【正文】 周期 4 圖 4 指令流水線結構示意圖 PIC 的結構特點還體現(xiàn)在寄存器組上 （見圖 5)。 馮 .諾依曼結構 哈佛結構 圖 3 兩種不同結構的示意圖 3．兩級指令流水線結構 PIC 系列微控制器的取指和執(zhí)行采用指令流水線結構 (見圖 4)，當一條指令被執(zhí)行時允許下一條指令同時被取出，使得在每個時鐘周期可以獲得最高效率。由于可以對程序和數(shù)據(jù)同時進行訪問，所以提高了數(shù)據(jù)吞吐率。 傳統(tǒng)的馮在單周期內(nèi)可以對 I／ O 口 的任一位直接進行位操作。在相同情況上， PIC 微控制器所需要的編碼比一般要少一半，其指令的高效率又可使編碼開發(fā)時間節(jié)約 30％。先進的類 RISC 結構體現(xiàn)在每一條高效率和功能強大的指令上。該公司推出了三個不同層次系列、幾十種產(chǎn)品來滿足不同的產(chǎn)品設計需要，這三個系列微控制器的每一種型號的芯片都含有片內(nèi)程序存儲器，而且它們的指令系統(tǒng)向上兼容，用戶可以根據(jù)需要選擇具有各種不同外圍接口功能、不同封裝形式和不同電壓范圍的芯片；該公司還可以提供完整的可兼容的開發(fā)工具套 件和世界范圍的現(xiàn)場應用支持，所以這個系列的微控制器在市場上極具強勁的競爭力，在全球都可以看到 PIC 微控制器從辦公自動化設備、消耗電子產(chǎn)品、電訊通信、智能儀器儀表、到汽車電子、金融電子、工業(yè)控制等不同領域的廣泛應用。 在這眾多的五彩繽紛的微控制器中，美國 Microchip技術公司的 PIC 系列微控制器則異軍突起，獨樹一幟。 本設計中采用 RS232C 接口進行異步通訊即可滿足要求。 RS485 傳輸速率最高為 10Mbit/s，最大電纜長度為 1200 米。 RS485 標準允許最多并聯(lián) 32臺驅動器和 32 臺接收器。 串行通訊方案 方案一 :采用 RS422A 標準規(guī)定了差分平衡的電氣接口，它采用平衡驅動和差分接收的方法。 基于低功耗的設計要求，本設計中采用， PIC 系列單片機作為中央處理單元。 方案 三：以 PIC 系列單片機作為中央處理單元，本方案具有前兩個方案無法取代 的優(yōu)點： 1) 選型靈活， PIC 系列從低到高有幾十個型號， 可以滿足各種需要。本方案的主要優(yōu)點： ①速度快，執(zhí)行速度達到 20MIPS，幾乎所有的指令可以在 50ns 的單周期內(nèi)完成， 如此高的性能非常適合實時數(shù)據(jù)采集。 方案二：選用單線數(shù)字溫 度傳感器 DSl8B20，它與其他傳感器相比有以下幾個 優(yōu)點： (1)單總線，節(jié)省 I／ O 口 線； (2)數(shù)字化，內(nèi)部自帶 A／ D，編程方便； (3)集成度高，外圍硬件電路簡單； (4)精度高，測溫分辨率可達 ℃ ； 本設計中選用 DS18B20 作為溫度傳感器。這種器件在被測溫度一定時，相當于一個恒 USART 12C 溫度傳感器 I/O 12C 發(fā)射模塊 接收模塊 上位機 陜西廣播電視大學機械制造及其自動化專業(yè)畢業(yè)設計 5 流源。溫度處理部分由無線接收模塊、 MCU、與上位機通訊的接口電路構成。 本設計中的無線溫度傳感器是測量回水溫度的部件，以解決目前國內(nèi)外熱量表生產(chǎn)單位普遍采用的有線采集回水溫度帶來的施工安裝不便及可靠性低這一突出的共性問題。 隨著國家對城鎮(zhèn)供熱采暖采用熱量計量的不斷推廣，熱量表項目將成為一項高科技、高效益的投資項目，將帶動起一個年產(chǎn)值幾百億的新興產(chǎn)業(yè)群，并且它的持續(xù)發(fā)展期在 1 5 年以上。傳感器屬于信息技術的前沿尖端產(chǎn)品，尤其是溫度傳感器被廣泛用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學研究和生活等領域，數(shù)量高居各種傳感器之首。 4．傳感器的微型化 集成智能傳感器的微型化決不僅僅是尺寸上的縮微與減少，而是一種具有新機理、新結構、新作用和新功能的高科技微型系統(tǒng)，并在智能程度上與先進科技融合。近年來，不少學者又將遺傳算法、小波分析技術、虛擬技術引入數(shù)據(jù)融合技術中。 比如，諧振式傳感器具有高穩(wěn)定性、高精度、準數(shù)字化輸出等許多優(yōu)點，但傳統(tǒng)的傳感器頻率信號檢測需要較復雜的設備，限制了諧振式傳感器的應用和發(fā)展，現(xiàn)在利用同一硅片上集成的智能檢測電路，可以迅速 提取頻率信號，使得諧振式微機械傳感器成為國際上傳感器領域的一個研究熱點。 