多路信号采集板卡硬件电路设计

1、南昌航空大学学士学位论文多路信号采集板卡硬件电路设计1 绪论1.1 课题的背景现代工业控制、自动检测技术及信号处理中数据是指现场采集来的电压、电流、压力、流量、液位、温度和角度等信号，此外还包括一些开关量信号。在微型计算机应用于智能化仪器仪表、信号处理和工业自动化等过程中，都存在着模拟量的测量与控制问题，即将温度、压力、流量、位移及角度等模拟量转变为数字信号，再收集到微型机上进一步予以显示、处理、记录和传输，这个过程即称“数据采集”，相应的系统即为微机数据采集系统。数据采集系统一般由信号调理电路，多路切换电路，采样保持电路，A/D，单片机组成。随着计算机技术的飞速发展和普及，数据采集系统在多个

2、领域有着广泛的应用。它是计算机与外部物理世界连接的桥梁。它在现代信息领域发挥着重要作用，是信息产品不可或缺的重要组成部分。因此选择基于单片机数据采集系统设计是很有意义也是很有必要的。 在计算机广泛应用的今天，数据采集的重要性是十分显著的。它是计算机与外部物理世界连接的桥梁。各种类型信号采集的难易程度差别很大。实际采集时，噪声也可能带来一些麻烦。数据采集时，有一些基本原理要注意，还有更多的实际的问题要解决。在日常的工程设备检测过程中，如果采用传统的面板表显示，不仅占用设备多、实时性差，而且测量过程也十分繁琐，效率十分低下。而近年来，随着控制技术、微电子技术、通信技术和计算机技术的高速发展，不仅促

3、进了工程检测技术和仪器本身的变革，而且使它们增加了很多新的生长点。检测系统与通信及计算机系统的结合，仪器和测试系统软硬件平台结构的新变化，都正在改变着测试和仪器的面貌。就新出现的虚拟仪器系统而言，它将计算机资源(处理器、存储器、显示器等)和仪器硬件插件卡(信号调理、定时、A/D、变换器、高速缓存、数字输入输出电路等)以及用于数据采集、通讯、系统仿真、数据分析以及图形用户界面的应用软件有效结合起来，用户不必了解电子线路及系统软件的细节，只要应用虚拟仪器系统提供的“用户软件接口”和“用户硬件接口”，再经过简单的二次开发，就可在较短的周期内开发出适用不同测控对象需要的仪器。无疑这种新型测试仪不仅智能

4、化程度高，且易于更新升级，灵活性强，但是对测试技术和测试设备要求的提高，无疑使测试成本也大幅增长。显然，对于一般设备检测来讲，大可不必付出这样的耗费。考虑单片机的特性，由于它可以提供A/D 输入通道，因此非常适用于模拟量 (温度、压力、流量)输入采样系统，而其超微型化的特点，无可比拟的价格性能比，无疑为仪器仪表的智能化提供了可能。基于此情况，本课题拟在设计一种多路信号采集设备，这点与时下国际流行的“测试集成”思想不谋而合，因此它不仅是单片机在智能仪器仪表领域应用的又一实现，且因其功能完善与总体价格的优越性又使它具有实用价值。在工业现场，我们会安装很多的各种类型的传感器，如压力的温度的流量的声音

5、的电参数的等等，受现场环境的限制传感器信号如压力传感器输出的电压或者电流信号不能远传或者因为传感器太多布线复杂，我们就会选用分布式或者远程的采集卡（模块）在现场把信号较高精度地转换成数字量，然后通过各种远传通信技术（如485、232、以太网、各种无线网络）把数据传到计算机或者其他控制器中进行处理。这种也算作数据采集卡的一种，只是它对环境的适应能力更强，可以应对各种恶劣的工业环境。如果是在比较好的现场或者实验室，如学校的实验室，就可以使用USB/PCI这种采集卡。和常见的内置采集卡不同，外置数据采集卡一般采用USB接口和1394接口，因此，外置数据采集卡主要指USB采集卡和1394采集卡，T51

6、0-数据采集卡。1.2 数据采集卡的发展及研究现状数据采集(DAQ)，是指从传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自动采非电量或者电量信号,送到上位机中进行分析,处理。数据采集系统是结合基于计算机或者其他专用测试平台的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系统。 数据采集卡，即实现数据采集(DAQ)功能的计算机扩展卡，可以通过USB、PXI、PCI、PCI Express、火线(1394)、PCMCIA、ISA、Compact Flash、485、232、以太网、各种无线网络等总线接入个人计算机。早在五十年代末期，就出现了一种集中式的半自动数据采集系统，其主要的功能是对测量结果进行统

7、计、处理和间接测量的计算等等。到了六十年代末和七十年代初，随着检测技术和计算机的进一步结合，出现了所谓第一代计算机检测系统，即采用计算机的数据采集系统、数据自动分析系统和综合自动检测系统。这些系统的检测过程主要通过模拟/数字(A/D )转换器，把检测仪表与计算机连接在一起，组成以小型机为基础的数据采集系统。其特点是检测过程可以对数据进行处理并将结果贮存、显示、打印或生成报表。到了七十年代中期，又产生了第二代计算机自动检测系统。由于通用标准接口总线(IEEE-488,RS-232C等)的出现，解决了仪器仪表相互之间和仪器仪表同计算机之间的连接问题，这样就形成了以计算机为核心，有多台可程控的仪表按

