智能仪器作业

数据采集与智能仪器课程考核（大作业）武汉理工大学信息学院参考书 赵茂泰 智能仪器原理及应用（第三版） 电子工业出版社 程德福 智能仪器（第二版）机械工业出版社第1章 概述 本章要求掌握的内容：智能仪器分类、基本结构及特点、智能仪器设计的要点考试题（10分）智能仪器设计时采用CPLD/FPGA有哪些优点？第2章 数据采集技术 本章要求掌握的内容：数据采集系统的组成结构、模拟信号调理、A/D转换技术、高速数据采集与传输、D/A转换技术、数据采集系统设计考试题（30分）1、设计一个MCS-51单片机控制的程控增益放大器的接口电路。已知输入信号小于10mv,要求当输入信号小于1mv时，增益为1000，而输入信号每增加1mv时，其增益自动减少一倍，直到100mv为止。（15分）评分标准：正确设计硬件电路图（5分）；正确编写控制程序（5分）；完成仿真调试，实现基本功能（5分）；2、运用双口RAM或FIFO存储器对教材中图2-22所示的高速数据采集系统进行改造，画出采集系统电路原理图，简述其工作过程。（15分）评分标准：正确设计硬件电路图（10分）；正确描述工作过程（5分）第3章 人机接口 本章要求掌握的内容：键盘；LED、LCD、触摸屏考试题（30分） 设计8031单片机与液晶显示模块LCM-512-01A的接口电路，画出接口电路图并编写上下滚动显示XXGCXY(6个大写英文字母)的控制程序（包含程序流程图）。评分标准：正确设计硬件电路图（10分）；正确画出程序流程图（5分）；正确编写控制程序（5分）；完成仿真调试（10分）第4章 数据通信本章要求掌握的内容：RS232C、RS485串行总线，USB通用串行总线，PTR2000无线数据传输。考试题（30分）设计PC机与MCS-51单片机的RS232C数据通信接口电路（单片机端含8位LED显示），编写从PC机键盘输入数字，在单片机的6位LED上左右滚动显示的通信与显示程序。评分标准：正确设计硬件电路图（5分）；正确画出程序流程图（5分）；正确编写单片机通信程序（5分）；在开发系统上运行，实现基本功能（10分）；制作实物,实现基本功能，效果良好（5分）。第一章：概述考试题智能仪器设计时采用CPLD/FPGA有哪些优点?FPGA/CPLD芯片都是特殊的ASIC芯片，他们除了ASIC的特点之外，还有以下优点：（1）随着VLSI工艺的不断提高，FPGA/CPLD的规模也越来越大，所能实现的功能越来越强可以实现系统集成；（2）FPGA/CPLD的资金投入小，研制开发费用低；（3）FPGA/CPLD可反复的编程、擦除、使用或者在外围电路不动的情况下用不同的EPROM就可实现不同的功能；（4）FPGA/CPLD芯片电路的实际周期短；（5）FPGA/CPLD软件易学易用，可以使设计人员更能集中精力进行电路设计。FPGA/CPLD适合于正向设计，对知识产权保护有利。第二章：数据采集技术考试题（30分）1、设计一个MCS-51单片机控制的程控增益放大器的接口电路。已知输入信号小于10mv,要求当输入信号小于1mv时，增益为1000，而输入信号每增加1mv时，其增益自动减少一倍，直到100mv为止。（15分）评分标准：正确设计硬件电路图（5分）；正确编写控制程序（5分）；完成仿真调试，实现基本功能（5分）；1 硬件电路图图2.1 增益放大器的硬件电路图如图：在仿真时，将输入的模拟量经AD芯片转换为数字量，经51单片机进行放大后，再将输出的数字量经DA芯片转换为模拟量，用电压表显示出来。2 程序流程图图2.2 增益放大器的程序流程图3 程序#include #include absacc.h#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define DAC0832_PORT XBYTE0X7FFFuchar addata;sbit CLK = P34;sbit SA = P30;sbit EOC = P31;sbit OE = P37;/片选及读写数据位保持延迟void delay() uchar i=200;while(i-);void main()/定时TMOD=0x02;TH0=0x01;TL0=0x00;IE=0x82;TR0=1;/对输入的每个点进行采集并输出while(1)/启动AD芯片进行转换SA=0;SA=1;SA=0;while (!EOC);/如果转换未结束继续执行OE=1;addata=P1;OE=0;P0=addata;delay();/对输入进行放大if (addata=25&addata=50&addata=75&addata=100) DAC0832_PORT=addata;/中断void Timer0_INT() interrupt 1CLK=!CLK;利用公式，即可输出增益为1000倍；当*5时，即为增加1mv时的输出增益，以此类推。