多路信號(hào)采集板卡硬件電路設(shè)計(jì)

1、多路信號(hào)采集板卡硬件電路設(shè)計(jì)1 緒論1.1 課題的背景現(xiàn)代工業(yè)控制、自動(dòng)檢測技術(shù)及信號(hào)處理中數(shù)據(jù)是指現(xiàn)場采集來的電壓、電流、壓力、流量、液位、溫度和角度等信號(hào)，此外還包括一些開關(guān)量信號(hào)。在微型計(jì)算機(jī)應(yīng)用于智能化儀器儀表、 信號(hào)處理和工業(yè)自動(dòng)化等過程中，都存在著模擬量的測量與控制問題，即將溫度、壓力、流量、位移及角度等模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，再收集到微型機(jī)上進(jìn)一步予以顯示、處理、記錄和傳輸，這個(gè)過程即稱“數(shù)據(jù)采集”，相應(yīng)的系統(tǒng)即為微機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般由信號(hào)調(diào)理電路，多路切換電路， 采樣保持電路， a/d，單片機(jī)組成。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和普及，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在多個(gè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用

2、。 它是計(jì)算機(jī)與外部物理世界連接的橋梁。它在現(xiàn)代信息領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用， 是信息產(chǎn)品不可或缺的重要組成部分。因此選擇基于單片機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)是很有意義也是很有必要的。在計(jì)算機(jī)廣泛應(yīng)用的今天， 數(shù)據(jù)采集的重要性是十分顯著的。它是計(jì)算機(jī)與外部物理世界連接的橋梁。 各種類型信號(hào)采集的難易程度差別很大。實(shí)際采集時(shí)， 噪聲也可能帶來一些麻煩。 數(shù)據(jù)采集時(shí)， 有一些基本原理要注意， 還有更多的實(shí)際的問題要解決。在日常的工程設(shè)備檢測過程中， 如果采用傳統(tǒng)的面板表顯示， 不僅占用設(shè)備多、實(shí)時(shí)性差，而且測量過程也十分繁瑣，效率十分低下。而近年來，隨著控制技術(shù)、微電子技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，不僅促

3、進(jìn)了工程檢測技術(shù)和儀器本身的變革，而且使它們增加了很多新的生長點(diǎn)。檢測系統(tǒng)與通信及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的結(jié)合，儀器和測試系統(tǒng)軟硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu)的新變化，都正在改變著測試和儀器的面貌。就新出現(xiàn)的虛擬儀器系統(tǒng)而言， 它將計(jì)算機(jī)資源 ( 處理器、存儲(chǔ)器、顯示器等 ) 和儀器硬件插件卡 (信號(hào)調(diào)理、定時(shí)、 a/d、變換器、高速緩存、數(shù)字輸入輸出電路等)以及用于數(shù)據(jù)采集、通訊、系統(tǒng)仿真、數(shù)據(jù)分析以及圖形用戶界面的應(yīng)用軟件有效結(jié)合起來，用戶不必了解電子線路及系統(tǒng)軟件的細(xì)節(jié)，只要應(yīng)用虛擬儀器系統(tǒng)提供的 “用戶軟件接口”和“用戶硬件接口”，再經(jīng)過簡單的二次開發(fā)，就可在較短的周期內(nèi)開發(fā)出適用不同測控對(duì)象需要的儀器。 無疑這種

4、新型測試儀不僅智能化程度高，且易于更新升級(jí)，靈活性強(qiáng)，但是對(duì)測試技術(shù)和測試設(shè)備要求的提高，無疑使測試成本也大幅增長。顯然，對(duì)于一般設(shè)備檢測來講，大可不必付出這樣的耗費(fèi)?？紤]單片機(jī)的特性，由于它可以提供 a/d 輸入通道，因此非常適用于模擬量 ( 溫度、壓力、流量 )輸入采樣系統(tǒng)，而其超微型化的特點(diǎn)， 無可比擬的價(jià)格性能比， 無疑為儀器儀表的智能化提供了可能?；诖饲闆r， 本課題擬在設(shè)計(jì)一種多路信號(hào)采集設(shè)備，這點(diǎn)與時(shí)下國際流行的“測試集成” 思想不謀而合， 因此它不僅是單片機(jī)在智能儀器儀表領(lǐng)域應(yīng)用的又一實(shí)現(xiàn)，且因其功能完善與總體價(jià)格的優(yōu)越性又使它具有實(shí)用價(jià)值。在工業(yè)現(xiàn)場， 我們會(huì)安裝很多的各種類

5、型的傳感器，如壓力的溫度的流量的聲音的電參數(shù)的等等，受現(xiàn)場環(huán)境的限制傳感器信號(hào)如壓力傳感器輸出的電壓或者電流信號(hào)不能遠(yuǎn)傳或者因?yàn)閭鞲衅魈嗖季€復(fù)雜，我們就會(huì)選用分布式或者遠(yuǎn)程的采集卡（模塊）在現(xiàn)場把信號(hào)較高精度地轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，然后通過各種遠(yuǎn)傳通信技術(shù)（如485、232、以太網(wǎng)、各種無線網(wǎng)絡(luò)）把數(shù)據(jù)傳到計(jì)算機(jī)或者其他控制器中進(jìn)行處理。這種也算作數(shù)據(jù)采集卡的一種，只是它對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力更強(qiáng)， 可以應(yīng)對(duì)各種惡劣的工業(yè)環(huán)境。如果是在比較好的現(xiàn)場或者實(shí)驗(yàn)室， 如學(xué)校的實(shí)驗(yàn)室， 就可以使用 usb/pci這種采集卡。和常見的內(nèi)置采集卡不同，外置數(shù)據(jù)采集卡一般采用usb接口和 1394接口，因此，外置數(shù)據(jù)采

6、集卡主要指usb 采集卡和 1394采集卡， t510-數(shù)據(jù)采集卡。1.2 數(shù)據(jù)采集卡的發(fā)展及研究現(xiàn)狀數(shù)據(jù)采集 (daq)，是指從傳感器和其它待測設(shè)備等模擬和數(shù)字被測單元中自動(dòng)采非電量或者電量信號(hào) , 送到上位機(jī)中進(jìn)行分析 , 處理。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是結(jié)合基于計(jì)算機(jī)或者其他專用測試平臺(tái)的測量軟硬件產(chǎn)品來實(shí)現(xiàn)靈活的、用戶自定義的測量系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集卡，即實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集(daq)功能的計(jì)算機(jī)擴(kuò)展卡，可以通過usb 、pxi、pci、pci express 、火線 (1394) 、pcmcia 、isa、compact flash 、485、232、以太網(wǎng)、各種無線網(wǎng)絡(luò)等總線接入個(gè)人計(jì)算機(jī)。早在五十年代末

7、期， 就出現(xiàn)了一種集中式的半自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其主要的功能是對(duì)測量結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、 處理和間接測量的計(jì)算等等。 到了六十年代末和七十年代初，隨著檢測技術(shù)和計(jì)算機(jī)的進(jìn)一步結(jié)合，出現(xiàn)了所謂第一代計(jì)算機(jī)檢測系統(tǒng)，即采用計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、 數(shù)據(jù)自動(dòng)分析系統(tǒng)和綜合自動(dòng)檢測系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的檢測過程主要通過模擬 / 數(shù)字(a/d ) 轉(zhuǎn)換器，把檢測儀表與計(jì)算機(jī)連接在一起，組成以小型機(jī)為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。 其特點(diǎn)是檢測過程可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并將結(jié)果貯存、顯示、打印或生成報(bào)表。 到了七十年代中期， 又產(chǎn)生了第二代計(jì)算機(jī)自動(dòng)檢測系統(tǒng)。由于通用標(biāo)準(zhǔn)接口總線 (ieee-488,rs-232c等) 的出現(xiàn)，解決了

