[学位论文]无线数据传输在矿压检测中的应用.pdf

C l a s s i f i e dI n d e x T P 212 9 U D C 6 2 1 3 8 1730 77 9 S e c r e c yR a t e U n i v e r s i t yC o d e P u b l i c 1 0 0 8 2 T h e s i sf o rt h eD e g r e eo fM S c i e n c e F o rp r o f e s s i o n l sH o l d i n gE q u i v a l e n tD e g r e e s W I R E L S SD A l AT R A N S M I S S I O N A P P L I C A T I o NR E S E A R C HI NM I N I N G P R E S S U R EM o N I T O R I N G C a n d i d a t e W a n gQ i n g d o n g S u p e r v i s o r P r o f W a n gS h u h a i A c a d e m i cD e g r e eA p p l i e df o r M a s t e ro fE n g i n e e r i n g S p e c i a l t y M e a s u r i n gT e c h n o l o g ya n d I n s t r u m e n t D a t eo fD e f e n s e M a y2 9 t h 2 010 M 2 u r c h1 0 t h 2 0 1 0 1 河北科技大学学位论文原创性声明 I I I IIIII IIII II II I I IIII Y 1714 4 0 7 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师的指导下 独立进行研究工 作所取得的成果 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体 均已在文中以明确方 一式标明 除文中已经注明引用的内容外j 本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的作品或成果 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名 多序当 指导教师签名 抛廖 o l 眸j 月以日 沥p 年 月地 河北科技大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文被查阅和借阅 本 人授权河北科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索 可以采用影印 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 口保密 在一年解密后适用本授权书 本学位论文属于 口不保密 请在以上方框内打 学位论文作者签名 t 灰查 少I 口年孓月妇 指导教师签名 抄囟 沙f o 钻耐日 摘要 摘要 为适应集约高效矿井建设 综采工作面单产能力要不断提高 工作面生产系统 可靠性必须进一步加强 综采矿压监测技术和装备必须适应新的发展形势 矿压监 测要实现自动化 必须解决采集数据的可靠传输问题 随着科学技术的突飞发展 无线通信已经成为电子技术的一个重要发展方向 本文将详细介绍无线数据传输在 矿压监测方面的应用设计 为优化设计 采用P 8 9 L P C 9 3 5 微处理器 以其强大的处 理能力和极低的功耗来提高处理速度 并与n R F 9 0 5 无线数据传输模块构成无线数 据采集系统 虚拟仪器代表着当今仪器发展的新方向 P C 机管理系统采用L a b V I E W 软件设 计 数据采用A C C E S S 数据库存储 对系统功能的测试结果表明 该监测系统实现 了体积小 功耗低 数据传输稳定可靠 抗干扰能力强等目标 为煤炭的安全生产 提供有力的保证 具有一定的经济效益和显著的社会效益 并且该系统可以很好地 应用在无线数据采集及其它短距离无线数据传输的场合 关键词矿压监测 虚拟仪器 I S M 无线通信 L a b V l E W a d o p t e dt oi n c r e a s ep r o c e s s i n gs p e e d a n dt o g e t h e rw i t hw i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o n m o d u l en R F 9 0 5 w i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o ns y s t e mi Sc o n s t i t u t e d V i r t u a lI n s t r u m e n tr e p r e s e n t san e w d e v e l o p m e n td i r e c t i o no ft o d a y Sd e v i c e s P C E n g i n eM a n a g e m e