基于SPCE061A的多路数据采集系统设计.doc

成都理工大学题目名称 多路数据采集系统学院名称 信息科学与技术学院所属专业 电路与系统学生姓名 冉均均学 号 2011020781邮箱地址：xc2007_2007163.com多路数据采集系统摘要:本系统采用双CPU控制，主机与从机的CPU都是SPCE061A单片机。从CPU负责采集七路数据，同时应答主CPU发送的命令。主CPU进行数据处理，数据显示，键盘输入，系统报警，语音播报通道的电压值。在主CPU与从CPU的通讯中，采用国际标准的RS485差分方式接口，使通讯的速率和传输距离均大于RS232的标准接口方式，并且用线最少（只要两根）。关键词：SPCE061A RS485SPCE061A单片机概述SPCE061A是继nSP系列产品SPCE500A等之后推出的又一个16位结构的微控制器。目前有两种封装形式：84引脚的PLCC84封装和80引脚的LQFP80贴片封装。主要性能如下:16位nSP微处理器；工作电压：VDD为2.43.6V（cpu），VDDH为2.45.5V（ I/O）；CPU时钟：32768Hz49.152MHz；内置2K字SRAM，内置32K FLASH；可编程音频处理；32位通用可编程输入/输出端口；32768Hz实时时钟，锁相环PLL振荡器提供系统时钟信号；2个16位可编程定时器/计数器（可自动预置初始数值）；2个10位DAC（数-模转换）输出通道；7通道10位电压模-数转换器（ADC）和单通道语音模-数转换 器；声音模-数转换器输入通道内置麦克风放大器自动增益控制（AGC）功能；系统处于备用状态下（时钟处于停止状态）耗电小于2A3.6V；14个中断源：定时器A/B，2个外部时钟输入，时基，键唤醒等；具备触键唤醒的功能；使用音频编码SACM_S240方式（2.4K位/秒），能容纳210秒 的语音数据；具备异步、同步串行设备接口；具有低电压复位（LVR）功能和低电压监测（LVD）功能；内置在线仿真电路接口ICE（In-Circuit Emulator）；具有保密能力；具有WatchDog功能（由具体型号决定）。一功能要求1.1设计要求设计一个八路数据采集系统，系统原理框图如图1所示，要求主控器能对50米以内的各路数据，通过串行传输线进行采集和显示。具体设计任务是：（1） 现场模拟信号产生器。（2） 七路数据采集器。（3） 主控器。现场信号产生器主控器八路数据采集器数据显示地址显示地址、数据、时钟图1系统电路框图1.2系统功能1实现现场模拟信号产生器，即通过自制一正弦波信号发生器，利用可变电阻改变振荡频率，使频率在200Hz2KHz范围变化，再经频率电压变换后输出相应15V直流电压（200Hz对应1V，2KHz对应5V）。2八路数据采集器第一路输入自制1V5V直流电压，第27路分布输入来自直流源的5V、4V、3V、2V、1V、0V直流电压（各路输入可由分压器产生，不要求精度）。将各路模拟信号分别转换成8位二进制信号，在经并/串变换电路，用串行码送入传输线路。3主控制器通过串行传输线路多各路数据进行采集和显示。采集方式包括循环采集（即1路、2路7路、1路）和选择采集（任选一路）二种方式。显示部分能同时显示地址和相应的数据。4主机实现语音操作提示和播放各通道电压的功能，故障报警功能。二方案设计该方案的系统原理图如图2所示，它使用SPCE061A单片机作CPU，该CPU内核具有模块化的结构。R/V变换ICL8038F/V变换SPCE061ARS485接口LED显示按键RS485接口SPCE061ALSPEAKER图2系统框图方案说明:该方案采用现场模拟信号发生器通讯方式，实现起来更具结构化，编程方便。SPCE061A内置的A/D电路、32Kflash以及在线调试、下载功能，使得开发时间大大缩短。另外，SPCE061A具有音频处理功能，只要调用库函数即可实现音频编程，所以可以用来扩展系统的语音播放、以及语音报警功能。三硬件电路3.1系统电路框图及说明本系统的电路框图如图3所示。从机系统要求的现场模拟信号产生器（1V5V）采用正弦波发生器及F/V变换电路实现的。主机及从机的通讯使用RS485接口实现的。主机系统硬件部分主要由RS485接口电路、键盘输入、喇叭电路以及LED显示电路组成。系统中的喇叭部分电路是发挥部分内容，它用于语音提示和语音报警。R/V变换ICL8308按键LED显示LSPEAKER1V到5V转0.66V到3.3V电路R/V变换SPCE061A主机SPCE061A从机RS485接口RS485接口图3系统框图3.2系统的各部分电路3.2.1主机电路本系统是基于61板实现的，主机的系统电路如图4所示，其中61板的电路主要包括MIC输入电路、音频输出电路、电源部分、PROBE接口电路。所以在主机的电路中，只需外接按键电路三个LED电路、RS485接口电路。图43.2.2从机系统电路 从机系统的电路如图5所示，由于SPCE061A内置7路10位AD电路，采样的电压范围为03.3V，所以在采样05V的电压时候，需要外接分压电阻。另外，从机系统的还有一个RS485接口电路。图53.2.3数码显示电路本系统的显示部分采用3个数码管显示，数码管电路采用“共阴”“动态”连接，阴极公共端（com）由晶体管推动，详细电路如图6所示。图63.2.4键盘输入电路本系统使用4*3键盘，它的详细电路如图7所示。图73.2.5模拟信号产生器本系统使用的模拟信号产生器电路由两部分组成：1.