 技术为主导 e e p r o m 及f l a s h 技术应用于集成电路使一些芯片的应用领域扩大，其中 f l a s hp l d 、f l a s h 存储器、a t 9 0 系列f l a s h 单片机、a v r 增强型单片机、智能 i c 卡等是典型的产品。 ( 2 ) 有多种封装形式和高的质量 封装形式有：d i p 、p g a 、p q f p 、t q f p 、s o i c 、c b g a 、pb g a 和客户专门制 定等。 ( 3 )高标准的质量检测 2 2 2 a v r 单片机概述 美国a t m e l 公司的a v r 单片机是目前市场上最新型的单片机之一，具有执 行高速、指令高效、低电压、低功耗、高驱动、程序加密、适用范围广、开发 工具廉价、可扩展性、可作为用户专用芯片等优点，其采用了f l a s h 技术和精 简指令r i s c 结构，这种结构使其在8 位微处理器市场上具有最高的m i p s m h z 能力，也使其成为在8 位单片机中第一种真正的r i s c 机。 9 0 系列单片机是增强r i s c 内载f l a s hr o m 的单片机，简称为a v r 单片机。 9 0 系列是基于新的精简指令r i s c 结构的，a v r 结构单片机能采用c 语言编程， 从而能高效的开发出目标产品。为了对目标代码大小、性能及功耗的优化，a v r 单片机采用了大型快速存取寄存器文件和快速单周期指令。快速存取r i s c 寄存 器文件由3 2 个通用工作寄存器组成。通用工作寄存器代替传统的累加器，避免 南开大学硬士研究生毕业( 学位) 论文4 一个实时智能测控应用系统 累加器和存储器之i f i 的数据传送。在a v r 单片机中，在前一条指令执行时，就 取出现行指令，然后以一个周期执行指令。 a v r 单片机采用h a r v a r d 结构，它的程序存储器和数据存储器是分开的。 可直接访问8 m 字节程序存储器和8 m 字节数据存储器，寄存器文件被双向映射 并能被访问如同片内允许快速上下转换的那部分s r a m 存储器。 a v r 单片机指令系统是r s c 结构的精简指令集，大多数执行时间位单个时 钟周期，指令系统包括算术和逻辑指令、条件转移指令、无条件转移指令、数据 传送指令、位指令和位测试指令，还有一些汇编伪指令。 指令给出参与运算的数据的方式称为寻址方式。a v r 寻址方式有以下几种 ( 1 ) 单寄存器直接寻址 ( 2 ) 双寄存器直接寻址 ( 3 ) i o 直接寻址( i n 、o u t ) ( 4 ) 带位移的数据间接寻址( 变址寄存器y 、z 加指令中的位移量) ( 5 ) 数据问接寻址( s tx ，r 1 6 ) ( 6 ) 带预减量的数据间接寻址( s t x ，r o ) ( 7 ) 带后增量的数据问接寻址( l dr 1 6 ，x + ) ( 8 ) 常量寻址( l p m ) 、程序直接寻址( j m p 、c a l l ) ( 9 ) 程序间接寻址( i j m p 、i c a l l ) ( 1 0 ) 程序相关寻址( r j t p 、r c a l l ) a v r 单片机采用低功率、非挥发的c m o s 工艺制造，通过s p i 口、j t a g 或一 般的编程器，可以对a v r 单片机的f l a s h 存储器进行编程，使用寿命约为1 0 0 0 次写擦循环。 南井大学磺士研究生毕业( 学位) 论文 5 一个实时智能测控应用系统 2 2 3 a t 9 0 s 8 5 1 5 系列单片机的体系结构 a t 9 0 s 8 5 1 5 是a v r 增强性能r i s c 结构的低功耗c m o s 技术8 位微处理器 具有以下特征： 1 k 一1 2 8 k 字节可下载的f l a s h 存储器，6 4 - 4 k 字节的e e p r o m ，1 2 8 4 k 字节 r a m ，5 - 3 2 条通用的i o 线，3 2 个通用的寄存器，带比较模式的定时器计数器， 可编程的串行u a r t ，内部及外部中断，带内部晶振的可编程看门狗定时器，一 个可供下载程序用的s p i 串行口，l o 位a d 转换器，以及2 个可通过软件选择 的省电模式，闲置模式停止c p u 的工作，而s r a m 、定时器计数器、s p i 口及中 断系统继续工作，掉电模式保留寄存器的内容，但冻结晶振，终止芯片的其它 功能，直至下一次外部中断或硬件复位。 