n tS y s t e ma d o p t sL a b V I E Ws o f t w a r ed e s i g n A C C E S Sd a t a b a s ei s a d o p t e dt os t o r ed a t a T e s tr e s u l t sf o rt h es y s t e mf u n c t i o ns h o w st h a tt h em o n i t o r i n g s y s t e m r e a l i z e ss u c hg o a l sa ss m a l l s i z e l o wp o w e rc o n s u m p t i o n r e l i a b l ed a t a t r a n s m i s s i o na n ds t r o n ga n t i j a m m i n gc a p a b i l i t y t h u st op r o v i d es t r o n gg u a r a n t e ef o rs a f e c o a l p r o d u c t i o n w i t hc e r t a i ne c o n o m i cb e n e f i t sa n ds i g n i f i c a n ts o c i a lb e n e f i t s M e a n w h i l et h es y s t e mC a nb ew e l la p p l i e dt oo c c a s i o n sl i k ew i r e l e s sd a t ac o l l e c t i o na n d o t h e rs h o r t r a n g ew i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o n K e yW o r d s M i n ep r e s s u r em o n i t o r i n g v i r t u a li n s t r u m e n t s I S Mw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s L a b V I E W I I 目录 目录 摘要 I A b s t r a c t I I 第1 章绪论 1 1 1 课题研究背景与现状 1 1 1 1研究背景00 1 1 1 2 研究现状 1 1 2 本课题的主要研究内容 6 1 3 本章小结 7 第2 章系统开发平台及总体结构设计 8 2 1 硬件平台 8 2 1 1P 8 9 L P C 9 3 5 单片机 8 2 1 2 n R F 9 0 5 单片无线收发芯片 1 7 2 1 3 P L 2 3 0 3 串口至U S B 转换芯片 2 0 2 2 软件平台 2 2 2 2 1P r o t e l9 9S E 2 2 2 2 2 K e i lC 5 1u V i s i o n 3 0 一 一 2 2 2 2 3L a b V I E W8 2 2 3 2 3 系统结构与工作流程 2 4 2 3 1 系统总体结构 2 4 2 3 2 系统工作流程 2 5 2 4 本章小结 2 6 第3 章监测系统硬件设计 2 7 3 1 系统硬件构成简介 2 7 3 2P 8 9 L P C 9 3 5 单片机及其附加器件 2 7 3 2 1 主机板电路 2 8 3 2 2 电源电路 2 9 3 2 3 附加器件接口电路 一 一 3 0 3 3 n R F 9 0 5 无线数传模块 3 1 3 3 1 n R F 9 0 5 模块介绍 3 1 3 3 2 n R F 9 0 5 接口电路 3 2 3 河北科技人学硕十学位论文 3 工作方式 一 3 2 4 S P I 接口寄存器配置 3 3 1 2 8 6 4 点阵液晶模块 3 3 P L 2 3 0 3 串口转换模块 3 5 1 模块硬件连接 3 5 2 模块新特性 3 6 本章小结 3 6 监测系统软件设计 3 7 软件设计 o 3 7 1 从机工作流程 3 7 2 总机工作流程 3 7 管理系统程序设计 3 8 1 系统工作界面 3 8 2 管理系统的工作流程 4 2 3A C C E S S 数掘库管理系统 4 2 数据传输的可靠性分析 4 3 1 C R C 校验 一 4 4 2 累加和校验 4 4 本章小结 4 5 系统硬件防爆安全设计 一 一 4 6 5 1 防爆的有关概念 一 4 6 5 2 矿下产品的安全防爆研究 4 7 5 3 隔爆外壳的设计 4 8 5 4 本章小结 4 8 结 仑 4 9 参考文献 5 0 附录 一 5 3 致谢 一 一 9 6 个人简历 9 7 2 第l 章绪论 第1 章绪 一个先进的综采工作面系统 是自动控制技术 传感器技术 计算机技术 设备 工况监测及故障诊断技术 电液控制技术 直线控制技术 集中控制技术等多种自 动化技术构成机电一体化的综合机械化采煤自动化系统 通过对回采工作面支护进行的矿压监测的应用分析 阐述液压支架的工作状态 以指导综采工作面安全生产 可见 诸如采煤工作面和巷道支柱 架 工作阻力的 监测 即设备工况监测 是自动化采煤工作面关键技术之一 1 