【正文】 L8253 接口電路及其工作原理：系統(tǒng)設(shè)計(jì)的 8253 接口電路如圖 44 所示。在該電路中， CCD 的像元脈沖信號(hào) SP 送入定時(shí)器 8253 的計(jì)數(shù)器 2 的時(shí)鐘信號(hào)端分頻， CCD 的行脈沖信號(hào) FC 送入定時(shí)器 8253 的計(jì)數(shù)器 2 的門控信號(hào)端，通過對(duì) 8253預(yù)設(shè)初值和設(shè)置工作方式 2,8253 的 OUT2 輸出 CCD 像元脈沖信號(hào)分頻的時(shí)鐘信號(hào)，將此信號(hào)接至 A/D 轉(zhuǎn)換器的啟動(dòng)轉(zhuǎn)換端口，作為 A/D 轉(zhuǎn)換的啟動(dòng)脈沖。 74LS138 的Y6 接 8253 的 CS 腳， 74LSS373 鎖存的地址 1Q、 2Q 連接到 8253 的 A1 和 A0。 圖 44 8253 接口電路 W R n 4 3 2 1 0 (3 )OU T P U TGA T E( R E S E T )OU T P U T( M OD E 2 ) C L O C Kn = 4 n = 30 ( 4 ) 3 2 1 2 1 00 ( 3 ) 3 2 1 0 ( 3 ) 2 1 0 ( 3 ) 2 1 0天津 職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2021 屆 本科生 畢業(yè) 設(shè)計(jì) 15 TCD1206SUP 有 4 檔驅(qū)動(dòng)頻率可供選擇，分別為 500KHz, 250KHz, 125KHz, 。為減少對(duì) CCD 輸出信號(hào)的掃描周期，并兼顧線陣 CCD 的工作特性，將驅(qū)動(dòng)頻率設(shè)為第三檔 125KHz,那么對(duì) 125KHz 的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行 5 分頻，就可以滿足A/D 轉(zhuǎn)換器的要求。 該控制電路工作原理：當(dāng) CCD 對(duì)條碼圖像第一次掃描時(shí)，在 FC 低電平期間，給 8253 寫入計(jì)數(shù)初值 2，此時(shí) OUT2 為高電平。當(dāng) FC 為高電平時(shí)， 8253 計(jì)數(shù)器對(duì)SP 信號(hào)開始計(jì)數(shù)，計(jì)完 1 個(gè) SP 脈沖， OUT2 輸出一個(gè)負(fù)脈沖，脈沖寬度為 1 個(gè) SP周期（ 8 s? ），同時(shí)，在 OUT2 輸出低脈沖的下降沿時(shí)刻，重新給 8253 寫計(jì)數(shù)初值 5，由 CPU 執(zhí)行寫計(jì)數(shù)初值的時(shí)間為 5 s? ＜ 8 s? ，因此 OUT2 在輸出的第 1 個(gè)負(fù)脈沖的上升沿， 8253 按新的計(jì)數(shù)初值開始計(jì)數(shù)， OUT2 輸出連續(xù)的負(fù)脈沖，每個(gè)脈沖的低電平的寬度為一個(gè)計(jì)數(shù)時(shí)鐘 SP 周期，輸出脈沖周期等于寫入計(jì) 數(shù)器的初值 5 乘以 SP周期（ 40 s? ）。第二次掃描圖像時(shí)，即 FC 信號(hào)進(jìn)入第二個(gè)周期，與第一次相同，在FC 低電平時(shí)刻，重新給 8253 寫入計(jì)數(shù)初值 3， 8253 計(jì) 2 個(gè) SP 脈沖輸出低電平，在輸出低電平的下降沿，再給 8253 寫初值 5，然后 OUT2 每隔 5 個(gè) SP 脈沖輸出 1 個(gè)低電平脈沖信號(hào)。與此類推，第 5 次按上述規(guī)律給 8253 賦初值， 8253 在 SP 信號(hào)的不同位置輸出低脈沖，來控制 A/D 轉(zhuǎn)換器的啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。 A/D轉(zhuǎn)換電路 隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展和計(jì)算機(jī)技 術(shù)在工程領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，目前單片集成型 A/D 轉(zhuǎn)換器正在被廣泛應(yīng)用。單片集成 A/D 轉(zhuǎn)換器體積小、成本低，在一塊芯片內(nèi)集成了多種高性能模擬和邏輯電路，在精度、速度及商業(yè)性等方面都獲得了優(yōu)異的綜合特性，其控制邏輯大多與微處理器兼容。 A/D 轉(zhuǎn)換器按照輸出數(shù)字量的有效位數(shù)分為 4 位、 6 位、 8 位、 10 位等；按照轉(zhuǎn)換速率可分為超高速（轉(zhuǎn)換時(shí)間）、高速、中速、低速等不同轉(zhuǎn)換速度的芯片。不同的應(yīng)用場(chǎng)合，對(duì) A/D 轉(zhuǎn)換器芯片的選擇也是不同的。 