（计算机应用技术专业论文）通用测控系统.pdf

摘要 本课题主要研究的内容是根据国内测控仪器的现状和国外嵌入式技术的不 断发展和完善，结合国内用户的普遍需求，研制一种具有操作简洁、界面友好、 便于扩展、一定实用价值的测控系统。 本文针对测控系统各部分的功能特点，在控制器芯片选型、硬件电路设计及 软件程序开发等方面进行了详细的阐述。阐述分为三部分进行：首先，对该测控 系统的结构和美国德州c y g n a l 公司的c 8 0 5 1 f 3 2 0 m c u 芯片作了总体的介绍；其次， 从硬件和软件两方面作了详细的介绍。在硬件方面，主要完成了模拟和数字信号 采集电路、l c d 模块通讯电路和u s b 接口通讯电路的分析与设计，并利用 p r o t e l 9 9 s e 软件绘制出了系统电路原理图，在电路板的布局布线过程中，采用 了一系列有关硬件抗干扰的技术，最终制作完成了符合设计要求的p c b 板。在软 件方面，特别是对数据采集、u s b 接口通讯及l c d 模块通讯等模块的软件实现进 行了详细的分析与设计；最后，为了增加系统的稳定性和提高其的检测精度，本 文还从硬件和软件两个方面，讨论了有关智能控制系统的抗干扰技术，并作了有 关相应的研究。 本系统的成功研发，为今后在测控系统的开发上积累了许多经验，这必将给 今后在单片微机系统的深入研究和开发方面，提供了一定的参考和借鉴。 关键词：c 8 0 5 1 f 3 2 0 单片机、p r o t e l 9 9 s e 、测控系统、u s b 通讯、抗干扰。 中图分类号：t p 2 0 2文献标志码：a 塑旦型蕉丕堑 a b s t r a c t t h eq u e s t i o nf o rd i s c u s s i o ni sm a i n l yi n v e s t i g a t e dat e s t c o n t r o l s y s t e mp r a c t i c a l i t yo fv a l u e ，a c c o r d i n gt od o m e s t i ca n do v e r s e a s a c t u a l i t y t h et e s t c o n t r o ls y s t e mh a v eam a n i p u l a t et e r s e n e s sa n d n e i g h b o rf a c e t h et e x th a sd e t a i l e de x p a t i a t e da b o u ta na p i e c eo ff r a c t i o n a l ，a n d c h o o s em o d e lo fc o n t r o l l e r ：sm c uc h i p ，h a r d w a r ec i r c u i t e dd e s i g na n d s o f t w a r ef o r m a l i t yd e s i g n t h ei n t r o d u c t i o nc o n t a i n st h r e ep a r t s ：i nt h e f i r s tp a r t ，i ti n t r o d u c e st h es t r u c t u r ea n df u n c t i o no fu n i t e ds t a t e sm c u t h ec o n t r o l l e rc h o s et h ec 8 0 5 1 f 3 2 0 m c uc h i pt h a th a se n t i r ei n t e g r a t i o n h y b r i ds i g n a ls y s t e m i ti sm a n u f a c t u r e db yu n i t e ds t a t e st ic y g n a li n c i nt h es e c o n dp a r t ，i ti n t r o d u c e st h ec o n t e n to fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e i nt h eh a r d w a r ee l e c t r i cc i r c u i td e s i g n ，m a i n l ya c c o m p l i s ht h ec i r c u i t a n a l y s i sa n dd e s i g no fa n a l o ga n dd i g i t a ls i g n a lc o l l e c t i o nc i r c u i t ，a n d l c dm o d u l ec o m m u n i c a t i o na n d u s b1 i n k e rp a r t s ，a l s om a d eu s eo ft h e p r o t e l 9 9 s es o f t w a r et od r a wt h ep r i n c i p l ed