国家级课程-浙江大学-《微机原理与接口技术》-（1217）案例设计与分析

微机系统设计案例分析浙江大学光电系2021.12

主要内容数据采集系统设计案例数字频率计设计案例温度测控系统设计案例数据采集系统设计案例数据采集系统的结构多路模拟开关采样/保持器A/D转换器选择原那么数据采集系统的结构集中采集式模拟输入通道结构传感器调理电路传感器调理电路调理电路A/D转换器传感器采样/保持器采样/保持器采样/保持器控制逻辑A/D转换器A/D转换器分布采集式模拟输入通道结构数据采集系统的结构多路模拟开关多路开关完成多路信号到一路的转换；或反向多路开关〔多路分配器〕，完成一到多的转换。模拟开关的主要参数： 接通电阻：RON，越小越好。 断开电阻：ROFF，越大越好。CD4051是双向8通道多路开关，输入电平范围宽，其数字量信号电平幅度可为3V～20V，模拟量信号的峰值可达20V。CD4051带有三个通道选择输入端A，B，C和一个使能端INH，低电平有效。CD4051真值表INHCBA接通通道号0000IN00001IN10010IN20011IN30100IN40101IN50110IN60111IN71×××都不选通使用使能端INH，可以方便地实现通道数的扩展，用两片CD4051可组成16路的多路开关。

1314CD4051151215324ABCINHIN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN71314CD4051151215324ABCINHIN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7D0D1D2D3OUT2个CD4051组成的16路模拟开关采样/保持器为了保证A/D转换的精度，在转换时间τ内模拟信号应保持不变。通常在对高频信号进行A/D转换时，在A/D转换器的前端参加采样/保持〔S/H〕电路。采样/保持电路有采样和保持两种状态，其原理如下图。电容CH为保持电容，运放A1和A2都接成跟随器，其运行状态由方式控制输入端来决定。S方式控制输出A1A2CH输入在采样状态下，S闭合，由于跟随器A1的隔离作用，输入模拟电压以很快的速度给CH冲电，输出随输入变化。在保持状态下，S翻开，此时由于跟随器A2的隔离作用，电容CH两端的电压〔即输出电压〕将保持不变，直到新的采样命令到来为止。t1t2采样u0＝ui保持u0＝ut1uit采样/保持器的技术参数1.孔径时间〔tAP〕孔径时间是指发出保持指令到开关真正翻开所需要的时间。孔径时间对高频信号的转换精度会有影响。孔径时间一般在10ns～20ns量级。〔通常可以忽略〕2.捕捉时间〔tAC〕捕捉时间是指从开始采样至采样保持器输出到达当前输入信号的值所需要的时间。它与保持电容器CH的值，放大器的频响时间以及输入信号的变化幅度有关。显然，A/D转换的采样时间必须大于捕捉时间，才能保证采样阶段充分地采集到输入模拟信号。一般采样/保持电路的捕捉时间在几us到几十us之间。捕捉时间将影响信号的采样频率。3.保持电压的下降指在保持状态下，由于保持电容的漏电流和其他杂散漏电流而引起的保持电压的下降，其值一般在0.1μV/s～15μV/s之间。外接保持电容CH：保持电容直接影响捕捉时间和保持下降率，这2个参数是相互矛盾的，所以要权衡后作出选择。1、电容值的大小：电容值小，捕捉时间短，可以提高采样频率；但保持下降速率提高，要影响转换精度。2、电容的材料：要选择滞后小〔介质吸收小〕的介质做成的电容器。 最好的是聚丙烯电容，其次是聚苯乙烯、聚四氟乙烯电容。A/D转换器选择原那么考虑因素：分辨率、精度、转换速度〔根据数据采集系统的精度指标〔总的检测误差〕，在系统的前向通道进行误差分配。〕系统总误差是分配在各环节上的〔传感器精度、信号调节电路精度和A/D转换精度〕，根据分配在A/D上的误差，选择A/D转换器的位数和精度。根据检测信号的频率〔变化率〕及转换精度要求，确定A/D转换速度，以保证系统的实时性要求。对快速信号还要考虑是否要加采/保电路。根据环境条件选择A/D芯片的一些环境参数要求。如工作温度、功耗、可靠性等。例如：要求设计一温度测量仪，测量范围：0～100C，经信号调理后对应输出电压为0～5V；要求测量误差≦1C。误差分配：温度传感器测量误差0.5C；信号调理电路误差折合：0.2C；A/D转换器的误差允许：0.3C。A/D转换器分辨率和精度的选择：先计算0.3C对应的电压值是5000mV×0.3/100＝15mV，所以不能用8位A/D转换器〔分辨率为19.6mV〕，可选用10位〔分辨率为4.88mV〕或12位A/D〔分辨率为1.22mV〕；精度可以选择1～2LSB。数字频率计设计

