【正文】 .................................................28參 考 文 獻(xiàn) .............................................................................................................................29附 錄Ⅰ 元器件清單 .............................................................................................................30附 錄Ⅱ 原理圖 .....................................................................................................................311 緒論 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及發(fā)展歷程 數(shù)據(jù)采集是將被測對象(外部世界、現(xiàn)場)的各種參量(如物理量、化學(xué)量、生物量等)通過各種傳感元件作適當(dāng)轉(zhuǎn)換后，再經(jīng)信號調(diào)理、采樣、放大、濾波、量化、編碼，然后通過無線或有線的方式進(jìn)行傳輸?shù)炔襟E，最后送到控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理或存儲紀(jì)錄的過程。早期的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于 ISA、PCI 總線，采集的數(shù)據(jù)是模擬量，系統(tǒng)龐大，采集后需要將模擬信號經(jīng)過放大、調(diào)理通過長線傳送給計算機(jī)系統(tǒng)；在長線傳輸過程中信號的電磁干擾是不可避免的，信號轉(zhuǎn)換的過程也存在干擾；基于串口傳輸數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)傳輸速度慢，而且多為主從式結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)穩(wěn)定性低。在主從通信中，可以有多個 I2C 總線器件同時連接到 I2C 總線上，所有 I2C 兼容的器件都具有標(biāo)準(zhǔn)的接口，通過地址來識別通信對象，使他們可以經(jīng)由I2C 總線互相通信。在信息傳輸過程中，I 2C 總線上并聯(lián)的每一個模塊電路既是被控器（或是主控器） ，又是發(fā)生器（或是接收器） ，這取決與它所要完成的功能。基于 I2C 的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由主控制模塊和數(shù)據(jù)采集模塊兩大部分構(gòu)成。系統(tǒng)方案如下： L P C 9 2 2復(fù)位電路晶振電路共陰數(shù)碼管鍵盤電路P 8 2 B 9 6P 8 2 B 9 6A / DP C F 8 5 9 1A D S 5 9 0S D AS C LS D AS D AS C LS C LS C L S D AL E D 驅(qū)動器7 2 9 0S C L S D A段輸出 圖 21 系統(tǒng)設(shè)計框圖 系統(tǒng)總體方案的確定 主控制器方案的選型 方案一：常用的 51 單片機(jī) 89C51 89C51 無硬件 I2C，需用軟件模擬 I2C 時序，操作繁瑣，調(diào)試麻煩，內(nèi)部資源不充足，且 5V 工作電壓功耗高、速度低，用于該課題無明顯優(yōu)勢。 I2C 擴(kuò)展芯片的選型 I2C 的傳輸距離有限。當(dāng)通信速率為 31KHz 可達(dá)到 1000 米。其優(yōu)點為精確度高、測溫范圍廣、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、型號種類比較多且技術(shù)成熟。熱電阻傳感器是中低溫區(qū)最常用的一種溫度傳感器。為了消除引線電阻的影響，一般采用三線制或四線制。 方案四：半導(dǎo)體集成數(shù)字溫度傳感器 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，新型溫度傳感器的種類繁多，應(yīng)用逐漸廣泛，并且開始由模擬式向著數(shù)字式、單總線式、雙總線式、多總線式發(fā)展。方案二：LED 驅(qū)動器 ZLG7290 ZLG7290是一種具有 I2C接口的鍵盤及LED 驅(qū)動管理器件 , 提供數(shù)據(jù)譯碼和循環(huán)、移位、段尋址等控制。 總結(jié) 本章節(jié)主要介紹了系統(tǒng)的整體方案，給出了系統(tǒng)的設(shè)計方法和設(shè)計思路，同時對系統(tǒng)中的各個器件進(jìn)行選型，為系統(tǒng)的硬件設(shè)計最好準(zhǔn)備。