8、积木方式组合成成套装置。这种检测系统占领了仪器仪表市场，而且还在不断的完善和发展。微型计算机的诞生，使测试技术发生了深刻的变革，目前正在发展的以微处理器为基础的智能仪表和检测系统是属于第三代计算机自动检测系统。这种智能化检测系统的突出特点是把微处理器和仪表结合在一起并构成一个整体，其特点是许多仪表中的硬件功能可以由软件代替，这样不仅使系统大大简化，降低成本、减小体积和重量及提高系统的可靠性，而且由于软件编程工作具有很大的灵活性，因此可以使系统的功能大大增强。通过微型计算机可以对电压、电流、压力、温度等物理量进行直接采样和计算，经过计算处理后，能立即得出试验设备的各种参数和性能，从而大大减轻了劳

9、动强度，使劳动生产率得到成倍增长，测试数据和计算结果能自动打印，克服和消除了人为因素造成的误差，最终使系统的可靠性和测试精度及测试效率大大提高。而且这种智能化仪表一般都具有与计算机相连接的标准接口，作为一台智能控制仪表单元接入系统，从而可以组成功能更强、规模更大的自动检测系统，通过软件编程将各种数据处理技术应用于检测系统中，使系统精确度提高。除此之外，还可以采用程控人机对话功能、故障诊断功能、记录显示功能、量程切换功能和结果判断功能，使检测系统的自动化水平及智能化程度大大提高。 随着计算机技术的飞速发展和普及，数据采集系统也迅速地得到应用。在生产过程中，应用这一系统可对生产现场的工艺参数进行采

10、集，监视和记录，为提高产品质量，降低成本提供信息和手段。在科学研究中，应用数据采集系统可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。总之，不论在哪个应用领域中，数据采集与处理越及时，工作效率就越高，取得的经济效益也越高。数据采集卡，绝大多数集中在采集模拟量、数字量、热电阻、热电偶，其中热电阻可以认为是非电量（其实本质上还是要用电流驱动来采集）其中模拟量采集卡和数字量采集卡用得是最广泛的。现在市场上有一种二合一采集卡，二合一，指的是数字模拟采集卡，AV+DV采集卡，数字、模拟二合一，数字输入输出，模拟接口输入(DV/AV/S-video)。最后虽然说是采集卡

11、，但实际应用中经常需要它输出控制信号。采集卡广泛应用于安防监控、教育课件录制、大屏拼接、多媒体录播录像、会议录制、虚拟演播室、虚拟现实、安检X光机、雷达图像信号、VDR纪录仪、医疗X光机、CT机、胃肠机、阴道镜、工业检测、智能交通、医学影像、工业监控、仪器仪表、机器视觉等领域。2 信号采集板卡总体方案设计2.1 系统设计的基本原则1）确保性能指标的完全实现系统设计的根本依据是所达到的性能指标，它必须首先得到保证，如采样速率、系统分辨率、系统精度等等。要保证系统性能指标，主要应考虑输入信号的特性，如输入信号的通道数、是模拟量还是数字量、信号的强弱及动态范围、信号的输入方式（单端输入还是差动输入，

12、单极性还是双极性，信号源接地还是浮地等）、是周期信号还是瞬态信号、信号的频带宽度、信号中的噪声及其共模电压大小、信号源的阻抗等。2）系统的结构合理选择系统结构的合理与否，对系统的可靠性、性价比等有直接影响。首先是硬件软件功能的合理分配。原则上要尽可能“以软代硬”，只要软件能做到的就不要用硬件。其次要考虑系统的布局以及接口性。接口特性包括采用什么样的总线、采样数据的输出形式（串行还是并行）、数据的编码格式等。3）对于较大型的应用软件，应参考软件工程学的方法进行设计。软件工程是建立在科学基础上的一整套开发方法，它强调结构化分析、结构化设计和结构化编程。按着软件工程学的方法进行设计，可以保证有较高的

13、软件开发效率，保证所开发的软件有较长的生存周期，才能取得较高的经济效益。4）安全可靠，有足够的抗干扰能力。要保证在规定的工作环境下，系统能稳定、可靠的工作，保证系统精度能符合要求，同时也要保证系统应用人员的人身安全。这方面要充分利用各种标准，尽可能按法律法规办事。这里要指出，标准仪器的总线为数据采集系统的设计提供了很多方便。这些标准总线已经对系统结构、通行方式及接口、可靠性甚至于机箱结构尺寸等都做了充分的考虑，设计人员需按着标准的规定设计自己要开发的部分即可。2.2 硬件设计的基本原则1）良好的性价比系统硬件设计中，一定要注意在满足性能指标的前提下，尽可能地降低价格，以便得到高的性能价格比，这

14、是硬件设计中优先考虑的一个主要因素。因为系统在设计完成后，主要的成本便集中在硬件方面，当然也成为产品争取市场关键因素之一。2）安全性和可靠性选购设备要考虑环境的温度、湿度、压力、振动、粉尘等要求，以保证在规定的工作环境下，系统性能稳定、工作可靠。要有超量程和过载保护，保证输人、输出通道正常工作。要注意对交流市电以及电火花等的隔离。3）较强抗干扰能力有完善的抗干扰措施，是保证系统精度、工作正常和不产生错误的必要条件。例如强电与弱电之间的隔离措施，对电磁干扰的屏蔽，正确接地、高输人阻抗下的防止漏电等。2.3 系统设计要求在工控系统设计中,通常涉及到多路传感器输出的模拟信号采集、开关量采集、频率量采

