【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 數(shù)據(jù)采集部分采用日本索尼公司的低噪聲、高穩(wěn)定性的紅外接收集成芯片CX20106A，該芯片是紅外遙控接收前置放大雙極性集成電路，內(nèi)部電路有前置放大器、自動(dòng)偏置電平控制電路（ABLC）、限幅放大器、帶通濾波器、峰值檢波器和波形整形電路等組成[25][26]。CX20106A的技術(shù)特點(diǎn)主要有以下幾點(diǎn)：l 低電壓供電，其典型值為5V；l 功耗低。Vcc＝5V時(shí)，其典型功耗為9mW；l 帶通濾波器的中心頻率可通過(guò)改變5腳和電源之間的電阻進(jìn)行調(diào)節(jié)，其調(diào)節(jié)的范圍為3060kHz。由于未使用電感，可不受磁場(chǎng)的干擾，因此抗干擾能力強(qiáng)；l 能與PIN光電二極管直接連接；l 集電極開路輸出，能直接驅(qū)動(dòng)TTL或CMOS電路；l 8腳單列只插式塑料封裝。CX20106A的以上技術(shù)特點(diǎn)使得可以在系統(tǒng)中使用，作為采集器的紅外數(shù)據(jù)接收模塊可以簡(jiǎn)化硬件設(shè)計(jì)，提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性，其內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)圖如圖310所示：圖310 CX20106A內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)圖PH3028能將接受到的發(fā)射電路所發(fā)射的紅外光信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)十毫伏至數(shù)百毫伏的電信號(hào)，送到CX20106A的①腳，CX20106A的總放大增益約為80dB，以確保其⑦~5V 范圍內(nèi)?？傇鲆娲笮∮散谀_外接的RC1決定，R1越小或C1越大，增益越高。C1取值過(guò)大時(shí)將造成頻率響應(yīng)變差，通常取為1uF。C2為檢波電容。CX20106A 采用峰值檢波方式，當(dāng)C2容量較大時(shí)將變成平均值檢波，瞬態(tài)響應(yīng)靈敏度會(huì)變低，C2較小時(shí)雖然仍為峰值檢波，且瞬態(tài)響應(yīng)靈敏度很高，但檢波輸出脈沖寬度會(huì)發(fā)生較大變動(dòng)，容易造成解調(diào)出錯(cuò)而產(chǎn)生誤操作。R2為帶通濾波器中心頻率f0的外部電阻，改變R2阻值，可改變載波信號(hào)的接受頻率，當(dāng)f0偏離載波頻率時(shí)，放大增益會(huì)顯著下降，C3為積分電容，一般取330pF，取值過(guò)大，雖然可使抗干擾能力增強(qiáng)，但也會(huì)使輸出編碼脈沖的低電平持續(xù)時(shí)間增長(zhǎng)，造成遙控距離變短。⑦腳為輸出端，CX20106A 處理后的脈沖信號(hào)由⑦腳輸出給后續(xù)電路以便處理。其引腳符號(hào)、： CX20106A引腳符號(hào)及功能說(shuō)明引腳號(hào)符號(hào)功能1IN遙控?cái)?shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)入端（此腳與地之間接紅外接收二極管）2C1前置放大器頻率特性和增益設(shè)定（此腳與地之間接RC串聯(lián)電路）3C2接檢波電容4GND接地5F0設(shè)定帶通濾波器的中心頻率（此腳與電源間接電阻）6C3外接積分電容7OUT遙控?cái)?shù)據(jù)指令輸出端8Vcc外接電源 壓力采集終端上面的紅外接收請(qǐng)求比較簡(jiǎn)單，使用紅外集成接收頭P0038B2，該接收頭一旦檢測(cè)到已調(diào)制的紅外信號(hào)就給出低電平，產(chǎn)生中斷。整個(gè)紅外模塊的軟件流程圖如圖311所示：圖311 紅外數(shù)據(jù)發(fā)射模塊軟件流程圖 首先對(duì)串口的波特率、傳送方式、校驗(yàn)位和中斷方式等信息進(jìn)行設(shè)置，然后等待紅外請(qǐng)求信息的來(lái)到，一旦有紅外數(shù)據(jù)請(qǐng)求就設(shè)置定時(shí)器2，使得定時(shí)器2工作在產(chǎn)生30k方波的模式下來(lái)產(chǎn)生所要的紅外載波信號(hào)，然后讀取鐵電里面的壓力數(shù)據(jù)并加上紅外數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議所定義的信息將壓力數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)出去，直到發(fā)送完畢返回。 其他相關(guān)電路的設(shè)計(jì) 低功耗電源電路設(shè)計(jì) 由于該壓力采集器在礦下使用，為了應(yīng)對(duì)礦下惡劣的環(huán)境要進(jìn)行密封處理，這樣更換電池相當(dāng)麻煩，基本上都是一次性長(zhǎng)時(shí)間工作，因此功耗就比較重要。