【正文】 核和模數(shù)轉(zhuǎn)換器二者均有正常、空閑以及掉電工作模式，它提供了適合于低功率應(yīng)用的靈活的電源管理方案。 ADμC812 主要包括以下幾部分功能 [9,10]： 1. 模擬 I/O： 8 通道 12 位高精度 ADC，高速 200kSps；片內(nèi) 40 106/℃電壓基準(zhǔn)； 2 個(gè) 12 位電壓 DAC；一個(gè)片內(nèi)溫度傳感器 。 3. 與 8051 兼容的內(nèi)核：額定工作頻率 12MHz(最大 16MHz)； 3 個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)時(shí)器； 32 條可編程的 I/O 線；端口 3 高電流驅(qū)動(dòng)能力； 9 個(gè)中斷源， 2 個(gè)優(yōu)先級(jí)。 5. 片內(nèi)外設(shè)備： UART 串行接口 I/O；與 I2C 兼容的串行口和 SPI 串行總線；看門 狗定時(shí)器；電源監(jiān)視器。 ADμC812 的功能方框如圖 39 所示。 25 圖 310 ADμC812 的引腳排列 由于 ADμC812 上述的 優(yōu)越性能， 再加上 ADμC812 可通過(guò)串口進(jìn)行程序的下載，而無(wú)須專用的編程器，有利于 簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)、編程和調(diào)試， 在保證精度的條件下，采用最簡(jiǎn)單的硬件實(shí)現(xiàn) 系統(tǒng) ， 有利于提高 系統(tǒng)性能以及 縮小儀器的 體積， 該系統(tǒng) 是一種方便、快捷、 廉價(jià)的數(shù)字控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)模式 。 26 圖 311 ADμC812 引腳圖 XTAL1 、 XTAL2 引腳接晶振以為單片機(jī)提供時(shí)鐘。 本章以下部分將詳細(xì)介紹硬件系統(tǒng) 各部分 的實(shí)現(xiàn)。 用戶通過(guò)鍵盤完成儀器進(jìn)行的 功能設(shè)置，并通過(guò)顯示器 反饋儀器當(dāng)前 狀態(tài)和 顯示 被測(cè) 工件的測(cè)量值 。 LCD 顯示 12232F 是一種 內(nèi)置 8192 個(gè) 16*16 點(diǎn)漢字庫(kù)和 128 個(gè) 16*8 點(diǎn) ASCII 字符集 圖形點(diǎn)陣液晶顯示器 ,它主要由行驅(qū)動(dòng)器 / 列驅(qū)動(dòng)器及 12232 全點(diǎn)陣液晶顯示器組成。 目前數(shù)據(jù)傳送有串行數(shù)據(jù)與并行數(shù)據(jù)傳送兩種方式。 LCD 液晶顯示器顯示有兩種顯示方法，一種為靜態(tài)顯示，硬件開(kāi)銷大，引線多，功耗大，軟件開(kāi)銷?。涣硪环N為動(dòng)態(tài)顯示，硬件開(kāi)銷小，引線少，功耗小，但軟件復(fù)雜，占用 CPU 時(shí)間多。 圖 312 LCD 的串行接口讀寫時(shí)序圖 LCD 顯示 電路如圖 313 所示 。 28 鍵盤輸入 通常情況下，鍵盤接口要 解決 下面三個(gè)主要問(wèn)題 ： 1. 按鍵識(shí)別， 決定是否有鍵 按下，如有，則應(yīng)能夠識(shí)別出被按下的是哪一個(gè)按鍵。這是機(jī)械式開(kāi)關(guān)的一個(gè)共同性的問(wèn)題，抖動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)短與其機(jī)械特性有關(guān)。 以上問(wèn)題 將在軟件上進(jìn)行解決。 圖 314 鍵盤 輸入 電路 圖中 可實(shí)現(xiàn)的最大按鍵數(shù)量為 6 個(gè) 。 對(duì)于儀器 內(nèi)部 設(shè)置狀態(tài) 的存儲(chǔ) 采用單片機(jī)內(nèi)部 640B 的 閃速 /電擦除數(shù)據(jù) 存儲(chǔ)器 ，完全能滿足應(yīng)用要求。 閃速 /電擦除數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器陣列包括 640 字節(jié)，被配置為 160(00H9FH)頁(yè)，每頁(yè) 4 個(gè)字節(jié) 。其中 EADRL 為當(dāng)前頁(yè)地址寄存器，即進(jìn)行數(shù)據(jù)存取的頁(yè)地址； EDATAlEDATA4 是 4 個(gè)數(shù)據(jù)寄存器組，用于保存讀、 寫 當(dāng)前頁(yè) 的 4 字節(jié)數(shù)據(jù) ； ECON 是 對(duì)存儲(chǔ)器讀寫、擦除的命令 寄存器 ： 值為 01H 讀命令、 02H 寫命令、 04H 校驗(yàn)命令、 05H 擦除命令，以 上操作都是按頁(yè) 進(jìn)行 ， 06H 為全部擦除 ， 寫操作時(shí)間時(shí)間為 20ms。