毕业设计（论文）硕士学位论文基于单片机的综合数据采集系统设计

1、毕业设计论文硕士学位论文基于单片机的综合数据采集系统设计 河南科技大学 硕士学位论文 基于单片机的综合数据采集系统设计 姓名：刘金英 申请学位级别：硕士 专业：测试计量技术及仪器 指导教师：李建朝 摘要 I 论文题目： 基于单片机的综合数据采集系统设计 专 业： 测试计量技术及仪器 研 究 生： 刘金英 指导教师： 李建朝 副教授 摘 要 目前市场上的普通测试仪表只能进行单参数测量，机械功率、电气功率、液 压功率等无法直接用仪表检测，需要分别测出计算功率的各个参数后再手动合 成，既繁琐又易产生误差。因此，利用单片机可以运算的特点来设计一套能进 行 多参数测量的综合数据采集系统成为必要。 本课题

2、以实验室的设备为对象，建立了以新型单片机C8051F020 为控制核心 的多通道硬件系统，应用C 语言开发软件系统，同时结合LabVIEW7.1 完成上位 机数据处理人机界面的设计，研发出一套综合数据采集系统通用平台，只需更 换 该系统平台前端的传感器和前置放大就可以检测单参数和多参数物理量。该平 台 实现了数据采集、通讯、液晶显示和上位机数据处理，此外还具有键盘控制、 万 年历、数据存储等功能。 根据洛阳博泰机车装备的实际生产需要，我们在该数据采集系统的 根底上二次开发出一台可以检测多个参数的机车功率测试仪。它成功的进行了 现 场联机调试，在该公司的实际应用中不仅方便了用户使用，同时极大地提

3、高了 生 产效率，从而证明了该数据采集系统可行性的和实用性。 关 键 词：单片机，数据采集系统，液晶显示，人机界面 论文类型：应用研究 河南科技大学硕士学位论文 II Subject: Development of an integration data acquisition system Based on Single-chip Microcomputer Specialty: Measuring and Testing Technologies and Instruments Name: Liu Jinying Supervisor: Associate professor Li Jia

4、nchao ABSTRACT The simple testing instruments existed at present can only measure a single parameter. Thus, those parameters such as mechanical power, electrical power and hydraulic power cannot be measured directly. They are derived by the indirect manual computation after some parameters used for

5、the computation of the powers are measured. Therefore, it is necessary to design a set of integration data acquisition system IDAS which can accomplish the measurement of multiple parameters. In this paper, a set of general IDAS platform is developed on the base of the utilities in our laboratory. T

6、he multi-channel hardware system of the newly single- chip C8051F020 is constructed and the software is realized by C language. In addition, the GUI design for position PC machine data processing is completed by LabVIEW7.1. Measurement of the single-parameter and multi-parameter physical quantities

7、can be acquired merely by replacement of the sensors and the preamplifier in IDAS. The platform accomplishes such functions as data acquisition, LCD display, serial port communication and position PC machine data processing in addition to keyboard control, calendar, data storing. A machine power mea

8、surement instrument which can measure multiple parameters is redeveloped on the base of IDAS according to the production requirement of Luoyang Botai Machine Utility Company Limited. The local online debugging of the machine power measurement instrument was finished successfully. The practical emplo

9、yment of IDAS by the users in the company has greatly improved the production efficiency. So its availability and feasibility have been verified. KEY WORDS ： Single-chip microcomputer, Data acquisition system, LCD display, Graphical user interface Dissertation Type: Application research 第1 章绪论 1 第1章

10、 绪论 1.1 课题研究的背景及意义 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开展，不仅促进了工程检测 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

11、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，无疑使测试本钱也大幅增长。显然，对于一般 设 备检测来讲，大可不必付出这样的消耗。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，无可比较的价格性能比，无疑为仪器仪表的智能化提供了

12、可 能。基于此情况，本课题拟在设计一种集多种仪器功能为一体的单片机测试设 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。 1.2 数据采集系统的开展及研究现状 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1-4 ，其主 要的功能是对测量结果进行统计、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

13、拟/数字 A/D 转换器，把检测仪表与计算 机 连接在一起，组成以小型机为根底的数据采集系统。其特点是检测过程可以对 数 河南科技大学硕士学位论文 2 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 如IEEE-488, RS-232C5 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开展。 微型计算机6,7 的诞生，使测试技术发生了深刻的变革，目前正在开展的以 微处理器

