毕业设计（论文）-智能传感器接口模块STIM设计.doc

南京林业大学本科毕业设计 论文 I 智能传感器接口模块 STIM 设计 摘要 IEEE 1451 标准开发了一种软硬件的连接方案 将智能传感器连接到网络 或者用以支持现有的各种网络技术 包括各种现场总线及 Internet Intranet 通 过定义一整套通用的通信接口 使传感器在现场级采用有线或无线的方式实现 网络连接 大大简化由传感器构成的各种网络控制系统 解决不同网络之间的 兼容性问题 并能够最终实现各个厂家产品的互换性和互操作性 本文依据 IEEE1451 2 标准设计了智能变送器接口模块 STIM 并实现了即插 即用功能 在硬件方面 主要围绕 AT89C52 展开 设计了传感器模块 信号调 理模块 复位电路 存储器电路和电源电路 软件方面 介绍了 STIM 主体软 件结构和实现的功能 在传感器 RS232 串口和电子数据表格 TEDS 设计上 首 先对 RS232 串口和 TEDS 的协议做了一定的介绍和研究 通过硬件和软件两方面的设计 利用调试工具对 STIM 进行调试 实现了 串口的接收发送数据和 TEDS 下载到片内 FLASH 的功能 本次设计为智能变送器接口模块 STIM 的集成提供了功能验证 为符合 IEEE1451 标准的智能变送器的研究奠定了基础 为开发各种 IEEE1451 标准的 智能传感器模块 STIM 提供了范例 关键词 IEEE 1415 标准 智能传感器接口模块 电子数据表格 南京林业大学本科毕业设计 论文 II Design of a Smart Transducer Interface Module STIM Abstract IEEE 1451 standard has developed a hardware and software connectivity solutions the intelligent sensor is connected to a network or networks to support various existing technologies including a variety of field bus and the Internet Intranet By defining a set of common communication interface so that the sensor at the field level by wire or wireless means to achieve the network connection greatly simplifying the sensor composed of a variety of network control system to resolve compatibility issues between different networks and can ultimately interchangeability of the various manufacturers of products and interoperability This article is designed according to IEEE1451 2 standard smart transducer interface module and implements plug and play functionality STIM On the hardware side the main focus AT89C52 started to design a sensor module signal conditioning modules reset circuits memory circuits and power circuits Software describes the main software architecture and implementation STIM functions RS232 serial port and the sensor TEDS spreadsheet design the first TEDS RS232 serial port and protocol to do a certain presentation and research Both the hardware and software design use of debugging tools to debug STIM to achieve the serial receive and send data downloaded to the on chip FLASH TEDS functionality This article is designed according to IEEE1451 2 standard smart transducer interface module and implements plug and play functionality STIM smart transducer interface module for the integration of STIM