【正文】 時(shí)，可以利用單片機(jī)的 2 個(gè) I/O 引腳來(lái)模擬實(shí)現(xiàn) I2C 總線接口，其中一個(gè) I/O 引腳用于模擬 SDA 信號(hào)線的時(shí)序，另一個(gè) I/O 引腳用于模擬 SCL 信號(hào)線的時(shí)序。本系統(tǒng)即采用 I/O 引腳來(lái)模擬 I2C 總線的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，W77E58 單片機(jī)的 和 引腳分別用來(lái)模擬 SCL 和 SDA信號(hào)線。（1）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊電路設(shè)計(jì)AT24C256 是 ATMEL 公司生產(chǎn)的 256kbit 串行電可擦除的可編程存儲(chǔ)器，它采用低功耗 CMOS 工藝制造；單一電源供電方式；8 引腳雙排直插式封裝，具有結(jié)構(gòu)緊湊、存儲(chǔ)容量大等特點(diǎn)，可以在 2 線總線上并接 4 片該 IC，特別適用于具有高容量數(shù)據(jù)儲(chǔ)存要求的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。中國(guó)石油大學(xué)（華東）碩士論文 第 4 章 終端設(shè)備監(jiān)控器硬件設(shè)計(jì)29AT24C256 與單片機(jī)的接口電路比較簡(jiǎn)單，W77E58 通過(guò)模擬的 SCL和 SDA 信號(hào)線直接與該 IC 的 SCL 和 SDA 端連接即可。需要注意的是SCL 和 SDA 引腳需接上拉電阻，如圖 48 所示。本系統(tǒng)中， AT24C256的 A0 和 A1 都接地，芯片地址為“10100000”。圖 48 AT24C256 與 W77E58 接口電路圖二．D/A 轉(zhuǎn)換模塊電路設(shè)計(jì)數(shù)模轉(zhuǎn)換(D/A)的主要應(yīng)用在于將單片機(jī)的數(shù)字化輸出轉(zhuǎn)化為實(shí)際的模擬量控制外接的器件。作為驅(qū)動(dòng)，或者是控制信號(hào)，對(duì)于單片機(jī)系統(tǒng)而言，相當(dāng)于是后續(xù)通道。MAX521 是第一個(gè)可供使用的帶有兩線串行接口的 8 組數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，包括 8 組 8 位電壓輸出的 DAC 變換器，允許多個(gè) DAC 和其他多種器件(例如兩線 EEPROM 等)共用相同的兩根總線，使連至微控制器的I/O 數(shù)最少，并使信號(hào)通路簡(jiǎn)化。其總線與通用微處理器和 I2C 串行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)兼容。MAX521 采用單一 5V 電源工作，適用于偏置和增益的數(shù)字調(diào)整。由于內(nèi)部采用了精密的緩沖放大器，8 個(gè)電壓輸出的擺幅可達(dá)滿電源值。MAX521 具有 5 個(gè)獨(dú)立的基準(zhǔn)電壓輸入引腳，其中DAC0～ DAC3 具有各自獨(dú)立的基準(zhǔn)電壓輸入腳 REF0～REF3，并允許每個(gè)輸出設(shè)定為不同的滿度值，而 DAC4～DAC7 共用一個(gè)基準(zhǔn)電壓源REF4。MAX521 具有 10 A 的關(guān)斷方式，并可把所有輸出設(shè)置為零的上?電復(fù)位。串行接口具有內(nèi)部軟件協(xié)議，使數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá) 400Kbit/s。其引腳如圖 49 所示 [25]。