14、为根底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 本钱、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

15、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。 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

16、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8,9，相应的系统即为微机数据采集系统。 本课题正是针对市场的需求，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，设计了一套综合数据采集系统，并在实际产品 中 得到了实现。 1.3 论文组织及章节安排 论文第1 章简要地介绍了本课题研究的背景、意义及开展现状。 第 2 章提出了本系统的设计方案。主要从系统结构框图、软件流程图、各功 第1 章绪论 3 能模块的选型等几个局部讲述了本系统的体系结构。 第 3 章是本文的一个重

17、点，主要阐述了数据采集系统的硬件电路设计。分别 从信号调理电路、放大电路、液晶接口电路、数据存储电路、日历时钟电路及 串 口通讯电路等几个方面详细进行了阐述。 第二个重点是第 4 章，本章介绍了数据采集系统的软件设计。主要包括A/D 转换程序设计、液晶显示程序设计、日历时钟程序、E2PROM 程序和通讯程序 设计。利用LabVIEW7.1 软件强大的数据分析处理功能，设计了一个多功能数 据 处理的人机界面。 第 5 章介绍了系统的抗干扰措施和联机调试的实验结果。 最后是全文的总结，在此研究的根底上针对缺乏之处给出了展望并对下一步 工作做了简要规划。 第2 章系统总体方案设计 4 第2章 系统总

18、体方案设计 2.1 系统总体方案 2.1.1 系统设计要求 系统设计包括软件设计和硬件设计两大方面，二者之间互有影响，一般原那么 是简化设计 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 ：以软件代替硬件 在速度允许的条件下，能用软件的尽量不 用 硬件 ，如软件低通滤波代替硬件低通滤波，软件中断代替硬件中断等等。 硬件设计一般包括单片机接口电路的设计和单片机作用对象的设计，在硬件 电路的根底上，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 10、定时、显示、码制转换、自动量程转换以及数据的采集、处理、输出等程 序。在设计时，软硬件的配比问题应予重视

19、，较多的使用硬件来完成一些功能， 可以提高工作速度，减少软件工作量；较多的使用软件来完成一些功能，那么可 降 低硬件本钱，简化电路，但增加了编程的工作量，因此在综合设计时，应根据 所 研制的周期及市场状况进行合理划分。 2.1.2 系统功能概述 DS1302实时时 钟电路 液晶显示 E2PROM存储键盘控制 串行通讯 信号调理电路 传感器采集的 标准信号 上位机LabVIEW 数据处理界面 信号放大电路 A/D转换CPU处理 单片机控制单元 图1-1 系统结构框图 Fig.1-1 System configuration frame 河南科技大学硕士学位论文 5 整个系统由单片机11监控电路、

20、传感器的接口电路，以及键盘、液晶显 示、日历12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9 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，同时通过键盘控制把有用的数据及采样时间存储在E2PROM 中。最 后通过串行通讯把E2PROM 中的数据传送到PC 机，利用LabVIEW7.1 强大的数 据处理功能把PC

21、 机中的数据进行分析处理。 2.2 系统各功能模块的选择 2.2.1 传感器的选择原那么 工程车辆的运行参数除了蓄电池电压外，其余均为非电量形式，这种非电量 不能直接输入单片机中处理。因此，需要一种能够将非电量转变为电量的装置， 这种装置就是传感器13，转化成的电量即为模拟量信号。 传感器是测量工作参数的眼睛，它是直接计量工作参数精度的精密敏感元 件，它获得的信息正确与否，将直接影响整个系统的精度。在一般系统中，如 果 传感器的误差很大，后面的测量电路、放大局部以及单片机再精确也是徒劳的。 所以，正确选择传感器是系统正确可靠工作的必要手段。 在单片机系统中应用的传感器对输出信号有一定的要求。众

22、所周知，单片机 系统的模拟量电压通常是以0-5V 的范围输入的。所以，在单片机系统中，假设以 电压形式输出的传感器那么要求通过调理电路转换成0-5V 范围的电压信号输出， 假设以电流形式输出的传感器那么要求将输出的电流信号转化为0-5V 范围的电压信 号输入单片机。因此，不同的传感器在系统应用时要注意它的正确使用。 2.2.2 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。本系统应用在工程 车辆上，工程车辆要在野外非常恶劣的气候及工况条件下工作，要求系统应该 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，不易丧失、破坏。因此选用的单