provides functional verification in order to meet the IEEE1451 standard Smart Transducer laid the foundation for the development of a variety of smart sensor module IEEE1451 standard provides examples of STIM Keywords IEEE 1415 standard Intelligent sensor interface module Transducer electronic data sheet TEDS 南京林业大学本科毕业设计 论文 目目 录录 1 绪论 1 1 1 选题的主要目的和意义 1 1 2 研究背景 1 1 2 1 国内研究状况 1 1 2 2 国外研究状况 2 1 3 本文的主要内容 2 2 STIM 模块总体设计 3 2 1 IEEE1451 系列标准概述 3 2 2 总体设计思路 9 3 STIM 硬件设计与实现 12 3 1 硬件设计原则 12 3 2 STIM 中芯片的选择 12 3 2 1 CPU AT89C52 12 3 2 2 锁存器 74HC573 13 3 2 3 存储芯片 14 3 2 4 热电偶数字转换芯片 MAX6675 15 3 3 ADC 功能模块 17 3 3 1 MAX 6675 的工作原理与功能 17 3 3 2 MAX6675 与 AT89C52 的接口实现 17 3 4 存储模块 18 3 5 电源电路 19 3 6 串口电路 20 3 7 复位电路 21 3 8 STIM 硬件电路图 22 4 STIM 软件设计 24 4 1 软件总体设计 24 4 2 串口通讯 26 4 3 TEDS 下载程序 27 5 程序调试 30 5 1 串口调试 30 5 2 TEDS 下载程序调试 33 6 总结与展望 35 致谢 37 参考文献 38 附录 40 南京林业大学本科毕业设计 论文 附录一 40 附录二 41 南京林业大学本科毕业设计 论文 1 1 绪论 1 1 选题的主要目的和意义 智能传感网络技术的发展现状和国际电子电气工程师协会 IEEE 组织为解 决网络化智能传感器接口标准化问题而提出的 IEEE 1451 系列标准 比较并分 析了传统传感网络结构和基于 IEEE 1451 标准的智能传感网络结构的区别 提 出了智能传感器接口模块 STIM 的设计方案 IEEE 1451 标准定义了传感器 或执行器的软硬件接口标准 为传感器或执行器提供了标准化的通讯接口和软 硬件的定义 使不同的现场网络之间可以通过应用 IEEE 1451 定义的接口标准 互连 可以互操作 解决了不同网络之间的兼容性问题 使传感器的厂家 系 统集成商和最终用户有能力以低成本去支持多种网络和变送器家族 并且通过 简化连线 降低了系统总的消耗 本课题通过对基于智能传感网络结构 STIM 接口的研究和实现 完成了对传感器的自检测和自配置功能 很好的解决了不 同厂商传感器之间的互换性和互操作性 最终实现了传感器网络的通用性和即 插即用特性 1 2 研究背景 1 2 1 国内研究状况 国内对网络化智能传感器的研究起步比较晚 所掌握的技术也比较落后 但是经过多所科研机构和高校几年来的努力 也已经取得了较好的成绩 合肥工业大学和中科院合肥智能机械研究所利用基于 IEEE 1451 1 的网络 化智能传感器联合研制了具有适当空间分布的 10 个力觉 6 个接近觉 1 个距 离觉以及 1 个温度传感器构成的机器人手抓 广东省将设计的网络化智能传感器应用在广东省农业现代化环境因子测控 平台中 对影响农业生产和作物生长的主要参数进行监测 并以此为参考对以 后的农田建设进行调整 1 中国单片机公共实验室 BOL 的因特网传感器技术在这方面的研究取得了较 大的进展 童利标等应用了 IEEE1451 的一些突出特点 研制了网络化智能机 器人手爪传感器系统 可以通过因特网对手爪的传感器信息和状态进行远程采 集和监控 2 另外 国内很多厂家都相继推出了以网络化智能传感器系统为基础的分布 式智能家居系统 它将房屋内主要的电器连接于控制总线 总线通过 RS232 再 与微机相连 就可以实现应用程序的下载 这样 户主就可以通过手机或互联 南京林业大学本科毕业设计 论文 2 网在远程对家用电器进行控制 1 2 2 国外研究状况 网络化智能传感器的标准最先是由 IEEE 和 NIST 提出并撰写的 在 IEEE 1451 系列标准中详细介绍了网络化智能传感技术的目标 意义 模型 各种标 准化的硬件接口 网络适配器的软件服务模型 各种传感模块的 TEDS 数据 校正技术等等 这些都为网络化智能传感器打下了深厚的理论基础 根据 IEEE 1451 系列标准 美国 NASA 的 ESE 计划中设计了一种名为 MODIS 的传感器 它具有 36 个通道 空间分辨率为 250 1000m 其数据在地 球长期观测 地球环境监测 自然灾害监测方面具有广泛的应用前景和重大意 义 目前已有 44 个 MODIS 数据产品可以用来进行全球变化研究 即 MOD 01 国防科学技术人学研究生院学位论文 MOD 44 这些产品可分为 4 部分 辐射率 和定位产品 