中國(guó)石油大學(xué)（華東）碩士論文 第 4 章 終端設(shè)備監(jiān)控器硬件設(shè)計(jì)30圖 49 MAX521 引腳圖REF0～REF3：DAC0～DAC3 的基準(zhǔn)電壓輸入。REF4：DAC4～DAC7 的基準(zhǔn)電壓輸入。OUT0～ OUT3：DAC0 ～DAC3 的電壓輸出。OUT4～OUT6 ：DAC的電壓輸出。DGND/AGND：數(shù)字地/模擬地。VDD：電源正極。SCL/SDA：串行時(shí)鐘/數(shù)據(jù)輸入端。AD0/AD1：地址輸入位，設(shè)置芯片的從機(jī)地址。MAX521 與單片機(jī)接口電路如圖 410 所示。SCL、 SDA 與AT24C256 共用 W77E58 的兩個(gè) I/O 口。系統(tǒng)利用 MAX875 基準(zhǔn)電壓源提供+5V 電壓接 REF0～REF4 ，這樣各路輸出的模擬電壓值均在 0～+5V之間。AD0 接地，AD1 接 VCC，以便與 AT24C256 芯片地址相區(qū)分。圖 410 MAX521 與單片機(jī)連接電路圖中國(guó)石油大學(xué)（華東）碩士論文 第 4 章 終端設(shè)備監(jiān)控器硬件設(shè)計(jì)31 A/D 轉(zhuǎn)換模塊電路設(shè)計(jì)使用 A/D(模數(shù)轉(zhuǎn)換)芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)采集是單片機(jī)的一個(gè)重要的應(yīng)用方面。利用 A/D 芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮 3 個(gè)方面的內(nèi)容，一是如何針對(duì)系統(tǒng)的需求選擇合適的 A/D 芯片；二是如何根據(jù)所選擇的 A/D 器件設(shè)計(jì)外圍電路與單片機(jī)的接口電路；三是編寫(xiě)控制 A/D 器件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的單片機(jī)程序。MAX197 芯片 [26]是美國(guó) Maxim 公司近年的新產(chǎn)品，是多量程(177。10V、177。5V、0～10V、0～ 5V)、8 通道、12 位快速 A/D 轉(zhuǎn)換器。采用逐次逼近工作方式，片內(nèi)含有高精度的參考電壓源和時(shí)鐘電路，使它可以在不需要任何外部電路和時(shí)鐘的情況下完成一切 A/D 轉(zhuǎn)換功能，應(yīng)用非常方便。MAX197 內(nèi)部自帶的輸入跟蹤 /采樣保持電路把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為 12 位數(shù)字量輸出，其并行輸出口很容易與單片機(jī)連接，僅需外接幾個(gè)電容即可。MAX197 芯片性能如下： (1)電源：?jiǎn)我?5V 電源供電。(2)分辨率：12 位分辨率，誤差177。1/2(LSB)。(3)通道：具有 8 路模擬量輸入通道。(4)量程：輸入量程可用軟件選定不同范圍：177。10V、177。5V、0～10V、0～5V。(5)轉(zhuǎn)換時(shí)間：為 6 S，采樣速率為 100kSPS。?(6)時(shí)鐘：可通過(guò)軟件選擇內(nèi)部或外部時(shí)鐘，便于單片機(jī)控制采樣基準(zhǔn)。(7)電壓基準(zhǔn)：可用軟件選擇使用內(nèi)部 電壓基準(zhǔn)或外部電壓基準(zhǔn)。(8)功耗：可通過(guò) SHDN 引腳和軟件選擇低功耗工作方式，對(duì)于獨(dú)立電源的測(cè)控系統(tǒng)而言尤為重要。由于 MAX197 具有上述優(yōu)良性能，因此很適于用來(lái)做信號(hào)采集芯片。本系統(tǒng)即選用 MAX197 芯片來(lái)采集模擬量數(shù)據(jù)(包括 05V 電壓信號(hào)和 420mA 電流信號(hào))。