【正文】 完全符合 USB 規(guī)范 （全速兼容） ， 在工作模式和休眠模都具有功耗低 的 特點(diǎn) ，是 嵌入式系統(tǒng) 手持設(shè)備的理想選擇。這些工作全部由器件自動完成，開發(fā)者無需考慮 固件 設(shè)計 。 PL2303 芯片介紹 PL2303是 Prolific公司生產(chǎn)的一種高度集成的 RS232USB接口轉(zhuǎn)換器 ， 可提供一個 RS232全雙工 異步串行通信 裝置與 USB 功能接口便利連接的解決方案。如果在數(shù)據(jù)傳輸過程中有奇數(shù)個數(shù)據(jù)位發(fā)生變化，那么這種校驗方法就會檢查到錯誤發(fā)生。 被傳輸?shù)囊唤M二進(jìn)制代碼 中 “1”的個數(shù) 是這種校驗的根據(jù)，故 采用 “ 1”的位數(shù)為 奇數(shù)的稱為奇校驗 ， 反之 則 稱為偶 校驗，例如，如果傳輸數(shù)據(jù)是 101，那么對于 偶校驗 ，為了確保邏輯高位的個數(shù)是偶數(shù)，校驗位應(yīng)設(shè)為“ 0”。這樣停止位也給計算機(jī)提供了矯正時鐘的機(jī)會。常用的值包括 1, 和 2。那么每個數(shù)據(jù)包使用 7 位數(shù)據(jù)，其中不包括停止位和奇偶校驗位。 數(shù)據(jù)位這個參數(shù)是用來衡量通信中的實(shí)際數(shù)據(jù)位的參數(shù)，當(dāng)計算機(jī)發(fā)送的信息是標(biāo)準(zhǔn)的ASCII 碼（ 0~127），那么數(shù)據(jù)位就是 7 位，如發(fā)送的是擴(kuò)展 ASCII 碼（ 0~255）數(shù)據(jù)位就為 8位。 波特率越大意味著數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑娇欤ㄌ芈逝c傳輸距離成反比關(guān)系。例如每秒鐘可以發(fā)送 150 個 bit 即表示為 150 波特。 這些參數(shù)的匹配 是 兩個的端口進(jìn)行 通信的必要條件。 字符 同 字符 之 間的是異步的，位 同 位之間 有所差別 但 大致上 是同步的。 異步串行 通信 （ Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）是指 通用異步接收 /發(fā)送。同步串行 通信 （ Serial Peripheral interface） 是指數(shù)據(jù)傳 輸 的單位是中國礦業(yè)大學(xué) 2020屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 20頁 以一組字符 計算。 根據(jù)傳送信息的工作方式不同，可將串行通信分為三種模式：單工、半雙工和全雙工。使用 3 根線 就可以 完成 整個通信過程 ：（ 1）發(fā)送 、（ 2）接收 、 （ 3）地線 。雖然傳輸速度比并行通信（按照字節(jié)傳輸） 慢 ，但是通信線路要求簡單（可以直接使用電話線作為傳輸線）， 使用一根線發(fā)送數(shù)據(jù)的同時 還可以 用 另外的 一根線 來 接收數(shù)據(jù)。 圖 晶振 電路連接示意圖 串 行 接口與串口通信 串行 接口 （ Serial Interface）也稱 串行通信 接口（通常指 COM 接口），是指采用串行通信方式的擴(kuò)展接口。 系統(tǒng)晶振電路和實(shí)時時鐘震蕩電路配 置在 CC2530 芯片外圍， 由于 系統(tǒng)晶體震蕩電路 （圖中 Y1 所屬電路） 屬于對稱電路，兩個引腳不過與區(qū)分，所以， 震蕩電路對應(yīng) 引腳 應(yīng)連接 為引腳 22（ XOCS_Q1）、引腳 23（ XOCS_Q2）。對于 RTC 電路，選擇 無源晶振。 中國礦業(yè)大學(xué) 2020屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 19頁 圖 RF 射頻天線 震蕩 電路用于向 CC2530 芯片和 RTC 電路提供工作時鐘。 