Radiometric and Geo location Products 大气产品 Atmosphere Products 海洋产品 Ocean Products 以及陆地产品 Land Products 瑞士于 20 世纪 80 年代建立了国家土壤环境监测网 NAB 在全国设立了 120 个土壤监测点 监测点的选择原则是农用地占 50 森林土壤占 30 其 它广泛使用的土壤占 20 从 1985 年开始监测 其中测定的项目包括 Pb Cu Cd Zn Ni Cr Co Hg 和 F 除此之外 还测定了土壤 PH CaC03 有机碳 粒度 铁和铝的氧化物 阳离子交换量 CEC 有效 态 磷和 土壤密度等指标 每年以上述指标数据对全国土壤的状况进行评估 3 1 3 本文的主要内容 本文主要负责网络化智能传感器系统中的 STIM 模块的研究其中主要包括 传感器接口设计 电子数据表格 Transducer Electronic Data Sheet TEDS 的建 立 串行接口的设计 第一章引言 主要是网络化智能传感器的发展背景 意义及应用 并介绍 了国内外的发展现状 第二章 IEEE 1451 网络化智能传感器模型 主要是介绍了 IEEE 1451 相关 标准 第三章智能传感器硬件设计 主要是以模块化的方法单片机 AT89C52 传 感器模块 A D 转换模块 复位电路 存储器电路 串口电路和电源电路进行 设计 并指出了部分模块设计需要注意的地方 第四章智能传感器软件设计 主要是对传感器接口程序 串口程序 TEDS 存储程序的编写 以实现各模块基本功能 第五章程序的调试 主要对串口程序以及对 TEDS 下载程序的调试 南京林业大学本科毕业设计 论文 3 第六章总结与展望 总结本课题的工作和结论 并确定未来研究工作的方 向 2 STIM 模块总体设计 2 1 IEEE1451 系列标准概述 为了解决传感器与各种网络相连的问题 以 Kang Lee 为首的一些有识之士 开始构造一种通用智能化传感器的接口标准 1993 年 9 月 IEEE 第九技术委 员会即传感器测量和仪器仪表技术协会接受了制定一种智能传感器通信接口的 协议 1994 年 3 月 美国国家标准与技术协会 NIST 与国际电气和电子工程师 协会 IEEE 共同组织了一次关于制定智能传感器接口和制定智能传感器连接网 络通用标准的研讨会 提出了开发这样一种标准接口的可能性 目的是通过定 义一整套通用的通信接口 解决不同网络之间的兼容性问题 并能够最终实现 各个厂家的产品相互之间的互换性和互操作性 经过近年来 IEEE 组织的努力 以及各大公司的支持 目前已经形成了一套针对不同场合应用的 IEEE 1451 标 准族 该族所有标准都支持电子数据表格 TEDS 概念 这为变送器提供了自识 别 self identification 和即插即用 plug and play 功能 图 2 1 IEEE 1451 智能变 送器接口标准族体系 图 2 1 描述了 IEEE 1451 标准族的整体框架和各成员间 的关系 4 IEEE 1451 标准可以分为面向软件的接口与面向硬件的接口两大部分 软件接口部分借助面向对象模型来描述网络化智能变送器的行为 定义了一套 使智能变送器顺利接入不同测控网络的软件接口规范 同时通过定义一个通用的 功能 通信协议和电子数据表格 以达到加强 IEEE1451 族系列标准之间的互 操作性 软件接口部分主要由 IEEE 1451 1 和 IEEE 1451 0 组成 硬件接口部分 由 IEEE 1451 2 IEEE 1451 3 IEEE 1451 4 和 IEEE 1451 5 组成 主要是针 对智能传感器的具体应用而提出来的 这种模块化的模型结构 使得在基于各 种现场总线的分布式测量控制系统中 各种变送器的设计 制造无须考虑系统 的网络结构 5 6 南京林业大学本科毕业设计 论文 4 IEEE 1451 1 通用对 象模型 IEEE 1451 0 通用功 能与 TEDS IEEE1451 4 IEEE1451 2 IEEE1451 3 IEEE1451 4 IEEE1451 5 任何网络 网络应用处理器 NCAP 模拟 数字 数字点对点 分布式多点 总线 无线 CAN总线 混合模式变 送器 智能变送器接口模 块 STIM 变送器总线接口 模块 TBIM 无线变送器 CAN总线变 送器 TEDS 变送器 数字 接口 TEDS TEDS TEDS TEDS 变送器 总线接 口 A D A D变送器 变送器 变送器 变送器 无线接 口 CAN总 线接口 A D A D 图 2 1 IEEE 1451 智能变送器接口标准族体系框图 1 IEEE 1451 0 提议标准 即通用的功能 通信协议和变送器电子数据 表格式 Common Functions Communication Protocols and Transducer Electronic Data Sheet TEDS Formats IEEE 1451 提议标准族由几个标准组成 尽管它们之间有共同的特征 但是却不存在通用的功能 通信协议和电子数据 表格式的设置 这影响了这些标准之间的互操作性 阻碍了这些标准在用户群 中的广泛使用 IEEE 1451 0 提议标准就是为解决这一问题提出来的 