低功耗是這款產(chǎn)品得以使用的最基本條件，本系統(tǒng)中監(jiān)控芯片采用業(yè)內(nèi)最低功耗的PIC單片機(jī)，系統(tǒng)采用多級(jí)供電模式，節(jié)約不必要的浪費(fèi)，其電路如圖312所示：圖312 系統(tǒng)電源控制部分電路 首先系統(tǒng)采用4節(jié)1號(hào)電池供電，該VDD主要是供給主控單片機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控；主控芯片根據(jù)時(shí)間節(jié)拍每隔十分鐘或者紅外讀數(shù)請(qǐng)求打開一次Q1通過(guò)TPS76350電源模塊產(chǎn)生大約5V（150mA）的二級(jí)電源VCC，該VCC主要供給采樣單片機(jī)AT89S52和紅外發(fā)射顯示模塊，假如是紅外讀數(shù)請(qǐng)求則進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸工作，假如是10分鐘時(shí)間到則打開Q2產(chǎn)生大約5V的三級(jí)電源VEE，該VEE主要供給壓力傳感器模塊、小信號(hào)放大模塊和壓力數(shù)據(jù)采集模塊。其余的時(shí)間系統(tǒng)進(jìn)入睡眠模式來(lái)進(jìn)一步降低功耗，通過(guò)以上手段來(lái)加長(zhǎng)產(chǎn)品的使用壽命效果比較理想。 壓力顯示模塊設(shè)計(jì) 壓力數(shù)據(jù)的直觀顯示是該采集器的一個(gè)比較重要的功能，為了節(jié)約端口和功耗，采用低功耗的74LS164移位寄存器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行靜態(tài)顯示，顯示時(shí)間為一路2秒鐘。其硬件設(shè)計(jì)電路圖如圖313所示：圖313 壓力數(shù)據(jù)顯示模塊74LS164是8位移位寄存器，當(dāng)清除端（CLEAR）為低電平時(shí)，輸出端（QA－QH）均為低電平。 串行數(shù)據(jù)輸入端（A，B）可控制數(shù)據(jù)。當(dāng) A、B 任意一個(gè)為低電平，則禁止新數(shù)據(jù)輸入，在時(shí)鐘端（CLOCK）脈沖上升沿作用下 Q0 為低電平。當(dāng) A、B有一個(gè)為高電平，則另一個(gè)就允許輸入數(shù)據(jù)，并在 CLOCK 上升沿作用下決定 Q0 的狀態(tài)。： 74LS164邏輯真值表 Inputs OutputsClearClockA BQ0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7L L L L L L L L LHL Q0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7HH HH Q0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6HL L Q0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6H LL Q0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 要進(jìn)行數(shù)據(jù)正確顯示必須了解其時(shí)序圖，然后按照時(shí)序依次送數(shù)據(jù)顯示，74LS164的時(shí)序圖如314所示： 圖314 74LS164的運(yùn)行時(shí)序圖 由于74LS164的輸出高電平可以直接LED發(fā)光，本系統(tǒng)選用共陰數(shù)碼管，移位寄存器的最高位作為第一路、第二路標(biāo)識(shí)，根據(jù)真值表和時(shí)序圖對(duì)其進(jìn)行編程，其單片機(jī)程序如下：led[10]={0x3F,0x03,0x6D,0x67,0x53,0x76,0x7E,0x23,0x7F,0x77}。//編碼表void display_led(unsigned char data) //data：要顯示的碼段數(shù)據(jù){ unsigned char temp1。 PORT_clk=0。 //給74LS164的時(shí)鐘 for(temp1=0。temp18。temp1++)//循環(huán)移位8次，依次將數(shù)據(jù)送數(shù)碼管顯示 { if( (dataamp。0X80)==0x00 ) {PORT_data=0。} else {PORT_data=1。} PORT_clk=1。 delay(1)。 PORT_clk=0。 data=data1。 //碼段數(shù)據(jù)向右移位 } } 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì) 由于系統(tǒng)要對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，為了保證調(diào)電后數(shù)據(jù)不丟失，本系統(tǒng)采用了鐵電存儲(chǔ)芯片F(xiàn)M24CL64數(shù)據(jù)存儲(chǔ)芯片。