（交通信息工程及控制专业论文）基于ISP技术的高速数据采集模块的研制.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 当今世界科技进步日新月异，随着大规模集成电路与电子计算机的广泛普 及应用，尤其是近1 0 年来嵌入式系统( 包括单片机、d s p ) 的出现和性能的迅 速发展，使整个人类社会进入了信息时代。信息技术的核心是信息获取、通信 和计算机技术，而数据采集技术是信息获取的主要手段。数据采集系统是信号 与信息处理系统中不可缺少的重要组成部分，它随着微电子技术和计算机技术 的进步而得到了迅速发展。 本文以武汉邮电科学研究院的“远程电量智能管理系统”课题为背景，深 入地讨论了基于i s p 技术的高速数据采集系统的原理、组建方法和抗干扰技术， 并介绍了系统的最关键部分数据采集模块的硬件研制过程、系统软件设计 过程和v h d l 硬件描述语言设计过程。 全文的重点是数据采集模块的硬件设计、c p l d 部分( 采用i s p 芯片) 设计 和上位机通信界面程序的设计。在参考基于通用微型计算机的数据采集系统和 基于单片机的数据采集系统设计的基础上，并结合高速数据采集系统技术，提 出了实现本系统的设计方案，即采用硬件与软件相结合的混合型计算机采集系 统的方案来实现系统的各种功能。上位机通信界面程序设计采用的是当今世界 上最流行的w i n d o w s 编程工具之一c + + b u i l d e r ，它综合了r a d ( r a p i d a p p l i c a t i o nd e v e l o p m e n t ) 快速应用程序开发和c + + 语言的强大功能，并集成 功能完整、高效的可视化开发环境，运用面向对象技术构造以组件为基础的开 发结构，软件组件让程序代码可重复使用的能力大幅提高，缩短了整个软件开 发时间。 本文对数据采集系统中诸如模数转换电路、逻辑控制电路、地址产生电路、 数据存储及通信接口电路等关键技术都进行了阐述。 论文最后附有硬件设计原理图及p c b 图。 该系统具有较高的性能价格比，具有一定的实用价值，并且采用了i s p ( 在 系统可编程) 技术，使得电路的修改和升级像软件一样方便、快捷，整机体积 也大大缩小了，满足了发展的需要，并加快了该项目的开发进度。此系统配合 软件使用，既可作为通用的数据采集仪器，也可作为其他设备的前端数据采集 使用。 关键词；数据采集，模数转换，i s p ，v h d l ，w i n d o w s a p i 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t n o w a d a y s ，s c i e n c et e c h n o l o g yc h a n g e sq m c “y a tt h es a m et i m e ，a s t h e a p p e a r a n c eo fl s i ( l a r g es c a l ei n t e r g r a t i o n ) a n dt h ed e v e l o p m e n ti n e m b e d d e d s y s t e m ( i n c l u d i n gs i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e r a n d d s p ) ，i tr a p i d l ym a k e s u sg oi n t o i n f o r m a t i o n a g e ，a s w ek n o w , i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ym e a n s a c q u i s i t i o n o f i n f o r m a t i o n ，c o m m u n i c a t i o na n dc o m p u t e rt e c h n o l o g y b e c a u s ed a t aa c q u i s i t i o n t e c h n i q u ei sa ni m p o r t a n c ew a y t oa c q u i r i n gm e s s a g e ，s od a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mi s a ni n d i s p e n s a b l ec o m p o n e n to fs i g n a la n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n gs y s t e m ，w h i c h h a sb e e n d e v e l o p e dr a p i d l y w i t ht h ea d v a n c e m e n ti n t e c h n o l o g y o f m i c r o e l e c t r