1课题研究背景与现状 1 1 1 研究背景 通过查阅相关资料发现 根据当前无线数据传输技术的水平 对于在布线上比 较困难 且远距离传输会引起较大的误差的接触法传感元件 考虑通过无线数据传 输技术改善其应用是可行的 例如采用D S l 8 b 2 0 和P T R 8 0 0 0 对生物活性分子或化合 物的无线温度测量在生产中已有应用 在交通中的车辆不停车收费系统 水文气象 监控 机器人控制 无线4 8 5 4 2 2 数据通信等均可采用无线传输技术 我国煤矿生产中由于对巷道疏于监测而引发的重大事故比例较高 因此矿压监 测的自动化水平需要不断提高 通过矿压实时监测 把工作面压力情况及时反映给 采煤队 生产科及有关矿领导 合理安排指导生产 在异常情况发生前 能够将现 场工作人员撤出 尽可能避免顶板事故发生 1 1 2 研究现状 目前 综采工作面矿山压力监测仪器大致分为2 大类型 一类是手动式 比如 典型的圆图仪 这类仪器比较陈旧 收集到的数据可靠性低 无法满足现场矿压监 测预报 因此已逐步被淘汰 2 而双针压力表只能显示当前顶板压力 不能自动记 录压力数据 因此不能对顶板的压力进行系统的分析 从而影响了液压支架的合理 选型和支护密度的确定 使支架不能很好地支护顶板 另一类是机械式 比如山东 泰安生产的尤洛卡 这类仪器的精确性相对较高 采集到的数据可靠性高 预报的 精度能够满足煤矿生产的需要 但是该类仪器也普遍存在采集数据不稳定 而且采 集过程相对繁琐 没有完全实现机械化 1 2 J 基于目前国内综采工作面矿山压力监测仪器的情况 改善矿山压力监测的技术 水平 是综采工作面实现高产高效必须解决的关键技术问题之一 为适应集约高效 矿井建设 综采工作面单产能力要不断提高 工作面生产系统可靠性必须进一步加 l 河北科技人学硕 学何论文 强 作为强化工作面顶板管理的有效手段 综采矿压监测技术和装备 必须适应 新的发展形势 近几年来 我国矿压测试技术取得了很大的发展 研制的仪器种类 较多 基本上满足了现场需求 但技术层次差距很大 例如 K G J B 型工作面综合监测系统 井下分站完成对各传感变送的自动巡 回监测 结果通过R S 一4 8 5 接口传送给井下中心站 压力传感变送器将液压支架工 作阻力测定后 结果变送至井下中心站 通过不断巡检井下中心站 并完成井下监 测数据的接收 存盘 图形显示分析 输出等处理工作 3 该系统就是一种实现高 产高效的矿压监测系统 综采矿压监测系统中 在获取传感器的数据后 需要将所得数据传送到主机 一 般是微机 上 传送数据的方式可以采用有线的数据传输 例如采用有线的串 并型 总线 1 2 C 总线 R S 一4 8 5 总线等配合光缆进行传输 正如上文提到的K G J B 型工 作面综合监测系统就是采用有线数据传输 但有线传输有许多难以克服的缺点 1 地下丌采是通过丌掘井巷采出矿产品的 工作 煤矿井下使用的设备较多 所以在井巷中仰线比较困难 信号有线传输的环 境适应性差 2 煤机支架联动时需要支架工随时检查信号传输电缆 增大了工人 劳动强度 4 J3 接触法传感元件远距离传输会引起较大误差 4 需增加长线驱 动器和安全栅 使用成本高 5 井下维护工作量大 数据采集技术是信息科学的一个重要分支 与传感器技术 信号处理技术 计 算机技术共同构成了现代检测技术的基础 而数据采集技术正是这些技术的自订端 也是信息进行可靠传输和 F 确处理的基础 5 1 数据采集是指将声频 温度 压力 流量 位移等模拟量采集 转换成数字量 后 再让计算机进行存储 处理 显示或打印的过程 在生产过程中 可对生产现 场的工艺参数进行采集 监视和记录 为提高产品的质量 降低成本提供信息和手 段 在科学研究中 可对应用数据进行采集 从而获得大量的动态信息 是研究瞬 间物理过程的有力工具 也是获取科学奥秘的重要手段之一 在数据传输方式上 目前数据采集系统基本上是通过有线方式进行连接 有线 方式的数据传输速度快 可靠性高且运行稳定 能满足大多数情况的需要 但是其 应用受现场环境和应用对象的限制 如果采集系统工作在地理条件复杂导致线路架 设困难或腐蚀 爆炸等场合 或者采集对象是运动物体时 有线方式的应用受到了 限制 在这种情况下 无线方式是一种有效的替代方式 近年来 随着射频技术 微电子技术及集成电路技术的进步 无线通信技术取得了飞速的发展 无线通信的 实现越来越容易 传输速度越来越快 可靠性越来越高 并且逐渐达到可以和有线 网络相媲美的水平 与有线方式相比 无线方式具有如下几个显著的特点 6 1 1 传输介质采用的是电磁波 特别适用于那些不适合或不方便架设电缆的现场 2 在应用单片机编解码接E l 技术的无线通信系统中 采用多字节地址编码 收发 器的数量不受限制 3 具有电路简单 功耗小 体积小 成本低等优点 研究工业环境下的无线数据通信技术是近年来新的发展趋势 将无线技术引入 数掘采集领域 可以解决无法布线的环境下的数据采集难题 提高采集系统的适应 性 而且可以解决有线网络带来的布线麻烦 出现故障检查困难等缺点 本课题将传感器技术和新兴的无线通信技术相结合 力图通过数据传输的无线 化来解决由电缆作为采集系统数据传输手段带来的诸多问题 1 数据采集系统的研究现状 数据采集是现代检测技术的基础 同时也是自动化测试中重要的组成部分 它 为测试系统提供可供分析的数据1 7 常用的数据采集系统有两种 8 