集成智能傳感器采用微機械加工技術和大規(guī)模集成電路工藝技術，利用硅作為基 本材料來制作敏感元件、信號調(diào)制電路， 以及微處理器單元，并把它們集成在一塊芯陜西廣播電視大學機械制造及其自動化專業(yè)畢業(yè)設計 2 片上。 ’ 集成化智能傳感器研制是較新的發(fā)展方向，具有廣闊的市場空間，它主要利用集成電路的工藝和微機械加工技術取得研究進展；但比國外集成電路的主流工藝要落后到兩代以上。 在以單片機為核心 的控制硬件電路設計上，采用及篩選低功耗的電子元件與集成電路，進行低功 耗線路設計和線路板優(yōu)化；在軟件控制上采用降低功耗的休眠技術及采樣周期優(yōu)化，以期達到最大限度地降低計量儀表功耗，延長電池壽命。溫度傳輸采用超低功耗發(fā)射接收模塊 PTR4000，以 I2C 方式與處理器通訊。 集成化智能傳感器的優(yōu)點使它成為目前傳感器研究的熱點和傳感器發(fā)展的主要方向，必將主宰下個世紀的傳感器市場。本人授權 大學可以將本學位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。除了文中特別加以標注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。盡我所知，除文中特別加以標注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機構的學位或學歷而使用過的材料。對本研究提供過幫助和做出過貢獻的個人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝 意。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。 涉密論文按學校規(guī)定處理。 文本的數(shù)字化無線溫度傳感器具有集成化、智能化的特點，它由溫度測量（發(fā)射部分）、溫度處理（接收部分）和溫度值顯示（上位機）三部分構成。PTR4000 在測量點接受傳感器的數(shù)據(jù)并把數(shù)據(jù)以無線方式傳輸出去，接收部分通過接受模塊（ PTR4000）接收數(shù)據(jù)，并進行數(shù)字濾波，同時將接收到的數(shù)據(jù)以異步串行通信方式傳給上位機。 本設計中的測溫范圍在 O℃～ 100℃之間，測溫精度為177。如果我國把集成智能傳感器的研制和生產(chǎn)作為半導體工藝的主要發(fā)展方向之一，就可以在現(xiàn)有的集成電路工藝和微機械加工的優(yōu)勢的基礎上另辟蹊徑，使集成智能傳感器的研制與生產(chǎn)具有一定功能模塊化能力，為傳 感器產(chǎn)業(yè)的集成化智能化發(fā)展積累新的技術經(jīng)驗，并拓展應用領域的廣泛性，使其成為未來傳感器發(fā)展的主流。這樣，使智能傳感器達到了微型化和結構一體化，從而提高了精度和穩(wěn)定性。 2．數(shù)據(jù)融合理論 數(shù)據(jù)融合是集成智能傳感器理論的重要領域，也是各國研究的熱點，數(shù)據(jù)融合技術，簡言之，即對多個傳感器或多源信息進行綜合處理，從而得到更為準確、可靠的結論。 3． CMOS 工藝兼容 目前，國外在研究二次集成技術的同時，集成智能傳感器在工藝上的研究熱點集中在研制與 CMOS 工藝兼容的各種傳感器結構及制造工藝流程，探求在制造工藝和微機械加工技術上有所突破。其微型化主要基于以下發(fā)展趨勢：尺寸上的縮微和性質上的增強性；各要素的集成化和用途上的多樣化；功能上的系統(tǒng)化、智能化和結構上的復合性。近百年來，溫度傳感器的發(fā)展大致經(jīng)歷了以下三個階段； (1)傳統(tǒng)的分立式溫度傳感器 (含敏感元件 )； (2)模擬集成溫度傳感器／控制器； (3)智能溫度傳感器。在國家有關政策的引導下，目前，全國各地正在進行供熱分戶改造，未來幾年內(nèi)，國家將逐步實行按甩熱量分戶計量收費，屆時將會催生一個非常龐大 的實時在線供熱表市場。以適應我國民用計量儀表使用的實際現(xiàn)狀，達到節(jié)約能源和供需平衡的目的。其系 統(tǒng)原理框圖如下所示： 圖 1 溫度測量部分原理框圖 圖 2 溫度處理部分原理框圖 傳感器方案 溫度傳感器的種類很多，選擇的空間就很廣闊，可以使 用熱電偶，熱電阻等測溫 元件，也可以選用集成溫度傳感器。