從精度、速度和價(jià)格上考慮，系統(tǒng)選擇模擬數(shù)字公司 (Analog Devices)生產(chǎn)的AD774。它是 12 位逐次逼近型 A/D 轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置雙極性電路構(gòu)成的混合集成轉(zhuǎn)換芯片，具有外接元件少，功耗低，精度高等特點(diǎn)，并且具有自動(dòng)校零和自動(dòng)極性轉(zhuǎn)換功能。它是目前我國市場(chǎng)應(yīng)用廣泛、價(jià)格適中的 A/D 轉(zhuǎn)換器 ,芯片為 28 引腳 DIP 封裝，主要性能為： 最大轉(zhuǎn)換時(shí)間 。 具有采樣 /保持電路。 內(nèi)部具有時(shí)鐘產(chǎn)生電路。 具有可控三態(tài)輸出緩沖器。 天津 職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2021 屆 本科生 畢業(yè) 設(shè)計(jì) 16 AD774 可以和大多數(shù)微處理器系統(tǒng) 接口 ，微處理器可以對(duì)每次轉(zhuǎn)換實(shí)行完全控制，也可使 A/D 按獨(dú)立方式工作。完全控制方式由選擇 8 或 12 位轉(zhuǎn)換周期、啟動(dòng)轉(zhuǎn)換、選定輸出數(shù)據(jù)格式和讀輸出數(shù)據(jù)幾個(gè)步驟完成。工作狀態(tài)由 CE、 CS 、 CR 、 812 、A0 五個(gè)控制輸入信號(hào)決定。 AD774 的獨(dú)立工作方式是指轉(zhuǎn)換器的控制只限于對(duì) CR信號(hào)的操作。在這種方式中， CS 和 A0 接數(shù)字地， CE 和 812 接 +5V，輸出數(shù)據(jù)以 12位 出現(xiàn)。 A/D 轉(zhuǎn)換由 CR 信號(hào)的下降沿來啟動(dòng)，轉(zhuǎn)換過程中， STS 信號(hào)為高電平。轉(zhuǎn)換完成后 CR =1， STS 的下降沿使三態(tài)數(shù)據(jù)輸出到緩沖。 與大多數(shù) A/D 轉(zhuǎn)換器一樣， AD774 有模擬地和數(shù)字地，以使靈敏的模擬信號(hào)和雜亂的數(shù)字信號(hào)分開。根據(jù) AD774 的參考電路和特性，設(shè)計(jì)的 A/D 轉(zhuǎn)換接口電路如圖 45 所示。 圖 45 A/D 轉(zhuǎn)換接口電路 由于 AD774 的輸入阻抗不高，在應(yīng)用時(shí)，最好采用輸入緩沖器連接。在電路中，采用高速精密單片運(yùn) 算放大器 AD711 作為 AD774 的輸入緩沖器。 CCD 輸出的視頻信號(hào)經(jīng)濾波后從連接 AD774 的 20V端的 AD711 正向輸入端輸入，啟動(dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào) CR由外部采樣控制電路輸出的脈沖序列信號(hào)控制。據(jù)前分析，這種情況 AD774 應(yīng)工作在獨(dú)立方式。因此 AD774 的其它四個(gè)輸入控制端口接線為： CS 和 A0 接數(shù)字地， CE和 812 接 +5V。輸出數(shù)據(jù)以 12 位出現(xiàn)，我們選用的 89S52 單片機(jī)只有 8 位數(shù)據(jù)總線，由于 采集圖像需要 256 級(jí)灰度圖像，取高 8 位數(shù)據(jù)就能滿足系統(tǒng)精度要求，此時(shí)我們只讀取高 8 位數(shù)據(jù)。在該電路中， A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，保證 CR =1，使轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出到緩沖器中，并已打開三態(tài)緩沖器，也就是數(shù)據(jù)已在數(shù)據(jù)總線上。為保證采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，將 AD774 的數(shù)據(jù)輸出通過 74LS245 雙向三態(tài)緩沖器接到單片機(jī)的數(shù)據(jù)總線上。 天津 職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2021 屆 本科生 畢業(yè) 設(shè)計(jì) 17 通過地址及 RD 控制 74LS245 芯片的選通和數(shù)據(jù)傳送方向。它的選通信號(hào)由 138譯碼器的輸出端引入的。系統(tǒng)選用 138 譯 碼器的 Y7 與 RD 的邏輯或作為 A/D 轉(zhuǎn)換器高 8 位字節(jié)數(shù)據(jù)接口選通控制信號(hào)。 