【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 個(gè)子系統(tǒng)之間由 C8051F310單片機(jī) 控制，實(shí)現(xiàn) A/D轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)交換。數(shù)據(jù)采集和傳輸終端硬件組成框圖如圖 31所示。 圖 31 硬件組成 結(jié)構(gòu)圖 從結(jié)構(gòu)框圖中可以看出終端的硬件系統(tǒng)含有 5個(gè)部分： 由 C8051F310為 MCU的主控部分 ；基于 GPRS的無(wú)線傳輸模塊部分；由傳感器組及前端運(yùn)放組成的數(shù)據(jù)采集部分； 以BC7281芯片接口的按鍵及顯示器等外圍電路部分 ；電源部分 。 單片機(jī) 系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 根據(jù)以上硬件設(shè)計(jì)方案，綜合考慮存儲(chǔ)空間及 A/D轉(zhuǎn)換等功能從而選擇性價(jià)比比較高，具有豐富外設(shè)功能的低功耗單片機(jī) C8051F310作為 微處理器 。 C8051F310概述 C8051F310單片機(jī)，是完全集成的混合信號(hào)片上系統(tǒng)型 MCU芯片，是真正能獨(dú)立工 作的片上系統(tǒng) （ SOC） [15]。其系統(tǒng)控制內(nèi)核是 CIP51微控制器，與 MCS51的指令集完全兼容。C8051F310單片機(jī)具有標(biāo)準(zhǔn) 8052的所有外設(shè)部件，包括一個(gè)可編程內(nèi)部振蕩器、一個(gè)增強(qiáng)型全雙工 UART、一個(gè)增強(qiáng)型 SPI、 4個(gè) 16位的定時(shí) /計(jì)數(shù)器、 256字節(jié)的內(nèi)部 RAM、 128字節(jié)特殊功能寄存器、 16KB的可在線系統(tǒng)編程的 FLASH程序存儲(chǔ)器、 29個(gè) I/O端口、支持 14個(gè)華北電力大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 中斷源以及一個(gè) 10位 ADC[16][17]。 C8051F310單片機(jī)采用流水線結(jié)構(gòu)，機(jī)器周期由標(biāo)準(zhǔn)的 12個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期降為 1個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，處理能力大大提高。指令運(yùn)行速度大幅度提高， 70％ 的指令執(zhí)行是在一個(gè)或兩個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期內(nèi)完成。處理器最高運(yùn)行時(shí)鐘可達(dá) 25MHz。 C8051F310最小系統(tǒng)的 設(shè)計(jì) 圖 32所示為單片機(jī) 最小系統(tǒng)原理圖 。該 單片機(jī)使用兩個(gè)時(shí)鐘輸入，即一個(gè) 32KHZ時(shí)鐘型號(hào)，另一個(gè)是 8MHZ。該 系統(tǒng)的時(shí)鐘部分都是采用晶體振蕩器實(shí)現(xiàn)的。 單片機(jī)電源采用5V供電， 考慮到電源的輸入紋波對(duì)單片機(jī)的影響，在電源的管腳增加一個(gè) 現(xiàn)濾波，以較少輸入管腳處受到的干擾，另外單片機(jī)還有模擬電源的輸入端，因此在這里需要考慮干 擾問(wèn)題，由于在該系統(tǒng)中的干擾比較小， 因此模擬地和數(shù)字地共地，并在模擬電源輸入管腳增加一個(gè)濾波電容以減小干擾。單片機(jī)的串口 0與 GPRS模塊接口，串口 1與PC進(jìn)行通信，由于接口電平不同，因此串口 1與 RS232芯片進(jìn)行連接。 圖 32 單片機(jī) 最小系統(tǒng)原理圖 GPRS 模塊部分電路設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)主要采用 GPRS模塊 MC39I通過(guò) GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集終端與監(jiān)控中心的通 信 ，主要采用短消息收發(fā)的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，下面對(duì) MC39I模塊的功能特點(diǎn)及電路設(shè)計(jì)做詳細(xì)介紹。 華北電力大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 MC39I模塊簡(jiǎn)介 MC39I是 Siemens公司推出的基于 GPRS/GSM網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊，它完全兼容MC35模塊的功能 ， 能夠在 GPRS網(wǎng)中完成語(yǔ)音、數(shù)據(jù)呼叫、網(wǎng)絡(luò)連接、短消息以及傳真的傳送， Siemens自己的復(fù)用協(xié)議基本上可以滿足語(yǔ)音 /數(shù)據(jù)復(fù)用串口的要求，在 GPRS不 可用的地區(qū)還可以通過(guò) GSM短消息傳輸數(shù)據(jù) [18]。 