基于單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集與傳輸設(shè)計

1、20010屆畢業(yè)設(shè)計（論文） 材 料 系 、 部： 電氣與信息工程系 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 職 稱： 專 業(yè)： 電氣自動化技術(shù) 班 級： 電氣0703班 學(xué) 號： 2 0 1 0年 0 5 月 材料清單1、畢業(yè)設(shè)計（論文）課題任務(wù)書2、指導(dǎo)教師評閱表3、答辯及最終成績評定表4、畢業(yè)設(shè)計說明書5、附錄材料摘 要隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，單片機(jī)以其高可靠性、高性能價格比，在工業(yè)控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、智能化儀器儀表、辦公自動化等諸多領(lǐng)域得到極為廣泛的應(yīng)用。在生產(chǎn)過程中有時需要多個單片機(jī)作為下位機(jī)直接對生產(chǎn)過程進(jìn)行檢測和控制，這就需要兩機(jī)或多機(jī)間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。 雙機(jī)通訊主要是利用單片機(jī)內(nèi)部的全雙工串

2、口的發(fā)送和接收功能，而簡單的單片機(jī)串口通訊的傳輸距離較短，所以須經(jīng)過調(diào)制解調(diào)器使傳輸距離增長。 單片機(jī)系統(tǒng)采集的信號有的是模擬電壓信號、模擬電流信號、PWM信號、數(shù)字邏輯信號等?，F(xiàn)在，絕大多數(shù)傳感器輸出的信號都是模擬信號量，電流和電壓。所以模擬信號的采集應(yīng)用最為廣泛，處理過程也相對復(fù)雜。相比于模擬信號PWM信號和數(shù)字邏輯信號的采集比較直接，單片機(jī)能夠直接處理這類信號，無需額外的器件進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)采用單片機(jī)技術(shù)進(jìn)行現(xiàn)場模擬電壓采樣處理并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，將外部采進(jìn)來的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，經(jīng)過調(diào)制、濾波、解調(diào)之后，在另一單片機(jī)最小系統(tǒng)板將采集的數(shù)據(jù)結(jié)果顯示出來，完成了整個數(shù)據(jù)采集與傳輸過程。

3、系統(tǒng)具有發(fā)送端設(shè)定8 路順序循環(huán)采集與指定某一路采集的功能。關(guān)鍵詞：數(shù)字采集；單片機(jī)；A/D采樣；調(diào)制；解調(diào)ABSTRACTAs electronic technology developing rapidly, with SCM high reliability, high performance and low cost in industrial control systems, Data Acquisition System, intelligent instrumentation, office automation and other areas to be extremely w

4、idely application . In the production process is necessary as a number of SCM under the plan directly to the production process measurement and control sometimes, This requires two or more aircraft machine excharg data transmission. Communication is between the main microprocessor internal full-dupl

5、ex serial transmit and receive functions, and simple microcontroller serial communication transmission distance short, it is required to make a modem transmission distance growth.SCM System Acquisition some of simulation, voltage signal simulation current signal, PWM signal, digital logic signal and

6、 so on. Now, the vast majority of the sensor output signals are analog volume, current and voltage signal. So analog signal acquisition is most widely used, the process is relatively complex. Compared to the analog PWM signal and digital logic signals in the collection of direct comparison, SCM can

7、handle such direct signal without additional signal conversion device.SCM system uses simulation technology for on-the-spot sampling voltage processing and data transmission, external mining entered the analog signal into digital signals, after modulation, filtering and demodulation, In another micr

8、ocomputer minimum system board will collect the data show, and completed the entire data collection and transmission. This system has set eight-way acquisition sequence and cycle path with a designated collection functions.Keyword：data collection;SCM(Single-chip microcomputer);analogue-digital conve

9、rsion;modulation;demodulation.目 錄第1章 緒論11.1課題研究的意義11.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀21.3文研究的內(nèi)容3第2章 設(shè)計方案提出4第3章系統(tǒng)硬件設(shè)計73.1 電源電路設(shè)計732時鐘電路733復(fù)位電路83.4單片機(jī)鍵盤和顯示器模塊9數(shù)碼管工作原理9數(shù)碼管字形編碼10鍵盤103.5帶通濾波器模塊123.6數(shù)據(jù)采集模塊123.7調(diào)制解調(diào)模塊133.8測試碼發(fā)生電路153.9主要芯片介紹17芯片17芯片19第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計224.1系統(tǒng)工作總流程圖224.2編碼調(diào)制流程圖224.3譯碼解調(diào)流程圖234.4誤碼率與時延流程圖244.5鍵盤掃描子程序254.6顯示

