【正文】 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(jìn)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(jì)算機(jī)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(jī)的感覺 。 整機(jī)軟件的流程圖 如圖 41 所示 。本課題 實(shí)現(xiàn)的儀器功能比較多 ，如果采用單個文件來實(shí)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(shí)現(xiàn)。 ADμC812 的軟件既 可以采用匯編語言實(shí)現(xiàn)，又可以采用 C51 語言實(shí)現(xiàn)。第二是 42 在環(huán)境惡劣干擾嚴(yán)重情況下，軟件必須保證也能可靠運(yùn)行。 5. 可靠性。準(zhǔn)確性對整個系統(tǒng)具有重要意義。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(zhǔn)則，并根據(jù)這些準(zhǔn)則對軟件進(jìn)行測定；其二是軟件設(shè)計(jì)完成后，首先在模擬環(huán)境下運(yùn)行，經(jīng)過靜態(tài)分析和動態(tài)仿真運(yùn)行，證明準(zhǔn)確無誤后才可投入實(shí)際運(yùn)行。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。同時，采用模塊化程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，對于系統(tǒng)功能的擴(kuò)充和修改也提供了很大的方便 。這樣不但使得設(shè)計(jì)目標(biāo)明確、思路清晰，而且在檢錯、調(diào)試時也很方便。在軟件的設(shè)計(jì) 方法中，結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)是最好的一種方法，這種設(shè)計(jì)方法是由整體到局部，然后再由局部到細(xì)節(jié)，先考慮整個系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能，確定整體目標(biāo)，然后把這個目標(biāo)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(xì)分，逐個實(shí)現(xiàn)。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(bǔ)充。當(dāng)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(shí)現(xiàn)。若在實(shí)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。 (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(dāng)單片機(jī)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(yùn)行，在線下載功能不受此影響。每一個定時器 /計(jì)數(shù)器包含 2 個 8 位寄存器 THX 和 TLX(X＝ 0， 1 和2)。經(jīng)試驗(yàn)證明，在 PSEN 引腳損傷不嚴(yán)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(yán)重，則即使直接接地，器件仍然不能工作。值得強(qiáng)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。 40 圖 326 ADμC812 下載電路 在對 ADμC812 進(jìn)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(jìn)入在線調(diào)試和下載狀態(tài)。本系統(tǒng)采用方便、實(shí)用的串行下載進(jìn)行 編程。其電路原理如圖 325 所示。 ADμC812 電源電路如 圖 324 所示。 電源模塊 ADμC812 電源電路 ADμC812 的輸入電壓為 +5V。當(dāng) 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。 38 (3) 模擬輸入 與其他 ADC 芯片相比， ADμC812 的 ADC 模塊有一個缺點(diǎn)，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(fù)的模擬電壓，則會影響 ADμC812 正常工 作 ，若長時間輸入負(fù)電壓，將有可能損壞芯片。所有 3 個定時器 /計(jì)數(shù)器均可配置作為定時器或計(jì)數(shù)器，此功能和普通單片機(jī)相同。 (2) 資源占用問題 ADμC812 具有 3 個 16 位定時器 /計(jì)數(shù)器，即：定時器 0、定時器 1 和定時器 2。若靜電造成 PSEN 引腳損傷，則 1kΩ 電 阻不能將 PSEN 引腳拉低。