物体表面光泽度测量仪器的设计和实现

中国计量学院本科毕业设计（论文）物体表面光泽度测量仪器的设计和实现SurfaceGlossDesignandImplementationofMeasurementInstruments学生姓名陈加栋学号0600305211学生专业光信息科学与技术班级06光信2班二级学院光学与电子科技学院指导教师袁琨中国计量学院2010年6月中国计量学院本科毕业设计（论文）郑重声明本人呈交的毕业设计论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本学位论文的知识产权归属于培养单位。学生签名：日期：分类号：TM932密级：公开UDC：535学校代码：10356中国计量学院本科毕业设计（论文）物体表面光泽度测量仪器的设计和实现SurfaceGlossDesignandImplementationofMeasurementInstruments作者陈加栋学号0600305211申请学位理学学士指导教师袁琨学科专业光信息科学与技术培养单位中国计量学院答辩委员会主席评阅人2010年6月

致谢本论文的顺利完成首先要感谢我的指导老师袁琨老师。袁老师的悉心指导和谆谆教诲使我受益匪浅。从论文的相关资料的提供、每一步的进展，到后期的统筹和修改都离不开袁老师的辛勤指导和莫大关怀。袁老师渊博的学识、严谨的治学态度和精益求精的工作作风都深深的触动了我，为我将来的学习和工作产生了极大的鼓舞和榜样作用。在做学问的同时，袁老师的修为和人品也让我终生难忘，成为我在如何做人方面的努力方向。同时，感谢帮助过我的同学们，悉心指导、热心帮助，为我的课题研究创造了良好的环境，在我毕业课题的设计工作过程中给予我巨大的支持和帮助，在此向他们表示深深的谢意。感谢电子设计竞赛期间的老师和实验室的同学们，感谢他们在生活和学习上对我的关心和鼓励，与他们的讨论总是让我受益匪浅。感谢我的父母在学习和生活上给予我无微不至的关怀和支持，他们的爱使我能够心无旁鹜的去完成学业。最后，衷心地感谢为评阅本论文而付出辛勤劳动的各位专家学者。PAGEIV物体表面光泽度测量仪器的设计和实现摘要：光泽是物体的一种重要的表观属性，是人们评价产品质量的重要依据之一。本论文在综合分析当前国内外的光泽度测量仪器的基础上，应用Cortex-M3内核的STM32系列微处理器，研制了智能化的多参数光泽度测量系统。系统分为光路与电路两部分。光路设计部分光以LED为光发射器件，以硅光电池作为光接收器件；电路设计部分以STM32微处理器为主控芯片，采用C8051F单片机内部24位AD实现多通道光电信号采集功能。同时系统实现了SD卡存储、蓝牙通信等功能。本系统实现了多角度光泽数据的测量及统计，并具有便携性及多种方式储存数据等优点。本系统内部采用滤波算法和线性回归定标算法。关键词：光泽度计；STM32；C8051F；SD卡；滤波算法中图分类号：TM932

SurfaceGlossDesignandImplementationofMeasurementInstrumentsAbstract:Glossistheobjectofanimportantapparentproperty,isanimportantevaluationproductquality.Inthisthesis,comprehensiveanalysisofthecurrentstate-of-the-artglossmeasuringinstrumentsathomeandabroadbasedontheapplicationoftheSTM32Cortex-M3coremicroprocessorseries,developedanintelligentmulti-parametermeasurementsystemgloss.Thesystemisdividedintotheopticalpathandcircuitintwoparts.PartofopticaldesignforthelighttoLEDlightemittingdevices,tosiliconsolarcellasalightreceivingdevice;circuitdesignsectionforSTM32MCUasthemainchip,withaninternal24-bitADC8051FMCUmulti-channelopticalsignalacquisitionfunction.AtthesametimethesystemachievedSDcardstorage,Bluetoothcommunicationcapabilities.Thesystemrealizesthemulti-angleglossmeasurementandstatisticaldata,andavarietyofwayswiththeportabilityandstorageofdataandsoon.Thissystemusesfilteringalgorithmandlinearregressionscalingalgorithm.Keywords:Glossmeter;STM32;C8051F;SDCard;FilterClassification:TM932目次TOC\o"1-3"\h\u21437摘要 I7248目次 III183241引言 1206711.1本课题的研究意义及产业化前景 116731.2国外光泽度仪的发展及研究现状 1232251.3国内光泽度仪的发展及研究现状 23061.4本课题的主要研究工作 3229412光泽度的理论依据 535912.1光的反射 551722.2光泽度测量的理论基础 5169263系统总体设计 7140833.1系统总体功能要求 7237093.2主控芯片选择 877784光路设计 9171564.1整体光路设计 9210494.1.1光泽度计标准光路 9154834.1.2整体光路装配图 9185614.2发射光源选择 10196484.2.1理想光源应具备的特点 10279054.2.2光源的分析比较 11213634.3光电探测器选择 1181714.3.1光电池 11314384.3.2CCD 12108034.3.3半导体光电二极管 1364104.3.4红外探测器 13240314.3.5结论 145135电路设计 1524695.1主控芯片 15293915.1.1Cortex内核简介 15252205.1.2基于Cortex-M3的单片机STM32 17203445.2光电转换电路 18233735.2.1光电池 18273715.2.2I/V转化电路原理图 19248755.2.3I/V转换电路 2050715.3AD电路（C8051F） 21280745.3.1C8051F简介 21135625.3.2C8051F350内部AD 2386615.3.3C8051F350电路图 