（机械电子工程专业论文）基于网络的智能化仪器的研究和开发.pdf

独创性声明 秉承学校严谨的作风和优良的科学道德，本人声明所呈交的学位论文 是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知， 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，不包含本人或他人已申请学位或其他用途使用过 的成果。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致谢， 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任 论文作者签名：盟堡垒曲哆年；月棚日 保护知识产权声明 本人完全了解西安理工大学有关保护知识产权的规定，即：研究生在 校攻读学位期间，论文工作的知识产权单位属西安理工大学。本人保证 毕监离校蔚，发表论文或使用论文成果时署名单位仍然为西安理工大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅或借阅；学校可以公 布论文的全部或繇分内容，可以采用影印、缩印或其他复和手段保存论 文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：确葭奄导师签名 跏5 年5 月朋日 丝 卑 摘要 论文题目：基王匦络的蟹能丝邀墨 学科名称： 论文作者： 指导教师： 答辩时间： 扭撼电王猩 胡墓姿 鄞俊盎f 教援! 盟昱2 至q q 3 生3 目 签名： 签名： 摘要： 随着微处理器技术的迅猛发展，使得现场测控设备与传统的测量仪器不同，不 仅具有传统的检测功能，而且具有存储、判断、信息处理、实时补偿、臼诊断，白 校正等功能。智能化仪器将传感测量，补偿计算，l ：稃餐处理与控制等功能集成住 现场设备中实现l 斗甥一方面，计算机功能的不断加强和价格的急剧降低，网络技术 得到迅速的发展，网络在测量控制系统中的应用也越来越r 泛。要实现整个企业的 信息、集成，要实施综合自动化，即必须设计能在现场环境远行的、性能可靠、造价 r 1 1 低廉的通讯系统形成工厂底层网络? 。完成现场设备之间的数字通讯，实现底层设 备之间以及生产现场与外界的信息交换。从而实现白动线整体一元化管理，推动白 动加工系统及无人车间的设计、制造，提高生产效率和加工精度。 本课题结合工程实际背景，对基于网络的智能化仪器进行了研究。文章详细的 阐述了以电感测头和光栅为测量元件的智能仪器的组成和原理，对智能化仪器的发 展方向作了研究，并对智能仪器及实时控制系统中经常用到的通讯方式作了开发设 计和分析。该系统的研制具有重要的现实意义乖l g , j 新意义。该系统是根据实际需要 研制而成，系统测试精度高，性能稳定，抗干扰性能强，直接与机床相连，进行快 速控制，参数调整简便。同时也反映了现代仪器的发展方向利趋势，为 一业生产r 过 程的自动化的仪器改良和优化提供了借鉴l 呵耘系统已达到用户提出的技术要求，并 已交付_ l = 户，准备投入批量生产，是工业生产过程的自动化的种较理想的仪器。 关键词： 单片机d s p ，r s 2 3 2 ，u s b ，网 ，测控 西安理工大学硕士研究生学位论文 s u b j e c t ：旦! ；! 鱼! b ! 卫! 旦! ! ! ! i g ! 旦i 卫l ! 丛翼! 旦! b 垒! o nn e t w o r k s p e c i a l i t y ：m e c h a n i c a la n de l e c t r o n i ce n g 工n e e r i n g c a n d i d a t e ：h 堡羔i g 丛 i n s t r u c t o r ：鱼! qi ! 卫ji ! s i g n a t u r e ： s i g n a t u r e ： a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，t h ei n t e l l i g e n ti n s t r u m e n tb a s eo nn e t w o r ki sr e s e a r c h e d w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h et e c h n o l o g ya b o u tt h em i c r o c o n t r o l l e r ，t h ei n t e l l i g e n t i n s t r u m e n th a v em o r ea n dm o r ea d v a n t a g e ，i tc a nn o to n l yi n s p e c t ，b u ta l s os t o r e ，j u d g e ， d i s p o s et h em e s s a g e ，c o m p e n s a t er e a l - t i m e ，s e l f - d i a g n o s e ，s e l f - e m e n d t h ei n t e l l i g e n t i n