10、子程序設(shè)計26結(jié) 論27致謝28參考文獻(xiàn)29附錄1 原理圖30附錄2 源程序第1章 緒論1.1課題研究的意義 在數(shù)字技術(shù)飛速發(fā)展的今天，將各種模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號并進(jìn)行相應(yīng)的處理不僅可以提高系統(tǒng)性能還可以充分利用數(shù)字信號的各種處理算法來提高系統(tǒng)的靈活性和可靠性。隨著單片機(jī)的運(yùn)算速度的提高，在一些由單片機(jī)構(gòu)成的較小系統(tǒng)中對信號進(jìn)行實(shí)時處理己經(jīng)成為可能，并且越來越受到人們的重視。這就要求作為最底層的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)既要具有很高的采樣速率。又要能提供更豐富的原始數(shù)據(jù)信息。系統(tǒng)經(jīng)常需要采集各種模擬量信號、數(shù)字量信號，并對它們進(jìn)行相應(yīng)的處理。 常規(guī)采集方案為：1）由單片機(jī) (如51, 196等單片機(jī)或控制

11、型DSP)直接控制的采集方案。這是一種最簡單最常用的控制方式，但是，由于每次采樣都要有單片機(jī)的參與，占用了單片機(jī)的時間，影響了其數(shù)據(jù)處理的能力。并且對于多通道、多個A/D轉(zhuǎn)換器的控制，當(dāng)系統(tǒng)中要采集的信號量很多時 (特別是各種信號量、狀態(tài)量)，僅僅靠用普通MCU(微控制器或單片機(jī))的資源往往難以完成任務(wù)。此時，一般只能采取多MCU聯(lián)機(jī)處理模式，或者依靠其它芯片擴(kuò)展系統(tǒng)資源來完成系統(tǒng)的監(jiān)測任務(wù)。這樣做不但增加了大量的外部電路和系統(tǒng)成本，而且大大增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，因而系統(tǒng)的可靠性就會受到一定的影響，這顯然不是設(shè)計者所愿意看到的。2)由DMA控制的采集方案。此方案硬件電路復(fù)雜，若與單片機(jī)配合使用，

12、需要單片機(jī)具有總線掛起功能(Hold功能)，否則還需要進(jìn)行總線切換。在總線掛起的時候，單片機(jī)就不能訪問外部存儲器和外部端口，如果單片機(jī)要訪問外部數(shù)據(jù)，也只能等待總線的釋放，這樣就帶來很多不方便，也影響了數(shù)據(jù)的及時處理。 顯而易見，傳統(tǒng)的設(shè)計思路不但要使用大量的外圍芯片，而且需要主處理器直接去控制各種采集模塊和控制模塊，并完成各模塊和通道的自檢。因此，這種解決方案需要占用主處理器大量的 工/0資源和處理時間。然而，一般處理器的 工/0資源極其有限，而且又要求大量的匯編軟件配合，這就使設(shè)計移植變得比較困難;此外，由于 工/0的頻繁操作也不利于系統(tǒng)調(diào)度軟件的設(shè)計和其他軟件模塊的實(shí)時執(zhí)行，因而在現(xiàn)場更

13、難以組成分布式控制管理系統(tǒng)?？梢?，如果采用傳統(tǒng)的設(shè)計方法，不但使系統(tǒng)設(shè)計較為龐大，而且開發(fā)成本高、設(shè)計周期長、設(shè)計效率低。所以，傳統(tǒng)的設(shè)計思路在遠(yuǎn)程多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中是不可取的。 隨著工藝水平的進(jìn)步，CPLD (Complex Programmable Logic Device)/FPGA(Field Programmable Gate Array)等可編程器件的速度和規(guī)模都有T很大的提高，而且它們具有集成度高、體積小、功耗低、設(shè)計靈活等優(yōu)勢，這樣就為利用可編程器件實(shí)現(xiàn)高速數(shù)字信號處理開辟了道路屯目前新一代的CPLD/FPGA等可編程器件，不僅在速度上能滿足高速數(shù)字信號處理的要求，而且可編程資

14、源也大大增加，在系統(tǒng)級集成方面也能滿足需要，從而提高了系統(tǒng)的靈活性和適應(yīng)性。因此，在開發(fā)周期較短或?qū)ο到y(tǒng)靈活性要求較高的情況下，F(xiàn)PGA/CPLD能夠提供比專用高速數(shù)字信號處理器件更高的系統(tǒng)速度和更好的解決方案。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)起始于20世紀(jì)50年代，1956年美國首先研究了用在軍事上的測試系統(tǒng)，目標(biāo)是測試中不依靠相關(guān)的測試文件，由非熟練人員進(jìn)行操作，并且測試任務(wù)是由測試設(shè)備高速自動控制完成的。由于該種數(shù)據(jù)采集測試系統(tǒng)具有高速性和一定的靈活性，可以滿足眾多傳統(tǒng)方法不能完成的數(shù)據(jù)采集和測試任務(wù)，因而得到了初步的認(rèn)可。 大約在60年代后期，國外就有成套的數(shù)據(jù)采集設(shè)備產(chǎn)品進(jìn)入市場，