2437305.4电源管理 24315835.4.1模拟电压 25299775.4.2数字电压 26317335.4.3电池电压监控 27117675.4.4LED驱动 2872025.5SD卡电路 29320645.5.1STM32片上SPI接口 29222205.5.2SD卡与微控制器的接口电路 29155725.6USB电路 31299075.6.1STM32集成USB2.0简介 31309765.6.2USB接口电路 32267985.7液晶显示电路 32253295.8整体电路PCB图 3377956软件设计 3467766.1C8051F 34211166.1.1程序设计语言的选择 34161716.1.2C51编译器和ML-EC3仿真器 34123146.1.3微控制器C8051F350的配置 3563426.1.4C8051F程序流程图 37192116.2STM32 38290316.2.1开发环境IAREWARM 38301706.2.2STM32的配置 395397算法设计 42121517.1算数平均滤波算法 4251747.2定标算法 42138098总结与展望 46239468.1总结 4626418.2展望 4631604参考文献 4723316作者简历 4814818学位论文数据集 49中国计量学院本科毕业设计（论文）PAGE50引言本课题的研究意义及产业化前景 光泽是物体的一种重要的表观属性，是人们评价产品质量的重要依据之一。随着商品生产和对外贸易的增加，特别是在涂料、纸张、塑料、陶瓷、大理石等建材以及装饰性金属材料、纺织品、皮革加工、包装等工业领域、对光泽度指标要求显得更加突出。美国、德国等发达国家对光泽度也非常重视，投入大量经费进行研究开发。现在光泽度已经发展成为一门学科——光泽度学。 由此可见光泽度检测仪具有广阔的应用前景：国内外应用情况：由上所述，光泽度与我们的生活息息相关，是一个对建材等都有重要影响的质量要素。现有的能见度仪国外的都非常昂贵，国内便携式光泽度仪尤其是适用于多用途的光泽度仪未见报道，若研制成功，将会满足国内很大的市场需求；潜在用户：光泽度仪在建材、印刷等都有广泛的应用。目前，由于国外产品价格昂贵，所以没有得到更加广泛的应用。如果本课题成果转化为相应产品，降低了仪器成本，则能吸引潜在用户，形成更强的市场竞争力；市场前景及风险预测：光泽度仪在课题研究中充分考虑到性能、价格、使用等多种因素，因此无疑具有广阔的应用前景；经济效益和社会作用：国内急需这种低成本高性能的光泽度仪，本课题形成的的成果和产品，将应用于质检计量事业中，产生良好的经济效益和社会效益。国外光泽度仪的发展及研究现状 表面光泽测定技术的不断进步，赖于国际上新兴材料开发、标准化事业进程和各种光、电元器件创新及微电子技术的发展与应用。因此，尤以近二十年来，光泽计的开发经历了如下技术沿革，主要体现在：人射角度由固定的单一角度发展为一机多角度测量；制式结构从台式、便携式日趋微型化；测量值由表头指示、液晶数显拓展至数据打印；测控功能从单一测量、具有部分统计功能趋向智能化；检测方式从静态测定发展到在线监测，拓宽其应用范围。 1937年美国人Hunter等人做了大量的实验，总结了一整套数据，制定了有关测定的第一个国家标准ASTMD523-39J。半个多世纪以来，世界各先进工业国家先后对物体表面光泽测定技术开展了深入地研究，陆续制定了各自国家的方法标准主要包括：ISO2813、ATSMD523、JISZ8741、DIN67530、BS3900、GB/T9754等，从而大大加速了其日臻完善、配套互补、科学严密、国际统一的标准化进程。 英国Sheen公司开发的160型三角度微型光泽计，满足英美德日等多国标准要求，拥有、、3个测量角度，也可在2个角度（/或/）同时显示测量值，它可以自动校准，具有多项数据统计功能和存储7*999个读数，除液晶数显测量值外，还备有RS232输出接口。其外形尺寸为（43*141*72）mm，重500g。 该公司生产的155-SO型小孔光泽计（），可用于2mm2极小表面的测量，比标准光泽计在照射面积上测定更精确，并能自动计算出每批读数的最大值、最小值、平均值和标准偏差等。 德国BYK-Gardner公司研制4550型镜面多角度光泽计，采用高反射率样板，测量范围（角）为0~100光泽单位，机上除备有RS232输出接口外，液晶式字母及数字可显示英法德3国语言，并用内置微处理机自动校正。 德国REICHSON公司开发的521型Screenmaster光泽计，其标准测定角度为，不仅可提供2个测量点的读数，还可专用于测量式样的曲面光泽。[1]国内光泽度仪的发展及研究现状 我国于80年代初开始涉足光泽度研究领域（主要与林以德先生为主，由原上海市测试技术研究所进行），先后研制成功中国光泽度国家基准装置及基准板，通过国家鉴定，并被批准为国家基准。[2] 至20世纪年代中期，我国已有厂家依据GB/T1743-79规定研制出了固定为单一角度的光电光泽计，用于漆膜光泽的测定。80年代中期以来，国内开始研究等效采用ISO2813-1978，继而制定了国家标准GB/T9754-88，规定、和入射角测量不含金属颜料色漆漆膜的镜面光泽。与之相适应，有关科研单位、高等院校先后成功开发出多角度光泽计系列产品,，从而结束了我国先前虽有生产或进口仪器，但因标准各异而影响测控质量的历史。如天津市科器高新技术公司的KGZ系列、南开大学信光公司的XGT和XGP系列、沈阳仪器仪表工艺研究所的SGY系列等，这些系列的主要技术指标已接近或相当于国外同类仪器水平。多年的应用实践证明，KGZ系列，XGT和XGP系列光泽计属国产仪器中技术水平领先，性能稳定可靠的高科技规格产品，受到用户青睐，并已赢得广阔的营销市场。表1.1国内外物体表面光泽测定入射角度、标准代号及应用范围对应表Tab.1.1Domesticsurfaceglossincidenceangle,standardcodeandscopeofapplicationofthecorrespondingtable角度国外标准国内标准应用范围BS3900GB/T9754高光泽油漆、油墨、塑料、纸张DIN67530ISO2813ASTMD523GB/T8807ASTMD2457ASTMD2457ASTMD1834GB/T8941.1高光泽蜡纸、薄膜TAPPIT653ISO2767GB/T8941.2铝合金及吕氧化膜ASTMC346GB/T8807陶瓷、搪瓷、大理石、塑料、磁带ASTMD2457JISZ8741BS3900GB/T9754中光泽油漆、油墨、塑料、珐琅、陶瓷、大理石ISO2813ASTMC584GB/T9966(30)ASTMD523DIN67530GB/T8807ASTMD2457ISO8254GB/T8941-3铜版纸TAPPIT480BS3900GB/T9754低光泽漆、塑料、伪装涂层ISO2813DIN77530ASTMD523本课题的主要研究工作 由于本设计是用于建材质检，所以要设计一种便携式、低功耗的光泽度仪，以适应携带方便、户外使用的需求。