曼彻斯特编解码电路设计.doc

毕业设计(论文)题目名称： 曼彻斯特编解码电路设计 学生姓名： 熊香春 院 (系)： 电子信息学院 专业班级： 电气10602 指导教师： 吴爱平 辅导教师： 吴爱平 时 间： 2010年3月15日 至 2010年6月10日 目录长江大学毕业设计(论文)任务书I毕业设计(论文)开题报告II长江大学毕业设计(论文)指导教师审查意见III长江大学毕业设计(论文)评阅教师评语IV毕业设计（论文）答辩记录及成绩评定V中文摘要VI英文摘要VII前言11 选题背景21.1 普通NRZ码存在的问题21.2 应用背景22 方案论证32.1 曼彻斯特码简介32.2 曼彻斯特编解码解析32.3 曼彻斯特编解码具体实现方法42.4 方案选择53 硬件电路设计83.1 系统实物照片展示83.2 系统的硬件框图93.3 AT89S52单片机简介103.4 单片机外围电路113.5 信号调理电路164 软件设计184.1 资源使用184.2 曼彻斯特码编解码方法分析204.3 程序流程图214.4 编码实现234.5 解码实现254.6 LCD1602驱动程序实现275 数据测试与分析315.1 测试环境及设备315.2 数据记录315.3 数据处理与数据分析326 课题总结346.1 取得的成绩346.2 设计中所遇到的问题及解决的办法346.3 改进方向36参考文献37致谢38附录1：地下液位测量系统实物照片39曼彻斯特编解码电路设计长江大学毕业设计（论文）任务书学院（系）电子信息学院 专业 电气工程及自动化 班级 电气10602学生姓名 熊香春 指导教师/职称 吴爱平/讲师1毕业设计（论文）题目 曼彻斯特编解码电路设计2毕业设计（论文）起止时间：2010年3月15日-2010年6月10日3毕业设计（论文）所需资料及原始数据（指导教师选定部分）所需资料：(1)MCS-51单片机原理与应用 (2)单片机的C语言编程(3) 通信原理原始数据传输速率为20Kb/S，一帧数据有16个字节，一帧的命令有2个字节。4毕业设计（论文）应完成的主要内容 （1）利用C语言编程实现曼彻斯特编码、解码模块，并在PROTUES软件中仿真；（2）设计曼彻斯特信号调理电路；（3）毕业论文中必须包含如下内容：基本原理介绍、整体框图、软件流程图、软件原理介绍、源程序清单。5毕业设计（论文）的目标及具体要求利用单片机和C语言编程实现曼彻斯特编码、解码模块，并在PROTUES软件中仿真通过；通过单片机最小系统，辅以外围电路，能够实现编解码。6毕业设计（论文）所需的条件及上机时数所需条件：微型计算机一台 单片机最小系统上机时数：（3小时）*（60天）=180小时任务书批准日期 2010 年 3 月 10 日 教研室(系)主任(签字) 任务书下达日期 2010 年 3 月 15 日 指导教师(签字) 完成任务日期 2010 年 6 月 10 日 学生（签名） 曼彻斯特编解码电路设计长江大学毕业设计(论文)开题报告题 目 名 称： 曼彻斯特编解码电路设计 题 目 类 别： 毕业设计 学 院（系）： 电子信息学院 专 业 班 级： 电气10602 班 学 生 姓 名： 熊 香 春 指 导 教 师： 吴 爱 平 辅 导 教 师： 吴 爱 平 开题报告日期： 2010年3月27日 第III页 （共XIII页）一、 题目来源曼彻斯特编解码电路设计一题来源于生产实际与指导老师科研项目的结合。二、 研究目的和意义曼彻斯特码是一种数据通讯线性码，它的每一个数据比特都是由至少一次电压转换的形式所表示的。曼彻斯特编码因此被认为是一种自定时码。自定时意味着数据流的精确同步是可行的。每一个比特都准确的在一预先定义的时间中被传送。曼彻斯特编码已经被许多高效率且被广泛使用的电信标准所采用，例如以太网电讯标准。曼彻斯特编码是一种超越传统数字传输的信道编码技术，由于其具有隐含时钟、去除了零频率信号的特性使得它在石油勘探测井中也得到广泛的应用。三、 阅读的主要参考文献及资料名称参考文献: 1 徐爱均编著.智能化测量控制仪表原理与设计.北京:北京航空航天大学出版社.20002 徐爱均编著.单片机原理使用教程.北京:电子工业出版社.20093 吴爱平.基于FPGA的等精度频率计的设计.石油仪器,2005，4:17194 谭浩强 编著.C语言程序设计 北京：清华大学出版社. 20055 康华光.模拟电子技术基础.北京:高等教育出版社.1991 6 康华光.数字电子技术基础. 北京:高等教育出版社.19917 孙传友编.感测技术基础 . 北京:电子工业出版社.20018 马忠梅等编著.单片机的C语言应用程序设计.