15、集、显示输出、模拟信号输出、PWM信号输出、和上位机进行通信的应用。本设计采用Silicon labs公司的C8051F020芯片设计通用的开发板，可以满足上述功能应用。本设计只要求硬件设计，采用功能较强的芯片以简化电路，增强可靠性；冗余设计(考虑以后的扩展及修改)。设计高性能的数据采集系统 ,需要对系统的每一部分都要周密考虑 、精心设计 ,否则难以实现设计目标 。应该首先给出数据采集系统设计中应考虑的问题 ,并针对这些问题 ,从信号源开始到信号的调理、直至多路信号选择、数字化器件及其与微计算机接口,最后到计算机 ,即从数据采集系统始端到末端逐个环节进行问题分析 ,根据分析结果以及经验给出解决

16、问题的实用技术。2.4 系统功能概述本课题正是针对市场的趋势，通过充分运用单片机内部资源，对多种参数测量、显示和传输等进行了研究，设计了一套多路信号采集卡。基于C8051F020单片机的多路信号采集板卡，为信号采集提供了多种功能，以适应可能遇到的不同测试条件。充分利用了C8051F020单片机丰富的硬件资源，使得进一步扩展功能而不改变硬件电路成为了可能，硬件设计包括了单片机接口电路的设计和单片机作用对象的设计，在硬件电路的基础上，高质量的软件可使仪器的性能大为提高，其中包含如：中断控制、定时、显示、码制转换、自动量程转换以及信号的采集、处理、输出等程序。在设计时，软硬件的配比问题得到了重视，较

17、多的使用硬件来完成了一些功能，充分提高了工作速度，减少了软件工作量。整个系统由单片机监控电路、包括电源电路、A/D转换电路、I/O驱动电路、D/A输出电路、串口电路、程序下载电路、键盘电路、液晶显示电路、日历时钟电路、数据存储电路和串口通讯等组成，系统的结构框图如图2.1 所示。本系统执行的过程如下：传感器把采集的非电量信号转换成电压（0-5V）或电流（4-20mA）的标准信号，通过信号放大调理电路把模拟信号送到单片机内部的 A/D 转换器，CPU 根据设定的采样周期，对多路通道信号进行循环采集，并读取 A/D 转换器转换的数字信号，进行分析计算后将实测值送到液晶上指定的位置显示，同时通过键盘

18、控制把有用的数据及采样时间存储在 E2PROM 中，同时PWM输出，D/A输出驱动外部电路，最后通过串行通讯把 E2PROM 中的数据传送到 PC 机。信号放大电路传感器采集的标准信号信号调整电路E2PROM存储键盘电路光电隔离液晶显示数码管显示串行通信时钟电路A/D转换CPU处理PWM输出驱动电路D/A输出PC机信号处理线性隔离开关量信号图2.1 系统功能图2.5 系统主要模块的选择2.5.1 单片机的选型单片机是数据采集器的核心，因此单片机的选型很重要。本系统要求具有高可靠性，防震、防水、防尘、宽范围的工作温度；各种信息的采集与存贮必须准确可靠，不易丢失、破坏。因此选用的单片机应具有集成度

19、高、稳定性可靠性高、抗干扰能力强、控制灵活、易于开发等特点。C8051Fxxx 系列单片机是美国 CYGNAL 集成产品公司最近推出的功能强大的混合信号系统级 (SOC)高速芯片。它共有 4 个子系列： C8051F0xx 系列、C8051F02x 系列、C8051F2xx 系列和 C8051F3xx 系列。本系统选用 C8051F02x 系列的 C805IF020 单片机作为核心部件。C8051F02x 系列单片机是集成在一块芯片上的混合信号系统级单片机。芯片上有 64 位数字 I/O 口（C8051F020/2）或 32 位数字 I/O 口（C8051F021/3）。在本系统中，选择美国

20、CYGNAL 公司新推出的一种兼容 MCS-51 内核的C8051F020 单片机作为整个系统控制的核心控制单元。之所以选择该款单片机，是因为第一、二代单片机芯片构成控制系统时，由于片内存储器品种单一、容量有限，常需要通过外部存储器芯片以及随机读写静态存储器芯片来扩展存储器的容量。此外，为了扩展静态存储器容量，有时还必须增加地址锁存器芯片，用以锁存地址 /数据分时复用引脚的地址信息，失去了使用单片机芯片的意义。另外，由于本系统至少需要 6 个 I/O 端口作为数据通讯的控制接口，而普通单片机一般只有 4 个 I/O 端口，难以满足实际控制要求。因此我们选择了 C8051F020作为整个系统的控

21、制部件，它具有以下特点：1）指令运行速度高由于C8051F020单片机采用流水线机构，废除了机器周期的概念，指令以时钟周期为运行单位，由标准的12个系统时钟周期降到1个时钟周期，处理能力大大提高，一般型号单片机的峰值速度可达到25兆/秒(MIPS)，在相同的时钟下，指令运算速度比一般的80C51系列单片机提高大约10倍。70的指令执行时问为1个或2个系统时钟周期，只有4条指令的执行时间大于4个系统时钟周期。2）I/O端口功能采用软件配置实现多数单片机的FO端口都是某个单功能或多功能的固定输入输出引脚，而在C8051F020单片机中，虽然耽I端口的通用基本输入、输出特性与标准8051是兼容的，但