此光泽度仪是基于STM32的多角度光泽度仪，其检测原理如图1.1所示，由发射模块、接收模块、信号采集处理模块、电源模块等部分组成，所以本论文的主要研究工作为：发射模块的设计：发射模块光路设计；理想光源选择等；接收模块的设计：接收模块光路设计；被测信号的滤波等；信号处理：光泽度计算等；电源管理：发射模块、接收模块及信号处理芯片提供电源管理等；数据存储：数据通信、存储、显示等。发射模块发射模块接收模块信号控制、采集、处理模块存储、显示、输出、通信图1.1系统原理框图Fig.1.1SystemBlockDiagram光泽度的理论依据 当一束光照射到物体表面时，有一部分光要由物体的表面反射回来，这些反射光杂乱无章，呈半球形分布，如图所示。根据光的反射定律，当反射角等于人射角时，称其为镜面反射，而将镜面反射以外其它方向的反射称为漫反射。从镜面反射的方向上观察，若被测漆膜致密平滑、表面越“亮”，则镜面反射越强，其表面光泽度越高反之，若漆膜粗糙凹凸、表面越“乌”，则镜面反射越弱，其表面光泽度越低。本设计就是根据光的反射原理测的反射光通量，进而计算出物体的光泽度。光的反射 只要是物质一定有反射率及折射率，反射率是从非发光体表面反射的辐射与入射到该表面的总辐射之比，它是表征物体表面反射能力的物理量。绝对黑体的反射率为0，纯白物体的反射率为1，实际物体的反射率介于0与1之间，可用小数或百分数表示。光虽然仍然沿任意两点间的最短距离传播，如表面越粗糙反射光就越多因为表面积变大了，表面越白反射光也越高。反射物的粒径大小也会造成所反射光及波长的差异，粒径是波长的一半时所反射的光就是在那个波长附近范围比较多，例如：粒径为350nm它反射的波就是700nm，如粒径太小光又会无法分辩其反射率也会降低，所以粒径粗细可造成反射光的色差。 因此反射物的色泽，粒径大小，面积，形状，距离，折射率，材质成份，密度，荧光，磷光，跟反射率关系极为密切，白色反射率最大，依材料具体的元素红色代表硫元素，蓝色代表氧元素，而绿色代表氢元素……光泽度测量的理论基础 按照ISO标准[3]的规定，物体表面的光泽度定义为一定的标准光源以某一入射角照射下，此物体表面的镜面反射能力的大小。实际测量中，是以折射率为n=1.567的黑色玻璃的镜面反射为标准，按下式[4]确定被测物体表面的光泽度： （2.1) 其中，为入射角下，标准黑色玻璃的镜面反射光通量，为同一入射条件下，被测物体的反射光通量。是标准板（黑色玻璃）的光泽度值，则为被测物体的光泽度值，单位为光泽单位。 按照ISO标准，定义标准板(折射率为n=1.567的黑色玻璃)的光泽度为100，即令=100。欲测得未知样品的光泽度，只需测得待测样品反射光通量与标准板反射光通量的比值即可。同一样品在不同的光路入射角时可能会测得不同的光泽度值，故测量结果应注明仪器测量入射角。系统总体设计 系统总体设计在一个产品开发的生命周期中具有重要的作用。它关系到系统的功能和质量，影响整个设计过程的成败，对后续开发工作有着重要的影响，通过整体设计，可以使整个设计过程都在前期规划之下，使得设计有条不紊的进行。下面对系统进行总体设计，以便于对后来各个模块的设计进行统筹规划。光泽度测量系统包括对光泽度测量、显示、存储等基本功能以及对数据分析处理等高级功能。当前市场上的光泽度仪表基本都是实现一些基本功能，使用的处理器核心一般都是8位/16位的51、PIC单片机，这些单片机功能简单，虽然能满足时下的需要但是难以满足嵌入式设备的需要，而且对人机交互功能也相对较弱，故而设计快速测量、数据通信就必须选用更高级的处理器。所以本文选择32位的ST微处理器，主芯片为STM32C6T6。 系统总体功能要求 本系统主要是实现光泽度采集以及处理分析，同时可显示和保存采集及分析的结果等功能。其工作原理是首先进行采集参数设置，在采集模块利用硅光电池采集光电信号，然后对电信号进行A/D转换，最后显示在系统液晶屏上。同时可以连续测量多组数据存储在SD卡内，通过USB接口上传到个人电脑上，通过蓝牙通信可传到蓝牙设备上，也可以通过串口外接打印机打印出数据等。发送数据到个人电脑时，通过键盘、鼠标、显示器或打印机人机互交，实现信号显示、采集和保存，实现对采集的信号进行分析处理。 该光泽度测量系统操作简便，价格便宜，便携，低功耗，易于升级等条件是该系统设计的重点考虑的因素。系统完成的任务主要包括以下几项： 系统能够进行光泽度数据采集，显示。 系统能够进行光泽度数据分析处理，可进一步进行信号分类以及后期处理。 在明确了系统任务之后，综合考虑各个模块的功能，进行系统模块划分。光泽度测量仪功能框图见图3.1。按键打印机按键打印机SD卡STM32采集转换电源控制SD卡STM32采集转换电源控制液晶蓝牙光电池光源液晶蓝牙光电池光源USB发射光路USB发射光路接收光路接收光路图3.1光泽度测量仪功能框图Fig.3.1Glossmeasurementfunctionblockdiagram 主控芯片选择 目前，许多大型半导体公司如德州仪器、三星、意法、飞利浦等，均可提供ARM芯片，而且ARM微处理器有多达十几种的内核结构，以及丰富的内部功能配置组合，这需要开发人员根据系统实际需求量体裁衣。 在综合考虑本系统工作频率、外设搭配等需求后，我们选择了意法半导体（ST）公司的ARMCortex-M3微处理器STM32作为系统的主控制器。 STM32处理器集32位RISC处理器、低功耗、高性能模拟技术、高速DMA通道以及丰富的片内外设、JTAG仿真调试等于一体，加上丰富的技术资料和完善的开发工具，使用和开发十分方便，具有极高的性价比。光路设计整体光路设计光泽度计标准光路光泽度计是利用光反射的原理对样品的光泽度进行测量，在规定入射角和规定光束的条件下照射样品，得到镜向反射角方向的光束。用光泽度计测定试样表面反射光通量与入射光通量的比值,即用反射率来评定表面光泽的强弱。光泽度计由光源、透镜、接受器和显示仪表等组成。其测量原理分为平行光路和会聚光路两种，光泽度计又分为定角式及变角式。常用的角度为20°、45°、60°、75°、85°[5]。图4.1平行光路的镜向光泽度计测量光路原理图Fig.4.1Theparallelopticalpathofspecularglossmeteropticalpathdiagram本设计中采用平行光路测量方法的光路，其测量光路原理图如图4.1所示。其中为入射角，为反射角，为测量平面(由入射光轴及反射光轴组成的平面)内的入射张角，为测量平面内的反射张角，为垂直于侧量平面的入射张角，为垂直于测量平面的反射张角，为入射方视场光阑，为反射方视场光阑，为孔径光阑。整体光路装配图由于本系统可测量20°、60°、85°三种角度的光泽度，所以需要三通道光路。整体光路装配图如图4.2所示。