第一版.北京：北京航空航天大学出版社.1997.39 张培仁等编著.基于C语言编程MCS-51单片机原理与应用.第一版.北京：清华大学出版社.200210 何立民编著.单片机应用技术选编（5）.第一版.北京：北京航空航天大学出版社.1997.1011 郭观七编著.基于C语言的MCS-51系列单片机软件开发系统.第一版.武汉：华中理工大学出版社.1997.212 王福瑞等编著.单片微机测控系统设计大全.第一版.北京：北京航空航天大学出版社.1998.413 马忠梅等编著.单片机的C语言应用程序设计.修订版.北京：北京航空航天大学出版社.1998.1014 孙传友编 .测控系统原理与设计. 北京:北京航空航天大学出版社. 2001曼彻斯特编解码电路设计四、 彻斯特编解码发展趋势与应用方向曼彻斯特码由于其特殊的性能，在许多领域得到广泛的应用，如电信业，工业控制，航天军事领域，石油勘探测井等等！在工业现场控制网络中，曼彻斯特码由于带有时钟信息、无直流，且实现简单，常被用作高速的基带数传。曼彻斯特码在LAN中的应用，曼彻斯特编码是串行数据传输的一种重要的编码方式。曼彻斯特编码最大的优点是：数据和同步时钟统一编码，曼码中含有丰富的时钟信号，直流分量基本为零，接收器能够较容易恢复同步时钟，并同步解调出数据，具有很好的抗干扰性能，这使它更适合于信道传输。IEEE802.4令牌总线标准采用了此种传输技术。曼彻斯特编码被使用作一个以太网局域网的物理层,对于一个以太网局域网用同轴电缆作为传输介质，额外的带宽不是重要的问题。曼彻斯特码在测井系统中应用广泛，目前，在实际的工程测井中，常采用曼彻斯特编译码器HD-15530把测井数据转换为曼彻斯特码及把曼彻斯特码解码为数据.由于HD-15530发送数据输入及接受数据输出均为串行方式，并且曼彻斯特编解码是以16位数据为基本单位，逻辑上要求使用16位的并入串出移位寄存器和16位的串入并出移位寄存器与单片机接口，这样硬件结构比较复杂，仪器成本较高。考虑到测井数据传输速率不高，可用单片机软件来实现曼彻斯特编解码功能。 五、 主要研究内容、需重点研究的关键问题及解决思路1. 主要研究的内容： 本项目主要研究曼彻斯特码编码器的硬件设计和实现。为了能顺利完成曼彻斯特码的编解码任务，实现数据传输它应该包括这样几个部分：编码电路（上位机），解码电路（下位机），信号调理电路。为了验证电路能否顺利完成曼彻斯特码的编解码功能，我们用硬件验证的方式，将这一部分的研究内容放在项目“地下液位测量系统”中。实际制作地下液位测量系统，通过最后实际测量结果来验证曼彻斯特编解码电路设计效果。2重点研究的关键问题：a)曼彻斯特编解码的软件实现第V页 （共XIII页）b)硬件制作，包括上位机，下位机，信号调理电路的制作c)将曼彻斯特编解码电路与实际硬件结合起来，通过硬件验证的方式测实设计效果。3解决思路：以AT89S52单片机为核心设计曼彻斯特编解码电路，实际制作上位机，下位机和信号调理电路。 地下液位测量系统系统框图：上位机调理电路传感器信号处理继电器驱动控制电路油水界面PC机AT89S52曼彻斯特编解码编解码串口通讯模块按键命令切换LCD显示液位H，命令显示上位机AT89S52曼彻斯特编解码编解码LCD显示液位高度H，命令显示状态指示下位机Nios高精度频率测量液位信号采集模块D0.7Adr0.3控制信号ffdr0.3FPGA频率测量模块下位机调理电路软件框图如下：开始初始化是否有上位机命令发送？NY解码，保存在命令缓冲区液晶显示接收的命令向FPGA模块读取数据NY模式选择（校验/检测）发出继电器控制信号是否读取频率信号？液晶显示采集的数据将数据编码，再差分输出数据是否发送完毕?NY开始初始化命令选择（按键/PC机）将命令编码，再差分输出液晶显示命令数据命令是否发送完？毕?NY是否有下位机数据传回？NY解码，保存在数据缓冲区液晶显示接收的数据通过串口将数据传输到PC机第VII页 （共XIII页）六、 完成毕业设计(论文)所必须具备的工作条件1.工作条件：相关技术资料和手册、计算机、相关实验仪器和AT89S52开发板等工作环境。2解决办法：在图书馆和网络查阅文献资料和各种手册；利用电子阅览室了解当前技术前沿和编辑相关文字、图片及绘制原理图；利用电子电工实验室进行硬件制作，信号调试和数据测定。七、 工作的主要阶段 进度与时间安排1.准备阶段:第3周: 查阅和搜集毕业设计题目的相关资料，完成毕业设计开题报告；第4周: 查阅资料，完成一篇外文翻译；2.设计阶段:第5周:查阅资料。第6-9周:按照软件流程图编写出能实现基本功能的曼彻斯特编解码电路。