毕业设计(论文)-双CPU数据采集系统.doc
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1、目 录第一章 绪言31.1 课题的背景和意义31.2 国内外研究概况和发展趋势41.3 本文的主要研究内容5第二章 双CPU数据采集系统的基本原理62.1 正弦交流信号发生与采样62.1.1 正弦交流信号的产生62.1.2 正弦交流信号采样122.2 数据采集132.2.1 ADC0809性能特点132.2.2 ADC0809应用电路原理图16第三章 双机通信原理173.1 双机通信基本方法173.1.1 并行通信方式173.1.2 串行通信方式173.2 串行通信接口标准203.2.1 RS-232握手方式213.3 串口通信电路23第四章 人机交互接口244.1 HD7279244.1.1
2、HD7279的主要特性244.1.2 HD7279引脚说明244.1.3 HD7279控制指令254.2 人机接口电路28第五章 系统软件设计295.1 主机程序295.1.1 主机主程序305.1.2 数据处理子程序315.1.3 HD7279显示子程序315.1.4 HD7279显示字型码325.2 从机程序33第六章 系统调试366.1 数据采集模块调试376.2 人机接口模块调试386.3 信号处理模块386.4 峰值保持模块396.5 总体调试39第七章 总结40参考文献41致谢42附录一 源程序43主机程序43从机程序51附录二 电路与原理总图55第一章 绪言1.1 课题的背景和意
3、义 近年来,数据采集及其应用受到了越来越广泛的关注,数据采集系统也有了较快的发展,它可以广泛的应用于各领域。 数据采集是指从传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自动采集信息的过程。 数据采集系统是结合基于计算机(或微处理器)的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系统。该数据采集系统是一种基于ADC0809模数转换芯片和单片机的设备,可以把ADC采集的电压信号转换为数字信号,经过微处理器的简单处理而交予数码管实现电压显示功能,并且通过与PC的连接可以实现计算机更加直观化显示。在计算机广泛应用的今天,数据采集的在多个领域有着十分重要的应用。它是计算机与外部物理世界连接的桥梁。利用串行
4、或红外通信方式,实现对移动数据采集器的应用软件升级,通过制订上位机(PC)与移动数据采集器的通信协议,实现两者之间阻塞式通信交互过程。在工业、工程、生产车间等部门,尤其是在对信息实时性能要求较高或者恶劣的数据采集环境中更突出其应用的必要性。例如:在工业生产和科学技术研究的各行业中,常常利用PC或工控机对各种数据进行采集。这其中有很多地方需要对各种数据进行采集,如液位、温度、压力、频率等。现在常用的采集方式是通过数据采集板卡,常用的有A/D卡以及422、485等总线板卡。卫星数据采集系统是利用航天遥测、遥控、遥监等技术,对航天器远地点进行各种监测,并根据需求进行自动采集,经过卫星传输到数据中心处
5、理后,送给用户使用的应用系统。尽管现在已微机为核心的可编程数据采集与处理采集技术的发展方向得到了迅速的发展,而且组成一个数据采集系统只需要一块数据采集卡,把它插在微机的扩展槽内并辅以应用软件,就能实现数据采集功能,但这并不会对基于单片机为核心的数据采集系统产生影响。相比于数据采集板卡的成本和功能的限制,单片机具有多功能、高效率、高性能、低电压、低功耗、低价格等优点。而双单片机具有精度高、转换速度快、能够对多点同时进行采集,因此能够开发出 满足实际应用要求的,电路结构简单的,可靠性高的数据采集系统。这就使得以单片机为核心的数据采集系统在许多领域得到了广泛的应用。54单片机因其集成度高,控制能力强
