仪表智能化技术全套ppt电子课件教案【完整版】

仪表智能化技术,主讲二0一四年九月,课程内容：,1.仪表智能化概述2.智能化仪表的基本结构要素3.硬件流行技术ARM介绍4.编程要领5. PV发电系统6.设计举例,第一章 仪表智能化概述,一、发展现状及与单片机的联系1.智能化仪表的含义 以微控制器为核心的设备 具有判断、记忆、推理、决策能力 部分模拟人脑功能 举例： 数字存储示波器 飞机黑匣子 数控机床 自主机器人,2.仪表智能化的技术基础,硬件: 高速CPU/MCU/DSP/FPGA/CPLD/ARM 大容量存储器 RAM/ROM/FLASH 高性能A/D,D/A 智能型传感器软件: 模糊控制 专家系统 神经网络 自适应系统 复杂控制算法,3.智能仪表与微控制器的联系,现代仪器仪表必然以某种微控制器为核心,它是构成智能化仪表的必要条件(非充分条件)4.发展情况(近20年) a. 小型化,微型化,便携化(如心脏监护仪,车载 GPS,手持式抄表器,MP3,手机等) b. 网络化,系统化,行业化(如工业现场总线网络,医疗监控系统,智能建筑网络,电子商务网络等) c. 高档化,复杂化,专业化(如各种专业机器人-焊接,手术,爬壁,爆破,电子眼,各种嵌入式控制器等) d. 覆盖面不断延伸:工业,农业,国防,科教,卫生,环保,家电,玩具,二、微控制器现状及发展趋势,1.起始时间可追溯到上世纪70年代2.规模经历了1-4-8-16-32-64位 国内目前8位单片机仍未过时 理由: 8位机接口最容易 外围接口芯片数量和种类最多 一般可满足中低档需求 技术风险小 成本低,开发速度快,有大量可借鉴的资料 开发资金不足,创新意识差,配套工艺滞后,3.国际潮流,a. 8位机变种增多,功能扩展是主流 以51为内核的占据较大比重 增加外围接口功能(A/D,D/A,SPI,PWM,UART) 以通用为主,专用色彩不浓 扩展的内容包括:片上程序存储器- 1K-64K,并越做越大; 通用/复用I/O口,可多达64个,引脚多(100以上） (复用功能如后文叙述)大容量片上RAM-256B,1K,8K,32K; JTAG接口-在线调试和动态程序下载;,增大系统主频-4M,12M,25M,40M;,增加电源监视器和看门狗;直接支持 can, profibus等现场总线;低电压低功耗 5V,3,3V,2,5V,1.7V;*复用I/O口举例: A/D,D/A 8,10,12位,逐次比较式为主; 多串口(双UART); I2C总线接口,2线; SPI接口,4线; USB接口,2线; 多外中断,多定时/计数器,b. 16位机的情况,国内在90年代开始接触16位单片机,早期品种是Intel 8098,其后是80C196. 16位机的尴尬处境: 8位机发展深入,地位稳固; 32位机迅速崛起,抢占市场; 结局:16位机在国内没能得到充分发展,未成为真正的主流.16位机自身的技术特点不很突出也是一个原因.,c.其他微控制器异军突起,DSP Digital Signal Processor 2000-5000-6000-7000系列 快速傅立叶变换,处理语音,图像等实时信号ARM Advanced RISC Machine RISC:精简指令集计算机 32位,可嵌入操作系统,可支持网络接口 典型如2104,2214,44B0,6410等CPLD Complex Programmable Logic Device 复杂可编程逻辑器件FPGA Field Programmable gate Array 现场可编程门阵列,支持片上系统SOC,演化趋势判断,知识爆炸,换代加速,尤其从90年代互联网成熟应用以来更显著; 原有产品功能扩张,指标提升,衍生新亚种; 不断出现概念全新的产品; 追求的目标: 针对专项领域,如数据处理芯片DSP; 追求简化硬件设计,完全敞开资源,如FPGA; 高速高位CPU,如ARM; 低成本低价位低功耗,如PIC,AVR;,从业者的应有心态:,任何人不可能熟知所有新技术内容; 提倡“一精多通”,主张学习好单片机,并关注其他方面的动态,有所了解即可.