第10-11周: 编写外围显示，按键，串口通讯模块程序，综合上下位机程序。第12周:利用Altium Designer 6.0绘制原理图，PCB并配合完成硬件制作。进行初步调试。第13周:调试程序，硬件，完成数据测试，数据分析。第14周: 完成毕业设计初稿，修改毕业设计、定稿并录入、出图。第15周:审查、评阅、答辩准备。3.完成阶段: 第16周:答辩、将图纸、文件录入电子档案八、 指导老师审查意见 中文摘要曼彻斯特编解码电路设计学 生：熊香春，长江大学电子信息学院指导老师：吴爱平，长江大学电子信息学院摘要：曼彻斯特码是一种数据通讯线性码，它的每一个数据比特都是由至少一次电压转换的形式所表示的。它是一种超越传统数字传输的信道编码技术，被认为是一种自定时码。由于其具有隐含时钟、去除了零频率信号的特性使得它在石油勘探测井中得到广泛的应用。本设计论述了曼彻斯特码的原理，介绍了其编码规则。对其特点和应用范围进行了说明。提出了曼彻斯特编解码电路设计方案，重点运用Keil C51单片机高级语言对曼彻斯特编解码电路进行软件设计，并基于此实际制作了地下液位测量系统。系统成功实现了曼彻斯特码数据传送的要求而且性能稳定，实际测量结果表明该电路设计很好地实现了曼彻斯特编解码,而且该编解码方式具有抗干扰能力强,传输速率高等优点。关键词：曼彻斯特码；单片机；地下液位测量系统；编解码器；第XII页 （共XIII页）Manchester encoding and decoding circuit 学生：熊香春，长江大学电子信息学院Student: xiongxiangchun, Electronics & Information CollegeTeacher:Wu Aiping, Electronics & Information College 摘要： 曼彻斯特码是一种数据通讯线性码，它的每一个数据比特都是由至少一次电压转换的形式所表示的。Abstract: Manchester code is a data communication codes, which each data bit by at least one form of voltage conversion expressed. 曼彻斯特编码因此被认为是一种自定时码。自定时意味着数据流的精确同步是可行的。 曼彻斯特编码是一种超越传统数字传输的信道编码技术，由于其具有隐含时钟、去除了零频率信号的特性使得它在石油勘探测井中得也到广泛的应用。Manchester encoding is a digital transmission beyond the traditional channel coding techniques, and is considered a self-timed code. because of its implicit clock to zero frequency signal characteristics in addition to making it in the oil exploration and logging were also to a wide range of applications. 本设计论述了曼彻斯特码的原理，介绍了其编码规则。 This paper discusses the design principles of Manchester, and introduces the coding rules and its 对其特点和应用范围进行了说明。characteristics and applications .Whats more, raise the circuit design of encoding and decoding ,and 提出了曼彻斯特编解码电路设计方案，重点运用 Keil C51 单片机 高级语言对曼彻斯特编解码电路进行软件设计，并基于此 实际制作了地下液位测量系统。focuses on high-level language using Keil C51 Single Chip computer on the Manchester encoding and decoding software design, and based on the actual manufactures an underground liquid level measuring system. The 系统成功实现了曼彻斯特码数据传送的要求而且性能稳定， 实际测量结果表明该电路设计很好地实现曼彻斯特编解码,而且该编解码方式具有抗干扰能力强,传输速率高等优点。 