22、I/O端口的其他特殊功能则是由软件配置实现的，这样极大地提高了端口配置的灵活性。用软件配置的方法是引入了功能选择开关(也称交叉开关)。这是一个数字开关网络，允许将内部数字系统资源分配给端口I/O引脚，这种结构可支持所有的功能组合，可通过设置交叉开关寄存器，将片内的计数器/定时器、串行接口总线等数字信号配置到I/0引脚。用户可以根据需要选择通道和所需的数字资源组合。每个端口引脚都可以被配置为推挽或漏极开路输出，内部“弱上拉”可以通过软件设置禁止，这样可以进一步降低功耗。3）时钟系统更加完美C8051F020单片机可以采用多种时钟源。MCU内部有一个能独立工作的时钟发生器，在复位后被默认为系统时钟

23、，其时钟振荡频率是可编程的，还可同时选择外部时钟源产生的时钟。外部振荡器可以使用晶体、陶瓷谐振器、电容、RC或外部时钟源产生系统时钟，并可实时切换。4）可实现通过JTAG接口的在系统调试C8051F020单片机中配置了片内JTAG接口和调试电路，完全符合IEEEll491标准，可为生产和测试提供完全的边界扫描功能，可以实现对器件所有引脚及相应引线的控制和观察。JTAG接口使8位单片机传统的仿真调试产生质的变化(标准的MCU仿真器要使用在板仿真芯片和目标电缆，还需要在应用板上有MCU的插座，而C8051F020具有片内JTAG和调试电路，通过4脚JTAG接口TCK、TMS、TDI、TDO并使用安

24、装在最终应用系统中的器件就可以进行非侵入式、全速的在系统调试，不需要额外的目标RAM、程序存储器和寄存器)，在PC机软件的支持下，通过片内JTAG接口可直接对安装在最终应用系统上的产品MCU进行非侵入式(不占用片内资源)、实时在系统仿真调试。在调试时，所有的模拟和数字外设都可全功能运行。5）多种复位方式传统的80C51系列单片机通常只有通过RST引脚进行复位这样一种复位方法，而C8051F020提供了多达7个复位源：1个VDD片内监视器、一个看门狗定时器、1个时钟失效监测器、1个由比较器0提供的电压监测器、1个软件强制复位、CNVSTR引脚及/RST引脚。除了VDD监视器和复位输入引脚以外，每

25、个复位源都可以用软件禁止。多复位源提高了系统的安全性、灵活性，并有利于零功耗设计。6）进一步降低了系统功耗C8051F020单片机采用了可降低系统功耗的多种方法，例如，采用3V(电压范围27v-36V)供电，完善的时钟系统可在满足响应速度的要求下，使系统的平均时钟频率最低。由于功耗与电压和频率成正比，因而可方便地降低功耗：多种复位源可使系统在掉电方式下，方便、灵活地重新复位；片上外设都能单个关闭或全部关闭以节省功耗。具有片内 VDD 监视器、看门狗定时器和时钟振荡器的 C8051F020 是真正能独立工作的片上系统。所有模拟和数字外设均可由用户固件使能 /禁止和配置。FLASH 存储器还具有在

26、系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新 8051 固件片内 JTAG 调试电路允许使用安装在最终应用系统上的产品 MCU 进行非侵入式（不占用片内资源）、全速、在系统调试。该调试系统支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、观察点、单步及运行和停机命令。在使用 JTAG 调试时，所有的模拟和数字外设都可全功能运行。每个 MCU 都可在工业温度范围（-45到+85）内用 2.7V-3.6V 的电压工作。端口 I/O、/RST 和 JTAG 引脚都容许 5V 的输入电压信号。由于 C8051F020 的高集成度，避免了外扩 ROM、 RAM、 A/D、 D/A、Watchdog、可

27、编程 I/O 口、E2PROM，简化了硬件电路，为形成以 C8051F020 为核心的单片机系统创造了条件，从而可提高系统的可靠性。可见 C8051F020 单片机片内功能强大，功耗和体积都很小，而且具备灵活的扩展能力，同时由于该芯片采用 TQFP100 贴片封装，所以大大地节省了电路板的面积，采用高速 8051 作为整个系统的微控制器，提升了系统的整体性能。2.5.2 液晶模块的选择作为人机接口重要环节之一的显示器件近年来发展非常快，目前有发光二极管、数码管、平板显示器、阴极射线管(CRT)及液晶显示器系列。液压挖掘机早期使用发光二极管或数码管显示，由于显示信息单调而有被液晶显示器取代的趋势

28、。液晶显示器在仪器仪表中得到广泛应用，它体积小、耗电低、显示信息丰富，随着批量的增大，价格也越来越低。由于本课题所设计的数据采集系统应用在比较广泛，为了使用方便简捷，所以选用了 DMF12864J 单色液晶显示模块，该模块每屏可以显示四行字，若显示更多内容需要翻页显示。2.5.3 时钟芯片的选择在信号采集系统中，特别是长时间无人职守的测控系统中，经常需要记录某些具有特殊意义的数据及其出现的时间。记录及分析这些特殊意义的数据，对测控系统的性能分析及正常运行具有重要的意义。传统的数据记录方式是隔时采样或定时采样，没有具体的时间记录，因此只能记录数据而无法准确记录其出现的时间；若采用单片机计时，一方

