基于AVR与PC机的电气量采集系统

课程设计论文题目名称基于ARM7与PC机的电气量采集系统课程名称电气测量技术学生姓名刘雍学号1041203054系、专业电气工程系、10测控技术与仪器指导教师邱雄迩2012年12月22日邵阳学院课程设计（论文）任务书年级专业10测控学生姓名刘雍学号1041203054题目名称基于ARM7与PC机的的电气量采集系统设计时间2012年12月17日2012年12月28日课程名称电气测量技术课程编号121201202设计地点智能仪器与开发实验室（314）/创新实验室（214）一、课程设计（论文）目的课程设计是在校学生素质教育的重要环节，是理论与实践相结合的桥梁和纽带。电气测量技术课程设计，要求学生更多的完成软硬结合的动手实践方案，解决目前学生课程设计过程中普遍存在的缺乏动手能力的现象电气测量技术课程设计是继电子技术、和单片机原理与应用课程之后开出的实践环节课程，其目的和任务是训练学生综合运用已学课程电气测量技术的基本知识，独立进行电气测量的应用技术和开发工作,掌握电气测量技术的应用、调试和电路设计、分析及调试检测。二、已知技术参数和条件（1）被测信号为外部输入信号，频率不定。（2）采集的外部信号在PC机上显示，包括数字显示和波形显示。（3）PC机与ARM7使用串口通讯。（4）仪器的触发电路采用内触发方式，要求上升沿触发，触发电平可调。（5）被测信号的显示波形应无明显失真。三任务和要求设计一基于ARM7与PC机的的电气量采集系统，参考框图为取样与保持电路A/D转换与存储控制电路显示部分输入电路触发电路TP注1此表由指导教师填写，经系、教研室审批，指导教师、学生签字后生效；2此表1式3份，学生、指导教师、教研室各1份。四、参考资料和现有基础条件（包括实验室、主要仪器设备等）智能仪器与开发实验室（314）/创新实验室（214）陈立周编电气测量第三版，机械工业出版，2008，2申忠如等编著电气测量技术，科学出版社，2009，1。五、进度安排2012年12月17日18日收集和课程设计有关的资料，熟悉课题任务和要求2012年12月19日20日总体方案设计2012年12月21日24日功能电路详细设计2012年12月25日26日系统调试改进2012年12月27日整理书写设计说明书2012年12月28日答辩并考核六、教研室审批意见教研室主任（签字）年月日七|、主管教学主任意见主管主任（签字）年月日八、备注指导教师（签名）学生（签名）邵阳学院课程设计（论文）评阅表学生姓名刘雍学号1041203054系电气工程系专业班级测控专业、10测控班题目名称基于AVR与PC机的电气量采集系统课程名称电气测量技术一、学生自我总结通过本课题的设计，使我更了解单片机的实际应用，实践才出真知的硬道理，在这半个多月，本课题设计完成了上位机、串口通信、整体程序等的设计，并完成了实物的实验，同时也使我了解了单片机的功能是比不上DSP、ARM、FPGA等更高级的芯片，但各有千秋，对知识的渴望驱动我向更高的人生目标奋斗。学生签名年月日二、指导教师评定二、指导教师评定评分项目平时成绩论文答辩综合成绩权重304030单项成绩指导教师评语指导教师（签名）年月日注1、本表是学生课程设计（论文）成绩评定的依据，装订在设计说明书（或论文）的“任务书”页后面；2、表中的“评分项目”及“权重”根据各系的考核细则和评分标准确定。摘要目前，数据采集系统应用越来越广，所涉及的信号和信号源越来越多，对测量的要求也越来越高。本次课程设计是以ATMEGA128和PC为基础的的电气量采集系统。其硬件部分包括了ATMEGA128的最小系统、和通信模块。软件部分包含了用DELPHI编写上位软件和用C语言编写的下位机软件。采集系统是基于RS232串口通信实现ATMEGA128和PC机的通讯。为了验证硬件和软件上设计的准确性，我们在理论的基础上进行实物的验证。