system successfully achieves the Manchester code requirements of data transfer and stable performance, the actual measurement results show that the circuit realizes the Manchester code very well, and the decoding method has an anti-interference ability and high transfer rate advantage. 关键词 ： 曼彻斯特码；单片机；地下液位测量系统；编解码器；Keywords: Manchester; Single Chip computer; ground level measurement system; codec. 前言前言测井技术发展到今天，已经发生了很大的变化：一是由模拟测井技术发展到了数字测井技术；二是由数字测井技术发展到了数控测井技术。进入90年代，成像测井技术获得了较大的发展，测井系统中需要传送的数据信息量越来越大，为此必须解决数据的高速传输与正确接收两个问题，如相关编码技术、缆芯多路复用技术、基带均衡技术等用以提高数据传输速率和降低误码率。 在测井数据传输系统中，由于曼彻斯特码既能提供足够的定时分量，又无直流漂移，编码过程相对简单，因而曼彻斯特（Manchester）码是测井数据传输中常用的编码方式之一。曼彻斯特码，又称数字双相码或分相码。在曼彻斯特编码中，每一位的中间有一跳变，位中间的跳变既作时钟信号，又作数据信号；从高到低跳变表示“1”，从低到高跳变表示“0”。曼彻斯特编码是将时钟和数据包含在数据流中，在传输代码信息的同时，也将时钟同步信号一起传输到对方，每位编码中有一跳变，不存在直流分量，因此具有自同步能力和良好的抗干扰性能。由于曼彻斯特码有如此多的优点，所以在现代通信中得到了广泛的应用。第1页 （共51页）方案论证曼彻斯特编解码电路设计1 选题背景1.1 普通NRZ码存在的问题普通NRZ码存在许多缺陷：a.难以分辨一位的结束和另一位的开始；b.发送方和接收方必须有时钟同步；若信号中“0”或“1”连续出现，信号直流分量将逐步累加；c.NRZ码含有丰富的直流分量，改变设备性能。所以在通讯时容易产生传播错误。于是通信领域迫切需要一种简单而又不存在NRZ码缺陷的编码方法，曼彻斯特码就是其中一个比较实用的编码方式。1.2 应用背景曼彻斯特编码是串行数据传输的一种重要的编码方式。曼彻斯特编码最大的优点是：数据和同步时钟统一编码，曼码中含有丰富的时钟信号，直流分量基本为零，接收器能够较容易恢复同步时钟，并同步解调出数据，具有很好的抗干扰性能，这使它更适合于信道传输。IEEE802.4令牌总线标准采用了此种传输技术。曼彻斯特编码被使用作一个以太网局域网的物理层,对于一个以太网局域网用同轴电缆作为传输介质，额外的带宽不是重要的问题。曼彻斯特码由于其特殊的性能，在许多领域得到广泛的应用，如电信业，工业控制，航天军事领域，石油勘探测井等等。在工业现场控制网络中，曼彻斯特码由于带有时钟信息、无直流，且实现简单，常被用作高速的基带数传。曼彻斯特码在测井系统中应用广泛，目前，在实际的工程测井中，常采用曼彻斯特编译码器HD-15530把测井数据转换为曼彻斯特码及把曼彻斯特码解码为数据.由于HD-15530发送数据输入及接受数据输出均为串行方式，并且曼彻斯特编解码是以16位数据为基本单位，逻辑上要求使用16位的并入串出移位寄存器和16位的串入并出移位寄存器与单片机接口，这样硬件结构比较复杂，仪器成本较高。考虑到测井数据传输速率不高，可用单片机软件来实现曼彻斯特编解码功能。 第2 页 （共50页）2 方案论证2.1 曼彻斯特码简介Manchester码又称双向码。它是对每个二进制代码分别利用两个具有2个不同相位的二进制新码去取代的码。编码规则之一是:0-01(零相位的一个周期的方波)1-10(n相位的一个周期的方波)双向码的特点是只用两个电平，而不像前面的三种码具有三个电平。与用高、低电平表示0， 1的非归零二进制码相比，在连0或连1的情况下(在传真通信以及图象数据传输等方面，这种情况经常发生)，更易于提取同步时钟信息，又无直流漂移，且有强的抗干扰能力，编、译码过程比较简单。2.2 曼彻斯特编解码解析根据实际场合的要求曼彻斯特编解码分为广义的编解码和狭义的编解码。2.2.1 广义曼彻斯特编解码广义曼彻斯特编解码不区分数据格式，不须要检测编码周期是否开始，并辨别同步字(命令/数据)，不须要识别数据位、附加奇偶校验位。