【文章內(nèi)容簡介】 詳細(xì)設(shè)計(jì)。第三章是系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)，在這章里將會對系統(tǒng)軟件的功能、總體設(shè)計(jì)和各個部分的具體設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)作詳細(xì)的介紹。主要分為上位機(jī)和下位機(jī)兩部分具體進(jìn)行了說明。第四章是系統(tǒng)的調(diào)試與分析，這章主要對調(diào)試的過程作了詳盡的描述，并對調(diào)試過程中產(chǎn)生的問題進(jìn)行了分析。第五章是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的結(jié)論與展望，在這一章中，結(jié)論對系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)果作了簡單的總結(jié)，展望則根據(jù)系統(tǒng)中存在的不足提出了一些相應(yīng)的改進(jìn)的方法。第2章 硬件設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)的過程中，我們將系統(tǒng)功能分為硬件與軟件來分別實(shí)現(xiàn)。本章主要對測試系統(tǒng)硬件的功能、測試系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)、測試系統(tǒng)硬件詳細(xì)設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。其中測試系統(tǒng)硬件的詳細(xì)設(shè)計(jì)主要是C8051F340單片機(jī)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)介紹。 硬件功能描述硬件設(shè)計(jì)是整個系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，是軟件運(yùn)行的平臺。根據(jù)第一章系統(tǒng)方案，首先需要進(jìn)行整個系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，硬件的設(shè)計(jì)主要根據(jù)系統(tǒng)所要達(dá)到的功能而進(jìn)行。硬件功能主要是搭建下位機(jī)的C8051F340單片機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成。下位機(jī)C8051F340單片機(jī)主要作為對數(shù)據(jù)的采集。該模塊主要包括供電電路、時鐘電路、復(fù)位電路、JTAG電路。 硬件總體設(shè)計(jì)根據(jù)系本功能要求，需要完成以下設(shè)計(jì)：以C8051F340為核心的信號采樣系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)過程如圖21。圖21系統(tǒng)總體功能流程圖 硬件詳細(xì)設(shè)計(jì)本小節(jié)主要介紹硬件電路中各自包含的大小模塊的具體電路及電路中個元器件的選擇等。 單片機(jī)最小系統(tǒng)該部分主要是為了實(shí)現(xiàn)對信號的采樣，進(jìn)而通過USB發(fā)送到PC機(jī)上進(jìn)行波形的顯示和頻譜的分析。其原理圖如圖22所示。圖22 C8051F340原理圖一般的電源適配器提供的都是5V的電壓。其中的D+、D_分別要接到單片機(jī)的9引腳。其原理框圖如圖23所示。圖23 C8051F340供電電路單片機(jī)的復(fù)位包括初始化和從頭開始工作這樣連續(xù)的兩步。單片機(jī)復(fù)位引腳Reset接收高電平進(jìn)行初始化；接收低電平，開始工作。也就是說單片機(jī)接收正脈沖開始復(fù)位，在正脈沖的下降沿啟動單片機(jī)。單片機(jī)正常工作期間，復(fù)位引腳Reset需要一直保持低電平。工作過程中引腳Reset一旦接收到一個正脈沖，就會再次進(jìn)行復(fù)位啟動。為可靠完成復(fù)位，單片機(jī)要求Reset引腳施加的正脈沖脈寬不小于2個機(jī)器周期（2181。s）。設(shè)計(jì)復(fù)位電路的要求就是確定電阻電容值，使其時間常數(shù)達(dá)到2個機(jī)器周期的復(fù)位最小正脈寬要求。本設(shè)計(jì)中晶振頻率fosc=12MHz時，機(jī)器周期T=1181。s，要求加在Reset引腳的正脈寬不小于2181。s。當(dāng)單片機(jī)上電后，因?yàn)殡娙輧啥说碾妷翰荒芡蛔兙蜁筊ST端瞬間產(chǎn)生一個大約為+5V的電壓，而CMOS單片機(jī)最小輸入高電平電壓Umin=，因此RST接收高電平進(jìn)行初始化。此后+5V對電容C充電導(dǎo)致RST端電壓迅速下降使它變?yōu)榈碗娖?，單片機(jī)開始工作。根據(jù)上述要求，本設(shè)計(jì)R23=10K，C值取10181。F。圖24 復(fù)位電路 圖24所示電路中，在上電瞬間，由于電容的兩端電壓不可能突變，電阻R5對電容進(jìn)行充電，充電得時間常數(shù)一般由電容和電阻的乘積來決定，要求大于5個外部時鐘周期，有時為防止復(fù)位不完全，這些參數(shù)可選大一些，在本設(shè)計(jì)中采用1181。