图中左边为发射光路，右边为接收光路。图4.2光泽度计整体光路装配图Fig.4.2GlossmeasuringinstrumentoverallopticalAssembly发射光源选择发射光源是光泽度测量仪中的一个很重要的元件，它的特性直接影响着光泽度的测量结果。理想光源[6]应具备的特点发光功率或辐射功率大。光信号的强弱直接影响着输出信号的信噪比。另外功率与光源的寿命相联系，在低于其额定功率条件下使用时，光源的寿命可按指数关系增加。因此采用高发光功率或辐射功率的光源是非常必要的。光谱功率分布应同人眼的视觉函数相近。较长的使用寿命。光源的寿命决定着仪器的连续工作时间，尽可能使用寿命较长的光源。较小的发光面积。光源的发光面积大小影响着光束的特性，面积越大，光束发散越厉害，由此直接影响到测量结果的准确性，因此应选用小发光面积、高发光功率的光源。较好的工作特性和工艺特性。工作特性主要指它的驱动电路同其它的电子线路的匹配关系如何。工艺特性是指光源的机械特性、防震特性如何。光源的分析比较以上特点是理想光源所具备的，而实际上没有一种光源同时具备以上特点，通过对现有光源进行比较分析，从而选择最理想的光源。各种光源的比较如下表 4.1[6]所示。由表4.1可以看出，LED近红外发光二极管辐射功率高，使用寿命长，发光面积小，再者发光二极管是一种半导体器件，所以其它特性也很优良，电学特性同其它二极管和晶体管一样具有低电压和低阻抗器件的特点，因而可与其它半导体器件很好地匹配，工艺特性是一种固体器件，体积小，重量轻，结构牢固，可靠性好，所以采用LED近红外发光二极管作光源是非常合适的。表4.1光源比较Tab.4.1Lightsourcecomparison光源种类脉冲氙灯LED光源功率发光功率高辐射功率大光谱范围可见光范围近红外区调制特性自身调制自身调制寿命较长最长发光面积大很小其他特性机械性能差体积小，电路匹配容易 光电探测器选择 光电探测器是一种小型电子设备，它可以检测出接收到的光强的变化。早期的用来检测物体有无的光电传感器是一种小的金属圆柱形设备，发射器带一个校准镜头，将光聚焦射向接收器，接收器由电缆将这套装置接到一个真空管放大器上。在金属圆筒内有一个小的白炽灯做为光源。这些小而坚固的白炽灯传感器就是今天光电传感器的雏形。在诸多光子探测器件中占据主导地位的是高性能半导体光电二极管、红外探测器与CCD固体成像器件。光电池光电池是一种很重要的光电探测元件，它不需要外加电源而能直接把光能转换成电能。光电池的种类很多，常见的有硒、锗、硅等，其中最受重试也最常用的是硅光电池。下面将重点讨论硅光电池。硅光电池是半导体光电探测器的一个基本单元，硅光电池是一个大面积的光电二极管，它被设计用于把入射到它表面的光能转化为电能。光电池的基本结构如图4.3所示。 图4.3光电池基本结构图Fig.4.3Photocellbasicchart当半导体PN结处于零偏或反偏时，在它们的结合面耗尽区存在同一内电场，当有光照时，入射光子将把处于价带中的束缚电子激发到导带，激发出的电子空穴对在内电场作用下分别飘移到N型区和P型区，当在PN结两端加负载时就有一光生电流流过负载。硅光电池最重要的是光谱、频率响应及温度特性，由于硅光电池的光电流与照度之间存在严格的线性关系，同时采用了视觉校正和余弦校正，使它可以精确地测量照度值。硅光电池应用的波长范围400nm~1100nm，峰值波长在850nm附近[7]。因此硅光电池可以在很宽的波长范围内应用。在强光照射或聚光照射情况下，必须考虑光电池的工作温度及散热措施。光电池是一种自发电式的光电元件，它受到光照时自身能产生一定方向的电动势，在不加电源的情况下，只要接通外电路，便有电流通过。光电池在不同的光照度下，光生电动势和光电流是不相同的。开路电压与光照度的关系是非线性的，而短路电流在很大范围内与光照度成线性关系，负载电阻越小，这种线性关系越好，而且线性范围越宽。因此检测连续变化的光照度时，应当尽量减小负载电阻，使光电池在接近短路的状态工作，也就是把光电池作为电流源来使用。同时，由于光电池PN结面积较大，极间电容大，故频率特性较差，但作为光电池的硅光电池相对具有较高的频率响应。硅光电池价格便宜，转换效率高，寿命长。由于硅光电池的光谱峰值位于人眼的视觉范围，所以很多分析仪器、测量仪表也常用到它。在作为光电转换元件，可连接数字式检流计测量光电转换后的光电流值，其性能稳定，反应快，操作简便，读数准确直观。主要用来测量一维光强的分布，根据硅光电池光谱特性和数字式检流计的最小读数可确定光强的测量的范围和精确度。CCDCCD是电荷耦合器件的简称，是20世纪70年代发展起来的新型半导体器件，是固体图像传感器中发展快速、用途广泛的一种，CCD把外界物体的图像信号转换成电信号，即把入射到CCD光敏面上的按空间位置分布的光强信息，转换为按时间顺序串行输出的视频信号，可在各种显示器上再现原物体的图像。CCD上感光组件的表面具有储存电荷的能力，并以矩阵的方式排列[8]。由于CCD的基本参数是电荷而不是电压或电流，这就使得在器件的外围电路和以及信号处理方面引入了新的概念和技术。CCD摄像机集光电转换、信号存储以及信号传输（自扫描）能力于一身，是一种崭新的全固体自扫描摄像器件。和硅光电池相比，CCD的优点是：视频信号经信号处理易与计算机连接，能实现数据的自动采集、计算和记录；基本上不保留残像，不受电磁干扰影响，温度适应性相对提高；像元尺寸的几何精度高；可同步测量被测对象不同位置的光强；可克服光源光强不稳定引起的误差。另外，由于CCD能够同时获取配测表面的亮度和相位信息，一次将CCD和计算机图像处理技术与传统的三维表面非接触光学测量方法相结合，可实时测量物体的形变、振动和外形[9]。对于CCD来说，要考虑测量尺寸，光源的选择要考虑其发射光谱与CCD的光谱响应范围对应，最好是对应响应峰值附近，这是CCD使用的一个局限性。对于光源来说，激光光斑的能量分布通常是按高斯曲线分布的，但光斑通常由于各种原因出现不均匀现象，为减小对CCD接受信号产生的影响，需减小输入信号大小或改善光斑质量;其次光源发光要稳定，照明方向要有利于反映待测物的特征信息，使所需要的特征光信息和非特征光信息有较大差别，且界限分明、正确[10]。半导体光电二极管属于这类器件的主要有PIN型光电二极管和雪崩型光电二极管(APD)[11]。目前以InGaAs制作的PIN和APD己作为高灵敏度、高响应度的光电探测器在光纤通信、光纤传感等领域广泛使用，并占据了主导地位。近年来，PIN器件的性能不断提高，其脉冲响应已达到ps量级。APD是一种具有增益能力的探测器，具有很高的灵敏度，因此更被看好。现在已对各种APD结构，如SAPD、SAM-APD、SAGM-APD以及量子阱APD等展开了深入研究。其中SAM-APD被认为是一种成功的结构形式，SAGM-APD是对SAM-APD的进一步完善，并已开始实用化。量子阱APD是一种新颖结构并具有发展前景的光电探测器，目前也已趋于实用化。