15、此階段的數(shù)據(jù)采集設(shè)備和系統(tǒng)多屬于專用的系統(tǒng)。20世紀(jì)70年代中后期，隨著微型機(jī)的發(fā)展，誕生了采集器、儀表同計算機(jī)溶為一體的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。由于這種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能優(yōu)良，超過了傳統(tǒng)的自動檢測儀表和專用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，因此獲得了驚人的發(fā)展。從70年代起，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)展過程中逐漸分為兩類，一類是實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，另一類是工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。就使用的總線而言，實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)多采用并行總線，工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)多采用串行數(shù)據(jù)總線。20 世紀(jì)80年代隨著計算機(jī)的普及應(yīng)用，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到了極大的發(fā)展，開始出現(xiàn)了通用的數(shù)據(jù)采集與自動測試系統(tǒng)。該階段的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要有兩類，一類以儀器儀表和采集器、通

16、用接口總線和計算機(jī)等構(gòu)成。 例如:國際標(biāo)準(zhǔn)ICE625(GPIB)接口總線系統(tǒng)就是一個典型的代表。 這類系統(tǒng)主要用于實(shí)驗(yàn)室，在工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場也有一定的應(yīng)用。 第二類以數(shù)據(jù)采集卡、標(biāo)準(zhǔn)總線和計算機(jī)構(gòu)成，例如：STD總線系統(tǒng)是這一類的典型代表。這種接口系統(tǒng)采用積木式結(jié)構(gòu)，把相應(yīng)的接口卡裝在專用的機(jī)箱內(nèi)，然后由一臺計算機(jī)控制。第二類系統(tǒng)在工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用較多。這兩種系統(tǒng)中，如果采集測試任務(wù)改變，只需將新的儀用電纜接入系統(tǒng)，或?qū)⑿驴ㄔ偬砑拥綄Ｓ玫臋C(jī)箱即可完成硬件平臺重建。顯然，這種系統(tǒng)比專用系統(tǒng)靈活得多。20世紀(jì)80年代后期，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)生了極大的變化。工業(yè)計算機(jī)、單片機(jī)和大規(guī)模集成電路的組合，用軟件管理

17、，使系統(tǒng)的成本降低，體積減小，功能成倍增加，數(shù)據(jù)處理能力大大加強(qiáng).20世紀(jì)90年代至今，在國際上技術(shù)先進(jìn)的國家，數(shù)據(jù)采集技術(shù)已經(jīng)在軍事、 航空電子設(shè)備及宇航技術(shù)、工業(yè)等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。 由于集成電路制造技術(shù)的不斷提高，出現(xiàn)了高性能、高可靠性的單片數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS）。目前有的DAS產(chǎn)品精度已達(dá)16位，采集速度每秒達(dá)到幾十萬次以上。數(shù)據(jù)采集技術(shù)已經(jīng)成為一種專門的技術(shù)。 在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。該階段數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用更先進(jìn)的模塊式結(jié)構(gòu)，根據(jù)不同的應(yīng)用要求，通過簡單的增加和更改模塊，并結(jié)合系統(tǒng)編程，就可擴(kuò)展或修改系統(tǒng)，迅速地組成一個新的系統(tǒng)。該階段并行總線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)向高速、模塊化和即插即用方

18、向發(fā)展。 典型系統(tǒng)有VIX總線系統(tǒng)。PCI、PXI總線系統(tǒng)等，數(shù)據(jù)位已達(dá)到32位總線寬度，采樣頻率可以達(dá)到100MSps。由于采用了高密度,屏蔽型,針孔式的連接器和卡式模塊,可以充分保證其穩(wěn)定性及可靠性,但其昂貴的價格是阻礙它在自動化領(lǐng)域普及的一個重要因素。 但是，并行總線系統(tǒng)在軍事等領(lǐng)域取得了成功的應(yīng)用。串行總線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)向分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和智能化方向發(fā)展，可靠性不斷提高。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)物理層通信，由于采用RS485、雙絞線、電力載波、無線和光纖，所以其技術(shù)得到了不斷發(fā)展和完善。其在工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和控制等眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。由于目前局域網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，一個工廠管理層局域網(wǎng)，車間層的局域網(wǎng)

19、和底層的設(shè)備網(wǎng)已經(jīng)可以有效地連接在一起，可以有效地把多臺數(shù)據(jù)采集設(shè)備聯(lián)在一起，以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的在線實(shí)時數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控。1.3文研究的內(nèi)容數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)是一種應(yīng)用極為廣泛的模擬量測量設(shè)備，其基本任務(wù)是把信號送入計算機(jī)或相應(yīng)的信號處理系統(tǒng)，根據(jù)不同的需要進(jìn)行相應(yīng)的計算和處理。它將模擬量采集、轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后，再經(jīng)過CPU處理得出所需的數(shù)據(jù)。同時還利用用計算機(jī)將得到的數(shù)據(jù)驚醒儲存、顯示和打印，以實(shí)現(xiàn)對某些物理量的監(jiān)視，其中一部分?jǐn)?shù)據(jù)還將被用作生產(chǎn)過程中的反饋控制量。本文介紹的是一種基于以ATMEL 公司89C52單片機(jī)為核心,采用ADC0809 8位串行A/ D 轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的采樣系統(tǒng)。本系統(tǒng)直接利