避免: 杂而不精; 因生畏而退却; 重理论轻实践; 试图寻找捷径; 浅尝则止,误以为精通; 硬件和软件学习掌握不均衡.,三、几种常见单片机性能比较,Intel 51 (40P) 片内128/256B RAM,4工作寄存器区,5级中断,32I/O线,位处理器,8位CPU,12M主频,64K外扩能力,2/3个定时/计数器,1个全双工串行口，21个SFR,111条汇编指令. ROM配置情况: 外扩(8031) 掩膜(8051 4K, 8052 8K) EPROM (8751 4K,8752 8K),MCS-51单片机性能归纳:,性质: 典型的通用机,可成为计算机,但需要自行设计I/O接口和编程,难度小,价格低,指令较丰富;硬件极限指标: 最高主频12MHz下： 机器周期1微秒(固定为12个振荡周期) 定时精度1微秒 外部脉冲频率上限1MHz 可用I/O口线数:8,14,32 负载能力 4/8个TTL负载 +5V供电,典型功耗70mA（低功耗者可低至20mA）,51单片机可以担当的任务:,a.检测、控制仪表（单参数，多通道，开关量）； 热工、机械、成分分析仪表； 优点：结构简单，成本低，可组成网络； 缺点：计算功能弱，自身硬件功能不强，保密 性不好；b.便携式仪表: 野外测量(距离、速度、温湿度、流量、管道探察、液位监测、大气分析); 医疗仪器(电子体温计、跟踪器、呼叫系统、电子血压计);c.文体设备,电动玩具,家电控制,b,c两项的主要技术障碍：功率消耗问题,51单片机的资源，接口能力，CPU处理能力可满足上述需求，但是电池供电要求系统为低功耗设计。 8031不能解决（请考虑，为什么） Atmel 51系列有一定可能性（请考虑理由） 设计思想： 选择低功耗芯片；采用液晶显示器； 设计大容量可充电电池电路； 配备非易失存储器。若采用非51的特殊单片机，则开发成本较高。,可与51配套使用的外围芯片节选,通用并行I/O口：Intel 8255/8155 打印机、键盘、显示、开关量专用并行I/O口：8279 键盘/显示 8253 定时/计数器 8251 串行接口USART DS12887 实时时钟串行接口调整电路： MC1488/1489 RS-232C MAX232 RS-232C MC3486/3487 RS-422 DS75176/MAX485/MAX1487 RS-485,A/D、D/A器件：,ADC0809 8位逐次比较式 ADC1210 12位逐次比较式 AD574 12位逐次比较式 LM331 V/F转换式，最高频率100KHz AD650-654 V/F转换式，最高频率2MHz MC14433 双积分式，三位半 DAC0832 8位电流型D/A转换器 DAC1210 12位电流型D/A转换器模拟开关电路： CD4051 单 8选1 模拟开关 CD4052 双4选1模拟开关 CD4053 三组二路双向模拟开关 CD4066 4双向模拟开关 CD4067 单16选1模拟开关,其他：几乎可以直接使用全部TTL、MOS、MC系列逻辑芯片,d. 应用极限: 时钟频率 12MHz 外部ROM 64K 外部RAM+I/O 64K (可超过此限制) 负载能力 4/8 个TTL负载 (1TTL=8CMOS) I/O口线 14/32 中断源 5/6 通讯波特率 62.5K bps (12MHz) 堆栈深度 128B I/O端口数 64K,51单片机的几个应用技巧:,大容量RAM扩展(用I/O口模拟高位地址线分页寻址);构造2个数据地址指针DPTR (利用P2锁存器和Ri);用T0/T1作为外部中断源;用ROM作为RAM使用(存储字库,表格等);利用VPD引脚保护RAM区数据(外加电池);引脚XTAL2,ALE可做系统其他电路时钟或脉冲源(ALE信号不够准确);,2. ATMEL 系列(美国Atmel公司),a. 51内核,基本型与8031引脚和指令全兼容 b. 主要区别:增加片内Flash 型ROM, 因此: 简化硬件设计,适应低功耗要求; 可加密; 扩大可用I/O资源数,通常不必再扩展 c. 