s t r u m e n ti n t e g r a t em a n yf u n c t i o n sa n dr e a l i z ei n - f i e l d ，s u c ha sm e a s u r e 、c o m p e n s a t i o n c a l c u l a t i o n 、e n g i n e e r i n gp a r a m e t e rd i s p o s e r 、c o n t r o l l i n g o nt h eo t h e rs i d e ，n e t w o r k st e c h n o l o g yi sd e v e l o p e dr a p i d l ya n da p p l i e dw i d e l y w i t ht i l ep r i c ed e c l i n i n ga n dt h ep e r f o r m a n c ee n h a n c i n go ft h ec o m p u t e r w em u s tt a k e f f d la d v a n t a g eo ft h en e t w o r k st e c h n o l o g yt od e s i g nt h ef a c t o r y n e t ，w h i c hc a nw o r k i n f i e l dr e l i a b l ya n db em a d ee c o n o m i c a l l y t i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mc a ne x c h a n g e t i l e m e s s a g e b e t w e e nt h e i n - f i e l dd e v i c e s 、b e t w e e nt h ed e v i c ew i t ht h eo u t s i d e n e t w o r k s i nt h i sp a p e rt h ec o m p o s i n ga n dp r i n c i p l ea n dt h et r e n do ft i l en e t w o r k si n t e l l i g e n t i n s t r u m e n ti sr e s e a r c h e du p o np r a c t i c a lp r o j e c t w eu s et h el v d ta n dm e t r o l o g i c a l r a s t e r a st h em e a s u r ee l e m e n t ，w en o to n l yd e s i g nb u ta l s oa n a l y z ec o m r n u n i c a t i o n s y s t e l n si nc o m m o nu s ea tt h ep r e s e n tt i m e i th a v et h e a c t u a li n n o v a t i v em e a n i n gt h es y s t e mi sd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h e p r a c t i c a lr e q u i r e m e n t i t h a v e h i g hp r e c i s i o n ，s t a b l ep e r f o r m a n c e ，s t r o n g a n t i i n t e r f e r e n c ea b i l i t yi tc a nb ej o i n e dt on cd i r e c t l y ，i tc a nc o n t r o lt h em a c h i n e r a p i d l y a n di t sp a r a m e t e rc a nb er e g u l a t es i m p l y t h en e t w o r k si n t e l l i g e n ti n s t r u m e n tr e f l e c t st h ed e v e l o p i n gd i r e c t i o na n dt r e n d s o f t l a em o d e r ni n s t r u n q e n t t h i ss y s t e mm e e tt h eu s e r st e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o n ，a n dh a v e b e e np l a c e di no p e r a t i o na l r e a d y ，r e a d yt ob e e np u ti n t om a s sp j o d u c t i o n i ti sap e r f e c t i n s t r u l n e n ti nt h ea u t o m a t i ci n d u s t r yp r o d u c t i o np r o c e s s k e y w o r d s ：m i c r o c o m p u t e r ，d s p ，r s 2 3 2 ，u s b ，n e t w o r k sc a r d s ，m e a s u r ea n d c o u t r 0 1 第一章绪论 第一辈绪论 1 1 选题的意义 隧辫微处理器按术的迅猛发展，以微处遐器为核心进行工作的智能 仪器锵副充分的发滏，智能仪器舆有强大酾羧制和数据疑疆功能，使镄 量仪器在实现全盘自动化、改善性能、增强功能以及提高精度和可靠性 方面发生了大的变擎。