i a g r a mo ft h es y s t e mh a r d w a r e e l e c t r i cc i r c u i t ，c a r r i e do nt h ed e s i g no fs o m eh a r d w a r ea n t i j a m m i n gi n t h el a y o u ta n dw i r i n go ft h ec i r c u i tb o a r d ，a tl a s t l yf o r m a tt h ep c bb o a r d t h a tm e e to ft h es y s t e mr e q u e s t i nt h ed e s i g n ，e s p e c i a l l ya c c o m p l i s h a n a l y s i sa n dd e s i g no fs o f t w a r et h ed a t as i g n a lc o l l e c t i o n ，u s b1 i n k e r p a r t sa n dl c dm o d u l ec o m m u n i c a t i o n t h ef i n a l l yp a r t ，i ti n t r o d u c e st h e t e s t c o n t r o ls y s t e mi no r d e rt oi n c r e a s et h es t a b i l i t vo ft h es y s t e m i c a n da d v a n c ep r e c i s i o n t h es u c c e s s f u lr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft h ed r iv em e a s u r ea n d c o n t r o ls y s t e m ，n o to n l yc h a n g e dc o n s u m e r sc o n v e n t i o n a lr e a l i z a t i o no f m e a s u r ea n dc o n t r o ls y s t e m ，b u ta l s oa c c u m u l a t e dm u c he x p e r i e n c ea b o u t d e v e l o p m e n to fm e a s u r ea n dc o n t r o lf o rw e t h e s ec e r t a i n l ya f f o r dm a n y r e f e r e n c e sf o rr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fs i n g l ec h i pm i c r om a c h i n e k e yw o r d s ：c 8 0 5 1 f 3 2 0s i n g l e c h i p 、p r o t e l 9 9 s e 、m e a s u r ea n dc o n t r o l s y s t e m 、u s bc o r r e s p o n d e n c e 、a n t i j a m m i n g 2 1 1 、课题来源 第一章、绪论 本课题是在导师的指导下选题的，其主要研究的内容是根据国内的测控仪器 的现状和国外嵌入式技术的不断发展和完善，结合国内用户的普遍需求，研制一 种具有操作简洁、界面友好、便于扩展的测控系统。 1 2 、国内外研究现状及水平、研究目标及意义 在科学研究中，仪器仪表是先行官。如果离开了科学仪器，一切科学研究都 将会无法进行。当前在一些重大的科研攻关项目中，几乎一半的人力、财力都是 用于购置、研究和制作、测量与控制的仪器设备。因此仪器仪表必须先行。 发展的趋势： 1 仪器仪表的微型化和微量化。 2 技术指标不断提高。如：温度测量从接近绝对零度到1 0 1 0 度；频率测量 到1 0 1 0 h z 。 3 测量精度指标来讲：测量参数提高到：0 0 2 ：响应速度，在静态为 0 1 0 2 m s 。 4 稳定性，可靠度要求：一般为2 5 万小时，高可达2 5 万小时。 5 采用先进的研究成果，高新技术大量采用。 6 单个装置微小型化、智能化、可以独立使用等。 7 测控范围向有关工作方式立体化、系统化发展，能够同时测量多个参数。 目前，国内的许多厂家的测控仪器普遍都具有以下特点：利用简单的l e d 作为显示装置，用户操作和识别数据都极为不便，极易产生误操作；大部分是 单机控制与检测的，缺乏与p c 机的通讯功能，不能够进行数据的分析处理： 有些厂家所生产的智能测控仪，价钱昂贵，不易推广。总之，国内的测控仪的生 产水平较低，功能不全，技术上没有跟上国外的水平。 在国外，由于在m c u ( 微控制器或单片机) 、d s p ( 数字处理器) 、嵌入式系 统等技术方面比较成熟和完善，因此，为研发机构和部门提供了一个很好的开发 和研制平台。