子型号: 89C1051/2051 20脚,适合嵌入式应用 89C51/52 40脚,4/8K 片内ROM 89C55/58 40脚,16/32K 片内ROM Fmax=24MHz 电源2.7-7V , 功耗20mA 此系列产品彻底淘汰8751芯片,d. 适用场合,直接替代8031,8051等;嵌入式控制器(如足球机器人);多CPU系统中的从机(通讯网络分站);便携式仪表. 设计要点: 避免使用外部并行器件(RAM或I/O); 根据软件规模选择子型号; 全部32条I/O线可任意使用,但P0口需外接上拉电阻; 若需使用A/D,D/A器件,应考虑串行接口方式; 最小系统:单片机+晶体+复位电路,f. 89C2051子型号展开说明,2051可考虑的用途：,测速（汽车、摩托车、自行车等）超表（手持仪器，便携式）报警器（独立应用或联网应用）独立式能量表（水、电、煤气）嵌入式家电控制器（空调、热水器、窗帘）保安系统终端电子设备人机接口复杂设备某独立硬件环节（键盘、通讯）,2051设计应用举例 例1：多路温度巡检仪,例1提示：,LCD显示：串行静态驱动，软件简单，功耗低动态定时扫描键盘：节省硬件开销V/F型A/D转换：少占I/O口资源存储器：I2C接口方式，非易失型模拟开关：多路复放大器和A/D，效率高思考：分析这个装置怎样工作，考虑编程思路,例2. 步进电机控制器(步距角,相,拍),例3. 程控恒流源,意义:标准信号源,热电阻激励,电池充电等指标:0-20mA, 精度: 0.1%,3.PIC系列 （美国Microchip公司）, 主要特点：运行快（约快4倍） 工作电压低 2.5-5V 低功耗 典型电流2mA/15A 精简指令集 (33-58条) 可有小封装 (8P)优势:适合于便携式设备,电池供电 超小型设备,如单一功能的产品可考虑使用8引脚器件., 简要分类:,低档: PIC12C5xx 8P 12位 512/1024B ROM 33条指令中档: PIC16Cxx 18/28P 14位 2K ROM 35条指令高档: PIC17Cxx 40/64P 16位 8K ROM 58条指令 功能情况互有穿插,请参考: PIC单片机 电子工业出版社 俞光均等编著, 代表性产品 PIC 12C508/9,引脚定义,b. 功能特点(没有中断源),哈佛结构,内部数据总线8,指令总线12,分离式单字节单周期指令,典型1S 二级堆栈(2字节)三种寻址方式(直接,间接,相对)8位定时/计数器,Timer0大驱动能力:拉电流25 mA,灌电流20mA内置看门狗程序可加密EPROM 512B*12,RAM25*8, 6条I/O线,c. 存储器配置和堆栈,d. 数据寄存器(专用7个,通用25个),关于PC的操作,与指令有关,PCL提供低8位,e.I/O口 用“TRIS”来定义: “1”为高阻输入 “0”为输出 可位操作f. 8位定时/计数器 用不可寻址的“OPTION”来控制:外脉冲,计数; 指令周期,定时 计数脉冲有效沿可定义为0/1触发. 0 FF 0 FF 无中断,无始终,g.内置看门狗,内置自振式RC计数器,无外接元件,自主运行. 溢出周期18mS, 也可用预分频器使之展宽,最大2.5S. 用指令CLRWDT执行喂狗操作.h. 振荡电路(4种),i. 复位(Reset),4种复位源:上电(片内复位电路); MCLR端加低电平(外复位); WDT溢出; I/O口电平变化唤醒SLEEP下的CPUj. 系统定义字(12位),特殊空间,不可访问,k. 指令概说(共33条),*字节操作精简指令的含义:以12位指令同时包含操作码和操作数,单字节解决问题.例如数据传送指令MOVWF f 表示 W fF为一个寄存器地址,指令代码为:0000 001f ffff (其中d=1)具体如: MOVWF 8 表示 W 08H,再如加法:ADDWF f,d 表示 W+f d 指令代码为:0001 11df ffff,运算内容:W+f ,结果存入:f (d=1); W(d=0)事例 ADDWF 9,0 F9+W W*位操作,* 常数操作,指令功能包括:算术运算(加,减,与,或,异或,加1,减1, 移位,交换) 传送 (W,f,d 之间) 位操作 (清零,置位,测试转移) 其他(控制,调子程序,返回),l.