【正文】 即單片機(jī)是由中央處理器（即 CPU 中的運(yùn)算器和控制器）、只讀存貯器（通常表示為 ROM）、讀寫存貯器（又稱隨機(jī)存貯器通常表示 為 RAM）、輸入 /輸出口（又分為并行口和串行口，表示為 I/O 口）等等組成。 A 運(yùn)算器 運(yùn)算器以完成二進(jìn)制的算術(shù) /邏輯運(yùn)算部件 ALU 為核心，再加上暫存器 TMP、累加器 ACC、寄存器 B、程序狀態(tài)標(biāo)志寄存器 PSW 及布爾處理器。它表示了運(yùn)算是否有進(jìn)位（或借位）。 PSW 的其它位，將在以后再介紹。 ＊單位增益頻帶寬 (約 1MHz) 。 ＊差模輸入電壓范圍寬，等于電源電壓范圍。超聲波 測(cè)距的基本工作原理是：發(fā)射探頭發(fā)出超聲波，在介質(zhì)中傳播遇到障礙物反射后再通過介質(zhì)返回到接收探頭，測(cè)出超聲波從發(fā)射到接收所需的時(shí)間，然后根據(jù)介質(zhì)中的聲速，利用公式S=0． 5ct 就能算得從探頭到障礙物的距離，式中： S為所測(cè)的距離， c為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度．￡為超聲波從發(fā)到收所經(jīng)過的時(shí)間。除了測(cè)量以外，還可以通過鍵盤選擇執(zhí)行安裝、測(cè)試、設(shè)置儀表和現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)等多種操作。單片機(jī)系統(tǒng)與 FPGA 系統(tǒng)是測(cè)距儀的核心部件，用來協(xié)調(diào)各部分元件工作。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 64所示。為防止信號(hào)串?dāng)_，在信號(hào)發(fā)射時(shí)， CUAN 端輸入高電平，對(duì) 其信號(hào)進(jìn)行屏蔽 ，如圖 65： 超聲 波測(cè)距系統(tǒng) 21 圖 65 計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器模塊 經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室調(diào)試，本文給出的基于單片機(jī)與 FPGA 相結(jié)合的多路同步超聲波 測(cè)距系統(tǒng)與其它系統(tǒng)具有如下優(yōu)勢(shì)： (1)抗環(huán)境影響因素能力強(qiáng)。 接收電路 接收電路 如圖 68（ b） 由 OP37 構(gòu)成的兩級(jí)運(yùn)放電路， TL082 構(gòu)成的二階帶通濾波電路以及 LM393 構(gòu)成的比較電路三部分組成。 本系統(tǒng)選用的 DDS芯片是 AD 公司生產(chǎn)的 COMS 型 DDS 芯片 AD9850，該芯片最高可支持 125 MHz 的時(shí)鐘頻率， 32位頻率調(diào)節(jié)字可用并行或串行方式裝入。 流體中有較高的顆粒含量，超聲波的衰減較大，發(fā)射信號(hào)要有一定功率，因此功率放大不可少。MC1350 為可控增益選頻放大器，中頻變壓器 T1(T2)諧振頻率為 640 kHz(1 MHz)，對(duì) 信號(hào)起帶通濾波的作用，輸出信號(hào)經(jīng) TLE2072 半波放大后，由 RC 濾波形成MC1350 增益控制電壓，從而使輸人信號(hào)強(qiáng)度在較大范圍內(nèi)變化時(shí)得到一穩(wěn)定的輸出信號(hào)，此電路可使輸入信號(hào)的波動(dòng)范圍達(dá) 60 dB 時(shí)輸出保持穩(wěn)定，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定工作。 AT89C 單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案 。 