随着国外芯片制造技术和嵌入式开发技术不断发展和完善，其发达 国家在综合测控系统的开发上也逐渐走向了微机化和智能化，使其成为一套集控 制理论、通讯理论、计算机应用技术、传感技术、数字信号处理技术等多学科相 融合的综合测控系统。 本测控系统结合国内用户的实际需求，并结合国外测控仪器的先进技术，设 计了一种具有一定水平的测控仪器。本系统具有的特点：操作简洁、界面友好； 具有一定的扩展能力；上位机系统包括：实时监测模块、数据处理模块、系 统参数设定模块等；实现多通道测量；测试系统的精度有一定的提高；测 控系统的下位机可以单独使用，具有体积小、便携性好、价格便宜，易于推广等 优点。 1 3 、技术指标与要求 系统要实现11 路输入信号的测量。 上位机与下位机采用u s b 通讯方式。 下位机采用具有图形点阵l c d 模块显示。 系统要稳定可靠，具有抗震性、抗干扰性强、易维护和有一定扩展性等特点。 4 宣趔盔堂堡婴塞圭堂垡迨塞 第二章、测控系统的总体设计 2 1 、系统的总的规划 本系统包括：上位机和下位机两个部分。其中，上位机主要是完成对数据进 行整理、处理等工作，可以利用通讯接口把下位机检测到的模拟信号或者数字信 号传输到上位机，通过各种模块进行处理，有助于使用者比较直观地获得想要得 到的结果，能够帮助使用者做出正确的判断；下位机采用微控制器( m c u ) 作为控 制芯片，再通过几个模块来完成模拟量和数字量的采集、显示和输出可调的脉冲 量。其中，系统的总的框架如图2 一l 所示： 图2 - 1 系统的总的框架图 从上图所示，本测控系统分为两个部分：即上位机和下位机。上位机与下位 机利用u s b 2 0 规范进行连接通讯，但是特别之处就是，下位机可以脱离上位机 独立工作。当下位机开始工作时，可以自动地对指定的通道进行数据采集，并能 进行存储，同时在l c d 显示模块上显示实时数据，并且有汉字提示，用户可以简 单、明了地读取数据。 上位机利用通讯端口向下位机发送测试命令、参数的设定等信息，并利用上 位机的几个模块，把从下位机传送上来的数据进行分析，实现实时监控的功能。 2 2 、系统中有关功能模块的简单介绍 在这里，我主要完成的是下位机的有关模块的硬件设计和软件编程的任务， 因此，先简单地介绍一下有关下位机的模块情况，而具体的软件与硬件的设计与 实现，在后面的有关章节再做详细地介绍。 望旦婴墼垂錾 2 2 1 、数据采集模块 数据采集模块部分是测控系统的重要组成部分，该模块设计的成败直接影响 着整个测控系统的性能，可以看出数据采集模块是多么地重要。因此，在该模块 的设计中，投入了大量的精力。在这一部分的设计中，主要包括对模拟量和数字 量进行采集的硬件电路的设计和有关软件的程序设计。在该部分的设计中，主要 是围绕着快速性和准确性这两个参数来完成的。这样才能确保测控系统能达到的 设计指标。 2 2 2 、显示模块 在选取显示模块时，为了能使数据的显示更加明显和直观，我们采用了北京 青云公司的带有汉字库的l c d 显示模块。该模块可以显示两行汉字和数字，有助 于用户使用，防止读错，而且在连接方式上也很灵活，可以选择并行和串行两种 连接的方法。 2 2 3 、通讯模块 在选择通讯模块时，考虑到在c 8 0 5 1 f 3 2 0 芯片的内部就整合了u s b 通讯模块， 并且符合2 o 规范，再加上u s b 通讯的速度很快，现在已被广泛地应用于很多领 域。因此，在本系统中，我们采用u s b 通讯模块与上位机进行通讯，这样不仅保 证了传送的速度，而且有利于减小测控系统的体积，有利于提高便携性。 以上简单地介绍了下位机的主要模块，这些模块是整个测控系统的主体结 构，也就是我的毕业论文的主体部分，当然，还有一些辅助模块的设计与编程。 在以下几章的内容里，我就对本系统所包括的每一模块，从硬件和软件两方 面，给与详细的介绍。 首先，先对系统所选用的控制芯片做一下简要地介绍。 第三章、c 8 0 5 1 f 3 2 0 单片机系统芯片概述 本测控系统的控制芯片采用的是c 8 0 5 1 f 3 2 0 ，该系列单片机是美国德州 c y g n a l 公司推出的一款完全集成的混合信号系统级m c u 芯片，具有2 5 个数字i o 引脚。其主要特性有： 1 、高速、流水线结构的8 0 5 1 兼容的c i p _ 5 1 内核，可达2 5 m i p s ( 时钟频率为 2 5 m h z 时) ； 2 、全速、非侵入式的在系统调试接口( 片内) ： 3 、真正1 0 位的1 7 通道的单端差分a d c ，带模拟多路开关： 4 、两个1 2 位d a c 可编程更新时序； 5 、6 4 k 字节可在系统编程的f l a s h 存储器： 6 、2 3 0 4 字节的片内r a m ； 7 、可寻址6 4 k 字节地址空间的外部数据存储器接口： 8 、硬件实现的s m b u s 1 2 c 、增强型u a r t 和增强型s p i 串行接口： 9 、4 个通用的1 6 位定时器； 1 0 、有5 个捕捉比较模块的可编程计数器定时器阵列； 1 1 、片内看门狗定时器v d d 监视器和温度传感器。 c 8 0 5 1 f 3 2 0 还具有片内v d d 监视器、看门狗定时器和时钟振荡器，可以说 c 8 0 5 1 f 3 2 0 是真正能独立工作的片上系统。