编解码时把任何信号当成有效数据。2.2.2 狭义曼彻斯特编解码在一些应用中实际对曼彻斯特编解码器设定了固定的格式，并要求编码器产生同步字、校验位功能，相应解码器有识别同步字、校验位功能。例如在油田测井领域广泛用到的PCM3508信号就是狭义上的曼彻斯特码数据。下面是上述模式的一种典型格式：每帧信息由同步头、数据及校验位三部分组成共20位。同步类型有两种，都占用3个位周期。先高电平后低电平的为命令同步，各自平宽度均为1.5个周期，反之则为数据同步；中间是数据占16位，在每个位的中间有跳变，高到低跳变表示“1”，低到高跳变表示“0”；最后有一位校验位。曼彻斯特码在测井电缆上的传送速率为20kbps，每帧数据占1ms时间。图 1为典型曼彻斯特信号格式。图1 曼彻斯特码格式2.3 曼彻斯特编解码具体实现方法在这里主要讨论狭义上曼彻斯特码PCM3508信号的编解码实现方法2.3.1 集成方法实现集成方法实现曼彻斯特数据的编解码功能一般用专用的曼彻斯特编码译码器HD15530或HD6408实现，数据的串并转换与信号合成都通过数字电路完成。但这种方法都有许多不足之处：第一，在利用集成芯片方法实现曼彻斯特编解码传输时，对编解解码器时序要求很高，使得上下位机配合比较困难。第二，这种方法不但导致硬件电路过于庞大、复杂，而且也增加了系统调试的难度。2.3.2 软件编解码 软件方法实现曼彻斯特编解码主要有高速单片机实现和FPGA/CPLD实现两种：1）单片实现曼彻斯特码在测井电缆上的传送速率为20kbps，每帧数据占1ms时间。则发送每位数据的时间为T=1(S)/20K=50us，而发送一位数据需要两次中断过程，则理论上每次中断时间最大为t=T/2=25us，对于AT89S52单片机而言，由于每个机器周期为12个时钟震荡周期，所以定时的分辨率是时钟震荡频率的1/12，当单片机接入24晶振时，每个机器周期T1=1(S)/24M*12=0.5us，可以满足要求。AT89S52 内部资源也比较丰富，有8k字节Flash，256 字节 RAM，32 位 I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16 位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路，足可以满足本设计要求，并且该单片机运行稳定可靠性高，成本低，基于此在本设计中选用了单片机实现方法。2） FPGA/CPLD实现在现代电子设计领域，VHDL和现场可编程逻辑器件的广泛应用使数字系统设计更为灵活，大大缩短了开发周期。FPGA(现场可编程逻辑门阵列)是新型的高密度可编程逻辑器件。它是可编程阵列逻辑（PAL），门阵列逻辑（GAL）等逻辑器件的基础上发展起来的，同以往的PAL，GAL想比较，FPGA的规模较大，适合于时序，组合等逻辑电路应用场合，它可以替代几十甚至上百块通用ASIC芯片，这种芯片具有可编程性和实现方案容易改动的特点。FPGA器件的主要优点：功能集成度高，系统设计快，设计灵活，可靠性高，费用低。这类高速资源强大的芯片当然也可以满足本设计要求，但运用到此设计中，其内部资源利用率低，成本还相对较高。2.4 方案选择 综合以上考虑确定本设计实施方案，基于AT89S52芯片采用软件方法实现编解码，所要实现的曼彻斯特码格式如图2，包括三部分，同步字、数据、校验位：图2 帧数据格式a.产生同步字，同步字发射时钟跟基本时钟一致，从图1曼彻斯特码格式中可以看出，无论是数据同步头还是命令同步头都是占三个位周期（1.5T），如果我们每半个位周期(T/2)即25us对同步头电平实时检测一次，就可以得到一个六位的数据来表示同步头，“111000”表示命令同步头，“000111”表示数据同步头。相反我们将这六位数据以每半个位周期(T/2)即一个基本时钟周期发射一位的速度发射出去，就会得到相应的同步头。b.数据的编码和解码，由32个基本时钟构成一个曼彻斯特编解码时钟，编码时，编码时钟的前半周期输出NRZ码的原码，后半周期输出NRZ码的反码，从而实现编码；解码时，解码时钟的1/4和3/4时钟处对接受到的电平采样，检测前后两个半周期的值，若由“0”变为“1表示“0，而用它的反相波形由“1”变为“0”表示“1”。c.产生并发送校验码，将前面要发送的16位数据异或就得到奇偶校验位，当第16位数据输出完后，按b的方法发送奇偶校验位；同样解码端按b方法解码奇偶校验位，解码完毕，又将前面解码的16位数据异或，得到的值与奇偶校验位比较，看是否相等，若等，就表示接收的数据没错误，反之，则有错误，相应发出错误信号。