【導(dǎo)讀】量誤差較大、無法對測量數(shù)據(jù)直接進行計算機處理和智能化等缺陷。參數(shù)對產(chǎn)品的使用性能有著重要的影響。為實現(xiàn)這些參數(shù)的高效、高精度的測。本設(shè)計首先選定了自感式差動傳感器并為其設(shè)計了信號采集處理的電路，傳感器的定義及構(gòu)成....

　　

【正文】 動的缺點，實現(xiàn)起來簡單、方便 。 其基本思想就 34 是 FPGA 接 收 到 單片機 控制信號以 及 顯示數(shù)據(jù) 后 ， 根據(jù) VHDL 語言實現(xiàn) 的 驅(qū)動邏輯 完成 顯示數(shù)據(jù)和控制信號的譯碼直接 驅(qū)動 LED 光柱 顯示器。 這種 驅(qū)動方式的優(yōu)點是不需要復(fù)雜的外圍驅(qū)動電路 、 顯示驅(qū)動程序簡單、占用 CPU 處理時間少、驅(qū)動 邏輯 修改 、 升級方便 。 光柱顯示器的原理 光柱 顯示器 的結(jié)構(gòu) 原理如圖 319 所示 。 S 1S 2S 9S 8S 7S 6S 5S 4S 3S 0R 1G 1R 2G 2R 1 0G 1 0? ? 圖 319 三色 LED 光柱原理圖 發(fā)光二極管驅(qū)動方式為共陽極驅(qū)動 ，采用動態(tài)掃描方式完成整個顯示，減小顯示電路功耗 。 結(jié)構(gòu)圖中的光柱 顯示器 為 100 線， 其顯示精度為 1%， 共采用 10 組 相同的光柱條組和而成。 R1R10 為紅色 LED 組 的 共陽極 掃描端， G1G10 為綠色 LED 組 的 共陽極 掃描端，兩者 都 是高電平有效。 S0S9 控制 組內(nèi)每個 LED 的 亮與滅， 為 低電平有 效 。 當 R 或 G 單 端加掃描信號時，只顯示紅色 LED 或綠色 LED，當在 R 和 G 端同時加相同的掃描信號時，則 顯示紅色和綠色的混合色即黃色?；谶@個原理實現(xiàn)了光柱顯示器的變色顯示。 由 FPGA 實現(xiàn)光柱顯示驅(qū)動電路，其硬件驅(qū)動模型如圖 320 所示。 圖 320 驅(qū)動光柱 模型管腳定義 35 圖中， 該器件的驅(qū)動方式為動態(tài)掃描方式， 與光柱顯示器的顯示模式一致。 輸出管腳為 R_Out[0..9]， G_Out[0..9]， Seg_Out[0..9]；輸入管腳為 CS，WR， CLK， Addr， Data[0..7]。 R_Out 和 G_Out 分別 驅(qū)動 光柱 紅色 和綠色LED 的 共陽極 ， 為動態(tài)掃描輸出端口 ； Seg_Out 驅(qū)動 LED 光柱 的 10 個數(shù) 據(jù)輸入端 (陰極 )。其顯示原理與動態(tài)掃描多位 LEDLCD 類似。 CLK 輸入作為FPGA 的時鐘信號，實現(xiàn)對 LED 光柱掃描以及器件內(nèi)部的同步。 CS為片選信號輸入線，低電平有效。 WR為寫允許信號輸入線，低電平有效。 Data 為 8位 數(shù)據(jù) /控制信號輸入端， Addr 為地址信號輸入線，用于區(qū)分 Data 輸入端輸入的是顯示數(shù)據(jù)還是控制信號。 FPGA 存儲電路的設(shè)計 為實現(xiàn) FPGA 在斷電并重新啟動后能繼續(xù)之前的工作，本設(shè)計采用EP2LC20 作為閃存設(shè)計了其存儲模塊。其電路原理如圖 321 所示。 圖 321 FPGA 的存儲電路 FPGA 在常規(guī)狀態(tài)下需將 程序下載入 EP2LC20 進行執(zhí)行或即時存儲。 FPGA 與光柱的 接口 電路 設(shè)計 36 由于 LED 顯示管的數(shù)量比較多，整個顯示電路功耗比較大，如果采用FPGA 直接驅(qū)動， FPGA 將由于功耗過大而出現(xiàn)的工作不穩(wěn)定或燒毀的現(xiàn)象，因此 FPGA 與光柱顯示器的接口需要額外的功率驅(qū)動電路，如圖 322 所示。 