【導(dǎo)讀】教學(xué)；□科研；□生產(chǎn)；□其他。習(xí)的一個(gè)重要內(nèi)容。89C51為核心，進(jìn)行16路模擬量信號(hào)的數(shù)據(jù)采集和超限報(bào)警處理。要求完成同步串行總線。12位精度的A/D轉(zhuǎn)換器MAX187；2020年12月—2020年1月項(xiàng)目審批、任務(wù)書下達(dá)、查閱資料、撰寫開題報(bào)告；2020年2月—2020年3月系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)；2020年4月—2020年5月模塊功能測(cè)試、系統(tǒng)集成、整機(jī)聯(lián)調(diào)；2020年5月中旬論文寫作、論文定稿、答辯準(zhǔn)備。它是對(duì)傳感器信號(hào)的測(cè)量與處理,以微型計(jì)算機(jī)等高技術(shù)為基礎(chǔ)而形成的一。因此，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)作為測(cè)控系統(tǒng)不。性高的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。這就使得以單片機(jī)為核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在許多領(lǐng)域得到了廣泛的。在國(guó)際上技術(shù)先進(jìn)的國(guó)家，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已成功的運(yùn)用到軍事、航空電子設(shè)備及宇。速A/D轉(zhuǎn)換器的出現(xiàn)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)生了重大變革。在SCLK的下降沿啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。定逐次逼近的各位并出現(xiàn)在DOUT端。斷使得變換時(shí)間超過120s,則要使用內(nèi)部時(shí)鐘方式。

　　

【正文】 處理器之間的通信，用于多個(gè)處理器和若干個(gè) SPI 接口外部設(shè)備之間的連接。在一些單片機(jī)和嵌入式處理器中配置了 SPI 接口，因此可直接 與各個(gè)廠家生產(chǎn)的多種標(biāo)準(zhǔn)外圍器件直接接口。 SPI 總線系統(tǒng)的組成 在大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合中，使用 1 個(gè) MCU 作為主機(jī)，控制數(shù)據(jù)向 1 個(gè)或多個(gè)從外部接口器件的傳送。 圖 31 是 SPI 總線系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)示意圖： 圖 31 SPI 總線系統(tǒng)連接圖 SPI 總線包括三條信號(hào)線： 時(shí)鐘線 SCK、數(shù)據(jù)線 MOSI 和 MISO。在圖中，它們都是同名端相連。外部接口器件有片選端 CS。單片 機(jī)通過 I/O 口線來分時(shí)選通外圍器件。系統(tǒng)里可以連接多個(gè)單片機(jī)，但是在有多個(gè) SPI 接口的單片機(jī)時(shí)，應(yīng)區(qū)別其主從地位，某一時(shí)刻只能一個(gè)主器件。 SPI 串行總線典型的工作時(shí)序如圖 32 所示。當(dāng) SPI 工作時(shí)，作為主機(jī)的單片機(jī)在啟動(dòng)一次傳送時(shí)要連續(xù)產(chǎn)生 8 個(gè)時(shí)鐘信號(hào) SCK，作為同步時(shí)鐘，控制串行數(shù)據(jù)的輸入或輸出。數(shù)據(jù)線上輸出數(shù)據(jù)的變化以及對(duì)輸入數(shù)據(jù)的采樣，都取決于時(shí)鐘 SCK 信號(hào)。但是，對(duì)于不同的芯片，有的是采用 SCK 的上升沿起作用，有的是北京交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 18 采用 SCK 的下降沿起作用，使用時(shí)應(yīng)加注意。數(shù)據(jù)傳輸?shù)母袷绞歉呶唬?MSB）在前，低 位 (LSB)在后。單片機(jī)在通過 SPI 總線接口工作時(shí)，輸出的數(shù)據(jù)逐位從輸出引腳（ MOSI）輸出（高位在前），同時(shí)從輸入引腳（ MISO）逐位接收（高位在前）數(shù)據(jù)。 圖 32 SPI 總線數(shù)據(jù)傳送時(shí)序 3. 3 89C51 和串行串行通信總線的實(shí)現(xiàn)方法 串行接口的基本通信方式 串行接口的有異步和同步兩種基本通信 方式 。 異步通信采用用異步傳送格式，數(shù)據(jù)發(fā)送和接收均將起始位和停止位作為開始和結(jié)束的標(biāo)志。在異步通信中，起始位占用一位（低電平），用來表示字符開始 。 其后為 7 或 8 位的數(shù)據(jù)編碼，第 8 位通常做為奇偶校驗(yàn)位。最后為停 止位（高電平）用來表示字符傳送結(jié)束。上述字符格式通常作為一個(gè)串行幀，如無奇偶校驗(yàn)位，即為常見的 幀格式 。 