一种是以单片微处理器为核心的数据采集系统 它的构成主要由传感器 放大器 采样保持器 模拟多路丌关 A I D 转换器 微处 理器及其它一些外围器件构成 第二种是基于通用微型计算机 如P C 机 的数据采集 系统 这类系统一般由计算机 数据采集卡组成 目酊数据采集卡一般基于标准总线 如工控标准总线S T D 传输位总线B I T B U S C A N 总线 P C 总线等总线系统 并带 有高速D S P 9 1 通过计算机插槽与计算机相连 形成内插式工作方式 国外的数据采集系统的研制已经相当成熟 而且种类不断增多 性能越来越好 功能越来越强大 并且以基于通用微型计算机的系统居多 这种系统的核心是可插 入计算机标准插槽的高速数据采集卡 目前这类高速数据采集卡种类多 术先进 市场主流的厂商主要有S p e c t r u mS i g n a lp r o c e s s i n g S P E C S i g n a t e c A c q u i s i t i o nl o g i c B l u e w a v e 等公司 代表产品有S P E C 公司的S P l 2 2 5 S i g n a t e c 公司的P D A l 2 A 和 P D A 5 0 0 A c q u i s i t i o nl o g i c 公司的A L 5 1 G 以及U l t r a v i e w 公司的A D 1 2 5 0 D M A 其中 S P l 2 2 5 是带有1 G S S8 b 精度数字化仪的超高速数据采集模块 H S D A M P C I 卡 最高 可进行5 0 0 M H z 或1 G H z 的波形分析 P D A l 2 A 采样率为1 2 5 M S s 分辨率为1 2 b 信号带宽由D C 5 0 M H z 可通过S A B 总线 S i g n a t e cA u x i l i a r yB u s 以2 5 0 M B s 的 速率向其它处理 回放或存储器件传输数据 A L S I G 基于P C I 总线 采样率为 1G S s 8 b 其存储深度为6 4 M 2 5 6 M 1 0 0 0 M 可选 A D 1 2 5 0 D M A 也是基于P C I 总线 采 样率为1 2 5 G S s8 b 存储深度为8 G B 在6 6 M H z 和6 4 b 数据宽度下 P C I 总线D M A 模式向主机传输数据速率可达3 2 0 M B s 1 0 1 在国内 也有不少的大学 科研机关 公司从事数据采集系统的研制 由于数 据采集技术不断发展 市场上出现了各种新型的数据采集器 如北京中泰研创科技 采用了补码键控 C C K 调制技术和直接序列调频 D S S S 技术 最大传输速率可达 1 1 M b i t s 并且可以根据情况的变化 在11 M b i t s 5 5 M b i t s 2 M b i t s 1 M b i t s 的 不同速率之间自动切换 且在2 M b i t s 1 M b i t s 的速率时与8 0 2 1 1 兼容 它从根本 上改变了W L A N 的设计和应用现状 扩大了 W L A N 的应用领域 现在 大多数厂 商生产的W L A N 产品都基于8 0 2 1 1 标准 8 0 2 1 l a 标准与8 0 2 1 lb 同年制定 它工作在5 G H z 频段上 使用O F D M O r t h o g o n a l F r e q u e n c yD i v i s i o nM u l t i p l e x i n g 调制技术 支持6 9 1 2 1 8 2 4 3 6 4 8 和5 4 M b i t s 的传输速率 8 0 2 1 i b 与8 0 2 1 l a 两个标准都存在着各自的优缺点 8 0 2 1 i b 的优势在于 价格低廉 但速率较低 最高11 M b i t s 而8 0 2 1 l a 优势在于传输速率快 最高5 4M b i t s 且受干扰少 但价格相对较高 另外 8 0 2 1 i b 与8 0 2 1 l a 工作在不同的频段上 不能 工作在同一接入点 A P 的网络里 因此8 0 2 1 i b 与8 0 2 1 l a 互不兼容 为了解决上述问题 I E E E 8 0 2 1 1 工作组开始定义新的物理层标准8 0 2 1l g 8 0 2 1 1 9 标准与以前的8 0 2 1 1 协议标准相比有以下两个特点 在2 4 G H z 频段使用正交频分复 4 用 O F D M 调制技术 使数据传输 系统互相连通 共存于同一A P 的网络罩 保障了后向兼容性 延长了8 0 2 1 i b 产品 的使用寿命 降低了用户的投资 2 蓝牙 B l u e t o o t h 技术 蓝牙是由爱立信 东芝 诺基亚 英特尔和国际商用机器公司等公布的一种无 线数据与语音通信的丌放性全球规范 开发于上世纪9 0 年代中后期 它是一种用于 短距离的 点对多点的数据和语音传输的射频规范 开发该技术的目的是以近距离 无线为基础为固定与移动终端建立临时对等连接 1 1 4 1 5 l 蓝牙的传输距离在l m 到 1 0 m 之间 增加发射功率或配置专用的放大器后可使传输距离达到1 0 0 m 目前 蓝牙设备在无线耳机 无线键盘等领域应用较多 但其国内市场的推广 仍然十分不够 