红外探测器确切说，这里的红外探测器件是指光纤通信波段(850nm~1550nm)以外的中远红外探测器。它们主要应用于红外成像、制导、遥感、跟踪以及空间通信与电对抗等技术应用领域。已研制和开发的各种红外探测器件，其中以HgCdTe为材料的单元、多元及焦平面阵列探测器件受到广泛重视。在3μm~5μm波段，HgCdTe与InSb的焦平面阵列探测器件互为竞争对象，各有长处。在8μm~14μm波段，则以HgCdTe焦平面阵列探测器件为发展重点。提高阵列单元数目、探索新材料和新结构也是发展红外探测器件的重要任务。结论当被测对象对光的反射率变化，此时的光信号幅度大小亦改变。为了准确测出幅度大小的变化，必须选用线性好、响应快的器件。光电检测器件必须和辐射信号源在光谱特性上匹配。为了提高传输效率，无畸变地获得光电信号，光电检测器件不仅要和被测信号、光学系统而且要和后续的电子线路在特性和工作参数上相匹配，使每个相互连接的器件都处于最佳的工作状态。硅光电池器件价格便宜，原理简单，操作方便，受信号均匀性等因素引响较小，而CCD技术能够提供很好的探测性能，具有一些硅光电池光电探头不可替代的优点，但费用较高。本系统在考虑各种因素的基础上认为硅光电池已经可以满足本系统的测量要求，且成本较低，因此本系统采用的是光谱灵敏特性近似人眼的BS550硅光电池作为传感器子系统的检测元件。电路设计 本文设计的光泽度测量仪硬件系统主要由微处理器、人机接口、输入/输出电路和通信接口等几部分组成。基于硬件的实现主要以STM32系列微控制器为核心芯片，根据意法半导体提供的手册及资料可以很好的完成USB，SD卡等接口的连接。所以，本论文主要以光泽度计的主控芯片、AD采集部分、SD卡等部分为重点展开。图5.1电路设计整体框图Fig.5.1Overallcircuitdiagram主控芯片 STM32系列是意法半导体推出的基于Cortex-M3核的微控制器，它在Cortex-M3内核的基础上扩展了高性能的外围设备。性价比更高，价格低，可以与8位单片机竞争。Cortex内核简介 ARMCortex-M3处理器是为存储器和处理器的尺寸对产品成本影响极大的各种应用专门开发设计的。它整合了多种技术，减少使用内存，并在极小的RISC内核上提供低功耗和高性能，可实现由以往的代码向32位微控制器的快速移植。ARMCortex-M3处理器是使用最少门数的ARMCPU，相对于过去的设计大大减小了芯片面积，可减小装置的体积或采用更低成本的工艺进行生产，仅33000门的内核性能可达1.2DMIPS/MHz。此外，基本系统外设还具备高度集成化特点，集成了许多紧耦合系统外设，合理利用了芯片空间，使系统满足下一代产品的控制需求。 ARMCortex-M3处理器结合了执行Thumb-2指令的32位哈佛微体系结构和系统外设，包括NestedVectoredInterruptController和Arbiter总线。该技术方案在测试和实例应用中表现出较高的性能：在台机电180nm工艺下，芯片性能达1.2DMIPS/MHz，时钟频率高达100MHz。Cortex-M3处理器还实现了Tail-Chaining中断技术。该技术是一项完全基于硬件的中断处理技术，最多可减少12个时钟周期数，在实际应用中可减少70％中断；推出了新的单线调试技术，避免使用多引脚进行JTAG调试，并全面支持RealView编译器和RealView调试产品。RealView工具向设计者提供模拟、创建虚拟模型、编译软件、调试、验证和测试基于ARMv7架构的系统等功能。 为微控制器应用而开发的Cortex-M3拥有以下性能[12]： 实现单周期Flash应用最优化； 准确快速地中断处理，永不超过12周期，仅6周期tail-chaining(末尾连锁)； 有低功耗时钟门控(ClockCating)的3种睡眠模式； 单周期乘法和乘法累加指令； ARMThumb-2混合的16/32位同有指令集，无模式转换； 包括数据观察点和Flash补丁在内的高级调试功能； 原子位操作，在一个单一指令中读取/修改/编写； 1.25DMIPS/MHz(与0.9DMIPS/MHz的ARM7和1.1DMIPS/MHz的ARM9相比)。表5.1CortexM3和ARM7的性能对比Fig.5.1CortexM3andARM7performancecomparison比较项目ARM7Cortex-M3架构ARMv4T(冯·诺依曼）指令和数据总线共用，会出现瓶颈ARMv7-M（哈佛）指令和数据总线分开，无瓶颈指令集32位ARM指令+16位Thumb指令两套指令之间需要进行状态切换Thumb/Thumb-2指令集16位32位指令可直接混写，无需切换流水线3级流水线若出现转移则需刷新流水线，损失惨重3集流水线+分支预测出现转移时流水无需刷新，几乎无损失性能0.95DMIPS/MHz(ARM模式）1.25DMIPS/MHz功耗0.28mW/MHz0.19mW/MHz低功耗模式无内置睡眠模式面积0.26mm2（仅内核）0.86mm2（内核+外设）中断普通中断IRQ和快速中断FIQ太少，大量外设不得不复用中断不可屏蔽中断NMI+1~240个物理中断每个外设都可以独占一个中断，效率高中断延迟24~42个时钟周期，缓慢12个时钟周期，最快只需6个中断压栈软件手工压栈，代码长且效率低硬件自动压栈，无需代码且效率高存储器保护无8段存储器保护单元（MPU）内核寄存器存储器分为多组，结构复杂，占核面积多寄存器不分组（SP除外），结构简单工作模式7种工作模式，比较复杂只有线程模式和处理模式两种，简单乘除法指令多周期乘法指令，无除法指令单周期乘法指令，2~12周期除法指令位操作无访问外设寄存器需分“读改写”3步走先进的Bit-band位操作技术可直接访问外设寄存器的某个位系统节拍定位无内置系统节拍定时器，有利于操作系统移植基于Cortex-M3的单片机STM32 STM32[13]有两个系列：增强型STM32F103和基本型STM32F101，都包括： 3×USART 2×SPI 2×I2 3×16位定时器 4-16MHz主振荡器 内嵌8MHz的RC振荡器和32kHz的RC振荡器 实时时钟 2×看门狗 复位电路，上电/断电复位，电压检测 7通道DMA 80%管脚是通用I/O 温度传感器 基本型的STM32F101的性价比较高，包括： 主频36MHz 16K字节SRAM 1个12位的1Msps的ADC(1μs) 增强型STM32F103的性能更强，还包括 主频72MHz 多达20K字节SRAM CAN2.0B USB2.0全速 专用PWM定时器 2个12位的1Msps的ADC(1μs) STM32F103xx增强型系列使用高性能的ARMCortex-M332位的RISC内核，工作频率为72MHz，内置高速存储器(高达128K字节的闪存和20K字节的SRAM)，丰富的增强I/O端口和联接到两条APB总线的外设。