29、面需要采用计数器，占用硬件资源，另一方面需要设置中断、查询等，同样耗费单片机的资源，而且某些测控系统可能不允许。而在系统中采用 DS1302 则能很好地解决这个问题。采用 DS1302 作为记录测控系统中的数据记录，其软硬件设计简单，时间记录准确，既避免了连续记录的大工作量，又避免了定时记录的盲目性，给连续长时间的测量、控制系统的正常运行及检查都来了很大的方便，可广泛应用于长时间连续的测控系统中。2.5.4 外扩存储器模块的选择作为信号采集卡需要有许多数据（如时钟显示的时间，电压、电流、机车功率、发动机转速等）是变动的或可以通过正常手段修改的，但不能因系统中的干扰而改写，更不能因停电等事件而丢

30、失。串行 E2PROM 是当前信号采集设计中最合适的器件。不像EPROM芯片，EEPROM不需从计算机中取出即可修改。在一个EEPROM中，当计算机在使用的时候是可频繁地重编程的，EEPROM的寿命是一个很重要的设计考虑参数。EEPROM的一种特殊形式是闪存，其应用通常是个人电脑中的电压来擦写和重编程。本系统选用 Microchip 公司生产的 24LC16B来实现这种功能。24LC16B 是具有 I2C 接口的 E2PROM。其容量为 2048×8 位，分为 8 个页面，每页 256 字节。3 信号采集系统的硬件设计3.1 C8051F020单片机介绍整个信号采集卡系统采用C805

31、1F020单片机进行控制。C8051F020是由Silicon Laboratories公司生产具有与MCS-51完全兼容的指令内核的单片机。该系列单片机采用流水线处理技术，不再区分时钟周期和机器周期，能在执行指令期间预处理下一条指令，提高了指令执行效率。而且型号单片机具备控制系统所需的模拟和数字外设，包括看门狗、ADC、DAC、电压比较器、电压基准、定时器、PWM、定时器捕捉和方波输出等，并具备多种总线接口，包括UART、SPI、SMBUS（与IIC兼容）等总线。C8051F系列单片机采用Flash ROM技术，集成JTAG，支技在线编程，使系统软件开发时间大大缩短。3.1.1 C8051F

32、020主要技术特点：l 高速、流水线结构的8051兼容的CIP-51内核（可达25MIPS）；l 全速、非侵入式的在系统调试接口（片内）；l 12位、100ksps的8通道ADC，带PGA和模拟多路开关；l 8位、500ksps的ADC，带PGA和8通道模拟多路开关；l 两个12位DAC，具有可编程数据更新方式；l 64KB可在系统编程的Flash存储器；l 4352（4096+256）B的片内RAM；l 可寻址64KB地址空间的外部数据存储器接口；l 硬件实现的SPI、SMBus/IIC和两个UART串行接口；l 5个通用的16位定时器；l 具有5个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列；

33、l 片内看门狗定时器、VDD监视器和温度传感器；l 两种可软件编程的电源管理方式-空闲方式（等待方式）和停机方式（掉电方式）；l C8051F020工作电压2.7V-3.6V，端口I/O、/RST和JTAG引脚都容许5V的输入信号电压；l 与其它8位单片机相比，有更高的程序安全性；l 64个IO口， TQFP100封装。引脚封装如图3.1所示。图3.1 C8051F020引脚图3.1.2 C8051F020主要组成及功能：1）CIP-51微控制器内核C8051F020单片机是完全集成的混合信号系统级芯片(SOC)，具有与8051兼容的高速ClP-51内核，与MCS-51指令集完全兼容，片内集成

34、了数据采集和控制系统中常用的模拟、数字外设及其他功能部件；内置FLASH程序存储器、内部RAM，大部分器件内部还有位于外部数据存储器空闻的RAM，即XRAM。C8051F020单片机具有片内调试电路，通过4脚的JTAG接口可以进行非侵入式、全速的在系统调试。C8051F020的MCU与标准的8051相比，在CPU内核的内部和外部有几项关键性的改进，提高了整体性能，更易于应用。2）中断系统扩展的中断系统可响应22个中断源(标准8051只有5个中断源)的中断，在设计多任务实时系统时，这些增加的中断源大大增加了单片机对外界复杂、多变情况的反应能力。3）存储器C8051F020单片机具有标准的8052

35、的程序和数据地址配置。包括256B的核内数据RAM，还有位于外部数据存储器地址空间的4KB的RAM存储区。C8051F020单片机中还有可用于访问外部数据存储器的外部存储器接口(EMIF)。外部数据存储器地址空间包括：片内数据存储器和片外数据存储器，或两者的组合，其中4KB以下的地址指向片内，4KB以上的地址指向EMIF。EMIF可以被配置为地址数据线复用方式或非复用方式。C8051F020的程序存储器为64KB(不同型号容量不同)的FLASH存储器，称为闪存。该存储器以512B作为一个扇区，可以在系统编程，且无需在片外提供编程电压4）模数和数模转张块C8051F020单片机内部有A/D转换模