6、,稳定可靠的特点,在家用电器、工业自动化、智能仪表、航空航天、汽车电子等领域得到了广泛的应用。 常规的单片机应用系统的设计,往往都采用一个CPU,加一系列的周围辅助电路以达到相应的设计目的,这种方法在输入输出接口较多的系统当中,必须进行繁琐的编译码,逻辑变换,使得系统硬件复杂,调试困难。而采用双CPU设计,可以大大减少硬件电路,软件资源分配及设计均相对独立,易于修改程序而适合很多应用系统。1.2 国内外研究概况和发展趋势 数据采集系统是通过采集传感器输出的模拟信号并转换成数字信号进行分析处理、传输、存储和显示。它起始于二十世纪中期,在过去的几十年里,随着信息领域各种技术的发展,在数据采集方面的
7、技术也取得了极大的进步,采集数据信息化是目前社会发展的主流方向。各领域都用到了数据采集,在石油勘探、科学实验、地震等数据采集已经得到应用。 随着计算机的软件、硬件技术的发展,在控制系统中大量应用到了计算机新技术,工业自动化将成为一种发展趋势。过去的控制系统,由于受到软硬件的限制,人们首先考虑到的是实现的可行性。当今,硬件方面飞速发展,各种高精密度的温度控制器已经能够满足人们在大多数场合下的控制要求,如何更有效的管理和检测生产现场,如何更有效的利用技术资源、设备资源等成为了用户关注的焦点。 现代世界是一个高速自动化的世界,各种各样的设备已与计算机联机,同时还可以互联机,而最简单的自动化联机方式就
8、是使用串行通信。随着时代的进步,它以稳定性,简单可行和高效率逐渐被广泛应用。 在国内外诸多工业应用中许多极为复杂的控制系统中通常会采用双CPU配置,一个CPU负责数据采集,一个负责控制等工作,使得控制更为精密,系统误差极少。但随着集成电路的发展,CPU处理速度越来越惊人,周边外围电路集成化,使得一个CPU足以负责全部工作,所以在双CPU处理方面研究成果及进展较少。但是在一些有成本限制,但系统复杂的情况下双CPU系统还是有着极为显著地作用。双CPU数据采集系统能够以极低的成本到达极高的性能。1.3 本文的主要研究内容 本文阐述了双机通信的基本原理和高速数据采集的基本实现办法,分析了正弦交流信号产
9、生及采样处理办法。提出了使用双CPU解决单CPU因大量的数据输出和人机对话事件的发生,而直接影响数据采集系统的正常工作,造成部分数据的丢失。采用双CPU数据采集系统不仅实现了所需的高速数据采集而且结构简单成本低等优点。本文的主要研究内容有:(1) 介绍了双CPU数据采集系统基本类型,以及国内外对双CPU数据采集系统的研究现状,分析了高速数 据采集的基本原理。(2) 设计了以ICL8083芯片为基础的波形发生电路,以及周边信号处理电路包括数据采集电路,信号处理电路,峰值保持电路。(3) 对双CPU数据采集控制软件的研究和设计。系统原理框图如下: 图1-1 系统框图 第2章 双CPU数据采集系统的
10、基本原理2.1 正弦交流信号发生与采样2.1.1 正弦交流信号的产生(1) RC振荡电路RC振荡是最为常见的正弦波发生电路,由RC选频网络构成的电路,它适用于低频振荡,一般用于产生1Hz1MHz的低频信号。而常用LC振荡电路产生的正弦波频率较高,若要产生频率较低的正弦振荡,势必要求振荡回路要有较大的电感和电容,这样不但元件体积大、笨重、安装不便,而且制造困难、成本高。因此,200kHz以下的正弦振荡电路,一般采用振荡频率较低的RC振荡电路。本课题要求产生的正弦波频率范围20HZ2KHZ,所以应当采用RC振荡电路。常用的RC振荡电路有相移式和桥式两种。1 RC移相式振荡器,具有电路简单,经济方便
11、等优点,但选频作用较差,振幅不够稳定,频率调节不便,因此一般用于频率固定、稳定性要求不高的场合。其振荡频率是 fo=1/26RC 。2 RC桥式振荡器 将RC串并联选频网络和放大器结合起来即可构成RC振荡电路,放大器件可采用集成运算放大器。 图 2-1 RC振荡电路 如图所示,RC串并联选频网络接在运算放大器的输出端和同相输入端之间,构成正反馈,Rf、R接在运算放大器的输出端和反相输入端之间,构成负反馈。正反馈电路和负反馈电路构成一文氏电桥电路,运算放大器的输入端和输出端分别跨接在电桥的对角线上,所以,把这种振荡电路称为RC桥式振荡电路。 振荡信号由同相端输入,故构成同相放大器,输出电压Uo与