23、片机应具有集成度高、稳定性可 靠 性高、抗干扰能力强、控制灵活、易于开发等特点。 第2 章系统总体方案设计 6 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。C8051F0 2x 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C8051

24、F021/3 。 在本系统中，选择美国 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

25、此我们选择了C8051F020 作为整个系统的控制部件，它具有以下特点10,14 ： 1C8051F020 器件是完全集成的混合信号系统级MCU 芯片，具有64 个 数字I/O 引脚。 2 高速、流水线结构的8051 兼容的CIP-51 内核可达25MIPS 。 3 全速、非侵入式的在系统调试接口片内。 4 真正12 位100ksps 的8 通道ADC ，带PGA 和模拟多路开关。 5 真正8 位500ksps 的ADC ，带PGA 和8 通道模拟多路开关。 6 两个12 位DAC ，具有可编程数据更新方式。 7 64K 字节可在系统编程的FLASH 存储器。 8 4352 4096+256

26、字节的片内RAM 。 9 可寻址64K 字节地址空间的外部数据存储器接口。 10硬件实现的SPI、SMBus/ I2C 和两个UART 串行接口。 115 个通用的16 位定时器。 12具有5 个捕捉/ 比较模块的可编程计数器/定时器阵列。 13片内看门狗定时器、VDD 监视器和温度传感器。 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。 河南科技大学硕士学位论文 7 片内JTAG 调试电

27、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 器和存放器，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，防止了外扩ROM 、RAM 、A/D 、D/A 、 Watchdog 、可编程I/O 口、E2PROM ，简化了硬件电路，为形成以C8051F020 为 核心的单片机系

28、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。 2.2.3 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开展非常快，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15 。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。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

29、，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便携式手持仪表中，为了使用方便 简捷，所以选用了DMF12864J 单色液晶16显示模块，该模块每屏可以显示四行 字，假设显示更多内容需要翻页显示。因此为了方便显示更多的数据和更丰富的 图 形界面，又选用了另一款TFT6448-256-8 彩色液晶显示模块17 。后面的章节将 分别对这两款液晶的应用作详细介绍。 2.2.4 时钟芯片的选择 在测量控制系统中，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

30、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；假设采用单片机计时，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，同样消耗单片机的资源，而且某些测控系统可能不允许。 而在系统中采用DS1302 那么能很好地解决这个问题。 第2 章系统总体方案设计 8 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，既防止了连续记录的大工作量，又防止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。 2.2.5 外扩存

31、储器模块的选择 作为测试仪表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丧失18 。串行E2PROM 是当前仪表设计中最 适宜的器件。这里选用Microchip 公司生产的24LC16B19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。 2.3 本章小结 本章主要表达了系统的总体设计方案，对系统中所用到的传感器、单片机、 液晶模块、时钟芯片和外扩存储器等作了简要的介绍。芯片的选型是系统功能

32、 实 现的根底，本人从经济、实用的角度出发，对系统中所涉及到的芯片进行了反 复 的比较，最后确定了上文所述的芯片型号。这样系统的框架构建起来，接下来 就 是系统软、硬件的设计，这些内容将在下面的章节中详细介绍。 第3 章数据采集系统的硬件设计 9 第3章 数据采集系统的硬件设计 3.1 模数转换设计 模数转换器20 Analog-Digital Converter ，简称ADC ，作为组成数据采集 模块的核心部件，其作用是将输入模拟量转换成CPU 能够接收和识别的离散数 字代码。C8051F020 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。 3.1

33、.1 C8051F020 的ADC 简介 可编程增益放大器 模拟多路选择器 AIN0.0 AIN0.1 AIN0.2 AIN0.3 AIN0.4 AIN0.5 AIN0.6 AIN0.7 AGND 温度传感器 配置、控制和 数据存放器 窗口比 较逻辑 12位 SAR ADC VREF 启动转换 写AD0BUSY 定时器3溢出 CNVSTR 定时器2溢出 外部VREF 引脚 DAC0输出 ADC数据 存放器 转换结 束中断 AV+ 窗口 比较 中断 9-1 AMUX 单端 或 差分 12 图3-1 12 位ADC 原理框图 Fig. 3-1 Principle frame of 12 bit A