串行通信中，每秒傳送的數(shù)據(jù)位稱為波特率。如數(shù)據(jù)傳送的波特率為 1200 波特，采用 幀格式（ 10 位），則每秒傳送字節(jié)為 120 個(gè)，而字節(jié)中每一位傳送時(shí)間即為波特率的倒數(shù)： T=I/1200=。同樣，如數(shù)據(jù)傳送的波特率為 9600 波特，則字節(jié)中每一位傳送時(shí)間為 T=1/9600= ms。根據(jù)數(shù)據(jù)傳送的波特率即字節(jié)中每一位的傳送時(shí)間，我們便可用普通 I/O 口來模擬實(shí)現(xiàn)串行通信的時(shí)序。 89C51和 MAX187的連接 MAX187 是具有 SPI 總線接口的 E2PROM 芯片，是一個(gè)可以電改寫的只讀存儲(chǔ) 器。 如圖 33 所示， 89C51 利用 模擬 MCU 的 SPI 數(shù)據(jù)輸出端（ MOSI），連接到 MAX187 的 SPISI 數(shù)據(jù)輸入端；利用 模擬 SPI 的 SCK 時(shí)鐘信號(hào)輸出端，連北京交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 19 接到 MAX187 的 SPICK 時(shí)鐘輸入端；利用 模擬 SPI 的從機(jī)選擇端 CS，輸出片選信號(hào)，連接到 MAX187 的 CS 端；利用 模擬 SPI 的數(shù)據(jù)輸入端（ MISO），連接到 MAX187 的 SPISO 數(shù)據(jù)輸出 端。 圖 33 MAX187 與 AT89C51 的接口電路 傳感器將采集到的信號(hào)經(jīng)放大、濾波，通過 8 選 1 模擬開關(guān)輸給 A/ D 轉(zhuǎn)換器 MAX187，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)通過 DOUT 端輸入給單片機(jī)。這里我們采用軟件合成的方式模擬 SPI 接口將單片機(jī)與 MAX187連接，從而完成串行數(shù)據(jù)的 A/ D 轉(zhuǎn)換。 MAX187 的 SCLK、 CS、 DOUT 端直接與單片機(jī)的通用 I/ O 口相連，不需要任何接口變換。由于 MAX187 內(nèi)部有 參考電源，所以只需在 REF 引腳上接 F 電容，用參考電源提供工作電壓。為減少 來自電源的干擾，在 VDD 端 接10μ F 和 F 的濾波電容。 123 44 . 7 u F8 選 1 信 號(hào) 輸 入V D DA I NS H D NR E F1 0 u F 0 . 1 u FS C L KC SD O U TG N DM A X 1 8 787 65P 1 . 0P 1 . 1P 1 . 2G N DA T 8 9 C 5 1北京交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 20 4 模擬量輸入系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì) 單片機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 總體設(shè)計(jì)的方案如下： CPU： 89C51 單片機(jī)。 主頻： 。 數(shù)據(jù)采集： 16 通道模擬量輸入。 多路選擇器： 4067（ 16 選 1 模擬開關(guān)電路）。 A/D 轉(zhuǎn)換器： MAX187（ 12 位串行接口 A/D 轉(zhuǎn)換器）。 開關(guān)量輸出： 8 路開關(guān)量輸出，可作繼電器開關(guān)，或超限報(bào)警控制。 看門狗定時(shí)器： X5045（帶 EEPROM、上電復(fù)位、降壓管理的看門狗定時(shí)器電路）。 實(shí)時(shí)時(shí)鐘 RTC： DS1307（帶 64 字節(jié) RAM、串行實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路）。 串行通信接口： MAX485，提供 RS485 異步串行通信標(biāo)準(zhǔn)接口，和上位機(jī)通信。 并行 I/O 接口： 8255A 并行 I/O 接口電路。 顯示器： 6 位 LED 顯示器和 8 個(gè)發(fā)光二極管指示燈，由 8255A 驅(qū)動(dòng)，動(dòng)態(tài)掃描顯示。 鍵盤： 4 個(gè)按鍵，獨(dú)立連接的非編碼鍵盤。 電源： DC+5V、 DC+12V。 軟件：程序固化在 89C51 單片機(jī)中，采用匯編語言編程。 北京交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 21 基于 89C51 單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖 41 所示： 圖 41 89C51 單片機(jī) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)功能框圖 89C51 單片機(jī)的硬件電路設(shè)計(jì) 89C51 內(nèi)部有一個(gè)振蕩器和時(shí)鐘產(chǎn)生電路，完成時(shí)序信號(hào)的產(chǎn)生。