2.4.1 编码编码过程具体可分为三部分：(1)检测编码周期是否开始，并辨别同步字信号(命令/数据)产生相应的同步信号；(2)对16位数据进行编码；(3)附加奇偶校验位，编码周期结束。编码器结构框图如下：中间发送缓冲区发送缓冲区并行数据输入计数器编码周期开始前读入命令头数据头偶数周期取反，右移一次取出第五位串行输出(chPointNum&1)=0(chPointNum&1)=1chPointNum =15定时器图3 编码器结构框图 发送一帧数据，首先将命令头/数据头放在发送中间缓冲区MidBuff中，初始化计数变量chPointNum，奇偶检验位bOdd，初始化定时器，启动定时器T0。编码周期开始：每进入一次定时中断，就将中间缓冲区的第六位MidBuff5取出，发送出去，发出半位数据之后，MidBuff右移一位，在进入第奇数个定时中断时，将发送缓冲区SendBuff的最高位取出来放在发送中间缓冲区的最低位并通过按位与求的奇偶校验位bOdd，若是在进入偶数个定时中断时，我们将SendBuff的最高位反向后放在发送中间缓冲区的最低位，并将发送缓冲区SendBuff右移一位。在进入16个定时中断时，前半字节数据发送完毕，此时将要发送的的下半字节数据放在发送缓冲区中，经过37个定时中断周期，将一帧数据完整的编码发送出去。2.4.2 解码 解码的过程分为三个部分：(1)检测同步字；(2)解码；（3）检验传输是否正确并扣除同步字。 解码的关键在于首先必须检测出同步字，才可开始解码周期，故解码器必须不停地监视输入数据是否已有同步字。以接收数据为例，前面章节已经讨论过，当每个基本时钟周期（半个位周期）检测一次同步头电平，数据同步头可以表示为“000111”，当检测到输入脚出现低电平说明可能有数据输入，检测低电平之后出现的高电平有几个基本时钟周期数chPointNum来判断是否是出现同步字，若chPointNum为三个或者四个定时周期说明是检测到同步字，chPointNum为4，则说明传输的第一位数据是1并且在延时一个同步头检测周期再跳出。在检测到正确的同步头之后开始解码周期，由于曼码中由0到1跳变表示0，由1到0跳变表示1，说明在曼码信号中前半个周期电平代表实际传输的数据。在解码过程中定时周期为同步头检测定时周期的两倍，每接收到8位数据存储一次。编码器与解码器独立工作，编码器按数据编码的方式产生一个同步脉冲和校验位;解码器识别同步脉冲、解码数据并检查校验位，恢复数据。解码总体框图如下： 根据计数器值来确定第一位数据存储接收到的高位字节计数器检测同步头chPointNum&=8chPointNum =16定时器存储接收到的低位字节图4 解码器结构框图第55页 （共51页）硬件电路设计3 硬件电路设计3.1 系统实物照片展示图5 系统实物照片3.2 系统的硬件框图上位机调理电路传感器信号处理继电器驱动控制电路油水界面PC机AT89S52曼彻斯特编解码编解码串口通讯模块按键命令切换LCD显示液位H，命令显示上位机AT89S52曼彻斯特编解码编解码LCD显示液位高度H，命令显示状态指示下位机Nios高精度频率测量液位信号采集模块D0.7Adr0.3控制信号ffdr0.3FPGA频率测量模块下位机调理电路图6 地下液位测量系统硬件框图如图6，该地下液位测量系统主要有六个部分组成：PC机控制和显示部分，上位机，下位机，曼码调理电路，FPGA频率测量模块和地下液位信号采集模块。PC机控制和显示部分：在PC机上用Labview软件来制作显示液位高度的实时画面和测量数据。通过不同的按键来设计液位测量和仪器自检的命令控制。从而将整个系统中需要测量的数据及相关信息在Labview界面中展现出来，同时也可以控制下位机操作。上位机：由AT89S52单片机组成，用串口与PC机通讯，用曼彻斯特编码及按键切换命令来实现数据及命令的收发，同时向LCD输出液位高度和所收发的命令。是实现液位信息远距离传输的组成部分。下位机：由AT89S52单片机组成，用曼彻斯特编码来实现数据及命令的收发，同时向LCD输出由FPGA测量的频率信号同时有指示灯来指示下位机处于数据接收还是发送的状态。可通过命令来控制是校验还是测量液位高度。是实现液位信息远距离传输的组成部分。曼码调理电路：连接在上位机和下位机之间以实现信号的收发及处理。该电路能够将所测的频率信号经过压缩，放大从而处理掉误差信号和外部干扰，使有用信号不失真的远距离传输。FPGA频率测量模块：该模块是将地下液位信号采集模块采集来的频率信号精确的测量出来，用Nios II作为系统控制单元，实现等精度的测量使液位信息可以精确的反应出来。