12、输入电压Ui同相,其闭环电压放大倍数等于Au=Uo/Ui=1+(Rf/R1)。而RC串并联选频网络在=o=1/RC时,Fu=1/3,f=0,所以,只要|Au|=1+(Rf/R1)3,即Rf2R1,振荡电路就能满足自激振荡的振幅和相位起振条件,产生自激振荡,振荡频率fo等于 fo=1/2RC 采用双联可调电位器或双联可调电容器即可方便地调节振荡频率。在常用的RC振荡电路中,一般采用切换高稳定度的电容来进行频段的转换(频率粗调),再采用双联可变电位器进行频率的细调。 RC移相式振荡电路具有结构简单、经济等优点。但是其选频作用较差,频率调节不方便,输出幅度不够稳定,输出波形较差。一般用于振荡频率固定
13、且稳定性要求不高的场合,其频率范围为几赫到几十千赫。所以本课题不采用RC振荡电路作为正弦波信号产生。(2) 单片集成函数信号发生器ICL8038 ICL8038的波形发生器是一个用最少的外部元件就能生产高精度正弦,方形,三角, 锯齿波和脉冲波形彻底单片集成电路. 频率(或重复频率) 的选定从0.001hz到300khz可以选用电阻器或电容器来调节, 调频及扫描可以由同一个外部电压完成. ICL8038精密函数发生器是采用肖特基势垒二极管等先进工艺制成的单片集成电路芯片,输出由温度和电源变化范围广而决定. 这个芯片和锁相回路作用, 具有在发生温度变化时产生低的频率漂移,最大不超过250ppm。1
14、 ICL8038的性能特点a. 具有在发生温度变化时产生低的频率漂移,最大不超过50ppm;b. 正弦波输出具有低于1的失真度;c. 三角波输出具有01高线性度;d. 具有0001Hz1MHz的频率输出范围;工作变化周期宽;298之间任意可调;高的电平输出范围;e. 从TTL电平至28V;f. 具有正弦波、三角波和方波等多种函数信号输出;图2-2 ICL8038实物图g. 易于使用,只需要很少的外部条件。2. ICL8038的封装引脚图 图2-2为ICL8038实物图。脚1、12 (Sine Wave Adjust):正弦波失真度调节;脚2(Sine Wave Out):正弦波输出;脚3(Tr
15、iangle Out):三角波输出;脚4、5(Duty Cycle Frequency):方波的占空比调节、正弦波和三角波的对称调节; 脚6(V):正电源10V18V; 脚7(FMBias):内部频率调节偏置电压输; 脚8(FM Sweep):外部扫描频率电压输入; 脚9(SquareWaveOut):方波输出,为开路结构; 脚10(TimingCapacitor):外接振荡电容; 脚11(V orGND):负电原或地; 脚13、14(NC):空脚。如图2-3所示。 图2-3 ICL8038管脚图 3.ICL8038的工作原理 ICL8038 是单片集成函数信号发生器,其内部框图如图2.1.4
16、所示。它由恒流源I1和 I2、电压比较器A和B、触发器、缓冲期和三角波变正弦波电路等组成。 图2-4 ICL8038内部原理图外接电容C由两个恒流源充电和放电,振荡电容C由外部接入,它是由内部两个恒流源来完成充电放电过程。恒流源2的工作状态是由恒流源1对电容器C连续充电,增加电容电压,从而改变比较器的输入电平,比较器的状态改变,带动触发器翻转来连续控制的。当触发器的状态使恒流源2处于关闭状态,电容电压达到比较器1输入电压规定值的23倍时,比较器1状态改变,使触发器工作状态发生翻转,将模拟开关K由B点接到A点。由于恒流源2的工作电流值为2I,是恒流源1的2倍,电容器处于放电状态,在单位时间内电容
17、器端电压将线性下降,当电容电压下降到比较器2的输入电压规定值的13倍时,比较器2状态改变,使触发器又翻转回到原来的状态,这样周期性的循环,完成振荡过程。在以上基本电路中很容易获得4种函数信号,假如电容器在充电过程和在放电过程的时间常数相等,而且在电容器充放电时,电容电压就是三角波函数,三角波信号由此获得。由于触发器的工作状态变化时间也是由电容电压的充放电过程决定的,所以,触发器的状态翻转,就能产生方波函数信号,在芯片内部,这两种函数信号经缓冲器功率放大,并从管脚3和管脚9输出。 适当选择外部的电阻RA和RB和C可以满足方波函数等信号在频率、占空比调节的全部范围。因此,对两个恒流源在I1和I2电