o n i c sa n d c o m p u t e r t h e p a p e ri su n d e r t h eb a c k g r o u n do f r e m o t ee l e c t r i cq u a n t i t ym a n a g e m e n t s y s t e m ，w h i c hi sap r o j e c to f h u b e i f e n g h u oc o m m u n i c a t i o n l t d c o i na d d i t i o n ， t h ep a p e rm a i n l yd i s c u s s e sa n da n a l y z e st h et h e o r ya n ds t r u c t u r eo fh i g h s p e e dd a t a a c q u i s i t i o ns y s t e m a n da n t i - j a m m i n gt e c h n o l o g y a tt h es a m et i m e ，i ta l s oi n t r o d u c e t h ei m p o r t a n tp a r ti nt h es y s t e m ，w h i c hi st h ep r o c e s so fd e v e l o p i n gh a r d w a r e ， d e s i g n i n gs y s t e ms o f t w a r ea n dp r o g r a m m i n g i nv h d l t h es p e c i f i cp o i n to ft h ep a p e ri sh a f d w a r ed e s i g n i n gi nd a t aa c q u i s i t i o n ， c p l d d e s i g n i n ga n dp r o g r a m m i n gc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ew i t hc o m p u t e r b a s e d o nd e s i g n i n gi nd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mo f c o m p u t e r a n ds i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e r , a n dc o m b i n e dw i t h t e c h n o l o g y o f h i g h s p e e d d a t a a c q u i s i t i o n ，m e t h o d o f i m p l e m e n t i n gt h ed e s i g ni sp r e s e n t ，w h i c hi si m p l e m e n t i n ge v e r yf u n c t i o no f t h e s y s t e mb ya c q u i r i n gm e t h o do fc o m b i n i n gh a r d w a r ew i t hs o f t w a r e i n c o m p u t e r a c q u i s i t i o ns y s t e m i na d d i t i o n c + + b u i l d e r , w h i c h i so n ew i n d o w s p r o g r a m m i n g t o o lt h a ti st h em o s tp o p u l a rt o o lc u r r e n t l y , i su s e df o rd e s i g n i n gp r o g r a mo f c o m m u n i c a t i n gb e t w e e ns i n g l e - c h i pm i c r o c o m p u t e ra n dc o m p u t e r b e c a u s er a p i d a p p l i c a t i o nd e v e l o p m e n ta n dg r e a tc + + l a n g u a g ef u n c t i o na r ei n t e g r a t e di n t oc + + b u i l d e r ，w h i c ha l s oi n c l u d e si d e ( i n t e g r a t e dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ) a n dv c l ( v i s u a lc o m p o n e n tl i b r a r y ) ，t