【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 表 所示： 表 YH2 型流量傳感器的技術(shù)參數(shù) 項(xiàng)目 參數(shù) 電源 /V DC， +5 輸出信號(hào) /脈沖當(dāng)量 /（ ml/脈沖） ＜ ， TTL 電平，正脈沖 最大流量 /（ l/h） 180 質(zhì)量 /kg 使用溫度 /℃ 0～ 40 應(yīng)用特點(diǎn) 有兩路脈沖信號(hào)輸出，需通過(guò)程序判斷正反轉(zhuǎn)，直接輸出數(shù)字信號(hào)，送入單片機(jī) 流量檢測(cè)數(shù)學(xué)模型的建立 根據(jù)檢測(cè)系統(tǒng)確定的容積式型號(hào)為 YH2 的流量傳感器，在測(cè)量范圍內(nèi)，傳感器輸出的脈沖頻率與體積流量成正比，這個(gè)比值即體積儀 表系數(shù)： 17 VNKQ fK ??? 或3600 （ ） 式中， f — 為流量信號(hào)頻率， Hz； Q — 為體積流量， L/h； N — 為脈沖數(shù)； V — 為體積總量， L。 把儀表系數(shù) K 預(yù)先置入單片機(jī)的存儲(chǔ)器 中，單片機(jī)根據(jù)所獲得的流量脈沖頻率f 與儀表系數(shù) K 之比即可求得管路中燃油的流量 Q 之值。因此，燃油流量檢測(cè)的數(shù)學(xué)模型可采用數(shù)學(xué)公式： K fQ 3600? （ ） 單片機(jī)的選擇 單片機(jī)的匹配原則 單片機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則： 單片機(jī)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)包括單片機(jī)系統(tǒng)的 擴(kuò)展部分設(shè)計(jì) (包括存儲(chǔ)器擴(kuò)展和接口擴(kuò)展 )和各功能模塊設(shè)計(jì) (測(cè)量功能模塊、信號(hào)控制功能模塊和人機(jī)對(duì)話模塊 )。為了使系統(tǒng)設(shè)計(jì)盡可能合理，依據(jù)以下原則 : （ 1）盡可能采用功能強(qiáng)的芯片，以簡(jiǎn)化電路； （ 2）要留有余地，考慮到以后的修改、擴(kuò)展的方便。包括 ROM 空間、 RAM 空間、I/O 端口以及 A/D 和 D/A 通道； （ 3）兼顧工藝設(shè)計(jì)，包括機(jī)體、面板、配線、接插件等。必須考慮安裝、調(diào)試、維修的方便。另外，抗干擾設(shè)施必須一并考慮。 單片機(jī)的選擇原則 當(dāng)今單片機(jī)品種繁多，產(chǎn)品性能各異。主要分集中指令集 (CISC)和精 簡(jiǎn)指令集(RISC)。采用 CISC 結(jié)構(gòu)的單片機(jī)數(shù)據(jù)線和指令線分時(shí)復(fù)用，它的指令豐富，功能較強(qiáng)，但取指令和取數(shù)據(jù)不能同時(shí)進(jìn)行，速度受限，價(jià)格也高。采用 RISC 結(jié)構(gòu)的單片機(jī)數(shù)據(jù)線和指令線分離，這種結(jié)構(gòu)的單片機(jī)取指令包含更多的處理信息，執(zhí)行效率更高，速度也更快。同時(shí)，這種單片機(jī)指令多為單字節(jié)，程序存儲(chǔ)器的空間利用率大大提高，有利于實(shí)現(xiàn)超小型化設(shè)計(jì)。 一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于控制方式較簡(jiǎn)單的家電，可以采用 RISC 型單片機(jī)；對(duì)于控制關(guān)系較復(fù)雜的場(chǎng)合，如通信產(chǎn)品，工業(yè)控制系統(tǒng)，應(yīng)采用 CISC 單片機(jī)。根據(jù)功能需要和性價(jià)比以及匹配 關(guān)系，在這里選擇 CISC 型的單片機(jī)，它主要包括 Intel 系列、 Motorola 18 系列、 Atmel 系列的 AT89 系列等等。 選擇單片機(jī)還應(yīng)注意以下幾方面： （ 1）了解單片機(jī)對(duì)控制系統(tǒng)的的適用性。