18、流不对称的情况下,可以循环调节,从最小到最大,任意选择调整,所以,只要调节电容器充放电时间不相等,就可获得锯齿波等函数信号。正弦函数信号由三角波函数信号经过非线性变换而获得。利用二极管的非线性特性,可以将三角波信号的上升成下降斜率逐次逼近正弦波的斜率。 4.波形参数计算图 2-5 ICL8038典型电路所有信号波形对称都可由外部时间电阻器来调整。最佳的结果通过保持时间电阻器RA和RB的独立 。RA控制三角波,正弦波的上升的部份和矩形波的1 个状态。三角信号波形的大小被设置在1/3 电源电压,因此三角的上升的部份是和三角波和正弦波下降部分和矩形波的状态。 当RA = RB时占空比为50%,如果占
19、空比仅在50%小范围变化,连接所在图2.1左元器件是稍微比较方便的。1k的电位器不能允许占空比达到50%,在所有仪器中,如果占空比达到50%电位器是用4.7k而不是5k。方波占空比80%相位关系波形变化可以通过连接外部定时电阻时间和频率而不依赖于电源电压,尽管所有的电压都不是由内部集成电路调节。这归结于实际电流和门限是直接的,电源电压是线性函数,因而他们的不起作用。为了减小正弦波失真,在管脚11和12之间的82K电阻最好是可变电阻及电位器也可。这种安排使失真少于1%是可以达到的。为了减少得更多, 二台电位器可能按照上图2-5左显示的连接,这种典型构造使得正弦波失真减少近0.5%,正弦波失真达到
20、最低的连接。4. 课题采用电路图 2-6 信号发生模块 在本课题中信号发生模块使用的是ICL8038经典电路,可以通过调节R5、R6阻值的大小改变信号频率及其占空比。频率计算方法如图 2-7,在使用的时候我们需要占空比为50%的正弦波信号,所以使RA=RB,则f=0.33/RC. 2.1.2 正弦交流信号采样(1) 峰值保持本课题中采用模数转换芯片是的ADC0809,ADC0809采样速率较慢且采样范围在05V,所以我们必须对输入正弦交流信号进行峰值保持处理。峰值保持电路的作用是对输入信号峰值的提取,产生输出Vo = Vpeak,为了实现这样的目标,电路输出值会一直保持,知道一个新的更大的峰值
21、出现或电路复位。正弦交流信号由Ui输入,经过二极管对其整流,只剩下正半轴波形。由正半轴信号对电容进行充电,将峰值电压保持在一个较小的波动范围。但由于电容的放电,测到的峰值电压会比实际值低。如图 2-8。 图 2-8 峰值保持电路(2) 信号处理 本课题计算频率方法是由从机单片机对正弦信号计数,由于单片机只能根据波形下跳沿计数,所以采用信号处理模块将输入正弦信号转换成方波,便于单片机计数。我们采用基于LM339制作的电压比较电路,对正弦信号进行处理。 图 2-9 信号处理电路 如图2.9,将正弦信号与零电压进行比较,当电压低于零电平时,LM339将输出高电平;当正弦信号高于零电平时将输出低电平。
22、通过进行电压比较就将单片机不可测量的正弦信号,转换成可以测量的信号。2.2 数据采集2.2.1 ADC0809性能特点ADC0809是美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道,8位逐次逼近式A/D模数转换器。其内部有一个8通道多路开关,它可以根据地址码锁存译码后的信号,只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。是目前国内应用最广泛的8位通用A/D芯片。1 ADC0809主要特性1) 8路输入通道,8位A/D转换器,即分辨率为8位。2) 具有转换起停控制端。 3) 转换时间为100s(时钟为640kHz时),130s(时钟为500kHz时)4) 单个+5V电源供电 5) 模拟输入电压范围0
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