其最大障碍是成本依然很高 蓝牙模块购买价格昂贵 3 超宽带 U W B 技术 超宽带U W B U l t r aW i d eB a n d 无线技术出现在6 0 年代 其应用仅限于军事 2 0 0 2 年这项无线技术丌始应用于民用通信领域 因而获得了广泛的关注 1 1 6 1 8 I 与传统技 术不同 U W B 是一种无载波通信技术 它不采用正弦载波 而是利用纳秒至微微秒 级的非 F 弦波窄脉冲传输数据 因此其所占的频谱范围很宽 它能够实现无线局域 网中无线接口的互联和接入 并具有低功耗 高带宽 低复杂度的优点 目前 英特尔公司 F 在进行研究和开发 以便将U W B 集成到个人电脑芯片组中 将其作为1 0 m 以内的近距离高速无线传输接口使用 英特尔将U W B 定位于 无线 U S B 2 0 当前U W B 的传输速率己达到1O O M b i t s 其下一个目标是5 0 0 M b i t s 然 而 U W B 作为民用还是一项新技术 还有一些实际问题 如安全问题 干扰问题等 有待解决 4 红外 I r D A 技术 I r D A I n f r a r e dD a t a A s s o c i a t i o n 是由红外数据协会提出并推行的一种无线通信协 议 这种通信方式通过数据电脉冲和红外光脉冲之间的相互转换实现无线数据的收 发 1 1 9 2 0 II r D A 设备使用发光二极管发送信号 波长范围8 7 5 n m 士3 0 n m 新制定的 超高红外 V F I R 标准传输速率达到16 M b p s 相比传统版本的4 M b p s 快了4 倍 接 收角度也由原来的3 0 度扩展到1 2 0 度 I r D A 设备的使用不需要申请特定频率的使用执照 并且还具有体积小 功耗低 技术成熟的优点 I r D A 数据传输速率比较高 同时由于是点对点的通信 受到的干 扰也较小 目前在成熟度和普及度上 I r D A 是新兴的无线通信技术无法比拟的 但是 I r D A 的缺点也很明显 首先I r D A 是一种视距传输技术 通信设备中间 不能有任何阻挡物 通信设备的位置也需要相对固定 不适宜用于移动数据传输 其 河北科技火学硕十学位论文 次 I r D A 只能实现点对点的无线通信 设备的核心器件一红外L E D 容易损坏 5 低功率短距离无线通信技术 不能完成点对多点的无线通信 最后 I r D A 因而设备寿命有限 该技术一般采用单片数字信号收发芯片 加上微控制器和少量外围器件构成专 用或通用无线通信模块 一般射频芯片采用F S K 调制方式 工作于I S M 频段 一些 必要的外围模块都已经集成在芯片内部 并且提供了简单透明的数据传输协议或使 用简单的加密协议 用户不用对无线通信原理和工作机制有较深的了解 只要依据 芯片提供的操作接口进行操作即可实现基本的数据无线传输功能 由于其功率小 价格低廉 丌发简单快速因而在工业 民用领域得到了广泛的应用 但数据传输速 度 流量都较小 因此比较适合搭建对数据传输速度要求不高的小型网络 目前 很多公司推出了这种类型的单片无线收发芯片 其中比较典型的是N o r d i c 公司推出 的n R F 系列芯片 在对短距离无线通信的研究方面 目f j 国外除了继续完善和提高短距离无线通 信技术以外 对由短距离无线通信设备构成的无线网络进行了较多的理论研究 其 典型代表是对主要应用于军事的无线传感器网络的研究 这些研究主要集中在无线 网络的路由协议 介质访问协议 节点间的同步以及数据融合技术等方面 并提出 了大量针对不同应用的网络模型和通信协议 目自 J 国内高校对短距离无线通信在生产和生活中的应用上研究的较多 其中比 较有代表性的有无线通信在汽车轮胎压力实时监测 酒店无线点菜 不停车收费 工业控制系统总线的无线传输等领域的应用进行了研究 这些研究大多着重于无线 通信功能的实现 对应用中的低功耗和抗干扰性能没有进行深入的研究 1 2 本课题的主要研究内容 本文针对传统的数据采集方式在数据传输上存在的受布线限制的问题 提出了 一种基于无线数据通信的解决方案 本文所做的工作就是把矿压监测与无线数掘传 输技术及虚拟仪器技术相结合 从软 硬件两个方面深入探讨了以计算机 数据采 集模块为体系结构的工作面矿压监测装置的设计与实现 具体工作如下所述 1 根据设计要求设计选择系统的主要集成芯片 以及使用的丌发工具 2 在已有信号检测理论的基础上 提出并完成了信号无线传输技术研究 从工作面到井下子工作站的传输技术研究 数据收发过程中的数据的可靠性研究 无线收发模块和微机的电路连接和信号控制 3 采用虚拟仪器的设计方法和基于U S B 总线的数据采集卡 D A Q 仪器结构 设计出了矿压测量系统 6 4 5 的设计 1 3 介 无线通 7 增强型U A R T 具有波特率发生器 间隔检测 帧错误检测 自动地址识 别检测功能 4 0 0 k H z 字节宽度1 2 C 总线通信端口和S P I 通信端口 捕获 比较单元 C C U 提供P W M 输入捕获和输出比较功能 选择片内高精度R C 振荡器时不需要外接振荡器件 可选择R C 振荡器选项 并且其频率可进行很好的调节 操作电压范围为2 4 3 6 V I O 口可承受5 V 可上拉或驱动到5 5 V 2 8 脚T S S O P P L C C 和H V Q F N 