該器件具有良好的線性和互換性，測量精度高，并具有消除電源波動的特性。 微處理器方案 方案一：主機采用以 89C51系列單片機為核心的微控制器完成對無線發(fā)射接收模塊的控制，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的采集。 ②硬件結構簡單，具有豐富的可編程多路復用 I／ O 引腳，能實現(xiàn)對溫度傳感器、 鍵盤顯示接口、輸出打印接口的編程功能。 2) 精簡指令使其執(zhí)行效率大為提高。 2． 4 射頻模塊方案 方案一：采用 PTR20xx 作為無線收發(fā)模塊，其集成度相對較高，外圍硬件電路簡 單，收發(fā)一體，但因為是無線通信，在通信過程中易受干擾，誤碼率高。這相當于兩個單端驅動器，輸入同一信號時，其中一個驅動器的輸出永遠 是另一個驅動器的反向信號。總線兩端接匹配電阻 (100Ω 左右 )，驅動器負載為 54Ω 。 方案三：采用 RS232C 接口。 陜西廣播電視大學機械制造及其自動化專業(yè)畢業(yè)設計 7 第三章硬件原理與實現(xiàn) 在微控制器 (Microcontroller)應用領域日益廣泛的今天，各個領域的應用也向微 控制器廠商提出了更高要求，希望速度更快、功耗更低、體積更小、價格更廉以及組成系統(tǒng)時所需要的外圍器件更少；隨著越來越多的各種非電子工程技術人員的應用需求，他們想把微控制器作為嵌入式部件應用到自己熟悉的領域，還提出簡單易學用的要求，用戶的需求就是商家的市場和動力，老的半導體廠商順應潮流不斷推出新品種，新的半導體廠商則后來居上，把越來越多的外圍接口器件集成到片內(nèi)，功能越來越強、性能越來越高。它率先推出采用精簡指令集計算機 RISC(Reduced Instruction Set Computer)、哈佛 （ Harvard） 雙總線和兩級指令流水線結構的高性能價格比的 8位嵌入式控制器 （ Embedded Controller)。 PIC 系列微控制器在世界微控制器市場份額排名逐年上升，在 8 位微控制器市場，已從 1990 年的第 20 位提高到 1996 年的第 5 位，以至成為一種新的 8位微控制器的世界標準和最有影響力的主流嵌入式控制器。三個系列微控器的指令都是單字的寬字位指令：低檔、中檔和高檔系列的指令位數(shù)分別為 1 14 和 16 位，且分別只有 3 35和 58條指令，它們向上兼容其指令系統(tǒng)除了程序分支指令是單字雙周期指令外， 其它指令都是單周期、單字指令，在這些指令中，沒有功能相交叉的指令，使所有的指令具有簡潔性；而一般CISC(Complex Instruction Set Computer)結構的微控制器通常有 50 到 110 條多字節(jié)多周期的指令。 (1) 指令流水線結構可以在一個周期內(nèi)同時完成一條指令的執(zhí)行和下一條指令的取指。 程序分支指令 CALL、 GOTO 和在 PCL 上的操作需要兩個周期的執(zhí)行時間，在 20MHz的情況下為 400ns。諾依曼結構的計算機是在同一個存儲空間取指令和數(shù)據(jù) (即普林斯頓結構 )，兩者不能同時進行，故限制了工作帶寬。正因為在 PIC 系列微控制器中采用了哈佛雙總線結構，所以與常見的微控制器不同的一點是：程序和數(shù)據(jù)總線可以 采用不同的寬度。 在大多數(shù) 在大多數(shù)微控制器中，取指和指令執(zhí)行都是順序進行的。 所有的寄存器，包括 I/0口、定時器和程序計數(shù)器等都是采用 RAM 結構形式，而且都只需要一個周期 就可以完成 訪 問和操作。利用 PIC 高性能算法處理能力的實時性可以取代低效率的存儲操作和精確度不高的查表法。 PIC 的小晶片尺寸加上MICROCHIP 先進的 CMOS 技術使芯片具有很寬的性能范圍以及低工作電流 (典型值：在3V， 32kHz 時工作電流為 15181。 4 用戶可選擇振蕩器 片內(nèi)集成帶有 RC 振蕩器的監(jiān)視定時器，而且引進了“用戶可選擇振蕩器 的新設計概念，它允許用戶在 4 種從直流到 20MHZ(200ns)頻率范圍內(nèi)選擇一種振蕩形式讓芯片執(zhí)行指令，以優(yōu)化系統(tǒng)的功耗。芯片可以在一個指令周期內(nèi) (200ns)對任何寄存器 (包括 I／ O寄存器 )中的任何一位完成位置 I、位清零和 位測試功能。 7 可編程的特殊外圍接口性 (1)雙 lO 位／ 20KHZ， 8 位／ 80KHZ 的 PWM(脈寬調(diào)制 )接 口 ；