a v r 核为3 2 个通用寄存器与丰富指令集的组合。3 2 个寄存器全部直接地与 运算逻辑单元( a l u ) 连接，这使得可以通过在一个时钟周期内执行一条指令来 访问到两个独立的寄存器。这种r i s c 组合结构具备的代码效率比完成同样处理 能力的常规c i s c 微控制器要快十倍。图2 1 为其内部体系结构框图。 幽2 1a t 9 0 s 8 5 1 5 内部结构图 南开大学硕士研究生羊业( 学位) 论文 6 一个实时智能测控应用系统 第三章系统硬件设计 系统的硬件设计包括写信号改善设计、外部r a m 扩展、外部设备( a d 、中 断) 、外部总线扩展、数字量控制扩展等。在系统中，8 5 1 5 工作在第二模式下， 即a 口复用为低8 位地址和数据总线，c 口为高8 位地址线。见附图l 、2 、3 、 4 。 3 18 5 1 5 写信号的改善 a t 9 0 s 8 5 1 5 向外设写数据时，其数据d a t a 输出和一w r 信号的时序如图3 1 所示，其中t 约为l o n s 左右，相对于7 4 h c 5 7 3 、打印机、液晶( l c d ) 等一般 外设来浇，这个时间长度过短，有时不能将单片机给出的数据锁住，为了使c p l 能正确的向上述一些慢速外设写入数据，就必须日f 移- w r 信号的后沿一段时问 ( 约为几十n s ) 或将8 位数据整体向后延时相同的时间。本文采用的是前一种方 法即用单稳态电路前移- w r 信号的后沿，其具体电路如图3 2 所示，经改善后 的w r 信号和数据的时序如图3 3 所示。 ，山 肪“l f 帆 h - 一 眦a 二j 州一) 一 图3 1 原始写信号时序图 图3 3改善后的写信号时序图 图3 2 写信号改善电路 由丌尢罕明竹咒生半业( 学住) 论文 个实时智能测控应用系统 3 2 外部地址扩展 a 1 9 0 s 8 5 1 5 自身只有内部r a m 4 9 6 字节可供使用，在一般情况下均需要扩展 外部r a i l 。8 5 1 5 具有1 6 位地址总线可扩展外部空间6 4 k ，这样就能够满足本 系统大存储量的需要。图3 4 为外部地址扩展图。 幽3 4外部地址扩展图 我们完全扩展了低3 2 1 ( 的外部r a m ，而没有完全扩展高3 2 k 外部r a m ，使用 了外部地址中的o x 8 0 0 0 o x d f f f ，2 2 k ，共5 6 k 外部r a m 。其他的高端地址提 供给外部口，用来读写外部设备。表3 ，l 为扩展口地址表。 表3 1 扩展口地址表 单元编号单元地址单元功能被控制 u 1 4$ f 1 0 0 控制其他单元锁存或输出使能无 和中断初始化地址 u 1 2$ f 2 0 0 a d 控制和二次扩展口控制u 1 4 - - q 3 控- - o e 地址选通l h u 2 0 $ f 7 0 0二次扩展数据总线u 1 4 - q o 控- - o e 地址选通l h |u t 。$ f 0 0 0外部数据输入总线i u 1 4 一o l 控l h 地址选通一o e u 1 1$ f 3 0 0外部数据输入总线2 u 1 4 - q 2 控l h 地址选通- - o e fu ，5$ f 6 0 0外部中断向量渎入地址选通一i g ，一2 g 南开大学顷士研究生半业( 学位) 论文8 一个实时智能测控应用系统 注：因为a u 、a 1 2 以及低8 位地址均没有参与外部口的扩展，所以每个外部口的地址 不是唯一的。