當(dāng)采用內(nèi)部時(shí)鐘時(shí)， XTAL（ 19 引腳）和 XTAL2（ 18 引腳）用來連接外部的石英晶體和微調(diào)電容，從而構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器，產(chǎn)生原始的振蕩脈沖信號(hào)。采用外部時(shí)鐘時(shí)， XTAL1 輸入外部時(shí)鐘脈沖信號(hào)， XTAL2 懸空。 北京交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 22 圖 42 為采用內(nèi)部時(shí)鐘電路時(shí)，外部晶體和微調(diào)電容的連接圖， C C2取 30pF。 圖 42 89C51 采用片內(nèi)振蕩器的時(shí)鐘電路 在 89C51 單片機(jī)中，基本的時(shí)序定時(shí)單位有： ⑴ .振蕩周期：為單片機(jī)提供定時(shí)的振蕩源信號(hào)的周期。即晶體振蕩器頻率的倒數(shù) , 是最原始的信號(hào)周期。 ⑵ .狀態(tài)周期（時(shí)鐘周期）：是振蕩周期的兩倍。是振蕩脈沖經(jīng)內(nèi)部二分頻后提供的狀態(tài)信號(hào)。 ⑶ . 機(jī)器周期： CPU 完成一個(gè)基本的操作所需的時(shí)間。 89C51 一個(gè)機(jī)器周期由6 個(gè)狀態(tài)周期即 12 個(gè)振蕩周期組成。 ⑷ . 指令周期： CPU 從取出指令到執(zhí)行完所需要的時(shí)間。 89C51 的指令周期由 4 個(gè)機(jī)器周期組成。 89C51 單片機(jī)中使用了哈佛存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。在物理結(jié)構(gòu)上分為程序存儲(chǔ)器空間和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間。哈佛結(jié)構(gòu)把程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分開單獨(dú)編址。 ROM和 RAM安排在獨(dú)立的地址空間，地址可以重疊。有各自的訪問指令，不同的尋址方式，不同的控制信號(hào)。 89C51 中使用哈佛存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，地址空間分為三類： 片內(nèi)、外統(tǒng)一編址的 64KB 程序存儲(chǔ)器空間，用 16 位地址尋址，地址范圍為0000H— FFFFH。 片外 64KB 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間，用 16 位地址尋址，地址范圍為 0000H— FFFFH。 北京交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 23 片內(nèi) 256 字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間 ， 用 8 位地址尋址 。其 中低 128 字節(jié)為片內(nèi)RAM，地址為 00H— 7FH，高 128 字節(jié)內(nèi)有 21 個(gè)特殊功能寄存器 SFR，地址空間為 80H— FFH。如圖 43 所示為 89C51 的存儲(chǔ)器空間配置。 圖 43 89C51 的存儲(chǔ)器空間配置 單片機(jī)有三種工作方式：復(fù)位方式、程序執(zhí)行方式、節(jié)電工作方式。 單片機(jī)在啟動(dòng)時(shí)需要復(fù)位操作，使 CPU 及系統(tǒng)的各個(gè)部件都處于確定的初試狀態(tài)，并從初始狀態(tài)開始工作。復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作， 89C51單片機(jī)復(fù)位后，各部件的初始值是一定的。 RST 引腳 (9腳 )是復(fù)位信號(hào)輸入端，高電 平有效。并且維持兩個(gè)機(jī)器周期 (即 24個(gè)振蕩周期 )以上，單片機(jī)就進(jìn)入復(fù)位方式，系統(tǒng)進(jìn)入初始化狀態(tài)。上電自動(dòng)復(fù)位和按鍵手動(dòng)復(fù)位都是必需的，圖 44所示為常用的二者組合的電路。 北京交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 24 圖 44 89C51 復(fù)位電路 ⑴ .上電自動(dòng)復(fù)位 在單片機(jī)系統(tǒng)接通電源時(shí)，自動(dòng)產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)的電路。 ⑵ .按鍵手動(dòng)復(fù)位 系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時(shí)，必須通過按鍵，利用手動(dòng)方式進(jìn)行復(fù)位操作，使單片機(jī)重新啟動(dòng)。 程序執(zhí)行方式是單片機(jī)基本工作方式，可以分為連續(xù)執(zhí)行方式和單步執(zhí)行方式。連續(xù)執(zhí)行方式是單片機(jī)的正常工作方式，單步執(zhí)行方式是為程序調(diào)試而設(shè)定的一種工作方式。 