应用举例,灯光亮度调节器(带自动/手动功能),* 家庭安防报警器（GP3只能输入）,m.仿真开发及烧录,PIC MATE 仿真系统子型号： PROBE 5X+烧录器： SUPERPRO L+（多种烧录器都可支持，只要安装驱动软件即可）,4. Motorola 系列,主要特点: 采用锁相环技术,外32K,内32M,降噪声抗干扰; 片上Flash型ROM; 指令功能强,16位堆栈指针,支持C语言编程; 仿真器不通用;代表性子系列: MC68HC08(99年) 子型号举例:MC68HC908GP32命名规则:MC 正规合格产品 68 Motorola 产品标识 HC 高速CMOS工艺 GP 通用PC类,a. CPU08 特色:,4KB ROM/RAM 8MHz 内部总线频率 16位变址寄存器 16位堆栈指针 数据传送不依赖累加器 直接支持8位乘法,16位除法 有DMA控制器(直接存储器访问),b. GP32新特性(40P),32KB 片内flash 512B 片内RAM 8MHz 内总线频率(32M内部时钟,1T=4t) 2个16位C/T,支持输入/输出捕获、PWM 8路8位A/D 31条I/O线, 驱动能力10mA 内置看门狗 锁相环电路 SCI,SPI接口 封装: DIP40、TQFP44(表面式),c.引脚布局,d. GP32的存储器配置,64K范围(包括I/O口,RAM,ROM)分12个区域,其中某些不连续的空间并不存在0000H-003FH 64B I/O寄存器地址0040H-023FH 512B片内随机RAM和堆栈8000H-FDFFH 32K Flash区,ROMFE00H-FE0CH 13B I/O 寄存器区,属SFRFE20H-FF52H 307B 监控ROM 其他区域在物理上不存在,e. 中断与复位,18种中断源,入口矢量在FFFEH-FFDCH复位效果: 停止执行当前指令 初始化控制和状态位 地址FFFEH-FFFFH用户定义的入口 PC 选择CGMXCLK=总线时钟/4复位源: 外部:/RST引脚出现负脉冲 内部:上电、看门狗、非法操作码、非法地址,f. MC68HC08指令概况,一般背景情况与51类似: 指令分类 8 寻址方式 7 指令格式 标准5段式 伪指令 符合常规(如EQU,ORG,END等)指令简介: 传送类 LDA #$80 地址80 A STA PORTA A A口 运算类 ADD 操作数 A+操作数 A 调子程序和返回 BSR / RTS,指令小结,Motorola 单片机的汇编指令比51复杂,功能略强;部分指令助记符相似或可理解;有些是特殊的,例如返回指令RTS(通常是用RET)对于复杂程序任务,可采用C语言编程,但是若采用汇编语言,就必须熟悉它的全部指令系统,这是比较费时间的.,5.CYGNAL系列(美国Cygnal公司),要点: 51内核 片内Flash (可多达64K) 片内RAM 4K 8路12位A/D,2路12位D/A 8个(4个)8位I/O口 双串行口 I2C、SPI、SCI接口 2.7-3.6V供电 最高25MHz主频 100/64引脚封装 交叉开关(Cross Bar)和Jtag 接口 支持C51编程,原文引摘1,ANALOG PERIPHERALS - SAR ADC 12-Bit (C8051F000/1/2, C8051F005/6/7) 10-bit (C8051F010/1/2, C8051F015/6/7) 1LSB INL Programmable Throughput up to 100ksps Up to 8 External Inputs; Programmable as Single- Ended or Differential Programmable Amplifier Gain: 16, 8, 4, 2, 1, 0.5 Data Dependent Windowed Interrupt Generator Built-in Temperature Sensor ( 3C) - Two 12-bit DACs - Two Analog Comparators 16 Programmable