举例说明：o x f l o o _ _ o x f l f f 、o x f 8 0 0 - - - o x f 8 f f 、o x e i o o - - o x e i f f 和o x e 8 0 0 - - o x e 8 f f 都属于外部单元u 1 4 的地址。这样每个外部单元对应某些段寻址， 7 - u a 防止干扰 对特定地址的影响。上表中给出的是程序中使用的地址。 各外部单元控制关系如图3 5 所示。 i ： r 净 p b 5 图3 5 扩展单元控制关系图 南开太学硕士研究生毕业( 学位) 论文 9 一个实时智能测控应用系统 3 3 外部中断扩展 a t 9 0 s 8 5 1 5 有两个外部中断可供使用，而在本系统中，需要很多中断。根据 需要，将i n t o 配置给a d 中断，单独使用，而对i n t l 进行扩展，i n t l 被设置 为上升沿触发，中断扩展如图3 6 所示。 图3 6 中断扩展原理图 在系统中我们扩展了8 个外部中断。其中4 个可直接由外部电平触发，另 外4 个可由8 5 1 5 控制触发，这样的控制可以满足外部不同电平或沿触发中断的 需要，对于电平触发中断，可以通过更改8 5 1 5 控制输入的设置，可以使之在撤 销中断电平时再次触发中断，如果利用定时器，可以测出外部中断脚上脉冲的 宽度，或者对外部脉冲计数。图3 7 说明了电平控制中断的情况。 对于沿触发中断，可以设鼍8 5 1 5 控制输入，使之前沿有效或后沿有效或 上升沿有效或下降沿有效，图3 8 说明了沿触发中断的情况。图中的三个的外 部输入是由h c l 4 7 优先编码器编码输出的，就是说这三b i t 输入对应一个8 一l 的中断。对应情况见表3 2 h c l 4 7 真值表。表3 3 为中断真值表。 南开大学项士研究生毕业( 学位) 论文 i o 个实时智能测控应用系统 外娜t i ，惭 输入i 、 8 5 l t - 拎制 输入t 、 t tj 崽i 输出 【) lt t lt 2t 3 t 4 卜1i f 一 i 一一 广1广1 江：f 眨i u 、卜划1 1 靛- ；i 酣- 志跣獒似 图3 7电平触发中断时序图 随沿柯效氍；? ? 钉放 瓢譬“效黼茁i i “效、弹“ f j 设i “滔f ，| 坡 捌_ t 且 厂 8 五1 5 堂笔4 输入【o l - i i 靳输出 ( 1 0 1 。0 n r 广一 厂一 jljluu 图3 8 沿触发中断时序图 南开大擘硕士研究生卓业( 学位) 论文 1 1 一个实时智能测控应用系统 表3 2h c l 4 7 真值表 输入输出 r - i 8i 7i 61 )i 4i 3i 2；l i 0dcba 1llll1ll i1ll l l1 l11lllo llio l11 lllloxiiol 111111oxx11oo 1l1l10xxxl0l1 lli10xxxx1ol0 l 110xxxxx1001 l l0oxxxxxx1o00 0xxxxxxxxolll 表3 3中断真值表 中断输入中断输出 l 1 2- cba1 71 3i ll o0 2o c b a0 70 2o lo o ；1 xxxxxxx1xxxxx j 0oolon o 。1 1 0olo0n o2 l 001lon o 3 1 0lo0on o 4 1 0l010n o 5 1 01l0 有l 中断 0n o 6 有1 ，中断 f 011lon o 7 注；1 7 的优先级最高，另外7 个中断没有优先级，按设定的固定顺序执行。 南开大学靖士研究生毕业( 学位) 论文 1 2 一个实时智能测控应用系统 3 4a d 扩展 3 4 1a d 输入光电隔离 1 光电耦合器2 4 0 0 的原理图( 图3 9 ) a n o d e v c a t h o d e 3 图3 9光电隔离器原理图 v c c v e v o g n 0 通过光媒介实现电、光、电信号的传输，两端的电源独立时，实现信号的 隔离。光电耦合器即具有电信号隔离功能，又具有线性传输性能，可替代变压 器，进行模拟量的隔离。