用元器件连接实物并在测试中获得了预期的结果。该系统具有很多的优点如显示直观、界面友好、性价比高、应用广泛、系统数据处理功能强大。关键词ATMEGA128；PC；采集系统目录摘要1课题的方案论证111课题的任务和要求112设计方案的选择113处理芯片方案的选择22硬件电路的设计321下位机ATMEGA128最小系统电路的设计322下位机电源电路设计323下位机与上位机的通讯电路设计43软件设计及调试531下位机系统工作流程图如图31所示532上位机系统工作流程图如图32所示54系统联调及结果641仿真软件简介642仿真与调试643硬件接线及调试644实例调试结果及分析75总结8参考文献91课题的方案论证11课题的任务和要求（1）该设计课题的任务本次课程设计是基于电气测量技术、电子技术、和单片机原理与应用的实践环节课程，其目的和任务是锻炼我们综合运用已学课程电气测量技术的基本知识，结合微机原理对其进行深度的理解和运用。使我们能够独立的进行电气测量的应用技术和开发工作,掌握电气测量技术的应用、调试和电路设计、分析及调试检测。利用AVR系列ATMEGA128和PC机，能实现外部信号的采集，并且在PC机上显示数字和波形。（2）该设计课题的基本要求完成方案的论证；设计好硬件电路图，并给出原理图；设计好软件部分；完成调试；做出实物，进行验证。12设计方案的选择下图为基于ATMEGA128与PC机的电气量采集系统设计的方案外部信号ATMEGA128进行A/D转换串口通信PC机接收数据界面显示数据和波形图11电气量采集系统图本设计是用ATMEGA128的通道0和通道1作为数据的采集通道，通过芯片自带的10位A/D转换器进行数据的处理，然后通过RS232串口通讯将转换的结果传送给PC机，然后再编写上位机软件将数据还原并显示在PC机界面上。ATMEGA128的介绍ATMEGA128是基于AVRRISC的8位低功耗CMOS微处理器。由于其先进的指令集以及单周期指令执行时间，ATMEGA128的数据吞吐率高达1MIPS/MHZ,从而可以减缓系统功耗和处理速度间的矛盾。ATMEGA128具有如下特点128K字节的系统内可编程FLASH具有在写的过程中还可以读的能力，即RWW、4K字节的EEPROM、4K字节的SRAM、53个通用I/O口线、32个通用工作寄存器、实时时钟RTC、4个灵活的具有比较模式和PWM功能的定时器/计数器T/C、两个USART、面向字节的两线接口TWI、8通道10位ADC具有可选的可编程增益、具有片内振荡器的可编程看门狗定时器、SPI串行端口、与IEEE11491规范兼容的JTAG测试接口此接口同时还可以用于片上调试，以及六种可以通过软件选择的省电模式。空闲模式时CPU停止工作，而SRAM、T/C、SPI端口以及中断系统继续工作；掉电模式时晶体振荡器停止振荡，所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作，寄存器的内容则一直保持；省电模式时异步定时器继续运行，以允许用户维持时间基准，器件的其他部分则处于睡眠状态；ADC噪声抑制模式时CPU和所有的I/O模块停止运行，而异步定时器和ADC继续工作，以减少ADC转换时的开关噪声；STANDBY模式时振荡器工作而其他部分睡眠，使得器件只消耗极少的电流，同时具有快速启动能力；扩展STANDBY模式则允许振荡器和异步定时器继续工作。13处理芯片方案的选择方案一采用传统的51系列单片机，51单片机如AT89C51结构简单，编程容易实现但是芯片内不带A/D转换，若使用这种单片机还需外部扩展A/D转换，由此可知电路复杂且转换精度和速度都不是很理想。方案二采用信号的ATMEGA128。该芯片体积小、性能稳定、速度快、精度高并且自带A/D。能够很容易精确实现信号采集。综合两种方案的优缺点，本次设计采用方案二。