20、用軟件進(jìn)行調(diào)制，然后通過異步方式進(jìn)行傳輸，解調(diào)時利用異步傳輸恢復(fù)原調(diào)制波，再通過軟件判斷調(diào)制波的相位進(jìn)行解調(diào)。被測電壓經(jīng)ADC0809循環(huán)采樣后的數(shù)字信號送入AT89C52單片機(jī)，并在單片機(jī)的控制下進(jìn)行顯示與按鍵處理，同時由其串口想調(diào)制器發(fā)送數(shù)據(jù)，經(jīng)解調(diào)器解調(diào)輸出后送數(shù)據(jù)給8279進(jìn)行校驗(yàn)和鍵盤管理與顯示；調(diào)制解調(diào)采用AT89C2051芯片來完成。接收顯示采用74LS47芯片驅(qū)動LED顯示。第2章 設(shè)計方案提出在通信過程中，多路信號要傳輸，為使它們能夠區(qū)別，選用不同頻率的載波信號。在測量中，通常噪聲含有各種頻率，將信號調(diào)制到某一個載波頻率上，只讓載波頻率為中心的一個很窄的頻帶內(nèi)的信號通過，就可

21、以有效的抑制噪聲，這一過程稱之為調(diào)制。在接收端，對已調(diào)制的信號恢復(fù)出原來的信號的過程稱之解調(diào)。簡單的解調(diào)方式有非相干解調(diào)（檢波）。非相干解調(diào)方法是信號通過一個檢波二極管，再經(jīng)過一低通濾波器就可以獲得原始的模擬信號，優(yōu)點(diǎn)是降低接收機(jī)成本，提高整機(jī)的通信可靠性。根據(jù)題目的基本要求，可將其劃分如下幾個部分：1)8路模擬信號采集與通信控制器2)二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制器3)解調(diào)器4)3dB帶寬3050kHz的帶通濾波器作為模擬信道5)時鐘頻率可變的測試發(fā)生器6)接收斷采集結(jié)果顯示電路分析一下信道與信噪比情況。本題中碼元傳輸速率為16kbps,而信號被限在3050kHz的范圍內(nèi)，屬于典型的窄帶高速綠數(shù)字通道?；鶐?/p>

22、信號的帶寬為Bm=16kHz,經(jīng)調(diào)制后能量主要分布在2Bm=32kHz的頻帶內(nèi)（功率頻譜密度的主瓣），而噪聲近似為043kHz×(1/Ts)×45%)的窄帶百噪聲因此經(jīng)過帶寬僅為20kHz的信道后信號與噪聲的能量損比較大，而且兩者大致相當(dāng)。根據(jù)香農(nóng)公式C=Blog2(1+S/N)知，信號和噪聲幅度比值為3：1時，信噪比約為9，信道傳輸信息的極限能力約為66.5kbit/s;幅度比值為1：1時，傳輸極限能力為40kbit/s。方案一：常用的數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)有ASK、FSK、PSK等。其中FSK具有較強(qiáng)的抗干擾能力，但其要求的帶寬最寬，頻帶利用率低，所以首先排除。ASK理論上雖然可

23、行，但在本題中由于一個碼元內(nèi)只包括約兩個周期的載波，所以采用報絡(luò)檢波法難以調(diào)解，也不可行。PSK調(diào)制和調(diào)試都比較困難。特別是由于本題中載波的頻率非常低，幾乎可與基帶信號相比擬，一個碼元只包括約兩個周期的載波，載波的提取和跟蹤非常困難，因此解調(diào)設(shè)備的制作和調(diào)試會比較困難，短時間內(nèi)很難完成。方案二：根據(jù)題目的特點(diǎn)，由于信道的頻帶比較窄，考慮對基帶信號進(jìn)行適當(dāng)?shù)幕鶐Ь幋a處理后使它的頻率變換到信道頻帶內(nèi)，從而可以直接傳輸。當(dāng)要求的數(shù)據(jù)傳輸速率較低（24kbps）時，對原始數(shù)據(jù)模仿PSK處理（下面有具體分析），方法如下：“1”用“1010”（0相位兩個周期的方波）表示“0”用“0101”（相位兩個周期發(fā)