还有，所有的模拟和数字外设均可以 由用户通过配置特殊功能寄存器，配置为使能或禁止两状态。 c 8 0 5 1 f 3 2 0 的调试很便利，可以通过利用片内j t a g 调试电路，允许使用安装 在最终应用系统上的产品m c u ，进行非侵入式( 不占用片内资源) 、全速、在线 系统调试。该调试系统支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、观察点、单 步及运行和停机命令，大大地提高了调试的效率。在使用j t a g 调试时，所有的模 拟和数字外设都可全功能运行。其c 8 0 5 1 f 3 2 0 结构原理图如图3 1 所示，原理方 框图如图3 2 所示。 ( 图3 1c 8 0 5 1 f 3 2 0 原理图) ( 图3 2c 8 0 5 1 f 3 2 0 原理方框图) 3 1 、c 8 0 5 1 f 3 2 0 指令系统 3 1 1 、与8 0 5 1 完全兼容 c 8 0 5 1 f 3 2 0 单片机采用的是s i l i c o nl a b s 的c i p 一5 1 微控制器内核的专利技 术，其中，c i p 一5 1 不仅具有与m c s 一5 1 t m 完全兼容的指令集，而且c i p _ 5 1 内核还具 有标准8 0 5 2 的所有外设部件，即包括4 个1 6 位的计数器定时器、一个具有增强型 波特率配置的全双工u a r t 、2 3 0 4 字节内部r a m 、1 2 8 字节特殊功能寄存器( s f r ) 地址空间及2 5 个i o 端口。 3 1 2 、速度有了很大的提高 c 8 0 5 1 f 3 2 0 单片机的c i p 一5 1 内核采用的是流水线结构，与标准的8 0 5 1 结构相 比，指令执行速度有很大的提高。对于c i p - 5 1 内核，其中有7 0 的指令的执行时 间为1 或2 个系统时钟周期，只有4 条指令的执行时间大于4 个系统时钟周期。由此 可见速度有了质的提高。 3 1 3 、增加的功能 c 8 0 5 1 f 3 2 0 系列m c u 在c i p 一5 1 内核和外设方面上，有几项关键地方的改进， 提高了整体的性能，更易于在最终应用中使用。 c 8 0 5 1 f 3 2 0 扩展的中断系统向c i p 一5 1 提供1 6 个中断源，比标准的多9 个， 允许大量的模拟和数字外设中断微控制器，一个中断驱动的系统需要较少的m c u 干预，因而有更高的执行效率。 8 量丛盔兰亟主堑塞皇堂焦堡塞 c 8 0 5 1 f 3 2 0 m c u 拥有多达9 个复位源，即：一个上电复位电路、一个u s b 控 制器、一个片内v d d 监视器、一个看门狗定时器、一个时钟丢失检测器、一个由 比较器0 提供的电压检测器、一个软件强制复位、外部复位输入引脚和f l a s h 读 写错误保护电路复位，除了p o r 、复位输入引脚及f l a s h 操作错误这三个复位 源外，其他的复位源都可以通过软件禁止。在一次上电复位之后的m c u 初始化期 间，w d t 可以被配置为永久性的使能。 c 8 0 5 1 f 3 2 0 器件的内部振荡器在出厂时已经被校准为1 2 m h z 1 5 ，该振荡 器的周期可以由用户以大约0 2 5 的增量编程。时钟恢复电路允许内部振荡器与 4 倍时钟乘法器配合，提供全速方式u s b 时钟源。内部振荡器还被用作低速方式 下的u s b 时钟源。外部振荡器也可以与4 倍时钟乘法器配合使用。器件内集成了 外部振荡器驱动电路，允许使用晶体、陶瓷谐振器、电容、r c 或外部c m o s 时钟 源产生系统时钟。系统时钟可以被配置为使用内部振荡器、外部振荡器或时钟乘 法器输出二分频。如果需要，可以在c p u 运行时切换振荡源。外部振荡器在低功 耗系统中是非常有用的，它允许m c u 从一个低频率( 节电) 外部时钟源运行，当 需要时再周期性地切换到高速的内部振荡器。 3 2 、片内存储器 在c 8 0 5 1 f 3 2 0 单片机的c i p 一5 1 内核中，有标准的8 0 5 1 程序和数据地址配置。 它包括2 5 6 字节的数据r a m ，其中高1 2 8 字节为双映射，用户可以用间接寻址访 问通用r a m 的高1 2 8 字节，可以用直接寻址访问1 2 8 字节的s f r 地址空间，对于 数据r a m 的低1 2 8 字节，用户可以用直接或间接寻址的方式来访问。 在程序存储器中，包含有1 6 k b 的f l a s h 该存储器可以5 1 2 字节作为一个扇 区，可以在系统编程，且不需特别的编程电压。 3 3 、通用串行总线控制器 在c 8 0 5 1 f 3 2 0 单片机m c u 中，包含有通用串行总线控制器( u s b o ) ，其完全符 合u s b 2 o 规范的要求，可以在全速或低速状态下进行工作，而且还集成了收发器 和端点f i f or a m ，这样就大大地提高了编程的效率，它还拥有8 个端点，即：一 个双向控制端点( 端点0 ) 和三对输入输出端点( 端点卜3 输入输出) 。 