h ep e r i o do fd e v e l o p i n gp r o g r a mi sr e d u c e d ，a n dt h e q u a l i t yo f p r o g r a m m i n g c o d ei si m p r o v e d 1 i 武汉理工大学硕士学位论文 t h e p a p e r a l s od i s c u s s e sl o t so fc i r c u i ti nd a t a a c q u i s i t i o ns y s t e m j u s t l i k ea d c o n v e r tc i r c u i t ，l o g i cc o n t r o lc i r c u i t ，a d d r e s sb u sc i r c u i t ，d a t a - s t o r a g ec i r c u i ta n d c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ee t c a sac o n s e q u e n c e ，t h e r ea r eh a r d w a r ed e s i g np i c t u r e ，p c bc h a ti nt h ea p p e n d i x o ft h ep a p e r i nt h ee n d ，t h eh i g h s p e e dd a t aa c q u i s i t i o nm o d u l ei sv e r yg o o di nf u n c t i o na n d a p p l i c a t i o n b e c a u s eu s i n g i s p t e c h n o l o g y , i t m a k e sd e v e l o pp r o j e c tm o r er a p i da n d m a k e sm o d i f yh a r d w a r ec i r c u i tm o r ee a s ts oc o m b i n e dw i t hu s eo fs o f t w a r e ，t h e m o d u l ei sa p p l i e df o rd a t aa c q u i s i t i o nd e v i c eo ro t h e rf r o n t e n de q u i p m e n ti nd a t a p r o c e s s k e y w o r d s ：d a t a a c q u i s i t i o n ，a n a l o g - t o d i g i t a l c o n v e l t e r ，i s p ,v h d l ， w i n d o w sa p i i i i 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章引言 1 1 课题研究的背景及意义 数据采集( d a t a a c q u i s i t i o n ) 是获取信息的基本手段，数据采集技术作 为信息科学的一个重要分支，与传感器、信号测量与处理、微型计算机等技 术为基础而形成的一门综合应用技术，它研究数据的采集、存储、处理及控 制等作业，具有很强的实用性。随着科学技术的发展，数据采集系统得到了 越来越广泛的应用，同时人们对数据采集系统的各项技术指标，如：采样率、 分辨率、线性度、精度、输入范围、控制方法以及抗干扰能力等提出了越来 越高的要求，特别是精度和采样率更是使用者和设计者所共同关注的重要问 题，于是，高速及超高速数据采集系统应运而生并且得到了快速发展。今天， 数据采集技术已经在雷达、通信、水声、遥感、地质勘探、振动工程、无损 监测、语音处理、智能仪器、工业自动控制以及生物医学工程等众多领域得 到广泛的应用并且收到了良好的效果。 数据采集广泛地应用于各种测试和控制系统，从现有的技术和产品来 看，低速、低分辨率的数据采集技术已相当成熟，实现起来比较容易，单片 a d c 即可满足要求，产品的稳定性和可靠性已无庸置疑。但高速数据采集 系统由于受器件的制约，真正实现高速、高分辨率的产品还不是很多。 在雷达、通信、普分析、瞬态分析、电视等应用领域，为满足实时检测 和高速采集的日益更新的需要，实现数据采集的高速、高分辨率、在线系统 可编程( i s p ) 已成为数据采集系统的一个发展方向。现有的高速a d c 器件和 产品价格都比较昂贵，有些高速、高分辨率的器件本身还存在着不稳定性， 因此，在数据采集系统向高速、高分辨率发展的同时，开发和研制的器件和 产品应不断提高可靠性，降低成本，提高性价比，以便使之得到更广泛的应 用。在国内，由于历史、技术等原因，我们的产品普遍存在：通用性差、用 途单一、环境适应性差等缺点，远没有形成模块化、标准化的通用产品，根 本无法满足国内用户不断增长的需要，也远远不能与国外产品抗衡。正因此 使得价格高昂的国外产品占有了相当大的市场份额。 