封装 最少有2 3 个I O 口 当选择片内振荡 器和片内复位时I O 口可高达2 6 个 2 附加特性 8 第2 章系统开发平台及总体结构设计 当操作频率为1 2 M H z 时 除乘法和除法指令外 高速8 0 C 5 1C P U 的指令 执行时间为1 6 7 3 3 3 n s 同一时钟频率下 其速度为标准8 0 C 5 1 器件的6 倍 只需要 较低的时钟频率即可达到同样的性能 这样无疑降低了功耗和E M I 有4 个中断优 先级 8 个键盘中断输入 另加2 路外部中断输入 施密特触发端口输入 利用商用E P R O M 编程器可简单实现串行F l a s h 在电路编程 I C P F l a s h 保密位可防止程序被读出 器件固定在最终应用中时可采用串行F l a s h 在系统编程 I S P 方法进行编 程 双数据指针 支持仿真 F l a s h 程序存储器可实现在应用中编程 这允许在程序运行时改变代码 看门狗定时器具有片内独立振荡器 无需外接元件 看门狗预分频器有8 种选择 当选择片内复位和R C 振荡器时 P 8 9 L P C 9 3 5 只需连接电源和地 低电压复位 掉电检测 可在电源故障时使系统安全关闭 该功能也可配 置为一个中断 可控制口线输出斜率以降低E M I 输出最小跳变时间约为l O n s 空闲和两种不同的掉电节电模式 提供从掉电模式中唤醒功能 低电平中 断输入唤醒 典型的掉电电流为1uA 模拟功能禁止时的完全掉电状念 低电平 复位 使用片内上电复位时不需要外接元件 复位计数器和复位干扰 所有口线均 有 2 0 m A L E D 驱动能力 但整个芯片有一个最大值的限制 抑制电路可防止虚假和不完全的复位 另外还提供软件复位功能 可配置的片内振荡器及其频率范围 通过用户可编程F l a s h 配置位选择 振荡器选项支持的频率范围为2 0 K H z 1 2 M H z 端口 输入模式匹配 检测 当P 0 口管脚的值与一个可编程的模式匹配或者不匹配时 可产生一个中断 振荡器失效检测 看门狗定时器具有独立的片内振荡器 因此它可用于振 荡器的失效检测 可编程I O 口输出模式 准双向口 丌漏输出 推挽和仅为输入功 能 3 功能结构 P 8 9 L P C 9 3 5 功能结构如图2 1 所示 部分结构功能描述如下 1 增强型C P U P 8 9 L P C 9 3 5 采用增强型8 0 C 5 1C P U 其运行速度是标准8 0 C 5 l 的6 倍 一个机 器周期由2 个C P U 时钟周期组成 大多数指令执行时间为1 到2 个机器周期 2 时钟 P 8 9 L P C 9 3 5 的几个内部时钟定义如下 O S C C L K 输入到D I V M 分频器的时钟 O S C C L K 可选择4 个时钟源之一 也可降低到较低的频率 9 个C C L K 周期 高精度到低成本 的不同需求 这些选项在对F l a s h 进行编程时配置 包括片内看门狗振荡器 片内 R C 振荡器 使用外部晶振的振荡器或外部时钟源 晶振可选择低 中或高频晶振 频率范围为2 0 K H z 到1 2 M H z 4 管脚分布 2 8 脚T S S O P 封装的P 8 9 L P C 9 3 5 管脚如图2 2 所示 逻辑符号如图2 3 所示 1 0 第2 章系统开发平台及总体结构设计 昌昌 E 目j 墨一目霉昌昌昌 昌皇 昌昌 昌昌宣昌昌昌昌 昌岩昌昌昌昌 毒 皇皇皇昌昌 昌昌昌 2 8 脚T S S O P 封装 P 01 C l N 扣 K B l l I A D l O o C B I P 1 6 R S T P 15 V s s T A L l P 31 C L K o U T T A L 2 P 3 0 I N i 1 1 D 1 4 S D A 门N T 0 P I 3 9 L 厂r 0 P 1 2 M o 副 P 2 2 MI S d P 2 3 P 0 3 C I N l B K B l 3 1 A D l 2 P 0 4 C l N l A K B l 4 1 D A C l I A D l 3 P 0 5 C M P R B K B l 5 V D D P 0 6 C M P l K 日6 P 07 7 r 1 K B l 7 P 1 0 r r D P 1 1 R D P 2 髫S 同C L K 1 0 2 4 豁 图2 2P 8 9 L P C 9 3 5 管脚幽 F i g 2 2 P 8 9 L P C 9 3 5p i nm a p c L K O u T 一X T A L 2 o 厂 g X T A L l n 5 功能描述 1 时钟描述 T x D R x D 一 卫一 卜 S C L e 一拦I Q 卜s D 为 一丝I 皿 R S T O C B t 斗o C P A D 0 0 I C B A D 0 3 0 A G 0 O C D 棚2 譬H e 丛M O 1 5H s s 阻H S P l C L K o C A t l C A 图2 3P 8 9 L P C 9 3 5 逻辑符号 F i g 2 3 P 8 9 L P C 9 3 5l o g i cs y m b o l 时钟输出 P 8 9 L P C 9 3 5 支持可由用户选择的时钟输出功能 当不使用晶振时 可从 X T A L 2 C L K O