8、儀器儀表相互之間和儀器儀表同計(jì)算機(jī)之間的連接問題， 這樣就形成了以計(jì)算機(jī)為核心， 有多臺(tái)可程控的儀表按積木方式組合成成套裝置。 這種檢測系統(tǒng)占領(lǐng)了儀器儀表市場，而且還在不斷的完善和發(fā)展。微型計(jì)算機(jī)的誕生， 使測試技術(shù)發(fā)生了深刻的變革，目前正在發(fā)展的以微處理器為基礎(chǔ)的智能儀表和檢測系統(tǒng)是屬于第三代計(jì)算機(jī)自動(dòng)檢測系統(tǒng)。這種智能化檢測系統(tǒng)的突出特點(diǎn)是把微處理器和儀表結(jié)合在一起并構(gòu)成一個(gè)整體，其特點(diǎn)是許多儀表中的硬件功能可以由軟件代替，這樣不僅使系統(tǒng)大大簡化， 降低成本、 減小體積和重量及提高系統(tǒng)的可靠性， 而且由于軟件編程工作具有很大的靈活性，因此可以使系統(tǒng)的功能大大增強(qiáng)。通過微型計(jì)算機(jī)可以對(duì)電壓、

9、電流、壓力、溫度等物理量進(jìn)行直接采樣和計(jì)算， 經(jīng)過計(jì)算處理后， 能立即得出試驗(yàn)設(shè)備的各種參數(shù)和性能，從而大大減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度， 使勞動(dòng)生產(chǎn)率得到成倍增長， 測試數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果能自動(dòng)打印，克服和消除了人為因素造成的誤差，最終使系統(tǒng)的可靠性和測試精度及測試效率大大提高。而且這種智能化儀表一般都具有與計(jì)算機(jī)相連接的標(biāo)準(zhǔn)接口，作為一臺(tái)智能控制儀表單元接入系統(tǒng)， 從而可以組成功能更強(qiáng)、 規(guī)模更大的自動(dòng)檢測系統(tǒng)， 通過軟件編程將各種數(shù)據(jù)處理技術(shù)應(yīng)用于檢測系統(tǒng)中，使系統(tǒng)精確度提高。 除此之外，還可以采用程控人機(jī)對(duì)話功能、 故障診斷功能、 記錄顯示功能、 量程切換功能和結(jié)果判斷功能，使檢測系統(tǒng)的自動(dòng)化水平及智能

10、化程度大大提高。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和普及，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)也迅速地得到應(yīng)用。在生產(chǎn)過程中，應(yīng)用這一系統(tǒng)可對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場的工藝參數(shù)進(jìn)行采集，監(jiān)視和記錄， 為提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低成本提供信息和手段。 在科學(xué)研究中， 應(yīng)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可獲得大量的動(dòng)態(tài)信息，是研究瞬間物理過程的有力工具，也是獲取科學(xué)奧秘的重要手段之一。總之，不論在哪個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域中， 數(shù)據(jù)采集與處理越及時(shí)， 工作效率就越高，取得的經(jīng)濟(jì)效益也越高。數(shù)據(jù)采集卡，絕大多數(shù)集中在采集模擬量、數(shù)字量、熱電阻、熱電偶，其中熱電阻可以認(rèn)為是非電量 （其實(shí)本質(zhì)上還是要用電流驅(qū)動(dòng)來采集）其中模擬量采集卡和數(shù)字量采集卡用得是最廣泛的?，F(xiàn)在市場上有一種二合一采集卡

11、，二合一，指的是數(shù)字模擬采集卡， av+dv 采集卡，數(shù)字、模擬二合一，數(shù)字輸入輸出，模擬接口輸入(dv/av/s-video) 。最后雖然說是采集卡，但實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常需要它輸出控制信號(hào)。采集卡廣泛應(yīng)用于安防監(jiān)控、 教育課件錄制、 大屏拼接、多媒體錄播錄像、 會(huì)議錄制、虛擬演播室、虛擬現(xiàn)實(shí)、安檢x光機(jī)、雷達(dá)圖像信號(hào)、 vdr 紀(jì)錄儀、醫(yī)療 x光機(jī)、ct機(jī)、胃腸機(jī)、陰道鏡、工業(yè)檢測、智能交通、醫(yī)學(xué)影像、工業(yè)監(jiān)控、儀器儀表、機(jī)器視覺等領(lǐng)域。2 信號(hào)采集板卡總體方案設(shè)計(jì)2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則1）確保性能指標(biāo)的完全實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的根本依據(jù)是所達(dá)到的性能指標(biāo)，它必須首先得到保證，如采樣速率、系統(tǒng)分辨率

12、、系統(tǒng)精度等等。要保證系統(tǒng)性能指標(biāo)， 主要應(yīng)考慮輸入信號(hào)的特性， 如輸入信號(hào)的通道數(shù)、 是模擬量還是數(shù)字量、 信號(hào)的強(qiáng)弱及動(dòng)態(tài)范圍、 信號(hào)的輸入方式（單端輸入還是差動(dòng)輸入，單極性還是雙極性，信號(hào)源接地還是浮地等）、是周期信號(hào)還是瞬態(tài)信號(hào)、信號(hào)的頻帶寬度、信號(hào)中的噪聲及其共模電壓大小、信號(hào)源的阻抗等。2）系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)合理選擇系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的合理與否， 對(duì)系統(tǒng)的可靠性、 性價(jià)比等有直接影響。 首先是硬件軟件功能的合理分配。原則上要盡可能“以軟代硬”，只要軟件能做到的就不要用硬件。其次要考慮系統(tǒng)的布局以及接口性。接口特性包括采用什么樣的總線、采樣數(shù)據(jù)的輸出形式（串行還是并行）、數(shù)據(jù)的編碼格式等。3）對(duì)于較大

13、型的應(yīng)用軟件，應(yīng)參考軟件工程學(xué)的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。軟件工程是建立在科學(xué)基礎(chǔ)上的一整套開發(fā)方法，它強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)化分析、 結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)化編程。按著軟件工程學(xué)的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)， 可以保證有較高的軟件開發(fā)效率，保證所開發(fā)的軟件有較長的生存周期，才能取得較高的經(jīng)濟(jì)效益。4）安全可靠，有足夠的抗干擾能力。要保證在規(guī)定的工作環(huán)境下，系統(tǒng)能穩(wěn)定、 可靠的工作， 保證系統(tǒng)精度能符合要求，同時(shí)也要保證系統(tǒng)應(yīng)用人員的人身安全。這方面要充分利用各種標(biāo)準(zhǔn)， 盡可能按法律法規(guī)辦事。這里要指出， 標(biāo)準(zhǔn)儀器的總線為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了很多方便。這些標(biāo)準(zhǔn)總線已經(jīng)對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、 通行方式及接口、 可靠性甚至于機(jī)箱結(jié)構(gòu)尺寸等都做了充分

14、的考慮，設(shè)計(jì)人員需按著標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定設(shè)計(jì)自己要開發(fā)的部分即可。2.2 硬件設(shè)計(jì)的基本原則1）良好的性價(jià)比系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中， 一定要注意在滿足性能指標(biāo)的前提下，盡可能地降低價(jià)格， 以便得到高的性能價(jià)格比， 這是硬件設(shè)計(jì)中優(yōu)先考慮的一個(gè)主要因素。因?yàn)橄到y(tǒng)在設(shè)計(jì)完成后，主要的成本便集中在硬件方面，當(dāng)然也成為產(chǎn)品爭取市場關(guān)鍵因素之一。2）安全性和可靠性選購設(shè)備要考慮環(huán)境的溫度、濕度、壓力、振動(dòng)、粉塵等要求，以保證在規(guī)定的工作環(huán)境下，系統(tǒng)性能穩(wěn)定、工作可靠。要有超量程和過載保護(hù)，保證輸人、輸出通道正常工作。要注意對(duì)交流市電以及電火花等的隔離。3）較強(qiáng)抗干擾能力有完善的抗干擾措施， 是保證系統(tǒng)精度、 工作正常和