另外一方蕊睫藿互联网的应用r 益秘及，信息共 享汝趱凄不繇提高。魏何通过互联网共享戳攀片税应霸系统为中心弱小 型嵌入式设备的信息，成为当今电子界的热门话题。 传统的互联网j 甏用是以p c 为中心：中高速、高精度连续采样系统幽 予最集豹数撵量大，逶霉涛控潮和数鬟逶遥郝分皴残校卡戆形式，占蠲 p c 的个i s a 或p c i 总线扩展槽，通过i s a 或p c i 总线的高速数据传 输( 往往通过上述总线的d m a 模式) 实现p c 与采样系统的大容量；数 提交羧。但是，这耱内羲式形式缀容爨受到p c 撬羲内高耱浮挽的影嘲， 降低系统的采样精成和稳定性。 如今，互联网应用正在转到以嵌入式设备为中心。i a ( i n t e r n e t a p p l i a n c e ) 壤念褒程麓为凌 亍了”游壤l 耋程控剃整个系统微成9 饕式形式， 充分利用单片机以疑体积小、价格低、易操作、性能稳定簿特点在智能 仪器、测控系统等方面得到了广泛应用的优势，不仅能够提高系统的采 样壤度翻稳定性，逐麓增强系统熬灵涯牲，溺时还育铡予系统瓣终护。 这表明互联网应用避入嵌入式互联网的时代已经来临。所以，对于基于 网络的智能化的仪器的研究有着十分重要的崽义 智熊设备( 至少包含一灏戳c u 或d s p ) + 懿家震电器、工监控制装 置竣仪器、安全益控系统、汽车电子等，如巢具备了i n t e r n e t 接入能力， 将会对产品性能，特别是对产品服务有极大的提高。无论是对智能设备 的用户还是生产齑，都将会从中获利，最酱遮的方式如：馒j ； l 者对智熊 设备实施远程釜控和管理，生产裔对智能设备进行远程监视、维护和媛 西安理s - 大学硕士研究生学位论文 障诊断等。智能设备与i n t e r n e t 的结合，将使i n t e r n e t 技术延伸到更为广 泛的应用领域 1 2 国内外研究现状和前景 近几年来，工业测控领域发生了很大的变化，新的高性能的测量元 件不断涌现，传感器技术迅猛发展，另一方面，智能设备的处理控制单 元也得到发展，使用最先进的单片机开发高档次的仪器，促进现代工业 的发展，成为电子工程师急迫的任务。 网络化仪器是适合在远程测控中使用的仪器。这是计算机技术、网 络通信技术与仪表技术相结合所产生的一种新型仪器。许多仪器仪表具 有远程通信能力，这是早就知道的事情，不过最近这几年正发生着许多 新的、重要的变化，最重要的一点是扩展了w e b 技术的应用，特别是扩 展了传输控制协议网络协议( t c p i p ) 、浏览器和嵌套服务器的应用。 比如，通过g p i b e n e t 转换器、r s 2 3 2 r $ 4 8 5 t c p i p 转换器，将数据 采集仪器的数据流转换成遵循t c p i p 协议的形式，然后上 i n t r a n e t i n t e r n e t 网：而基于t c p i p 的网络化智能仪器则通过嵌入式 t c p i p 软件，使现场变送器或仪器直接具有i n t r a n e t i n t e r n e t 功能。它 们与计算机一样，成了网络中的独立节点，很方便地就能与就近的网络 通信线缆直接连接，而且“即插即用”，直接将现场测试数据送上网；用 户通过浏览器或符合规范的应用程序即可实时浏览到这些信息( 包括处 理后的数据、仪器仪表的面板图像等) 。据网络专家预测，将来在互联网 上传输的信息中，有7 0 的是来自小型嵌入式系统， 1 3 论文的内容和主要工作 本课题结合工程实际背景，以中原量仪有限公司的实际需要研制出 一套测控仪器。主要内容有：对基于网络的智能化仪器进行了研究。对 智能化仪器的发展方向作了研究，并对智能仪器及实时控制系统中经常 用到的通讯方式作了开发设计和分析。本文将智能仪器和网络化有机的 第一章绪论 结合起来，充分利用微处理器和网络的优势，挖掘其潜能，增强和优化 现场测量仪器的功能。 第一部分为绪论，阐述了研究工作在国民经济中的实用价值和理论 意义；本研究课题范围内，国内外现有的发展状况和发展前景等。 第二部分中分析了传统测量仪器的缺点和局限性，详细论述了智能 仪器的组成和优越的功能，智能化仪器中各种微处理器及其发展情况和 前景作了介绍和分析，对于开发和设计嵌入式操作系统的处理器的选择 和设计有一定的参考意义。 第三部分中阐述了什么叫做网络化的智能仪器及其实现的途径。普 通计算机网络是以资源共享，特别是信息资源共享作为目标的，围绕计 算机网络发展起来的各种通讯技术也都是为这个目标服务的。