兩個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 在 FIASH 編程時(shí)， P0 口作為原碼輸入 口，當(dāng) FIASH 進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)， P0 輸出原碼，此時(shí) P0 外部必須被拉高。在給出地址 “1” 時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫時(shí)， P2 口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。多三極管集成器件的使用可以減少 IC 的使用數(shù)量 ,從而減低設(shè)計(jì)產(chǎn)品成本。 像這種檢測(cè)在 LED的一端 LED 恒流驅(qū)動(dòng) IC也可以并聯(lián)設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng) ,實(shí)際上 IC是單獨(dú)工作的 ,最后在并流一起。 （ 4）對(duì)單片機(jī)使用電源監(jiān)控及看門狗電路 ,如 ： IMP809,IMP706,IMP813, X5043,X5045 等 ,可大幅度提高整個(gè)電路的抗干擾性能。 （ 5）通訊線用雙絞線 :排除平行互感。 ③ 獨(dú)立系統(tǒng)結(jié)構(gòu) ,減少接插件與連線 ,提高可靠性 ,減少故障率。如頻 率太高，由于每個(gè) LED點(diǎn)亮的時(shí)間太短， LED 的亮度太低，肉眼無法看清，所以一般均取幾個(gè) ms 左右為宜，這就要求在編寫程序時(shí)，選通某一位 LED 使其點(diǎn)亮并保持一定的時(shí)間，程序上常采用的是調(diào)用延時(shí)子程序。指產(chǎn)生干擾的元件、設(shè)備或信號(hào) , 用數(shù)學(xué)語言描述如下： du/dt, di/dt 大的地方就是干擾源。 分類 干擾的分類 干擾的分類有好多種 ,通常可以按照噪聲產(chǎn)生的原因、傳導(dǎo)方式、波形特性等等進(jìn)行不同的分類。對(duì)于這種形式 ,最有效的方法就是加入去耦電路。 （ 5）漏電耦合： 這種耦合是純電阻性的 ,在絕緣不好時(shí)就會(huì)發(fā)生。 （ 2）在繼電器接點(diǎn)兩端并接火花抑制電路（一般是 RC 串聯(lián)電路 ,電阻一般選幾 K到幾十 K,電容選 ） ,減小電火花影響。以 8051 單片機(jī)為例，最短指令周期 1μ s時(shí) ，外時(shí)鐘是 12mhz。另一個(gè)在集成電路設(shè)計(jì)上降低噪聲的例子是驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。 看門狗技術(shù)是監(jiān)測(cè)應(yīng)用程序中的一段定時(shí)中斷服務(wù)程序的運(yùn)行狀況，當(dāng)這段程序不工作時(shí)判斷為系統(tǒng)故障，從而產(chǎn)生系統(tǒng)復(fù)位。交替使用施密特電路和 rc 濾波可以使這類毛刺不起作用，這就是 eft 技術(shù)。 在應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)方面，設(shè)計(jì)者都有各自的經(jīng)驗(yàn)。使用時(shí)要與去耦電容成對(duì)使用。 面向?qū)ο蟮慕M織方式 數(shù)據(jù)和它的原始操作是封裝在對(duì)象內(nèi)部，對(duì)象通過事件驅(qū)動(dòng)來 協(xié)同工作。這種結(jié)構(gòu)支持基于抽象層次的設(shè)計(jì)、演化和重用。針對(duì)衛(wèi)星姿軌控系統(tǒng)的需求，軟件系統(tǒng)采用縱橫結(jié)合型體系結(jié)構(gòu)。 