通过定义 一个包含基本命令设置和通信协议的独立于 NCAP 到变送器模块接口的物理层 为不同的物理接口提供通用 简单的标准 以达到加强这些标准之间互操作性 的目的 IEEE1451 0 是一个与物理层独立的网络适配器 NCAP 到变送器的模 型接口 它不仅包括基本的命令集还包括通信协议 这是为了实现一种新的工 EEE1451 类型来定义物理层 包括物理层电子数据表格 TEDS 加上任意的特 殊功能或必要的命令来支持选定的物理层 7 8 9 其模块如图 2 2 所示 南京林业大学本科毕业设计 论文 5 网络 端口 变送器 模块接 口 NCAP 网络协 议 应用软件 变送器框 1451 0 功能变 送器接 口 网络 物理和 数据链 标准 1451 0 变送器 模型 TEDS 物理 TEDS 物理和数 据链标准 1451 0变 送器模型 TEDS 物理 TEDS 图 2 2 IEEE 1451 0 智能变送器接口模块图 4 2 IEEE 1451 1 标准 即智能变送器网络应用处理器信息模型困 network Capable Application Processor CAP for smart transducer 1999 年 7 月 通过了 IEEE 认可 该标准定义了网络独立的信息模型 使变送器接口与 NCAP 相连 它使用了面向对象的模型定义提供给智能传感器及其组件 该标准通过 采用一个标准的应用编程接口 API 来实现从模型到网络协议的映射 10 11 如图 2 3 为 IEEE 1451 1 标准实现模型示意图 该模型由一组对象类组成 这些对象 类具有特定的属性 动作和行为 它们为传感器提供一个清楚 完整的描述 该模型也为传感器的接口提供了一个与硬件无关的抽象描述 该标准通过采用 一个标准的 API 来实现从模型到网络协议的映射 同时 这个标准以可选的方 式支持所有的接口模型的通信方式 由其它的 IEEE 1451 标准提供如 STIM TBIM 变送器总线接口模型 和 MMX 混合模式传感器 12 网络端口 变送器单 元 功能单元 功能单元 物理变送器 网络应用处理单元 通信接口 C S和B S模式 变送器接口 南京林业大学本科毕业设计 论文 6 图 2 3 IEEE 1451 1 标准实现模型示意图 3 IEEE 1451 2 标准 即变送器与微处理器通信协议和变送器电子数据 表格式 Transducer to Microprocessor Communication Protocols and Transducer Electronic Data Sheet TEDS Formats 1997 年 9 月通过了 IEEE 认可 该标准 具体定义了电子数据表格式 TEDS 和一个连接 NCAP 与 STIM 之间的 RS232 串 口以及变送器与微处理器通信协议 如图 2 4 所示 使智能传感器 执行器模块 具有了即插即用能力 13 测控网络也可以通过访问 TEDS 来监测和配置传感器 执行器通道 在这个标准中并没有对信号调理 信号转换和 TEDS 如何应用做 出相应的规定 而是由各个传感器制造商自主实现 以保持各制造商在性能 质量 特性 价格等方面的竞争力 14 15 网络应用处理器 NCAP XDCR XDCR XDCR XDCR ADC DAC DI O 变送器电子 数据表格 TEDS 地址逻辑 网络 RS232串口 功能边界 智能变送器接口模块 STIM 图 2 4 IEEE1451 2 STIM 与 NCAP 连接形式 4 IEEE Std 1451 3 标准 即分布式多点系统数字通信和变送器电子数据 表格式 Digital Communication and Transducer Electronic Data Sheet TEDS Formats for Distributed Multidrop System 2003 年 10 月通过了 IEEE 认可 IEEE P 1451 3 允许变送器的制造商以很高的性能价格比并且系统内部可操作的 特点生产变送器 IEEE P1451 3 允许变送器的制造商以很高的性能价格比且系 统内部可操作的特点生产变送器 16 17 这个标准既允许以相对较低的采样速率 和合适的时序要求来设计和生产简单的设备 同时 在另一方面 也可兼容高 达几兆带宽和小到纳秒的时序要求的设备 也就是说该标准利用展布频谱技术 在一根信号电缆上实现数据同步采集 通信和对连接在变送器总线上的电子设 备供电 其连接示意图见图 2 5 18 南京林业大学本科毕业设计 论文 7 变送器 总线接 口模型 TBIM 变送器 总线接 口模型 TBIM 变送器 总线接 口模型 TBIM 变送器总线 控制器 网络 NCAP 返回 信号或电源 图 2 5 IEEE 1451 3 物理连接 5 IEEE 1451 4 提议标准 即混合模式通信协议和变送器电子数据表格 式 Mixed mode Communication Protocols and Transducer Electronic Data Sheet TEDS Formats o IEEE 1451 1 IEEE 1451 2 和 IEEE 1451 3 标准主要针 对可数字方式读的具有网络处理能力的传感器和执行器 IEEE 1451 4 标准主要 