4 仿真结果当输入信号小于1mv时：图2.3 小于1mv时的输入与输出输入为3.3mv时，输出为0.37V，增益为112，即输入增加2mv，增益缩小两倍，误差为10.4%。图2.7 输入增加3mv时的输入与输出输入为4.3mv时，输出为0.43V，增益为100，即输入增加3mv，增益误差较大，并不是缩小三倍，误差为60%。2、运用双口RAM或FIFO存储器对教材中图2-22所示的高速数据采集系统进行改造，画出采集系统电路原理图，简述其工作过程。（15分）评分标准：正确设计硬件电路图（10分）；正确描述工作过程（5分）；1 硬件电路图图2.8 采集系统电路图图2.9 采集系统仿真图 如图：当数据进入AD芯片进行模数转换之后，输出的数字信号经过IDT7206存储器之后进行缓冲，然后缓冲之后的数据进入单片机读入数据。2工作过程 IDT7206是IDT公司容量为16K9的且引脚功能完全兼容的串行FIFO双端口RAM单向的FIFO双端口存储器。因为是一个FIFO(先入先出)存储器,所以没有绝对地址的概念,只有读指针和写指针的相对位置。当相对位置为0时,表明存储器空;为所用的存储器的容量时,表明存储器已满。AD7677为ADI 公司研制的16位、1MSPS的高速A/ D转换器。采集系统的原理图如上图所示。用一片AD7677和两片IDT7206构成了一个16位的、最高采样频率可达1MHz、每组最大采样点数为16K的数据采集系统。若要增加采集样本长度,只需要换IDT7206即可,其硬件的连接方式基本不变。 在此系统中单片机的作用只是控制何时采样,以及采样完成后对采样数据的处理,在采样过程中,单片机无须任何干预。至于一次采集多少次,可以由硬件决定,也可以有软件控制。在中断中,单片机首先关闭采样脉冲信号(使P1. 1输出为0) ,然后把每一点数据分两次分别从IDT7206(存低位)和IDT7206(存高位)读出,进行处理。每组数据的数量应该由程序计数判断,当然也可以利用IDT7206的EF标志进行查询判断。在进行第二组数据的采集前,最好将IDT7206先复位,通过在IDT7206的RS引脚输入一个低脉冲,即在8031的P1. 0引脚输出一个低脉冲。这样可以更充分地保证FIFORAM的读、写指针的稳定。第三章：人机接口考试题（30分）1、设计8031单片机与液晶显示模块LCM-512-01A的接口电路，画出接口电路图并编写上下滚动显示XXGCXY(6个大写英文字母)的控制程序（包含程序流程图）。评分标准：正确设计硬件电路图（10分）；正确画出程序流程图（5分）；正确编写控制程序（5分）；完成仿真调试（10分）方案一：上下滚动同样的字母：1 接口电路图图3.1 人机接口电路图2 程序流程图Y图3.2 采集系统电路流程图3 程序#includetypedef unsigned char uint8;typedef unsigned int uint16;sbit RS=P07;sbit RW=P06;sbit EN=P05;sbit BUSY=P27;unsigned char code word1=XXGCXY;/显示第一行字符unsigned char code word2=XXGCXY;/显示第二行字符/延时子程序void delay() uint16 i,j;for(i=0;i200;i+)for(j=0;j200;j+);/忙等待void wait()P2=0xff;doRS=0;RW=1;EN=0;EN=1;while(BUSY=1);EN=0;/写一个字符void w_dat(uint8 dat)wait();EN=0;P2=dat;RS=1;RW=0;EN=1;EN=0;/写命令void w_cmd(uint8 cmd)wait();EN=0;P2=cmd;RS=0;RW=0;EN=1;EN=0;/初始化LCDvoid Init_LCD1602() w_cmd(0x38);w_cmd(0x0f);w_cmd(0x06);w_cmd(0x01);/写一个字符串void w_string(uint8 addr_start, uint8 *p)w_cmd(addr_start);while (*p != 0)w_dat(*p+); delay();/在LCD上显示main() Init_LCD1602();while(1) w_string(0x80,word1);/在第一行显示字符串w_cmd(0x01);w_string(0xc0,word2);/在第二行显示字符串w_cmd(0x01);4仿真结果图3.3 单片机显示第一行字符串图3.4 单片机显示第二行字符串方案二：上下两排字母不一样，左右滚动1接口电路图图3.5 接口电路图2程序流程图图3.6 程序流程图3程序#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit rs=P35;sbit wr=P36;sbit lcden=P34;sbit dula=P26;sbit wela=P27;uchar table1= XXGCXY ;uchar table2= li xin ;/延时子程序void delay(uint x)uint a,b;for(a=x;a0;a-)for(b=10;b0;b-); /延时子程序void delay1(uint x)uint a,b;for(a=x;a0;a-)for(b=100;b0;b-); /写指令void write_com(uchar com)P0=com;wr=0;rs=0;lcden=0;delay(10);lcden=1;delay(10);lcden=0;/写入一个字符void write_date(uchar date)P0=date;wr=0;rs=1;lcden=0;delay(10);lcden=1;delay(10);lcden=0;/显示字符串void init()dula=0;wela=0;write_com(0x38); /显示模式设置：16*2显示，5*7点阵，8位数据接口delay(20);write_com(0x0c); /显示模式设置delay(20);write_com(0x06); /显示模式设置：增量，字符不够delay(20);write_com(0x01); /清屏幕，将以前的显示内容清除delay(20);/令字符串左右移动void main()uchar a;init();write_com(0x80+19); /将第一个字符写在向右偏移17个字符处，为后面的从右向左划入做准备delay(20);for(a=0;a13;a+)write_date(table1a);delay(20);write_com(0xc0+19);delay(50);for(a=0;a15;a+)write_date(table2a);delay(40);for(a=0;a14;a+) /14write_com(0x18); /左移delay1(600);while(1)for(a=0;a5;a+)write_com(0x18); /左移delay1(600);delay1(1500);for(a=0;a5;a+)write_com(0x1C); /右移delay1(600);delay1(1500);4仿真结果图3.7 仿真显示字符串第四章：数据通信考试题（30分）设计PC机与MCS-51单片机的RS232C数据通信接口电路（单片机端含8位LED显示），编写从PC机键盘输入数字，在单片机的6位LED上左右滚动显示的通信与显示程序。评分标准：正确设计硬件电路图（5分）；正确画出程序流程图（5分）；正确编写单片机通信程序（5分）；在开发系统上运行，实现基本功能（10分）；制作实物,实现基本功能，效果良好（5分）。1 硬件设计电路：图4.1 通信接口电路图如图：串口的输入经单片机后，反馈到了数码管和LED灯上面，当输入个位数后，两者上面均输出数值；当输入两位数时，LED上面8个灯经BCD码显示出来。2 程序流程图图4.2 通信接口程序流程图3 程序#include #define uchar unsigned char #define uint unsigned intuchar buf;uchar seg,flag;unsigned char code table=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d, 0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71; /0-F的码表void delay(uint x)uint a,b;for(a=x;a0;a-)for(b=10;b0;b-); void senddata(uchar dat) SBUF =dat; while(!TI); TI = 0; delay(100);void main(void) SCON=0x50; /设定串口工作方式 PCON=0x80; /波特率不倍增 TMOD=0x20; /定时器1工作于8位自动重载模式, 用于产生波特率 EA=1; ES = 1; /允许串口中断 TL1=0xf4; TH1=0xf4; TR1=1;delay(100);seg=0xfe; while(1)P1=buf;P0=tablebuf;seg=(seg1)+1;flag+;if(flag=6)flag=0;seg=0xfe;P2=seg;delay(1000);/串行中断服务函数void serial() interrupt 4 ES = 0; /关闭串行中断 RI = 0; /清除串行接受标志位 buf = SBUF; /从串口缓冲区取得数据 senddata(buf); ES = 1; /允许串口中断在编写程序时，会发现需要设置中断，可利用stc-isp进行波特率数据转换计算，如图4.3所示。图4.3 波特率计算程序4 仿真结果在设计好电路图后，就是如何在仿真中看到现象的问题了在Configure Virt