Hysteresis Values Configurable to Generate Interrupts or Reset - Voltage Reference 2.4V; 15 ppm/C Available on External Pin - Precision VDD Monitor/Brown-out Detector,原文引摘2,HIGH SPEED 8051 C CORE - Pipelined Instruction Architecture; Executes 70% of Instruction Set in 1 or 2 System Clocks - Up to 25MIPS Throughput with 25MHz Clock - 21 Vectored Interrupt Sources MEMORY - 256 Bytes Internal Data RAM (F000/01/02/10/11/12) - 2304 Bytes Internal Data RAM (F005/06/07/15/16/17) - 32k Bytes FLASH; In-System Programmable in 512 byte Sectors DIGITAL PERIPHERALS - 4 Byte-Wide Port I/O; All are 5V tolerant - Hardware SMBusTM (I2CTM Compatible), SPITM, and UART Serial Ports Available Concurrently - Programmable 16-bit Counter/Timer Array with 5 Capture/Compare Modules - 4 General Purpose 16-bit Counter/Timers - Dedicated Watch-Dog Timer - Bi-directional Reset,应用潜力,控制应用,高速采样和高精度数字量输出; (广义上,其A/D资源也可以做开关量输入检测)b. 多开关量I/O; 如报警输入,能量表脉冲信号采集,逻辑控制等c. 通讯中间环节,可设计上下游独立的通讯接口;d. 片内存储器资源丰富,不必扩展,系统结构紧凑;e. 装置小型化.,C8051F020功能框图,引脚图1(100P),引脚图2(64P), 串行外设接口说明,SCI(Serial Communication Interface)异步 通用UART,51内核所具有,本产品有2个b. I2C(Instrument Inter- Connection)同步 它是菲力浦公司推出的2线制通讯总线标准 应用场合:在一个或几个单片机和若干外围器件之间传送短数据. SPI(Serial Peripheral Interface)同步 4线制串行外设接口,各种接口的展开说明,*UART 通用异步收发器,主要应用于异地数据交换 常用概念: 同步/异步方式; 串行帧; 通讯距离和波特率; 通讯方式(如51单片机中的4种); 传输介质; 负载能力; 侦错方式; 控制协议.,* I2C总线,它是一种仪表内互连的多主机总线,近距离,同步方式. 2线制: SDA 数据线 Serial Data SCL 时钟 Serial Clock总线定义：总线不忙 SCL=SDA=“1” 开始传送数据 SCL=“1”, SDA 停止传送 SCL=“1”, SDA 归纳: SCL 为“1”期间, SDA变化指示“启停” 为“0”期间,SDA变化表示数据状态 SCL=1期间,SDA稳定,表示数据有效; SCL=0期间,SDA必须改变,每位一个CLK时钟,应用举例:单片机89C2051连接24C04,24C04是一种512字节的非易失存储器,典型的I2C总线结构.89C2051本身不具有I2C标准接口,可以用I/O线来进行模拟.只要按照接口时序编写程序,就能够实现对24C04的操作.连接示意图如下:,操作概说,串行存储器读写速度相对较慢,例如24C04器件,有100K和400K两种操作频率,比之并行传送要慢许多,因此使用中必须考虑读写速度问题.