在x r a m 中，含有i k b 的存储块被专门用作u s bf i f o 空间，该f i f o 空间被分配 给端点0 3 ；端点卜3 的f i f o 可以被配置为输入( i n ) 、输出( o u t ) 或输入输出 ( 分割模式) ，其中，最大的f i f o 大小为5 1 2 字节( 端点3 ) 。 u s b o 可以工作在全速或低速两种方式。在选择u s b 时钟源的时候，我们可以 采用多种策略，即：可以采用片内4 倍时钟乘法器和时钟恢复电路，来允许使用 内部高精度振荡器作为u s b 时钟源，实现全速和低速通信；对于外部振荡器也可 以与4 倍时钟乘法器来配合使用，以便产生u s b 时钟。注意的问题就是，c p u 时钟 源与u s b 时钟是相互独立的。 u s b 收发器符合u s b 2 o 规范，并包含内部匹配和上拉电阻，其中，上拉电阻 可以被用软件设定为使能或禁止状态，可以根据软件选择的速度来设置( 全速或 低速状态) 出现在d + 或d 一引脚上。 望旦型蕉丕堑 3 4 、稳压器 c 8 0 5 1 f 3 2 0 器件内部还包含了一个5 v 至3 v 的稳压器( r e g o ) 。当被使能时， r e g o 输出连到v d d 引脚，并可作为外部器件提供电源。r e g o 可以被软件设置为 使能或禁止状态。 3 5 、片内调试电路 在c 8 0 5 1 f 3 2 0 m c u 器件中，包含有片内s i l i c o nl a b s2 线( c 2 ) 接口调试电 路，其电路主要是用于调试，也就是说支持使用安装在最终应用系统中的产品器 件，进行非侵入式、全速的在系统调试。 s i l i c o nl a b s 的调试系统支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点和单 步执行，而不需要额外的目标r a m 、程序存储器、定时器或通信通道，因此，用 户在系统调试的时候，感到十分方便，而且，用户在调试时，系统上的所有模拟 和数字外设都可以正常地工作，不受任何影响，只有当m c u 单步执行或遇到断点 而停止运行时，所有的外设( u s b 、a d c 和s i b u s 除外) 才会停止运行，用于保 持同步。 总的来说，对于开发和调试来说，s i l i c o nl a b si d e 接口比采用标准m c u 仿真器要优越得多。 3 6 、可编程数字i o 和交叉开关 在c 8 0 5 1 f 3 2 0 m c u 中，含有2 5 个i o 引脚( 三个8 位口和一个1 位口) ，其端 口的工作情况与标准8 0 5 l 相似，但是有了一些改进。每个端口引脚都可以通过 特殊功能寄存器被配置为模拟输入或数字i 0 引脚，被选择作为数字i 0 的引脚 还可以被配置为推挽或者漏极开路等形式进行输出，而在标准的8 0 5 1 中，固定的 “弱上拉”状态是可以被总体禁止，这样就为低功耗应用提供了进一步节电的可 能性。 数字交叉开关也是c 8 0 5 1 f 3 2 0 m c u 内部很重要的部分，它的作用就是允许将 内部数字系统的资源映射到端口i o 引脚，也就是说，可以通过设置交叉开关控 制寄存器，将片内的计数器定时器、串行总线、硬件中断、比较器输出以及微控 制器内部的其它数字信号均可配置为出现在端口i o 引脚上。我们可以根据这一 特性，比较自由地设定特定应用的通用端口i o 和所需要的数字资源组合，这样 就为使用者提供了极大的方便。 3 7 、串行端口 在c 8 0 5 1 f 3 2 0 系列m c u 的内部，包含有几种串行接口，即：一个s m b u s i ：c 接 口、一个具有增强型波特率配置的全双工u a r t 和一个增强型s p i 接口。以上3 种串行总线完全可以用硬件来实现，都能向c i p - 5 1 产生中断，因此需要很少的 1 0 童趔盔兰堡主受塞生堂焦堡羔 c p u 干预。 3 8 、可编程计数器阵列 在c 8 0 5 1 f 3 2 0 系列m c u 中，除了4 个1 6 位的通用计数器定时器之外，还包 含了一个片内可编程计数器定时器阵列( p c a ) 。在可编程计数器定时器阵列内 部包括了一个专用的1 6 位计数器定时器时间基准和5 个可编程的捕捉比较模 块。对于p c a 的时钟，用户可以自由选择以下几种时钟源：系统时钟1 2 、系统时 钟4 、定时器o 溢出、外部时钟输入( e c i ) 、系统时钟和外部振荡源频率8 等6 种类型。大家都知道，外部时钟源对于实时时钟功能是非常有用的，因此，用户 可以在使用内部振荡器驱动系统时钟的同时，由外部振荡器给p c a 提供时钟。 对于捕捉比较模块而言，每一个捕捉比较模块都拥有六种工作方式：边沿 触发捕捉、软件定时器、高速输出、8 位或1 6 位脉冲宽度调制器、频率输出等 方法。除此以外，捕捉比较模块4 还可以提供看门狗定时器( w d t ) 功能，这是 一个很实用的功能，在系统复位后，捕捉比较模块4 被配置，并且被使能，为 w d t 方式。p c a 捕捉比较模块的i o 和外部时钟输入可以通过数字交叉开关，连 接到端口z o 。 3 9 、1 0 位模数转换器 在c 8 0 5 1 f 3 2 0 内部中，包含有一个1 0 位s a ra d c 和一个1 7 通道差分输入多 路选择器。