V/F转换与接口技术频率测量原理高频测量方法与误差分析低频测量方法与误差分析V/F转换与接口技术V/F转换：把模拟信号转换为与输入电压成比例的频率信号。V/F转换器是把电压信号转变成频率信号的器件，具有良好的精度、线性和积分输入特点。V/F转换器的应用电路简单，外围元件性能要求不高，适用于对采样速率要求不高的场合。频率信号与计算机接口特点接口简单、占用计算机硬件资源少。对于一路模拟信号只要占用一个数字输入通道。频率信号输入灵活。可输入到单片机或微处理器的任一根I/O线或作为计数输入或作为中断源等。抗干扰性能好。频率信号与计算机的接口很容易采用光电耦合器进行光电隔离，提高系统的抗干扰能力。便于远距离传输。它可以调制在射频信号上，进行无线传输，实现遥测。VccV＋V+VCC光电耦合器光电耦合器的隔离作用频率信号输入通道结构各种被测的物理量，通过不同类型的传感器、信号处理电路等，最终转换成与被测量成比例的TTL电平的频率信号，输入到微机应用系统。根据所选择的传感器不同，频率信号输入通道结构有很大不同。1．最简频率信号输入通道结构

传感器直接把被测物理量变换成频率信号、脉冲周期或脉冲数。f、T、N脉冲数字传感器放大整形光电耦合计算机应用系统TTL电平f、T、N最简频率输入通道前向通道将脉冲信号通过放大整形、电路转换成TTL电平的频率、周期、周期数信号送入计算机应用系统中即可。经过光电耦合后可滤掉一些干扰信号。2．V/F转换频率信号输入通道结构传感器输出的小信号经放大、调理器，再进行V/F转换器转换，转换成TTL频率信号，经光电耦合后送入计算机。传感器小信号V、I信号调理器V/F光电藕合计算机应用系统0~5VfV/F转换频率输入通道结构3．R、L、C/F转换信号频率输入通道结构参量传感器将被测物理量变换成R、L、C的变化，将这些R、L、C参量接入R、L、C振荡电路或脉冲宽度调制器，那么振荡电路输出的频率f或脉冲宽度调制器输出的周期与相应的R、L、C成正比。参量R、L、C变换器RLC振荡器/RLC脉宽调制器放大整形光电耦合计算机应用系统R/L/Cf/TTTL电平R、L、C/F转换频率输入通道结构频率信号与单片机接口1．脉冲信号接至计数器的输入端当脉冲信号频率较高时，可将频率信号接至计数器的输入端，测一定时间内的脉冲数即测频。2．脉冲信号接至外部中断输入端当脉冲信号频率较低时，可以采用测周期法。通过测量被测脉冲的周期，计算得到脉冲信号的频率。3.脉冲信号接至I/O口线