單片機(jī)是否含有所需的 I/O 端口數(shù)目；是否含有所需的外圍端口部件； CPU 是否有適合的吞吐量；極限性能是否滿足要求； （ 2）了解單片機(jī)的可購(gòu)買性。單片機(jī)是否可以直接買到；是否有足夠的供應(yīng)量；是否維修方便；是否仍在生產(chǎn)中； （ 3）了解單片機(jī)的可開發(fā)性。編輯軟件；程序?qū)懭牍ぞ?；調(diào)試工具；技術(shù)支持；語(yǔ)言體系與成熟程度。 根據(jù)以 上原則對(duì)單 片機(jī)進(jìn)行選擇， 可選擇出較合適的單片機(jī)，從而保證系統(tǒng)的可靠性、最優(yōu)的性價(jià)比、最好的升級(jí)換代性。 MCS196 單片機(jī)的特點(diǎn) MCS196 系列單片機(jī)是 Intel 公司繼 8X9X 之后推出的 16 位嵌入式微控制器。它除了保留 8X9X 全部功能外，在功能部件和指令支持上又有很大改進(jìn)，性能上也有了顯著提高，使得它適用于更復(fù)雜的實(shí)時(shí)控制場(chǎng)合。 MCS196 單片機(jī)有多種型號(hào)，不同型號(hào)配置有不同的功能部件，且具有不同存儲(chǔ)器空間和尋址能力，可滿足不同場(chǎng)合的要求。 MCS196 系列單片機(jī)都有 1 個(gè)基于寄存器到寄存 器結(jié)構(gòu)的內(nèi)核。這種結(jié)構(gòu)消除了累加器的瓶頸現(xiàn)象，加快了數(shù)據(jù)傳輸。另有多種功能部件，在不同型號(hào)中進(jìn)行不同配置。這些功能部件除包括在 8X9X 中就有的 I/O 口、 10 位 A/D 轉(zhuǎn)換器、 PWM（脈寬調(diào)制器）、 SIO（全雙工串行 I/O 口）、中斷源、看門狗定時(shí)器、 16 位定時(shí) /計(jì)數(shù)器、 HSI/O（高速輸入 /輸出口）等以外，還包括在 MCS196 中出現(xiàn)的 PTS（外圍事務(wù)服務(wù)器）、 EPA（事件處理器陣列）、 WG（波形發(fā)生器）等。與其他系列（如 MCS51 系列、 PIC 系列等）相比， HSI/O、 PTS、 EPA、 WG 是 MCS196 最具特色的 功能部件。 HSI/O（ High Speed Inputs and Outputs）：其中 HSI 用于記錄某一外部事件相對(duì)于時(shí)間基準(zhǔn)（如定時(shí)器 1）的發(fā)生時(shí)刻。此功能部件在檢測(cè)到引腳上規(guī)定的跳變事件（包括正跳變、負(fù)跳變、每次正跳變、 8 個(gè)正跳變）后，將發(fā)生事件的類型與時(shí)刻記錄下來(lái)，并產(chǎn)生相關(guān)中斷。此部件適用于信號(hào)的時(shí)間參數(shù)測(cè)量。 HSO 則用于按程序規(guī)定的時(shí)間去觸發(fā)某一事件（如置位 /清零口線、啟動(dòng) A/D 轉(zhuǎn)換等），要求 CPU 的開銷極小，速度極高。此部件便于實(shí)時(shí)輸出控制，可用來(lái)產(chǎn)生多種信號(hào)波形。 EPA（ Event Processor Array）：實(shí)質(zhì)上是捕捉 /比較模塊。所謂“捕捉”就是捕獲產(chǎn)生于引腳上的跳變事件（有正跳變、負(fù)跳變、正負(fù)跳變等），記載這些輸入事件相對(duì)于時(shí)基定時(shí)器發(fā)生的時(shí)刻；“比較”則是和預(yù)先規(guī)定好的時(shí)間作比較，預(yù)定時(shí)間一到就去執(zhí)行某種輸出功能（比如輸出置為高、輸出置為低、輸出翻轉(zhuǎn)、啟動(dòng) A/D 轉(zhuǎn)換、 19 復(fù)位定時(shí)器等等）?？梢?， EPA 和 HSI/O 的功能類似，但 EPA 在 CPU 開銷上要求更少，性能更好一些。表 1給出在不同時(shí)鐘頻率下兩者分辨能力的比較。 PTS（ Peripheral Transaction Server）：實(shí)質(zhì)上是中斷服務(wù)機(jī)制的改進(jìn)。對(duì)正常的中斷服務(wù)， CPU 都要“親自”去執(zhí)行，而現(xiàn)在的 PTS 提供了一種類似 DMA 的操作。當(dāng)中斷發(fā)生后，由微代碼執(zhí)行 PTS 周期。