MAX197 的 DIP 封裝引腳如圖 411 所示 [27]。主要引腳功能說(shuō)明如下。中國(guó)石油大學(xué)（華東）碩士論文 第 4 章 終端設(shè)備監(jiān)控器硬件設(shè)計(jì)32CLK：時(shí)鐘輸入端。在外部時(shí)鐘模式下，可選用 TTL/CMOS 電平兼容的時(shí)鐘信號(hào)，在內(nèi)部時(shí)鐘模式下，可在此引腳與地之間連接一個(gè)電容來(lái)設(shè)置時(shí)鐘頻率；當(dāng)電容為 100pF 時(shí)，CLK 典型值為 。CS：片選信號(hào)，低電平有效。WR：當(dāng)片選信號(hào)有效時(shí)，在內(nèi)部采集模式下，WR的上升沿鎖存控制字并啟動(dòng)一次轉(zhuǎn)換。在外部采集模式下，WR的第一個(gè)上升沿啟動(dòng)一次采集，第二個(gè)上升結(jié)束采集并開(kāi)始一次轉(zhuǎn)換。RD：當(dāng)片選信號(hào)有效時(shí)，RD的下降沿將把轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)據(jù)放到數(shù)據(jù)總線上。HBEN：輸入腳，控制數(shù)據(jù)總線復(fù)用，以得到12位轉(zhuǎn)換結(jié)果。當(dāng)HBEN為高電平時(shí)，數(shù)據(jù)總線上輸出高4位數(shù)據(jù)；當(dāng) HBEN為低電平時(shí)，數(shù)據(jù)總線上為低8位數(shù)據(jù)。SHDN：掉電輸入腳。當(dāng)SHDN為低電平時(shí)，進(jìn)入掉電工作狀態(tài)。D7～D4：三態(tài)數(shù)據(jù)I/O口。D3/D11～D0/D8：三態(tài)數(shù)據(jù)I/O口。當(dāng)HBEN=0時(shí)，輸出為D3 ～D0的數(shù)據(jù)，當(dāng)HBEN=1時(shí)，輸出為 D11～D8的數(shù)據(jù)。INT：中斷輸出腳。當(dāng)轉(zhuǎn)換完畢，輸出數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒，INT變?yōu)榈碗娖健EFADJ：參考電壓源調(diào)整端。當(dāng)在REF 引腳上采用外部基準(zhǔn)電壓時(shí)，此引腳接VCC 。REF：參考電壓端。中國(guó)石油大學(xué)（華東）碩士論文 第 4 章 終端設(shè)備監(jiān)控器硬件設(shè)計(jì)33圖 411 MAX197 芯片引腳圖～～D7相連，既用于輸入MAX197的初始化控制字，也用于讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)據(jù)。用74LS138譯碼器產(chǎn)生的Y4腳用作MAX197片選信號(hào)，則MAX197的高位地址為 60H。置SHDN腳為高電平，選擇MAX197為軟件設(shè)置低功耗工作方式。系統(tǒng)采用外部基準(zhǔn)電壓，所以REFADJ接高電平，而REF 則接外部輸入?yún)⒖茧妷骸Ｏ到y(tǒng)利用MAX875基準(zhǔn)電壓源輸出的+5V基準(zhǔn)電壓作為MAX197芯片的外部基準(zhǔn)電壓。W77E58單片機(jī)的P0口經(jīng)74LS373鎖存器后產(chǎn)生的低位地址A0直接與HBEN腳相連，以控制讀取轉(zhuǎn)換后的高/低位數(shù)據(jù)。 MAX197的INT腳與W77E58 相連，以便查詢 A/D轉(zhuǎn)換是否完成。MAX197與W77E58的接口電路如圖412 所示。圖 412 MAX197 與 W77E58 的接口電路圖系統(tǒng)利用 MAX197 芯片的 CH0CH6 通道采集 7 路 05V 電壓信號(hào)，即圖 412 中的 VIN1VIN7。