2 4 0 0 的响应时间在7 0 微妙左右，传输时间快。 2 线性光耦( 图3 1 0 ) 线性光耦由一对隔离信号组成，一个是输出信号，另一个是输入信号的伺 服反馈信号。这对信号高度匹配，要求两个光敏三级管的参数一致。 南开大孳项士研究生单业( 学位) 论文 1 3 一个实时智能测控应用系统 线性光耦的参数： 图3 1 0 线性光耦s l c 8 0 0 输入电流：i f , m a x = 1 5 m a 伺服电流：i p l 输出电流：i p 2 伺服增益：k 1 = i p l i f ，m i n = 0 0 0 3 ，m a x = o 0 1 0 前向增益：k 2 = i p 2 i f ，m i n = 0 0 0 3 ，m a x = 0 0 1 0 传输比：k 3 = k 2 k 1 = l p 2 i p l ，k 3 对应不同i f 应保持不变。传输比的线性 度a k 3 表示k 3 随着i f 和温度的变化的变换量，a k 3 的典型值为0 i 。 3 线性光耦的光导模式应用 图3 1 l 是s l c 8 0 0 在光导模式下的应用电路。 图3 1 1s l c 8 0 0 在光导模式中的应用 其中，管脚3 、4 之间的光二极管通过电阻r 1 将输入信号反馈给u l 。管 南开太学i l l - 士- , l l 轩- 究生毕业( 学位) 论文 1 4 一个实时智能测控应用系统 脚5 、6 之间的二极管用作输出，使用u 2 跟随。 r l 值的大小取决于最大输入电流值i f ( m a x ) ，r 1 的值保证i f = i f ( m a x ) 。 s l c s 0 0 的i f ( m a x ) 是1 5 m a 。 则 r 1 取值举例： 设v i n = 2 v ，k i = 0 0 0 4 ，i f ( m a x ) = 1 5 m a ： i p l = k 1 i f ( m a x ) i p l = ( 0 0 0 4 ) 1 5 m a = 6 0 u a r l = v i n l p l r 1 = 2 ( 6 0 u a ) = 3 3 3 k q 因为k 3 = k 2 k 1 非常接近1 ，我们假定k 3 = 1 ，k 2 = k 1 i p 2 = k 2 i f l p 2 = k 1 i f l p 2 = 6 0 u a 我们可以选择r 2 得到我们需要的输出电压，假定v o u t = 2 v i n ， r 2 = v o u t i p 2 r 2 = 2 2 6 0 u a r 2 = 6 6 7 k q 以下是关系式： v i n = i p l r 1 , o u t = i p 2 r 2 v o u t ，v i n = ( 1 p 2 r 2 ) ( i p l r i ) v o u t v m = ( k 2 r 2 ) ( k l r 1 ) v o u t v i n = k 3 ( r 2 r 1 ) 如果我们知道k 3 ，我们可以选择r 1 和r 2 来决定输出电压v o u t 和输入电 压v i n 的关系。 南开戈擘磺士研究生毕业学位) 论文 1 5 一个实时智能测控应用系统 s l c 8 0 0 的另一种模式是光压模式，如图3 1 2 ，r l 和r 2 的计算同光导模 式输出电压和输入电压的关系同光导模式。 4 频率响应 图3 1 2s l c 8 0 0 在光压模式下的应用 在光导配置下，s l c 8 0 0 最高频响2 0 0 k _ h z ，而在光压模式下，s l c 8 0 0 线性 度更好和噪声更小，但是带宽限制在5 0 k h z 。 