地下液位信号采集模块：该模块有3部分组成，分别是传感器，555方波产生电路，信号处理电路和继电器驱动控制电路。传感器是由一根比较粗的铜丝和一个钢管组成一个电容，固定其两极板间的距离。因此液位高度的变化引起电容值大小的变化再通过555方波产生电路输出不同频率值的方波，经74s08处理出来的方波信号再传给FPGA。通过继电器驱动控制电路来控制系统自检与液位高度测量的切换。该系统整体工作流程： PC机通过串口发送命令给上位机，接收上位机传输的液位数据并显示出来；上位机将接收到命令编码发送之后，通过曼码调理电路传输到下位机，接收下位机传输的液位编码信号，解码数据并通过LCD显示出来；下位机接收到上位机的命令信号之后，根据不同的命令发出一个继电器控制信号，选择测量或者校验状态，并向FPGA频率测量模块读取频率数据信号，通过LCD显示之后，将数据信号编码发送到上位机；FPGA频率测量模块主要是向液位采集模块采集一个频率信息。该系统是在电子信息学院吴爱平老师的指导下，和另外一名同学共同完成硬件的制作。我主要负责曼彻斯特编码通讯这一块，包括与PC机控制和显示部分，上位机，下位机，信号调理电路这四个部分的制作。3.3 AT89S52单片机简介AT89S52 是一种低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有8K 在系统可编程 Flash 存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位 CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89S52 具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16 位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM 内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。AT89S52单片机管脚图如下：图7 AT89S52管脚图P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。表1 P3口管脚第二功能表端口引脚第二功能 P3.0RXD 串行输入口 P3.1TXD 串行输出口 P3.2INT0 外部中断口1 P3.3INT1 外部中断口2 P3.4T0 定时/计数器0 P3.5T1 定时/计数器1 P3.6WR 外部数据存储器写选通 P3.7RD 外部数据存储器读选通 3.4 单片机外围电路3.4.1 复位电路AT89S52单片机复位高电平有效，其有效电平应维持至少2个机器周期。为了便于最后调试，在该设计中上下位机都是采用按键手动复位电路。复位电路如下：图8 按键手动复位电路复位操作有上电自动复位和按键手动复位两种。上电自动复位时通过外部复位电容充电来实现的，如上图通过在VCC和RST之间加一个10uf的电容，RST和地之间加一个10K的电阻就可以实现自动复位。原因是电容电压不能突变，在上电后9脚在电容的作用下电压立即变高且会维持低短时间，即实现了高电平复位。 按键复位电路是在上电自动复位电路的基础上增加一个按键S1和一个电阻R11来实现的，它不仅具有上电自动复位的功能，在按下按钮后，电容C通过R11放电，同时电源上大部分电压见落在R12上，从而使RST端得到一个高电平导致单片机复位。3.4.2 键盘设计由于方便测试（测试时只是用按键发送命令），在上位机上设置了两个独立按钮，它们分别实现切换命令，和重复发送命令功能。键盘电力如下：图9 键盘电路键盘中每个按键都是一个常开关电路，当键未被按下时，输入为高电平；当键闭和时，输入为低电平。通常的按键所用的开关为机械弹性开关，当机械触电断开、闭和时，电压信号波形不稳定。由于机械触电的弹性作用，一个按键开关在闭和时不会马上稳定地接通，在断开时也不会马上断开。因而在闭和和断开的瞬间均伴随有一连串的抖动。抖动时间的长短由按键的机械特性决定，一般为5-10ms，这是一个很重要的参数，在很多场合都要用到按键的闭和稳定时间的长短由操作人员的按键动作决定，一般为零点几秒到数秒。键抖动会引起一次按键被误读多次，为了确保单片机对键的一次闭和仅做一次处理，必须去除键抖动，在键闭和稳定时取键状态，并且必须判别到键释放稳定后再做处理。3.4.3 液晶显示器接口设计点阵式液晶显示器是新一代的液晶显示器，它通过液晶点阵的组合能显示大量的字符、曲线及图形，所以它能提供的显示信息量非常大，相应它的接口与控制电路都非常复杂。