所有型号的器件都包含2个12位的ADC、3个通用16位定时器和一个PWM定时器，还包含标准和先进的通信接口：多达2个I2C和SPI、3个USART、一个USB和一个CAN。 这些丰富的外设配置，使得STM32F103xx增强型微控制器适合于多种应用场合： 电机驱动和应用控制； 医疗和手持设备； PC外设和GPS平台； 工业应用：可编程控制器、变频器、打印机和扫描仪； 警报系统，视频对讲，和暖气通风空调系统。 根据以上信息，本设计选用的核心微处理器为STM32C6T6。STM32C6T6为48脚32K字节Flash增强型ARMCortex-M3内核的32位微控制器。根据意法半导体官方的手册，对本设计中的STM32芯片进行外围电路的连接。由图5.1可一看出，STM32的外围电路光电转换电路光电池 光电池有许多的特性，正是由于光电池的这些特性，为我们在设计选配光电池在设计上的应用提供了依据。在本设计中将重点应用其光照特性。 光电池的光照特性指的是其光生电动势和光电流与照度之间的关系。光电池的电动势即开路电压U与照度L成非线性关系，在照度为2000勒克司照射下就趋近于饱和了[14]。但是光电池的短路电流与照度近似成线性关系，而且受照射的面积逾大，短路的电流也愈大，考虑到光电池在测试时要与被测的物理量有较好的线性度，因此当光电池作为测试元件时，应以电流源的形式来使用。 光电池的光照特性与负载之间的关系是，对于光电池，其负载愈小，光电池的光电流和照度的线性关系愈好，而且其线性范围也较广。故光电池在作为测试元件时，所用的负载电阻的大小，应根据照度或光强而定。当照度较大时，为保证测试有较好的线性的关系，所用的负载的电阻应比较小。 当硅光电池用作光电转换器时，光电池必须处于零偏或反偏状态。光电池处于零偏或反偏状态时，产生的光电流与输入光功率有以下关系[15]： （5.1）式中为输入光功率，R为响应率，R值随入射光波长的不同而变化，对不同材料制作的光电池R值分别在短波长和长波长处存在一截止波长，光电池把接收到的光信号转变为与之成正比的电流信号，再经电流电压转换器把光电流信号转换成与之成正比的电压信号。比较光电池零偏和反偏时的信号，就可以测定光电池的饱和电流。光电转换电路的基本结构如图5.2所示。I/V转换光电池I/V转换光电池接收光电流到AD图5.2光电转换电路框图Fig.5.2CircuitdiagramofphotoelectricconversionI/V转化电路原理图各种类型的集成运算放大器广泛应用于光电变换，尤其是以对于大多数微弱光信号的检测中，它与光电器件组合在一起的组合器件也已产生，集成运算放大器具有结构简单、使用方便的特点而得到广泛应用。在本系统中光电器件和放大电路的连接选用典型的电路放大连接方式。如图5.3所示，硅光电池和运算放大器的输入端反极性相连，可以认为硅光电池是处于短路工作状态，能输出近于理想的短路电流。处于电流放大状态的运算放大器，其输出电压，与输入短路光电流成比例关系： (5.2)即输出信号与输入光强(E)成正比，为光电灵敏度。此外，电流放大器因输入阻抗响应速度较高，噪声较低，信噪比高，因而被广泛应用于光强信号的检测中[16]。图5.3I/V转化电路原理图λFig.5.3I/VconversioncircuitschematicI/V转换电路由于本系统有20度、60度、85度3个方向光泽度测量，所以有3个通道需测量。实际使用I/V转换时，需要3个运放。所以，这里采用采用四运放TLV2254。TLV2254是德州仪器的四路轨至轨低压低功耗运算放大器。TLV2254每通道仅消耗34μA电源电流。这种低功耗具有很好的电池电源选择性。TLV2254的高阻抗和低功耗特性，非常适合小信号调节高阻抗，比如压电传感器。由于3V供电的低功耗特性，使得在工作监测和遥感有良好的应用。此外，单独或分离电源轨到轨输出功能，使其具有不错模拟数字转换器（ADC）的接口选择性。对于高精度应用，TLV2254最大输入失调电压是850μV。其引脚图如图5.4所示。图5.4TLV2254管脚图Fig.5.4TLV2254pinmap具体电路连接如图5.5，硅光电池转换出来的电流信号需要集成运算放大器TLV2254将电流信号转换成电压信号，通过电阻取值可控制输出电压信号的大小。本模块为模拟电路，电源管脚VDD+接模拟电源3.3V(VCC3.3A)，管脚GND和运算放大器的四个同向输入端接模拟地。输出的三路电压信号通过AD转换器将电压信号转换为与光强对应的数字信号。图5.5I/V转换电路图Fig.5.5I/VconversioncircuitAD电路（C8051F）本系统中的AD模数转换器采用C8051F350内置的AD，同时该单片机可以控制三个不同角度测量光泽度分时测量，防止互相影响。其与主控芯片STM32之间可以采用串口UART通信方式。C8051F简介C8051F系列微控制器为美国Cygnal公司设计生产的混合信号系统级芯片微控制器(SOC)。现已为市场提供了数十个品种。该系列微控制器的CIP-51内核采用流水线指令处理方式，最高运算速度达到IOOMIPS。C8051F系列是真正能独立工作的系统级芯片微控制器。CPU有效地管理模拟和数字外设，可以关闭单个或者全部外设以节省功耗。FLASH存储器具有在线重新编程的能力，即可用作程序存储器又可用作非易失性数据的存储。与普通的8051单片机相比，它具有以下的特点[17]：CIP-51内核与MCS-51的指令系统完全兼容，可用标准的ASM-51、C-51编译器开发C8O51F的应用程序。高速指令处理能力。由于采用了流水线架构的指令处理能力，绝大部分指令可以在一个到两个时钟周期内完成，而普通的51单片机的机器周期为12个时钟周期。增加了中断源。标准的8051有7个中断源，C805lF提供了22个中断源，这对于处理实时多任务系统非常重要。增加到7种复位源，使系统的可靠性大大提高。包括:片内电源监视、WDT(看门狗定时器)、时钟丢失检测器、比较器O输出电平检测、软件强制复位、AD转换启动和外部引脚复位。提供了内部时钟源，时钟源的误差范围在(2%一10%)，这有益于低功耗的设计应用。可编程数字I/0和交叉开关。该系列单片机内部集成的大量的数字和模拟外设可以通过配置数字交叉开关灵活的连接到输入输出端口。每个端口的I/0引脚可以设置为推拉和开漏输出。集成数字和模拟外设。集成的数字外设有:定时计数器、可编程计数器/定时器阵列、串行总线(UART、IIC、SMBus、SPI、CAN、USB)控制器、比较器和看门狗定时器。集成的模拟外设有:模数转换(ADC)子系统、数模转换(DAC)子系统、多路复用器、电压基准源以及可编程运算放大器PGA。全速的在线调试。设计有片内调试电路和JTAG接口，可以实现全速的非插入式片上全速调试。Cygnal提供基于WindowS的在线开发调试环境和出口适配器，可实现存储器和寄存器校验修改;设置断点、观察点、堆栈;控制程序单步、全速和停止运行。