南开太学硕士研宽生毕业( 学位) 论主 1 6 一个实时智能测控应用系统 3 4 2 串行输出a d c a d 7 7 0 3 1 a d 7 7 0 3 的特征 2 0 b i t a d c 0 0 0 0 3 线性失真 自校准电路 可编程低通滤波器：0 1 h z 1 0 h z 角频率 o 一2 5 v 或2 5 v 模拟输入 数据输出速度：4 k s p s 灵活的串行接口 低功耗 2 同步内部时钟模式( s y n c h r o n o u ss e l f - c l o c k i n g m o d e s s c ) s s c 模式( m o d e 脚置高) 能使并行数据通信体统中的串并转换电路接口 更容易，能与7 4 x x 2 9 9 系列串行移位寄存器联接而不需额外的解码。也能和那 些允许外部设备提供串口时钟的微处理机相连。 图3 1 3 是s s c 数据传输模式的时序图。 图3 1 3s s c 模式时序图 数据由内部串行时钟锁定。7 7 0 3 将每个采样间隔分成1 6 个分开的周期，8 个周期6 4 个时钟脉冲用来模拟建立，另外8 个周期6 4 个时钟脉冲用来数字计 南开太擘硪士研克生单业( 学位) 论文 1 7 札懈 硼 曼= _ 耋l | | 一二 一个实时智能测控应用系统 算。在每次数字计算周期以前，- - c s 被拉低。如果- - c s 一直保持低，s c l k 将有效，且在输出寄存器里的当前数据字被移出，高位在先，低位在后。在最 后位被移出后，一d r d y 变为高，直到下数据字有效。此时，如果- - c s 一开 始被置低，在数据传输时又被置高，那么s d a t a 和s c l k 将在当前位传输完 成后变为三态。如果- - c s 在随后置低，下一位数据将在随后的数字计算周期内 继续传输。如果传输在下一个数据字有效时没有启动或完成，一d r d y 将保持 四个时钟周期高电平，然后新数据字被装入输出寄存器，一d r d y 被置低。 3 同步外部时钟模式( s y n c h r o n o u s e x t e r n a lc l o c km o d es e c ) s e c 模式( m o d e 脚置低) 是为与工业标准微处理器的同步串口直接接口 而设计的，也适合用户接口，使用i o 口等那些没有与7 7 0 3 其他模式直接适合 的微处理器。 图3 1 4 为s e c 模式的时序图。 图3 1 4s e c 模式时序图 如图所示，- - c s 的下降延使能串行数据输出，m s b 在先。后继的数据位 在外部时钟的下降延改变。在l s b 被传输完后，一d r d y 和s d a t a 变为三态， 如果当一个新的数据字有效时，- - c s 是低电平，且7 7 0 3 正在传输数据，那么 旧的数据字仍被传输，而新的数据字被丢失。 在数据传输过程中，一旦一c s 被拉高，s d a t a 将变为三态。如果- - c s 返 回低，7 7 0 3 将继续相同字的传输。如果传输在下一个数据字有效时没有启动或 完成，一d r d y 将保持四个时钟周期高电平，然后新数据字被装入输出寄存器， 一d r d y 被置低。 南开大学硝士研究主毕业( 学位) 论文 1 8 蠢 一个实时智能测控应用系统 4 两个模式比较 a d 7 7 0 3 将内部时间周期分两个相位：模拟采样和建立时间和数字计算时 间，在s s c 模式下，数据只能在数据计算时间被传输，使数字噪音对模拟性能 的影响最小化：在s e c 模式下，数据传输e h 夕l - 部控制，失去了这种自动保护， 补偿的办法是a d 7 7 0 3 通过c l k i n 同数字系统同步。 5 校准( c a l ) 表3 4 是a d 7 7 0 3 的可用校准模式。 表3 4 校准模式 c a ls c ls c zc a l n _ p ez e r o s c 札ec a 】f u l l s c a iec a i 。 s e q c l e n c e c a i i b r a t i o nt i m e 几 i i b o l l - 。i i、 i ，m 】v h f l 1 。i t 。