36、块，它们由逐次逼近型ADC、多通道模拟输入选择器和可编程增益放大器组成。采样速率有100Ksps、500Ksps两种种。转换位数有8位、12位两种。外部输入通道数有8路，可被配置为单端输入或差分输入。所有AD转换模块内部都配了可以用软件改变放大倍数的可编程增益放大器。C8051F020单片机内部有两个12位数模转换器，MCU可以将任何一个DAC置于低功耗关断方式。有灵活的输出更新机制，允许用软件命令和定时器2、定时器3及其定时器4的溢出信号更新DAC的输出。5）并行接口C8051F020单片机的并行接口(即是一般单片机的通用I/O端口)的引脚数有64个，这些加端口的部分引脚可以通过软件配置成不

37、同的特殊功能。6）串行接口C8051F020单片机除了具有全双工UART串口之外，还增加了SPI总线和SMBus/I2C总线。每种串行总线口能向CIP-51发出中断申请，因此很少需要CPU的干预。这些串行总线不“共享”定时器、中断或端口I/O，所以可以使用任何一个或全部同时使用。C8051F020MCU内部有2个UART，这是增强型的全双工UART，具有硬件地址识别和错误检测功能。7）定时器和可编程计数器阵列在C8051F020单片机中具有5个通用计数器/定时器，还具有一个片内可编程计数器/定时器阵列PCA。PCA包括1个专用的16位计数器/定时器时间基准和5个可编程的捕捉比较模块。时间基准的

38、时钟可以选择6种时钟源。每个捕捉/比较模块都有6种工作方式：边沿触发捕捉、软件定时器、高速输出、8位脉冲宽度调制器、频率输出、16位脉冲宽度调制器。其芯片示意图如图3.2所示，C8051F020原理框图如3.3所示。 图3.2 C8051F020芯片示意图图3.3 C8051F020原理框图由于其运行速度快，且集成了A/D等功能，完全满足系统采样与控制的速度要求，而且可减少外围电路的数量、提高可靠性、减少重量，是构成本采集系统的理想CPU。 3.2 时钟电路DS1302 是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，具有闰

39、年补偿功能，工作电压为2.5V5.5V。采用三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。DS1302内部有一个31×8的用于临时性存放数据的RAM寄存器。DS1302是DS1202的升级产品，与DS1202兼容，但增加了主电源/后备电源双电源引脚，同时提供了对后备电源进行涓细电流充电的能力。DS1302 存在时钟精度不高，易受环境影响，出现时钟混乱等缺点。DS1302可以用于数据记录，特别是对某些具有特殊意义的数据点的记录，能实现数据与出现该数据的时间同时记录。这种记录对长时间的连续采集系统结果的分析及对异常数据出现的原因的查找具有重要意义。

40、传统的数据记录方式是隔时采样或定时采样，没有具体的时间记录，因此，只能记录数据而无法准确记录其出现的时间；若采用单片机计时，一方面需要采用计数器，占用硬件资源，另一方面需要设置中断、查询等，同样耗费单片机的资源，而且，某些采集系统可能不允许。但是，如果在系统中采用时钟芯片DS1302，则能很好地解决这个问题，时钟电路如图3.4所示。图3.4 时钟电路DS1302的引脚排列,其中VCC1为后备电源，VCC2为主电源。在主电源关闭的情况下，也能保持时钟的连续运行。DS1302由Vcc1或Vcc2两者中的较大者供电。当Vcc2大于Vcc1+0.2V时，Vcc2给DS1302供电。当Vcc2小于Vcc

41、1时，DS1302由Vcc1供电。X1和X2是振荡源，外接32.768kHz晶振。RST是复位/片选线，通过把RST输入驱动置高电平来启动所有的数据传送。RST输入有两种功能：首先，RST接通控制逻辑，允许地址/命令序列送入移位寄存器；其次，RST提供终止单字节或多字节数据的传送手段。当RST为高电平时，所有的数据传送被初始化，允许对DS1302进行操作。如果在传送过程中RST置为低电平，则会终止此次数据传送，I/O引脚变为高阻态。上电运行时，在VCC>2.0V之前，RST必须保持低电平。只有在SCLK为低电平时，才能将RST置为高电平。I/O为串行数据输入输出端(双向)，后面有详细说明

42、。SCLK为时钟输入端。3.3 复位电路复位电路允许很容易地将控制器置于一个预定的缺省状态。在进入复位状态时，将发生以下过程：1）CIP-51 停止程序执行；2）特殊功能寄存器（SFR）被初始化为所定义的复位值；3）外部端口引脚被置于一个已知状态；4）中断和定时器被禁止。所有的 SFR 都被初始化为预定值，SFR 中各位的复位值在 SFR 的详细说明中定义。在复位期间内部数据存储器的内容不发生改变，复位前存储的数据保持不变。但由于堆栈指针 SFR 被复位，堆栈实际上已丢失，尽管堆栈中的数据未发生变化。I/O 端口锁存器的复位值为 0xFF（全部为逻辑1），内部弱上拉有效，使外部 I/O 引脚处

43、于高电平状态。外部 I/O 引脚并不立即进入高电平状态，而是在进入复位状态后的四个系统时钟之内。注意：在复位期间弱上拉是被禁止的，在器件退出复位状态时弱上拉被使能。这就使得在器件保持在复位状态期间可以节省功耗。对于 VDD 监视器复位，/RST 引脚被驱动为低电平，直到 VDD复位超时结束。在退出复位状态时，程序计数器（PC）被复位，MCU 使用内部振荡器运行在 2MHz 作为默认的系统时钟。看门狗定时器被使能，使用其最长的超时时间。一旦系统时钟源稳定，程序从地址 0x0000 开始执行。有 7 个能使 MCU 进入复位状态的复位源：上电/掉电、外部/RST 引脚、CNVSTR 信号、软件命令