当该a d c 工作在2 0 0 k s p s 的最大采样速率时，可以提供真正1 0 位的 线性度。在a d c 系统中，还包含一个可编程的模拟多路选择器，主要是用于选择 a d c 的正输入和负输入，其中，口卜3 可作为a d c 的输入、片内温度传感器的输 出和电源电压( v d d ) 也可以作为a d c 的输入，用户使用时感到很直观、方便。 用户还可以将a d c 置于关断状态，用于节省功耗。 c 8 0 5 1 f 3 2 0 中的a d 转换，有多种形式，用户可以自由选择，其中启动方式 如下：软件命令、定时器o 溢出、定时器1 溢出、定时器2 溢出、定时器3 溢出 或外部转换启动信号等方式来驱动。这种灵活性允许用户利用软件事件、周期性 信号( 定时器溢出) 或外部硬件信号触发转换。每一个状态位均可以用于指示转 换完成，或产生中断( 如果被允许) 事件。当a d 转换结束后，1 0 位的结果数 据字被保存到a d c 数据寄存器中。 。窗口比较寄存器可以被配置为：当a d c 数据位于一个规定的范围之内或者之 外时，立即向控制器申请中断。a d c 还可以采用后台方式来监视一个关键电压， 当被转换的数据位于规定的范围之内外时才向控制器申请中断，这一点在实际 的编程，特别是用于提高单片机抗干扰能力方面，是十分重要的一种方法。 3 1 0 、比较器 在c 8 0 5 1 f 3 2 0 器件的内部，含有一个电压比较器，它可以由用户通过软件， 对其进行使能或禁止配置，其中，端口z o 的引脚可以通过多路选择器被配置为 比较器输入，我们还可以将两个比较器输出连到端口引脚：一个为锁存输出和 望旦型蕉墨缍 或一个为未锁存输出( 异步) ；比较器的响应时间是可编程的，允许用户在高速 和低功耗方式之间选择；比较器的正向和负向的回差电压也是可配置的。 在比较器产生中断的方式上，形式是多种多样的，即：比较器能在上升沿、 下降沿产生中断，或在两个边沿都产生中断。当m c u 工作在空闲方式时，这些中 断还可以用作唤醒m c u 的方法。比较器0 还可以被配置为复位源。 量塑盔堂亟圭受塞皇堂焦笙塞 第四章、硬件电路的设计与实现 在整个测控系统的硬件电路的设计中，其主要包括以下几个部分：模拟量 的数据采集电路的设计和实现；单片机与显示模块之间的通讯电路的设计和实 现；单片机和显示模块的供电电路的设计和实现；数字量的数据采集电路的设 计和实现。这几部分电路在整个测控系统中的作用是十分重要的，它们设计的 成败直接影响着测控系统的性能。 在硬件电路的设计中，要充分地考虑其的合理性和易用性，并且要达到两 者的平衡，只有这样的硬件电路，才能为整个系统的软件设计打下一个良好的 基础。本测控系统有关的主要硬件电路方框图如图4 - 1 所示。 图4 - 1 硬件电路框图 下面就对系统的硬件电路的四个部分进行详细介绍。 4 1 、模拟量数据采集电路设计与实现 本系统所要采集的模拟量为信号幅值是随时间连续变化的信号，通常为温 度、压力、流量、电流、电压等测控对象，经过特殊的电路进行转换，使其成为 标准的模拟信号。模拟量的特点是：在规定的一段连续时间内，幅值为一连续变 化的值，优点是便于传输，其缺点是容易受到外界的干扰。模拟量一般有两种形 式即：一种是由传感器输出的信号，即，电流或者电压信号：另一种是仪器仪表 输出的信号，该信号是标准电流信号，即o - i o m a 或4 - 2 0 m a 。 根据以上特点，我们在设计数据采集系统时，在保证系统具备一定的采样精 度的条件下，要尽可能地提高采样速度，这样才能满足实时处理、控制的要求， 提高测控系统的性能。 在本系统中，我们采用的是c 8 0 5 1 f 3 2 0 系列的m c u ，其内部包含有一个1 0 位a d c 、模拟多路选择器和采样保持器，这样不仅保证了采样的精度，而且使整 个电路得到简化，有利于提高整个电路的稳定性。 下来就先简单地介绍一下片内a d c 的有关情况。 鋈旦型蕉垂箜 4 1 1 、片内a d c 的简介 在c 8 0 5 1 f 3 2 0 内部的a d c o 子系统中，集成了两个1 7 通道模拟多路选择器( 合 称a m u x o ) 和一个2 0 0 k s p s 的1 0 位逐次逼近寄存器型a d c ，其中在a d c 中，还集 成了跟踪保持电路和可编程窗口检测器。a m u x o 、数据转换方式及窗口检测器都 可用软件通过特殊功能寄存器来进行配置( 见图4 2 ) 。a d c o 可以选择工作在单 端方式、差分方式两种情形，只有当a d c 控制寄存器( a d c o c n ) 中的a d o e n 位被 置l 时，a d c o 子系统才能被使能，当a d o e n 位为0 时，a d c o 子系统处于 低功耗关断方式，这一点对于降低能耗有一定的作用。 图4 - 2 a d c o 功能框图 a d c 配置过程是这样的：首先，要对模拟多路选择器进行配置，根据输入模 拟信号的端口不同，对特殊功能寄存器a m x o p 或a m x o n 的对应端口进行配置；其 次，要对a d c 进行配置，根据实际情况的要求，可以对a d c 转换的时钟、转换启 动方式、跟踪方式等参数进行配置，也就是利用a n c o n 、a d c o c f 这两个特殊功能 寄存器来完成配置；最后，对a d c 输出的高、低位寄存器进行配置，这是利用 a d c o h 、a d c o l 来完成。