如果用I/O口模拟I2C总线,则汇编级通用子程序模块大约为1K字节长.对于带有I2C总线接口的单片机(如C8051F020),则应有对应的专用寄存器,软件操作将十分简单.,* SPI 同步串行外设接口,4线制: MOSI 主出从入 高位在前 MISO 主入从出 MSCK 时钟 (由主机控制) /MSS 从设备芯片选择当单片机使用SPI接口时,分为两种情况: 作为主设备, 不使用/MSS,另需一条I/O线选择从设备的/MSS,比如连接串行EEPROM. 作为从设备,其/MSS由主设备控制,比如连接PC机.应用场合:用3-4条I/O线扩展存储器、A/D、复杂LCD显示器等。,应用举例：单片机89C51连接X25045,*USB（Universal Serial Bus）通用串行总线接口,USB的物理连接是一种分层的星型结构每个星型结构的中心是集线器（HUB）PC机是主机和根HUB，下面可以是外设节点或下层HUB，最多支持5层HUB和127个外设节点。物理接口 4线制： D+ D- 差分信号 VBUS GND 5V电源（500mA） 传输率：高速 12Mbps 屏蔽线5m 低速 1.5Mbps 可非屏蔽, =106db 内部结构及用法见前页图,L. 供电方法,A. 双电源对称供电 5V 15VB.双电源非对称供电C.单电源供电: V=5-30V,M.使用放大器应注意的主要问题,A. 供电制度B. 输出饱和问题C. 泄放回路D. 前级的箝位保护E. 测量放大器的参数对称性及调整F. 周边电阻参数的选取(除比值外还考虑功耗)G. 多级放大器的增益分配(高共模抑制者增益大)H. 设计PCB板时注意屏蔽和设置去耦电容,N. 设计举例,例1 将0-200mV的电压信号放大到0-5V解:要求放大倍数为25倍,设计图如下:,例2. 输入信号0-10mV,要求输出0-10V,解: 这是小信号放大问题,应采用测量放大器,图略. 增益要求为1000倍,两级放大器的增益分配可选择为100*10. 请同学们自行做出设计图并确定电阻参数.,例3. 设计 1.250V 基准电压源,题目说明:在仪表系统中常需要各种等级的电压源,可利用放大器自行制备.见下图:,例4.程控放大器(可变增益放大器),用途: A. 宽范围参数测量时自动换挡; B. 信号幅值低时不损失分辨率.方法: 将与增益有关的电阻支路设计成可选择的电阻网络(通常是利用反馈电阻的改变实现).,例5.零点迁移,问题的引出:用PN结进行温度测量.PN结的温度-信号特性为 -2mV/ ,且 Vi(T=0)= 700mV.特性曲线如下:,分析:为什么要进行零点迁移,1.如果要测量的温度范围为0-100 ,则由PN结特性可知信号范围是:500mV-700mV.动态范围是 200mV.2.这个信号幅度需要进行放大,但由于起点不是0,所以放大后的信号中有无效部分.3.这样的结果是:后续电路的A/D转换数据中只有一小部分有意义,白白浪费了A/D转换的分辨率.4.降低了测量的速率.5.系统校零不方便.,*用差动放大器电路来进行零点迁移,在本例中,信号迁移量是500mV.电路如下:,另例:半导体点温计AD590的设计,AD590介绍: 三端测温元件. 输出特性为: 1 A/K 其中K为绝对温度,零点迁移电路设计如下图,可测量环境温度,可作为热电偶的冷端温度补偿,例6.量程的自动转换,一般要求: 高测量速度,快速选择适当的量程档位; 确定性,不能在两档位间来回反跳; 安全性,要有过载保护.,*衰减器,在输入端,当K1打A处时: VA=Vi100K / (9.9M+100K) = Vi /100 即输入信号衰减100倍. 当K1打在B处时,无衰减作用.* 增益调整 若K2打在D处,则有: VD=Vi R5 / R6=Vi (1+R5/R6). A=1+R5/R6=1+9/1=10(倍),若K2打在C处,这是电压跟随器,增益=1.*输出衰减 若K3打在向下位置,则输出衰减10倍.,5. A/D转换接口技术及应用方法,5.1 基本概念和主要性能指标 常用的A/D转换器特点如下: 逐次比较式 双积分式 电