本設(shè)計(jì)采用串行傳送方式來(lái)簡(jiǎn)化硬件電路設(shè)計(jì)。 該芯片 數(shù)據(jù)傳輸 接口為 I2C 總線接口 。每種功能器件最多可接 8 片，每個(gè)器件可通過(guò)地 址編碼加以識(shí)別。 其總線協(xié)議 如下 ： 1. 僅當(dāng)總線不忙時(shí)， (SCL， SDA 均為高電平時(shí) )方能啟動(dòng)數(shù)據(jù)線 。 3. 在時(shí)鐘 SCL 為高電平時(shí)，數(shù)據(jù)線 SDA 從高變到低電平時(shí)，為數(shù)據(jù)傳輸起始條件 (START)；在時(shí)鐘 SCL 為高電平時(shí)，數(shù)據(jù)線 SDA 從低變到高電平時(shí)，為數(shù)據(jù)傳輸停止條件 (STOP)。 I2C 總線 時(shí)序 如圖 315 所示 S C LS D A1 2 3 8 9D 7 D 6 D 5 D 0 A C KD 1S T A R T S T O P 圖 315 I2C 總線時(shí)序圖 FM24C256 是一種 256KB 的鐵電存儲(chǔ)器 [11]，它和 AT24C256 容量等同，總線結(jié)構(gòu)兼容，但 FM24C256 的性能指標(biāo)遠(yuǎn)大于 AT24C256?？偟膩?lái)說(shuō)， FM24C256 的存儲(chǔ)指令和 AT24C256 兼容，只是在讀寫指令和應(yīng)答是不需要延時(shí)，提高了擦寫速率。 該器件 提供多種不同 的讀寫 操作模式，以適應(yīng)不同的應(yīng)用 。 在對(duì)該器件操作前，必須進(jìn)行尋址。 三位可編程地址 A A A0 是相同器件選擇地址 ， 最多可接 8 片相同器件 ， 通過(guò)編碼， 選取類型器件的某一片進(jìn)行操作 ； 最低位是讀 /寫控制位 ，R/W 位為高電平 時(shí)是讀操作 ， 為 低電平 時(shí)是 寫操作 ， 接下來(lái)發(fā)一個(gè)響應(yīng)位ACK。 其 操作格式如圖 316 所示 ： 31 圖 316 FM24C256 讀寫模式 存儲(chǔ)器 電路如圖 317 所示 。 FM24C256 的 SCL、 SDA 直接與單片機(jī) SCLK、SDATA 相連 。 由于 I2C 總線是 內(nèi)部集電極或漏極開(kāi)路形式 ，在 電路中 加入 1kΩ 上拉電阻是必須的。 ADμC812 片內(nèi)有一個(gè)全雙工的串行口，與 51 系列單片機(jī)串行口的功能完全相同， 其輸入輸出均為 TTL 電平，以此 接口直接進(jìn)行數(shù)據(jù) 傳輸，抗干擾性差，傳輸距離短，不適合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。綜合考慮 接口的可靠性、通訊速度與距離、通訊信道的抗干擾能力、帶負(fù)載能力等 因素 ，我們選用RS485 串行總線 作為 數(shù)據(jù)通訊 接口。 RS485 驅(qū)動(dòng)器和接收器價(jià)格便宜，而且只需要一個(gè)單一的 +5V 電源來(lái)產(chǎn)生差動(dòng)輸出。接收器對(duì)這些電壓之間的壓差作出反應(yīng)。一個(gè)平衡接收器只看到傳輸?shù)男盘?hào)，噪聲被清除或者極大的消弱。 而 且 RS485 總線 易于硬件實(shí)現(xiàn)，其硬件原理如圖 318 所示。為了實(shí)現(xiàn) ADμC812 的下載電路和 RS485 總線的復(fù)用，在單片機(jī) 口和 DE、 RE管腳接入電阻 R2 R28， 當(dāng) 通訊端口 與 ADμC812 下載線相連時(shí)，則 RS485 總線 被 隔離 。 目前對(duì) LED 光柱的驅(qū)動(dòng) 方法較多，各有優(yōu)缺點(diǎn)。 而且專用芯片 不能直接驅(qū)動(dòng)三色光柱 LED 光柱顯示器。 目前， 采用現(xiàn)有的數(shù)字芯片 來(lái) 驅(qū)動(dòng) 的 LED 光柱國(guó)內(nèi)也有 較多的 研究 [12]，如 采用 鍵盤顯示芯片 827 并行 I/O 擴(kuò)展芯片 8255 等 器件來(lái) 實(shí)現(xiàn)光柱的 顯示驅(qū)動(dòng)， 采用這些器件，需要大量的外圍電路來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)驅(qū)動(dòng) 電路 ，同時(shí)這些電路的 顯示 驅(qū)動(dòng)程序 實(shí)現(xiàn)起來(lái) 也比較復(fù)雜 ，完成一次動(dòng)態(tài)掃描顯示， 需要 占用大量 的 CPU 處理 時(shí)間 。 