【正文】 3）按下時(shí)，系統(tǒng)檢查是否通過RS232連接PC機(jī)，若連接成功，則執(zhí)行傳輸命令同時(shí)清空E2PROM內(nèi)數(shù)據(jù)組。 本章小結(jié)本章分成硬件總體設(shè)計(jì)和軟件總體設(shè)計(jì)兩部分介紹了整個(gè)系統(tǒng)，在硬件總體設(shè)計(jì)方面給出了系統(tǒng)各模塊框圖，軟件設(shè)計(jì)則給出主程序流程圖。通過本章可對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在硬件和軟件方面有一個(gè)總體的認(rèn)識(shí)。第3章 硬件設(shè)計(jì) 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) ATmega64單片機(jī)概述Atmega64單片機(jī)為基于AVR RISC結(jié)構(gòu)的8位低功耗CMOS微處理器。由于其先進(jìn)的指令集及單周期指令執(zhí)行時(shí)間，Atmega64單片機(jī)的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1MIPS/MHz，故可以減緩系統(tǒng)的功耗和處理速度之間的矛盾。AVR單片機(jī)內(nèi)核具有豐富的指令集和32個(gè)通用工作寄存器。所有的寄存器都直接與邏輯單元（ALU）相連接，使得一條指令可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)同時(shí)訪問兩個(gè)獨(dú)立的寄存器。這種結(jié)構(gòu)大大提高了代碼效率，并且具有比普通的復(fù)雜指令集處理器高10倍的數(shù)據(jù)吞吐率。Atmega64單片機(jī)是AVR單片機(jī)家族中的高性能單片機(jī)，具有比其他型號(hào)更高的性能，Atmega64片內(nèi)帶有64KB的系統(tǒng)可編程Flash程序存儲(chǔ)器，具有在寫的過程中還可以讀的能力，即同時(shí)讀寫（RWW）；2KB的E2PROM；4KB的SRAM；53個(gè)通用I/O端口線；32個(gè)通用工作寄存器；實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）；4個(gè)靈活的具有比較模式和PWM的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器（T/C）；2個(gè)USART；面向字節(jié)的兩線接口（TWI）；8通道10位ADC；可選的可編程增益；片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器；串行外圍接口（SPI）；與IEEE ，此接口同時(shí)還可以用于片上調(diào)試；6種可以通過軟件選擇的省電模式?？臻e模式時(shí)，CPU停止工作，而SRAM、T/C、SPI以及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作；掉電模式時(shí)，晶體振蕩器停止震蕩，所有功能除了中斷和硬件復(fù)位之外都停止工作，而寄存器的內(nèi)容則一直保持；省電模式時(shí)，異步定時(shí)器繼續(xù)運(yùn)行，以允許用戶維持時(shí)間基準(zhǔn)，器件的其他部分處于睡眠狀態(tài)；ADC噪聲抑制模式時(shí)，CPU和所有的I/O模塊停止運(yùn)行，而異步定時(shí)器和ADC繼續(xù)工作，以減少ADC轉(zhuǎn)換時(shí)的開關(guān)噪聲；Standby模式時(shí)，振蕩器工作而其他部分睡眠，使得器件只消耗極少的電流，同時(shí)具有快速啟動(dòng)的能力；擴(kuò)展Standby模式時(shí)，則允許振蕩器和異步定時(shí)器繼續(xù)工作。Atmega64單片機(jī)元器件是以ATMEL公司的高密度非易失性內(nèi)存技術(shù)生產(chǎn)的。片內(nèi)ISP Flash存儲(chǔ)器可以通過SPI、通用編程器或引導(dǎo)程序多次編程。引導(dǎo)程序可以使用任何接口來下載應(yīng)用程序到Flash存儲(chǔ)器。在更新應(yīng)用Flash存儲(chǔ)器時(shí)引導(dǎo)Flash區(qū)的程序繼續(xù)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)RWW操作。通過將8位RISC與系統(tǒng)內(nèi)可編程的Flash存儲(chǔ)器集成在一個(gè)芯片內(nèi)，Atmega64單片機(jī)為許多嵌入式控制應(yīng)用提供了靈活且低成本的方案。Atmega64 AVR單片機(jī)有整套的開發(fā)工具，包括C語言編譯器、宏匯編語言、程序調(diào)試器/仿真器和評(píng)估板。