圖 322 LED 光柱 功率 驅(qū)動電路 上圖為驅(qū)動單個 LED 光柱條的功率驅(qū)動電路圖， G0， R0 分別為光柱綠燈和紅燈的共陽極， S0S9 為光柱的各段控制端。在驅(qū)動電路中采用 NPN 三極管 8050 驅(qū)動 LED 光柱的共陽極， 8050 作為射極跟隨器，提供大電流驅(qū)動，電阻 R1， R3 用于調(diào)節(jié)三極管發(fā)射極的電流從而控制 LED 光柱顯示顏色的亮度和混合顏色的純度。 74HC07 用來提供 LED 光柱條的段電流。 單片機下載調(diào)試模塊 ADμc812 的用戶程序可以用兩種方式寫入到單片機內(nèi)部程序存儲器，一 37 種是通過標準的 UART 串 行接口進行串行下載寫入即在線編程模式；第二種方式和 E2PROM 的編程方式相同， 通過專門的編程器并行寫入，即并行編程。本系統(tǒng)采用方便、實用的串行下載進行 編程。下載電路如圖 323 所示。 圖 323 ADμC812 下載電路 在對 ADμC812 進行下載和調(diào)試時 發(fā)現(xiàn)的一些應(yīng)注意的問題及其解決辦法介紹如下 ： (1) PSEN 引腳 在具備 上述 RS232 接口電路之后，還需通過一個與地相連的 1kΩ 電阻將ADμC812 的 PSEN 引腳拉至低電平才能進入在線調(diào)試和下載狀態(tài)。由于ADμC812 的調(diào)試器是在用戶系統(tǒng)復(fù)位時檢測 PSEN 引腳狀態(tài)的， 在系統(tǒng)復(fù)位時 PSEN 引腳拉低是在線調(diào)試和下載功能實現(xiàn)的另一關(guān)鍵所在。值得強調(diào)的是， PSEN 引腳與地之間連上 1kΩ 電阻并不一定就能保證 PSEN 為低電平。若靜電造成 PSEN 引腳損傷，則 1kΩ 電 阻不能將 PSEN 引腳拉低。經(jīng)試驗證明，在 PSEN 引腳損傷不嚴重時，可通過把 PSEN 直接對地短路將其拉至低電平；但若損傷嚴重，則即使直接接地，器件仍然不能工作。 (2) 資源占用問題 ADμC812 具有 3 個 16 位定時器 /計數(shù)器，即：定時器 0、定時器 1 和定時器 2。每一個定時器 /計數(shù)器包含 2 個 8 位寄存器 THX 和 TLX(X＝ 0， 1 和2)。所有 3 個定時器 /計數(shù)器均可配置作為定時器或計數(shù)器，此功能和普通單片機相同。 當單片機處于在線調(diào)試時，定時器 1 被占用，用戶在程序中必須將定時器屏蔽才能正常運行，在線下載功能不受此影響。 38 (3) 模擬輸入 與其他 ADC 芯片相比， ADμC812 的 ADC 模塊有一個缺點，就是 ADC正常工作的模擬輸入范圍為 0～ VREF；而允許輸入的電壓范圍只能為正電壓(0～ +5V)，一旦輸入負的模擬電壓，則會影響 ADμC812 正常工 作 ，若長時間輸入負電壓，將有可能損壞芯片。 (4) P1 口 值得注意的是，在 ADμC812 中端口 0、 2 和 3 是雙向端口，而端口 1 是只輸入端口 ,P1 口的電路包括了位鎖存器和輸入緩沖器，但沒有輸出驅(qū)動器，因而 P1 口只能被配置為數(shù)字輸入或模擬輸入，不能用于輸出。當 P1 口用作模擬輸入時，它對應(yīng) 于 ADμC812 內(nèi) 8 通道模數(shù)轉(zhuǎn)換的輸入端口 ADC0ADC7。若在實際使用中，不須將 8 個通道 ADC 都用上， 將 P1 口用作數(shù)字輸入時，在檢測是否有輸入信號之前，須將 0 寫至對應(yīng)端口，然后再判斷。 電源模塊 ADμC812 電源電路 ADμC812 的輸入電壓為 +5V。為使其能夠穩(wěn)定工作，本設(shè)計采用 MC7805三端穩(wěn)壓芯片來為提供穩(wěn)定的 +5V 直流電。 ADμC812 電源電路如 圖 324 所示。 