其基本思想就 34 是 FPGA 接 收 到 單片機(jī) 控制信號(hào)以 及 顯示數(shù)據(jù) 后 ， 根據(jù) VHDL 語(yǔ)言實(shí)現(xiàn) 的 驅(qū)動(dòng)邏輯 完成 顯示數(shù)據(jù)和控制信號(hào)的譯碼直接 驅(qū)動(dòng) LED 光柱 顯示器。 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 。 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。 S0S9 控制 組內(nèi)每個(gè) LED 的 亮與滅， 為 低電平有 效 ?；谶@個(gè)原理實(shí)現(xiàn)了光柱顯示器的變色顯示。 圖 320 驅(qū)動(dòng)光柱 模型管腳定義 35 圖中， 該器件的驅(qū)動(dòng)方式為動(dòng)態(tài)掃描方式， 與光柱顯示器的顯示模式一致。 R_Out 和 G_Out 分別 驅(qū)動(dòng) 光柱 紅色 和綠色LED 的 共陽(yáng)極 ， 為動(dòng)態(tài)掃描輸出端口 ； Seg_Out 驅(qū)動(dòng) LED 光柱 的 10 個(gè)數(shù) 據(jù)輸入端 (陰極 )。 CLK 輸入作為FPGA 的時(shí)鐘信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì) LED 光柱掃描以及器件內(nèi)部的同步。 WR為寫允許信號(hào)輸入線，低電平有效。 FPGA 存儲(chǔ)電路的設(shè)計(jì) 為實(shí)現(xiàn) FPGA 在斷電并重新啟動(dòng)后能繼續(xù)之前的工作，本設(shè)計(jì)采用EP2LC20 作為閃存設(shè)計(jì)了其存儲(chǔ)模塊。 圖 321 FPGA 的存儲(chǔ)電路 FPGA 在常規(guī)狀態(tài)下需將 程序下載入 EP2LC20 進(jìn)行執(zhí)行或即時(shí)存儲(chǔ)。 圖 322 LED 光柱 功率 驅(qū)動(dòng)電路 上圖為驅(qū)動(dòng)單個(gè) LED 光柱條的功率驅(qū)動(dòng)電路圖， G0， R0 分別為光柱綠燈和紅燈的共陽(yáng)極， S0S9 為光柱的各段控制端。 74HC07 用來(lái)提供 LED 光柱條的段電流。本系統(tǒng)采用方便、實(shí)用的串行下載進(jìn)行 編程。 圖 323 ADμC812 下載電路 在對(duì) ADμC812 進(jìn)行下載和調(diào)試時(shí) 發(fā)現(xiàn)的一些應(yīng)注意的問(wèn)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(guò)一個(gè)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)。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。經(jīng)試驗(yàn)證明，在 PSEN 引腳損傷不嚴(yán)重時(shí)，可通過(guò)把 PSEN 直接對(duì)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。每一個(gè)定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器包含 2 個(gè) 8 位寄存器 THX 和 TLX(X＝ 0， 1 和2)。 當(dāng)單片機(jī)處于在線調(diào)試時(shí)，定時(shí)器 1 被占用，用戶在程序中必須將定時(shí)器屏蔽才能正常運(yùn)行，在線下載功能不受此影響。 (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(méi)有輸出驅(qū)動(dòng)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。若在實(shí)際使用中，不須將 8 個(gè)通道 ADC 都用上， 將 P1 口用作數(shù)字輸入時(shí)，在檢測(cè)是否有輸入信號(hào)之前，須將 0 寫至對(duì)應(yīng)端口，然后再判斷。為使其能夠穩(wěn)定工作，本設(shè)計(jì)采用 MC7805三端穩(wěn)壓芯片來(lái)為提供穩(wěn)定的 +5V 直流電。 圖 324 ADμC812 電源電路 FPGA 電源電路 本設(shè)計(jì)采用 TPSD301 芯片設(shè)計(jì)了電路為 FPGA 提供 + 與 +3V 的 穩(wěn)定直流電源。 