因此，积极研制和开发拥有自主知识产权的、性能优异的、模块化的数 武汉理工大学硕士学位论文 据采集产品已是迫在眉睫。本论文结合我们与邮科院合作的“远程电量管理 系统”这个课题，总结数据采集系统及单片机发展趋势的基础上，本着实用、 可靠、安全、简洁及经济等设计原则，设计开发了基于i s p 技术的数据采 集模块。 1 2 数据采集系统的概述及发展现状 1 2 1 数据采集系统的基本概述4 】【9 1 信息广泛存在于各个领域，例如经济信息，商品信息、市场信息、科技 信息等等。所谓的信息就是数据经过加工后得到的，对于某个目的来说有用 的知识。数据即对于客体属性的记录。现代工业控制、自动检测技术及信号 处理中数据是指现场采集来的电压、电流、压力、流量、物位、温度和角度 等信号，此外还包括一些开关量信号。在微型计算机应用于智能化仪器仪表、 信号处理和工业自动化等过程中，都存在着模拟量的测量与控制问题即将温 度、压力、流量、位移及角度等模拟量转变为数字信号，再收集到微型机上 进一步予以显示、处理、记录和传输，这个过程即称“数据采集”。相应的系 统即为微机数据采集系统。数据采集涉及的理论基础有很多，但其重点是采 样理论与技术。 1 、采样过程概述 自然界中的物理量，大多是在时间上和幅值上均连续变化的模拟量，或 称为连续时间函数，而信息处理多由数字计算机来实现，处理的结果又常常 需要以模拟量的形式“反馈”给外界的物理系统。这里就需要解决模拟量与 数字量之间的相互转化问题，即采样与重构( 恢复) 的问题。这个问题也是 数据采集系统的核心问题。数据采集系统可以简化成图l l 的形式。 横拟f 自 号输出 数字信号数字信号 图l - l 数据采集系统简化框图 如图1 1 所示，模拟信号首先经过一个预采样滤波器进行初步处理，主 要是为满足采样定理的要求而滤除高频干扰，然后由采样器按照预定的时间 间隔对模拟信号离散化，从而把连续的模拟信号转化成离散的子样脉冲，再 武汉理工大学硕士学位论文 由模数转换器( a d c ) 把离散子样进行量化与编码，使之变成数字信号送到 处理器进行数字处理，处理器一般由数字计算机来承担，处理结果再由数模 转换器( d a c ) 转换成模拟量，经过平滑滤波器做平滑处理后送到外界系统 中去。模拟信号的数字化过程如图1 2 所示。 1 ： ： “；ji ： i ii 。氛j ：甜毒瞄暑h ， ! ； i 、 。，! l 粜抖j 僦抻f 慰 ，2 一 ：一； ! ，m i ；ki 。夺唾) 。- ：； ： p 鳓j 引1 ；i 。； 1 、 l ! 汀屯 ，- ! l ： ； ： 1 量： ： ! ! ： - _ 瞰，i b 乖 ；。：l i 一i ；l 龇 - f 了ji ；l 。 ：一-i t 。 煮铡豢j 蚤暑；鼍 r ：t ： i 即墨k 拉# 一| ：；i | 鼍li q ： ： l； ，离码 ：，i ：p 、二。 = 二- !1 1： r j ：i x ：ii ：q苎! ；| i ：! | = j = ：i 髓e l 童e 辑王 h ( 审) ! ! ni 缸自) 。 ，点熙 一 抵 - 1 1 k ； ；一一 ； ! i ：i ： ：鲁诸 霉l 皇j 毒 1 ：一5 fj ；l ： 图1 2 模拟信号的数字化 图中瓦为采样周期，x o ) 表示输入的模拟信号，x s 如e ) 表示模拟子样信 号，当子样宽度t 很小时，有如下关系式 x s o t ) = x ( f ) 占( f 一行正) = x ( n t , ) e ( t - n l ) ( 1 - 1 ) 2 、采样定理 离散信号x ( n t , ) 是从连续信号x 0 ) 上取出的一段数值，因此x ( n r , ) 与x ( ，) 的关系是局部与整体的关系。那么，这个局部能否反映整体呢? 能否由 x ( n l ) 唯一确定或恢复出连续信号x ( f ) 呢? 一般是不行的，因为连接两个点 x ( n t , ) 与x ( + 1 ) t ) 的曲线是非常多的。但是在一定的条件下，按照一定的 方式可以由离散信号x ( n t , ) 恢复( 重构) 原来的连续信号x ( f ) ，这就是采样 定理所要讨论的问题。 对于一般连续信号x ( r ) ，我们可以表示为无限多个谐波的叠加。信号x ( ，) 和频谱x ( 厂) 的关系为 武汉理工大学硕士学位论文 x ( r ) = 肖( ，) e 唧a f ( 1 2 ) x ( ，) = f x ( f ) g “唧出 ( 1 - 3 ) 从式( 卜2 ) - 7 缸1 ，对频率f ，当并( 厂) 0 时，就表示连续信号x o ) 包含 有频率为f 的谐波成分。当x ( 厂) = o 时，表示x ( f ) 不包含频率为f 的谐波成 分。由离散信号x ( n 巧) 惟一恢复出连续信号x ( t ) ，意味着x ( f ) 包含的所有谐 波都能由离散谐波( 采样间隔疋) 惟一恢复出来，也就是说，对频率f ，只 要肖( ，) 。，厂和t 都必须满足关系， 击或t 巧，应留码“i ”。 二 第二次试探。在第二个时钟脉冲驱动下，环行计数器( 移位寄存器) 右 移一位，并使数码寄存器次高位加码，建立1 0 0 0 码，最高位是“1 ”还 是“0 ”，取决于第一次试探的结果。