致力于基于已存在的模拟量变送器连接方法 提出一个混合模式智能变送器通 信协议 混合模式接口一方面支持数字接口对 TEDS 的读写 另一方面也支持模 拟接口对现场仪器的测量 同时使用紧凑的 TEDS 对模拟传感器的简单 低成本 的连接 IEEE 1451 4 定义了一个混合模式变送器接口标准 如为控制和自我 描述的目的 模拟量变送器将具有数字输出能力 19 20 IEEE 1451 4 提议定义一 种允许模拟量传感器 如压电传感器 变形测量仪 以数字信息模式 或混合模式 通讯的标准 目的是传感器能进行自识别和自设置 此标准同时建议数字 TEDS 数据的通讯将与使用最少量的线一远远少于 IEEE 1451 2 标准所需的 10 根线的传感器的模拟信号共享 一个 IEEE 1451 4 的变送器包括一个变送器电 子数据表格 TEDS 和一个混合模式的接口 MMI 如图 2 6 所示为 IEEE 1451 4 的混合模式变送器 传感器和执行器 和接口的关系图 南京林业大学本科毕业设计 论文 8 1451 4混合模式接口和 变送器模块的网络适配 器NCAP 能量 转换 网络 1451 4混合模式变送器 TEDS 1451 4混合模式变 送器 终端变送器 放大 图 2 6 IEEE 1451 4 接口 6 IEEE 1451 5 提议标准 即无线通信与变送器电子数据表格式 Wireless Communication and Transducer Electronic Data Sheet TEDS Fonnats 该 提议标准于 2001 年 6 月最新推出的 旨在现有的 IEEE 1451 框架下 构筑一个 开放的标准无线传感器接口 以适应工业自动化等不同应用领域的需求 无线 通信方式上将采用三种标准 即 802 11 WiFi 802 15 1 Bluetooth 802 15 4 ZigBee a 标准制订面临的任务在于 定义 IEEE 1451 0 5 通信应用编程接 口 API 定义 IEEE1451 5 物理层 PHY TEDS 包括 WiFi Bluetooth ZigBee 传输协议物理层 TEDS 定义 IEEE 1451 5 标准命令集 IEEE 1451 5 标准并非开 发一种新的无线通信技术 而是利用目前已经成熟的技术作为通信手段 按照 IEEE 1451 的框架结构统一其接口 标准采用了三种无线通信技术 IEEE 802 11 无线局域网技术 IEEE 802 15 1 蓝牙技术和 IEEE 802 15 4 ZigBee 技术 标准 制订面临的任务在于定义 IEEE 1451 0 5 通信应用编程接口 API IEEE 1451 5 物理层 TEDS 包括 802 11 Bluetooth ZigBee 以下传输协议物理层 TEDS IEEE 1451 标准命令集 21 图 2 7 为 IEEE 1451 5 标准的设想结构 南京林业大学本科毕业设计 论文 9 图 2 7 IEEE 1451 5 结构模型 7 IEEE 1451 6 是一个为在每一个层次上有多个控制器的变送器和闭环 控制器提供本质安全的操作级联网络环境的标准 网络的传输层是一个串行 CAN 总线 在各种微控制家族和几个公司制造的单机 CAN 控制芯片中作为一 个串行接口被实现的 应用层可以在没有许可和版税的情况下实现 IEE 1451 6 标准在没有本质安全定义的情况下已经在许多传感器和闭环控制器里被实现己 经有十多年了 因此 这种方法可以被认为是经过了测试和检验的 22 23 IEEE 1451 6 标准进一步的定义了一个作为本质安全的开放物理层 2 2 总体设计思路 基于 IEEE1451 2 标准的 STIM 有如图 2 8 所示的五种接口方式设计 即 TII RS232 UART SPI 和 USB 五种方式 每种方式由传感器控制器 TEDS A D 转换以及各种的接口方式构成 南京林业大学本科毕业设计 论文 10 图 2 8 五 种 STIM 接口设计方式 本设计的STIM 主要是根据IEEE1451 2标准RS232方式的 即插即用 的变送 器模块 主要通过电子数据表格进行传感器数据的读入和执行器参数的设定 模块原理图如图2 9所示 主要包括 数字传感单元 TEDS 电子数据表格 串 行接口 看门狗等部分 南京林业大学本科毕业设计 论文 11 CPU 温度传 感器 FLASH 串口PC机 看门狗 下载 调试 A D RS232 图 2 9 设计总体框图 整个系统的主芯片采用的是低电压 高性能 CMOS8 位单片机 AT89C52 传感器信号先通过 AD 转换再通过 I O 口进入 AT89C52 后存储于芯片内部的 RAM 中 AT89C52 需要外接 POR power on reset 上电复位 电路 在这里 需要注意 上电复位电路在电源电压低于 2 5V 时 要使 RESET 引脚保持高电 平 Vdd 的电压高于 2 5V 时 RESET 引脚保持低电平至少 10ms 外部 POR 电路必须能够在低至 1 2V 甚至更低的电压下工作 这样就可以保证 AT89C52 在上电时正常复位 掉电时正常关闭 在非完全掉电和电源低落时也能做出正 常 合适的响应 提高了系统的可靠性 整个模块采用 AT89C52 中配置的全双工异步串行口 