在 發(fā)射 信號 時，天線 把 發(fā)送端 的 高頻 電 流轉(zhuǎn)換為電磁波 發(fā)射出去 ； 在 接收 信號 時， 天線 把電滋波轉(zhuǎn)換為高頻電流 輸入到電路中。 此 外 ， CC2530F256 結(jié)合了德州儀器的業(yè)界領(lǐng)先的黃金單元 ZigBee 協(xié)議棧 （ ZStack?），提供了一個強(qiáng)大和完整的 ZigBee 解決方案。運(yùn)行模式之間的轉(zhuǎn)換時間短 ， 進(jìn)一步確保了低能源消耗。 CC2530 內(nèi)部還具有 強(qiáng)大的 5 通道 DMA、 IEEE MAC 定時器 ，通用定時器（一個 16 位定時器，一個 8 位定時器、具有 8 路輸入 的 1 個 可配置分辨率的 12 位 ADC、 2 個支持多種 串行通信協(xié)議 的強(qiáng)大USART、 21 個通用 I/O 引腳 （ 19 4 mA， 2 20 mA） 。 系統(tǒng)內(nèi)置 可編程閃存， 8KB RAM 和許多其它強(qiáng)大的功能。 圖 CC2530 管腳圖 CC2530 內(nèi)設(shè)有一增強(qiáng)型 8051 單片機(jī) ， 使用標(biāo)準(zhǔn) 的 8051 指令集， 8051 內(nèi)核的對象代碼兼容業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的 8051 微控制器，他們 在功能上是等同的，但卻比標(biāo)準(zhǔn)的 8051 快的多，因為它的每個指令周期是一個時鐘，而標(biāo)準(zhǔn)的 8051 每個指令周期是 12 個時鐘 ， 由于因為一個指令周期 與可能的內(nèi)存存取是一致的，大多數(shù)單字節(jié)指令在一個時鐘周期內(nèi)執(zhí)行，這樣消除了總線狀態(tài)的浪費(fèi)。 CC2530 芯片 結(jié)合了領(lǐng)先的 RF 收發(fā)器的優(yōu)中國礦業(yè)大學(xué) 2020屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 18頁 良性能。 主控制器 CC2530 是德州儀器（ Texas Instruments，簡稱： TI）所開發(fā)的用于 、遵循 IEEE 、 ZigBee 標(biāo)準(zhǔn) 和 RF4CE 技術(shù) 的 片上系統(tǒng) （ SOC）解決方案。最后，由于結(jié)構(gòu)上的對稱性，輸入放大器的共模誤差，如果它們跟蹤，將被輸出級的減法器消除。在理論上表明，得到所要求的前端增益（由 RG 來決定），而不增加共模增益和誤差，即差分信號將按增益成比例增加，而共模誤差則不然，所以比率〔增益（差分輸入電壓） /（共模誤差電壓）〕將增大。因此，共模信號將以單位增益通過輸入緩沖器，而差分電壓將按 （ 1＋ （ 2 RF/RG）） 的增益系數(shù)被放大。然而須注意的是對加到放大器輸入端的共模電壓在 RG 兩端具有相同的 電位，從而不會在 RG 上產(chǎn)生電流。如果 R5＝ R6， R1＝ R3 和 R2＝ R4，則 VOUT=(VIN2－ VIN1)(1＋ 2R5/RG)(R2/R1)。因為輸入電壓經(jīng)過放大后（在 A1 和 A2 的輸出端）的差分電壓呈現(xiàn)在 R5， RG 和 R6 這三只電阻上，所以差分增益可以通過僅改變 RG 進(jìn)行調(diào)整。 其中 A1 和 A2 為兩個性能一致 (主要指輸入阻抗，共模抑制比和增益 )的同相輸入通用集成運(yùn)算放大器，構(gòu)成平衡對稱差動放大輸入級，A3 構(gòu)成雙端輸入單端輸出的輸出級，用來進(jìn)一步抑制 A1 和 A2 的共模信號，并適應(yīng)接地負(fù)載的需要。 三運(yùn)放 放 大電路 本次 設(shè)計的放大器采用了三運(yùn)放放大電路，因為它具有高共模抑制比的 特點(diǎn) 。