LPC922 的運算速度很快，當(dāng)操作頻率為 12MHz 時，除乘法和除法指令外80C51CPU 的指令執(zhí)行時間為 167~333ns。復(fù)位計數(shù)器和復(fù)位干擾抑制電路可防止虛假和不完全的復(fù)位。 芯片內(nèi)部框圖LPC922 單片機(jī)的功能框圖如 31 所示。P0 口具有鍵盤輸入中斷功能。在上電復(fù)位時 P1 鎖存器配置為內(nèi)部上拉禁止的僅為輸入模式。所有管腳都具有施密特觸發(fā)輸入。P3 口由口配置寄存器設(shè)定為輸出或輸入模式，每一個管腳均可單獨設(shè)定，所有管腳都具有施密特觸發(fā)輸入。表 31 可用的 I/O 口數(shù)目時鐘源 復(fù)位選項 I/O 口數(shù)目無外部復(fù)位上電時除外 18片內(nèi)振蕩器或看門狗振蕩器 使用外部復(fù)位腳 RST 17無外部復(fù)位上電時除外 17外部時鐘輸入使用外部復(fù)位腳 RST 16無外部復(fù)位上電時除外 16低/中/高速振蕩器外部晶振或諧振器 使用外部復(fù)位腳 RST 15 I/O 端口配置除了 3 個口（ 、 和 ）以外，LPC922 其他所有的 I/O 口均可由軟件配置成 4 種輸出類型之一，四種輸出類型分別為：準(zhǔn)雙向口（標(biāo)準(zhǔn) 8051 輸出模式）（=0，=0）；推挽（=0 ， =1）；開漏輸出（=1，=1）；僅為輸入功能（=1，=0）。 準(zhǔn)雙向口輸出配置準(zhǔn)雙向口輸出類型可用作輸出和輸入功能而不需重新配置口線輸出狀態(tài)。LPC922 為 3V 器件，但管腳可承受 5V 電壓。 開漏輸出配置當(dāng)口線鎖存器為‘0’時，開漏輸出關(guān)閉所有的上拉晶體管而僅驅(qū)動端口的下拉晶體管。 推挽輸出配置推挽輸出配置的下拉結(jié)構(gòu)和開漏輸出以及準(zhǔn)雙向口的下拉結(jié)構(gòu)相同，但當(dāng)鎖存器為‘1’ 時提供持續(xù)的強上拉。這為 P89LPC922 的多中斷源的處理提供了極大的靈活性。每個中斷源都可被單獨設(shè)置為四個中斷優(yōu)先級之一，分別通過清零或置位IP0、IP0H、 IPIP1H 中相應(yīng)位來實現(xiàn)（00——最低優(yōu)先級，11——最高優(yōu)先級）。如果兩個同優(yōu)先級的中斷源同時申請中斷，那么通過一個內(nèi)部查詢順序序列確定首先響應(yīng)哪一個中斷請求，這叫做仲裁隊列。LPC922 器件提供字節(jié)方式的I2C 接口所支持的最大數(shù)據(jù)傳輸速率為 400kHz。當(dāng) 8 位直接尋址寄存器沒有處理移位數(shù)據(jù)時，CPU 可對其進(jìn)行讀和寫。寄存器各位如圖 33。I2ADR 的最低位(LSB)為通用調(diào)用位。 當(dāng)處于主模式時 ， 改寄存器內(nèi)容無效 。其中兩個位受硬件影響：SI 和STO 位。定時器 1 在 8 位自動重裝模式（模式 2）中由用戶編程。 該位為 0 時 ， I2C 功能被禁止 。 S T A = 1 : I2C 進(jìn)入主模式 ， 檢測 I2C 總線當(dāng)總線空閑時產(chǎn)生一個起始條 件 。 S T O = 1 ： 在主模式中 ， 向 I2C 發(fā)送一個停止條件 。 當(dāng)進(jìn)入 2 5 種可能的 I2C 狀態(tài)中的任意一個 ， 該位置位 。I 2 C O N . 1 保留將來之用 。圖 35 I2C 控制寄存器I2STAT 寄存器是個 8 位只讀寄存器。I 2C 一共有 26 種可能的狀態(tài)。00S T A . 0S T A . 1S T A . 2S T A . 3 0不可位尋址復(fù)位源 ： 任何復(fù)位復(fù)位值 ：1 1 1 1 1 0 0 0 BI 2 S T A T 地址 ： D 9 H 7 6 5 4 3 2 1 0S T A . 4位 符號 功能S T A . 7 ~ 3 S T A . 4 ~ 0 I2C 的狀態(tài)代碼 。頻率由下面的公式?jīng)Q定： （31）)SCL2IH2I(Fpclk???位 速 率式中：F pclk 表示 PCLK 的頻率。 I2C 操作模式I2C 操作模式有：主發(fā)送器模式、主接收器模式、從接收器模式和從發(fā)送器模式。如果 AA 位為 0，而另一個器件成為總線的控制器時，I 2C 將不會對它自身的從地址或通用調(diào)用地址產(chǎn)生應(yīng)答。因此第一個發(fā)送的字節(jié)為 SLA+W。通過置位 STA 進(jìn)入 I2C 主發(fā)送模式。該狀態(tài)碼用于指向一個中斷服務(wù)程序。圖 37 為主發(fā)送器模式和從接收器模式的發(fā)送格式。4 硬件電路設(shè)計 單片機(jī)控制電路本設(shè)計中采用 Philips LPC922 單片機(jī)作為主控器，配以外部 RC 復(fù)位電路和晶振電路構(gòu)成了單片機(jī)系統(tǒng)。