UART 来下载和调试 程序 此串行口还可用来下载电子数据表格 TEDS 至 AT89C52 的外接 Flash 方便 TEDS 内容的升级与更新 南京林业大学本科毕业设计 论文 12 3 STIM 硬件设计与实现硬件设计与实现 3 1 硬件设计原则 1 尽量使用成熟的芯片和开发工具 减小风险 加快设计速度 2 尽量使用分立芯片实现智能变送器接口模块 STIM 的功能 以加强对 STIM 模型中各模块功能及在协议中的工作方式的理解 3 尽可能符合 IEEE1451 标准 4 在完成模块性能或指标的基础上 选择价格便宜的元件 3 2 STIM 中芯片的选择 3 2 1 CPU AT89C52 AT89C52 为 8 位通用微处理器 其主要用于会聚调整时的功能控制 功能包括对会聚主 IC 内部寄存器 数据 RAM 及外部接口等功能部件的初 始化 会聚调整控制 会聚测试图控制 红外遥控信号IR 的接收解码及与 主板 CPU 通信等 其引脚图见图 3 1 1 P10 P17 为 8 位准双向 I O 口 2 P20 P27 为 8 位准双向 I O 口 A8 A15 的高位地址线 3 P30 P37 为 8 位准双向 I O 口 兼有 RXD TXD INTO INT1 T0 T1 WR RD 等替代功能 4 P00 P07 为 8 位漏极开路双向 I O 口 AD0 AD7 数据地址分时复用 5 EA 外部访问使能 此管脚使处理器访问外部 ROM 如果 EA 管 脚为高电平且程序计数器指向片内 ROM 空间 ROM 的地址和数据就不会出现 在总线上 6 PSEN 程序存储使能 PSEN 允许外部 ROM 数据出现在 P0 口的地 址 数据总线上 当访问内部 ROM 时 此管脚上不输出 PSEN 的选通信号 7 ALE 地址锁存使能 ALE 用于将 P0 口地址锁存 使其和数据分离 ALE 以晶振 1 6 频率运行 8 RST 复位 振荡器运行时 此管脚上出现两个机器周期的高电平将 使器件复位 南京林业大学本科毕业设计 论文 13 图 3 1 AT89C52 引脚图 3 2 2 锁存器 74HC573 74HC573 高性能硅门 CMOS 器件 SL74HC573 跟 LS AL573 的管脚 一样 器件的输入是和标准 CMOS 输出兼容 的 加上拉电阻 他们能和 LS ALSTTL 输出兼容 当锁存使能端 LE 为高时 这些器件的锁存对于 数据是透明的 也就是说输出 同步 当锁存使能变低时 符合建立时间和 保持时间的数据会被锁存 其引脚如图3 2 所示 74HC573 特点 1 三态总线驱动输出 2 置数全并行存取 3 缓冲控制输入 4 使能输入有改善抗扰度得作用 管脚功能 1 OE 三态输出使能输入 低电平 2 D0 D7 数据输入 3 LE 锁存使能输入 4 GND 接地 5 VCC 电源电压 南京林业大学本科毕业设计 论文 14 图 3 2 74HC573 引脚图 3 2 3 存储芯片 1 WS62256 32K 的低功耗静态 RAM 存储器 其引脚如图 3 3 所示 WS62256 引脚功能 A0 A14 地址总线 Address D0 D7 输入 输出口 input output CE 端口选择 Chip select WE 输入始能 Write enable OE 输出始能 Output enable VCC 电源电压 Power supply GND 接地 Ground 南京林业大学本科毕业设计 论文 15 图 3 3 WS62256 引脚图 2 AT24C32D 存储器容量 32Kbit 存储器配置 4K x 8bit 接口 Serial 2 Wire 时钟频 率 1MHz 电源电压范围 1 8V to 3 6V 封装类型 DIP 针脚数 8 工作温度范 围 40 C to 85 C 其引脚如图 3 4 所示 图 3 4 AT24C32D 引脚图 3 2 4 热电偶数字转换芯片 MAX6675 热电偶作为一种主要的测温元件 具有结构简单 制造容易 使用方便 测温范围宽 测温精度高等特点 但是将热电偶应用在基于单片机的嵌入式系 统领域时 却存在着以下几方面的问题 非线性 热电偶输出热电势与温 南京林业大学本科毕业设计 论文 16 度之间的关系为非线性关系 因此在应用时必须进行线性化处理 冷端补偿 热电偶输出的热电势为冷端保持为0 时与测量端的电势差值 而在实际应用中 冷端的温度是随着环境温度而变化的 故需进行冷端补偿 数字化输出 与嵌入式系统接口必然要采用数字化输出及数字化接口 而作为模拟小信号测 温元件的热电偶显然无法直接满足这个要求 因此 若将热电偶应用于嵌入式 系统时 须进行复杂的信号放大 A D转换 查表线性化 温度补偿及数字化 输出接口等软硬件设计 如果能将上述的功能集成到一个集成电路芯片中 即 采用单芯片来完成信号放大 冷端补偿 线性化及数字化输出功能 则将大大 简化热电偶在嵌入式领域的应用设计 MAX6675 是一个复杂的热电偶数字转换器 引脚见图 3 5 所示 带有一个 内置的 12 位模拟数字转换器模数转换器 ADC MAX6675 还包含了冷端补 偿传感和校正 数字控制器 一个 SPI 兼容接口 以及相关的控制逻辑 MAX6675 的主要特性如下 1 简单的 SPI 串行口温度值输出 2 0 