U T 输出时钟 要实现该功能的前提是已选择另外的时钟源 片内R C 萤 洲训一洲 一 一 f l f 一 图2 4 振荡器控制图 F i g 2 4O s c i l l a t o rc o n t r o lc h a r t C P U 时钟 C C L K 唤醒延迟 P 8 9 L P C 9 3 5 具有一个内部唤醒定时器 可使时钟延迟直到稳定下来 其延迟时 间取决于使用的时钟源 如果时钟源为3 个晶振选项中的任意一个 低 中或高频 1 2 第2 章系统开发平台及总体结构设计 延迟时间为9 9 2 个O S C C L K 周期加6 0 1 0 0 u s 如果时钟源为内部R C 振荡器 看门 狗振荡器或外部时钟 则延迟时间为2 2 4 个O S C C L K 周期加6 0 1 0 0 u s C P U 时钟 C C L K 调整 D I V M 寄存器 O S C C L K 频率可通过配置分频寄存器D I V M 进行5 1O 分频来提供C C L K 此特 性可用于暂时使C P U 以较低频率工作以降低功耗 通过分频 程序以较低速度运行 时 使C P U 仍保持对事件响应的能力 而不只是对能产生中断的事件 能使C P U 从空闲模式退出 才响应 这常常会得到比空闲模式更低的功耗 并且比掉电模式 少了振荡器起振时间 在程序内D I V M 的值可随时改变而无需中断程序运行 低功耗选择 P 8 9 L P C 9 3 5 设计最大工作频率为12 M H z C C L K 但是如果C C L K 为8 M H z 或 更低 C L K L P 位 A U X R l 7 可置位以降低功耗 此外 在任何一次复位后 C L K L P 都为O 以允许实现最高性能 如果C C L K 运行在8 M H z 或更低的频率时 该位可以 在软件当中置位 2 A D 转换 P 8 9 L P C 9 3 5 包含2 个8 位 4 路逐步逼近式模数转换模块 共用一个控制逻辑 A D 转换器的原理框图见图4 每个A D 转换器由一个4 输入多路转换器组成 C O M P 帅 卜一以小 r M u x l 工 匀 Ie I 1 I 柠捌逻橐I 卜 l G O M P II 帅 H 工卜 F M U Xl 工 口 Ie l 夕 磅 二I 一 C CL K 图2 5A D C 原理图 F i g 2 5A D Cs c h e m a t i cd i a g r a m 多路器的输出通过采样 保持电路输入到比较器 控制逻辑连同逐次逼近式寄存器 河北科技人学硕 学何论文 S A R 来驱动一个数模转换器 为比较器提供另外一个输入 比较器的输出又回 到S A R 其A o 转换特性如下 2 个8 位4 路输入的逐次逼近式A D 转换器 共用一个控制逻辑 每个A D 转换器包含4 个结果寄存器 6 种工作模式 固定通道 单次转换模式 固定通道 连续转换模式 自动扫描 单次转换模式 自动扫描 连续转换模式 双通道 连续转换模式 单步模式 4 种转换启动模式 定时器触发起动 立即起动 边沿触发 两个转换器立即起动 在3 3 M H z 的A D C 时钟下 8 位转换时间 3 9 u s 中断或查询操作 边界限制中断 D A C 输出到高输出阻抗的I O 口 时钟分 频器 掉电模式 3 存储器结构 P 8 9 L P C 9 3 5 的存储结构如图2 6 所示 分析如下 D A r A 1 2 8 字节内部数据存储空间 0 0 h 7 F h 可使用除M O V X 和M O V C 之外的指令 直接或徊J 接寻址 此空间可作为全部或部分堆栈空间 爹I D A T A 间接数据 2 5 6 字节内部数据存储空间 0 0 h F F h 可使用除M O V X 和M O V C 之外的指令进行间接寻址 全部或部分堆栈位于此空间 该区域包括了D A T A 区域 和其之上的1 2 8 字节间接R A M 9S F R 特殊功能寄存器 选择的C P U 寄存器和外设控制及状态控制寄存器 只能通过 直接寻址访问 X D A T A P 8 9 L P C 9 3 5 外部数据 或附加R A M 与标准8 0 C 5 16 4 K 字节存储空间完全相同 通过M O V X 指令使用D P T R R 0 或R l 寻址 该空间的全部或部分可在片内实现 P 8 9 L P C 9 3 5 集 成了5 1 2 字节片内X D A T A 存储器 9C O D E 1 4 P 8 9 存储器结构 P 8 9 L P C 9 3 3 9 3 4 1 9 3 5 仔储空f i j 分配如罔1 3 趼示 一旺口 氟酌L 竖竺 一 r J S P 代码f 5 1 2 E 扇区7 扇区6 扇区5 扁区 1 扇区3 扇区2 扁区1 扇区0 R 曲代码存储空问 f 1 劢 曩砌 入口 踟啦J 同i 曲 垃C 0 睫 i I J 选摊 一器件控mi U A R T P h i f i p 8 库 一目J 定义 洼 I S P 代毋作城 L P C 9 3 3 臻B3 的木犀鞫 L P C 9 3 4 9 3 5 鹰p7 的木咫 特撩功艇寄存器 I D A T A 池I l D A T A tu l 点l 盂习址 l 8 彳带I I 曩嚣掘许侣 啦 f M I 是译I I D 盯A 1 2 8 节I I 霹翁挥存惦 t j