該周期就像 DMA 周期那樣插入正常的指令流中，完成中斷服務(wù)，這樣 CPU 的開銷比一般的中斷響應(yīng)要少得多。 WG（ Waveform Generator）：可產(chǎn)生獨(dú)立的、具有相同頻率和工作方式的 3 對(duì) PWM波形。特別適合控制三相交流感應(yīng)電機(jī)、直流無(wú)刷電機(jī)和其他需要多個(gè) PWM 輸出的場(chǎng)合。 另外， MCS196 單片機(jī)總線控制器還具有可編程的等待狀態(tài)發(fā)生器，可方 便地與慢速外設(shè)接口。在運(yùn)行中可動(dòng)態(tài)選擇 8位或者 16 位的總線寬度，并能通過(guò) HOLD/HLDA協(xié)議方便地實(shí)現(xiàn)多處理器通信。 目前， MCS196 系列主要有 3 種：① HSI/O 系列，這類芯片具有高速輸入、輸出口；② EPA 系列，這類芯片內(nèi)部具有事件處理器陣列；③ Motor Control 系列，這類芯片適用于電機(jī)控制。要注意上述分類也不是絕對(duì)的，往往在同一個(gè)型號(hào)的部件中，可同時(shí)具有多種功能。 HSI/O 系列本系列主要芯片有 8XC196KB、 8XC196KC、 8XC196KD 8XC196KB 是 MCS196系列的第 1個(gè)成員，片內(nèi)具有 8KB 程序空間， 232個(gè)字節(jié)的寄存器 RAM。它采用高速輸入 /輸出口進(jìn)行事件處理。 HSI/O 最多有 4個(gè)高速輸入口， 6個(gè)高速輸出口。 2個(gè) 16位的定時(shí) /計(jì)數(shù)器均可用作時(shí)基發(fā)生器。其余的片內(nèi)資源有： 1路 PWM，1個(gè)全雙工串行通信口， 1個(gè)看門狗定時(shí)器， 1個(gè) 8通道 10位 A/D 轉(zhuǎn)換器。 48條輸入 /輸出口（與部件復(fù)用）。 8XC196KC 的性能比 8XC196KB 要更進(jìn)一步。它的片內(nèi)有 16KB 的程序空間， 488個(gè)字節(jié)的寄存器 RAM，最高工作頻率可達(dá) 20MHz。除了具有 8XC196KB 的全部特點(diǎn)外， 還具有如下特點(diǎn)：有 3路 PWM 發(fā)生器； A/D 轉(zhuǎn)換器具有 8位和 10位 2種方式；可對(duì)采樣率和轉(zhuǎn)換時(shí)間編程。在片內(nèi)還加入外圍事務(wù)處理服務(wù)器 PTS，可大大減輕 CPU 在中斷處理上的負(fù)擔(dān)。 8XC196KD 除具有 8XC196KC 所具有的全部特點(diǎn)以外，它的片內(nèi)還具有 32KB 的程序空間， 1000個(gè)字節(jié)的寄存器 RAM。由于片內(nèi)存儲(chǔ)空間的增大，所以，更適合于使用高級(jí)語(yǔ)言編程。這種芯片的最高頻率也可達(dá) 20MHz。 表 HIS/O 和 EPA 分辨能力的比較 部件名稱 時(shí)鐘頻率 /MHz 單位 16 20 25 50 20 HSI 1125 900 750 600 ns HSO 1000 800 600 400 ns EPA 250 200 160 80 ns 這里初選 MCS196系列中 HIS/O系列的 80C196KC的單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制芯片。 80C196KC 單片機(jī)具有 16KB 的程序空間， 488 個(gè)字節(jié)的寄存器 RAM，最高工作頻率可達(dá) 20MHz。有 3路 PWM 發(fā)生器 。A/D 轉(zhuǎn)換器具有 8 位和 10 位 2種方式 ?？蓪?duì)采樣率和轉(zhuǎn)換時(shí)間編程。在片內(nèi)還加入外圍事務(wù)處理服務(wù)器 PTS，可大大減輕 CPU 在中斷處理上的負(fù)擔(dān)。它采用高 速輸入 /輸出口進(jìn)行事件處理。 HSI/0 最多有 4個(gè)高速輸入口，6個(gè)高速輸出口。 2 個(gè) 16位的定時(shí) /計(jì)數(shù)器均可用作時(shí)間發(fā)生器。其余的片內(nèi)資源有 : 1個(gè)串行通信口， 1 個(gè)看門狗定時(shí)器。 