24、方波）表示其中傳輸編碼后數(shù)據(jù)的頻率為96kHz,這樣上述編碼調(diào)制方法能傳輸?shù)淖畲蟠a元速率為24kbps。當(dāng)要求的數(shù)據(jù)傳輸速率大于24kbps時，對原始數(shù)據(jù)處理的方法如下：“1”用“10”（0相位一個周期的方波）表示“0”用“01”（相位一個周期發(fā)方波）表示即進(jìn)行Manchester編碼。對于該信號的調(diào)節(jié)，顯然只要能正確解調(diào)出信號的相位變化就可以恢復(fù)原信號。為了避免PSK調(diào)制方式復(fù)雜的載波提取電路在具體設(shè)計時采用了異步傳輸和軟件解調(diào)相結(jié)合的解調(diào)方法，即：首先利用異步傳輸?shù)钠鹗嘉淮_定數(shù)據(jù)的起始相位，避免了PSK解調(diào)時相位隨機(jī)性；然后利用簡單的軟件判斷進(jìn)行數(shù)據(jù)的解調(diào)。由于單片機(jī)能夠自動尋找起始位，并

25、自動在碼元中間（即眼圖開啟最大，最佳判決處）進(jìn)行多次抽樣判決，又由于單片機(jī)之前的整形電路的均衡作用，因此單片機(jī)能夠很好地恢復(fù)出輸入信道前即編碼調(diào)制之后的信號，再經(jīng)過軟件 譯碼解調(diào)即可得到原信號。采用單片機(jī)完成調(diào)制與解調(diào)，通信利用單片機(jī)間的串行通信來完成，這樣做的好處是：1)采用單片機(jī)串口通信，便于同步，定位方便。2)單片機(jī)本身對于串行信號具有多次抽判的功能。3)在數(shù)據(jù)速率較低的時，系統(tǒng)具有一定的糾錯能力。例如當(dāng)受到1110時可以判為1（1010），當(dāng)收到0111時可以判為0（0101）。本系統(tǒng)通過軟件加入了自動糾錯，能糾正碼距為1的誤碼。4)由于采用軟件判斷相位解調(diào)，不存在相干PSK解調(diào)的倒問

26、題。5)高速率傳輸與低速率傳輸間的切換非常簡便快捷。6)系統(tǒng)可升級性好，可以根據(jù)需要，進(jìn)行糾錯編碼。當(dāng)信道條件改變時也能較快適應(yīng)。另外需要說明的是，基帶編碼的方法還有很多種，如HDB3碼等，但這種編碼方法抗干擾能力較差，最關(guān)鍵的是它們不能起到頻率變換的作用，即并不能將基帶信號信號變換成適當(dāng)合本信道傳輸?shù)膸扌盘?，因此是不可行的。綜上所述，采用第二種方案有以下優(yōu)點(diǎn)：1)只使用兩個電平，有足夠的定位信息，直流漂移較少。2)信號頻譜的主要部分在3050kHz的通帶范圍內(nèi)，利于傳輸。3)實(shí)現(xiàn)方法簡單，避免了PSK解調(diào)時復(fù)雜的載波提取和位同步提取電路。4)可對接收到的序列進(jìn)行軟件判決，提高系統(tǒng)的抗噪性能

27、。5)系統(tǒng)具有比較寬的數(shù)據(jù)傳輸范圍：16- 48kbps。雖然已調(diào)信號的帶寬已超過了信道的3dB帶寬范圍，但是由于已調(diào)信號的大部分能量仍然在信道的帶寬范圍內(nèi)，所以對于正確解調(diào)影響不大。綜上所述，在發(fā)送端和接收端口采用雙CPU方案，用兩片單片機(jī)可以精確設(shè)定波特率的89C52單片機(jī)分別控制數(shù)據(jù)采集、通信和采集結(jié)果顯示。發(fā)送與接收端之間為單向數(shù)據(jù)傳輸系，用有源運(yùn)放帶通濾波器作為模擬信道濾波器。本設(shè)計采用方案二，系統(tǒng)的原理框圖如圖2.1所示。8路被測電壓ADC0809發(fā)送端89C52鍵盤顯示器接口8279數(shù)碼顯示鍵盤調(diào)制器RC有源濾波器3050kHz測試碼發(fā)生器解調(diào)器接收端89C52鍵盤顯示器接口82

28、79數(shù)碼顯示TXDRXDS2S1DATA圖2.1 系統(tǒng)原理總圖第3章系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1 電源電路設(shè)計任何電子設(shè)備，其供電品質(zhì)好壞直接影響了電子設(shè)備工作性能，汽車儀表也不例外。汽車上的電氣設(shè)備多，種類復(fù)雜，開關(guān)頻繁，對電系干擾大，主要表現(xiàn)為欠壓和過壓兩種情況。欠壓產(chǎn)生原因比較簡單，主要是由于蓄電池存電量不足或低溫長時間啟動時引起的；而過壓產(chǎn)生的原因則比較復(fù)雜，可分為瞬變性過壓和非瞬變性過壓兩大類。瞬變性過壓是指電系工作時，瞬時性出現(xiàn)的高于電源額定電壓的現(xiàn)象。根據(jù)過壓的方向與電源電壓的方向相同與否，又分為正向瞬變過電壓和反向瞬變過電壓兩種。電源電路為整個電路提供電源，是電路設(shè)計不可缺少的一部分。電