姿軌控應(yīng)用程序在實(shí)現(xiàn)上由多個(gè)任務(wù)協(xié)同工作完成，在結(jié)構(gòu)上分為多任務(wù)調(diào)度管理任務(wù) (或稱為Schedule 任務(wù) )、遙測(cè)遙控任務(wù)、故障診斷及系統(tǒng)重構(gòu)任務(wù)、程序和數(shù)據(jù)注入任務(wù)、系統(tǒng)工作模式管理任務(wù)、姿態(tài)確定與控制、軌道控制等應(yīng)用任務(wù)模塊。在任務(wù)調(diào)度上，所有任務(wù)都工作在可剝奪的調(diào)度方式下，即在任何時(shí)刻，只要有一個(gè)任務(wù)進(jìn)入就緒狀態(tài)而且優(yōu)先級(jí)高于正在運(yùn)行的任務(wù)，則立即掛起當(dāng)前的任務(wù)，轉(zhuǎn)而執(zhí)行新的任務(wù)，直到這個(gè)任務(wù)執(zhí)行完成后，再喚醒原來被掛起的低優(yōu)先級(jí)任務(wù)。作為數(shù)組元素的構(gòu)體變量包括任務(wù)名、任務(wù)優(yōu)先級(jí)、任務(wù)標(biāo)志位等，其中任務(wù)名、任務(wù)標(biāo)志位定義為字符串?dāng)?shù)組， 采用雙重循環(huán)語句來讀寫任務(wù)模塊調(diào)度表，調(diào)用相應(yīng)任務(wù)模塊，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)工作模式的管理，完成姿態(tài)軌道控制任務(wù)。 本系統(tǒng)在當(dāng)今提倡人性化設(shè)計(jì)和健康產(chǎn)品的環(huán)境下具有非常好的市場(chǎng)前景。 大學(xué)生活使我懂得了許多，在這期間我在學(xué)校過的很充實(shí)，這篇畢業(yè)論文的完成，與我的周圍的人是分不開的，在此表示感謝。非常感謝他在學(xué)校工作那么忙的情況下，還非常辛勤地指導(dǎo)我們的畢業(yè)論文。功能上的缺憾是對(duì)于兩個(gè)檔之間的臨界溫度處理不好，并且檔位太少。 超聲 波測(cè)距系統(tǒng) 42 結(jié) 論 通過這次應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在很大程度上提高了自己的獨(dú)立思考能力和單片機(jī)的專業(yè)知識(shí)，也深刻了解寫一篇應(yīng)用系統(tǒng)的步驟和格式，有過這樣的一次訓(xùn)練，相信在接下來的日子我們都會(huì)了，而且會(huì)做得更好。仿真時(shí)考慮一種特殊情況：遙測(cè)遙控任務(wù)打斷模式管理任務(wù)的執(zhí)行，但在遙測(cè)遙控任務(wù)執(zhí)行的過程中，系統(tǒng)發(fā)生了故障，則遙測(cè)遙控任務(wù)也被故障恢復(fù)執(zhí)行工作模式管理任務(wù)。姿軌控系統(tǒng)各個(gè)任務(wù)可以工作在系統(tǒng)級(jí)或者應(yīng)用級(jí)，而且有許多不同的運(yùn)行方式，這些都可以在使用中自由選擇，軟件設(shè)計(jì)人員有很大的靈活性。在設(shè)計(jì)小衛(wèi)星軟件系統(tǒng)的過程中，可以借鑒 “ 模塊化公用艙 ” 和 “ 軟件總線 ” 思想，對(duì)星載嵌入式軟件系統(tǒng)的開發(fā)采用模塊化軟構(gòu)件來設(shè)計(jì)軟件的功能模塊，從而提高軟件開 發(fā)的效率、程序的質(zhì)量，并改進(jìn)維護(hù)方式。 橫向體系結(jié)構(gòu)，是指某一個(gè)軟件系統(tǒng)可分為多個(gè)層次，層次之間的組件關(guān)系較為簡(jiǎn)單，只有上層組件調(diào)用下層組件的關(guān)系，而同一層次內(nèi)部各組件之間的聯(lián)系較為密切，相互之間傳送消息比較頻繁。共享存儲(chǔ)體型 包含兩種不同的組件，中心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)代表當(dāng)前狀態(tài)，一系列獨(dú)立的組件來操縱中心數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并通過中心存儲(chǔ)體相互通訊。 