频率测量原理频率：即周期信号在单位时间〔秒〕内变化的次数。如测量信号为方波脉冲，那么要测量的“频率〞就是在单位时间内检测到的脉冲数。频率测量的两种方法：一种是测量单位时间内的脉冲数，称为“直接测频法〞，适用于高频信号；另一种是通过精确测量待测信号的周期，计算出信号的频率，称为“间接测频法〞，一般用于测量低频信号。高频测量方法与误差分析当信号频率较高时，通常采用直接测频法，测一定时间内的脉冲数即可得到其频率。测量过程：如图1所示，在闸门时间内，对输入脉冲信号进行计数，即可得到其频率。假设闸门开启时间为T，在闸门时间Ｔ内计数器的计数值为N，那么待测信号的频率为fx=N/T。假设闸门时间为1s，计数器的值为1000，那么待测信号频率为1000Hz即1kHz。高频测量方法与误差分析图1.直接测频法高频测量方法与误差分析直接测频法的硬件连接：频率信号接至一个计数器的输入端。该定时器/计数器工作在计数方式，用来记录外部被测脉冲的个数；设置另一定时器/计数器工作在定时方式，进行时间的定时。如由T0控制定时的长度为1S，T1记录外部脉冲；在定时器T0开始定时的同时，启动T1开始计数，在定时1S时间到时，关闭T1计数；然后读出T1的计数值〔计数初值设为0〕，这样即可求出频率。高频测量方法与误差分析频率测量的误差分析：假设计数闸门时间为1秒，计数器是上升沿触发计数；图2所示的情况是在闸门时间内，有3个完整的脉冲信号，但实际有4个上升沿，因此实际计数值是4，即多计了一个脉冲。而图3所示的情况是在闸门时间内，接近有4个完整的脉冲信号，但只有3个上升沿，实际计数值是3，即少计了一个脉冲。有以上分析可知，采用计数法的频率测量误差为±1Hz。对于更一般的情况，设闸门时间为T，实际脉冲数为N，那么用测频法测得的实际值为N±1。那么测量误差为：高频测量方法与误差分析1s脉冲信号123图2在1s时间内，基本上是3个脉冲，但有4个上升沿，故计数值为4，多计了一个。1s1234图3在1s时间内，基本上有4个脉冲，但只有3个上升沿，故计数值为3，少计了一个。脉冲信号高频测量方法与误差分析由于计数器是在脉冲的一个边沿加1，在1秒时间内脉冲个数都不会正好是整数个，存在多1个或少1个的情况，因此频率测量的误差是±1个脉冲；如被测脉冲的频率为5KHz，由于脉冲计数误差为±1，所以其测量误差为=。对于16位计数器，能测量的最高频率为65.536KHz。通过缩短定时时间或分频外部被测脉冲，可提高测量范围，但是测量精度相应降低。高频测量方法与误差分析如当被测频率较低时，如100Hz，由于脉冲计数误差为±1测量结果为99Hz～101Hz，因此其测量误差为。如被测频率为10Hz，由于脉冲计数误差为±1测量结果为9Hz～11Hz，因此测量误差变为±1/10=±10%。因此测频法适用于测量频率较高的信号，对于低频信号，误差较大。低频测量方法与误差分析当信号频率较低时，通常采用间接测频法，测量出待测信号的周期，再计算获得信号的频率。其测量原理如以下图所示。定时开始停止计数，并禁止再中断中断允许第二次中断第一次中断中断允许定时时间内，记录的机器周期数，计数误差为±1。低频测量方法与误差分析可以通过中断或查询的方式检测待测信号相邻的两个下降沿，即一个周期的起始和结束位置。在周期开始时，启动定时〔时间常数设为0000H〕；在周期结束时，结束定时，读取定时器存放器的值即为定时时间内的脉冲数〔1个脉冲为1个机器周期〕，计数误差为±1个脉冲。设系统频率为12MHz时，如从定时器中读出的计数值是24000，即定时时间为24ms，定时误差为±1uS；那么频率为。定时误差几乎可以忽略。低频测量方法与误差分析间接测频法的硬件连接：外部脉冲直接连到中断输入端。设置允许外部中断，下降沿引起中断。这样在第一个下降沿到来时，申请CPU中断，在中断效劳程序中，命令一个定时器开始定时〔定时器初值设为0〕；第二个下降沿到来时引起CPU中断，在中断效劳程序关闭定时器，并读出定时器的计数值。根据2个下降沿之间的定时值，就可以方便地计算出脉冲信号的周期和频率。测量误差分析举例例：某一脉冲信号的频率范围为10Hz—5KHz，要求测频精度≤±0.2%。请设计测量方法。解：为保证整个范围内的测量精度，对于高频率段要用测频法；对于低频率段那么要用测周法。分界频率确实定：测频时最大误差：即f〔分界〕=fmin=500Hz即对于频率≥500Hz的脉冲信号，采用测频法〔定时1S〕，此时的最大测量误差是±0.2%。对于频率≤500Hz的脉冲信号，采用测周法〔周期≧2ms〕，此时最大测量误差是±1us/2000us=±0.05%。脉冲信号接至I/O口线对于需要不能丧失地测量到多路脉冲信号，可以将多个被测脉冲信号连接到多根输入口线。根据被测脉冲的频率范围，CPU定时读取各口线的状态，根据状态的变化，记录得到每个脉冲信号的个数。例如：测量16个电表的脉冲信号，设信号的最小电平宽度≥10ms，那么可以令一个定时器定时10ms，在10ms中断程序中，读取16根口线的状态，当某通道检测到上升沿时，那么该通道脉冲数＋1。1-wire总线单总线数字温度传感器DS18B20特性基于DS18B20的温度测控系统设计实例