29、源電路的穩(wěn)定性決定著整個電路的可靠程度。在本設(shè)計中，整個電路需要+5V電源。電源電路是把市電交流220V經(jīng)過變壓器降壓為交流9V，再通過二極管整流、電容濾波、三端集成穩(wěn)壓器7805穩(wěn)壓后輸出正5V直流電源。電源電路圖如下圖3.1：圖3.1電源原理圖32時鐘電路時鐘電路用于產(chǎn)生單片機(jī)工作所需要的時鐘信號，單片機(jī)本身就是一個復(fù)雜的同步時序電路，為了保證同步工作方式的實(shí)現(xiàn)，電路應(yīng)在唯一的時鐘信號控制下嚴(yán)格地按時序進(jìn)行工作。在MCS-51芯片內(nèi)部有一個高增益反相放大器，其輸入端為芯片引腳，輸出端為引腳，在芯片的外部跨接晶體振蕩器和微調(diào)電容，形成反饋電路和微調(diào)電容，形成反饋電路，就構(gòu)成了一個穩(wěn)定的自激振

30、蕩器。此電路采用6MHz的石英晶體。時鐘電路如圖3.2所示。33復(fù)位電路復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作，其主要功能是把PC圖初始化為0000H，使單片機(jī)從0000H單元開始執(zhí)行程序。除了進(jìn)入系統(tǒng)的正常初始化之外，當(dāng)由于程序運(yùn)行出錯或操作錯誤是系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時，為擺脫困境，也需要按復(fù)位鍵以重新啟動。圖3.2時鐘電路 3.3復(fù)位電路復(fù)位電路的基本功能是：系統(tǒng)上電時提供復(fù)位信號，直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后，撤銷復(fù)位信號。為可靠起見，電源穩(wěn)定后還要經(jīng)一定的延時才撤銷復(fù)位信號，以防電源開關(guān)或電源插頭分-合過程中引起的抖動而影響復(fù)位。復(fù)位電路又叫電源監(jiān)控電路 監(jiān)控電路必須具備如下功能：上電復(fù)位，保障上電時能正確地啟動

31、系統(tǒng)；掉電復(fù)位，當(dāng)電源失效或電壓降到某一電壓值以下時，復(fù)位系統(tǒng)；電子元件郵購除上電復(fù)位和掉電復(fù)位外，很多監(jiān)控電路集成了系統(tǒng)所需的功能，如：電源測控，供電電壓出現(xiàn)異常時提供預(yù)警指示或中斷請求信號，方便系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)異常處理；數(shù)據(jù)保護(hù)，當(dāng)電源或系統(tǒng)工作異常時，對數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的保護(hù)，如寫保護(hù)、數(shù)據(jù)備份或切換后備電池；看門狗定時器，當(dāng)系統(tǒng)程序“跑飛”或“死鎖”時，復(fù)位系統(tǒng)；其它的功能，如溫度測控、短路測試等單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)中，除單片機(jī)本身需復(fù)位以外，外部擴(kuò)展的I/O接口電路等也需要復(fù)位，因此需要一個系統(tǒng)的同步復(fù)位信號 1有效的系統(tǒng)復(fù)位電路。復(fù)位產(chǎn)生的復(fù)位信號經(jīng)史密特電路整形后作為系統(tǒng)復(fù)位信號，加到單片機(jī)和外

32、部I/O接口和擴(kuò)展電路的復(fù)位端。RST引腳是單片機(jī)復(fù)位信號的輸入端，復(fù)位信號是高電平有效，其有效時間應(yīng)持續(xù)24個振蕩周期（即2個機(jī)器周期）以上，若使用頻率為6MHz的晶振，則復(fù)位信號持續(xù)時間應(yīng)超過4s才能完成復(fù)位操作。復(fù)位操作有上電自動復(fù)位和按鍵手動復(fù)位兩種方式。上電自動復(fù)位是通過外部復(fù)位電路的電容充電來實(shí)現(xiàn)的。按鍵電平復(fù)位是通過使復(fù)位端經(jīng)電阻與Vcc電源接通而實(shí)現(xiàn)的。在本設(shè)計中采用了按鍵電平復(fù)位方式，其復(fù)位電路如上圖3.3： 3.4單片機(jī)鍵盤和顯示器模塊系統(tǒng)采用雙CPU方案在發(fā)送端和接收端分別有一個8052最小系統(tǒng)，包括：89C52，EPROM27128，74LS47，地址鎖存74LS373