圖 324 ADμC812 電源電路 FPGA 電源電路 本設(shè)計采用 TPSD301 芯片設(shè)計了電路為 FPGA 提供 + 與 +3V 的 穩(wěn)定直流電源。其電路原理如圖 325 所示。 39 圖 325 FPGA 電源電路 單片機下載調(diào)試模塊 ADμc812 的用戶程序可以用兩種方式寫入 到 單片機 內(nèi)部程序存儲器 ，一種是通過標準的 UART 串 行接口進行串行下載寫入即在線編程模式；第二種方式和 E2PROM 的編程方式相同， 通過 專門的編程器 并行寫入，即并行編程。本系統(tǒng)采用方便、實用的串行下載進行 編程。下載電路如圖 326 所示。 40 圖 326 ADμC812 下載電路 在對 ADμC812 進行下載和調(diào)試時 發(fā)現(xiàn)的一些應(yīng)注意的問題及其解決辦法介紹如下 ： (1) PSEN 引腳 在具備 上述 RS232 接口電路之后，還需通過一個與地相連的 1kΩ 電阻將ADμC812 的 PSEN 引腳拉至低電平才能進入在線調(diào)試和下載狀態(tài)。由于ADμC812 的調(diào)試器是在用戶系統(tǒng)復(fù)位時檢測 PSEN 引腳狀態(tài)的， 在系統(tǒng)復(fù)位時 PSEN 引腳拉低是在線調(diào)試和下載功能實現(xiàn)的另一關(guān)鍵所在。值得強調(diào)的是， PSEN 引腳與地之間連上 1kΩ 電阻并不一定就能保證 PSEN 為低電平。若靜電造成 PSEN 引腳損傷，則 1kΩ 電阻不能將 PSEN 引腳拉低。經(jīng)試驗證明，在 PSEN 引腳損傷不嚴重時，可通過把 PSEN 直接對地短路將其拉至低電平；但若損 傷嚴重，則即使直接接地，器件仍然不能工作。 (2) 資源占用問題 ADμC812 具有 3 個 16 位定時器 /計數(shù)器，即：定時器 0、定時器 1 和定時器 2。每一個定時器 /計數(shù)器包含 2 個 8 位寄存器 THX 和 TLX(X＝ 0， 1 和2)。所有 3 個定時器 /計數(shù)器均可配置作為定時器或計數(shù)器，此功能和普通單片機相同。 當單片機處于在線調(diào)試時，定時器 1 被占用，用戶在程序中必須將定時器屏蔽才能正常運行，在線下載功能不受此影響。 (3) 模擬輸入 與其他 ADC 芯片相比， ADμC812 的 ADC 模塊有一個缺點，就是 ADC正常工作的模擬輸入范圍為 0～ VREF；而允許輸入的電壓范圍只能為正電壓(0～ +5V)，一旦輸入負的模擬電壓，則會影響 ADμC812 正常工 作 ，若長時間輸入負電壓，將有可能損壞芯片。 (4) P1 口 值得注意的是，在 ADμC812 中端口 0、 2 和 3 是雙向端口，而端口 1 是只輸入端口 ,P1 口的電路包括了位鎖存器和輸入緩沖器，但沒有輸出驅(qū)動器，因而 P1 口只能被配置為數(shù)字輸入或模擬輸入，不能用于輸出。當 P1 口用作模擬輸入時，它對應(yīng)于 ADμC812 內(nèi) 8 通道模數(shù)轉(zhuǎn)換的輸入端口 ADC0ADC7。若在實際使用中，不須將 8 個通道 ADC 都用上， 將 P1 口用 作數(shù)字輸入時，在檢測是否有輸入信號之前，須將 0 寫至對應(yīng)端口，然后再判斷。 41 第 4章 軟件系統(tǒng) 設(shè)計 軟件設(shè)計 原則 在單片機測控系統(tǒng)中，軟件的重要性與硬件 設(shè)計 同樣重要。當系統(tǒng)的硬件電路確定之后，系統(tǒng)的主要功能還要靠軟件來實現(xiàn)。為了滿足系統(tǒng)的要求，編制軟件時必須符合以下基本要求 [16]： 1. 易理解性、易維護性。指軟件系統(tǒng) 代碼 容易閱讀和理解，容易發(fā)現(xiàn)和糾正錯誤，容易修改和補充。由于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜 性 ，設(shè)計人員很難在短時間內(nèi)就對整個系統(tǒng)理解無誤，軟件的設(shè)計與調(diào)試不可能一次完成，有些問題是在運行 中逐步暴露出來，這就要求編制的軟 件容易理解和修改。