而 420mA 電流信號(hào)則經(jīng)過(guò) 8 選 1 模擬開(kāi)關(guān)CD4051 輪流選通，再經(jīng)靈敏電阻，放大器轉(zhuǎn)化為 05V 電壓信號(hào)后，進(jìn)入 MAX197 的 CH7 通道進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。這樣，終端設(shè)備監(jiān)控器最多可以采集 8 路電流信號(hào)和 7 路電壓信號(hào)。 開(kāi)關(guān)量輸入輸出模塊電路設(shè)計(jì)終端設(shè)備監(jiān)控器單片機(jī)通過(guò)一片 8255 芯片來(lái)擴(kuò)展并行口。編程使8255 的 A 口為輸入，用于采集 8 路開(kāi)關(guān)信號(hào)。B 口為輸出用于輸出 8 路開(kāi)關(guān)信號(hào)。為了增強(qiáng)系統(tǒng)抗干擾能力，開(kāi)關(guān)量輸入/ 輸出通道都采用了TLP521 芯片進(jìn)行光電隔離。開(kāi)關(guān)量輸入輸出電路如圖 413 所示。中國(guó)石油大學(xué)（華東）碩士論文 第 4 章 終端設(shè)備監(jiān)控器硬件設(shè)計(jì)34圖 413 開(kāi)關(guān)量輸入輸出接口電路 PTR2022 通訊模塊電路設(shè)計(jì)PTR2022是以歐洲 NORDIC公司推出的無(wú)線收發(fā)一體芯片 [28][29]，nRF401為核心，采用DDS+PLL頻率合成技術(shù)，內(nèi)部集成了高頻發(fā)射、高頻接收、FSK調(diào)制/解調(diào)、功率放大、頻道切換等功能。該芯片工作頻率穩(wěn)定性極好，靈敏度高，可達(dá)105dBm，低工作電壓 ()，功耗極小，待機(jī)狀態(tài)僅為8 A，具有2個(gè)頻道(、)，特別滿足?需要多信道工作的特殊場(chǎng)合。通信速率最高可達(dá)20kbit/s，也可工作在其他速率下(如4800bit/s、9600bit/s)?？芍苯舆B接MCU串口使用，也可以接計(jì)算機(jī)RS232接口，軟件編程非常方便。在空曠地帶，傳輸距離可達(dá)300m。其標(biāo)準(zhǔn)DIP引腳間距，更適合嵌入式設(shè)備。 PTR2022共有7個(gè)引腳[30]，如圖414所示。各引腳功能說(shuō)明如下：圖 414 PTR2022 模塊引腳圖VCC：正電源， ～。GND：電源地。CS：頻道選擇。CS=0，工作頻道 1，即 ；CS=1，工作頻道 2，即 。DO/ DI，數(shù)據(jù)輸出/輸入。PWR：節(jié)能控制。PWR=1 為正常工作狀態(tài)，PWR=0 為節(jié)電待機(jī)狀PTR2022VCCCSDODIGNDPWRTXEN中國(guó)石油大學(xué)（華東）碩士論文 第 4 章 終端設(shè)備監(jiān)控器硬件設(shè)計(jì)35態(tài)，此時(shí)的功耗約為 8 A。?TXEN：發(fā)射接收控制。 TXEN=1 時(shí)模塊為發(fā)射狀態(tài)，TXEN=0 時(shí)模塊為接收狀態(tài)。在本系統(tǒng)中，終端設(shè)備監(jiān)控器的 W77E58 單片機(jī)通過(guò)串口 0 連接PTR2022 無(wú)線數(shù)傳模塊，以實(shí)現(xiàn)其與現(xiàn)場(chǎng)主站單元的無(wú)線通信。W77E58與 PTR2022 連接如圖 415。圖 415 W77E58 與 PTR2022 模塊連接圖PTR2022 無(wú)線數(shù)傳模塊的 DI 和 DO 分別與 W77E58 串口 0 的TXD、 RXD 相連，為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力，串行數(shù)據(jù)傳輸通道都采取了光電隔離(圖中未畫(huà)出)。