FM25CL64是一款64Kb的非易失性存儲(chǔ)器，它采用先進(jìn)的鐵電處理技術(shù)。鐵電隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，又名FRAM，是非易失的，但該器件執(zhí)行讀和寫操作與RAM 相似。它提供45年的數(shù)據(jù)保存時(shí)間，同時(shí)消除了由EEPROM 和其他非易失性存儲(chǔ)器導(dǎo)致的復(fù)雜性，開銷和系統(tǒng)級(jí)別可靠性問(wèn)題。與串行EEPROM不同，F(xiàn)M25CL64以總線速度進(jìn)行寫操作，無(wú)須延時(shí)。下一個(gè)總線周期可以立即開始，無(wú)需進(jìn)行數(shù)據(jù)輪詢。另外，器件真正提供了無(wú)限次的寫入次數(shù)，其耐用性比EEPROM 高出的程度用數(shù)量級(jí)來(lái)計(jì)量。而且，因?yàn)閷懖僮鞑恍枰趦?nèi)部提升寫電路的電源供電電壓。所以，在寫操作過(guò)程中，F(xiàn)RAM比EEPROM 消耗的功率要低得多。FM25CL64的這些功能使得它非常適合用在需要頻繁或快速寫操作的非易失性存儲(chǔ)器應(yīng)用中。舉例說(shuō)明，它可用在從數(shù)據(jù)采集到需要工業(yè)控制的各種應(yīng)用中，在數(shù)據(jù)采集應(yīng)用中，對(duì)寫入數(shù)據(jù)的頻率要求很高；在需要工業(yè)控制的應(yīng)用中，太長(zhǎng)時(shí)間的EEPROM寫會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。FM25CL64為串行EEPROM的用戶提供了實(shí)用的好處，在硬件上可以完全替換EEPROM。FM25CL64使用高速SPI 總線，這加強(qiáng)了FRAM技術(shù)的高速寫性能。器件確保工作在－40℃到＋85℃的工業(yè)溫度范圍內(nèi)。圖315為FM25CL64的內(nèi)部邏輯框圖：圖315 FM25CL64的內(nèi)部邏輯框圖 FM25CL64是一款串行FRAM存儲(chǔ)器。存儲(chǔ)陣列的組織結(jié)構(gòu)在邏輯上劃分為8，1928，它可以通過(guò)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的串行外圍接口或者SPI接口來(lái)訪問(wèn)。FRAM的功能操作與串行EEPROM很相似。FM25CL64與串行EEPROM的主要差別是它具有更優(yōu)越的寫性能，雖然它們的管腳配置相同。： FM25CL64的引腳特性描述引腳名I/O描述/CS輸入片選：該管腳為低電平時(shí)使能器件。當(dāng)該管腳為高電平時(shí)，器件進(jìn)入低功耗的待機(jī)模式，忽略其它輸入的狀態(tài)，而且，所有的輸出處于三態(tài)。當(dāng)該管腳為低電平時(shí)，器件內(nèi)部激活SCK信號(hào)。/CS的下降沿必須在每個(gè)操作碼之前出現(xiàn)。SCK輸入串行時(shí)鐘：所有的I/O 活動(dòng)都是與串行時(shí)鐘同步的。輸入在時(shí)鐘的上升沿時(shí)被鎖存，輸出在下降沿時(shí)輸出。因?yàn)槠骷庆o態(tài)的，時(shí)鐘頻率可以是0～20MHz之間的任意值且隨時(shí)都可以被中斷。/HOLD輸入保持：當(dāng)主CPU 必須中斷存儲(chǔ)器當(dāng)前的操作而執(zhí)行另一個(gè)任務(wù)時(shí)，/HOLD管腳被使用。當(dāng)/HOLD管腳為低電平時(shí)，當(dāng)前操作被掛起。器件忽略SCK或者/CS上的任何跳變。/HOLD管腳的所有跳變必須發(fā)生在SCK 為低電平的時(shí)間內(nèi)。/WP輸入寫保護(hù)：該管腳為低電平時(shí)對(duì)狀態(tài)寄存器進(jìn)行寫保護(hù)。因?yàn)槠渌膶懕Ｗo(hù)特征由狀態(tài)寄存器控制，這個(gè)管腳的作用很重要。寫保護(hù)的完整解釋見下述章節(jié)。請(qǐng)注意，F(xiàn)M25CL64的/WP管腳功能與FM25040 的是不同的，F(xiàn)M25040的/WP 禁止器件的所有寫操作。SI輸入串行輸入：所有數(shù)據(jù)都是從該管腳輸入到器件的。該管腳在SCK的上升沿時(shí)被采樣，而在其它的時(shí)間被忽略。該管腳應(yīng)被驅(qū)動(dòng)為一個(gè)有效的邏輯電平以滿足IDD的規(guī)范。*SI可連接到SO，用作一個(gè)單管腳的數(shù)據(jù)接口。SO輸出串行輸出：這是數(shù)據(jù)輸出管腳。該管腳在讀操作過(guò)程中被使用，在包括/HOLD為低電平的其它所有時(shí)間內(nèi)都保持為三態(tài)。數(shù)據(jù)在串行時(shí)鐘的下降沿跳變。