具体的有关操作与配置过程，在软件部分给与详细的介 绍。 4 1 2 、数据采集的外部电路 本系统所要采集的模拟量是：温度、压力、流量、电流、电压等模拟量。而 模拟量分为两种形式，即一种是由传感器输出的信号，是电流或者电压信号，另 一种是仪表输出的信号，该信号是标准电流信号。我们知道，输入到c 8 0 5 1 f 3 2 0 中的模拟多路选择器端口的信号应该是电压信号，电流信号是不能使用的。因此， 在使用时，要在外部加上一个电流电压转换电路，该电路可以把电流信号转换 为单片机所能承受的范围内的电压信号，即：0 - 2 4 v 。转换电路一般采用电阻分 压的原理进行，其原理如图4 3 所示。 1 4 图4 3 电流电压转换与保护电路图 i n 端口接需要测量的模拟量，o u t 端口接单片机的输入口，即模拟多路选择 器的引脚。模拟量可以是电流量，也可以是电压量，而模拟多路选择器的引脚必 须接的是电压量，而且最大值是2 4 v ，若超过就有可能烧毁m c u 。在上图中，若 传感器输出的是电流值，则在r l 、r 2 上就会产生两个电压，在r 2 上的电压就是 单片机的接入电压v 。若v v c c ，n - - - 极管导通，r 2 上的电压被钳制到v c c ，有 效地防止了由于过电压对m c u 造成的损坏。若传感器输出的是电压值，则在r 1 、 r 2 回路上产生电流，进而在r 2 上产生电压，讨论同上一种情况。d l 、d 2 二极管 起的作用是过电压保护，防止由于过电压对m c u 的损坏；两个小电容c 1 、c 2 的 作用是用来减少外部的高频干扰，有利于提高系统的数据采集精度。 4 2 、传感器的选型及其有关电路的设计与实现 由于测控系统所要检测的对象除了电流信号和电压信号外还要检测温度、压 力、流量等物理量，这些物理量是不能立即通过单片机直接检测出来的，必须通 过有关传感器和有关电路，才能转换为适合的可测量。 4 2 1 、传感器的有关概念与分类 传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件。国际电 工委员会的定义为：“传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换 成可供测量的信号”。传感器是传感器系统的一个组成部分，它是被测量信号输 入的第一道关口。作为信息采集系统的前端单元，传感器的作用越来越重要。现 在传感器已成为自动化系统、智能测控系统和机器人技术中的关键部件，作为系 统中的一个结构组成，其重要性变得越来越明显了。 根据传感器的工作原理，一般来说，可分为物理传感器和化学传感器二大类。 其中物理传感器应用的机理是基于物理效应，诸如压电效应，磁致伸缩现象，离 化、极化、热电、光电、磁电等效应。把被测信号量的微小变化量通过一个桥式 电路，可以将其德微小变化转换成电信号；而对于化学传感器，其机理就是以化 学吸附、电化学反应等现象作为因果关系的传感器，被测信号量的微小变化也将 能够转换成电信号。 4 2 2 、传感器的选型和有关电路的设计 由于本测控系统需要检测温度、压力和流量等物理信号，因此就需要利用传 感器把这些物理量转换为可以被单片机识别的电信号。对于传感器的选型，是一 项很重要的工作，传感器的选择是否合理、分辨率如何都直接影响着整个测控系 统的性能和技术指标。 下面就着重谈一谈，在本测控系统中，检测温度时所选用的传感器的类型及 其有关设计，其它两种传感器就不一一介绍了。 本系统的温度检测范围为0 - + 1 0 0 ，精度为0 5 1 2 ，需要在比较恶劣的环 境下进行稳定的工作。根据这些条件，本系统选择p t l 0 0 作为温度传感器，它具 有精确度高、稳定性好、性能可靠等特点，而且在比较恶劣的环境中，p t l 0 0 工 作能非常稳定地工作。 为了进一步提高温度传感器的稳定性，我们给p t l 0 0 装上一个外套，这样就 可以在不影响传感器精度的情况下，有效地增强了其的耐用性。其外形如图4 - 4 所示。 图4 - 4 温度传感器的外型封装 铂电阻p t l 0 0 完全被密封在一个保护管内部，然后用环氧树脂密封来增强 其的牢固性和严密性。由于铂电阻p t l 0 0 被封装在一个保护套内，那么就会存 在热惯性的问题，解决的有效方法就是采用补偿的方法。对于要求测控精度不高 的系统，就不需要考虑有关热惯性问题。 铂电阻p t l 0 0 与温度之间的关系近似直线，几乎成比例关系，这样对于方程 的建立是很有利的。铂的纯度越高，那么精确度就越高，其分度表是按下列关系 式来建立的： r t = r o ( 1 + a t + b t 2 )o t 6 5 0 r t = r o 1 + a t + b t 2 + c ( t - i 0 0 ) t 3 一2 0 0 t 0 式中r t 、r o 一温度t 和o 时的铂电阻的电阻值； a 、b 、c 一实验测得的常数，其中 a = 3 9 6 8 4 7 x i 0 。