為使電路簡單便于調(diào)試，本設(shè)計采用三運(yùn)算放大器 電路 ，因為 在具有較大共模電壓的條件下，儀表放大器能夠?qū)芪⑷醯牟罘蛛妷盒盘栠M(jìn)行放大，并且具有很高的輸入阻抗。 這樣 當(dāng)被測件受到壓力作用 形變 時，每個應(yīng)變片都受到外力和溫度共同 作用 引起的 形變，根據(jù)橋路基本特性 可消除 ,減少溫度的影響。 當(dāng)R R2 阻值 因溫度 的變化是相同 的，利用橋路特性 即 消除影響。 ⑴ 補(bǔ)償塊補(bǔ)償 法 中國礦業(yè)大學(xué) 2020屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 16頁 圖 如圖 所示， 在 被測基體 上粘貼應(yīng)變片 作為工作片，連接至 AB 橋臂上。 溫度補(bǔ)償 由于溫度的變化，壓力傳感器經(jīng)常會發(fā)生零點(diǎn)漂移，造成測量上的誤差，這時就需進(jìn)行溫度補(bǔ)償。 ② 全橋接線法 在測量電橋的四個橋臂上都接上應(yīng)變片。由于下半個橋接的固定電阻不感受應(yīng)變，由公式 可得應(yīng)變儀的讀數(shù)應(yīng)變?yōu)椋? （ 414） 實(shí)際測量時，可分為兩種情況 a 半橋測量：電橋的 AB、 BC 橋臂 連 接應(yīng)變片。但由于應(yīng)變片電阻值總有偏差，另外由于 接觸電阻，導(dǎo)線電阻等 的 存在，往往電橋不能平衡，因此需設(shè)置預(yù)調(diào)平衡電路 ，為此 在電橋中增加 電阻和 電位器 ，如圖 所示 。 則 此時 電橋的輸出電壓為： （ 411） 若將平衡條件 帶入上式，并考慮 ，略去高階微量，則電橋的輸出電壓為： （ 412） 若四個橋臂 都 為 電阻應(yīng)變片，且每個應(yīng)變片的 靈敏度 K 值 均相同，代入 公式 （ 46）。 （ 這 其中任意一個電阻 都可以由電阻 應(yīng)變片 擔(dān)任 ） ， AC 兩端 作為 直流電源 輸入端 ，用 UAC表示，從 ABC 半個橋看，流經(jīng) R1的電流 中國礦業(yè)大學(xué) 2020屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 14頁 （ 47） R1兩端壓降： （ 48） R3兩端壓降 ： （ 49） 電橋輸出電壓： （ 410） 由 上 式可知，當(dāng) 時， 電橋輸出電壓 ,此時 稱 該 電橋處于平衡狀態(tài) 。 若取 K= =106~103 則 ΔR=KR = ~ 顯然 ΔR 太小了 ， 這 非常 不便于測量，為了達(dá)到所需目的 ，首先 要 將 電阻 應(yīng)變片的電阻變化轉(zhuǎn)換成電壓（電流）信號 的變化 ， 之后 再將 該信 號放大 送入處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。 從前面的討論可知 ， 應(yīng)變片的作用是將構(gòu)件表面的 壓力 應(yīng)變轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮璧淖兓?它能把應(yīng)變片電阻值的微小變化轉(zhuǎn)化成輸出電壓的變化 。 圖 測量電橋電路 惠斯通電橋就是一種 非常常用的可以 精確測量電 阻變化的電路。 在實(shí)踐中， 一般 采取的方法 是把應(yīng)變片接入某 種 特殊 電路，讓其電阻值的變化控制 這個特殊電路的某些輸出（通常為電壓或電流） ，然后對這個電信號進(jìn)行相應(yīng)的處理 即可 。只要測出加在 電阻 的變化（通常是測量 電阻 兩端的電壓），即可獲得應(yīng)變金屬絲的應(yīng)變情況 。 假如金屬絲受外力作用而伸長時，其長度增加，而截面積減少， 電阻 值便會增大。這就是金屬材料的應(yīng)變電阻效應(yīng)。)為金屬絲材料的應(yīng)變靈敏系數(shù)。