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(shí)現(xiàn)的另一關(guān)鍵所在。下載電路如圖 323 所示。 單片機(jī)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(jī)內(nèi)部程序存儲器，一 37 種是通過標(biāo)準(zhǔn)的 UART 串 行接口進(jìn)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。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。 FPGA 與光柱的 接口 電路 設(shè)計(jì) 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。其電路原理如圖 321 所示。 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。 CS為片選信號輸入線，低電平有效。其顯示原理與動態(tài)掃描多位 LEDLCD 類似。 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]。 由 FPGA 實(shí)現(xiàn)光柱顯示驅(qū)動電路，其硬件驅(qū)動模型如圖 320 所示。 當(dāng) R 或 G 單 端加掃描信號時，只顯示紅色 LED 或綠色 LED，當(dāng)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。 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。 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 。 這種 驅(qū)動方式的優(yōu)點(diǎn)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 。 采用 可編程邏輯器件 來實(shí)現(xiàn) LED 三色光柱 顯示 的 數(shù)字驅(qū)動邏輯是比較好的解決方法 [13,14]，克服傳統(tǒng)驅(qū)動的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)起來簡單、方便 。 在數(shù)字電路中采用專用驅(qū)動芯片實(shí)現(xiàn)三色光柱顯示器的驅(qū)動是 比較困難 的 。 采 用 專用芯片 (LM391 IC9504 、 CS0100 等 )實(shí)現(xiàn)驅(qū)動 ， 該類驅(qū)動芯片的數(shù)據(jù)輸入一般為模擬信號，因此 非常 適合應(yīng)用于模擬電路中 ，而不適合 應(yīng)用于 數(shù)字電路 。 光柱顯示 及其驅(qū)動模塊 光柱顯示部分 是實(shí)現(xiàn)三色光柱顯示的 關(guān)鍵 ，本部分詳細(xì)介紹了 雙色 光柱驅(qū)動電路 的實(shí)現(xiàn)。 33 圖 318 RS485 通訊接口 RS485 為雙向、半雙工通訊口，通過單片機(jī)的 口控制 485 口的 接 收與發(fā) 送數(shù)據(jù) 。 由于 RS485 總線以上的特點(diǎn) ，所以 RS485 總線 通訊距離遠(yuǎn) ，傳輸速率高，其性能優(yōu)于其它 RS232 或RS422 串口總線 。平衡連線是無噪聲的，因?yàn)檫@兩根信號線都傳遞幾乎相同大小的反向電流，大多數(shù)噪聲電壓在這兩根導(dǎo)線上或多或少都同時出現(xiàn)，任何在一個導(dǎo)線上出現(xiàn)的噪聲電壓或從電纜外部 耦合 進(jìn)入導(dǎo)線的干擾都被在另一根導(dǎo)線上的噪聲電壓所抵消。 RS485 總線采用平衡電 路， 每個信號都有專用的導(dǎo)線對，其中一根導(dǎo)線上的電壓等于另一根導(dǎo)線上的電壓取反，或者取補(bǔ)。 RS485 接口可以有多個驅(qū)動器和接收器，利用高阻抗接收器，一個 RS485 最多 可以連接 256 個節(jié)點(diǎn)。 我們采用 標(biāo)準(zhǔn) 的工業(yè) 串行接口 進(jìn)行通訊 ，如 RS232C、 RS422A、 RS485 等。 外部通訊模塊 本儀器要求能 實(shí)現(xiàn) 計(jì)算機(jī) 的網(wǎng)絡(luò)化測量和管理 功能 ， 這就需要設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)的通訊接口。 此時 與 SPI 總線復(fù)用，為了 防止 器件 發(fā)生誤操作 ，通過 口 32 控制 WP 管腳，當(dāng) WP 為低電平時， 器件處于正常寫操作狀態(tài)，當(dāng) WP 為高電平是，器件的寫操作被禁止 ，防止器件被誤寫。 圖 317 存儲器電路 在電路中， 將地址線直接接地，該器件的 I2C 總線 讀指令 地址為 0xA1，總線 寫指令地址為 0xA0。 FM24C256 的 寫操作有兩種模式： Byte Write(單字節(jié) )、 Page Write(多字節(jié) )； 讀操作有三種模式： Current Address Read(單字節(jié) )、 Random Read(單字節(jié) )、 Sequential Read(多字節(jié) )。 