温度测控系统设计案例1－wire概述1-wire单总线是Maxim全资子公司Dallas的一项专有技术。采用单根信号线，既传输时钟，又传输数据，数据双向传输。优点：节省I/O口线资源、结构简单、本钱低廉、便于总线扩展和维护等。包含多种功能的器件，如：身份识别、传感器、控制和存储器等。既有各种传统的IC封装形式，还可提供超小型CSP、不锈钢铠装iButton等新型封装。iButton是一种遵循1-wire协议的电脑芯片被封装在直径16mm的不锈钢纽扣里。iButton可存储个人的最新信息(如病史、身份证等)并能随身携带至任何地方，因为它足够巩固性可以承受任何户内或户外苛刻的环境。iButton持久耐用，可附于钥匙链、手表、戒指或其他日常用品上，作为出入公司大门或使用公司电脑权限的工具。数据可以在iButton和PC间通过瞬时接触传输，速率为142k/s。让iButton与蓝点接收器或其他探头接触，1-wire适配器蓝点与PC机的串行口或并行口相连。1-wire单总线适用于单个主机系统，能够控制一个或多个从机设备。当只有一个从机位于总线上时，系统可按照单节点系统操作；而当多个从机位于总线上时，那么系统按照多节点系统操作。每个1-Wire器件内部激光刻度全球唯一的64位ROMID码。包含256个产品家族，每个家族系列最大数目可达一千八百万亿〔248〕,用之不竭16kbps或140kbps的数据传输速率8位校验码48位序列号8位家族码硬件结构

设备(主机或从机)通过一个漏极开路或三态端口，连接至该数据线。这样允许设备在不发送数据时释放数据总线，以便总线被其它设备所使用。单总线端口为漏极开路。单总线要求外接一个约5k的上拉电阻，这样单总线的闲置状态为高电平。不管什么原因如果传输过程需要暂时挂起，且要求传输过程还能够继续的话，那么总线必须处于空闲状态。位传输之间的恢复时间没有限制，只要总线在恢复期间处于空闲状态(高电平)。如果总线保持低电平超过480us，总线上的所有器件将复位。在寄生方式供电时，为了保证单总线器件在某些工作状态下，(如温度转换期间、EEPROM写入等)具有足够的电源电流，必须在总线上提供强上拉。命令序列

典型的单总线命令序列如下：第一步初始化第二步ROM命令(跟随需要交换的数据)第三步功能命令(跟随需要交换的数据)

每次访问单总线器件,必须严格遵守这个命令序列,如果出现序列混乱,那么单总线器件不会响应主机。但是，这个准那么对于搜索ROM命令和报警搜索命令例外，在执行两者中任何一条命令之后，主机不能执行其后的功能命令，必须返回至第一步。初始化

单总线上的所有传输过程都是以初始化开始的：初始化过程由主机发出的复位脉冲和从机响应的应答脉冲组成，应答脉冲使主机知道总线上有从机设备且准备就绪。复位和应答脉冲的时间：ResetPulse>480uSM15uS<T<60uS60uS<4T<240uSPresencePulseS0…SNRecovery45uS<3T<180uSLegend:PullUpMasterSlaveROM命令在主机检测到应答脉冲后就可以发出ROM命令，这些命令与各个从机设备的唯一64位ROM代码相关，允许主机在单总线上连接多个从机设备时指定操作某个从机设备。允许主机能够检测到总线上有多少个从机设备及其设备类型或者有没有设备处于报警状态。从机设备可能支持5种ROM命令，实际情况与具体型号有关。每种命令长度为8位，主机在发出功能命令之前必须送出适宜的ROM命令搜索ROM[F0h]当系统初始上电时，主机必须找出总线上所有从机设备的ROM代码，这样主机就能够判断出从机的数目和类型；主机通过重复执行搜索ROM命令，跟随着位数据交换以找出总线上所有的从机设备。如果总线只有一个从机设备，那么可以采用读ROM命令来替代搜索ROM命令。在每次执行完搜索ROM循环后主机必须返回至命令序列的第一步〔初始化〕。读ROM[33h]〔仅适合于单节点〕该命令仅适用于总线上只有一个从机设备。它允许主机直接读出从机的64位ROM代码而无须执行搜索ROM过程。如果该命令用于多节点系统那么必然发生数据冲突，因为每个从机设备都会响应该命令。匹配ROM[55h]匹配ROM命令跟随64位ROM代码，从而允许主机访问多节点系统中某个指定的从机设备，仅当从机完全匹配64位ROM代码时才会响应主机随后发出的功能命令，其它设备将处于等待复位脉冲状态。跳越ROM[CCh]〔仅适合于单节点〕主机能够采用该命令同时访问总线上的所有从机设备而无须发出任何ROM代码信息，例如主机通过在发出跳越ROM命令后跟随转换温度命令[44h]，就可以同时命令总线上所有的DS18B20开始转换温度，这样大大节省了主机的时间。值得注意：如果跳越ROM命令跟随的是读暂存器[BEh]的命令〔包括其它读操作命令〕，那么该命令只能应用于单节点系统否那么将由于多个节点都响应该命令而引起数据冲突。报警搜索[ECh]〔仅少数1-wire器件支持〕除那些设置了报警标志的从机响应外，该命令的工作方式完全等同于搜索ROM命令。该命令允许主机设备判断哪些从机设备发生了报警：如最近的测量温度过高或过低等，同搜索ROM命令一样在完成报警搜索循环后主机必须返回至命令序列的第一步。功能命令〔以DS18B20为例〕命令描述命令代码发送命令后，单总线上的响应信息注释温度转换命令转换温度启动温度转换44H无1存储器命令读暂存器读全部暂存器内容，包括CRC字节BEHDS18B20传输多达9个字节至主机2写暂存器写暂存器第2、3、4个字节的数据（即TH,TL和配置寄存器4EH主机传输3个字节数据至DS18B203复制暂存器将暂存器中的TH,TL和配置字节复制至EEPROM48H无1回读EEPROM将TH,TL和配置字节从EEPROM回读至暂存器中B8HDS18B20传送回读状态至主机注释：1、在温度转换和复制暂存器数据至EEPROM期间，主机必须在单总线上允许强上拉。并且在此期间，总线上不能进行其它数据传输。2、通过发出复位脉冲，主机能够在任何时候中断数据传输。3、在复位脉冲发出前，必须写入全部的三个字节。信号方式