MC39I無(wú)線通信模塊主要有以下功能 [19][20]: (1)永遠(yuǎn)在線，即用戶可以隨時(shí)與網(wǎng)絡(luò)保持聯(lián)系。 (2)支持雙頻 GSM/GPRS，無(wú)需申請(qǐng)頻點(diǎn)，只需一張 SIM卡即可。 。 (3)按流量計(jì)費(fèi)。按照用戶發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包的數(shù)量來(lái)收取費(fèi)用，沒(méi)有數(shù)據(jù)流量傳遞時(shí)，即使用戶掛在網(wǎng)上，也是不收費(fèi)的。 (4)快速登陸，與 GPRSA網(wǎng)絡(luò)建立連接的時(shí)間一般是 35秒，接入互聯(lián)網(wǎng)的時(shí)間是 13秒。 (5)透明數(shù)據(jù)傳輸，用戶只需接入或取出數(shù)據(jù)即可，無(wú)需編程 。 (6)自如切換， GPRS上網(wǎng)不影響正常的通話和接收短信 。 (7)抗干擾設(shè)計(jì)， GPRS提供四種不同的編程方式，分別提供不同的錯(cuò)誤保護(hù)能力。 MC39I結(jié)構(gòu) MC39I內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要有：射頻區(qū) 、內(nèi)部 FLASH、 SRAM、 GSM基帶處理器、匹配電源和一個(gè) 40腳的 ZIF插座。內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)如圖 33所示。 圖 33 MC39I功能結(jié)構(gòu)圖 其中， GSM基帶處理器是 MC39I的核心部件，其作用相當(dāng)于一個(gè)協(xié)議處理器，用來(lái)處理外部系統(tǒng)通過(guò)串口發(fā)送的 AT指令； 匹配電源為處理器及射頻部分提供所需電源； 射頻部分主要實(shí)現(xiàn)信號(hào)的調(diào)制和解調(diào)，以及外部射頻信號(hào)與內(nèi)部基帶處理器之間信號(hào) 的 轉(zhuǎn)換 。MC39I通過(guò) 40腳的 ZIF連接器與開(kāi)發(fā)評(píng)估板的外圍電路連接，從而實(shí)現(xiàn)電源連接、指令、數(shù)據(jù)、語(yǔ)音信號(hào)及控制信號(hào)的雙向傳輸。外圍電路主 要包括電源電路、啟動(dòng)與開(kāi)關(guān)電路、 SIM卡電路 、 數(shù)據(jù)通信電路 、指示燈電路等。由于傳輸數(shù)據(jù)的承載方式是 GPRS網(wǎng)絡(luò)，故 SIM卡華北電力大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 是不可或缺的， SIM卡的功能主要是儲(chǔ)存數(shù)據(jù) 及 在安全條件下完成客戶身份鑒權(quán)和客戶信息加密算法的全過(guò)程。 為了便于硬件設(shè)計(jì)，對(duì) ZIF連接器的管腳圖進(jìn)行介紹。圖 34為 ZIF連接器的管腳圖。 圖 34 ZIF連接器的管腳圖 這 40個(gè)引腳可以劃分為 5類，即電源、數(shù)據(jù)輸入輸出、 SIM卡、音頻接口和控制。第 1一 14腳為電源部分 :l一 5為電源電壓輸入端 Vbatt+， 6一 10為電源地 GND， 1 12為充電引腳， 13為對(duì)外輸出電壓 (供外電路使用 )， 14為 ACCU一 TEMP接負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻。 24一 24為 SIM卡引腳，分別為 CCIN、 CCRST、 CCIO、 CCCLK、 CCVCC、 CCGND。 3 34為語(yǔ)音接口，用來(lái)接電話手柄。 1 31和 32腳為控制部分 :15為點(diǎn)火線 IGT(Ignition)，當(dāng) MC39I通電后必須給 IGT一個(gè)大于 100ms的低電平，模塊 才 能啟動(dòng)， 30為 RTC， 31為 PowerDown， 32為 SYNC。 16一 23為數(shù)據(jù)輸沁輸出，分別為 DSR0、 RING0、 RxD0、 TxD0和 DCD0。 MC39I的數(shù)據(jù)輸入 /輸出口實(shí)際上是一個(gè)串行異步收發(fā)器，符合 ITUT/RS232接口標(biāo)準(zhǔn)，它有固定的參數(shù) :8位數(shù)據(jù)為和 1位停止位，無(wú)校驗(yàn)位，波特率在 300bps~115kbps之間可選，硬件握手信號(hào)用 RTS0/CTS0，軟件流量控制用 XON/OFF， CMOS電平 ,支持標(biāo)準(zhǔn)AT指令。 