39 圖 325 FPGA 電源電路 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(chǔ)器 ，一種是通過(guò)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(guò) 專門的編程器 并行寫入，即并行編程。下載電路如圖 326 所示。由于ADμC812 的調(diào)試器是在用戶系統(tǒng)復(fù)位時(shí)檢測(cè) PSEN 引腳狀態(tài)的， 在系統(tǒng)復(fù)位時(shí) 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。若靜電造成 PSEN 引腳損傷，則 1kΩ 電阻不能將 PSEN 引腳拉低。 (2) 資源占用問(wèn)題 ADμC812 具有 3 個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器，即：定時(shí)器 0、定時(shí)器 1 和定時(shí)器 2。所有 3 個(gè)定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器均可配置作為定時(shí)器或計(jì)數(shù)器，此功能和普通單片機(jī)相同。 (3) 模擬輸入 與其他 ADC 芯片相比， ADμC812 的 ADC 模塊有一個(gè)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(huì)影響 ADμC812 正常工 作 ，若長(zhǎng)時(shí)間輸入負(fù)電壓，將有可能損壞芯片。當(dāng) P1 口用作模擬輸入時(shí)，它對(duì)應(yīng)于 ADμC812 內(nèi) 8 通道模數(shù)轉(zhuǎn)換的輸入端口 ADC0ADC7。 41 第 4章 軟件系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì) 原則 在單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)中，軟件的重要性與硬件 設(shè)計(jì) 同樣重要。為了滿足系統(tǒng)的要求，編制軟件時(shí)必須符合以下基本要求 [16]： 1. 易理解性、易維護(hù)性。由于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜 性 ，設(shè)計(jì)人員很難在短時(shí)間內(nèi)就對(duì)整個(gè)系統(tǒng)理解無(wú)誤，軟件的設(shè)計(jì)與調(diào)試不可能一次完成，有些問(wèn)題是在運(yùn)行 中逐步暴露出來(lái)，這就要求編制的軟 件容易理解和修改。本設(shè)計(jì)就是采用這種模塊化的設(shè)計(jì)方法。當(dāng)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，可以根據(jù)問(wèn)題的種類和現(xiàn)象來(lái)判斷是哪一部分出的問(wèn)題，很容易找出故障所在和故障原因。 2. 實(shí)時(shí)性是本系統(tǒng)的基本要求。 3. 可測(cè)試性。 4. 準(zhǔn)確性。系統(tǒng)要進(jìn)行大量運(yùn)算，算法的正確性和準(zhǔn)確性問(wèn)題對(duì)控制結(jié)果有直接影響 ?？煽啃允窍到y(tǒng)軟件最重要的指標(biāo)之一， 具有 兩方面的 含 義 ：第一是運(yùn)行參數(shù)環(huán)境發(fā) 生變化時(shí)，軟件都能可靠運(yùn)行并給出正確結(jié)果。 單片機(jī) 系統(tǒng) 軟件 的設(shè)計(jì) 單片機(jī)系統(tǒng)的軟件部分，是整個(gè)系統(tǒng)的核心，軟件設(shè)計(jì)的好壞直接關(guān)系到系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及功能的實(shí)現(xiàn)。 整機(jī)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。為了 實(shí)現(xiàn)程序的模塊化設(shè)計(jì)，采用多個(gè)文件來(lái)組織整個(gè)軟件。 圖 41 整機(jī)軟件流程圖 程序開(kāi)始執(zhí)行時(shí)，先初始化單片機(jī)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(shí)器、看門狗的設(shè)置等， 然后 載入測(cè)量數(shù)據(jù)存 43 儲(chǔ)器的儲(chǔ)存位置和該儀器測(cè)量的設(shè)置信息， 接下來(lái) 程序進(jìn)入等待鍵盤輸入和串口更新設(shè)置的循環(huán)中 。 通過(guò)定時(shí)器定時(shí) 采樣顯示 的