所有的单总线器件要求采用严格的通信协议以保证数据的完整性。该协议定义了几种信号类型：复位脉冲、应答脉冲写时隙〔写0、写1〕读时隙〔读0、读1〕所有这些信号除了应答脉冲以外，都由主机发出同步信号，并且发送所有的命令和数据都是字节的低位在前，这一点与多数串行通信格式不同〔多数为字节的高位在前〕写时隙〔写0、写1〕存在两种写时隙：写1和写0。主机采用写1时隙向从机写入1，而采用写0时隙向从机写入0。所有写时隙至少需要60us，且在两次独立的写时隙之间至少需要1us的恢复时间。两种写时隙均起始于主机拉低总线，产生写1时隙的方式：主机在拉低总线后，接着必须在15us之内释放总线,由5k上拉电阻将总线拉至高电平而产生；写0时隙的方式：在主机拉低总线后，只需在整个时隙期间保持低电平即可〔至少60us〕在写时隙起始后15-60us期间，单总线器件采样总线电平状态：如果在此期间采样为高电平，那么逻辑1被写入该器件，如果为0，那么写入逻辑0。1-WireSignaling:R/WBitWaveformsWrite1Write0Read1Read015uS<T<60uSMMSlavedevice(s)samplelineMMastersampleslineat15uSM15usT=0T=15T=60Slavedevice(s)samplelinePullUpMasterSlaveLegend:>1us读时隙〔读0、读1〕单总线器件仅在主机发出读时隙时，才向主机传输数据，所以在主机发出读数据命令后，必须马上产生读时隙，以便从机能够传输数据。所有读时隙至少需要60us，且在两次独立的读时隙之间至少需要1us的恢复时间。每个读时隙都由主机发起，至少拉低总线1us。在主机发起读时隙之后，单总线器件才开始在总线上发送0或1。假设从机发送1，那么保持总线为高电平，假设发送0，那么拉低总线。当发送0时从机在该时隙结束后，释放总线，由上拉电阻将总线拉回至空闲高电平状态，从机发出的数据在起始时隙之后，保持有效时间15us，因而主机在读时隙期间必须释放总线并且在时隙起始后的15us之内采样总线状态1－wire芯片实例：单总线数字温度传感器DS18B20

是美国DALLAS公司生产的单总线数字式温度传感器，结构简单，操作灵活，无须外接电路等。精度为±0.5°C(–10°Cto+85°C范围)，分辨率为9-12位可选工作电压：3-5V在750ms(最大值)内把温度变换为12位数字用户可定义的，非易失性的温度告警设置报警搜索命令识别和寻址温度在设置的极限之外的器件应用范围包括恒温控制，工业系统，消费类产品，温度计或任何热敏系统。DS18B20主要的数据部件及原理框图：64位激光ROM温度灵敏元件非易失性温度告警触发器TH和TL温度测量

上电复位时，DS18B20的分辨率为12位，处于低功耗空闲模式，主机必须发送温度转换命令(44H)，DS18B20才进行温度测量。测量结果存放在2字节的scratchpadmemory〔便笺存储器〕中。在外部供电时，主机在发送温度转换命令后，紧跟着发送读时隙，DS18B20在转换过程中将发送0，转换完毕，将发送1。假设由寄生电源供电，那么需强上拉。温度存放