15、不產(chǎn)生錯(cuò)誤的必要條件。例如強(qiáng)電與弱電之間的隔離措施，對(duì)電磁干擾的屏蔽， 正確接地、 高輸人阻抗下的防止漏電等。2.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求在工控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中 , 通常涉及到多路傳感器輸出的模擬信號(hào)采集、開關(guān)量采集、頻率量采集、顯示輸出、模擬信號(hào)輸出、pwm信號(hào)輸出、和上位機(jī)進(jìn)行通信的應(yīng)用。本設(shè)計(jì)采用 silicon labs公司的 c8051f020 芯片設(shè)計(jì)通用的開發(fā)板，可以滿足上述功能應(yīng)用。本設(shè)計(jì)只要求硬件設(shè)計(jì)，采用功能較強(qiáng)的芯片以簡化電路，增強(qiáng)可靠性；冗余設(shè)計(jì) (考慮以后的擴(kuò)展及修改 ) 。 設(shè)計(jì)高性能的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) , 需要對(duì)系統(tǒng)的每一部分都要周密考慮、精心設(shè)計(jì) , 否則難以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)。應(yīng)該首

16、先給出數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的問題 , 并針對(duì)這些問題 , 從信號(hào)源開始到信號(hào)的調(diào)理、 直至多路信號(hào)選擇、數(shù)字化器件及其與微計(jì)算機(jī)接口, 最后到計(jì)算機(jī) , 即從數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)始端到末端逐個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行問題分析 , 根據(jù)分析結(jié)果以及經(jīng)驗(yàn)給出解決問題的實(shí)用技術(shù)。2.4 系統(tǒng)功能概述本課題正是針對(duì)市場的趨勢，通過充分運(yùn)用單片機(jī)內(nèi)部資源，對(duì)多種參數(shù)測量、顯示和傳輸?shù)冗M(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了一套多路信號(hào)采集卡?；赾8051f020 單片機(jī)的多路信號(hào)采集板卡， 為信號(hào)采集提供了多種功能，以適應(yīng)可能遇到的不同測試條件。充分利用了 c8051f020 單片機(jī)豐富的硬件資源，使得進(jìn)一步擴(kuò)展功能而不改變硬件電路成為了可能

17、， 硬件設(shè)計(jì)包括了單片機(jī)接口電路的設(shè)計(jì)和單片機(jī)作用對(duì)象的設(shè)計(jì)，在硬件電路的基礎(chǔ)上，高質(zhì)量的軟件可使儀器的性能大為提高，其中包含如：中斷控制、定時(shí)、顯示、碼制轉(zhuǎn)換、自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換以及信號(hào)的采集、處理、輸出等程序。在設(shè)計(jì)時(shí)，軟硬件的配比問題得到了重視，較多的使用硬件來完成了一些功能，充分提高了工作速度，減少了軟件工作量。整個(gè)系統(tǒng)由單片機(jī)監(jiān)控電路、包括電源電路、a/d 轉(zhuǎn)換電路、 i/o 驅(qū)動(dòng)電路、 d/a輸出電路、串口電路、程序下載電路、鍵盤電路、液晶顯示電路、日歷時(shí)鐘電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路和串口通訊等組成，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2.1 所示。本系統(tǒng)執(zhí)行的過程如下：傳感器把采集的非電量信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓（0-5

18、v）或電流（4-20ma ）的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，通過信號(hào)放大調(diào)理電路把模擬信號(hào)送到單片機(jī)內(nèi)部的 a/d 轉(zhuǎn)換器， cpu 根據(jù)設(shè)定的采樣周期，對(duì)多路通道信號(hào)進(jìn)行循環(huán)采集，并讀取 a/d 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)，進(jìn)行分析計(jì)算后將實(shí)測值送到液晶上指定的位置顯示，同時(shí)通過鍵盤控制把有用的數(shù)據(jù)及采樣時(shí)間存儲(chǔ)在 e2prom 中，同時(shí) pwm 輸出， d/a輸出驅(qū)動(dòng)外部電路，最后通過串行通訊把 e2prom 中的數(shù)據(jù)傳送到 pc 機(jī)。圖 2.1 系統(tǒng)功能圖2.5 系統(tǒng)主要模塊的選擇2.5.1 單片機(jī)的選型單片機(jī)是數(shù)據(jù)采集器的核心， 因此單片機(jī)的選型很重要。 本系統(tǒng)要求具有高可靠性，防震、防水、防塵、寬范圍的工作溫

19、度；各種信息的采集與存貯必須準(zhǔn)確可靠，不易丟失、破壞。因此選用的單片機(jī)應(yīng)具有集成度高、穩(wěn)定性可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、控制靈活、 易于開發(fā)等特點(diǎn)。 c8051fxxx 系列單片機(jī)是美國 cygnal 集成產(chǎn)品公司最近推出的功能強(qiáng)大的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí) (soc)高速芯片。它共有 4 個(gè)子系列：c8051f0 xx 系列、 c8051f02x 系列、 c8051f2xx 系列和 c8051f3xx 系列。本系統(tǒng)選用 c8051f02x 系列的 c805if020 單片機(jī)作為核心部件。 c8051f02x 系列單片機(jī)是集成在一塊芯片上的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)單片機(jī)。芯片上有 64 位數(shù)字 i/o 口（c8051

20、f020/2）或 32 位數(shù)字 i/o 口（c8051f021/3）。在本系統(tǒng)中，選擇美國信號(hào)放大電傳感器采集的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)信號(hào)調(diào)整電路e2prom 存儲(chǔ)鍵盤電路光電隔離液晶顯示數(shù)碼管顯示串行通信時(shí)鐘電路a/d 轉(zhuǎn)換cpu處理pwm 輸出驅(qū)動(dòng)電路d/a 輸出pc機(jī)信號(hào)處理線性隔離開關(guān)量信號(hào)cygnal 公司新推出的一種兼容 mcs-51 內(nèi)核的c8051f020 單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)控制的核心控制單元。 之所以選擇該款單片機(jī)， 是因?yàn)榈谝弧?二代單片機(jī)芯片構(gòu)成控制系統(tǒng)時(shí)，由于片內(nèi)存儲(chǔ)器品種單一、 容量有限， 常需要通過外部存儲(chǔ)器芯片以及隨機(jī)讀寫靜態(tài)存儲(chǔ)器芯片來擴(kuò)展存儲(chǔ)器的容量。此外，為了擴(kuò)展靜態(tài)存儲(chǔ)

21、器容量， 有時(shí)還必須增加地址鎖存器芯片， 用以鎖存地址 / 數(shù)據(jù)分時(shí)復(fù)用引腳的地址信息， 失去了使用單片機(jī)芯片的意義。 另外，由于本系統(tǒng)至少需要 6 個(gè) i/o 端口作為數(shù)據(jù)通訊的控制接口，而普通單片機(jī)一般只有 4 個(gè) i/o 端口，難以滿足實(shí)際控制要求。 因此我們選擇了 c8051f020作為整個(gè)系統(tǒng)的控制部件，它具有以下特點(diǎn)：1）指令運(yùn)行速度高由于c8051f020 單片機(jī)采用流水線機(jī)構(gòu)，廢除了機(jī)器周期的概念，指令以時(shí)鐘周期為運(yùn)行單位，由標(biāo)準(zhǔn)的12個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期降到 1個(gè)時(shí)鐘周期，處理能力大大提高，一般型號(hào)單片機(jī)的峰值速度可達(dá)到25兆/ 秒(mips)，在相同的時(shí)鐘下，指令運(yùn)算速度比一般的

22、 80c51 系列單片機(jī)提高大約 10倍。70的指令執(zhí)行時(shí)問為 1個(gè)或2個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，只有 4條指令的執(zhí)行時(shí)間大于 4個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期。2）i/o 端口功能采用軟件配置實(shí)現(xiàn)多數(shù)單片機(jī)的fo 端口都是某個(gè)單功能或多功能的固定輸入輸出引腳，而在c8051f020 單片機(jī)中，雖然耽 i 端口的通用基本輸入、輸出特性與標(biāo)準(zhǔn)8051是兼容的，但i/o 端口的其他特殊功能則是由軟件配置實(shí)現(xiàn)的，這樣極大地提高了端口配置的靈活性。用軟件配置的方法是引入了功能選擇開關(guān)( 也稱交叉開關(guān) )。這是一個(gè)數(shù)字開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，允許將內(nèi)部數(shù)字系統(tǒng)資源分配給端口i/o 引腳，這種結(jié)構(gòu)可支持所有的功能組合，可通過設(shè)置交叉開關(guān)寄存器，