34、DC C8051F020 中有两个ADC ，即ADC0 和ADC1 ，由于模数转换的分辨率将 直接影响测试精度，本课题选用了12 位分辨率的ADC0 作为A/D 转换器的核 心， ADC0 具有如下特征21 。 C8051F020 的ADC0 子系统包括一个9 通道的可编程模拟多路选择 AMUX0 ，一个可编程增益放大器PGA0 和一个100ksps、12 位分辨率的 逐次逼近存放器型ADC ，ADC 中集成了跟踪保持电路和可编程窗口检测器见 河南科技大学硕士学位论文 10 图3-1 的原理框图。AMUX0 、PGA0 、数据转换方式及窗口检测器都可用软 件 通过图3-1 所示的特殊功能存放器

35、来控制。只有当ADC0 控制存放器中的 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。 该ADC 工作在100ksps 的最大采样速率时可提供真正的12 位精度，INL 为 ±1LSB 。ADC0 的电压基准可以在DAC0 输出和一个外部VREF 引脚之间选择。 对于C8051F020/2 器件，ADC0 有其专用的VREF0 输入引脚；片内15ppm/°C 的电压基准可通过VREF 输出引脚为其它系统部件或片内ADC 产生基准电压。 3.1.2 ADC0 输入通道设置

36、ADC 完全由CIP-51 通过特殊功能存放器控制。有一个输入通道被连到内部 温度传感器，其它8 个通道接外部输入。8 个外部输入通道的每一对都可被配置 为两个单端输入或一个差分输入。差分输入时的端口配对为0-1，2-3，4-5，6- 7，此设置由通道选择存放器AMUX0SL 的低4 位和通道配置存放器AMUX0CF 的低4 位确定。在AMX0CF 中，位30 各对应2 个引脚通道。位值0，表示 是独立的单端输入 复位值均为单端输入 ；位值1，表示是差分输入对。对应 AMX0CF 选差分输入时，AMUX0SL 中只有在选双数 含0 通道时才有效 注： AMUX0SL 低4 位为lxxx 时，不

37、管AMX0CF 低4 位为何值，均选温度传感 器 。将REF0CN 的位3 置“1时，允许使用温度传感器；置“0 时，温度传 感器的输出为高阻态。温度传感器的值可用于修正参数的非线性或记录、调整 与 温度相关的数据。系统控制器可以将ADC 置于关断状态以节省功耗。 ADC0CN 中的AD0TM 位控制ADC0 的跟踪保持方式。在缺省状态，除了 转换期间之外ADC0 输入被连续跟踪。当AD0TM 位为逻辑“1时，ADC0 工作在低功耗跟踪保持方式。在该方式下，每次转换之前都有3 个SAR 时钟的 跟踪周期在启动转换信号有效之后。当CNVSTR 信号用于在低功耗跟踪保 持方式启动转换时，ADC0

38、只在CNVSTR 为低电平时跟踪；在CNVSTR 的上升 沿开始转换。当整个芯片处于低功耗待机或休眠方式时，跟踪可以被禁止关 断。当AMUX 或PGA 的设置频繁改变时，低功耗跟踪保持方式也非常有 用，可以保证建立时间需求得到满足。 可编程增益放大器接在模拟多路选择器之后，增益可以用软件设置，从0.5 到16 以2 的整数次幂递增。当不同ADC 输入通道之间输入的电压信号范围差 距较大或需要放大一个具有较大直流偏移的信号时在差分方式，DAC 可用于 提供直流偏移，这个放大环节是非常有用的。 第3 章数据采集系统的硬件设计 11 A/D 转换有4 种启动方式：软件命令、定时器2 溢出、定时器3

39、溢出和外部 信号输入。这种灵活性允许用软件事件、外部硬件信号或周期性的定时器溢出 信 号触发转换。转换结束由一个状态位指示，或者产生中断如果中断被使能。 在转换完成后，12 位转换结果数据字被锁存到两个特殊功能存放器中。这些数 据字可以用软件控制为左对齐或右对齐。 窗口比较存放器可被配置为当ADC 数据位于一个规定的范围之内或之外时 向控制器申请中断。ADC 可以用后台方式监视一个关键电压，当转换数据位于 规定的窗口之内时才向控制器申请中断。 3.1.3 信号放大电路设计 传感器送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，来自传感器的模拟电压信号大都不需要进行放大处理，但