2硬件电路的设计21下位机ATMEGA128最小系统电路的设计ATMEGA128最小系统由实时时钟晶振电路、复位电路、JTAG等组成。其中晶振给系统提供必要的时钟，这是系统工作的最基本的条件。JTAG的作用是供调试和下载程序所用。图21ATMEGA128最小系统硬件电路图22下位机电源电路设计硬件电路如图22所示。图22下位机电源系统电源由外界提供12V的电源，然后经过稳压芯片给系统提供5V的稳定电压。23下位机与上位机的通讯电路设计硬件电路如图23所示图23下位机与上位机的串口通讯电路本设计采用RS232串口通讯电路中的MAX232做为电平转换芯片。2178055V5V12V电源VINGND03UF01UF132系统初始化打开AD转换器10次A/D转换完成数据处理串口发送串口发送完成YNYN3软件设计及调试31下位机系统工作流程图如图31所示。图31下位机系统工作流程图32上位机系统工作流程图如图32所示打开串口接收数据若没有接收到数据不动作数据处理通过数字和波形显示图32上位机系统工作流程图4系统联调及结果41仿真软件简介本次设计的仿真使用了PROTEUS和AVR嵌入式平台。PROTEUS仿真是英国LABCENTERELECTRONICS公司出版的EDA工具软件。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC、AVR、ARM、8086和MSP430等。AVR嵌入式平台是AVRSYSTEMS公司为微处理器开发的一个集成环境。比较其他的AVR开发环境，AVR嵌入式和平台具有入门容易、使用方便和代码紧凑等特点。AVR嵌入式平台中包含了一个全软件的模拟程序用户不需要任何硬件就可以模拟各种AVR内核及其他外围设备甚至中断的软件运行环境。42仿真与调试（1）在PROTEUS软件中绘制出硬件电路图。根据系统设计要求，选择元器件，设计出硬件电路图。（2）编写系统程序。根据系统要求，画流程图。在IAR嵌入式平台中编程，再调试主程序，看是否能实现系统功能。（3）硬件和软件电路的联合模拟调试在PROTEUS软件中进行。先将编译好的HEX文件加载到ATMEGA128中，在运行硬件电路，若没达到要求，进行相应修改，直到符合要求。（4）仿真符合要求后利用实物连接电路图，调试并使用示波器记录信号输出端口和上位机上输出的的波形。43硬件接线及调试调整外部输入电压后PC上的波形图如图43所示。图43PC电路输入输出电压波形图调整外部输入示波器波形图如图44所示。图44相位差测量44实例调试结果及分析实际输入值与测量值如表43所示外部输入电压值测量值误差05V05V0V12V11V0124V23V01V10V10V0V表41实际输入值与测量值经过测量发现系统存在误差，经分析误差来源有以下几点1、外部电源是有可变电源提供电源的本身就存在误差。2、系统的A/D转换中得基准电压存在误差，这也会造成转换的误差。3、在运算过程中舍弃了一些浮点数的小数位，这也会影响显示的结果。要提高系统的测量精度可以使用精度更高的外部电源并减小舍弃的浮点数小数位。总之，通过调试可值此次基于ATMEGA128与PC机的电气量采集系统是成功的。5总结在老师的指导和同学的帮助下我顺利为的完成了这次课程设计，并取得了满意的效果。这次课程设计让我收获颇丰，在这两个星期里我完成了硬件电路方案的设计、上位机和下位机软件方案的设计、源代码的编写、仿真调试、实物调试。在这两个星期里我不仅学会了如何将理论与实际相结合，更重要的是学会了怎样去思考、去解决各种各样的问题。要想完成好这次课程设计，首先要弄懂ATMEGA128的工作原理、C51语言、OBJECTPASCAL语言、DELPHI2010和AVR嵌入式工作平台等软件的使用。当然这些问题是无法只靠书本就可以解决的，我们必须以理论为基础，在实践中发现问题，然后解决问题。通过这次课程设计，我对ATMEGA128的外围电路、内