*SO可連接到SI，用作一個(gè)單管腳的數(shù)據(jù)接口。VDD供電電源電壓（～）VSS供電地 SPI接口是一個(gè)同步串行接口，它使用時(shí)鐘和數(shù)據(jù)管腳。它用于支持掛在總線上的多個(gè)器件。每個(gè)器件都可以由片選激活。一旦總線主控器激活了片選，F(xiàn)M25CL64將開始監(jiān)控時(shí)鐘和數(shù)據(jù)線。/CS下降沿、時(shí)鐘和數(shù)據(jù)之間的關(guān)系由SPI模式控制。器件在每個(gè)片選的下降沿確定SPI模式。一共有四種模式，但FM25CL64只支持模式0和3。對(duì)于這兩種模式，數(shù)據(jù)在SCK的上升沿時(shí)移入到FM25CL64，并且器件會(huì)在/CS生效之后的第一個(gè)上升沿時(shí)等待數(shù)據(jù)。如果時(shí)鐘的起始狀態(tài)是高電平，它在開始傳輸數(shù)據(jù)之前將下降以產(chǎn)生第一個(gè)上升沿。SPI協(xié)議由操作碼控制。這些操作碼指定了器件的命令。/CS生效之后，總線主控器傳輸?shù)牡谝粋€(gè)字節(jié)是操作碼。傳輸操作碼之后，可以傳輸任何地址和數(shù)據(jù)。這些操作碼控制了存儲(chǔ)器執(zhí)行的功能。它們可以分為三類。第一類是無(wú)并發(fā)操作的指令。它們執(zhí)行單一的功能，例如使能寫操作。第二類是帶一個(gè)字節(jié)的指令，寫入或者讀出。它們對(duì)狀態(tài)寄存器進(jìn)行操作。第三類包括了執(zhí)行存儲(chǔ)器操作的命令，這些命令后面跟隨有地址和一個(gè)或更多數(shù)據(jù)字節(jié)。 FM25CL64的操作碼指令表名稱描述操作碼WREN設(shè)置寫使能鎖存器0000 0110bWRDI寫禁止0000 0100bRDSR讀狀態(tài)寄存器0000 0101bWRSR寫狀態(tài)寄存器0000 0001bREAD讀存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)0000 0011bWRITE寫存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)0000 0010b 由于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和讀取是該系統(tǒng)中比較頻繁又重要的操作，下面就鐵電FM25CL64的存儲(chǔ)器讀寫進(jìn)行時(shí)序分析并用單片機(jī)語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。其中圖316為存儲(chǔ)器的寫操作時(shí)序圖，圖317為存儲(chǔ)器的讀操作時(shí)序圖：圖316 存儲(chǔ)器的寫時(shí)序圖 存儲(chǔ)器進(jìn)行的所有的寫操作都是從WREN操作碼開始的。下一個(gè)操作碼是WRITE。WRITE操作碼之后是兩個(gè)字節(jié)地址值。這是寫操作的第一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)的開始地址。隨后的字節(jié)都是數(shù)據(jù)字節(jié)，它們是連續(xù)寫入的。只要總線主控器繼續(xù)發(fā)布時(shí)鐘信號(hào)并且保持/CS為低電平，地址就會(huì)內(nèi)部遞增。如果達(dá)到最后地址1FFFh，地址計(jì)數(shù)器將跳轉(zhuǎn)至0000h。數(shù)據(jù)以MSB在前的方式寫入。/CS的上升沿中止一個(gè)WRITE操作。EEPROM使用頁(yè)緩沖來(lái)增加它們的寫吞吐量。這使得該技術(shù)固有的緩慢的寫操作得到了改善。在時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)作用下（第8個(gè)時(shí)鐘之后），每個(gè)字節(jié)立即寫入到FRAM 陣列，所以FRAM 存儲(chǔ)器不需要頁(yè)緩沖。這允許寫入任何數(shù)量的字節(jié)而無(wú)需頁(yè)緩沖延遲。其單片機(jī)程序如下：define CS 0x01 //define SO 0x02 //define SI 0x08 //define SCK 0x10 //void FRAM_SPI_txByte(unsigned char data) //寫數(shù)據(jù)到存儲(chǔ)器{ unsigned char bits,temp。 P1amp。=~CS。 //片選有效 temp=data。bits=0x08。 while(bits!=0x00) { if(tempamp。0x08) P1|=SI。 //數(shù)據(jù)的最高位為1 else P1amp。=~SI。 P1|=SCK。 temp=(temp1)。 //數(shù)據(jù)循環(huán)向左移一位 _NOP()。 P1amp。=~SCK。 bits=(bits1)。 }}圖317 存儲(chǔ)器的讀時(shí)序圖 在/CS的下降沿之后，總線控制器給出一個(gè)READ操作碼。RE