调试时所有的数字和模拟外设都能正常工作，实时反映真实情况。基于以上特点，C805lF系列单片机适合于应用到实时多任务系统的设计中。应用该系列的产品开发智能仪器具有稳定性、性能价格比高、开发周期短等特点。可以满足本论文的设计要求。在本设计中选择的型号为C8051F350。C8051F350器件是完全集成的混合信号片上系统型MCU。下面列出了一些主要特性[18]：8051兼容的CIP-51内核（可达50MIPS）全速、非侵入式的系统调试接口（片内） 24或16位单端/差分ADC，带模拟多路器两个8位电流输出DAC高精度可编程24.5MHz内部振荡器8KB在片FLASH存储器768字节片内RAM硬件实现的SMBus/I2C、增强型UART和SPI串行接口4个通用的16位定时器具有3个捕捉/比较模块和看门狗定时器功能的可编程计数器/定时器阵列（PCA）片内上电复位、VDD监视器和温度传感器片内电压比较器17个端口I/O（容许5V输入）具有片内上电复位、VDD监视器、看门狗定时器和时钟振荡器的C8051F350是真正能独立工作的片上系统。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。用户软件对所有外设具有完全的控制，可以关断任何一个或所有外设以节省功耗。片内SiliconLabs二线（C2）开发接口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。调试逻辑支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、单步、运行和停机命令。在使用C2进行调试时，所有的模拟和数字外设都可全功能运行。两个C2接口引脚可以与用户功能共享，使在系统调试功能不占用封装引脚。图5.6C8051F管脚图Fig.5.6C8051FC8051F350内部AD C8051F350内部有一个全差分24位Sigma-Delta模/数转换器（ADC），该ADC具有在片校准功能。两个独立的抽取滤波器可被编程到1KHz的采样率。可以使用内部的2.5V电压基准，也可以用差分外部基准进行比率测量。ADC0中包含一个可编程增益放大器，有8种增益设置，最大增益可达128倍。模拟多路选择器将ADC的差分输入与8个外部引脚及内部温度传感器相连。可以使用内部输入缓冲器为直接连接的变送器提供高输入阻抗。一个8位的偏移DAC允许修正较大的输入偏移电压。C8051F350电路图 C8051F350的电路图如图5.7所示。三路发射光的控制分别为P1.1、P1.2、P1.3，三路光电信号的ADC输入分别为ADC0、ADC1、ADC2。AD采集的光电信号通过发送UART口到STM32主控芯片。UART分别使用P0.4和P0.5口。图5.7C8051F电路图Fig.5.6C8051Fcircuit电源管理 本设计可采用外接5V电源供电、USB供电、电池供电等方式。电路中的模拟数字电压均为3.3V。图5.8电源接入电路图Fig.5.8Poweraccesscircuit模拟电压 本设计中的模拟电压为3.3V，给运放及AD等模拟器件供电。这里使用300mA的超低压稳压器GM6250。GM6250兼具低功耗和高精度，同时在极低输入输出电压差的应用中提供高电流输出。GM6250包含一个高精度参考电压源，一个误差校正电路，过热保护，输出电流限制驱动器。其特性如下： 最大输出电流300mA 输出电压在1.5V到5.0V之间以0.1V递增 输出电压精度为±2% CMOS低功耗 输入稳定性：通常为0.2%/V 超低压差图5.9GM6250管脚图Fig.5.9GM6350pinmap图5.10GM6250电路图Fig.5.10GM6250Circuit数字电压 本设计中的数字电压也为3.3V，作为STM32和C8051F等数字器件供电。这里使用GM7109。GM7109是三端线性稳压器的高效率替代品，并且需要更小的散热片甚至无需散热片。其特性为： 在指定的输入电压输出负载输出电压精度为±2% 输入电压范围高达40V 只需4个外部元件的高效率 TTL开关功能，低功耗待机模式 内置热关断，电流限制保护 150KHz固定频率的内部振荡器图5.11GM7109管脚图Fig.5.11GM7190pinmap图5.12数字电压电路图Fig.5.12Digitalvoltagecircuit电池电压监控电池监控采用低功耗电压监控器MAX836。MAX836包含一个1.204V高精度带隙基准和一个比较器。电池监控电路图5.14所示。本系统可采用4节电池供电，所以VBAT为6V，采用分压法，使输入MAX836电压为1.204V即可实现功能。经计算得，R34与R33比值为4：1即可。图5.13MAX836内部结构图Fig.5.13MAX826internalstructureofthemap图5.14电池监控电路图Fig.5.14BatterymonitoringcircuitLED驱动本电路系统中有三路LED发射通道，液晶显示屏的背景等也采用一个LED照明，所以电路中有四个LED通道。这里采用低功耗LED驱动芯片AMC7110，可达90%的效率。具体电路；连接图如图5.15所示。通过控制每个芯片EN脚的状态即可控制LED的点亮状态。图4.15LED驱动电路Fig.4.15LEDdrivercircuitSD卡电路 本设计存储记录功能采用大容量的SD卡实现，对数据的保存、复制等操作都非常方便。SD卡挂接STM32的SPI总线上，主控制器根据SD卡的命令格式向其发送命令和数据，并将采集到数据按照FAT文件系统组织成文件。STM32片上SPI接口 SPI是SerialPeripheralInterface的缩写，即串行外围设备接口，是Motorola首先在其MC68HCXX系列处理器上定义的。SPI接口主要应用在EEPROM、FLASH、实时时钟、A/D转换器等。SPI是一种高速全双工同步的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为PCB的布局上节省空间，提供方便，正是出于这种简单易用的特性，现在越来越多的芯片集成了这种通信协议。STM32微控制器带有两个片上SPI接口，系统的存储模块即和SPI接口连接。 通常，SPI通过4个引脚和外部设备相连： MISO：主入/从出数据口。此脚在从模式中发送数据，在主模式中接收数据。 MOSI：主出/从入数据口。此脚在主模式时发送数据，在从模式时接收数据。 SCK：SPI主设备输出串行时钟，SPI从设备输入串行时钟。 nSS：从选择。这是一个用来选择主/从模式的可选引脚。SD卡与微控制器的接口电路 SD卡的内部结构如图5.16所示，其内部除了具有大量存储单元外，还具有卡接口控制器、寄存器以及SDIO和SPI两种模式的对外接口等[20]。外部控制器访问卡的外部信号线并不与存储器单元直接相连，而是通过卡的接口控制器来访问存储器。