44、、比较器 0、时钟丢失检测器及看门狗定时器。本系统采用外部 /RST 引脚提供了使用外部电路强制 MCU 进入复位状态的手段，复位电路示意图如图3.5所示。图3.5 复位电路当电源刚开始送电瞬间，电容C9相当于短路，RST端输入高电平，C8051F020复位。短路瞬间之后，C9充电，RST端低电平。C8051F020需要复位时，按下手动复位键K2，电容C9通过R22放电，当电容C9放电结束后，C8051F020进入复位状态，松手后，电容C9充电，RST端高电位下降，CPU脱离复位状态。R22的作用在于限制K2按下瞬间电容C9放电电流，避免产生火花，以保护K2的触点。3.4 运算放大电路传感器送

45、来的信号一般都是比较微弱或具有交流噪音等干扰信号，在本系统中，来自传感器的模拟信号都需要进行放大处理，为了防止各种干扰信号进入单片机和偶尔出现的电压、电流强冲击信号直接进入单片机，在本系统的模拟输入端口设计了防止干扰信号和冲击信号进入单片机的接口电路。在接口电路中采用了两片 LM324 芯片，每个 LM324 芯片中含有 4 个运算放大器，每个运算放大器组成一个接口电路，具体电路如图3.6所示。图3.6 运算放大电路3.5 电压比例调整电路一般来说进入单片机的状态参数(模拟量和开关量)信号均需通过各自相应的传感器采集和处理后才能输入单片机。 主发电压、主发电流、6 路励磁电流等 8 个模拟量由

46、相应传感器根据工作参数的变化采集到连续 0-5V 的直流电压。由于本系统采用的 ADC 的电压转换范围为 0VREFV，其中 VREF=2.4V(VREF 为内部基准电压)，所以这些 0-5V 的电压信号经过运放电路、放大滤波输入 ADC 之前必须加一个电压比例调整电路，调整为 0-2.4V 的模拟电压后再送到 A/D 转换器的输入端，进而转换为二进制码数字供给单片机的中央处理单元进行数字和逻辑运算，电压比例调整电路如图 3.7 所示。图3.7 电压比例调整与单片机接口电路3.6 A/D转换电路随着数字技术，特别是信息技术的飞速发展与普及，在现代控制、通信及检测等领域，为了提高系统的性能指标，

47、对信号的处理广泛采用了数字计算机技术。由于系统的实际对象往往都是一些模拟量（如温度、压力、位移、图像等），要使计算机或数字仪表能识别、处理这些信号，必须首先将这些模拟信号转换成数字信号；而经计算机分析、处理后输出的数字量也往往需要将其转换为相应模拟信号才能为执行机构所接受。这样，就需要一种能在模拟信号与数字信号之间起桥梁作用的电路-模数和数模转换器。本系统采用的C8051F020 主芯片自身带有A/D转换单元，可以用来对前端模拟电路采集到的模拟信号进行A/D转换，原理框图如图3.8所示。图3.8 ADC原理框图AMUX0、PGA0、数据转换方式及窗口检测器都可用软件通过图 3-8 所示的特殊功

48、能寄存器来控制。只有当 ADC0 控制寄存器中的AD0EN 位被置1时 ADC0 子系统（ADC0、跟踪保持器和 PGA0）才被允许工作。当 AD0EN 位为0时，ADC0 子系统处于低功耗关断方式。3.7 D/A输出电路数字量是用代码按数位组合起来表示的，对于有权码，每位代码都有一定的位权。为了将数字量转换成模拟量，必须将每1位的代码按其位权的大小转换成相应的模拟量，然后将这些模拟量相加，即可得到与数字量成正比的总模拟量，从而实现了数字模拟转换。本系统采用的C8051F020 主芯片有两个片内12位电压方式数/模转换器（DAC）， DAC0和DAC1的功能图如图3.9、3.10所示。图3.9

49、 DAC0功能框图 图3.10 DAC1功能框图图3.11 D/A输出电路DAC输出电路如图3.11所示，每个DAC的输出摆幅均为0V到（VREF-1LSB），对应的输入码范围是0x000到0xFFF。每个 DAC 的电压基准在 VREFD（C8051F020）引脚提供。为了使 DAC 输出有效，使用内部电压基准。DAC输出的信号经过LM324运算放大，再到光隔芯片HCNR200，HCNR200是由发光二极管 D1、反馈光电二极管 D2、输出光电二极管 D3组成。当 D1通过驱动电流 If 时，发出红外光(伺服光通量 )。该光分别照射在 D2、D3上，反馈光电二极管吸收 D2光通量的一部分，从

50、而产生控制电流 I1 (I1 = 0.005 If )。该电流用来调节 If 以补偿 D1的非线性。输出光电二极管 D3产生的输出电流 I2与 D1发出的伺服光通量成线性比例。令伺服电流增益K1= I1 / If ， 正向增益 K2 = I2 / If；则传输增益K3= K2 / K1 =I2 / I1， K3的典型值为 1 ，Uout/Uin=R78/R80。3.8 电源电路电源（VCC）是整个开发板正常工作的动力源泉。电源电压过大会大大缩短芯片的工作寿命，严重的会烧毁芯片及其它元器件；过小将不能驱动实验板工作电路。因此设定合适的电源电压值非常重要。本系统主要芯片工作电压均+3.3V左右。电