因此 ,有 ????? dLdLd ??? )21( (44) 試驗發(fā)現(xiàn) ,金屬材料電阻率的相對變化與其體的相對變化間的關(guān)系為 VdVcd ??? (45) 式中 ， c 為常數(shù) (由 特定 的材料和加工方式?jīng)Q定 )， ?? )21( ???? AdALdLVdV 將式 (45)代入 (44) ， 且當(dāng)Δ R=R 時 ， 可得 中國礦業(yè)大學(xué) 2020屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 13頁 ???? KcRR ?????? )]21()21[( (46) 式中， k=(1+2181。 如圖 所示，一段圓截面的 金屬絲 導(dǎo)線 ,設(shè)其長為 L,截面積為 A（直徑為 D） ,原始電阻為 R，金屬導(dǎo)體的 電阻 值可用下式表示 ： R=ρL∕ A (41) 式中： ρ——金屬導(dǎo)體的 電阻 率（ Ω而電阻太大，阻抗太高， 抵 抗外界的電磁干擾能力 就會隨之變 差。 圖 電阻應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu) 電阻應(yīng)變片的阻值可以 根據(jù)不同的用途來 設(shè)計，但 應(yīng)該控制電阻 阻值 的取值范圍 ： 如果引線 覆蓋層 基底 敏感器 中國礦業(yè)大學(xué) 2020屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 12頁 所取 電阻 阻值太小 ， 需要 的驅(qū)動電流 就 太大 ， 與此 同時應(yīng)變片的發(fā)熱 會導(dǎo)致 自 身的溫度過高 ?；?底 、覆蓋 層 起定位和保護(hù)電阻絲的作用 ； 并 保證 電阻絲和被測試件之間絕緣 。 電阻應(yīng)變片主要由 電阻絲敏感器、基底、覆蓋層、引出線 四部分 構(gòu)成 ， 如圖 所示 。金屬電阻應(yīng)變片又可分為絲狀應(yīng)變片和金屬箔狀應(yīng)變片 。 通過特殊的粘和劑將電阻應(yīng)變片緊密的粘合到彈性敏感元 件上后，就 可以 將元件上 機(jī)械 應(yīng)力 變化 轉(zhuǎn)換成與其相關(guān)的電阻值的變化，再設(shè)法將 這種電阻值的變化轉(zhuǎn)換成為容易處理的電壓或電流的變化，從而 完成對 被測件壓力大小 的測量。但同時也具有輸出 信號微弱，抗干擾能力較差的缺點(diǎn)，因此信號線有時需要采取屏蔽措施。其廣泛應(yīng)用于各種自控環(huán)境，涉及 智能建筑、生產(chǎn)自控、 水 利、交通、航天、軍工、石化、電力、船舶 、 管道等眾多行業(yè)。 軟件部分主要包括下位機(jī)和上位機(jī)兩部分，在硬件設(shè)備與電腦連接 后，通過 CC2530 仿真器把下位機(jī)采集壓力數(shù)據(jù)的程序燒進(jìn)芯片中；一部分是通過 Microsoft Visual Studio 2020 進(jìn)行開發(fā)編寫的串口通信數(shù)據(jù)處理程序。通過 三運(yùn)放放大電路對壓力信號進(jìn)行放大，再通過 CC2530 內(nèi)部的 AD 進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與轉(zhuǎn)換。處理器外部配有32MHz 和 兩個頻率的兩個的外部晶振，分別作為 系統(tǒng)晶振電路和實(shí)時時鐘震蕩電路 ；整個核心部分通過 DC 進(jìn)行供電。 還包括 一個編程接口，用來接入 JTAG 仿真器或者燒入程序。信號放大電路，主控制器及其外圍電路（如晶振電路、天線發(fā)送電路）、串口轉(zhuǎn) USB 電路以及電源供給電路。共 分為如下幾個部分。最后，在計算機(jī)端，通過軟件程序?qū)邮盏降臄?shù)據(jù)進(jìn)行處理。 如圖 所示，將整個系統(tǒng)分為如下模塊，首先通過設(shè)計壓力