第二次试探d a 转换器产生的量化电压 11 ：= 暗+ = 3 7 5 v ，故巧 ，留( 1 ) 2 1 1 0 00 0 0 00 0 0 03 7 5 v1 0 0 00 0 0 00 0 0 0 k ，留( 1 ) 61 0 0 l1 1 0 00 0 0 03 0 4 7 v1 0 0 11 0 0 00 0 0 0 l ，留( 1 ) 1 01 0 0 11 0 0 1 1 1 0 03 0 0 2 v1 0 0 l1 0 0 11 0 0 0 _ ，留( o ) 1 l 1 0 0 l1 0 0 l1 0 l o3 0 0 4 v1 0 0 1l o o l1 0 0 0 k ，留( 1 ) 可见量化的反馈电压一次比一次更逼近k ，经过1 2 次试探与比较逻 辑之后数据寄存器中所建立的最终数码1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 即为转换的结果。实 际上，此数码对应的量化电压值。2 9 9 9 v ，它与输入电压k 23 v 还相差 2 1 武汉理工大学硕士学位论文 0 0 0 0 1 v 。不过两者的差值已小于1 l s b 所对应的量化电压o 0 0 0 2 4 v 了。把 这个逼近过程用时序图表示，如图3 5 所示。逐次逼近a d 转换结果可以从 数据寄存器的并行输出端上取得。 r ( 乙) 图3 5 逐次逼近比较示意图 3 2 2 2 器件m a x l2 0 工作特性”1 与其它同类产品比，m a x l 2 0 是一种更快速的a d 转换芯片，该芯片功 能强大，能方便的与一般微处理器接口；性能，价格比高，因此在语音、噪 声等信号处理系统及动态性能要求较高的自动控制系统中，作为数据采集部 件非常理想。 主要特点： 具有1 2 位分辨率： 内外采样模式可选，连续转换模式可选： 内装有跟踪保持( t h ) 电路： i 6 us a d 转换时间，5 0 0 k h z 采样率： 输入电压范围为5 v ，极限值为1 5 v ： 功耗低，2 1 0 m w ； 全温度下无丢失码； 2 0 p p m c 一5 v 内部参考电压 2 4 脚双列直插式标准封装。 3 2 2 3 引脚的封装及其功能 m a x l 2 0 的引脚排列如图3 - 6 所示： 武汉理工大学硕士学位论文 h o d ed 墙s穗 m 示0 厢i 师丽 图3 - 6m a x l 2 0 的引脚排列图 各引脚的功能如表3 - 3 所列： 管脚名称功能 方式输入端aa m o d e = v d d ，z 伊，b 吣】，用作个中断信号； lm o d e b m o d e = o p e n 或m o d e = d g n d i n t | b u s y 用作b 嬲y 输出。 2 v 嚣 负电源。1 2 v 或- 1 5 v 3 v 正电源。+ 5 v 4 a 科 模拟电压输入端。极限值为1 5 v 。 5 f 5 v 参考电压输入端。该脚接2 2 1 x f 0 1 p f 的滤波电容。 6a g n d模拟地 7 1 l d 1 1 do 三态数据i o 口 1 3 1 9 1 2d g n d 数字地 2 0 a d 坶r 转换开始输入端。在波形的下降沿时转换开始。 2 1c l k r n 时钟输入端。可用o 1 8 m h z 频率范围内的t t l 时钟信号。 i n t 2 2面亍或百面f 的输出表示转换器的状态 b u s y 片选端。低电平有效，当r d 为低电平时允许三态数据输出； 2 3 c s 当c o n v s t 和r d 都是低电平时，在乙i 的下降沿启动一次转换。 读输入端。低电平有效，当r d 为低电平时，允许三态数据输出； 2 4 尼d 当c o n v s t 和r d 都是低电平时，在西的下降沿启动一次转换。 武汉理工大学硕士学位论文 3 2 2 4 数字接口 1 、外部时钟 m a x l 2 0 需要一个兼容t t l 的时钟以正常的工作。在模式l 到4 下工作， m a x l 2 0 可以接受从0 1 m h z s m h z 的时钟频率。当工作在模式5 时，最大的时 钟频率是6 m h z 。m a x l 2 0 的最小时钟频率限制在0 1 m h z ，这是因为采样保持 器的固定偏差率。 2 、时钟与控制的同步 如果时钟和转换开始输入不是同步的，那转换时间可能从1 3 至i 1 4 个时钟 周期不等。连续逼近寄存器在c l k i n 输入的上升沿总在改变状态。为了保证 转换时间的不变，参照图3 - 7 和以下指导。 如果要求1 3 个周期的转换时间，在c l k i n 的下一个上升沿前，转换开始 输入必须保持为低电平至少5 0 n s 。如果要求1 4 周期的转换时间，则必须要求 转换开始输入保持小于i o n s 的低电平。如果转换开始输入保持低电平的时间 在1 0 n s 到5 0 n s 之间不等，那么转换时间是不定的，可能会是1 3 周期也可能会 是1 4 周期。为了得到最好的模拟性能，需要将转换开始输入和时钟同步。 