23、將片內(nèi)的計(jì)數(shù)器/ 定時(shí)器、串行接口總線等數(shù)字信號(hào)配置到 i/0 引腳。用戶可以根據(jù)需要選擇通道和所需的數(shù)字資源組合。每個(gè)端口引腳都可以被配置為推挽或漏極開路輸出，內(nèi)部“弱上拉”可以通過軟件設(shè)置禁止，這樣可以進(jìn)一步降低功耗。3）時(shí)鐘系統(tǒng)更加完美c8051f020 單片機(jī)可以采用多種時(shí)鐘源。mcu 內(nèi)部有一個(gè)能獨(dú)立工作的時(shí)鐘發(fā)生器，在復(fù)位后被默認(rèn)為系統(tǒng)時(shí)鐘， 其時(shí)鐘振蕩頻率是可編程的，還可同時(shí)選擇外部時(shí)鐘源產(chǎn)生的時(shí)鐘。外部振蕩器可以使用晶體、陶瓷諧振器、電容、rc 或外部時(shí)鐘源產(chǎn)生系統(tǒng)時(shí)鐘，并可實(shí)時(shí)切換。4）可實(shí)現(xiàn)通過 jtag 接口的在系統(tǒng)調(diào)試c8051f020 單片機(jī)中配置了片內(nèi) jtag 接

24、口和調(diào)試電路，完全符合 ieeell49 1標(biāo)準(zhǔn)，可為生產(chǎn)和測試提供完全的邊界掃描功能，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)器件所有引腳及相應(yīng)引線的控制和觀察。 jtag 接口使 8位單片機(jī)傳統(tǒng)的仿真調(diào)試產(chǎn)生質(zhì)的變化( 標(biāo)準(zhǔn)的 mcu 仿真器要使用在板仿真芯片和目標(biāo)電纜，還需要在應(yīng)用板上有 mcu 的插座，而c8051f020 具有片內(nèi)jtag 和調(diào)試電路，通過 4腳jtag 接口tck 、tms 、tdi、tdo 并使用安裝在最終應(yīng)用系統(tǒng)中的器件就可以進(jìn)行非侵入式、全速的在系統(tǒng)調(diào)試，不需要額外的目標(biāo)ram 、程序存儲(chǔ)器和寄存器 ) ，在pc 機(jī)軟件的支持下，通過片內(nèi)jtag 接口可直接對(duì)安裝在最終應(yīng)用系統(tǒng)上的產(chǎn)品 m

25、cu 進(jìn)行非侵入式 (不占用片內(nèi)資源 )、實(shí)時(shí)在系統(tǒng)仿真調(diào)試。在調(diào)試時(shí)，所有的模擬和數(shù)字外設(shè)都可全功能運(yùn)行。5）多種復(fù)位方式傳統(tǒng)的 80c51系列單片機(jī)通常只有通過rst 引腳進(jìn)行復(fù)位這樣一種復(fù)位方法，而c8051f020 提供了多達(dá) 7個(gè)復(fù)位源： 1個(gè)vdd 片內(nèi)監(jiān)視器、一個(gè)看門狗定時(shí)器、1個(gè)時(shí)鐘失效監(jiān)測器、1個(gè)由比較器 0提供的電壓監(jiān)測器、 1個(gè)軟件強(qiáng)制復(fù)位、 cnvstr引腳及 /rst引腳。除了 vdd 監(jiān)視器和復(fù)位輸入引腳以外，每個(gè)復(fù)位源都可以用軟件禁止。多復(fù)位源提高了系統(tǒng)的安全性、靈活性，并有利于零功耗設(shè)計(jì)。6）進(jìn)一步降低了系統(tǒng)功耗c8051f020 單片機(jī)采用了可降低系統(tǒng)功耗的多

26、種方法，例如，采用3v(電壓范圍27v-36v)供電，完善的時(shí)鐘系統(tǒng)可在滿足響應(yīng)速度的要求下，使系統(tǒng)的平均時(shí)鐘頻率最低。 由于功耗與電壓和頻率成正比，因而可方便地降低功耗： 多種復(fù)位源可使系統(tǒng)在掉電方式下， 方便、靈活地重新復(fù)位； 片上外設(shè)都能單個(gè)關(guān)閉或全部關(guān)閉以節(jié)省功耗。具有片內(nèi) vdd 監(jiān)視器、看門狗定時(shí)器和時(shí)鐘振蕩器的 c8051f020 是真正能獨(dú)立工作的片上系統(tǒng)。 所有模擬和數(shù)字外設(shè)均可由用戶固件使能 / 禁止和配置。flash 存儲(chǔ)器還具有在系統(tǒng)重新編程能力，可用于非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并允許現(xiàn)場更新 8051 固件片內(nèi) jtag 調(diào)試電路允許使用安裝在最終應(yīng)用系統(tǒng)上的產(chǎn)品 mcu 進(jìn)

27、行非侵入式（不占用片內(nèi)資源）、全速、在系統(tǒng)調(diào)試。該調(diào)試系統(tǒng)支持觀察和修改存儲(chǔ)器和寄存器，支持?jǐn)帱c(diǎn)、觀察點(diǎn)、單步及運(yùn)行和停機(jī)命令。在使用 jtag 調(diào)試時(shí)，所有的模擬和數(shù)字外設(shè)都可全功能運(yùn)行。每個(gè) mcu 都可在工業(yè)溫度范圍（ - 45到+85）內(nèi)用2.7v-3.6v 的電壓工作。 端口 i/o 、/rst 和 jtag 引腳都容許 5v 的輸入電壓信號(hào)。由于 c8051f020 的高集成度，避免了外擴(kuò) rom 、 ram 、 a/d 、 d/a 、watchdog 、可編程 i/o 口、e2prom，簡化了硬件電路， 為形成以 c8051f020 為核心的單片機(jī)系統(tǒng)創(chuàng)造了條件，從而可提高系統(tǒng)的

28、可靠性。可見 c8051f020 單片機(jī)片內(nèi)功能強(qiáng)大，功耗和體積都很小，而且具備靈活的擴(kuò)展能力，同時(shí)由于該芯片采用 tqfp100 貼片封裝，所以大大地節(jié)省了電路板的面積，采用高速 8051 作為整個(gè)系統(tǒng)的微控制器，提升了系統(tǒng)的整體性能。2.5.2 液晶模塊的選擇作為人機(jī)接口重要環(huán)節(jié)之一的顯示器件近年來發(fā)展非?？欤壳坝邪l(fā)光二極管、數(shù)碼管、平板顯示器、陰極射線管(crt)及液晶顯示器系列。液壓挖掘機(jī)早期使用發(fā)光二極管或數(shù)碼管顯示， 由于顯示信息單調(diào)而有被液晶顯示器取代的趨勢。液晶顯示器在儀器儀表中得到廣泛應(yīng)用， 它體積小、耗電低、顯示信息豐富， 隨著批量的增大，價(jià)格也越來越低。 由于本課題所設(shè)

29、計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)用在比較廣泛，為了使用方便簡捷，所以選用了 dmf12864j 單色液晶顯示模塊，該模塊每屏可以顯示四行字，若顯示更多內(nèi)容需要翻頁顯示。2.5.3 時(shí)鐘芯片的選擇在信號(hào)采集系統(tǒng)中， 特別是長時(shí)間無人職守的測控系統(tǒng)中，經(jīng)常需要記錄某些具有特殊意義的數(shù)據(jù)及其出現(xiàn)的時(shí)間。記錄及分析這些特殊意義的數(shù)據(jù)，對(duì)測控系統(tǒng)的性能分析及正常運(yùn)行具有重要的意義。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)記錄方式是隔時(shí)采樣或定時(shí)采樣，沒有具體的時(shí)間記錄， 因此只能記錄數(shù)據(jù)而無法準(zhǔn)確記錄其出現(xiàn)的時(shí)間；若采用單片機(jī)計(jì)時(shí)，一方面需要采用計(jì)數(shù)器，占用硬件資源，另一方面需要設(shè)置中斷、查詢等，同樣耗費(fèi)單片機(jī)的資源， 而且某些測控系統(tǒng)可能不允許