1024 的测温范围 3 片内冷端补偿 4 高阻抗差动输入 5 热电偶断线检测 6 单一 5V 的电源电压 7 低功耗特性 8 工作温度范围 20 85 9 2000V 的 ESD 信号 图 3 5 MAX 6675 引脚图 南京林业大学本科毕业设计 论文 17 3 3 ADC 功能模块 3 3 1 MAX 6675 的工作原理与功能 根据热电偶测温原理 热电偶的输出热电势不仅与测量端的温度有关 而 且与冷端的温度有关 使用硬件电路进行冷端补偿时 虽能部分改善测量精度 但由于热电偶使用环境的不同及硬件电路本身的局限性 效果并不明显 而使 用软件补偿 通常是使用微处理机表格法或线性电路等方法来减小热电偶本身 非线性带来的测量误差 但同时也增加了程序编制及调试电路的难度 MAX6675 对其内部元器件参数进行了激光修正 从而对热电偶的非线性进行了 内部修正 同时 MAX6675 内部集成的冷端补偿电路 非线性校正电路 断偶 检测电路都给 K 型热电偶的使用带来了极大方便 MAX6675 内部集成有冷端补偿电路 带有简单的 3 位串行 SPI 接口 可将 温度信号转换成 12 位数字量 温度分辨率达 0 25 内含热电偶断线检测电路 冷端补偿的温度范围 20 80 可以测量 0 1023 75 的温度 基本符合 工业上温度测量的需要 当 MAX6675 的 引脚从高电平变为低电平时 MAX6675 将停止任何信号 的转换并在时钟 SCK 的作用下通过 SO 引脚向外输出已转化的数据 此数据是 经过放大了的 A D 转换后的数字量与冷端补偿之和 相反 当 从低电平变回 高电平时 MAX6675 将进行新的转换 在 引脚从高电平变为低电平时 第一 个字节 D15 出现在引脚 SO 上 一个完整的数据读过程需要 16 个时钟周期 数 据的读取通常在 SCK 的下降沿完成 值得指出的是此芯片的 AD 转换速度在 0 17 0 22s 之间 比之一般的 AD 转换芯片微秒级的转换速度要长得多 3 3 2 MAX6675 与 AT89C52 的接口实现 MAX6675 采用标准的 SPI 串行外设总线与单片机接口 因此它只能作为 从设备即串行接口芯片 SPI Serial Peripheral Interface 总线系统是一种同步 串行外设接口 是 Motorola 公司推出的总线标准 它可以使单片机与各种外围 设备以串行方式进行通信以交换数据 以单路热电偶为例来说明 MAX6675 与 AT89C52 单片机的接口连接 由于 C51 系列单片机不具有 SPI 串行总线接口 可以使用软件来模拟 SPI 操作 包 括串行时钟 数据输入和数据输出 如图 3 6 所示 串行外部时钟由 P31 提供 它是单片机的串行输出口 TXD 对应于 SCK 的串行时钟输入 片选信号由 P32 提供 转换数据由 P30 读取 它是单片机的串行输入口 RXD 对应于 SO 的串行输出 MAX6675 的转换结果在 SCK 的控制下连续输出 值得指出的是我们将串行时钟输出口 P3 1 的初始状态设置为 1 而在允许 南京林业大学本科毕业设计 论文 18 接口后再置 P31 为 0 这样 单片机在输出 1 位 SCK 时钟的同时 将使接口芯 片串行左移 从而输出一位数据至单片机的 P30 口 模拟 MISO 线 以后再置 P31 为 1 至此 模拟一位数据输入过程完成 图 3 6 MAX6675 与 AT89C52 的连接 3 4 存储模块 AT89C52 单片机内有 256B 的 RAM 数据存储器 对一般应用场合 内部 RAM 可以满 足系统对数据存储器的要求 但对需要大容量数据缓冲器的应用 系统 如数据采集系统 仅片内的 RAM 存储器往往不够用 这种情况下 就 需要在单片机外部扩展数据存储器 AT89C52 与外部数据存储器的一般连接 方法 外部数据存储器的高 8 位地址由 P2 口提供 低 8 位地址线接地址锁存器 的输出端 由于单片机 I O 口有限 根据需要采用 74HC573 锁存器对 P0 口进 行分时复用 如图 3 7 所示 南京林业大学本科毕业设计 论文 19 图 3 7 外扩 RAM 连接图 AT89C52 单片机内有 8k 可反复擦写 大于 1000 次 Flash ROM 用于存 放 TEDS 数据电子表格 对于大容量的数据需外扩一个片外FLASH 如图 3 8 是用 AT24C32D 外接的一个存放 TEDS 的存储器 图 3 8 AT24C32D 外接的 FLASH 3 5 电源电路 本电源电路采用集成稳压器 7805 C8 C12 C11 C7 分别为输入端 和输出端滤波电容 R7 为负载电阻 输出正 5V 直流电压的稳压电源电路 其电路连接如图 3 9 所示 南京林业大学本科毕业设计 论文 20 图 3 9 电源电路 3 6 串口电路 串口是计算机上一种非常通用设备通信的协议 串口同时也是仪器仪表设 备通用的通信协议 很多 GPIB 兼容的设备也带有 RS232 口 同时 串口通信 协议也可以用于获取远程采集设备的数据 串口通信的概念非常简单 串口按 位 bit 发送和接收字节 尽管比按字节 byte 的并行通信慢 但是串口可 以在使用一根线发送数据的同时用另一根线接收数据 串口用于 ASCII 码字符 的传输 通信使用 3 根线完成 