眦二 f 哩娶孵口四鲤笋的时序关累或枷决定一个时钟舟期是否偏移 使用以下规则 周期 ( 1 3 或1 4 个时钟周期) 图3 7 时钟和控制同步 3 、输出数据格式 转换结果在1 2 位的数据总线上输出，取数时间为7 5 n s ，输出数据的格 式是2 进制补码。三个输入控制信号( c s ，r d 和c o n v s t ) 及i n t b u s y 控 制转换器状态输出1 2 位输出数据可以直接和一个1 6 位的数据总线连接。图 3 - 8 是数据获取时序。 武汉理工大学硕士学位论文 图3 - 8 数据获取和总线释放时序 4 、各操作模式的时序和控制 m a x l 2 0 有五种工作模式，其中全控制模式( 模式1 ) 为用户提供了最大 的控制，以控制转换的开始和取数操作。全控制模式用于插入或不能插入等 待状态的微处理器系统。独立模式( 模式2 ) 和连续转换模式( 模式5 ) 是用 于没有妒的系统，或用于基于妒的系统，即系统中a d c 和妒是通过先进先出 ( f i f o ) 缓冲器或直接存贮器访问( d m a ) 来接口的。慢存模式( 模式3 ) 是 用于在a d c 转换期间肛p 可被强制进入等待状态的p 系统。r o m 模式( 模式4 ) 是用于妒不能被强制进入等待模式的妒。 在这五种模式下，转换器的启动是由3 个数字输入信号( c o n v s t ，r d ， 或c s ) 之一来控制。在任何一种模式下，须使c o n v s t 为低电平，这样才能进 行转换。一旦进入了转换，就不能再启动。读操作是通过r d 和c s 来控制的。 i n t b u s y 在各种模式下的输入配置如下： 如果m o d e = v 。：i n t b u s y 在此处相当于一个中断输出。在这个配置下， 当转换结束时i n t b u s y 变成低电平，并在转化数据被读取时变为高电平。 如果m o d e 置空或接d g n d ：i n t b u s y 相当于一个b u s y 输出。在这里， i n t b u s y 在启动转换时变为低电平，转换以后升为高电平，此时数据在引脚 d o - - d 11 处有效。 在本设计中，m a x l 2 0 工作方式是连续转换方式( c o n v s t = r d = c s = m o d e 接 地) 。 在这个模式中，转换以每次1 4 时钟的速度连续进行，这其中包括2 时钟 的采样保持器采集时间。为了满足两个时钟内最小采集时间为3 5 0 n s 的要求， 在模式5 下，m a x l 2 0 的最大时钟频率为6 m h z 。 数据输出总是可用的，在i n t b u s y 输出的上升沿，一次转换结束，同 时新数据出现在总线上。m o d e 输入必须严格接地。通过将c s ，r d 或c o n v s t 置高来停止转换。图3 - 9 为连续转换模式的时序图。 武汉理工大学硕士学位论文 c i 肛h i ，b t 喀y 数据输出 采样噪持厂丽溺 。塑堕一n i i f b 一t q i 图3 9 连续转换模式( 模式5 ) 3 2 2 5 电路接线及其工作的具体描述 m a x l 2 0 在电路中的接线如图3 1 0 所示。 图3 1 0m a x l 2 0 在电路中的接线图 根据m a x l 2 0 的性能特点，在设计模数转换电路时主要考虑了以下几 方面的问题： 1 、工作方式及m a x l 2 0 的启动 r d = c s = m o d e = 接地，m a x l 2 0 工作于连续转换模式，当c o n v s t 端输入为 低电平时启动转换器。i n t b u s y 在这里相当于一个b u s y 输出，转换启动时 变为低电平，转换以后i n t b u s y 升为高电平，此时数据在引脚d o - - d 1 1 处 有效。 武汉理工大学硕士学位论文 2 、外部时钟 当m a x i 2 0 工作在模式5 时，最大的时钟频率是6 m h z 。因此，我们在设 计中，将单片机m c s 8 9 c 5 1 的外部11 0 5 9 2 m h z 的晶振经过二次分频后接入 c l k i n ，作为m a x l 2 0 正常工作的时钟。 3 、参考电压 。：一5 v 参考电压输出。该脚与a g n d 间接2 2 卢f o 1 f 的滤波电 容。 4 、数据输出控制 在m a x l 2 0 与数据存储器之间接了一个八总线收发器7 4 l s 2 4 5 作为数据 缓存。它的逻辑功能如下表： 表3 - 47 4 l s 2 4 5 功能表 控制输入 ed i r工作 ll b 数据至a 总线 lha 数据至b 总线 hx隔离 因为在工作模式5 下，i n t b u s y 在启动转换时变为低电平，转换以后 升为高电平，此时数据在引脚d o d 1 1 处有效。所以，在电路中由i n t b u s y 的信号来控制d i r ，它的非来控制i 。由此可以知道在m a x l 2 0 的转换过程中， 7 4 l s l 4 5 是被隔离的；在转换完一次后，7 4 l s l 4 5 被打通，数据从a 至b 总 线，送入存储器6 2 6 4 。 