F的電容和1KΩ的電阻，時間常數(shù)為1ms，滿足系統(tǒng)復(fù)位要求。按鍵閉合時，電容通過R6可進(jìn)行放電，使電容的壓降為0，當(dāng)按鍵斷開時，電容充電的過程與上電復(fù)位類似。此外，RST/C2CK和單片機(jī)的13引腳/RST/C2CK相連。 JTAG電路當(dāng)系統(tǒng)調(diào)試時，需要把在計(jì)算機(jī)上編譯并生成執(zhí)行的代碼下載到單片機(jī)芯片上，實(shí)現(xiàn)在線調(diào)試硬件和軟件。它的接口有兩端接口，其中一端與計(jì)算機(jī)的USB口相連，另一端與單片機(jī)芯片的JTAG接口相連，這是一個14針的接口，其硬件連接如圖25所示。圖25JTAG電路 USB通信與供電電路 USB通信電路USB采用四線電纜，其中兩根是用來傳送數(shù)據(jù)的串行通道，另兩根為下游設(shè)備提供電源。USB具有可以熱插拔、攜帶方便、標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、可以連接多個設(shè)備、安裝方便、結(jié)構(gòu)簡單、高帶寬、易于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，已逐漸成為現(xiàn)代數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌l(fā)展趨勢。圖26 USB通信電路圖26中C1~C6的容值大小均參考數(shù)據(jù)手冊上的典型電路；USB的3引腳分別接單片機(jī)的D+引腳和D引腳。電源電路是為整個硬件系統(tǒng)提供能源的，它設(shè)計(jì)的好壞也關(guān)乎著系統(tǒng)能否正常工作。與自制的變壓器產(chǎn)生的5V供電系統(tǒng)相比，由USB供出的5V電壓電路安全而且簡單易得，最大輸出電流為500mA，電壓一般為5V177。5%，這里的偏差可以通過接入旁路電容來消除。圖27 最小系統(tǒng)電源電路圖27中，CC8的容值大小均參考數(shù)據(jù)手冊上的典型電路；USB的1引腳接單片機(jī)的REGIN引腳。 系統(tǒng)硬件原理圖設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)單片機(jī)C8051F340的原理圖采用Altium Designer Summer 09軟件繪制。 原理圖的設(shè)計(jì)是整個設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，它決定了后面整個工作的進(jìn)展。因此正確設(shè)計(jì)原理圖非常的重要，一般為避免出錯，所以在設(shè)計(jì)原理圖時候，應(yīng)該注意以下幾個問題：首先在畫原理圖之前，應(yīng)該根據(jù)用到的元器件去查看PROTEL的元器件庫里是否有，如過沒有，應(yīng)該先把這些元器件的原理圖符號先畫好。在畫器件原理圖符號時沒必要把所有的管腳都一一畫出來，只要把用到的引腳畫出來則可。這樣一來可以節(jié)約時間，又可以能讓原理圖看起來更加的簡潔。其次， 在設(shè)計(jì)系統(tǒng)原理的圖時，最好能把系統(tǒng)分成幾個小模塊，分開去設(shè)計(jì)。分模塊設(shè)計(jì)的最大好處就是簡單明了一目了然。最后，當(dāng)原理圖畫完之后我們還要仔細(xì)檢查，只有確認(rèn)沒有錯誤之后才生成PCB圖，然后在檢查過程中可以用軟件自帶的電氣規(guī)則進(jìn)行合理的配置。本設(shè)計(jì)單片機(jī)C8051F340的原理圖詳見附錄Ⅰ。 系統(tǒng)整體PCB圖設(shè)計(jì) 由于本設(shè)計(jì)單片機(jī)C8051F340的原理圖采用Altium Designer Summer 09軟件繪制。所以繪制PCB圖也采用Altium Designer Summer 09軟件。 詳圖見附錄II。第3章 軟件設(shè)計(jì)硬件設(shè)計(jì)完成之后，需要編寫相應(yīng)的應(yīng)用程序，本章分上位機(jī)和下位機(jī)兩部分分別進(jìn)行詳細(xì)介紹。根據(jù)系統(tǒng)功能要求，系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)可分為兩大模塊：下位機(jī)信號的采樣及發(fā)送部分和上位機(jī)對信號的分析部分，具體功能描述如下。利用C8051F340實(shí)現(xiàn)對信號的采樣及發(fā)送。由于在下位機(jī)部分我們主要實(shí)現(xiàn)的功能是完成對信號的采樣和發(fā)送，所以我們利用C8051F340主要實(shí)現(xiàn)，本次設(shè)計(jì)我們采用的是采樣一組發(fā)送一組進(jìn)行傳輸。通過USB端口實(shí)現(xiàn)將采樣得到的信號發(fā)送到PC機(jī)上。 這里其實(shí)是一個中間環(huán)節(jié)，是將上位機(jī)和下位機(jī)連接到一塊的中介，通過對USB端口的設(shè)計(jì)將采樣后的信號發(fā)送到PC機(jī)上。 上位機(jī) 利用LabVIEW虛擬儀器設(shè)計(jì)一個示波器實(shí)現(xiàn)波形顯示和頻率分析。 這里其實(shí)是本設(shè)計(jì)的最重要部分，在上位機(jī)上主要是利用LabVIEW的強(qiáng)大功能實(shí)現(xiàn)對波形的顯示和頻率的分析。 