在軟件的設(shè)計 方法中，結(jié)構(gòu)化設(shè)計是最好的一種方法，這種設(shè)計方法是由整體到局部，然后再由局部到細節(jié)，先考慮整個系統(tǒng)所要實現(xiàn)的功能，確定整體目標，然后把這個目標分成一個個的任務(wù)，任務(wù)中可以分成若干個子任務(wù)，這樣逐層細分，逐個實現(xiàn)。本設(shè)計就是采用這種模塊化的設(shè)計方法。這樣不但使得設(shè)計目標明確、思路清晰，而且在檢錯、調(diào)試時也很方便。當出現(xiàn)問題時，可以根據(jù)問題的種類和現(xiàn)象來判斷是哪一部分出的問題，很容易找出故障所在和故障原因。同時，采用模塊化程序結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，對于系統(tǒng)功能的擴充和修改也提供了很大的方便 。 2. 實時性是本系統(tǒng)的基本要求。即要求系統(tǒng)及時響應(yīng)外部事件的發(fā)生，并及時給出處理結(jié)果。 3. 可測試性。系統(tǒng)軟件的可測試性具有兩方面的含義：其一是指比較容易地制定出測試準則，并根據(jù)這些準則對軟件進行測定；其二是軟件設(shè)計完成后，首先在模擬環(huán)境下運行，經(jīng)過靜態(tài)分析和動態(tài)仿真運行，證明準確無誤后才可投入實際運行。 4. 準確性。準確性對整個系統(tǒng)具有重要意義。系統(tǒng)要進行大量運算，算法的正確性和準確性問題對控制結(jié)果有直接影響 。 5. 可靠性?？煽啃允窍到y(tǒng)軟件最重要的指標之一， 具有 兩方面的 含 義 ：第一是運行參數(shù)環(huán)境發(fā) 生變化時，軟件都能可靠運行并給出正確結(jié)果。第二是 42 在環(huán)境惡劣干擾嚴重情況下，軟件必須保證也能可靠運行。 單片機 系統(tǒng) 軟件 的設(shè)計 單片機系統(tǒng)的軟件部分，是整個系統(tǒng)的核心，軟件設(shè)計的好壞直接關(guān)系到系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及功能的實現(xiàn)。 ADμC812 的軟件既 可以采用匯編語言實現(xiàn)，又可以采用 C51 語言實現(xiàn)。 整機軟件由主程序，采樣 濾波 子程序、顯示子程序、光柱控制顯示程序、按鍵處理子程序、菜單結(jié)構(gòu)程序、數(shù)據(jù)讀寫子程序、數(shù)據(jù)通訊子程序等組成。本課題 實現(xiàn)的儀器功能比較多 ，如果采用單個文件來實現(xiàn)軟件，將導(dǎo)致程序的可讀性變差，而且對軟件的 修改和功能的加減也不容易實現(xiàn)。為了 實現(xiàn)程序的模塊化設(shè)計，采用多個文件來組織整個軟件。 整機軟件的流程圖 如圖 41 所示 。 圖 41 整機軟件流程圖 程序開始執(zhí)行時，先初始化單片機的資源外設(shè)，包括 A/D 工作模式、 I/O口配置、串口初始化、中斷、定時器、看門狗的設(shè)置等， 然后 載入測量數(shù)據(jù)存 43 儲器的儲存位置和該儀器測量的設(shè)置信息， 接下來 程序進入等待鍵盤輸入和串口更新設(shè)置的循環(huán)中 。 顯示數(shù)據(jù)部分的工作則是由定時器 2 來 定時采樣數(shù)據(jù) ， 再將測量數(shù)據(jù)送到 LED 光柱和 LCD 液晶顯示器 進行顯示 的，采用這種方法 可以使顯示數(shù)據(jù)的刷新 速度保持一致， 如果將采集顯示代碼也放于主程序循環(huán)中，則在 與計算機通訊或讀寫存儲器 時， 程序的 執(zhí)行時間 比較長 ， 將 導(dǎo)致數(shù)據(jù)顯示 刷新 速度變慢 ， 給用戶停頓或死機的感覺 。 通過定時器定時 采樣