3 2 3 数据的存入和读出技术 1 3 1 高速数据采集的采样率一般在m b s 以上，如果数据采集与数据读取过 程不同步进行，显然会造成数据的丢失与混乱，因此对于快速采集、慢速处 理的系统，就要用到缓存技术。在前面系统设计方案中，我们已经讨论了存 储方案的设计，考虑到系统提出的采样率要求，在不增加系统电路开支的基 础上，我们选用了分时存储方案。高速静态r a m 完全能够满足系统最高采集 频率5 0 0 k h z 的要求，因而，在系统中数据缓存器选用6 2 6 4 r a m 。 6 2 6 4 是8 k x 8 位的静态随机存储器芯片，采用c m o s 工艺制造，单一+ 5 v 供电，额定功耗2 0 0 m w ，典型存取时间2 0 0 n s ，为2 8 脚双列直插式封装。 存储器由两片6 2 6 4 r a m 芯片构成，共有1 6 k 存储空间。其1 3 位地址输 武汉理工大学硕士学位论文 入端接地址选择器的输出端，8 位数据线分别通过三态八总线收发器 7 4 l s 2 4 5 与单片机的p0 口和a d 转换器的数据线相连接。该存储器对a d 转换器而言是只有写入操作，用于存储a d 转换器的转换数据，而对单片机 而言只有读操作，即单片机只能读取其中的数据而不能改写其中的数据。其 数据存储电路如图3 1 1 所示： 蕾7 h c 5 7 3 镑存的曲吐 图3 - 1 1 数据存储电路 6 2 6 4 的片选线c s 2 接高电平，片选线c s l 与单片机p 2 6 相连。两片的 读允许端o e 连在一起并与单片机的r d 脚相连。写允许线w e 则与通用逻辑 部分相连，当w e 为高电平，单片机控制p 2 6 ( 片选) 低电平时，存储器进 行读操作，d o - - d 7 输出，单片机可以读取其中的数据：当w e 为低电平时， 而使c s l 为低电平，0 e 为高电平，存储器进行写操作，d o - - d 7 输入，a d 转换器将转换后的数据写入存储器中。其数据存取操作表如下： 表3 5数据存取操作表 c s c s 2 印匹0 露 ( 由p 2 6 控制) ( 接+ ) ( 见表3 1 )( 由p 3 7 控制) d j 。 lhl h l d 。h lhhl 武汉理工大学硕士学位论文 3 3 通讯接口的设计川4 川4 7 1 3 3 1r s 2 3 2 串口通信标准 e i a r s - 2 3 2 是由电子工业协会( e i a ) 和电信工业协会( t i a ) 制定的， 异步串行通信系统中应用较为广泛的标准总线，用于实现计算机与计算机之 间、计算机与外设之间的数据通信。 使用r s 一2 3 2 c ，数据通讯的波特率允许范围为o 1 9 2 k b p s ，最大负载电 容标定为2 5 0 0 p f ，该值变换到所用的标准电缆，长度在1 5 m 到2 0 m 之间。 降低波特率可以增加传输距离。实际应用中，这个标准是可以放宽的。 r s 一2 3 2 标准规定采用双极性信号、公共地线和负逻辑：规定+ 3 v 1 5 v 之间的任意电压表示逻辑0 电平，3 v 1 5 v 之间的任意电压表示逻辑1 电 平。单片机串口信号是标准的t t l 信号，和r s 2 3 2 串口通讯的标准电平的 电平不匹配，必须进行二者之间的电平转换。常用的r s 2 3 2 t t l 电平转换 芯片有m a x 2 0 2 、m c l 4 8 8 和m c l 4 8 9 ，m a x 3 2 2 1 3 2 2 3 等。 3 3 2r s 2 3 2 收发芯片m a x 2 0 2 m a x 2 0 2 芯片简介 m a x 2 0 2 为单+ 5 v 电源的r s - - 2 3 2 收发器，片内包含两个驱动器、两 个接受器以及一个将+ 5 v 变换成r s 2 3 2 所需的1 0 v 输出电平的双充电泵电 压变换器。在数据速率为2 0 k b s 时，m a x 2 0 2 驱动器和接受器符合所有 e i a t i a 2 3 2 e 和c c i t tv 2 8 技术规定。在负载与e i a t i a 2 3 2 技术规定一 致的条件下，数据速率超过1 2 0 k b s 时，驱动器保持5 v 的e i a t i a 2 3 2 e 的输出信号电平。 m a x 2 0 2 的外形有宽s o 、窄s o ，以及d i p 三种封装形式，工作温度范 围：c 档为0 c + 7 0 c ，e 档为4 0 c + 8 0 c ， l 档为- 5 5 1 2 + 1 6 0 c 。 m a x 2 0 2 内部电路说明与引脚排列 m a x 2 0 2 包括三个部分：充电泵电压变换器、发送器和接受器。下图为 其引脚排列和内部结构。 武汉理工大学硕士学位论文 c14-v+ c 1 - c c 2 2 + 一 t d 籀卜型 _ 挫净 幽k 喈 础- 卜等 图3 1 2m a x 2 0 2 引脚排列和内部结构图 3 3 3 串行接口硬件电路设计 5 1 单片机有一个全双工的串行通讯口，所以单片机和电脑之间可以方 便地进行串1 ：3 通讯。