30、。 而在系統(tǒng)中采用 ds1302 則能很好地解決這個(gè)問題。 采用 ds1302 作為記錄測控系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)記錄，其軟硬件設(shè)計(jì)簡單，時(shí)間記錄準(zhǔn)確，既避免了連續(xù)記錄的大工作量， 又避免了定時(shí)記錄的盲目性，給連續(xù)長時(shí)間的測量、 控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行及檢查都來了很大的方便，可廣泛應(yīng)用于長時(shí)間連續(xù)的測控系統(tǒng)中。2.5.4 外擴(kuò)存儲(chǔ)器模塊的選擇作為信號(hào)采集卡需要有許多數(shù)據(jù)（如時(shí)鐘顯示的時(shí)間，電壓、電流、機(jī)車功率、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等）是變動(dòng)的或可以通過正常手段修改的， 但不能因系統(tǒng)中的干擾而改寫，更不能因停電等事件而丟失。 串行 e2prom 是當(dāng)前信號(hào)采集設(shè)計(jì)中最合適的器件。不像 eprom 芯片，eeprom不需

31、從計(jì)算機(jī)中取出即可修改。在一個(gè)eeprom中，當(dāng)計(jì)算機(jī)在使用的時(shí)候是可頻繁地重編程的，eeprom 的壽命是一個(gè)很重要的設(shè)計(jì)考慮參數(shù)。eeprom 的一種特殊形式是閃存，其應(yīng)用通常是個(gè)人電腦中的電壓來擦寫和重編程。本系統(tǒng)選用 microchip 公司生產(chǎn)的 24lc16b來實(shí)現(xiàn)這種功能。 24lc16b 是具有 i2c 接口的 e2prom 。其容量為20488 位，分為 8 個(gè)頁面，每頁 256 字節(jié)。3 信號(hào)采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)3.1 c8051f020 單片機(jī)介紹整個(gè)信號(hào)采集卡系統(tǒng)采用c8051f020單片機(jī)進(jìn)行控制。 c8051f020是由 silicon laboratories公司生

32、產(chǎn)具有與 mcs-51完全兼容的指令內(nèi)核的單片機(jī)。該系列單片機(jī)采用流水線處理技術(shù)， 不再區(qū)分時(shí)鐘周期和機(jī)器周期， 能在執(zhí)行指令期間預(yù)處理下一條指令， 提高了指令執(zhí)行效率。 而且型號(hào)單片機(jī)具備控制系統(tǒng)所需的模擬和數(shù)字外設(shè)，包括看門狗、 adc 、dac 、電壓比較器、電壓基準(zhǔn)、定時(shí)器、pwm、定時(shí)器捕捉和方波輸出等，并具備多種總線接口， 包括 uart 、spi、smbus（與 iic 兼容）等總線。c8051f系列單片機(jī)采用flash rom 技術(shù)，集成 jtag ，支技在線編程，使系統(tǒng)軟件開發(fā)時(shí)間大大縮短。3.1.1 c8051f020 主要技術(shù)特點(diǎn)：高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051 兼容的 ci

33、p-51 內(nèi)核（可達(dá) 25mips ）；全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口（片內(nèi)）；12位、100ksps 的 8 通道 adc ，帶 pga 和模擬多路開關(guān)；8 位、500ksps 的 adc ，帶 pga 和 8 通道模擬多路開關(guān)；兩個(gè) 12 位 dac ，具有可編程數(shù)據(jù)更新方式；64kb可在系統(tǒng)編程的 flash 存儲(chǔ)器；4352（4096+256）b的片內(nèi) ram ；可尋址 64kb地址空間的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器接口；硬件實(shí)現(xiàn)的 spi、smbus/iic 和兩個(gè) uart 串行接口；5 個(gè)通用的 16 位定時(shí)器；具有 5 個(gè)捕捉 / 比較模塊的可編程計(jì)數(shù)器/ 定時(shí)器陣列；片內(nèi)看門狗定時(shí)器、 v

34、dd 監(jiān)視器和溫度傳感器；兩種可軟件編程的電源管理方式-空閑方式（等待方式）和停機(jī)方式（掉電方式）；c8051f020工作電壓 2.7v-3.6v ，端口 i/o 、/rst和 jtag引腳都容許 5v的輸入信號(hào)電壓；與其它 8 位單片機(jī)相比，有更高的程序安全性；64個(gè) io 口， tqfp100封裝。引腳封裝如圖 3.1 所示。圖 3.1 c8051f020 引腳圖3.1.2 c8051f020 主要組成及功能：1）cip-51微控制器內(nèi)核c8051f020 單片機(jī)是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)芯片(soc)， 具有與 8051兼容的高速clp-51內(nèi)核，與mcs-51 指令集完全兼容， 片內(nèi)集

35、成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬、數(shù)字外設(shè)及其他功能部件；內(nèi)置flash 程序存儲(chǔ)器、內(nèi)部 ram ，大部分器件內(nèi)部還有位于外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空聞的ram ，即xram 。c8051f020 單片機(jī)具有片內(nèi)調(diào)試電路，通過4腳的jtag 接口可以進(jìn)行非侵入式、全速的在系統(tǒng)調(diào)試。c8051f020 的mcu 與標(biāo)準(zhǔn)的8051相比，在 cpu 內(nèi)核的內(nèi)部和外部有幾項(xiàng)關(guān)鍵性的改進(jìn)，提高了整體性能，更易于應(yīng)用。2）中斷系統(tǒng)擴(kuò)展的中斷系統(tǒng)可響應(yīng)22個(gè)中斷源 ( 標(biāo)準(zhǔn)8051只有5個(gè)中斷源 )的中斷，在設(shè)計(jì)多任務(wù)實(shí)時(shí)系統(tǒng)時(shí)， 這些增加的中斷源大大增加了單片機(jī)對(duì)外界復(fù)雜、多變情況的反應(yīng)能力。3）存儲(chǔ)器c8051

36、f020 單片機(jī)具有標(biāo)準(zhǔn)的 8052的程序和數(shù)據(jù)地址配置。包括256b 的核內(nèi)數(shù)據(jù)ram ，還有位于外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址空間的4kb 的ram 存儲(chǔ)區(qū)。c8051f020 單片機(jī)中還有可用于訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的外部存儲(chǔ)器接口(emif)。外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址空間包括：片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，或兩者的組合，其中4kb 以下的地址指向片內(nèi)， 4kb 以上的地址指向 emif 。emif 可以被配置為地址數(shù)據(jù)線復(fù)用方式或非復(fù)用方式。c8051f020 的程序存儲(chǔ)器為 64kb(不同型號(hào)容量不同 ) 的flash 存儲(chǔ)器，稱為閃存。該存儲(chǔ)器以 512b作為一個(gè)扇區(qū)，可以在系統(tǒng)編程，且無需在片外提供

37、編程電壓4）模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)張塊c8051f020 單片機(jī)內(nèi)部有 a/d轉(zhuǎn)換模塊，它們由逐次逼近型adc 、多通道模擬輸入選擇器和可編程增益放大器組成。采樣速率有 100ksps、500ksps兩種種。轉(zhuǎn)換位數(shù)有8位、12位兩種。外部輸入通道數(shù)有8路，可被配置為單端輸入或差分輸入。所有ad轉(zhuǎn)換模塊內(nèi)部都配了可以用軟件改變放大倍數(shù)的可編程增益放大器。c8051f020 單片機(jī)內(nèi)部有兩個(gè) 12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器， mcu 可以將任何一個(gè) dac 置于低功耗關(guān)斷方式。 有靈活的輸出更新機(jī)制， 允許用軟件命令和定時(shí)器2、定時(shí)器 3及其定時(shí)器4的溢出信號(hào)更新 dac 的輸出。5）并行接口c8051f020 單片機(jī)