RD 信號(hào)作為 74LS245 的數(shù)據(jù)傳送方向，即當(dāng) RD有效時(shí)，數(shù)據(jù)從 B 端流向 A 端。 A/D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)端 STS 接至 89S52 的 引腳，采用查詢方式讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，當(dāng) 為低電平時(shí)，通過控制 74LS245 的使能信號(hào)和數(shù)據(jù)讀出方向兩個(gè)端口，將轉(zhuǎn)換結(jié)果讀到指定存儲(chǔ)單元。 單片機(jī)外圍電路 近年來， 單片機(jī)系統(tǒng)以其體積小、功耗低、功能強(qiáng)、擴(kuò)展靈活、使用方便等特點(diǎn)逐漸滲透到各行各業(yè)的工程實(shí)際應(yīng)用中。單片機(jī)的全稱為微型計(jì)算機(jī)（ SingChip Microputer）或微型控制器（ Microcontroller）。由于它具有許多適用于控制的指令和硬件支持而廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、儀器儀表、外設(shè)控制、順序控制器中，所以又稱為微控制單元（ MCU）。它在一塊芯片上集成了中央處理單元 CPU、隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器 ROM、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器和多種輸入 /輸出（如并行 I/O、串行 I/O）和 A/D 轉(zhuǎn)換器等。就其組成而言一塊單片機(jī)就是一臺(tái)計(jì)算機(jī)。 AT89S52 是一種低功耗、高性能 CMOS8位微控制器，具有 8K 在線系統(tǒng)可編程Flash 存儲(chǔ)器。使用 Atmel公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè) 80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上 Flash允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的 8位 CPU和在系統(tǒng)可編程 Flash，使得 AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 AT89S52 具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k 字節(jié) Flash， 256 字 節(jié) RAM， 32 位 I/O 口線，看門狗定時(shí)器， 2 個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器，一個(gè) 6 向量 2 級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。另外， AT89S52 可降至 0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持 2 種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下， CPU 停止工作，允許 RAM、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下， RAM 內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。 在該系統(tǒng)中， 89S52 控制數(shù)據(jù)采集， 4K 字節(jié)的 EPROM 容量已能滿足系統(tǒng)要求。系統(tǒng)要完成數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)圖像數(shù)據(jù) ，而采集的圖像數(shù)據(jù)需要較大容量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，因此 89S52 芯片外部需擴(kuò)展一片 8ｋ 字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 6264。由于 89S52 芯片的低 8 位地址總線和數(shù)據(jù)總線共用 P0 口，因此用地址鎖存器 74LS373 控制地址總線和數(shù)據(jù)總線分時(shí)復(fù)用 P0 口。單片機(jī)外圍還需擴(kuò)展 A/D 轉(zhuǎn)換器和 8253 定時(shí)器以及還要預(yù)留一些地址空間以備擴(kuò)展使用， I/O 口地址都是統(tǒng)一譯碼編址，系統(tǒng)選 74LS138 三八譯碼器的輸出作為外圍擴(kuò)展芯片的片選地址信號(hào)。 