、p = i i j i ；5 j “w j f 几 jlh q q 1 1 f 玳，t、“1 ms i r i 】l l 正：j 0 、i 岍k i 州 几 j l j 、“ 0 州i ；j p p j ij 6 sh l ? j k hj t 几 j i h 、1 1 1 1 ij 眺l - f 、i x、 ij i i p 、l p n ! i i i ：郸t i l r k i 州 校准的步骤是初始保持c a l 最少四个c l k l n 周期高，然后再拉低c a l 。 s c l 、s c 2 和b p 一u p 将决定校准类型。 上电时校准必须被执行一次，来初始化设备，得到一个一致的初始条件和 正确的校准。图3 1 5 是个简单的r c 电路，在上电时简单的将c a l 拉高。这个 提供电压的电路要求没有任何振荡源，否则，a d 7 7 0 3 的内部电路不能完全识 图3 1 5 上电复位校准电路 南开大擘项士研究生毕生( 学住) 论文 1 9 个实时智能测控应用系统 别相同的复位跳变。 6 a d 7 7 0 3 相关设定 式。 本系统中使用a d 7 7 0 3 如图3 1 6 所示。使用自校准、双极性、内部时钟模 图3 1 6 系统中a d 7 7 0 3 设置 此模式硬件的要求最简单，对外只提供了串行数据和时钟，但是需要提供 高效的软件支持，这点在软件设计中重点介绍。 南开太学项士研究生毕业( 学住) 论文 2 0 一个实时智能测控应用系统 3 4 3 并行输出a d c a d 9 7 6 a 1 a d 9 7 6 a 的特征 快速1 6 位a d c ，1 l s b 为3 0 5u v 2 0 0 k s p s 单电压5 v 工作 输入范围1 0 v 1 0 0 m w 最大功耗 外部或内部2 5 v 参考电压选择 高速并行接口 自带时钟 2 变换控制 a d 9 7 6 a 由刚一c 和- - c s 两个信号控制。刚一c 和- - c s 必须同时置低不 少于5 0 n s ，才能初始化一次转换，使采样保持电路处于保持状态。转换开始， - - b u s y 变低；转换结束，一b u s y 变高，有效结果数据被提供到数据总线。 a d 9 7 6 a j - 电后的第一次变换数据是不确定的。 a d 9 7 6 a 有两种控制模式，一种是- - c s 接地，由r 一c 单独控制，它的时 序图如图3 ，1 7 所示，读数据由一b u s y 控制。 目0 9 v 、 1 1u t 一 h n 一 4 1 1、 b k l l 卜t e f 洲 。 c o u l r e i c o n v e r t i 脚l r ei c o n v e r t h 。 k i f i 。刊 p r e v l o u s xh k zx 器黻嘲m n o t 。x鼢x x 鼢 d t av l l d _ 卜- i t ：，t 卜 一j + k t ” 图3 1 7 变换时序( - - c s 接地) 南开大学硕士研究生单生( 学位) 论文 2 一个实时智能测控应用系统 另一种模式是使用- - c s 控制转换和读数据。在此模式下，刚一c 应该在一 c s 信号的下降延前最少i o n s 时被置低。在最多4 us 后，并行输出数据有效。 为了能够达到最大1 0 0 k h z 2 0 0 k h z 的采样频率，需要每5ps 给一次控制信号。 它的时序如图3 1 8 所示。表3 5 为图3 1 7 和3 1 8 中的时间特性表。 h h，i i i ，。，l f j l f | t _ 叫 t t - i d ， 1 b t u 一 i ， 卜卜k， i c 。h “i # i a c o u i r e i t ，叫 m 一司”2 t 1 4 _ k _ 一 表3 5a d 9 7 6 a 时问特性 图3 1 8 使用- - c s 控制转换和凄数据时序 t i m i n gs p e c i f i c a t i o n s ( a d 9 7 g kf s ；2 0 0k t i z a 0 9 7 6 ：1 h i l z = 柏。