38、的并行接口 (即是一般單片機(jī)的通用 i/o 端口) 的引腳數(shù)有 64個(gè)，這些加端口的部分引腳可以通過軟件配置成不同的特殊功能。6）串行接口c8051f020 單片機(jī)除了具有全雙工uart 串口之外，還增加了spi總線和 smbus/i2c總線。每種串行總線口能向cip-51發(fā)出中斷申請(qǐng)，因此很少需要cpu 的干預(yù)。這些串行總線不“共享”定時(shí)器、中斷或端口i/o ，所以可以使用任何一個(gè)或全部同時(shí)使用。c8051f020mcu內(nèi)部有 2個(gè)uart ，這是增強(qiáng)型的全雙工 uart ，具有硬件地址識(shí)別和錯(cuò)誤檢測功能。7）定時(shí)器和可編程計(jì)數(shù)器陣列在c8051f020 單片機(jī)中具有 5個(gè)通用計(jì)數(shù)器 / 定

39、時(shí)器，還具有一個(gè)片內(nèi)可編程計(jì)數(shù)器/ 定時(shí)器陣列 pca 。 pca 包括1個(gè)專用的 16位計(jì)數(shù)器 / 定時(shí)器時(shí)間基準(zhǔn)和 5個(gè)可編程的捕捉比較模塊。時(shí)間基準(zhǔn)的時(shí)鐘可以選擇6種時(shí)鐘源。每個(gè)捕捉 / 比較模塊都有 6種工作方式：邊沿觸發(fā)捕捉、軟件定時(shí)器、高速輸出、8位脈沖寬度調(diào)制器、頻率輸出、16位脈沖寬度調(diào)制器。其芯片示意圖如圖 3.2 所示， c8051f020 原理框圖如 3.3 所示。圖 3.2 c8051f020 芯片示意圖圖 3.3 c8051f020 原理框圖由于其運(yùn)行速度快， 且集成了 a/d等功能，完全滿足系統(tǒng)采樣與控制的速度要求，而且可減少外圍電路的數(shù)量、 提高可靠性、 減少重量

40、，是構(gòu)成本采集系統(tǒng)的理想cpu 。3.2 時(shí)鐘電路ds1302 是美國 dallas 公司推出的一種高性能、 低功耗、帶 ram 的實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路，它可以對(duì)年、月、日、周日、時(shí)、分、秒進(jìn)行計(jì)時(shí)，具有閏年補(bǔ)償功能，工作電壓為2.5v5.5v。采用三線接口與 cpu 進(jìn)行同步通信， 并可采用突發(fā)方式一次傳送多個(gè)字節(jié)的時(shí)鐘信號(hào)或ram數(shù)據(jù)。 ds1302內(nèi)部有一個(gè) 318的用于臨時(shí)性存放數(shù)據(jù)的ram寄存器。 ds1302是 ds1202的升級(jí)產(chǎn)品，與 ds1202兼容，但增加了主電源 / 后備電源雙電源引腳，同時(shí)提供了對(duì)后備電源進(jìn)行涓細(xì)電流充電的能力。ds1302 存在時(shí)鐘精度不高，易受環(huán)境影響，出現(xiàn)

41、時(shí)鐘混亂等缺點(diǎn)。ds1302 可以用于數(shù)據(jù)記錄，特別是對(duì)某些具有特殊意義的數(shù)據(jù)點(diǎn)的記錄，能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與出現(xiàn)該數(shù)據(jù)的時(shí)間同時(shí)記錄。這種記錄對(duì)長時(shí)間的連續(xù)采集系統(tǒng)結(jié)果的分析及對(duì)異常數(shù)據(jù)出現(xiàn)的原因的查找具有重要意義。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)記錄方式是隔時(shí)采樣或定時(shí)采樣，沒有具體的時(shí)間記錄，因此，只能記錄數(shù)據(jù)而無法準(zhǔn)確記錄其出現(xiàn)的時(shí)間；若采用單片機(jī)計(jì)時(shí)，一方面需要采用計(jì)數(shù)器，占用硬件資源，另一方面需要設(shè)置中斷、查詢等，同樣耗費(fèi)單片機(jī)的資源，而且，某些采集系統(tǒng)可能不允許。但是，如果在系統(tǒng)中采用時(shí)鐘芯片ds1302， 則能很好地解決這個(gè)問題，時(shí)鐘電路如圖3.4所示。圖 3.4 時(shí)鐘電路ds1302的引腳排列 , 其中 v

42、cc1為后備電源， vcc2為主電源。在主電源關(guān)閉的情況下，也能保持時(shí)鐘的連續(xù)運(yùn)行。ds1302由 vcc1 或 vcc2 兩者中的較大者供電。當(dāng) vcc2 大于 vcc1+0.2v 時(shí)，vcc2 給 ds1302供電。當(dāng) vcc2 小于 vcc1 時(shí)，ds1302由 vcc1 供電。 x1 和 x2 是振蕩源，外接32.768khz 晶振。 rst是復(fù)位 /片選線， 通過把 rst輸入驅(qū)動(dòng)置高電平來啟動(dòng)所有的數(shù)據(jù)傳送。rst輸入有兩種功能：首先，rst接通控制邏輯，允許地址/ 命令序列送入移位寄存器；其次，rst提供終止單字節(jié)或多字節(jié)數(shù)據(jù)的傳送手段。當(dāng) rst為高電平時(shí)， 所有的數(shù)據(jù)傳送被初

43、始化，允許對(duì)ds1302進(jìn)行操作。如果在傳送過程中rst置為低電平，則會(huì)終止此次數(shù)據(jù)傳送，i/o 引腳變?yōu)楦咦钁B(tài)。上電運(yùn)行時(shí)，在vcc2.0v之前，rst必須保持低電平。只有在sclk為低電平時(shí)，才能將rst置為高電平。i/o為串行數(shù)據(jù)輸入輸出端( 雙向 ) ，后面有詳細(xì)說明。sclk為時(shí)鐘輸入端。3.3 復(fù)位電路復(fù)位電路允許很容易地將控制器置于一個(gè)預(yù)定的缺省狀態(tài)。在進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)時(shí)，將發(fā)生以下過程：1）cip-51 停止程序執(zhí)行；2）特殊功能寄存器（ sfr ）被初始化為所定義的復(fù)位值；3）外部端口引腳被置于一個(gè)已知狀態(tài)；4）中斷和定時(shí)器被禁止。所有的 sfr 都被初始化為預(yù)定值， sfr 中

44、各位的復(fù)位值在 sfr 的詳細(xì)說明中定義。在復(fù)位期間內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的內(nèi)容不發(fā)生改變，復(fù)位前存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)保持不變。 但由于堆棧指針 sfr 被復(fù)位，堆棧實(shí)際上已丟失，盡管堆棧中的數(shù)據(jù)未發(fā)生變化。i/o 端口鎖存器的復(fù)位值為 0 xff（全部為邏輯 1），內(nèi)部弱上拉有效，使外部 i/o 引腳處于高電平狀態(tài)。 外部 i/o 引腳并不立即進(jìn)入高電平狀態(tài)， 而是在進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)后的四個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘之內(nèi)。注意：在復(fù)位期間弱上拉是被禁止的，在器件退出復(fù)位狀態(tài)時(shí)弱上拉被使能。 這就使得在器件保持在復(fù)位狀態(tài)期間可以節(jié)省功耗。對(duì)于vdd 監(jiān)視器復(fù)位， /rst 引腳被驅(qū)動(dòng)為低電平，直到 vdd復(fù)位超時(shí)結(jié)束。在退出復(fù)位狀態(tài)