單片機(jī)的 與 PTR2022 的發(fā)射/ 接收控制端 TXEN 連接，以控制數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送。單片機(jī)上電初始化時(shí)，使 為低電平，從而使 PTR2022 在默認(rèn)狀態(tài)下處于接收狀態(tài)。PTR2022的頻道選擇端 CS 接地，選擇工作頻道 1，即 。PWR 接VCC，無(wú)線模塊始終處于正常工作狀態(tài)。 單片機(jī)系統(tǒng)硬件抗干擾設(shè)計(jì) [31] 硬件系統(tǒng)的抗干擾性設(shè)計(jì)是單片機(jī)系統(tǒng)可靠性的根本，它能把干擾消除在外圍，提高系統(tǒng)的輸出精度，保證系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠運(yùn)行，因此要針對(duì)干擾產(chǎn)生的基本要素在硬件設(shè)計(jì)時(shí)盡量采取措施，最大限度抑制干擾的產(chǎn)生。下面介紹幾種單片機(jī)系統(tǒng)用到的硬件抗干擾技術(shù)。(1)電源的抗干擾設(shè)計(jì)。許多單片機(jī)對(duì)電源噪聲很敏感，干擾通過(guò)設(shè)備的電源線傳入系統(tǒng)的內(nèi)部，對(duì)單片機(jī)產(chǎn)生影響。并且由于電源共用，中國(guó)石油大學(xué)（華東）碩士論文 第 4 章 終端設(shè)備監(jiān)控器硬件設(shè)計(jì)36各設(shè)備間通過(guò)電源也會(huì)產(chǎn)生相互干擾。電源要采用隔離變壓器接入電網(wǎng)，可以防止電網(wǎng)的干擾侵人微機(jī)系統(tǒng)；也可給單片機(jī)電源加電容濾波電路或穩(wěn)壓器，防止電源的過(guò)壓和欠壓，以減小電源噪聲對(duì)單片機(jī)的干擾。還可對(duì)要求較高的系統(tǒng)采用不間斷電源。(2)去耦電路。數(shù)字電路信號(hào)電平轉(zhuǎn)換過(guò)程中產(chǎn)生很大的沖擊電流，并在傳輸線和供用電源內(nèi)阻上產(chǎn)生較大的壓降，形成嚴(yán)重的干擾。為了抑制這種干擾，在電路中適當(dāng)配置去耦電容，即去耦電路。其作用一方面提供和吸收集成電路開(kāi)門(mén)瞬間的充放電能量，另一方面旁路濾掉集成電路的高頻噪聲。主要用在集成電路的電源端與地線端加接電容，電路布線的時(shí)候去耦電容盡量靠近集成電路的電源輸入端，對(duì)于微機(jī)控制系統(tǒng)，～ F，且一般應(yīng)選用高頻特性好的獨(dú)石電?容或瓷片電容作去耦電容。(3)隔離抗干擾技術(shù)。①物理隔離。一般是對(duì)單片機(jī)前端的輸入信號(hào)線而言的，在一些工業(yè)測(cè)量?jī)x表里一般分為2部分：一部分是傳感器，另一部分是顯示及控制部分。有時(shí)這2部分間距離較遠(yuǎn)，信號(hào)在傳輸過(guò)程中極易受到干擾。其中信號(hào)線要遠(yuǎn)離大功率導(dǎo)線，如果實(shí)在做不到遠(yuǎn)離，則要將信號(hào)線和功率線分別套入鋼管進(jìn)行屏蔽。②光電隔離。是由光電耦合器件來(lái)完成的，其輸入端配置發(fā)光源，輸出端配置受光器，因而輸入和輸出在電氣上是完全隔離的，由于光電耦合器不是將輸入側(cè)和輸出側(cè)的電信號(hào)進(jìn)行直接耦合，而是以光為媒介進(jìn)行間接耦合，具有較高的電氣隔離和抗干擾能力。③繼電器隔離。繼電器的線圈和觸點(diǎn)之間沒(méi)有電氣上的聯(lián)系，因此，可利用繼電器的線圈接受電氣信號(hào)，利用觸點(diǎn)發(fā)送和輸出信號(hào)