GPRS模塊 MC39I的應(yīng)用電路總體框圖如圖 35所示。模塊電源主要由開(kāi)關(guān)電源芯片LM2576轉(zhuǎn)換提供：上電時(shí)使用 ／ IGT引腳啟動(dòng) GSM引擎；通過(guò) SP323E將所有的信號(hào)線都引至 9針 串口連接器 DB9，這樣使用 PC機(jī)時(shí)可以實(shí)現(xiàn)調(diào)制解調(diào)器的全部功能．同時(shí)將 9針串口中的 TXD、 RXD、 DTR和 DCD信號(hào)直接引出，通過(guò) C8051F310單片機(jī)直接對(duì) MC39I進(jìn)行操作：使用 SYNC引腳控制一個(gè) LED可以顯示 MC39I所處的狀態(tài)：其他外部接口還包括 SMA華北電力大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 天線接口、 SIM卡座接口等。 圖 35 模塊 MC39I應(yīng)用電路總體結(jié)構(gòu) GPRS模塊與單片機(jī)接口電路設(shè)計(jì) MC39I模塊主要 通過(guò)串 口與單片機(jī)進(jìn)行連接，從而實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì) MC39I模塊 的控制。MC39I無(wú)線模塊部分的開(kāi)關(guān)機(jī)、工作方式、工作狀態(tài)級(jí)工作內(nèi)容等均由 C8051F310單片機(jī)控制 ，它與 C8051F310的連接方式如圖 36所示 。 圖 36 MC39I和 C8051F310連接圖 在本設(shè)計(jì)中， C8051F310通過(guò)一個(gè) IO引腳 （設(shè)置為輸出引腳）經(jīng) 9013三極管控制MC39I模塊的 IGT引腳，從而控制模塊的開(kāi)機(jī)過(guò)程。 /IGT為 MC39I的工作狀態(tài)控制管腳，該管腳首先通過(guò)一個(gè)電阻拉高。當(dāng) /IGT管腳輸出高電平的時(shí)候， MC39I模塊不工作；當(dāng) /IGT管腳輸出為低電平的時(shí)候 ， MC39I模塊工作。對(duì)于 MC39I模塊其他管腳在不使用的時(shí)候，如果該管腳為輸出管腳的話，一般讓該管腳懸空，如果為輸入管腳，需要將該管腳通過(guò) 10K的電阻上拉。 C8051F310與 MC39I的數(shù)據(jù)傳輸均通過(guò)異步串行通訊接口實(shí)現(xiàn)這里采用三線制連接，50Ω 天線 單片機(jī)控 制口 模塊電源 /IGT 模塊 MC39I RS232 電平轉(zhuǎn)換 SYNC 狀態(tài)指示 華北電力大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 一收一發(fā)及地線。 MC39I 的 異步 串行接口 RXD0、 TXD0 連接到 C8051F310 的異步串行口 UART0， 實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì) MC39I 發(fā)送和接收指令的控制 。這里由 C8051F310 的 引腳（設(shè)置為輸入引腳）監(jiān)視 MC39I 的 DSR0 引腳，從而監(jiān)視模塊是否處于開(kāi)機(jī)狀態(tài)（ 關(guān)機(jī)時(shí)為高，開(kāi)機(jī)時(shí)為低）。 MC39I 模塊的串口中 DTR0 和 RTS0 兩個(gè)管腳為輸入管腳，因此分別通過(guò) 10k 的電阻將這兩個(gè)管腳拉高。 MC39I 的 SYNC 管腳用來(lái)指示 GPRS 模塊的工作狀態(tài)，連接一個(gè)指示燈來(lái)指示工作狀態(tài)。由于 MC39I 模塊的異步串行口工作在 CMOS電平 ()，所以在 TX 和 RXD0 之間連接一個(gè) 100 歐姆的電阻，起到限制電流的作用。MC39I 的 24～ 29 引 腳直接與 SIM 卡的對(duì)應(yīng)引腳進(jìn)行連接，便于檢測(cè) SIM 卡是否插好，以及完成短信發(fā)送的功能 。 電源電路設(shè)計(jì) 由于單片機(jī)的電壓為 ， MC39I模塊的工作電壓為 ，因此本系統(tǒng)需要提供 和 的電壓。 單片機(jī)電源電路 整個(gè)系統(tǒng)采用 5V 供電。除了 MC39I 外均采用 電壓供電，考慮到硬件統(tǒng)對(duì)電源要求具有穩(wěn)壓功能和紋波小等特點(diǎn)，另外也考慮到硬件系統(tǒng)的低功耗 等特點(diǎn)，因此該硬件系統(tǒng)的 電源部分采用 TI 公司的 TPS76033 芯片實(shí)現(xiàn)。電源如圖 37 所示。 圖 37 電源電路圖 MC39I模塊電源電路 MC39I 模塊電源電路 如圖 38 所示： 華北電力大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 圖 38 對(duì)于 MC39I 模塊可由外部 的單電源供電，在本系統(tǒng)中采用 供電，由于該電源部分的輸出電流必須滿足輸出電流能達(dá)到 2A，在此采用可調(diào)式穩(wěn)壓芯片NATIONAL 公司的 LP3966ADJ 芯片。