45、時(shí)， 程序計(jì)數(shù)器（pc ）被復(fù)位，mcu 使用內(nèi)部振蕩器運(yùn)行在 2mhz 作為默認(rèn)的系統(tǒng)時(shí)鐘。 看門狗定時(shí)器被使能， 使用其最長的超時(shí)時(shí)間。 一旦系統(tǒng)時(shí)鐘源穩(wěn)定，程序從地址 0 x0000 開始執(zhí)行。有 7 個(gè)能使 mcu 進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)的復(fù)位源： 上電/ 掉電、外部/rst 引腳、cnvstr 信號(hào)、軟件命令、比較器 0 、時(shí)鐘丟失檢測器及看門狗定時(shí)器。本系統(tǒng)采用外部 /rst 引腳提供了使用外部電路強(qiáng)制 mcu 進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)的手段，復(fù)位電路示意圖如圖3.5 所示。圖 3.5 復(fù)位電路當(dāng)電源剛開始送電瞬間，電容c9 相當(dāng)于短路， rst端輸入高電平， c8051f020復(fù)位。短路瞬間之后， c

46、9充電，rst端低電平。 c8051f020需要復(fù)位時(shí)，按下手動(dòng)復(fù)位鍵 k2，電容 c9通過 r22放電，當(dāng)電容 c9放電結(jié)束后， c8051f020進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)，松手后，電容 c9充電，rst端高電位下降， cpu 脫離復(fù)位狀態(tài)。 r22的作用在于限制k2按下瞬間電容 c9放電電流，避免產(chǎn)生火花，以保護(hù)k2的觸點(diǎn)。3.4 運(yùn)算放大電路傳感器送來的信號(hào)一般都是比較微弱或具有交流噪音等干擾信號(hào)，在本系統(tǒng)中，來自傳感器的模擬信號(hào)都需要進(jìn)行放大處理，為了防止各種干擾信號(hào)進(jìn)入單片機(jī)和偶爾出現(xiàn)的電壓、 電流強(qiáng)沖擊信號(hào)直接進(jìn)入單片機(jī)，在本系統(tǒng)的模擬輸入端口設(shè)計(jì)了防止干擾信號(hào)和沖擊信號(hào)進(jìn)入單片機(jī)的接口電路。

47、在接口電路中采用了兩片 lm324 芯片，每個(gè) lm324 芯片中含有 4 個(gè)運(yùn)算放大器，每個(gè)運(yùn)算放大器組成一個(gè)接口電路，具體電路如圖 3.6 所示。圖 3.6 運(yùn)算放大電路3.5 電壓比例調(diào)整電路一般來說進(jìn)入單片機(jī)的狀態(tài)參數(shù)( 模擬量和開關(guān)量 ) 信號(hào)均需通過各自相應(yīng)的傳感器采集和處理后才能輸入單片機(jī)。主發(fā)電壓、 主發(fā)電流、6 路勵(lì)磁電流等 8 個(gè)模擬量由相應(yīng)傳感器根據(jù)工作參數(shù)的變化采集到連續(xù) 0-5v 的直流電壓。由于本系統(tǒng)采用的 adc 的電壓轉(zhuǎn)換范圍為 0 vrefv ，其中 vref=2.4v(vref 為內(nèi)部基準(zhǔn)電壓 )，所以這些 0-5v 的電壓信號(hào)經(jīng)過運(yùn)放電路、放大濾波輸入 a

48、dc 之前必須加一個(gè)電壓比例調(diào)整電路，調(diào)整為 0-2.4v 的模擬電壓后再送到 a/d 轉(zhuǎn)換器的輸入端，進(jìn)而轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制碼數(shù)字供給單片機(jī)的中央處理單元進(jìn)行數(shù)字和邏輯運(yùn)算，電壓比例調(diào)整電路如圖 3.7 所示。圖 3.7 電壓比例調(diào)整與單片機(jī)接口電路3.6 a/d 轉(zhuǎn)換電路隨著數(shù)字技術(shù)，特別是信息技術(shù)的飛速發(fā)展與普及，在現(xiàn)代控制、通信及檢測等領(lǐng)域，為了提高系統(tǒng)的性能指標(biāo)，對(duì)信號(hào)的處理廣泛采用了數(shù)字計(jì)算機(jī)技術(shù)。由于系統(tǒng)的實(shí)際對(duì)象往往都是一些模擬量（如溫度、壓力、位移、圖像等），要使計(jì)算機(jī)或數(shù)字儀表能識(shí)別、處理這些信號(hào)， 必須首先將這些模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)； 而經(jīng)計(jì)算機(jī)分析、處理后輸出的數(shù)字量也往往

49、需要將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)模擬信號(hào)才能為執(zhí)行機(jī)構(gòu)所接受。這樣，就需要一種能在模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)之間起橋梁作用的電路- 模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器。本系統(tǒng)采用的 c8051f020 主芯片自身帶有 a/d轉(zhuǎn)換單元，可以用來對(duì)前端模擬電路采集到的模擬信號(hào)進(jìn)行 a/d轉(zhuǎn)換，原理框圖如圖 3.8 所示。圖 3.8 adc 原理框圖amux0 、pga0 、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方式及窗口檢測器都可用軟件通過圖 3-8 所示的特殊功能寄存器來控制。只有當(dāng) adc0 控制寄存器中的 ad0en 位被置 1時(shí) adc0 子系統(tǒng)（adc0 、跟蹤保持器和 pga0 ）才被允許工作。當(dāng) ad0en 位為0時(shí)， adc0 子系統(tǒng)處于低功耗關(guān)斷方

50、式。3.7 d/a 輸出電路數(shù)字量是用代碼按數(shù)位組合起來表示的，對(duì)于有權(quán)碼， 每位代碼都有一定的位權(quán)。 為了將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，必須將每1 位的代碼按其位權(quán)的大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，然后將這些模擬量相加，即可得到與數(shù)字量成正比的總模擬量，從而實(shí)現(xiàn)了數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)采用的 c8051f020 主芯片有兩個(gè)片內(nèi)12 位電壓方式數(shù) / 模轉(zhuǎn)換器（dac ） ，dac0 和 dac1 的功能圖如圖 3.9 、3.10 所示。圖 3.9 dac0 功能框圖圖 3.10 dac1 功能框圖圖 3.11 d/a輸出電路dac輸出電路如圖 3.11 所示，每個(gè) dac 的輸出擺幅均為0v到（vref-1

51、lsb ），對(duì)應(yīng)的輸入碼范圍是0 x000到 0 xfff 。每個(gè) dac 的電壓基準(zhǔn)在 vrefd （c8051f020 ）引腳提供。為了使 dac 輸出有效，使用內(nèi)部電壓基準(zhǔn)。dac輸出的信號(hào)經(jīng)過lm324運(yùn)算放大，再到光隔芯片 hcnr200， hcnr200 是由發(fā)光二極管 d1、 反饋光電二極管 d2、輸出光電二極管 d3 組成。當(dāng) d1 通過驅(qū)動(dòng)電流 if 時(shí)，發(fā)出紅外光 ( 伺服光通量 ) 。該光分別照射在 d2、d3上，反饋光電二極管吸收 d2 光通量的一部分，從而產(chǎn)生控制電流 i1 (i1 = 0.005 if )。該電流用來調(diào)節(jié) if 以補(bǔ)償 d1 的非線性。輸出光電二極管

52、 d3 產(chǎn)生的輸出電流 i2與 d1 發(fā)出的伺服光通量成線性比例。令伺服電流增益 k1= i1 / if ， 正向增益 k2 = i2 / if；則傳輸增益 k3= k2 / k1 =i2 / i1， k3的典型值為 1 ，uout/uin=r78/r80。3.8 電源電路電源（ vcc ）是整個(gè)開發(fā)板正常工作的動(dòng)力源泉。電源電壓過大會(huì)大大縮短芯片的工作壽命， 嚴(yán)重的會(huì)燒毀芯片及其它元器件；過小將不能驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)板工作電路。因此設(shè)定合適的電源電壓值非常重要。本系統(tǒng)主要芯片工作電壓均+3.3v 左右。電壓基準(zhǔn)電路為控制 adc 和 dac 模塊工作提供了靈活性。 有三個(gè)電壓基準(zhǔn)輸入引腳， 允許每個(gè)