這些選項在對 Flash 進(jìn)行編程時配置，包括片內(nèi)看門狗振蕩器、片內(nèi)RC 振蕩器、使用外部晶振的振蕩器或外部時鐘源。當(dāng) UCFG1 寄存器中的位RPE(復(fù)位管腳使能)置位時，使能外部復(fù)位輸入功能。這些標(biāo)志位可通過軟件寫入‘0’清零。數(shù)碼管是 4 位聯(lián)體式數(shù)碼管。按照 I2C 總線協(xié)議的要求, 信號線 SCL 和 SDA 上必須要分別加上拉電阻 RR3, 其阻值是 10k，接電源 。VCC 選用 + 3. 3V。 SegA23 SegB24 SegC1 SegD2SegE7 SegF8SegG9 SegDP10SCL19 SDA20X218X117RST 15GND11Vcc 16DIG7 13DIG6 12DIG5 21DIG4 22DIG3 3DIG2 4DIG1 5DIG0 6UZLG7290C130pC230pR110KY18Mabfcgde dpabfcgde dpabfcgde dpabfcgde dp162839412a11b7c4d2e1f10g5dp3DPY112345678161514131211109RP2220SegASegASegBSegBSegCSegCSegDSegDSegESegESegFSegFSegGSegGSegDPSegDPDIG0DIG1DIG2DIG3DIG3DIG2DIG1DIG0R210K R310KSCLSDA 圖 43 LED 顯示電路電路 遠(yuǎn)程傳輸模塊 在使用I 2C器件的過程中，I 2C總線在應(yīng)用中常受到限制，例如：信號傳輸距離有限，常用于一個PCB板；總線上掛接的節(jié)點器件有限，受容性負(fù)載最大值400pF 的限制；掛接多個器件時速度只能取最低值，高速I 2C器件速度發(fā)揮不出來等。能增加I2C總線的傳輸距離和節(jié)點上的負(fù)載數(shù)目。電路設(shè)計時必須加上拉電阻，P82B96 的具體連接方法如圖 44 所示。利用電池供電引出 5V 電壓，經(jīng) SPX3819 后輸出 提供單片機(jī)的工作電壓。它有一個小于 1％以下的初始誤差和邏輯兼容的 ON / OFF 切換輸入。 溫度測量模塊 本系統(tǒng)設(shè)計目的在于采集現(xiàn)實環(huán)境的溫度信息，所以需要利用單片機(jī)采集溫度傳感器的數(shù)據(jù)，溫度傳感器使用美國模擬器件公司生產(chǎn)的 AD590,采集的信號需要經(jīng)過放大和信號調(diào)理，再傳送到 A/D 轉(zhuǎn)換器 PCF8951，即把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，轉(zhuǎn)換后通過 I2C 總線傳輸給處理中心。A/D 與 D/A 的最大轉(zhuǎn)換速率由 I2C 總線的最大傳輸速率決定。飛利蒲公司規(guī)定 A/D 器件地址為 1001。 在進(jìn)行數(shù)據(jù)操作時，首先是主控器發(fā)出起始信號，然后發(fā)出讀尋址字節(jié)，被控器做出應(yīng)答后，主控器從被控器讀出第一個數(shù)據(jù)字節(jié)，主控器發(fā)出應(yīng)答，主控器從被控器讀出第二個數(shù)據(jù)字節(jié)，主控器發(fā)出應(yīng)答…一直到主控器從被控器中讀出第 n 個數(shù)據(jù)字節(jié)，主控器發(fā)出非應(yīng)答信號，最后主控器發(fā)出停止信號。 AD590的測溫范圍為55℃ ～+150℃,電源電壓范圍為4V～30V 。℃。在本系統(tǒng)設(shè)計時使用 5V 基準(zhǔn)電壓源來實現(xiàn)，基準(zhǔn)電壓源提供一個絕對電壓，與輸入電壓進(jìn)行比較以確定適當(dāng)?shù)臄?shù)字輸出。本系統(tǒng)的 Main 函數(shù)流程如 圖 51，程序見程序清單 51。 /* 配置 PCF8591 為輸出狀態(tài) */ while(1)if (KeyFlag) /* 有鍵按下時處理程序 */{KeyFlag=0。發(fā)送從器件地址后狀態(tài)寄存器值等于 0x18，表示 I2C 總線已經(jīng)發(fā)送 SLA+W 并接收了應(yīng)答信號，下一步將發(fā)送子地址字節(jié)，不等于時表示未接收到應(yīng)答信號，這時將置位 STO，停止總線并返回 0。 申請總線發(fā)從地址 方向?qū)懓l(fā)送子地址是否接收應(yīng)答重啟總線 ， 發(fā)送方向讀是否收到應(yīng)答停止總線YYYNN開始接收 1 字節(jié) ， 發(fā)送應(yīng)答接收 1 字節(jié) ， 發(fā)送非應(yīng)答 圖 52 I2C 發(fā)送數(shù)據(jù) 鍵盤中斷函數(shù)首先在鍵盤中斷的初始化程序中置位鍵盤中斷允許，清零鍵盤中斷標(biāo)志，設(shè)置中斷產(chǎn)生條件，打開中斷。 /* 清除鍵盤標(biāo)志位 */} 鍵盤處理函數(shù)按鍵控制遠(yuǎn)程擴(kuò)展 I/O 口電平，具體包括按鍵判斷、按鍵防抖和按鍵處理三