但是生产厂家通常都给点阵液晶模块本身配有智能型接口控制电路及字符存储器，所以用户只对点阵液晶模块进行控制，使用起来也非常方便。目前点阵式液晶模块分为两类：一类为字符型液晶显示模块，另一类为字符、曲线、图形液晶显示模块。本系统的显示单元选用的是精电蓬远公司的MDLS16265B点阵字符液晶显示模块，显示屏是以162个58点阵块组成的显示字符群。每个点阵块为一个字符位，字符间距和行距都为一个点的宽度。MDLS16265B具有字符发生器ROM（CGROM）可显示192种字符，并且具有64个字节的自定义字符RAM(CGROM)，可自定义8个58点阵字符。该模块单+5V电源供电，结构紧凑、装配容易，低功耗、长寿命，高可靠性。其电源电流工作是最大只有0.2mA。接口特性如表2：表2 MDLS16265B液晶显示模块接口特性表引脚号符号状态功能1Vss电源地2Vdd 5V逻辑电源3VO液晶驱动电源4RS输入寄存器选择 1：数据；2：指令5R/W输入使能信号6E输入使能信号 1：读取信息； 1到0执行指令7DB0三态数据总线8DB1三态数据总线9DB2三态数据总线10DB3三态数据总线11DB4三态数据总线12DB5三态数据总线13DB6三态数据总线14DB7三态数据总线15E1输入背光电源16E2输入背光电源液晶显示模块的接口方式有很多种，本系统选用的8位数据线的I/O线选连接方式，显示单元的接口如图10：图10 显示单元的接口电路3.4.4 上位机与PC通讯设计在本设计中，利用PC机通过串口通讯发送命令给上位机，然后接收上位机返回数据。与微机进行串行通信时，要求通信双方都采用一个标准接口，使不同的设备可以方便地连接起来进行通信。 EIA RS232C串行接口是微机系统中常用的外部总线标准接口，它的规范标准收录在美国电子工业协会工程部的建议标准第232号修改版C中，故称之为EIA RS232C。由于RS-232C是早期为促进公用电话网络进行数据通信而制定的标准，为了增加抗干扰能力，接口的电气特性采用负逻辑关系，与TTL、MOS逻辑电平完全不同。逻辑0电平规定为315V，逻辑1电平为-3-15V之间，过度不确定区33V，允许发送器和接受器之间的噪声容限为2V。RS-232C驱动器与TTL电平连接必须经过电平转换，这由专门的电平转换芯片来实现。RS232C信号传输的最大电缆长度为30米，数据传输率有：50，75，110，150，300，600，1200，2400，4800，9600等标准的波特率。RS232C接口的机械指标规定RS232C接口通向外部的连接器一般使用两种型号的接口 DB9的9芯插头座、 DB25的25芯插头座。在本系统与PC机连接的RS232C接口，采用DB9的9芯插头座，不使用微机传送的控制信号，共连接了三条接口线，即“发送数据”、“接收数据”和“信号地”，传输线采用屏蔽双绞线。RS232C常用信号线见表3：表3 RS-232C接口常用引线信号定义、分类及功能引脚号信号名称简称引脚号信号名称简称8数据载波检测DCD1数据载波检测DCD3接收数据RxD2接收数据RxD2发送数据TxD3发送数据TxD20数据终端就绪DTR4数据终端就绪DTR7信号地GND5信号地GND6数传设备就绪DSR6数传设备就绪DSR4请求发送RTS7请求发送RTS5清除发送CTS8清除发送CTS22振铃指示DELL9振铃指示DELL本设计采用德州仪器公司（ TI）推出的一款兼容RS232 标准的芯片。该器件包含2 驱动器、2 接收器和一个电压发生器电路提供TIA/EIA-232-F 电平。该器件符合TIA/EIA-232-F 标准，每一个接收器将TIA/EIA-232-F 电平转换成5-V TTL/CMOS 电平。每一个发送器将TTL/CMOS 电平转换成TIA/EIA-232-F 电平。该产品是由主要特点1单5V 电源工作2LinBiCMOSTM 工艺技术3两个驱动器及两个接收器430V 输入电平5低电源电流：典型值是8mA6符合甚至优于ANSI 标准EIA/TIA-232-E 及ITU 推荐标准V.287ESD 保护大于MIL-STD-883（方法3015）标准的2000VMax23212345678161514131211109VccGNDT1OUTR1INR1OUTT1INT2INR2OUTC1+V+C1-C2+C2-V-T2OUTR2IN图11 Max232的引脚图主控的上位机单片机与PC机的串行通信接口通过MAX232实现电平转换，电路接口原理图如图12图12 串口通信接口电路图3.5 信号调理电路3.5.1 信号调理电路结构框图信号调理电路下行数据处理信号调理电路上