軟件總體設(shè)計(jì)軟件的設(shè)計(jì)在整個系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中至關(guān)重要，該系統(tǒng)的軟件主要由主程序統(tǒng)領(lǐng)下面的初始化程序和信號處理程序兩大板塊領(lǐng)導(dǎo)。主要是下位機(jī)的信號采樣和發(fā)送和上位機(jī)我頻譜顯示和分析程序框圖。 下位機(jī)軟件總體框圖:圖31下位機(jī)總體框圖 上位機(jī)軟件總體框圖:圖32 上位機(jī)總體框圖主程序統(tǒng)領(lǐng)各個子程序的工作，是程序設(shè)計(jì)的核心部分，也是難度比較大的一部分，所以必須根據(jù)設(shè)計(jì)要求仔細(xì)推敲，保證設(shè)計(jì)思路的正確，為后面的子程序設(shè)計(jì)做好鋪墊，要在時序上安排好每個子程序的工作順序，保證各個子程序能夠更好的工作。下位機(jī)部分主要實(shí)現(xiàn)的功能是對信號的采樣，主要兩部分，初始化，信號采樣并通過USB發(fā)送到PC機(jī)。 在設(shè)計(jì)時整個系統(tǒng)的工作流程，先進(jìn)入主程序，然后是對I/O口，ADC,和定時器的初始化。再進(jìn)行對信號的采樣和發(fā)送程序部分，本次設(shè)計(jì)主要采用的是采樣一組數(shù)據(jù)發(fā)送一組數(shù)據(jù)的流程。主程序整個流程結(jié)束,依次循環(huán)執(zhí)行。具體流程如下:圖33下位機(jī)程序流程圖主程序重要相關(guān)代碼注釋如下：1. 禁止看門狗的程序代碼PCA0MD amp。= ~0x40。 2. 處理USB總線的程序代碼USB_Clock_Start()。 這是調(diào)用AN169USB通信庫函數(shù)USB_Clock_Start()。完成初始化USB總線時鐘USB_Init(USB_VID,USB_PID,USB_MfrStr,USB_ProductStr,USB_SerialStr,USB_MaxPower,USB_PwAttributes,USB_bcdDevice)。這是調(diào)用AN169USB通信庫函數(shù)USB_Init（）完成USB總線使能CLKSEL |= 0x02。RSTSRC |= 0x02。3. 使能API中斷程序代碼USB_Int_Enable()。調(diào)用AN169USB通信庫函數(shù)USB_Int_Enable()。完成API中斷使能 初始化單片機(jī)初始化流程圖，如圖22所示。圖34 C8051F340初始化流程圖看門狗定時器的初始化：通過對特殊寄存器PCA0MD的WDTE位將看門狗定時器使能，如果該位被置“1”，PCA模塊4被用作看門狗定時器，若為‘0’看門狗定時器被禁止。本設(shè)計(jì)需要初始化看門狗定時器而該對應(yīng)位的復(fù)位值為‘1’因此無需做修改。 器件時鐘的初始化：通過將特殊寄存器OSCICN的IFCN1和IFCN0位都置‘1’ 設(shè)置內(nèi)部晶振為最高頻率；通過將特殊寄存器CLKMUL的MULEN位置‘1’使能時鐘乘法器，然后延時等待時鐘乘法器準(zhǔn)備好。通過設(shè)置特殊寄存器CLKSEL選擇時鐘為內(nèi)部乘法器時鐘。 本設(shè)計(jì)主要有端口初始化，定時器初始化，ADC初始化，時鐘初始化。 端口I/O初始化包括以下步驟： 用端口輸入方式寄存器（PnMDIN）選擇所有端口引腳的輸入方式（模擬或數(shù)字）。 用端口輸出方式寄存器（PnMDOUT）選擇所有端口引腳的輸出方式（漏極開路或推挽）。 用端口跳過寄存器（PnSKIP）選擇應(yīng)被交叉開關(guān)跳過的那些引腳。 將引腳分配給要使用的外設(shè)（XBR0、XBRXBR2）。 使能交叉開關(guān)（XBARE = 1）。 （1）端口初始化 Port_IO_Init1()。（2）晶振初始化 Oscillator_Init()；（3）ADC初始化 Adc_Init()； （4）定時器初始化 Timer_Init（）；首先對信號進(jìn)行一組采樣，將采樣后的一組信號通過USB發(fā)送到PC機(jī)。具體程序如下： while (1) { if(AD_flag2==1) { AD_flag2=0。 if(AD_flag1==1) Block_Write(Out_Packet1, 1500)。 else Block_Write(Out_Packet2, 1500)。 } } 本設(shè)計(jì)起初設(shè)計(jì)的采樣一個數(shù)據(jù)然后發(fā)送一個數(shù)據(jù)，然后再采樣一個再發(fā)送一個經(jīng)過實(shí)際的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)這樣做效率地而且效果不明顯。最后改為采樣一組數(shù)據(jù)再發(fā)送，以上程序就是為此設(shè)計(jì)。 完成最信號的AD轉(zhuǎn)換后，對信號進(jìn)行采樣，考慮到時效性，我們采樣一組數(shù)據(jù)在通過USB進(jìn)行發(fā)送。具體程序如下：void Adc_ConvComplete_ISR(void) interrupt 10{ if(AD_flag1==0) { Out_Packet1[num] = ADC0H。 num++。 if(num=1500) { num=0。 AD_fla