c 协+ 8 5 t ：v m ：+ 5v q _ e o m 日_ i i en o t 邮 s m i b dh t t y p m a xu n 、 - 、m c n l 叫”i d t h f i m 1 l h i k i “a l t “r l 、i u - 二、i 、 d t 1 h ， l 二 1 1 _ s y1 ) d a vl r 、mi tr 【p l 、 翻j i y im , a d 、：、 i n - 1 l i ! i ? i yd & a va 1 c rf n dt 、lc 、- 珂、h t n - 剐，t ? 4 、a i ) q ；ni h ：l 甜 廿r r l vd d a y【 l j l n o c n n ni t m c + 、1 ) ，7 n a 、1 ) 、f f 、；p lx7 “4 n rn q u t - r l t mr t m c hi ，| 2d 】 l br d l n q u l hi i m ch 舰【) r i mi t t c 【1 ) a v a l m 、m i m k 、i k 7 。 【1 0 女l】m l “i 1 ，mn a uv a h d 甜时r rt n i 1 1 t ，：l 、 a d t , 7 t l t l i ih r l l 小t t l ti l m oi a d , , f 、n e h - 【_ + “ j t r 穗k n - f i n l v t t 2 im i k t w “nt t 蝴t 、1 hj a l 3 t ，：n a d 7 i r t 1 ： b 叶a l c n , i n ii h d e l a “j l h ? 3 a d 9 7 6 a 双极性数据编码 图3 1 9 说明了a d 9 7 6 a 的双极性数据编码，最高位用作符号位，而零电位 的数据为o x 0 0 0 0 ，为了数据处理的方便，我们对最高位取反，这样取值区间为 o x o o o 舻r _ o x f f f f ，零电位为o x s 0 0 0 。 南开大学硝士研究生毕业( 学位) 论文 2 2 m 3 m m 戤 “ 嗡 一个实时智能测控应用系统 3 a d 9 7 6 a 相关设定 我们在实验中采用第一种单独使用刚一c 控制变换的方法，使用- - b u s y 控制读取数据。我们需要四组a d c 同时采样，每个a d 通过2 个h c 5 7 3 锁存 1 6 位数据，由数据控制单元控制8 个h c 5 7 3 ，使变换结果轮流上数据总线。图 3 2 0 为一组a d 的硬件组织结构说明图。 o o o 0 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 ，o o o v h 一 i n t + ，一a l n r 一) 一n p u tv o l t a g e 图3 1 9a d 9 7 6 a 的双极性编码 图3 2 0 一组a d 组织结构 数拊总线 因为在此结构中，a d 数据每次可以被事先锁存，读取数据不受a d 9 7 6 a 南开太学项士研克生半业( 学位) 论文 2 3 一个实时智能测控应用系统 输出寄存器的影响，数据锁存和数据读取在时间上分离。在每次启动变换前， 我们锁存数据，一旦启动，a d 9 7 6 a 的输出寄存器与h c 5 7 3 之间没有任何关系， 然后可以使能8 个h c 5 7 3 顺序输出，而此时a d 9 7 6 a 输出寄存器的数据可能已 经有效。在r 一c 控制模式下，一b u s y 的电平标志着转换的状态，我们用一 个控制口控制- - b u s y ，从而也就实现了读取数据的控制。这一方法能够满足 我们快速变换采数的需要。在进行必要的数据预处理后，最快速度能达到9 us 左右。图3 2 1 为我们的读控制图，图3 2 2 为数据选择的配置图。表3 6 为数 据选择的真值表。 a d d r 0 1 ( f 2 0 1 t d d l ， i 1 0 、( f 2 ( j t ) ( ，1 “ 图3 2 l一路a d 的数据锁存控制 ；h 蚌 c ：。