l l 掩 崮蝰寻址f n M 攘寻珊 d 十带 勰I E 0 i 一 数批 臣阡 M 图2 6P 8 9 L P C 9 3 5 存储器结构 F i g 2 6P 8 9 L P C 9 3 5m e m o 吖s t r u c t u r e 4 中断 P 8 9 L P C 9 3 5 采用4 中断优先级结构 这为P 8 9 L P C 9 3 5 的1 5 个中断源的处理提 供了极大的灵活性 P 8 9 L P C 9 3 5 支持1 5 个中断源 外部中断0 和1 定时器0 和1 串口T x 串口R x 组合的串口T x R x 掉电检测 看门狗 实时时钟 1 2 C 键盘中 断 比较器1 和2 S P I C C U 和数据E E P R O 写 A D C 转换完成 任何一个中断源均可通过对中断使能寄存器I E N 0 和I E N l 中相应的位置位或清 零 实现单独使能或禁能 I E N 0 中还包含了一个全局使能位E A 它可使能所有的 T x D 脚发送 R x D 脚接收 每次数据为1 0 位 1 个起始位 逻辑0 8 个数据 位 L S B 在前 以及1 个停止位 逻辑1 当接收数据时 停止位保存在S C O N 中 的R B 8 该模式的波特率可变 由定时器1 溢出速率或波特率发生器决定 模式2 T x D 脚发送 R x D 脚接收 每次数据为1 1 位 1 个起始位 逻辑O 8 个数据 位 L S B 在前 一个可编程第9 位数据及1 个停止位 逻辑1 发送数据时 第9 个数据位 S C O N 中的T B 8 位 可置为0 或1 例如可将奇偶位 P S W 内P 位 放 入T B 8 接收时 第9 位数据存入S C O N 的R B 8 位 而停止位不会被保存 波特率 可编程为C P U 时钟频率的1 1 6 或1 3 2 由P C O N 内S M O D l 位决定 模式3 T x D 脚发送 R x D 脚接收 每次数据为11 位 1 个起始位 逻辑0 8 个数据 位 L S B 在前 1 个可编程的第9 位数据及1 个停止位 逻辑1 实际上 模式3 1 6 第2 章系统开发平台及总体结构设计 除了波特率外其它均与模式2 相同 模式3 的波特率可变并由定时器1 溢出率或波 特率发生器决定 2 1 2n R F 9 0 5 单片无线收发芯片 1 n R F 9 0 5 芯片工作参数 n R F 9 0 5 单片无线收发器工作在4 3 3 8 6 8 9 15 M H Z 的I S M 频段 由一个完全集成 的频率调制器 一个带解调器的接收器 一个功率放大器 一个晶体震荡器和一个 调节器组成 2 2 S h o c k B u r s t 工作模式的特点是自动产生前导码和C R C 可以很容易 通过S P I 接口进行编程配置 电流消耗很低 在发射功率为 1 0 d B m 时发射电流为 3 0 m A 接收电流为1 2 2 m A 进入P O W E R D O W N 模式可以很容易实现节电 其常 用参数如下表 表2 1n R F 9 0 5 常川 r 作参数 T a b 2 l n R F 9 0 5c o m m o no p e r a t i n gp a r a m e t e r s 参数数值单位 最低l 作电压 1 9 V 最人发射功率1 0d B m 最人数据传输率曼彻斯特解码5 0 k b p s 输出功率为一1 0 d B m 时l 作电流 9m A 接收模式时I 作电流 1 2 5m A 温度范同S F D F D S 一4 0t o 5 0 S D F D FF G F D G D F G D F G F D D G 典型灵敏度 一1 0 0d B m P O W E R D O W N 模式时I 作电流 2 5u A 2 n R F 9 0 5 芯片结构及引脚功能表示 n R F 9 0 5 管脚名称及功能如表2 2 所示 n R F 9 0 5 芯片结构如图2 7 所示 表2 2n R F 9 0 5 芯片管脚说明 T a b 2 2n R F 9 0 5c h i pp i ni n t r o d u c t i o n 管脚名称及其功能说明 1 T R X C E 数字输入使能芯片发射或接收 2 P W R U P 数字输入芯片上电 3U P C L K 时钟输出由品体震荡器分频的输出时钟 1 7 河北科技人学硕十学何论文 续表2 2 4V D D 电源电源 3 VD C 5V S S 电源地0 V 6C D 数字输出载波检测 7A M 数字输出 地址匹配 8D R 数字输出接收或发射数据完成 9 V S S 电源地O V 1 0 M I S O S P I 接口S P I 输出 1 1M O S I S P I 接口S P I 输入 1 2S C K S P I 时钟S P I 时钟 1 3 C S N S P I 使能 S P I 使能 1 4 X C I 模拟输入品体震荡器1 脚 外部时钟输入脚 1 5 X C 2 模拟输山品体震荡器2 脚 1 6V S S 电源地O V 1 7V D D 电源电源 3 VD C 1 8V S S 电源 t 乜o v 1 9 V D D P A 电源输山给n R F 9 0 5 功率放人器提供的t 1 8 V 电源 2 0 A N T I 射频输出大线接口 2