1 地线 2 发送 3 接收 因为串口通 信是异步的 端口能够在一根线上发送数据同时在另一根线上接收数据 其他 线用于握手 但是不是必须的 串口通信最重要的参数是波特率 数据位 停 止位和奇偶校验 对于两个进行通行的端口 这些参数必须匹配 由于 CPU 与 接口之间按并行方式传输 接口与外设之间按串行方式传输 因此 在串行接 口中 必须要有 接收移位寄存器 串 并 和 发送移位寄存器 并 串 在 数据输入过程中 数据 1 位 1 位地从外设进入接口的 接收移位寄存器 当 接收移位寄存器 中已接收完 1 个字符的各位后 数据就从 接收移位寄存器 进入 数据输入寄存器 CPU 从 数据输入寄存器 中读取接收到的字符 并行 读取 即 D7 D0 同时被读至累加器中 接收移位寄存器 的移位速度由 接收 时钟 确定 在数据输出过程中 CPU 把要输出的字符 并行地 送入 数据输出 寄存器 数据输出寄存器 的内容传输到 发送移位寄存器 然后由 发送移位 寄存器 移位 把数据 1 位 1 位地送到外设 发送移位寄存器 的移位速度由 发送时钟 确定 接口中的 控制寄存器 用来容纳 CPU 送给此接口的各种控 制信息 这些控制信息决定接口的工作方式 状态寄存器 的各位称为 状态位 南京林业大学本科毕业设计 论文 21 每一个状态位都可以用来指示数据传输过程中的状态或某种错误 例如 用 状态寄存器的 D5 位为 1 表示 数据输出寄存器 空 用 D0 位表示 数据输入 寄存器满 用 D2 位表示 奇偶检验错 等 本设计中采用 RS232 串口通信原理 电路中增加 RS232 串口 通过串口返 回信息方便调试 MCU 自带异步串口 但是 TTL 电平的 计算机的串口是 232 电平的 互联时需要一个电平转换芯片 MAX232 MAX232 采用开关电容 技术将 5V 电压升压和获取负电压 MAX232 的 TXD 和 RXD 接 MCU 的 TXD RXD 如图 3 10 所示 图 3 10 串口电路连接 3 7 复位电路 AT89C52 需要外接 POR Power on reset 上电复位 电路 上电复位电路在 电源电压低于 2 5V 时 要使 RESET 引脚保持高电平 而且 在电源电压高于 2 5V 时 RESET 引脚保持低电平至少 10ms 在本模块中采用专门的 POR 芯片 X5045 设计的 POR 电路 X5045 是 CMOS 监控电路芯片 能够监控电源电压 电源故障和微处理器的工作状态 复位信号 RESET 用于启动或重新启动 CPU 在上电期间只要电源电压 VCC 大于 1 0V 就能保证输出高电平电压 在 VCC 上升期间 RESET 保持高电平直到电源电压升至复位门 4 65V 以上 在 超过此门限后 内部定时器大约再维持 200ms 后释放 RESET 使其返回低电平 无论何时 只要电源电压降低到复位门限以下 即电源跌落 RESET 引脚就会 南京林业大学本科毕业设计 论文 22 变高 如果在已经开始的复位脉冲期间出现电源跌落 复位脉冲至少再维持 140ms 在掉电期间 一旦电源电压 VCC 降到复位门限以下 只要 VCC 不比 1 0V 还低 就能使 RESET 维持高电平 电路连接如图 3 11 所示 图 3 11 复位电路连接示意图 3 8 STIM 硬件电路图 整个电路图由传感器接口模块 TEDS 存储模块 串口电路 电源电路 复位电路 外扩 RAM 电路以及 CPU AT89C52 组成的电路 其电路整体连接如 图 3 12 所示 南京林业大学本科毕业设计 论文 23 图 3 12 整体电路硬件图 南京林业大学本科毕业设计 论文 24 4 STIM 软件设计 4 1 软件总体设计 根据 IEEE1451 标准的要求 STIM 模块的软件从功能上划分为如图4 1所 示的五个模块 TEDS模块 传感器接口 模块 地址和功能 模块 串口模块 STIM控制和 通道信息模 块 图 4 1 STIM 软件功能模块 为了简化程序并提高其可读性 在程序编写过程中将STIM 控制和通道信 息模块与STIM 传感器接口模块合为一个模块来编写 此模块包含了STIM的复 位程序 对STIM 传感器接口的定义 STIM 相关通道的定义以及这些通道的 初始化程序 主要是对两个传感器通道的定义 串口模块 此模块负责数据 收发程序 TEDS 模块 此模块包含了对TEDS 表格的定义 将TEDS 写至片 内Flash TEDS 所包括的内容 地址和功能模块 此模块包括了标准中定义 STIM 的主要功能 数据传输 控制 中断 状态和触发 图4 2给出了STIM 模块的主程序流图 南京林业大学本科毕业设计 论文 25 上电初始化 开始无限循环 是否有软件复位 请求 是否要求数据传 输 是否触发 STIM是否需要服 务 执行复位功能 读或写 读程序 写程序 触发子程序 STIM服务子程序 必要后台程序 Y N YY N N Y N Y 图 4 2 STIM 整体模块的主流程图 当 STIM 模块上电时 STIM 首先进入初始化 在初始化过程中完成如下工 作 所有的存储器和 flash EE 将被清空 为后面数据的载入做准备 电子数据 表格被载入 AT89C52 内部的 flash 存储阵列 与四条传感器通道相关的数据缓 存 寄存器设置和中断