擴(kuò)展芯片的選擇與匹配 微處理器通過(guò)數(shù)據(jù)總線、地址總線及控制總線與存儲(chǔ)器連接。 如下圖所示： 地址總線為地址信號(hào)，用來(lái)指明選中的存儲(chǔ)單元地址。 數(shù)據(jù)總線為數(shù)據(jù)信號(hào)，它是微處理器送往存儲(chǔ)器的信息或存儲(chǔ)器送往微處理器的信息。它包括指令和數(shù)據(jù)。 控制總線發(fā)出存儲(chǔ)器讀 寫信號(hào)，以便從 ROM、 RAM 中讀出指令或數(shù)據(jù)，或者向 RAM寫入數(shù)據(jù)。 在微機(jī)系統(tǒng)中，常用的靜態(tài) RAM 有 611 626 62256 等。在本實(shí)驗(yàn)中使用的是6264。 6264 為 8K╳ 8位的靜態(tài) RAM。 其邏輯圖如下： CPU 存儲(chǔ)器 地址總線 控制總線 數(shù)據(jù)總線 21 其中 A0～ 12為 13 根地址線， I/O0～ 7為 8 根數(shù)據(jù)線， CS1 、 CS2為兩個(gè)片選端， OE 為數(shù)據(jù)輸出選通端， WR為寫信號(hào)端。其工作方式見下表： 控制信號(hào) CS1 CS2 OE WR 數(shù)據(jù)線 讀 L H L H 輸出 寫 L H ╳ L 輸入 非選 H ╳ ╳ ╳ 高阻態(tài) 非選 ╳ L ╳ ╳ 高阻態(tài) 輸出禁止 L H H H 高阻態(tài) 6264 是一種采用 CMOS 工藝制成的 8K 8 位 28引腳的靜態(tài)讀寫存儲(chǔ)器，其讀寫訪問(wèn)時(shí)間根據(jù)不同型號(hào)從 20ns～ 200ns。數(shù)據(jù)輸入和輸出引腳共用，三態(tài)輸出；采用單一電源 +5V，其輸入輸出電平與 TTL 兼容，具有低功耗操作方式。當(dāng)未選通時(shí)，芯片處于低功耗狀態(tài)，這時(shí)可減少 80%以上的功耗，只有 2V 電源電壓，幾十微安電流就可保證數(shù)據(jù)不變，這個(gè)性能用于電池供電的數(shù)據(jù)斷電保護(hù)操作。工作溫度范圍： 0℃ ～ +70℃。基于以上原因，并考慮到其性價(jià)比，選擇 6264 作為靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。 其管腳排列如圖 所示 [19]。 6264 A0～ 12 VCC I/O0～ 7 WR OE CS2 GND CS1 22 圖 6264 管腳排列圖 I/O 口選擇 型號(hào)為 8255（改進(jìn)型為 8255A 及 8255A5），具有 24 條輸入 /輸出引腳、可編程的通用并行輸入 /輸出接口電路。它是一片使用單一 +5V 電源的 40 腳雙列直插式 大規(guī)模集成電 路 。 8255A 的通用性強(qiáng)，使用靈活，通過(guò)它 CPU 可直接與外設(shè)相連接。 8255A是 Intel公司采用 CHMOS工藝生產(chǎn)的一種高性能通用可編程輸入 /輸出并行接口芯片，可以方便地應(yīng)用在微處理器系統(tǒng)中 。 8255A 是 40引腳雙列直插式芯片，片內(nèi)有 A, B, C 3個(gè) 8位 I/O 端口，可提供 24條可編程的輸入 /輸出端口線 8255A 是一個(gè)有 40 引腳的塑封芯片，功能較強(qiáng)，廣泛的應(yīng)用在計(jì)算機(jī)電路中。 256字節(jié)的靜態(tài) RAM,存取時(shí)間為 400ns，它有三個(gè) 8 位口 A、 B 、 C，總共可以擴(kuò)展出 22條接線。它含一個(gè)可預(yù)置的計(jì)數(shù)器 ，計(jì)數(shù)范圍從 2～ 16383，可用于延時(shí)、計(jì)數(shù)或分頻。它內(nèi)部還有 256 字節(jié)的 RAM，可以補(bǔ)充 CPU 內(nèi)存的不足。單一 +5V 電源供電。為了能夠設(shè)置芯片的工作方式和了解芯片的狀態(tài)，內(nèi)部還有命令寄存器和狀態(tài)寄存器。基于以上的特點(diǎn)和性價(jià)比，初選芯片 8255A。圖 為 8255A 的引腳圖 [19]。 6264 11 12 13 14 15 16 17 18 10 9 8 7