其具體產(chǎn)品特點(diǎn)如下：、低功耗的8位微處理器。：? 130條指令，大多數(shù)可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成。? 32KB*8bit通用工作寄存器和外設(shè)控制寄存器。? 全靜態(tài)工作。? 工作于16MHz時(shí)性能高達(dá)16MIPS。? 只需兩個(gè)時(shí)鐘周期的硬件乘法器。；? 64KB的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash存儲(chǔ)器，壽命為10000次寫/擦出周期。? 具有獨(dú)立鎖定位、可選擇的啟動(dòng)代碼區(qū)，通過片內(nèi)的啟動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程真正的讀—修改—寫操作。? 2KB的E2PROM，壽命為10000次寫/擦除周期。? 4KB的內(nèi)部SRAM。? 多達(dá)64KB的優(yōu)化的外部存儲(chǔ)器空間。? 可以對(duì)鎖定位進(jìn)行編程，以實(shí)現(xiàn)軟件加密。? 可以通過SPI實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程。（與IEEE ）：? 遵循JTAG標(biāo)準(zhǔn)的邊界掃描功能。? 支持?jǐn)U展的片內(nèi)調(diào)試。? 通過JTAG接口實(shí)現(xiàn)對(duì)Flash存儲(chǔ)器，E2PROM、熔絲位和鎖定位的編程。：? 2個(gè)具有獨(dú)立的預(yù)分頻器和比較器功能的8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。? 2個(gè)具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。? 具有預(yù)分頻器的實(shí)時(shí)時(shí)鐘計(jì)數(shù)器。? 2路8位PWM。? 6路分辨率可編程（1~16位）的PWM。? 輸出比較調(diào)制器。? 8路10位ADC：8個(gè)單端通道；7個(gè)差分通道；2個(gè)具有可編程增益（1倍、10倍、200倍）的差分通道。? 面向字節(jié)的兩線接口（TWI）。? 2個(gè)可編程的串行USART。? 可工作于主機(jī)/從機(jī)模式的串行外圍設(shè)備接口（SPI）。? 具有獨(dú)立片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器。? 片內(nèi)模擬比較器。：? 上電復(fù)位以及可編程的掉電監(jiān)測。? 片內(nèi)經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)的RC振蕩器。? 片內(nèi)/片外中斷源。? 6種睡眠模式：空閑模式、ADC噪聲抑制模式、省電模式、掉電模式、Standby（待機(jī)）模式以及擴(kuò)展的Standby模式。? 可以通過軟件進(jìn)行選擇的時(shí)鐘頻率。? 通過熔絲位可以選擇Atmega103單片機(jī)兼容模式。? 全局上拉禁止功能。：? 53個(gè)可編程I/O端口線。? 64引腳TQFP與64引腳MLF封裝。：~。：0~16MHz。 ATmega64單片機(jī)引腳功能：數(shù)字電路的電源。：地。（PA7~PA0）：端口A為8位雙向I/O端口，并具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時(shí)，若內(nèi)部上拉電阻使能，則端口被外部電阻拉低時(shí)將輸出電流。復(fù)位發(fā)生時(shí)端口為三態(tài)。（PB7~PB0）、C（PC7~PC0）、D（PD7~PD0）、E（PE7~PE0）：與端口A具有相同的I/O性能，但在Atmega103單片機(jī)兼容模式下，端口C只能作為輸出，而且在復(fù)位發(fā)生時(shí)不是三態(tài)。（PF7~PF0）：端口F為ADC的模擬輸入引腳。如果不作為ADC的模擬輸入，端口F可以作為8位雙向I/O端口，并具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時(shí)，若內(nèi)部上拉電阻使能，則端口被外部電路拉低時(shí)將輸出電流。復(fù)位發(fā)生時(shí)端口F為三態(tài)。如果使能了JTAG接口，則復(fù)位發(fā)生時(shí)引腳PF7（TDI）、PF5（TMS）、和PF4（TCK）的上拉電阻使能。端口F也可以作為JTAG接口。在Atmega103單片機(jī)兼容模式下端口F只能作為輸入引腳。