軟件體系結(jié)構(gòu)是對(duì)軟件各高層抽象的理解，必須在較早階段對(duì)軟件進(jìn)行體系結(jié)構(gòu)層的分析，其中算法和數(shù)據(jù)結(jié) 構(gòu)的選擇處在軟件體系結(jié)構(gòu)的較低層次上。原則是萬一程序落到這里可以自恢復(fù)。 軟件方面的措施 是 單片機(jī)本身在指令設(shè)計(jì)上也有一 些抗干擾的考慮。由于單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展，單片機(jī)本身對(duì)電源電壓范圍的要求越來越寬。這些大功率的驅(qū)動(dòng)電路集成到單片機(jī)內(nèi)部無疑增加了噪聲源。近年來，一些生產(chǎn) 8051兼容單片機(jī)的廠商也采用了一些新技術(shù)，在不犧牲運(yùn)算速度的前提下將對(duì)外時(shí)鐘的需求降至原來的 1/3。 （ 4）電路板上每個(gè) IC 要并接一個(gè) F～ μ F 高頻電容 ,以減小 IC對(duì)電源的影響。 抑制干擾源 抑制干擾源就是盡可能的減小干擾源的 du/dt, di/dt。為了防止這種耦合 ,通常在電路設(shè)計(jì)上就要考慮。 按傳導(dǎo)方式分：可分為共模噪聲和串模噪聲。 （ 2）傳播路徑。 為 簡(jiǎn) 單 起 見 ， 我 們 只 是 編 寫 了 8 位 LED 同 步 顯 示00000000— 11111111直到 99999999數(shù)字，并且反復(fù)循環(huán)。 ⑤ 有條件的采用四層以上印制板 ,中間兩層為電源及地。 （ 7） A/D 轉(zhuǎn)換用隔離放大器或采用現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)換 :減少誤差。 （ 6） IC器件盡量直接焊在電路板上 ,少用 IC 座。 超聲 波測(cè)距系統(tǒng) 30 9 提高敏感器件抗干擾性能 提高敏感器件的抗干擾性能是指從敏感器件這邊考慮盡量減少對(duì)干擾噪聲的拾取 ,以及從不正常狀態(tài)盡快恢復(fù)的方法。大超聲 波測(cè)距系統(tǒng) 29 于 1A 的 IC 工藝成本的原因 MOS 管都是外置 ,外置 MOS 管線 路復(fù)雜 ,可靠性減低。 超聲 波測(cè)距系統(tǒng) 28 8 LED 動(dòng)態(tài)掃描顯示電路 LED 因其 VF 值特性原因做不到相同 ,隨著溫度及電流大小也有些 VF 值也會(huì)發(fā)生變化 ,一般不適合并聯(lián)設(shè)計(jì)。 P1 口管腳寫入 1 后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。 可編程串行通道 與 MCS51 兼容 含有差頻信息的高頻信號(hào)通過 CD4053 模擬開關(guān)與發(fā)射信號(hào)的本振方波 (CP1 或 CP2)進(jìn)行乘積運(yùn)算，經(jīng) TLE2072 阻抗變換后利用阻容濾波器進(jìn)行低通濾波得到差頻信號(hào)。具體電路如圖 4所示。 AD9850 有兩種裝載頻率調(diào)節(jié)字的方式，無優(yōu)劣之分。 超聲 波測(cè)距系統(tǒng) 23 圖 68 另外考慮到本系統(tǒng)要適應(yīng)各種復(fù)雜的工作環(huán)境，因此設(shè)計(jì)了由 TL082 構(gòu)成的高精度帶通濾波電路，以供回波信號(hào)放大后進(jìn)行進(jìn)一步濾波，將濾波后的信號(hào)輸入到 LM393 構(gòu)成的比較器反相輸入端，與基準(zhǔn)電壓相比較，并且對(duì)其比較輸出電壓進(jìn)行限幅，將其電壓接至 D觸發(fā)器，比較器將經(jīng)過放大后的交流信號(hào)整形出方波信號(hào)，將其接至 FPGA，啟動(dòng)接收模塊計(jì)數(shù)，達(dá)到脈沖串設(shè)定值時(shí)，關(guān)閉計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。 (2)采用 125 kHz 的頻率，同時(shí)采用多路超聲波精確同步測(cè)距。其中：發(fā)射模塊完成脈沖串的發(fā)射與計(jì)數(shù)器的啟動(dòng)，主要由96分頻器、發(fā)射脈沖串計(jì)數(shù)器和發(fā)射脈沖串的控制器三部分組成。 FPGA 單元主要用來產(chǎn)生超聲波的發(fā)射脈沖頻率 125 kHz 與計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器的頻率 (170 kHz)，通過微控制器 MCU 來啟動(dòng)超聲波的發(fā)射， FPGA 發(fā)射一定數(shù)量 (這里選擇 8至 10)的脈沖串之后，停止發(fā)射同時(shí)啟動(dòng)計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，超聲波途經(jīng)障礙物返回。 圖 62 超聲波測(cè)距系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) 超聲 波測(cè)距系統(tǒng) 19 系統(tǒng)常采用頻率為 40 kHz 的方波信號(hào)由單片機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生。 雙頻超聲波多普勒流量計(jì)能夠產(chǎn)生兩組異頻、相互獨(dú)立的超聲波信號(hào)，兩種頻率用于識(shí)別和排除一系列的錯(cuò)誤信號(hào)，他能有效去除噪聲信號(hào)，并將準(zhǔn)確識(shí)別出的多普勒信 號(hào)進(jìn)行平方放大。 參數(shù) ： 輸入偏置電流 45 nA； 輸入失調(diào)電流 50 nA； 輸入失調(diào)電壓 ； 輸入共模電壓最大值 VCC~ V； 共模抑制比 80dB； 電源抑制比 100dB 。 一 177。運(yùn)算器中還有一個(gè)按位（ bit）進(jìn)行邏輯運(yùn)算的邏輯處理機(jī)（又稱布爾處理機(jī)）。 b、輔助進(jìn)位標(biāo)志 AC。在進(jìn)行算術(shù)、邏輯運(yùn)算時(shí)，累加器 ACC 往往在運(yùn)算前暫存一個(gè)操作數(shù)（如被加數(shù)），而運(yùn)算后又保存其結(jié)果超聲 波測(cè)距系統(tǒng) 14 （如代數(shù)和）。另外，還有所謂的“中斷系統(tǒng)”，這個(gè)系統(tǒng)有“傳達(dá)室”的作用，當(dāng)單片機(jī)控制對(duì)象的參數(shù)到達(dá)某個(gè)需要加以干預(yù)的狀態(tài)時(shí)，就可經(jīng)此“傳達(dá)室”通報(bào)給 CPU，使 CPU 根據(jù)外部事態(tài)的輕重緩急來采取適當(dāng)?shù)膽?yīng)付措施。適當(dāng)更改電容 C4 的大小，可以改變接收 電路的靈敏度和抗干擾能力。上拉電阻 R R11 一方面可以提高反向器 74LS04輸出高電平的驅(qū)動(dòng)能力，另一方面可以增加超聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩的時(shí)間。壓電材料分為晶體和壓電陶瓷兩類。主程序包括初始化和各個(gè)子程序的調(diào)用，最后把測(cè)量結(jié)果用液晶顯示屏 顯示出來。分 4 位和 8位數(shù)據(jù)傳輸方式。 圖 22超聲波的接收電路 超聲 波測(cè)距系統(tǒng) 9 3 DS18B20 溫度補(bǔ)償電路 根據(jù)上文中式可知，溫度對(duì)聲速的影響較大，若不進(jìn)行補(bǔ)償，將會(huì)帶來測(cè)量誤差，為了提高系統(tǒng)的測(cè)量精度，設(shè)計(jì)了溫度補(bǔ)償電路。 MC9S12DG128B 微控制器采用增強(qiáng)型 16 位 S12 CPU，片內(nèi)總線時(shí)鐘頻率最高可達(dá) 25MHz；片內(nèi)資源包括 8kB RAM、 128kB FLASH、 2kB EEPROM、 SCI、 SPI及PWM串行接口模塊； PWM模