33、，地址譯碼器74LS138等。發(fā)送端采用4×5鍵盤作為輸入控制，用于切換采集方式和實(shí)現(xiàn)其他擴(kuò)展功能。兩端同時用2個數(shù)碼顯示地址和數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)，以供誤碼率監(jiān)視。單片機(jī)鍵盤和顯示器電路如圖附錄3所示。單片機(jī)與鍵盤/顯示器的接口采用8279鍵盤/顯示器控制芯片，實(shí)現(xiàn)對鍵盤的自動掃描、防抖動，并對顯示器進(jìn)行自動刷新。數(shù)碼管工作原理共陽極數(shù)碼管的8個發(fā)光二極管的陽極（二極管正端）連接在一起。通常，公共陽極接高電平（一般接電源），其它管腳接段驅(qū)動電路輸出端。當(dāng)某段驅(qū)動電路的輸出端為低電平時，則該端所連接的字段導(dǎo)通并點(diǎn)亮。根據(jù)發(fā)光字段的不同組合可顯示出各種數(shù)字或字符。共陰極數(shù)碼管的8個發(fā)光二極管的陰極

34、（二極管負(fù)端）連接在一起。通常，公共陰極接低電平（一般接地），其它管腳接段驅(qū)動電路輸出端。當(dāng)某段驅(qū)動電路的輸出端為高電平時，則該端所連接的字段導(dǎo)通并點(diǎn)亮，根據(jù)發(fā)光字段的不同組合可顯示出各種數(shù)字或字符。 圖3.4 共陽極 圖3.5 共陰極如果采用共陰極數(shù)碼管與單片機(jī)P0口直接連接，其電路連接如圖所示。數(shù)碼管公共陰極接地，其它管腳分別接P0口的8個端口，上拉電阻為1kW，數(shù)碼管字段導(dǎo)通電流約為6 mA（額定字段導(dǎo)通電流一般為5 20 mA）。數(shù)碼管字形編碼要使數(shù)碼管顯示出相應(yīng)的數(shù)字或字符，必須使段數(shù)據(jù)口輸出相應(yīng)的字形編碼。對照圖型碼各位定義為：數(shù)據(jù)線D0與a字段對應(yīng)，D1與b字段對應(yīng)，依此類推。如

35、使用共陽極數(shù)碼管，數(shù)據(jù)為0表示對應(yīng)字段亮，數(shù)據(jù)為1表示對應(yīng)字段暗；如使用共陰極數(shù)碼管，數(shù)據(jù)為0表示對應(yīng)字段暗，數(shù)據(jù)為1表示對應(yīng)字段亮。如要顯示“0”，共陽極數(shù)碼管的字型編碼應(yīng)為：11000000B（即C0H）；共陰極數(shù)碼管的字型編碼應(yīng)為：00111111B（即3FH）。依此類推，可求得數(shù)碼管字形編碼如表3.2。鍵盤從系統(tǒng)原理總圖中可知，被測電壓經(jīng)ADC0809循環(huán)采樣后的數(shù)字信號送入AT89C52單片機(jī)，并在單片機(jī)的控制下進(jìn)行顯示與按鍵處理，同時由其串口想調(diào)制器發(fā)送數(shù)據(jù)，經(jīng)解調(diào)器解調(diào)輸出后送數(shù)據(jù)給8279進(jìn)行校驗(yàn)和鍵盤管理與顯示；調(diào)制解調(diào)采用AT89C2051芯片來完成。接收顯示采用74LS4

36、7芯片驅(qū)動LED顯示。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能簡介：1）系統(tǒng)上電復(fù)位進(jìn)入默認(rèn)8路循環(huán)采集顯示狀態(tài)，并發(fā)送數(shù)據(jù)。2）在8路循環(huán)狀態(tài)下，按數(shù)字鍵18即可實(shí)現(xiàn)指定路數(shù)據(jù)采集，此時按下“儲存”鍵即可實(shí)現(xiàn)存儲。3）按“查詢”鍵即可查看到存儲在中的某時刻的電壓值。此時按“”表3.1 數(shù)碼管字形編碼表顯示字符字型共 陽 極共 陰 極dpgfedcba字型碼dpGfedcba字型碼0011000000C0H001111113FH1111111001F9H0000011006H2210100100A4H010110115BH3310110000B0H010011114FH441001100199H0110011066H55

37、1001001092H011011016DH661000001082H011111017DH7711111000F8H0000011107H881000000080H011111117FH991001000090H011011116FHAA1000100088H0111011177HBB1000001183H011111007CHCC11000110C6H0011100139H顯示字符字型共 陽 極共 陰 極  dpgfedcba字型碼dpGfedcba字型碼DD10100001A1H010111105EHEE1000011086H0111100179HFF10001110