1 1 2 b 3 ：1 8 图3 2 2数据选择控制原理图 南开大擘珂士研究生单生( 学住) 论文 2 4 吲个孙吨 地8 ，一 一个实时智能测控应用系统 表3 6 ：a d 数据选择真值表 h c l 3 8 输入输出控制5 7 3 cba 一o e oo0a l l oo1a t 2 o l0a 2 l 0lla 2 2 looa 3 t l01a 3 2 l10a 4 l 1lla 4 2 我们采用中断方式实现a d 数据的读取，外部中断0 被单独分配给a d 中断， 我们在每次采数完成，即四组- - b u s y 都变高时，触发中断，执行a d 中断服务 程序。图3 2 3 为a d 中断原理图。 四i f r a d b u s v 输入 h c 2 0 一篇 图32 3a d 中断原理图 南开大学硪士研究生半业( 学住) 话文 2 5 一个实时智能测控应用系统 3 5 系统模拟电路部分 这部分主要涉及电极相关的电压放大、微分电路和多路控制等等。电极相 关部分的电路见附图4 和附图5 ： a d 6 6 9 是1 6 位并行输入d a ，双向缓冲锁存，单极性和双极性可选；下 图3 2 4 是a _ 亡) 6 6 9 的模块功篚图。 图3 2 4 双极性模式的电路连接 我们在本系统种使用的是双极性数据直通模式，图3 2 5 是该模式下的电路 连接。表3 7 是a 3 3 6 6 9 的控制真值表，我们使用的是最后一个，即c s = 0 ，l l = 0 ，l d a c = 1 。 c s c r l o a c r e f 眦 r e f0 u t t m s b l r l s 勘 d b l s0 8 0 v 口+ cv l l d g n d 图3 2 5a d 6 6 9 的模块功能图 s p a n b 咿o f f v o u t g n d 南开大学项士研究生单业( 学位) 论文 2 6 一个实时智能测控应用系统 表3 7 ：a d 6 6 9 控制真值表 c sl ll d a c o p e r a t i o n 1 1 0xf i r s tr m ke n a b l e xixf i r s tr a n kf 。d t c h e d 1xx f i r s tr a l 啦l j t c h e d xxls cc ln jr a n ke n a b l c x t xx t s e c o r t dr a n kl a t c h e d i 1l赳ii _ t c h e st r a n s p a r e n i l x ”= d o d 、t c a 陀 使用两个扩展输入口向其输入对应一定电压值的1 6 b i t s 。a d 6 6 9 输出的电 压对应于各种电极使用模式，图3 2 6 就是各种模式的电压变换图。 单电位阶跃常规脉冲极谱循环阶跃差分常规脉冲阶梯扫描方波伏安溶出伏安 双电位阶跃差分脉冲极谱线性扫描差分脉冲溶出循环伏安循环方波伏安方波溶出 图3 2 6 各种模式下电压变换的图标 由化学变化产生的电压非常小，在微伏数量级；可以通过控制模拟开关， 来改变放大倍数，模拟开关也可以选择电极信号的处理方式。处理方式有以下 几种：常规、一次微分、二次微分以及三次微分。 实际采样实验效果图见附图5 、6 、7 ，8 。 附图5 是方波伏安的扫描曲线；附图6 是线性扫描的扫描曲线：附图7 是 循环伏安的扫描曲线；附图8 是单电位阶跃的扫描曲线。 南开太学硝士研宄生毕业( 学位) 论文 2 7 圾耐心 学 社 乳气肚 姗栅建冉 一个实时智能测控应用系统 3 6 r s 一2 3 2 电平变换 单片机需要用串口与p c 机相连，两者的电平不匹配，需要电平转换器件。 我们选用的是m a x 3 2 2 1 ，它是单路双向电平转换器件，并有控制电路控制两个 方向的通汛。图3 2 7 为电平转换电路原理图。图3 2 8 为m a x 3 2 2 1 的控制信号 图。 姒x 3 2 2