40、是为了防止各种 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22，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23，具体电路见图3-2 。 VCC D1 3 2 4 11 LM324 Input AIN0 Input signal R2 R1 C1 图 3-2 信号放大电路设计图 3-3 电压比例调整电路 Fig. 3-2 The design of signal magnify circuit Fig. 3-3Volta

41、ge adjusting proportion circuit 3.1.4 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0 VREFV ，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 河南科技大学硕士学位论文 12 路，调整为0-2.4V 的模拟电压后再送到A/D

42、转换器的输入端，进而转换为二进 制码数字供应单片机的中央处理单元进行数字和逻辑运算24 。电压比例调整电 路如图3-3 所示。 3.1.5 边界扫描电路 C8051F020 系列单片机具有片内JTAG 边界扫描和调试电路。通过4 脚 JTAG 接口，并使用安装在应用系统中的单片机就可以进行非侵入式全速的在 系 统调试，见图3-4 。CYGNAL C8051F 系列所有的单片机片内均设计有调试电 路，该调试电路通过边界扫描方式获取单片机片内信息，通过4 线的JTAG 接 口与开发工具连接以便于进行对单片机在片编程调试。 123456789 10 JATG DGND DGND TCK TMS TD

43、O TDI R8 4K7 图 3-4 JTAG 边界扫描电路 Fig. 3-4 Boundary scanning circuit for JTAG 适配器EC2 一端与计算机相连，另一端与C8051F 单片机JTAG 口相 连，应用CYGNAL 提供的IDE 调试环境或Keil 的uVision2 调试环境就可以进 行非侵入式全速的在系统编程 ISP 和调试。 3.2 系统电源电路设计 电压基准电路为控制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

44、 的输出作为内部基 准，ADC1 可以使用模拟电源电压作为基准，内部电压基准电路由一个1.2V、 15ppm/典型值的带隙电压基准发生器和一个两倍增益的输出缓冲放大器 组成。 本系统电源由外部直流变压器提供，变压器输出+5V ，该电压被直接提供应 第3 章数据采集系统的硬件设计 13 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UP1117-3.3 型，转换电路见图3-5 。 220uF C1 10uF C3 0.1uF C7 0.1uF C10

45、12 Header 2 3.3V 1 GND 3 VIN Vout 2 Vout/Tab 4 图 3-5 系统电源电路 Fig. 3-5 Systemic electrical source circuit 3.3 复位电路设计 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： 1CIP-51 停止程序执行。 2 特殊功能存放器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

46、存储的数据保 持 不变。但由于堆栈指针SFR 被复位，堆栈实际上已丧失，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

47、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25,26 ：上电/掉电、外部/RST 引 河南科技大学硕士学位论文 14 脚、CNVSTR 信号、软件命令、比较器0、时钟丧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。在/RST 引脚上加一个低电平有效信号将导致MCU 进入复位状态。最好 能提供一个外部上拉或对/RST 引脚去耦以防止强噪声引起复位。在低有效的 /RST 信号撤出后，MCU 将保持在复位状态至少12 个时钟周期。从外部复位状 态

48、退出后，PINRSF 标志RSTSRC.0 被置位，系统进入正常的工作状态，复 位电路示意图如图3-6 所示。 5 RST MCU 10uF C1 10K R10 DGND 图 3-6 复位电路 Fig. 3-6 Reset circuit 3.4 液晶接口电路的设计 3.4.1 DM12864J 图形点阵液晶显示模块电路设计 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局部组成了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。

49、 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。 第3 章数据采集系统的硬件设计 15 表3-1 DM12864J 液晶模块的引脚特性 Tab. 3-1 Pins characteristic of DM12864J LCD module 引脚号引脚名称 级别 引脚功能描述 1 VSS 0V 电源地 2 VDD +5V 电源电压 3 VLCD 010V LCD 驱动负电压，要求VDDVLCD 13V 4 RS H/L 存放器选择信号 5 R/W H/L 读/写操作选择信号 6 E H/L 使能信号 7 DB0 8 DB1 9 DB2 10 DB3 11 DB4 12 DB5 13 DB6 14 DB7 H/L 八位三态并行数据总线 15 CS1 H/L 片选信号，当CS1 H 时，液晶左半屏显