89C51CHMOS 工藝 , 耗電少 , 還提供兩種節(jié)電工作方式：等待工作方式；掉電工作方式。 輸入系統(tǒng)的硬件電路的總體設(shè)計(jì) 在單片機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中， 89C51 由 P1 端的 、 、 、 連接到模擬開關(guān)電路 4067 的通道選擇端 A、 B、 C 和 D 上，由程序控制分時(shí)選通模擬量輸入信號(hào)。 A/D 轉(zhuǎn)換器 MAX187和微處理器之間通過同步串行通信接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。通過通用接口的信號(hào)線，利用軟件程序來實(shí)現(xiàn) MAX187和 89C51之間的通信。 89C51作為主設(shè)備，由 SCLK 信號(hào)，時(shí)鐘頻率最高位 。由 輸出 CS 信號(hào)并由 MAX187的 DOUT 端相連，輸入 A/D 轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)。模擬輸入和 A/D 轉(zhuǎn)換控制電路如圖 45所示。 北京交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 25 圖 45 模擬量輸入和 A/D 轉(zhuǎn)換控制電路 模擬量輸入是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的關(guān)鍵，采集的信號(hào)是 連續(xù)變化的物理量 。信號(hào)通過傳感器轉(zhuǎn)換成連續(xù)變化 的電信號(hào)。變換后的電信號(hào)有時(shí)須經(jīng)過放大 ，使信號(hào) 滿足 A/D 轉(zhuǎn)換器的輸入要求。 在本系統(tǒng)中，最多可以進(jìn)行 16 通道的模擬量輸入。這里，主要應(yīng)用了多路選擇器 4067 和 A/D 轉(zhuǎn)換器 MAX187。多路選擇 器 4067 是一個(gè) 16 選 1 模擬開關(guān)電路，通過它可以由軟件分時(shí)選通各個(gè)模擬通道的輸入。MAX187 是一個(gè) 12 位串行接口的 A/D 轉(zhuǎn)換器，它采用三線 SPI 總線和微處理器通信，接口簡(jiǎn)單，精度高，功耗低。 在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，經(jīng)過傳感器和放大器轉(zhuǎn)換和處理的模擬信號(hào)通過 4067 多路選擇，分時(shí)將其中一路信號(hào)傳送到 A/D 轉(zhuǎn)換器 MAX187 中，選擇通道的控制信號(hào)由 89C51 的 P1 端口輸出。 操作的過程簡(jiǎn)述如下： （ 1）選擇模擬輸入通道。由 輸出所通道編碼。 4067 打開該通道，將 0V— 范圍的模擬信號(hào)輸入 到 MAX187 的 AIN 輸入端。 （ 2）啟動(dòng) A/D 轉(zhuǎn)換。保持 SCLK()為低，將 CS()由高 變低。 （ 3）等待 A/D 轉(zhuǎn)換完成。檢查 DOUT 信號(hào)，當(dāng)讀出 DOUT（ ）為上升沿時(shí)表示完成。 （ 4）讀出轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)。保持 CS ()為低電平，連續(xù)由 SCLK 時(shí)鐘信號(hào)，最少 13個(gè)時(shí)鐘周期。在第一個(gè) SCLK 的下降沿時(shí)， DOUT()端產(chǎn)生數(shù)據(jù)的最高位。在每個(gè) SCLK 的下降沿， DOUT 分別輸出各位數(shù)據(jù)， 89C51通過 讀入到 CPU 中。 北京交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 26 （ 5）結(jié)束本次操作。在經(jīng)過 13個(gè) SCLK 的下降沿后，將 CS 信號(hào)變?yōu)楦唠娖剑Y(jié)束本次操作。 （ 6）繼續(xù)下一次轉(zhuǎn)換。在 CS 為高電平，結(jié)束上一次轉(zhuǎn)換后，經(jīng)過最少 500ns，可以重新將 CS 置為低電平，開始下一次轉(zhuǎn)換。 模擬開關(guān)電路 4067 的工作原理 4067相當(dāng)于一個(gè)單刀十六擲開關(guān)，具體接通哪一通道，由輸入地址碼 A、 B、C、 D來決定，是一個(gè)可以用數(shù)字信號(hào)控制的 16選 1的模擬開關(guān)，它的引腳封裝見圖25所示。 I/O0— I/O15為 16路模擬量輸入端，數(shù)字信號(hào)輸入端 D、 C、 B、 A用來選擇其中一路和公共輸出端 COM選通。禁止端 INH為高電平 時(shí)，全部開關(guān)都關(guān)斷。工作條件： 電源電壓范圍 …………3V ～ 15V 輸入電壓范圍 …………0V ～ VDD 工作溫度范圍 M類 ………… － 55℃～ 125℃ E 類 …………. － 40℃～ 85℃ 極限值： 電源電壓 …... － ～ 18V 輸入電壓 …… － ~VDD+ 輸入電流 …………….177。10mA 儲(chǔ)存溫度 ………… － 65℃～ 150℃ 引出端符號(hào)： A0～ A