正弦波信号发生器2.频率电压变换电路。1.正弦波信号发生器正弦波信号发生器电路如图8所示，其中ICL8038V/F转换芯片，该IC属于积分型施密特压控多谐振荡器，工作范围为：0.001Hz！300KHz，完全可以达到设计要求。调节滑动电阻可改变正弦波的输出频率。图8正弦波信号发生器2.频率电压变换电路。频率电压变换电路如图9所示，它的输入信号为正弦波信号。正弦波信号经放大，变为方波信号作为LM331芯片的输入信号。调节滑动电阻P3，P4，使得200Hz对应1V输出，2KHz对应5V输出。图9频率电压变换电路3.2.61V到5V转0.66V到3.3V输入电路由于SPCE061A的A/D最高采样的电压值为3.3V，所以根据系统的要求，设计1V到5V转0.66V到3.3V输入电路，它的详细电路如图10所示。图101V到5V转0.66V到3.3V输入电路3.2.7RS485接口电路本系统用到的RS485的接口电路如图11所示，其中R1为阻抗匹配电阻，在传输距离比较短的情况下，可以不用。MAX3485使用半双工通讯，其中A与B采用差分实现传输，RO口为读数据用，RE_N为读使能位（低电平有效），DE口为写数据使能位（高电平有效），DI口为写数据用。图10RS485接口电路四软件设计4.1从机系统的主程序流程从机系统的主程序流程如图12所示。从机主要负责循环采集7路数据和命令判断，在没有接收到主机的命令的时候，一直做循环采集，并存入Buffer，以便增强系统的响应速率。开 始通 道 号 变 量 的 值 赋 为 1清 通 道 号 变 量 为 0系 统 初 始 化开 中 断通 道 号 变 量 值 加 1A/D 采 样读 取 主 机 的 命 令 变 量命 令 值 为 0 吗 ?将 通 道 号 对 应 缓 冲 区 中 的 数 据 取 出 并 送 给 主 机YN通 道 号 变 量 值 为 8图12从机的主程序流程图4.2从机系统的中断程序流程从机系统的中断程序如图13所示，它是UART接收数据完毕IRQ7中断，它是用于接收主机发送的命令字。IRQ7中断入口现场保护读取UART数据，保存到主机命令变量g_uiUARTCommand清中断现场恢复中断返回图13从机系统的中断程序4.3主机系统的主程序流程主机系统的主程序流程如图14所示，主机系统主要负责按键处理、语音播报、发送命令给从机，同时进行采样显示。NNY采集数据采集数据的时间标志变量为1吗？开始Enter键标志变量值为1故障标志变量值为1吗？按下“cancel”键吗？采用的标志变量值为1吗？语音播报电压值语音播报的变量标志为1吗？系统初始化系统开机语音提示键盘扫描并获取键值有键按下吗？按键处理通讯故障处理清所有标志变量LED显示YYYYYNNNNNN图14主机系统的主程序流程图4.4主机系统的按键处理流程主机系统的按键处理流程如图15所示。开始采集数据标志变量置1返回清所有的标志变量置1语音提示“取消”键“确定”键“选择采集”的标志变量为1？语音播放标志变量置1“循环采集”的标志变量置1“选择采集”的标志变量置1语音提示将输入的数据键作为要采集的通道数语音提示“通道选择完毕”按键处理程序语音提示“数字”键“语音播放”键“选择采集”键“循环采集”键YN图15主机系统的按键处理流程4.5主机发送命令接收数据的流程主机发送命令接收数据的流程如图16所示。数据采集子程序发送命令等待第一个字节回送故障标志变量置1超时处理等待第二个字节回送收到数据？超时？两个字相等并且无超时？收到数据？发送命令等待第一个字节回送收到数据？等待第二个字节回送收到数据？超时？超时？超时？超时处理超时处理超时处理返回YYYYYYYYYNNNNNNNN图16主机发送命令接收数据的流程4.6主机系统中断程序FIO和IRQ5流程主机系统使用两个中断资源，其中FIO的TimerA中断用于播放语音数据，该中断的程序流程如图17所示；其中2Hz中断用于循环采集，它用于定时用，每隔2s循环采样一次，该中断的流程如入18所示。调用函数放音现场恢复清中断清看门狗现场保护FIQ中断入口是FIQ得TimerA中断吗？中断返回Y图17主机的播放语音中断是IRQ5的2Hz中断吗？2Hz中断计数器变量值为5吗？2Hz中断计数器变量值置0现场恢复两秒时间标志变量置12Hz中断计数器变量现场保护IRQ5中断入口中断返回YN清中断图18主机系统2Hz中断流程五系统测试及整机指标5.1系统测试第一路测试结果如表1所示表1显示值（V）5.00.5实测值（V）5.00.5第二、三、四、五、六、七路测试，结果如表2所示表2通道数二三四五六七显示值（V）5.04.03.02.01.00.0实测值（V）5.04.03.02.01.00.05.2整机指标采集部分1. 采集通道数：72. 采集精度：10位A/D转换通讯部分1. 传输信号电平幅度：-7V+12V2. 传输线数目：2根主控制器部分1. 数据显示状态：2中（循环和手动）2. 循环显示周期：2秒3. 显示精度：0.1V六总结使用SPCE061A开发采集系统，具有很大的市场前景。它具有模块化的结构，内置7路10位的AD，简化用户的电路设计；具有语音识别、音频处理的能力，使得用户可以开发出更智能化的产品。七参考资料1.MAX3485数据手册2.SPCE061A原理与应用教材3.ICL8038数据手册4.LM331数据手册袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈芀荿薀螆肃芅蕿袈