但是计算 机网络引入到工业控制中时，资源共享不再被强调，而实时性、可靠 性及可扩展性的要求却很高。因此工业测控局域网的通讯技术既有于普 通局域网相似之处，又有自己的许多特点。本课题对多微机智能仪器经 常用到的通信方法作了开发设计和分析 第四部分详细的论述了作者采用单片机技术，串行通讯技术采用c 语言编程实现的一个操作简便、功能完备的数控机床在线测量与控制系 统，用于零件加工过程的在线测量和控制。介绍了该系统的优越性，阐 述了该系统的设计方案和实现原理，并分析和测试该系统的测量精度和 误差。 第五部分介绍了测量系统的软件流程，在软件的设计过程中处处体 现着智能仪器的特点。 第六部分讲述了系统采用的抗干扰技术，硬件电路的抗干扰措施 以及软件抗干扰设计，重点阐述了使用的软件滤波算法的种类以及设计 中根掘实际情况的综合使用。 西安理工大学硕士研究生学位论文 第二章智能化仪器原理及组成 2 1 智能化仪器概述 2 1 1 测量仪器的发展趋向 近2 0 年来，仪器仪表发展尤为迅速，特别是这些年来计算机技术迅 猛发展，广泛渗透到仪器仪表领域，出现崭新的一代仪器仪表智能 仪器、虚拟仪器和网络化仪器。 a 智能仪器 智能仪器是将人工智能的理论、方法和技术应用于仪器，使其具有类 似人智能特性或功能的仪器。为了实现这种特性或功能，智能仪器中一 般都使用嵌入微处理器的系统芯片( s o c ) 、或数字信号处理器( d s p ) 及专用电路( a s i c ) ，仪器内部带有处理能力很强的智能软件。仪器仪表 已不再是简单的硬件实体，而是硬件、软件相结合，软件在仪器智能高 低方面起重要作用的新型仪器。 b 虚拟仪器 虚拟仪器是充分利用计算机技术，并可由用户自己设计、自己定义的 仪器。它通常由计算机、仪器模块和软件三部分组成。仪器模块的功能 主要靠软件实现，通过编程在显示屏上构成波形发生器、示波器或数字 万用表等传统仪器的软面板，而波形发生器发生的波形、频率、占空比、 幅值、偏置等，或者示波器的测量通道、标尺比例、时基、极性、触发 信号( 沿口、电平、类型) 等都可用鼠标或按键进行设置，如同常规 仪器一样使用，不过，虚拟仪器具有更强的分析处理能力。随着计算机 技术和虚拟仪器技术的发展，用户只能使用制造商提供的仪器功能的传 统观念丁f 在改变，而用户自己设计、定义的范围进一步扩大；同一台虚 拟仪器可在更多场合应用，比如既可在电量测量中应用，又可在振动、 运动和图像等非电量测量中应用，甚至在网络测控中应用。 软件技术是虚拟仪器的核心技术。常用的仪器用丌发软件有 - 4 - 一 - 第二章智能化仪器原理及特，自 l a b v i e w 、l a b w i n d o w s c v i 、v e e 等等。这些软件已相当完善，而且还 在升级、提高。以l a b v i e w 为例，这是基于图形化编程语言g 的开发 环境，用于如g p i b 、v x i 、p x i 、p c i 仪器及数据采集卡等硬件的系统构 成，而且，具有很强的分析处理能力。去年，l a b v i e w6 i 问世，将智能 化测量与控制技术进一步扩展到了i n t e r n e t 网。 c 网络化仪器与远程测控 网络化仪器是适合在远程测控中使用的仪器。这是计算机技术、网络 通信技术与仪表技术相结合所产生的一种新型仪器。许多仪器仪表具有 远程通信能力，这是早就知道的事情，不过最近这几年f 发生着许多新 的、重要的变化，最重要的一点是扩展了w e b 技术的应用特别是扩展 了传输控制协议网络协议( t c p i p ) 、浏览器和嵌套服务器的应用。 本文将智能仪器和网络化有机的结合起来，充分利用微处理器和网络 的优势，挖掘其潜能，增强和优化现场测量仪器的功能。 2 2 2 智能测控仪器的原理和特点 a 智能测控仪器的基本组成【8 】 图2 - 1 智能化测量控制仪器的基本组成 智能，七仪器实际上是一个专用的微型机算机系统，它出硬件和软件两 大部份组成。智能化测量控制仪器的基本组成如图2 1 所示。 测量单元是智能仪器的比不可少的一个部分，其精度直接影响到整个 西安理工大学硕士研究生学位论文 系统的精度和准确性，论文研究和采用的是差动变压器式的电感测头以 及数字输出的金属光栅，模拟式输出的需要采用a d 转换成数字量后再 输入到处理器芯片中。课题设计的电感测头的测量系统采用的是a d l 6 7 4 芯片。 智能化仪器的软件部分主要包括监控程序和接口管理程序两部分。 监控程序接口管理程序 l 、通过键盘操作输入并存储所设置i 、要面向通讯接口。 的功能、操作方式与工作参数；2 、其内容是接收并分析来自通汛接 2 、通过控制i o 接口电路进行数据口总线的各平叶，有关功能、操作方式 采集，对仪器进行预定的设置；与工作参数的程控操作码： 3 、对数据存储器所纪录的数据和状3 、并通过通讯接口输出仪器的现行 态进行各种处理：工作状态及测量数掘的处理结果， 4 、以数字、字符、图形等形式显示以响应计算机的远程命令。 各种状念信息以及数据处理结果。 表2 1智能测控仪器的软件组成 b 智能测控仪器的特点 因为c p u 处理单元有着运算，控制，通讯功能，所以与传统的电了 仪器相比较，智能仪器具有以下几个主要特点： ( 1 ) 友好的人一机对话。 ( 2 ) 记忆信息。 ( 3 ) 处理信息：按设置的程序对测得的数据进行算术运算，求均值、对数、 方差、标准偏差等数学运算f f t 变换，求解代数方程，比较、判断、推 理等。 ( 4 ) 自检自诊断。 ( 5 ) 自补偿自适应，自校准自学习。 f 7 1 控制：以分析、比较和推理的结果输出相应的控制信息。 ( 8 通讯接口，可以很方便的与计算机和其他仪器一起组成网络化的自动 第二章智能化仪器原理及特点 测控系统，完成更复杂的测控任务。 2 2 智能化仪器中各种微处理器 2 2 1 单片机技术的发展 自单片机出现至今，单片机技术已走过了近2 0 年的发展路程。纵观 2 0 年来单片机发展历程可以看出，单片机技术的发展以微处理器( m p u l 技术及超大规模集成电路技术的发展为先导，以广泛的应用领域拉动， 表现出较微处理器更具个性的发展趋势。单片机在出现时，i n t e l 公司就 给其单片机取名为嵌入式微控制器( e m b e d d e d m i c r o c o n t r o l l e r ) 。单片机的 最明显的优势，就是可以嵌入到各种仪器、设备中。这一点是巨型机和 网络不可能做到的。 用单片机开发的产品可以稳定可靠地工作十年、二十年。随着半导体 技术的飞速发展，m p u 更新换代的速度越来越快，以3 8 6 、4 8 6 、5 8 6 为 代表的m p u ，很短的时间内就被淘汰出局，而传统的单片机如6 8 h c 0 5 、 8 0 5 1 等年龄已有1 5 岁，产量仍是上升的。这一方面是t j ：l 于其对相应应用 领域的适应性，另一方面是出于以浚类c p u 为核心，集成以更多i o 功 能模块的新单片机系列层出不穷，使单片机队伍不断壮大，给刚广- 带来了 更多的选择余地。 a 发展特点 ( 1 ) 单片机速度越来越快：m p u 发展中表现出来的速度越来越快是 以时钟频率越来越高为标志的。而单片机则有所不同，为提高单片机抗 干扰能力，降低噪声，降低时钟频率而不牺牲运算速度是单片机技术发 展的追求。一些8 0 5 1 单片机兼容厂商改善了单片机的内部时序，在不提 高时钟频率的条件下，如使用了琐相坏技术或内部倍频技术使内部总线 速度：犬大高于时钟产生器的频率，使运算速度提高了很多。 ( 2 ) 低电压与低功耗：自8 0 年代中期以来，n m o s 一艺巾片机逐渐 被c m o s 工艺代替，功耗得以大幅度下降，随着超大规模集成电路技术 西安理工大学硕士研究生学位论文 由3 “m 工艺发展到1 5 、1 2 、o 8 、o 5 、o 3 5 近而实现o 2 p m 工艺，全静 态设计使时钟频率从直流到数十兆任选，都使功耗不断下降。m o t o r o l a 最 近推出任选的mc o r e 可在1 8 v 电压下以5 0 m 4 8 m i p s 全速工作，功 率约为2 0 m w 。几乎所有的单片机都有w a i t 、s t o p 等省电运行方式。允 许使用的电源电压范围也越来越宽。一般单片机都能在3 到6 v 范围内工 作，对电池供电的单片机不再需要对电源采取稳压措施。低电压供电的 单片机电源下限己由2 7 v 降至2 2 v 、1 8 v 。o 9 v 供电的单片机己问世。 ( 3 ) 低噪声与高可靠性技术：为提高单片机系统的抗电磁干扰能 力，使产品能适应恶劣的工作环境，满足电磁兼容性方面更高标准的要 求，各单片机商家在单片机内部电路中采取了一些新的技术措施。如美 国国家半导体n s 的c o p 8 单片机内部增加了抗e m i 电路，增强了“看门 狗”的性能。m o t o r o l a 也推出了低噪声的l n 系列单片机。 ( 4 ) 8 位、1 6 位、3 2 位单片机共同发展 b 国外国内发展情况 总体一卜_ 看，美国著名公司的单片机技术仍处在领先的地位，特别是在 高端产品方面，高性能的单片机新产品不断推出。而r 本在单片机制造 业方面有也相当的优势，也在积极争夺家电产品的大客户。韩国及我国 台湾省的一些公司在引进消化美国技术的基础上，以低价位的兼容产品 抢占中圈市场。而至今还没有一家中国大陆的公司能在如此浩大的单片 机市场上占有一席之地，这不能不说是我国电子工业的悲哀。另一方面 如此琳琅满目、让人眼花缭乱的单片机品种，着实给单片机应用的工程 师提供了巨大的选择空间。这么多种单片机能进入中国市场，这一实事 就晚明了我们的应用工程师已经能够综合各类单片机的性能、价格等方 而的因素并结合应用对象进行选择。较过去以剖析、复制外国产品为主 的思路有了相当的改进。随着我国经济实力的增长，丌发新产品的思路 上过去那种过多注重价格因素而使新产品开发上不了档次的弱点有所改 善，开始注意使用当前最先进的单片机丌发高档次的产品。 第二章智能化仪器原理及特， 2 2 2i n t e l 5 l 系列 8 0 5 1 系列微处理器基于简化的嵌入式控制系统结构被广泛应用于从 军事到自动控制再到p c 机上的键盘上的各种应用系统上仅次于 m o t o r o l a6 8 h c l l 在8 位微控制器市场上的销量很多制造商都可提供 8 0 5 l 系列单片机像i n t e lp h i l i p ss i e m e n s 等这些制造商给5 1 系列单片 机加入了大量的性能和外部功能像1 2 c 总线接口模拟量到数字量的转换 看门狗p w m 输出等不少芯片的工作频率达到4 0 m 工作电压下降到 1 5 v 基于一个内核的这些功能使得8 0 5 1 单片机很适合作为厂家产品的 基本构架它能够运行各种程序而且开发者只需要学习这一个平台。 