尋址格式如 下 表所示： 器件類型地址 可編程地址 讀 /寫 響應(yīng)位 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 R=1/W=0 ACK 對于 RAM 及 E2PROM 是 器件類型 編碼為： 1010。 要實(shí)現(xiàn)該器件的讀寫 必須按照該器件的讀寫規(guī)范進(jìn)行讀寫。集體封裝、功能管腳和 AT24C256 一樣，容易被接受和運(yùn)用。 與 AT24C256 相比較 FM24C256 包含了 RAM 技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，同時擁有 ROM 技術(shù)的非易失性特點(diǎn)。 30 4. 開始數(shù)據(jù)傳輸 (START)后 ， 停止數(shù)據(jù)傳輸 (STOP)之前 ， SCL 高電平期間 ， SDA 上數(shù) 據(jù) 、 命令為有效 。 2. 在數(shù)據(jù)傳輸期間，時鐘 SCL 為高電平；數(shù)據(jù)線 SDA 數(shù)據(jù)保持不變。 SDA 和 SCL 都是雙向 I/O 口線，當(dāng)總線空閑時兩線均是高電平 。 I2C 總線是一種用于 IC 器件之間連接的二線制半雙工總線， 接口線 包括：串行數(shù)據(jù)線 SDA，串行時鐘線 SCL，利用兩根線實(shí)現(xiàn)總線上的器件之間的信息傳送，可連接多種功能器件。 外擴(kuò) 的存儲芯片 為 FM24C256 串行存儲器 ， 存儲空間為 8KB， 用于保存用戶測量的數(shù)據(jù) 。 外部存儲器 與外部數(shù)據(jù)存儲器的數(shù)據(jù)傳輸也具有并行傳送和串行傳送兩種方式。 通過 對 6 個 SFR 寄存器 操作來完成讀寫 640B 的存儲空間 數(shù)據(jù) ，這 6 個 SFR 為 EADRL、 EDATA1 ECON。 單片機(jī)內(nèi)部存儲器 ADμC812 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器的低 128 字節(jié)映象與 MCS51 相同，內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器的高 128 字節(jié)映 象為特殊功能寄存器區(qū)，給 CPU 和所有片內(nèi)外圍結(jié)構(gòu)提供接口。 29 存儲 模塊 存儲部分主要 用于存儲測量數(shù)據(jù)和保存當(dāng)前儀器的設(shè)置狀態(tài) ，對于測量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量比較大，需要外擴(kuò)存儲器來實(shí)現(xiàn) 。 本課題設(shè)計(jì)的鍵盤 輸入 電路 如圖 314 所示 。 3. 串鍵保護(hù) ， 串鍵是指同時 有一個以上的鍵按下，串鍵會引起單片機(jī)的錯誤響應(yīng) 。 2. 消抖動，當(dāng)按鍵開關(guān)的觸點(diǎn)閉合或者斷開到其穩(wěn)定，會產(chǎn)生一個短暫的抖動和彈跳。 圖 313 LCD 顯示電路 利用滑動變阻器可以調(diào)節(jié) LCD 顯示屏的 對比 度。 本設(shè)計(jì)采用串行方式實(shí)現(xiàn)控制， 其讀寫時序如 圖 312 所示。串行數(shù)據(jù)傳送特點(diǎn)是占用 I/O 口資源少，連線少，成本低，但速度慢，并行數(shù)據(jù)傳送與之相反?？赏瓿蓤D形顯示 ,也可以顯示 2 個 (1616 點(diǎn)陣 )漢字 .與外部 CPU 27 接口采用并行或串行方式控制。鍵盤輸入采用編碼鍵盤實(shí)現(xiàn) 。 人 機(jī)對話 模塊 人機(jī)對話模塊是儀器鍵盤和顯示硬件 的 實(shí)現(xiàn)部分。 RESET 端的按鍵可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的復(fù)位功能。ADμC812 外圍配置電路及管腳資源使用分配如圖 311 所示。 24 圖 39 ADμC812 的功能方框圖 ADμC812 的引腳排列如圖 310 所示。 ADμC812 可工作 在 –40℃ 85℃ 范圍，共 52 個管腳，采用 PQFP 封裝。 4. 電源：兼容 3V 和 5V 兩種電壓工作；正常、空閑和掉電工作模式。 2. 存儲器系統(tǒng)： 8KB 片內(nèi)閃速 /電擦除程序存儲器； 640B 片內(nèi)閃速 /電擦除數(shù)據(jù)存儲器；片內(nèi)充電泵 (不需要外部提供擦除 /寫入電壓 VPP)； 16MB 外部數(shù)據(jù)地址空間； 64KB 外部程序空間。器件包括在工業(yè)溫度范圍內(nèi)用的3V 和 5V 電壓工作兩種規(guī)格，它有 52 引腳、塑料四方形扁平封裝形式可供使用。 數(shù)據(jù) 處理 模塊 ADμC812 的單片機(jī)內(nèi)核是與 8051 兼容的、可編程 8 位 MCU。 圖中肖特基二極管是為了限制輸入引腳電壓，由于對 ADμC812 安全輸入 23 電壓范圍為 0VDD引腳電壓，特別是對負(fù)電源，極易損壞單片機(jī)。由于 電容是 2pF 的