（PG4~PG0）：端口G為5位雙向I/O端口，并具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時(shí)，若內(nèi)部上拉電阻使能，則端口被外部電路拉低時(shí)將輸出電流。復(fù)位發(fā)生時(shí)，端口G為三態(tài)。在Atmega103單片機(jī)兼容模式下，端口G只能作為外部存儲(chǔ)器的所存信號(hào)以及32KHz振蕩器的輸入，并且在復(fù)位時(shí)，這些引腳初始化為PG0=PG1=1以及PG2=0。PG3和PG4是振蕩器引腳。圖31 Atmega64引腳圖、B、C、D、E、F、G：都可作為第二引腳試用 ：復(fù)位輸入引腳。超過最小門限時(shí)間的低電平將引起系統(tǒng)復(fù)位，低于此時(shí)間的脈沖不能保證可靠復(fù)位。：反向震蕩放大器及片內(nèi)時(shí)鐘操作電路的輸入。：反向震蕩放大器的輸出。：AVCC為端口F以及ADC的電源，須與VCC相連接，即使沒有使用ADC也應(yīng)該如此。使用ADC時(shí)，應(yīng)該通過一個(gè)低通濾波器與VCC連接。：AREF為ADC的模擬基準(zhǔn)輸入引腳。：PEN為SPI串行下載的使能引腳。在上電復(fù)位時(shí)，保持PEN為高電平，將使器件進(jìn)入SPI串行下載模式。在正常工作過程中，PEN引腳沒有其他功能。 系統(tǒng)時(shí)鐘電路AVR單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)通常有兩種產(chǎn)生方式：一是內(nèi)部時(shí)鐘方式；二是外部時(shí)鐘方式，本課題采用內(nèi)部時(shí)鐘方式，如圖32。圖32 時(shí)鐘電路與Atmega64連接圖晶振Y1的頻率范圍為0~16MHz，本系統(tǒng)中采用8MHz的晶振頻率，電容器CC2均為22pF。 系統(tǒng)復(fù)位電路復(fù)位操作有兩種基本形式：一種是上電復(fù)位，另一種是按鍵復(fù)位。Atmega64單片機(jī)為低電平復(fù)位最小門限時(shí)間為兩個(gè)時(shí)鐘周期。S1未按下時(shí)，RESET處于高電平，當(dāng)S1按鍵按下時(shí)，RESET接地，處于低電平，單片機(jī)進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)，復(fù)位電路如圖33所示。圖33 系統(tǒng)復(fù)位電路圖 系統(tǒng)電源電路系統(tǒng)輸入電壓為12V，通過LM7805CK穩(wěn)壓芯片轉(zhuǎn)換，為系統(tǒng)提供5V工作電壓。LM7805CK是常見的三端穩(wěn)壓器件，如圖34所示，它具有良好的溫度系數(shù)，應(yīng)用范圍很廣。其主要特點(diǎn)有：，輸出電壓為5V；；。圖34 LM7805引腳圖常見的LM7805CK的引腳定義如表31表31 LM7805CK引腳定義引腳符號(hào)功能1Input輸入電壓2GND地3Output輸出電壓 標(biāo)準(zhǔn)RS232接口擴(kuò)展大多數(shù)控制系統(tǒng)都是把PC機(jī)作為上位機(jī)，單片機(jī)系統(tǒng)作為下位機(jī)。單片機(jī)系統(tǒng)必須把采集的數(shù)據(jù)傳輸給PC機(jī)，以便進(jìn)行存儲(chǔ)和處理。PC機(jī)幾乎都具有RS232接口，因此單片機(jī)通過RS232接口與PC機(jī)通信最方便，也是最常用的方法。但是單片機(jī)并沒有RS232電氣接口，要進(jìn)行通信就必須要進(jìn)行接口擴(kuò)展。本設(shè)計(jì)采用MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行接口擴(kuò)展。 RS232接口的機(jī)械指標(biāo)RS232C標(biāo)準(zhǔn)是美國EIA(電子工業(yè)聯(lián)合會(huì))與BELL等公司一起開發(fā)的,于1969年公布的通信協(xié)議，全稱是EIARS232C。它適于數(shù)據(jù)傳輸速率在0～20000bps的通信。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)串行通信接口的有關(guān)問題，如信號(hào)線功能、電特性都作了明確規(guī)定。由于通信設(shè)備廠商都生產(chǎn)與RS232C制式兼容的通信設(shè)備，因此，它作為一種標(biāo)準(zhǔn)，目前已在微機(jī)通信接口中廣泛采用。RS232C采用負(fù)邏輯，規(guī)定+3V～+15V任意電壓表示邏輯0（或信號(hào)有效），3V～15V任意電壓表示邏輯1（或信號(hào)無效）。一個(gè)完整的RS232接口有22根線，采用一種標(biāo)準(zhǔn)的“D”型保護(hù)殼的25針插頭座通常使用的RS232接口信號(hào)只有9針。