8 0 5 1 系列的基本结构如下 一个8 位算术逻辑单元： 3 2 个i o 口4 组8 位端口可单独寻址； 两个16 位定时计数器； 全双工串行通信： 5 个中断源两个中断优先级； 1 2 8 字节内置r a m ： 独立的6 4 k 字节可寻址数据和代码区： 2 2 3d s p 系列 伴随着信。自、社会的数字化浪潮，数字信号处理技术成为数字化社会最 重要的技术之一。数字信号处理系统是接收模拟信号，如光和声，将其 转化为数字信号0 和1 ，以进行实时的数字技术处理。d s p 可以代表数 字信号处理技术( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s ) ，也可以代表数字信号处理器 ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) ，其时两者不可以分割，自者是理论上的技术， 后者是前者的实际实现。两者结合起来就成为解决实际问题的方案。一 般而言通常所指的d s p 为数字信号处理器。 d s p 作为d i s g i t a ls i n g a lp r o c e s s o r ( 数字信号处理器) 的缩写，属于 西安理_ t - 大学硕士研究生学位论文 m p u 微处理器)的一种，它活跃于声音压缩，图象压缩等数字压缩技 术领域，能将声音、图象、温度、压力等种种模拟信号高速转变成数字 信号。例如：在近年发展极为迅速的便携电话中，d s p 将话音模拟信号 高速数字化，在通过代码压缩而发送，接收端再经由d s p 把压缩的数字 信号复员、伸展成模拟信号。d s p 技术曾首先用于军事的声音和雷达、 监测和监听设各，以及气象卫星、地震监测器等。8 0 年代开发出通讯产 品，逐步进入民用产品领域。目前，用于通信的占一半以上，计算机、 消费类电子产品、交通工具等应用也不少，并都保持着r 益增长的趋势。 a 单片机与d s p 的比较 在过去的几十年里，单片机的广泛应用实现了简单的智能控制功能。 随着信息化的进程和计算机科学与技术、信号处理理论与方法等的迅速 发展，需要处理的数据量越来越大，对实时性和精度的要求越来越高， 低档单片机己不再能满足要求。近年来，各利- 集成化的单片d s p 的性能 得到很大改善，软件和开发工具也越来越多越来越好：价格却大幅度 下滑，从而使得d s p 器件及技术更容易使用，价格也能够为广大用户接 受：越来越多的单片机用户丌始选用d s p 器件来提高产品性能，d s p 器 件取代高档单片机的时机已经成熟。下面从性能、价格等方面对单片机 和d s p 器件进行比较，在此基础上，以t t 的t m s 3 2 0 c 2 x x 系列d s p 器件为例，探讨d s p 器件取代单片机的可行性。 f 1 ) 单片机的特点 所谓单片机就是在一块芯片上集成了c p u 、r a m 、r o m ( e p r o m 或 e e p r o m l 、时钟、定时计数器、多种功能的串行和并行i o 口。如i n t e l 公司的8 0 3 l 系列等。除了以上基本功能外，有的还集成有a i d 、d a ， 如i n t e l 公司的8 0 5 1 系列。概括起来晓，单片机具有如下特点：具有位 处理能力，强调控制和事务处理功能。价格低廉。如低档单片机价格只 有人民币几元钱。开发环境完备，丌发工具齐全，应用资荆众多。后备 人才充足。国内大多数高校都开设了单片机课程和单片机实验。 第二章智能化仪器原理及特点 f 2 ) d s p 器件的特点 与单片机相比，d s p 器件具有较高的集成度。d s p 具有更快的c p u ， 更大容量的存储器，内置有波特率发生器和f i f o 缓冲器。提供高速、同 步串口和标准异步串口。有的片内集成了a d 和采样保持电路，可提供 p w m 输出。d s p 器件采用改进的哈佛结构，具有独立的程序和数据空间， 允许同时存取程序和数据。内置高速的硬件乘法器，增强的多级流水线， 使d s p 器件具有高速的数据运算能力。d s p 器件比1 6 位单片机单指令 执行时间快8 1 0 倍，完成一次乘加运算快1 6 3 0 倍。d s p 器件还提供 了高度专业化的指令集，提高了f f t 快速傅里叶变换和滤波器的运算速 度。此外，d s p 器件提供j t a g 接口，具有更先进的丌发手段，批量生 产测试更方便，开发工具可实现全空间透明仿真，不占用用户任何资源。 软件配有汇编链接c 编译器、c 源码调试器。 b d s p 硬件结构特点 ( 1 ) h a r v a r d 结构：程序与数据存储空间分开，各有独立的地址总线和 数掘总线，取指和读数可以同时进行，从而提高速度，目前的水平已达 到9 0 亿次浮点运算秒( 9 0 0 0 m f l o p s ) 。 ( 2 ) 采用流水作业( p i p l i n e ) 。 ( 3 ) 独立的硬件乘法器：乘法指令在单周期内完成，优化卷积、数字 滤波、f f t 、相关、矩阵运算等算法中的大量重复乘法。 ( 4 ) 循环寻址( c i r c u l a ra d d r e s s i n g ) ，位倒序( b i t r e v e r s e d ) 等特殊指 令，使f f t 、卷积等运算中的寻址、排序及计算速度大大提高。1 0 2 4 点f f t 的时间已小于l 恤s 。 ( 5 ) 独立的d m a 总线和控制器：有一组或多组独立的d m a 总线， 与c p u 的程序、数据总线并行工作，在不影响c p u 工作的条件下，d m a 速度已达8 0 0 m b y t e s 以上。 ( 6 ) 多处理器接口使多个处理器可以很方便的并行或串行j ：作以提 高处理速度。 西安理_ t - 大学硕士研究生学位论文 f 7 ) j t a g ( j o i n tt e s ta c t i o ng r o u p ) 标准测试接口( 1 e e e1 1 4 9 标准 接口) 便于对d s p 作片上的在线仿真和多d s p 条件下的调试 c d s p 软件特点 立即数寻址，直接寻址，间接寻址，倒序寻址，循环寻址实现零丌销的循 环，大大增进了如卷积、相关、矩阵运算、f i r 等算法的实现速度，以及 独特的乘法指令。 d d s p 器件大规模推广指日可待 从应用角度看：d s p 器件是运算密集型的，而单片机是事务密集型的， d s p 器件可以取代单片机，单片机却不能取代d s p 。d s p 器件价格大幅 度下滑，直逼单片机。d s p 器件广泛使用了j t a g 硬件仿真，比单片机 更易于硬件调试。国产化的d s p 开发系统为更多用户采用d s p 器件提供 了可能性。d s p 取代单片机的技术和价格的市场条件已经成熟，大规模推 广指同可待。 d s p 器件作为一种具有高速运算能力的单片机，随着性能不断改善， 用其来作实时处理已成为当今和未来技术发展的一个新热点。 d s p 技术的不断完善各种d s p 器件的不断推出，将为实时数字信 号处理的应用创造前所未有的广阔空f n j 。单片机用户在硬件和软件方面 的设计经验可使他们很容易从单片机升级到d s p 。 2 2 4a v r 系列单片机 a t m e l 的a v r 系列单片机是一个优秀的r i s c 结构单片机系列。a v r 的机器周期为1 个时钟周期，绝大多数指令为单周期指令，因此每m h z 时钟有接近1 m i p s 的性能。内置上电复位电路和看门狗定时器 ( w a t c h d o g ) 电路，在提高产品可靠性的同时降低了电路的成本。部分 a v r 单片机与m c s 5 1 系列单片机管脚兼容，如a t 9 0 s 1 2 0 0 2 3 1 3 刘应 a t 8 9 c 1 0 5 1 2 0 5 1 ，a t 9 0 s 4 4 1 4 8 5 1 5 对应a t 8 9 c 5 1 5 2 。因此可以做到一 套p c b 板对应两套电路，增加了用户备货的可选择性和灵活性。 a a v r 的存贮器配置 一1 ， 第= 章智能化仪器原理及特，# 程序存贮器与数据存贮器有分丌的总线，程序可以高效地执行 8 m h z 频率下工作的a v r 相当于2 2 4 m h z 频率下工作的m c s 5 1 。内置 可重复编程的f l a s h 程序存贮器和e e p r o m 数据存贮器，支持对单片 机的在系统编程( i s p ) 。在生产中可以“先装配后编程”，从而缩短工艺 流程和节约购买万用编程器的费用，并且可以方便地升级或修改程序。 而a v r 的存贮器在物理结构上可分为五个部分( a t 9 0 s 8 5 15 为例) ： ( 1 ) 、程序空间( 0 0 0 h f f f h ) ，访问时用l p m 指令访问。 ( 2 ) 、片内数据存贮器( 0 0 6 0 h 0 2 5 f h ) ，访问时用s t s 、l d s 和s t 、 l d 指令访问。 ( 3 ) 、片外数据存贮器( 0 2 6 0 h f f f f h ) ，访问时用s t s 、l d s 和s t 、 l d 指令访问。 ( 4 ) 、3 2 个通用寄存器r 0 r 3 1 ，它们之间数掘传送可使用m o v 指令。 ( 5 ) 、i o 寄存器( 0 0 h 一3 f h ) ，使用i n 、o u t 指令防问。 数据存贮器( 0 0 0 0 h 0 0 5 f h ) 这部分地址空阃并不空闲，其被映射为 通用寄存器( r 0 - r 3 1 ) 和i o 寄存器的数据空洲地址，具体为：3 2 个通 用寄存器，直接映射到数据存贮器的0 0 0 0 h 0 0 1 f h ；6 4 个i o 寄存器， 直接映射到数掘存贮器空问的0 0 2 0 h 一0 0 5 f h 。这种映射关系大大增珀! 了 a v r 指令的灵活性，一方面对寄存器可以象s r a m 一样地访问：另一方 面对寄存器的访问时，也可以使用x 、y 和z 寄存器作为索引，从而大 大提高了访问寄存器的灵活性。 在m c s 5 l 中外部s r a m 是使用专用的“m o v x ”指令访问的，而在 a v r 中访问片内或片外s r a m 使用相同的指令，当访问数掘空问的地址 超过片内s r a m 范围时，会自动选择片外的空问。 