卡内存储单元的读/擦/写由卡接口控制器根据主控制器的命令自动处理完成，而主控制器无须知道卡内是如何操作、管理存储单元的，这将大大减轻主控制器对存储器操作的负担。SD卡内部有6个信息寄存器，用来设置和保存操作卡的关键信息，有两个状态寄存器，用来记录操作卡的当前状态。图5.16SD卡内部结构图Fig.5.16TheinternalstructuremapofSDcardSD卡对外管脚共9条，其中6条为数据线，3条为电源线。一般地，SD卡对外的接口有两种：SDIO和SPI总线。在具体的通信过程中，主机只能选择其中一种通信模式。通信模式对于主控制器来说是透明的，卡会自动检测复位命令的通信协议模式，而且通信模式一旦选定，系统在通电情况下不能改变。因为SPI总线通用性较SDIO总线好，所以这里选用SPI总线模式。在SPI模式下，SD卡的对外接口为4线接口，信号的定义为:nCS(低电平有效的片选信号)、CLK(时钟信号)、SDI(数据输入信号)和SDO(数据输出信号)。图5.17SD卡接口电路Fig.5.17SDcardinterfacecircuitUSB电路STM32集成USB2.0简介USB2.0接口是本系统中传输接口之一，相对于传统的串口而言，其主要优势可归结为以下几点：数据传输速率快。USB2.0理论最高速率可达480Mb/s，并且支持错误检测，可以准确无误地传输数据。即插即用。USB总线支持设备的热插拔和动态配置。功耗低。外设由USB接口直接供电，输出约为5V的电压，并具有电源保护功能，如果3ms内没有总线活动的话，USB将自动挂起总线状态。易于扩充多个外设，最多可以支持4个HUB层和127个外设。图5.18STM32USB外设框图Fig5.18STM32USBPeripheralBlockDiagram如图5.18所示[21]，STM32微处理器中集成了USB外设，内部结构主要包括串行接口引擎、分组缓冲器接口、端点相关寄存器、DMA控制寄存器、中断寄存器等模块，实现了一个全速USB2.0总线和APB1总线之间的接口，支持USB的挂起/恢复，从而允许为实现低功耗而停止设备时钟，非常方便用户使用和开发。USB接口电路USB数据传输采用四根电缆，其中两根（D+，D-）差分双绞线是用来传送数据的串行通道，另两根（VBUS，GND）是符合标准的±5V电源线，可为后端的USB设备提供电源。图5.19USB接口电路图Fig.5.19USBinterfacecircuitdiagram液晶显示电路本系统采用深圳拓普微科技开发有限公司的LM6030点阵液晶屏。点阵数为132×64，足以满足本系统设计的要求。LM6030内置ST7565液晶驱动芯片，编程控制易于实现。这里采用串行控制方式，SDA为串行数据，SCLK为串行时钟，A0为数据指令选择，RSTB为复位，CSB为片选。液晶屏的硬件电路接口电路图如图5.20所示。图5.20液晶显示接口电路Fig.5.20LCDinterfacecircuit整体电路PCB图图5.21整体电路PCB图Fig.5.21PCBoverallcircuitdiagram软件设计C8051F程序设计语言的选择对于C805lF系列单片机及其兼容型单片机，目前有四种语言支持：汇编语言、BASIC语言、PL/M语言和C语言。汇编语言有执行效率高、速度快、与硬件结合紧密等特点，但是程序的可读性及开放性差，从系统开发时间上来看，效率不是很高；BASIC程序是逐行解释的，每一行必须转换为机器代码才能执行，需要花费大量的时间，所以它的实时性能不好；PL/M由Itel公司开发，是一种贴近硬件的高级语言，但是该语言不支持复杂的算数运算、浮点变量，也没有丰富的库函数支持，因而并不是良好的C8051F系列单片机开发工具；C语言是一种编译型程序设计语言，它兼顾高级语言的特点，并具备汇编语言的功能，C语言又是一种结构化程序设计语言，支持自顶向下的结构化程序设计技术，并且具有完善的模块程序结构。目前使用C语言设计程序己成为软件开发的一个主流，它可以大大缩短开发周期，明显增强程序的可读性，便于改进和扩充。鉴于C语言的诸多优势，我们选择它作为本系统的程序设计语言。C51编译器和ML-EC3仿真器单片机的C程序采用C51编译器(简称C51)编译[22]，由C51产生的目标代码短，运行速度快，所需的存储空间小，符合C语言的ANSI标准，并且可以与A51汇编语言目标代码混合使用。和汇编语言一样，C语言源程序经过C51编译器编译，L51(BL51)连接/定位后生成.BIN和.HEX的目标程序文件。目前C51大多使用Keil/Franklin、Areheades、IAR和BOS/Tasking等公司开发的C51编译器。其中Keil/Franklin的C51编译器在代码生成方面领先，可产生最少的代码。它支持浮点和长整数、重入和递归。本程序设计采用Kei1uVISionZ集成开发环境，它是基于WindowS的软件开发平台，由德国KeilSoftware公司推出，它主要包括：.ProView一8051集成窗口开发环境.Csl一优化C编译器.A51一宏汇编器.L51一8051连接器/定位器.LIB51一库管理器.MON51一目标监控.Decope-51一模拟调试器KeiluVision2本身不带C801F系列单片机资料和启动程序，因此选择了该系列的仿真器。ML-EC3仿真器是美国Silabs公司授权我国的西安铭朗公司研发生产的C8051F全系列MCU新一代仿真开发工具。该工具可实现单步、连续单步、硬件断点、停止/运行、贮存器和寄存器的修改与查看、下载程序到贮存器、加密等功能。可在Keil的uVsion2或SiliconLaboratoriesIDE环境下进行硬件调试。ML-EC3与EC2相比，采用了真正的USB接口(ECZ使用的是USB转RS232接口)，解决了EC2运行不稳定的问题，且大大提高了程序下载和硬件仿真调试的速度。微控制器C8051F350的配置C8051F系列单片机的CIP51内核虽然指令系统与普通的51单片机完全兼容，但是由于它集成了大量的模拟和数字外设，它的初始化配置较以往的51单片机要复杂。在本系统应用中需要进行以下几方面的初始化配置：时钟振荡源的配置、I/0端口的配置、ADC子系统的配置以及串行通信端口的配置。时钟振荡源的配置微控制器C8051F350有一个可编程内部振荡器和一个外部振荡器驱动电路。复位后从内部振荡器开始启动，该振荡器可以被软件禁止和启动，通过配振荡器控制寄存器(OSCICN)来实现。同样通过配置外部振荡器控制(OSCXCN)可以实现外部时钟源输入。采用系统内部RC振荡器时，产生频率随着MCU长时间工作会出现变化，不利于应用于要求高精度的ADC系统。所以选择外部石英晶体振荡器作为系统的时钟源。当外部振荡器稳定运行时振荡器有效标志(OSCXCN寄存器中的XTLVLD)被硬件置‘1’。XTLVLD检测电路要求在允