這9根引腳可以分成兩類：一類是基本的數(shù)據(jù)傳送引腳，另一類是用于調(diào)制解調(diào)器（Modem）的控制和反映它的狀態(tài)的引腳。基本的數(shù)據(jù)傳送引腳包括RXD、TXD、SG；Modem的控制引腳狀態(tài)包括DTR、RTS、DSR、CTS、DCD和RI。其中DTR和RTS是計(jì)算機(jī)通過RS232接口送給Modem的控制引腳；DSR、CTS、DCD和RI是Modem通過RS232送給計(jì)算機(jī)的狀態(tài)信息引腳。 表32 RS232信號(hào)定義名稱說明FG信號(hào)地，該引腳為所有電路提供參考電位TXD數(shù)據(jù)發(fā)送引腳，數(shù)據(jù)傳送時(shí)，數(shù)據(jù)由此引腳發(fā)出，在不傳送數(shù)據(jù)時(shí)，異步串行通信接口維持該腳為邏輯“1”RXD數(shù)據(jù)接收引腳RTS要求發(fā)送數(shù)據(jù)，用于通知Modem計(jì)算機(jī)請求發(fā)送數(shù)據(jù)CTS回應(yīng)對(duì)方發(fā)送的RTS的發(fā)送許可，告訴對(duì)方可以發(fā)送DSR告知本機(jī)在待命狀態(tài)，用于通知計(jì)算機(jī)，Modem準(zhǔn)備好DTR告訴數(shù)據(jù)終端處于待命狀態(tài)CD載波檢出，用于確認(rèn)是否收到Modem的載波RI振鈴信號(hào)指示引腳，用于通知計(jì)算機(jī)有來自電話網(wǎng)的 RS232接口的電氣規(guī)范表33給出了RS232總線的電氣規(guī)范，從表中可以看出RS232采用負(fù)邏輯，其中邏輯“1”為5 ~ 15V ，邏輯“0”為+5 ~ +15V。 表33 RS232接口的電氣規(guī)范項(xiàng)目電氣規(guī)范帶3~7K歐姆負(fù)載時(shí)驅(qū)動(dòng)器輸出特性邏輯1表示5~15V；邏輯0表示+5~+15V不帶負(fù)載時(shí)驅(qū)動(dòng)器的輸出特性25V~+25V驅(qū)動(dòng)器通斷時(shí)的輸出特性大于300歐姆輸出短路電流驅(qū)動(dòng)器轉(zhuǎn)換速率小于30V/us接收器輸入阻抗在3~7K歐姆接收器輸入電壓的允許范圍25V~+25V輸入開路時(shí)接收器的輸出邏輯1輸入經(jīng)300歐姆接地時(shí)接收器的輸出邏輯1+3V輸入時(shí)接收器的輸出邏輯03V輸入時(shí)接收器的輸出邏輯1最大負(fù)載電容2500pF RS232接口的電氣規(guī)范由于AVR單片機(jī)輸入輸出電平位TTL電平，而PC機(jī)配置的是RS232標(biāo)準(zhǔn)串行接口，二者的電氣規(guī)范不一致，因此要進(jìn)行PC機(jī)與單片機(jī)的數(shù)據(jù)通訊，必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換?，F(xiàn)在采用MAX232芯片中兩路發(fā)送接收中任選一路作為接口。MAX232的主要性能如下：；；；4.+30V輸出電平；，典型值是8mA；；MAX232與單片機(jī)接口電路如圖35所示圖35 MAX232與單片機(jī)接口電路圖 標(biāo)準(zhǔn)RS422接口擴(kuò)展RS422接口是一種基于平衡發(fā)送和差分接收的串行總線，具有抗共模干擾、傳輸速率高、距離遠(yuǎn)、易于網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛的應(yīng)用在很多工業(yè)現(xiàn)場。本采集系統(tǒng)使用RS422接口完成單片機(jī)與PC機(jī)的長距離數(shù)據(jù)傳輸。 MAX485芯片簡介MAX485的主要性能如下：；~+12V普通模式輸入電壓；；；MAX485接口芯片采用半雙工通信方式，完成將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS422電平的功能。MAX485的管腳定義如表34所示：表34 MAX485管腳定義管腳名稱功能8Vcc電源5GND電源地1RO接收器輸出2RE接收器輸出允許3DE驅(qū)動(dòng)器輸出允許4DI驅(qū)動(dòng)器輸入，當(dāng)DI=0，則Y=0，Z=0；當(dāng)DI=1，則Y=1,Z=06A接收器非反向輸入和驅(qū)動(dòng)器非反向輸出7B接收器反向輸出 硬件設(shè)計(jì)如圖36所示為MAX485與ATmega64單片機(jī)及PC機(jī)的典型連接示意圖。圖中ATmega64單片機(jī)與MAX485的實(shí)際位置遠(yuǎn)離PC機(jī)。在PC機(jī)端，使用電平轉(zhuǎn)換接口將RS422電平轉(zhuǎn)換為PC機(jī)能夠識(shí)別的RS232電平單片機(jī) RXD TXD PD4