b 堆栈工作方式 m c s 5 1 的堆栈是一个由堆栈指针寄存器s p ( 单字节) 控制的向上生 长型堆栈，即将数据压入堆栈时s p 增大。在a v r 系列单片机的堆栈同 样是受s p 寄存器控制，而堆栈的生长方向与m c s 5 1 是不相同的，其向 西安理工大学硕士研究生学位论文 下生长，即将数据压入堆栈时s p 减小。另外要注意以下几点： ( 1 ) 、m c s 5 1 的堆栈空间只能放置在片内的s r a m 中，而a v r 的堆 栈空间既可以放置的片内s r a m 中，也可以放置在片外s r a m 中。 ( 2 ) 、a v r 的s p 寄存器，对不支持外部s r a m 的单片机为一个字节 长度，对支持外部s r a m 的单片机为两个字节长度( s p l 、s p h ) 。 ( 3 ) 、为了提高速度，一般在初始化s p 时，将其定位于内部s r a m 的顶部( 如对8 5 1 5 ，为0 2 5 f h ) 。 ( 4 ) 、a t 9 0 s 1 2 0 0 不支持软件堆栈( 即由s p 控制堆栈) ，其包含了一 个三级深度的硬件堆栈。 ( 5 ) 、在对a v r 编程时一定要对s p 进行初始化，否则很可能出现在 a v rs t u d i o 中模拟调试正常，而程序下载到芯片后程序却不工作的现象。 c a v r 和m c s 5 1 定时器的对比 在m c s 5 1 中，定时计数器有两种基本用法，即以晶振频率的十二分 频信号为输入的定时器工作方式，和以外部引脚i n t 0 、i n t l 上的信号 为输入的计数器工作方式。 在a v r 中有两个定时器t o 和t 1 ( a t 9 0 s 1 2 0 0 只有一个t o ) ，t o 的 功能与m c s 5 1 相似：而t l 的功能很强，除了普通的定时，计数功能外， 还有一些增强的功能，如：比较匹配a 、比较匹配b 、由i c p 引脚或模 拟比较器触发的捕捉功能、8 1 0 位的p w m 调制器。 a v r 的定时训数器用作定时器时，其输入信号为晶振频率的某一个 分频信号，分频比为1 、8 、6 4 、2 5 6 、1 0 2 4 五种：作为计数器使用时， 既可上升沿触发，也可下降沿触发。 定b ? 计数器功能大大增强，串口通信时波特率发生不占用定时器。 d a v r 和m c s 5 1 中断系统的对比 m c s 5 1 有六个中断源( 5 个中断入口地址) ，分两个优先级，并且是 通过i e 寄存器控制中断的使能，通过i p 控制中断的优先等级。而在a v r 中，根据不同的单片机有不同数量的中断源，典型的a t 9 0 s 8 5 1 5 有1 2 第二章智能化仪器原理及特， 个中断源，这1 2 个中断源各自有自己的中断向量入口地址。a v r 通过寄 存器g i m s k 和t i m s k 及s r e g 来控制中断使能，其中s r e g 的d 7 位 i 是全局中断使能标志。在a v r 中只有全局中断控制位和某一特定中断 控制位同时使能，中断才会起作用。 在a v r 中没有专门的中断优先级控制寄存器来区分中断的优先等 级，用户可在中断服务程序中通过使能全局中断i 来使系统响应高优先 级的中断。具体的做法：是当a v r 单片机响应任何个中断时，硬件会 禁止全局中断i ，从而禁止系统响应其它中断，而当从中断服务程序中退 出时硬件重新使能全局中断i ：而当我们在中断服务程序中用s e i 指令扣 开全局中断使能时，系统在没有退出中断服务程序的情况下又恢复了列 中断的响应能力，从而可以响应高优先级的中断。另外在同一优级中 入口地址较低的中断优先级较高。 注意：看门狗电路的振荡器为内部r c 振荡器，其振荡频率受电压影 响，在d c 5 v 时，约为1 m h z 。在a v r 中有一条指令w d r 柬清除霜门 狗定时器，在c 语言中对应为一w d r ( ) 或w d r ( ) 函数。 e a v r 和m c s 5 l 中串口通信u a r t 功能的对比 在m c s 5 l 中串口通信的波特率发生需要使用一个定时器，而且支持 的波特率也较低。a v r 单片机可以有较高的波特率，最高波特率可达 1 15 2 0 0 ，而且有专用的波特率发生器。注意a t 9 0 s 1 2 0 0 没有u a r t ，只 能用软件模拟串口通信。 在a v r 中用于u a r t 的寄存器主要有以下几个：接收和发送数掘寄 存器u d r 、状态寄存器u s r 、控制寄存器u c r 和波特率寄存器u b r r 。 u d r 寄存器由两个物理上分丌的寄存器共享同一个地址，写入数据时是 写到发送寄存器，读出数掘时是读取接收寄存器。 2 2 5 其他 a p i c 系列 例如p i c l 6 c 5 2p i c l 6 c 5 4 s p l c l 6 c r 5 4 s p i c l6 c 5 5s ，l5 西安理工大学硕士研究生学位论文 p i c l 6 c r 5 8 s ，他们有着高性能的精简指令集( r i s c ) ，只有3 3 条指令， 除了程序分支指令是双周期其他所有指令均为单周期( 2 0