53、adc 和兩個(gè) dac 使用外部電壓基準(zhǔn)或片內(nèi)電壓基準(zhǔn)輸出。通過配置 vref 模擬開關(guān)，adc0 還可以使用 dac0 的輸出作為內(nèi)部基準(zhǔn)， adc1 可以使用模擬電源電壓作為基準(zhǔn)，本系統(tǒng)電源由外部直流變壓器提供，變壓器輸出+5v，該電壓被直接提供給液晶顯示器及其背光電路所需的逆變器作為工作電壓。另外，該直流輸出電壓經(jīng)過電源調(diào)整芯片產(chǎn)生系統(tǒng)所需要的電壓 +3.3v，該+3.3v 為微處理器 c8051f020提供電壓，電源調(diào)整芯片采用 spx29302t5 型，電源電路如圖 3.12 所示。圖 3.12 電源電路3.9 液晶接口電路本系統(tǒng)采用了液晶顯示，dm12864j 是一種圖形點(diǎn)陣液晶顯

54、示器，它采用的控制器是 ks0107 型， 主要采用動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)原理由行驅(qū)動(dòng)控制器和列驅(qū)動(dòng)控制器兩部分組成了 128 （列） 64（行）的全點(diǎn)陣液晶顯示。它的主要特性有以下幾點(diǎn)：1）工作電壓為 +5v，可自帶驅(qū)動(dòng) lcd 所需的負(fù)電壓。2）全屏幕點(diǎn)陣，點(diǎn)陣數(shù)是 128（列） 64（行）個(gè)（ 1616 點(diǎn)陣）漢字，也可完成字符、圖形的顯示。3）與 cpu 接口采用 5 條位控制總線和 8 位并行數(shù)據(jù)總線輸入輸出。4）內(nèi)部有顯示數(shù)據(jù)鎖存器。5）簡單的操作指令顯示開關(guān)設(shè)置，顯示起始行設(shè)置，地址指針設(shè)置和數(shù)據(jù)讀/寫等指令。液晶模塊的引腳說明見表3-1 所示。表 3-1 dm12864j 液晶模塊的引腳特性

55、引腳號(hào)引腳名稱級(jí)別引腳功能描述1 vss 0v 電源地2 vdd +5v 電源電壓3 vlcd 0-10v lcd 驅(qū)動(dòng)負(fù)電壓，要求 vdd-vlcd=13v 4 rs h/l 寄存器選擇信號(hào)5 r/w h/l 讀/ 寫操作選擇信號(hào)6 e h/l 使能信號(hào)7 db0 h/l 八位三態(tài)并行數(shù)據(jù)總線8 db1 9 db2 10 db3 11 db4 12 db5 13 db6 14 db7 15 cs1 h/l 片選信號(hào)，當(dāng) cs1=h 時(shí), 液晶左半屏顯示16 cs2 h/l 片選信號(hào)，當(dāng) cs2=h 時(shí), 液晶右半屏顯示17 /res h/l 復(fù)位信號(hào) , 低有效18 vee -10v 輸出-

56、10v 的負(fù)電壓 ( 單電源供電 ) 19 led+(el) +5v 背光電源 ,idd 200ma20 led-(el 0v 單片機(jī)與該液晶顯示模塊的連接方法有兩種，一種是直接訪問方式， 另一種是間接控制方式。 本系統(tǒng)采用間接控制， 8 位數(shù)據(jù)接口方式， dmf12864j 顯示模塊與單片機(jī)的間接接口電路如圖 3.13 所示。圖 3.13 液晶顯示接口電路雖 然 c8051f020 器件的數(shù)字輸入是5v 兼容的，但輸出的最大電壓值為vdd(2.7v-3.6v) 。液晶顯示器是一個(gè) 5v 器件，需要一個(gè)高于該 vdd 的輸入電壓才能工作，所以需要一個(gè)接口電路來驅(qū)動(dòng)液晶顯示器。為了提供一個(gè)比vd

57、d 高的輸入電壓，將端口引腳的輸出設(shè)置為漏極開路方式，并將輸出端通過上拉電阻接到5v電源。這樣 c8051f020的邏輯“ 1”輸出將被提升到5v，而邏輯“ 0”為地。另外，本系統(tǒng)要求液晶顯示器工作在寬溫條件下，所以需要連接負(fù)電源，圖中的電位器為v0提供了可調(diào)的驅(qū)動(dòng)電壓，用以實(shí)現(xiàn)顯示對(duì)比度的調(diào)節(jié)。3.10 數(shù)碼管顯示電路本系統(tǒng)還運(yùn)用了數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示， 數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示接口是單片機(jī)中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式之一， 動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)是將所有數(shù)碼管的8 個(gè)顯示筆劃 a,b,c,d,e,f,g,dp的同名端連在一起， 另外為每個(gè)數(shù)碼管的公共極com 增加位選通控制電路， 位選通由各自獨(dú)立的 i/o 線控制，當(dāng)

58、單片機(jī)輸出字形碼時(shí)， 所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個(gè)數(shù)碼管會(huì)顯示出字形，取決于單片機(jī)對(duì)位選通com 端電路的控制， 所以我們只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開，該位就顯示出字形， 沒有選通的數(shù)碼管就不會(huì)亮。 通過分時(shí)輪流控制各個(gè)數(shù)碼管的的com 端，就使各個(gè)數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)，數(shù)碼管顯示電路如圖3.14 所示。圖 3.14 數(shù)碼管電路在輪流顯示過程中，每位數(shù)碼管的點(diǎn)亮?xí)r間為12ms ，由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)， 盡管實(shí)際上各位數(shù)碼管并非同時(shí)點(diǎn)亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會(huì)有閃爍感， 動(dòng)態(tài)顯示的效果和靜態(tài)顯示是

59、一樣的，能夠節(jié)省大量的i/o 端口，而且功耗更低。本設(shè)計(jì)用4 個(gè) 8550三極管作為驅(qū)動(dòng)，它是一種低電壓, 大電流 , 小信號(hào)的 pnp 型硅三極管。3.11 鍵盤電路鍵盤是人與信號(hào)采集系統(tǒng)聯(lián)系的重要手段，用于向 cpu輸入運(yùn)行參數(shù)， 控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。本系統(tǒng)采用44 鍵盤，使用一個(gè) 8 位的接口，外接 16 個(gè)按鍵，其與單片機(jī)接口電路如圖 3.15 所示。當(dāng)用手按下一個(gè)鍵時(shí)， 往往會(huì)出現(xiàn)所按鍵在閉合位置和斷開位置之間跳幾下才穩(wěn)定到閉合狀態(tài)的情況，在釋放一個(gè)鍵時(shí)， 也會(huì)出現(xiàn)類似的情況。這就是鍵抖動(dòng)，抖動(dòng)時(shí)間持續(xù)不一，與開關(guān)的機(jī)械特性有關(guān)，通常不會(huì)大于l0ms。若抖動(dòng)問題不解決，就會(huì)引起對(duì)閉合

60、鍵的多次讀入。為保證鍵掃描的正確，需進(jìn)行去抖動(dòng)處理。 去抖動(dòng)有硬件和軟件兩種方法。 硬件方法就是在鍵盤中附加去抖動(dòng)電路，如 r-s 觸發(fā)器或單穩(wěn)態(tài)電路，從根本上消除抖動(dòng)產(chǎn)生的可能性。本系統(tǒng)中采用硬件方法消除抖動(dòng)影響。圖 3.15 鍵盤電路3.12 流水燈電路對(duì)于開關(guān)量的采集， 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一款簡易的流水燈，它是由 8 個(gè)發(fā)光二極管組成，流水燈電路圖如圖3.16 所示。圖 3.16 流水燈電路從流水燈電路圖中可以看出， 如果要讓接在 p7.0 口的 led1亮起來，那么只要把p7.0 口的電平變?yōu)榈碗娖骄涂梢粤?；相反，如果要接?p7.0 口的 led1熄滅，就要把 p7.0 口的電平變?yōu)楦唠娖?/p>