51、压基准电路为控制ADC和DAC模块工作提供了灵活性。有三个电压基准输入引脚，允许每个ADC和两个DAC使用外部电压基准或片内电压基准输出。通过配置VREF模拟开关，ADC0还可以使用DAC0的输出作为内部基准，ADC1 可以使用模拟电源电压作为基准，本系统电源由外部直流变压器提供，变压器输出+5V，该电压被直接提供给液晶显示器及其背光电路所需的逆变器作为工作电压。另外，该直流输出电压经过电源调整芯片产生系统所需要的电压+3.3V，该+3.3V 为微处理器 C8051F020提供电压，电源调整芯片采用SPX29302T5型，电源电路如图 3.12所示。图3.12 电源电路3.9 液晶接口电路本系

52、统采用了液晶显示，DM12864J 是一种图形点阵液晶显示器，它采用的控制器是 KS0107 型，主要采用动态驱动原理由行驱动控制器和列驱动控制器两部分组成了 128（列）×64（行）的全点阵液晶显示。它的主要特性有以下几点：1）工作电压为+5V，可自带驱动 LCD 所需的负电压。2）全屏幕点阵，点阵数是 128（列）×64（行）个（16×16 点阵）汉字，也可完成字符、图形的显示。3）与 CPU 接口采用 5 条位控制总线和 8 位并行数据总线输入输出。4）内部有显示数据锁存器。 5）简单的操作指令显示开关设置，显示起始行设置，地址指针设置和数据读/写等指令。液

53、晶模块的引脚说明见表3-1所示。表 3-1 DM12864J 液晶模块的引脚特性引脚号引脚名称级别引脚功能描述1VSS0V电源地2VDD+5V电源电压3VLCD0-10VLCD 驱动负电压，要求 VDD-VLCD=13V4RSH/L寄存器选择信号5R/WH/L读/写操作选择信号6EH/L使能信号7DB0H/L八位三态并行数据总线8DB19DB210DB311DB412DB513DB614DB715CS1H/L片选信号，当CS1=H时,液晶左半屏显示16CS2H/L片选信号，当CS2=H时,液晶右半屏显示17/RESH/L复位信号,低有效18VEE-10V输出-10V 的负电压(单电源供电)19

54、LED+(EL)+5V背光电源,Idd200mA20LED-(EL0V单片机与该液晶显示模块的连接方法有两种，一种是直接访问方式，另一种是间接控制方式。本系统采用间接控制，8 位数据接口方式，DMF12864J 显示模块与单片机的间接接口电路如图 3.13 所示。图3.13 液晶显示接口电路虽然 C8051F020 器件的数字输入是 5V 兼容的，但输出的最大电压值为 VDD(2.7V-3.6V)。液晶显示器是一个 5V器件，需要一个高于该 VDD 的输入电压才能工作，所以需要一个接口电路来驱动液晶显示器。为了提供一个比VDD高的输入电压，将端口引脚的输出设置为漏极开路方式，并将输出端通过上拉

55、电阻接到5V电源。这样C8051F020的逻辑“1”输出将被提升到5V，而逻辑“0”为地。另外，本系统要求液晶显示器工作在宽温条件下，所以需要连接负电源，图中的电位器为V0提供了可调的驱动电压，用以实现显示对比度的调节。3.10 数码管显示电路本系统还运用了数码管动态显示，数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会

56、显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。通过分时轮流控制各个数码管的的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动，数码管显示电路如图3.14所示。图3.14 数码管电路在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为12ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低。本设计用4个8550三极管作为驱动，它是一种低

57、电压,大电流,小信号的PNP型硅三极管。3.11 键盘电路键盘是人与信号采集系统联系的重要手段，用于向CPU输入运行参数，控制系统的运行状态。本系统采用4×4键盘，使用一个8位的接口，外接16个按键，其与单片机接口电路如图 3.15 所示。当用手按下一个键时，往往会出现所按键在闭合位置和断开位置之间跳几下才稳定到闭合状态的情况，在释放一个键时，也会出现类似的情况。这就是键抖动，抖动时间持续不一，与开关的机械特性有关，通常不会大于 l0ms。若抖动问题不解决，就会引起对闭合键的多次读入。为保证键扫描的正确，需进行去抖动处理。去抖动有硬件和软件两种方法。硬件方法就是在键盘中附加去抖动电路

58、，如 R-S 触发器或单稳态电路，从根本上消除抖动产生的可能性。本系统中采用硬件方法消除抖动影响。图3.15 键盘电路3.12 流水灯电路 对于开关量的采集，本系统设计了一款简易的流水灯，它是由8个发光二极管组成，流水灯电路图如图3.16所示。图3.16 流水灯电路从流水灯电路图中可以看出，如果要让接在P7.0口的LED1亮起来，那么只要把P7.0口的电平变为低电平就可以了；相反， 如果要接在P7.0口的LED1熄灭，就要把P7.0口的电平变为高电平；同理，接在P7.1P7.7口的其他7个LED的点亮和熄灭的方法同LED1。因此，要实现流水灯功能，只要将发光二极管LED1LED8依次点亮、熄灭，8只LED灯便会一亮一暗的做流水灯了。在此还应注意一点，由于人眼的视觉暂留效应以及单片机执行每条指令的时间很短，在控制