3 ( 1 ) b = 一5 8 4 7 x i 0 1 ( 1 ) c = 一4 2 2 1 0 。1 2 ( 1 ) 当所要测量的对象的温度发生变化的时候，铂电阻p t l 0 0 的阻值就会有一定 的变化，并随着温度的变化而变化。这样温度的变化就转换为铂电阻p t l 0 0 的阻 值的变化，我们再通过一个简单的桥式电路，就可以把铂电阻p t l 0 0 的阻值的变 化量，转换为电压的变化量，再经过一番有关的放大电路，就可以得到标准的电 墅 0 而 照 t 1 f 童霸闶川心三弋宅百觥 重型丕堂堡圭堑窒塞堂焦丝塞 压信号，通过单片机就可以获得被测对象的温度值。这就是利用传感器的测温机 理。其原理图如图4 5 所示。 图4 - 5 有关的桥式电路图 图中的t l 4 3 1 是2 5 v 稳压二极管，d 1 2 是一个保护二极管，其主要作用就 是防止输入电压正、负极的连接错误，避免带来对电路的影响或者损坏。r 1 1 的 作用就是限流；而r 1 2 、r 1 3 、r 1 4 与r 1 5 ( p t l o o ) 这四个电阻配合起来使用，组 成一个电阻测量电桥。如图所示，r 1 1 、r 1 2 、r 1 3 、r 1 4 的阻值是确定的，其中 热电阻r 1 5 的阻值是随着温度的变化而变化的。这个电阻桥刚刚开始时是一个平 衡的电桥，输出到放大器的电压值为零；当温度发生变化时，r 1 5 ( p t l 0 0 ) 的阻值 就发生了变化，平衡的电桥被打破了，那么就有一个电压值输入到放大器的前端。 必须注意的是：r 1 4 的阻值要根据采用热电阻分度号的不同，而取不同的阻值。 例如选用p t l 0 0 测量时，r 1 4 取1 0 0 q ；选用c u 5 0 测量时，r 1 4 取5 0 f l 。电桥中 间两点的电压，就是差动放大器的输入信号，其的计算公式分别为： y ：2 5 墨! r 12 + r 1 5 y ，：2 5 墨! 由于：r 1 2 = r 1 3 ) ) r 1 4 及r 1 5 ，故 v ：v vt 。2 5 墨! 二墨! ! r 1 3 + r 1 4 以上就是有关桥式电路的分析结果。 4 3 、数字量数据采集电路设计与实现 本系统在采集数字量数据时，为了有效地抑制干扰信号，我们在数字量信号 进入单片机之前，采用光电耦合器件作为隔离的方法来降低来自外界的干扰。系 统采用的是东芝t l p 5 5 0 系列，具有高速转换特性的光电耦合器件。t l p 5 5 0 光电 耦合器件的管脚排列如图4 - 6 所示。 望旦型堡丕堑 ：n c 2 ：- 辄o d e 3 ：c a 执o d e 4 ：n c 5 ：e m , i 牡e r 5 ：c o l | e c i c f 7 ：n c 8 ：c a 永o d e 图4 - 6t l p 5 5 0 光电耦内部结构图 从以上的结构图中，我们可以看出l 、4 和7 这个3 个管脚是悬空的，2 与3 管 脚连接的是输入信号，8 与6 管脚是输出信号。在本系统中，具体的有关电路如 图4 7 所示。 图4 7 t l p 5 5 0 的有关电路 在闭合回路中，由于干扰所产生的电流一般不足以使发光二极管产生足够的 亮度，因此光电耦合器能够有效地抑制干扰信号。在本测控系统的设计中，我们 大量地采用了光电耦合器，在检测数字信号时，在输出脉冲信号时，都采用了这 种方法。实践证明，这种方法抑sr j t 扰是行之有效的。 4 4 、数据显示的有关电路与模块 本系统要求便携、读取数据清晰明了，因此我们选用带有国标中文字库的图 形点阵液晶显示模块作为读取数据的窗口，这样就摆脱了传统l c d 显示器不直观、 易读错的弊端。 4 4 1 、带有国标中文字库的图形点阵液晶显示模块简介 l c m l 2 8 6 4 z k 模块是北京青云创新科技发展有限公司制造的，带有国标中文字 库的图形点阵液晶显示模块，其液晶屏幕为1 2 8 6 4 ，可同时显示四行文字和数字， 每行最多可显示8 个汉字，也就是说，l c m l 2 8 6 4 z k 模块最多可以同时显示4 个模拟 量实时数据。这样我们可以抛开上位机，使下位机单独工作，读取特定通道的有 关数据，并可以同时显示4 个模拟量的实时数据。对于上位机与下位机，既可以 分开来使用，又可以结合起来使用，当需要修改采集参数和进行数据处理时，就 采用联机操作，这样不仅大大地增强了其的便携性，而且还具有较强的数据处理 的扩展能力。其外形如图4 8 所示。 图4 - 8l c m l 2 8 6 4 z k 模块的外形 4 4 2 、l c m l 2 8 6 4 z k 模块的特点 在l c m l 2 8 6 4 z k 模块字形的r o m 中，内含8 1 9 2 个1 6 1 6 点中文字型和1 2 8 个1 6 8 半宽的字母符号字型，另外绘图显示画面提供一个6 4 * 2 5 6 点的绘图区域g d r a m ， 而且内含c g r a m ，并且提供4 组软件可编程的1 6 1 6 点阵造字功能。电源操作范围 较宽，低功耗设计可满足本测控系统的省电要求。同时该模块与单片机的接口方 式灵活，具有以下几种模式：并行8 位4 位，串行3 线2 线。 该中文液晶显示模块还具有上下左右移动当前显示屏幕及清除屏幕的功 能：具有光标显示闪