天津 職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2021 屆 本科生 畢業(yè) 設(shè)計(jì) 18 圖 46 單片機(jī)外圍電路 系統(tǒng)硬件電路完成系 統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集，需將采集結(jié)果通過串口傳送給 PC 機(jī)，以便PC 機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。本系統(tǒng)硬件電路按 RS232C 設(shè)計(jì)，以充分利用現(xiàn)有資源。微機(jī)系統(tǒng)采用 RS232C 串行接口，以串行方式傳送信息，用于數(shù)據(jù)通訊設(shè)備（ DCE）和數(shù)據(jù)終端設(shè)備（ DTE）之間進(jìn)行串行數(shù)據(jù)傳輸。 由于 RS232C 采用的是負(fù)邏輯，單片機(jī)與 PC 機(jī)要互連，需要外接電路實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)選用 MAX232 芯片實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與 PC 機(jī)之間的數(shù)據(jù)通訊。具體的串行通信接口電路如圖 47 所示。 圖 47 MAX232 串行通信接口電路 74LS138P 0 . 0 P 0 . 7A LEP 2 . 5P 2 . 6 P 2 . 7AB CLED 0 D 7A 0 A 7A 8 A 12CSP 2 . 0 P 2 . 4D 0 D 7Q 0 Q 7Y 0Y 6Y 7626474 LS 37389 S 52CSCSAD774INTEL8253DB 96127485936534128711121413161591010 181。 F10 181。 F10 181。 F10 181。 FMAX 232V C 2 C 1 C 2 +C 1 +V +R 2 INT 2 OUTT 1 INR 1 OUTT 1 OUTR 1 INVCCGNDR 2 OUTT 2 INP 30 ( RXD )P 31 ( TXD )1011AT 89 S 5 20 . 1 181。 F+ 5 VGNDGNDGND天津 職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2021 屆 本科生 畢業(yè) 設(shè)計(jì) 19 5 數(shù)字水準(zhǔn)儀測(cè)量系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 由于系統(tǒng)采用的是普通 A/D 采集電路，采樣速度低，無法與正常工作的 CCD 信號(hào)速度同步，本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集程序模塊采用等間隔重復(fù)掃描的方式對(duì) CCD 圖像進(jìn)行采樣。采集結(jié)果通過串口傳送給 PC 機(jī)，以便對(duì)采集結(jié)果進(jìn)一步作數(shù)據(jù)處理和實(shí)現(xiàn)圖形顯示。程序流程圖如圖 51 所示。 圖 51 數(shù)據(jù)采集程序模塊流程圖 數(shù)據(jù)通訊程序模塊由單片機(jī)通訊程序和 PC 機(jī)通訊程序 2 個(gè)部分組成。單片機(jī)上電后，接收到聯(lián)絡(luò)信號(hào)，給 PC 機(jī)發(fā)應(yīng)答信 號(hào)并開始進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，同時(shí)將采集結(jié)果通過串口發(fā)送給 PC 機(jī)。 PC 機(jī)通信程序通過串口設(shè)置通訊參數(shù)，接收應(yīng)答信號(hào)，讀取采集結(jié)果。程序流程圖如圖 52 所示。 開始8253 初始化A / D 轉(zhuǎn)換完 ？單周期內(nèi)采樣點(diǎn)完 ？返回NNYY天津 職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2021 屆 本科生 畢業(yè) 設(shè)計(jì) 20 圖 52 單片機(jī)通訊程序流程圖 采集結(jié)果通?；祀s有噪聲信號(hào)，為提高測(cè)量精度，本系統(tǒng)采用均值濾波方法消除隨機(jī)誤差的影響，運(yùn)用中值濾波方法消除脈沖噪聲的影響，對(duì)采集圖像進(jìn)一步作平滑處理。 中值濾波算法的實(shí)現(xiàn)過程如下 : (1)建立一個(gè)長度為 2n+1的窗口，并用該窗口沿?cái)?shù)字信號(hào)序列逐位移動(dòng)。 (2)每次移動(dòng)后對(duì)窗口內(nèi)的數(shù)字信號(hào)序列進(jìn)行排序。 (3)用排序所得的中值替代窗口中心位置的原始序列值。 假設(shè)原始數(shù)據(jù)序