該芯片的管腳 2 為 shutdown 管腳，在設(shè)計(jì)時(shí)必須通過(guò)一個(gè) 10KΩ 的電阻拉高到 5V。為了使 輸出電源的紋波小，在輸出部分用了一個(gè)68PF、 33uF 和 的電容，實(shí)現(xiàn)濾波。另外在芯片的輸入管腳放置一個(gè) 68uF 的濾波電容，減小輸入端受到的干擾 。 數(shù)據(jù)采集 模塊設(shè)計(jì) 在該系統(tǒng)中主要考慮模擬輸入前端為傳感器，從傳感器送來(lái)的是標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，即4mA20mA，這樣設(shè)計(jì)具有一定的通用性，只要前端接不同的傳感器就可以采集不同的信號(hào)源。由于 A/D轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)為電壓，也就是參考源為電壓，所以 A/D轉(zhuǎn)換的是電壓，這樣需要將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。如圖 39所示為模擬量采集具體的電路。 圖 39 數(shù)據(jù)采集電路 華北電力大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 由圖可以看出，采集電路通過(guò)一個(gè)電阻將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，為了提高采集的精度，需要采用高精度的電阻，這里采用的是精度為 1%的電阻。電路中采用二極管作為 ESD保護(hù)電路，考慮到干擾問(wèn)題，采用電容進(jìn)行濾波處理，增加采集電路的抗干擾問(wèn)題。 以上即為本系統(tǒng)硬件部分的 設(shè)計(jì)，主要介紹了單片機(jī) 最小 系統(tǒng)、 GPRS模塊、數(shù)據(jù)采集模塊 、電源電路幾 部分電路的設(shè)計(jì) ，給出了原理圖和詳細(xì)地設(shè)計(jì)步驟并對(duì)所用到的單片機(jī)進(jìn)行了詳細(xì)地介紹，硬件部分是系統(tǒng)的主干，起到至關(guān)重要的作用。 4 系統(tǒng) 軟件設(shè)計(jì) 對(duì)于一個(gè)完整的 應(yīng)用 系統(tǒng) 出了硬件設(shè)計(jì)外還必須包括軟件部分的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的主要功能都是由下載到微處理器的軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的，所以系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì)也是系統(tǒng)設(shè)計(jì)一個(gè)非常重要的方面。 編程語(yǔ) 言簡(jiǎn)介 程序中的所有代碼都由 C語(yǔ)言編寫 。 C語(yǔ)言是一種 面向過(guò)程的 計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言 。它既具有 高級(jí)語(yǔ)言 的特點(diǎn)，又具有 匯編語(yǔ)言 的特點(diǎn)。它可以作為工作系統(tǒng)設(shè)計(jì)語(yǔ)言，編寫系統(tǒng) 應(yīng)用程序 ，也可以作為應(yīng)用程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，編寫不依賴計(jì)算機(jī)硬件的應(yīng)用程序 [21][22]。因此，它的應(yīng)用范圍廣泛，不僅僅是在軟件開(kāi)發(fā)上，而且各類科研都需要用到 C語(yǔ)言 。 C語(yǔ)言是一種很有發(fā)展前途的高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。 具有以下特點(diǎn)： （ 1） C是中級(jí)語(yǔ)言。它把 高級(jí)語(yǔ)言 的基本結(jié)構(gòu)和語(yǔ)句與低級(jí)語(yǔ)言的實(shí)用性結(jié)合起來(lái)。C 語(yǔ)言可以像匯編語(yǔ)言一樣對(duì)位、字節(jié)和地址進(jìn)行操作， 而這三者是 計(jì)算機(jī) 最基本的工作單元。 （ 2） C是結(jié)構(gòu)式語(yǔ)言。結(jié)構(gòu)式語(yǔ)言的顯著特點(diǎn)是 代碼 及數(shù)據(jù)的分隔化， 即程序的各個(gè)部分除了必要的信息交流外彼此獨(dú)立。這種結(jié)構(gòu)化方式可使程序?qū)哟吻逦阌谑褂?、維護(hù)以及調(diào)試。 C 語(yǔ)言是以函數(shù)形式提供給用戶的，這些函數(shù)可方便的調(diào)用，并具有多種循環(huán)、條件語(yǔ)句控制程序流向，從而使程序完全結(jié)構(gòu)化。 （ 3） C語(yǔ)言功能齊全。具有各種各樣的 數(shù)據(jù)類型 ， 并引入了 指針