进行串行通讯时要满足一定的条件，比如电脑的串口是 r s 2 3 2 电平的，而单片机的串口是t t l 电平的，两者之间必须有一个电平 转换电路，我们采用了专用芯片m a x 2 0 2 进行转换，虽然也可以用几个三 极管进行模拟转换，但是还是用专用芯片更简单可靠。我们采用了三线制连 接串口，也就是说和电脑的9 针串口只连接其中的3 根线：第5 脚的g n d 、 第2 脚的r x d 、第3 脚的t x d 。这是最简单的连接方法，但是对我们来说 已经足够使用了，电路如下图所示，m a x 2 0 2 的第l l 脚和单片机的1 1 脚连 接，第1 2 脚和单片机的l o 脚连接，第1 5 脚和单片机的2 0 脚连接。 峨啪删邮眦圳耆| 抓“协眙u舢 洲 武汉理工大学硕士学位论文 v j v 图3 1 3单片机和p c 机串口通讯硬件连接 图中电容c 1 c 4 的类型无特殊要求，可选用有极性电容或无极性电容， 选用电解质为x 7 r 的陶瓷电容可获得较好的综合性能。 选择容量较大的电容可减小发送器的输出纹波，降低功耗有所帮助。注 意保持c 1 与其它电容c 2c 3c 4c 5 间的比例，保持c i 不变的情况下可增大 c 2 c 5 的容量，但在c 2 c 5 的容量不变时不要选用更大的c 1 。v e t 旁路电 容c 5 比较合适较大的电容，有利于降低v c c 的纹波，改善芯片的工作性能， 旁路电容尽量靠近芯片安装，金属连线要尽可能宽。 3 3 4 波特率设置【4 7 】 在串行通信中，一个重要指标就是波特率，它反映了串行通信的速率， 也反映了对于传输通道的要求。波特率越高，要求传输通道的频带越宽。由 于单片机和p c 机异步通信双方有各自的时钟源，要保证捕捉到的信号正确， 最好采用较高频率的时钟。一般选择时钟频率比波特率高1 6 倍、6 4 倍或更 高。若时钟频率等于波特频率则频率稍有偏差便会产生接受错误。 在异步通讯中，收、发双方必须事先规定两件事： 1 、字符格式，即规定字符各部分所占的位数是否采用奇偶校验以及校 3 i 武汉理工大学硕士学位论文 验的方式( 偶校验还是奇校验) 等通信协议； 2 、采用的波特率以及时钟频率和波特率的比例关系。 单片机串行口在方式0 和方式2 工作时，其波特率为固定值。方式0 发 送接收时，其波特率为振荡频率的十二分之一( l , c 1 2 ) ，方式2 发送接收 时，其波特率为厶( 6 4 2 s u 。d ) 。串行口在方式1 和方式3 的波特率可变， 与溢出率有关。5 1 系统中常用定时器l 作为波特率发生器，其波特率由下 式确定： 波特率= ( 定时计数器1 溢出率) ，( 3 2 ，2 o ) 其中s m o d 为特殊功能寄存器p c o n 中的第8 位特征位。 定时计数器的溢出率取决于计数速率和定时时间常数。 t 1 工作于自动装载方式的工作方式2 时，t l l 作计数用，自动重装的 值放在t h l 中时，溢出速率可由下式确定： 溢出率= 计数速率， 2 5 6 一( r h ，) 】 c i t = 0 时，计数速率= 丘1 2 ，表3 - 6 是定时计数器产生的常用波特 率。 表3 - 6 定时计数器产生的常用波特率 定时器1波特率 j 。c s m o d ( b s ) c i t模式重装载值 模式0 ：1 m h z 1 2 m h z 模式2 ：3 7 5 k1 2 m h z 1 模式1 ，3 1 2 m h z102f f h 6 2 5 k 1 9 2 k1 1 0 5 9 m h z102f d h 9 6 k1 1 0 5 9 m h z0o2f d h 4 8 k1 1 0 5 9 m h z002f a h 2 4 k1 1 0 5 9 m h z002f 4 h 1 2 k1 1 0 5 9 m h z002f 8 h 1 3 7 51 1 0 5 9 m h z002l d h l l o6 m h z0o27 2 h 武汉理工大学硕士学位论文 第4 章在系统可编程i s p 技术的应用 随着微电子技术的发展，设计与制造集成电路的任务已不完全由半导体 厂商来完成。系统设计者更愿意自己设计专用的集成电路( a s i c ) 来满足 用户的多样性和产品开发周期的要求。因此，现场可编程门阵列f p g a ( f i e l d p r o g r a m m a b l e g a t e s a r r a y ) 、复杂可编程逻辑器件c p l d ( c o m p l e x p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) 和在系统可编程器件i s p ( i n s y s t e m p r o g r a m m a b l e ) 这些可编程器件得到了广泛的应用。目前，i s p 芯片内部资 源越来越多，速度越来越快，开发的软件功能也更加完善，使其应用正逐步 扩大。并且它还可直接对安装在用户目标板上的i s p 器件进行编程，当产品 升级换代时，只需要通过软件对i s p 器件重新编程，使其具有新的逻辑功能， 而不需要增加硬件上的投入。本设计快速数据采集模块，将部分电路采用i s p 技术的方法，使整机体积大大缩