38、8EH0111000171HHH1000100189H0111011076HLL11000111C7H0011100038HPP100011008CH0111001173HRR11001110CEH0011000131HUU11000001C1H001111103EHYY1001000191H011011106EH-10111111BFH0100000040H.011111117FH1000000080H熄滅滅11111111FFH0000000000H健顯示下一個值直至最后返回。4）按“時間”鍵即可轉(zhuǎn)入顯示當(dāng)前實(shí)時時鐘狀態(tài)，此時按下“調(diào)整”鍵可以對時、分、秒進(jìn)行調(diào)整。5）在8路循環(huán)狀態(tài)下，按

39、“調(diào)整”鍵可以選擇不同波特率傳輸。6）在接收端，用開關(guān)選擇接收數(shù)據(jù)或測試誤碼。圖3.6 鍵盤電路表3.2 鍵盤功能表K0K9數(shù)字09K10復(fù)位K11清除K12確認(rèn)K13返回K14K15K16儲存K17調(diào)整K18查詢K19時間3.5帶通濾波器模塊帶通濾波器N階全極點(diǎn)傳遞函數(shù)近似式為： （3.1） 由上式可看出：帶通濾波器的傳遞函數(shù)是由低通濾波器的傳遞函數(shù)變換而來的。三階帶通濾波器可由低通濾波器和高通濾波器級聯(lián)而成，因此可以把一個截止頻率為30kHz高通濾波器和一個截止頻率為50kHz的低通濾波器級聯(lián)起來，采用切比雪夫型高低通濾波器級聯(lián)，經(jīng)計算中心頻率約為40kHz. 切比雪夫型低通濾波器其幅頻公

40、式如下： (3.2)其中，e和K1為常數(shù)，Cn為N階切比雪夫型多項(xiàng)表達(dá)式，c為截至頻率。N增加則波紋系數(shù)增加。將低通濾波器傳遞函數(shù)的s換為1/s即可得到高通濾波器的傳遞函數(shù)。最后設(shè)計出的帶通濾波器如圖3.7 所示。濾波器在3050kHz處的相移基本上為線性，因此句有良好的群時延性，信號通過該信道后不會有過多的相位失真，這對本系統(tǒng)所采用方案中的正確調(diào)解是非常重要的。圖3.7 帶通濾波電路3.6數(shù)據(jù)采集模塊數(shù)據(jù)采集模塊采用ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換器和89C52控制數(shù)據(jù)采集。被測電壓為05V通過電位器調(diào)節(jié)的直流電壓；A/D變換器采用芯片ADC0809，ADC0809為8位8通道輸入的A/D變換器，具有

41、8位分辨率，最大不可調(diào)誤差小于滿足題目所提出的精度和速度要求。用單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制核心，接收來自ADC0809的數(shù)據(jù)，并利用單片機(jī)內(nèi)置的專用串行通信電路將數(shù)據(jù)進(jìn)行并-串轉(zhuǎn)換后輸出至調(diào)制器；單片機(jī)通過接口芯片與鍵盤相連，由鍵盤控制采集方式是循環(huán)采集或選擇采集，同時也可以利用鍵盤進(jìn)行其他擴(kuò)展功能的切換。此外，為便于通道監(jiān)視和誤碼率測試，在發(fā)送端擴(kuò)展了采集數(shù)據(jù)的顯示功能。在單片機(jī)的選擇方面，考慮到題目基本要求碼元速率為16kbps,發(fā)揮部分盡量提高傳輸速率，因此單片機(jī)的串口應(yīng)可以比較精確的設(shè)定波特率，且波特率可變。本電路中由于考慮到傳輸數(shù)據(jù)時要增加幀頭，為了與數(shù)據(jù)區(qū)分,設(shè)幀頭為EA，輸入電壓為5V

42、時，A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)為E1，則需要調(diào)整基準(zhǔn)源至5.689V，可用精密基準(zhǔn)源LM340提供該電壓。從ADC0809的數(shù)據(jù)手冊上查到，該芯片的供電電源最大可達(dá)6.5V，本電路中用5.75V，用精調(diào)電壓源LM340供電。幀加率由單片機(jī)控制進(jìn)輪詢采集或是指定通道采集電路如圖3.8所示。3.7調(diào)制解調(diào)模塊根據(jù)前述對題目的要求的分析，本系統(tǒng)直接利用軟件進(jìn)行調(diào)制，然后通過異步方式進(jìn)行傳輸，解調(diào)時利用異步傳輸恢復(fù)原調(diào)制波，再通過軟件判斷調(diào)制波的相位進(jìn)行解調(diào)。具體實(shí)現(xiàn)方法如下：首先，對要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字編碼調(diào)制，然后把調(diào)制后的數(shù)據(jù)作為異步傳輸數(shù)據(jù)，通過單片機(jī)的串行口進(jìn)行異步傳輸，即為其再增加異步傳輸?shù)钠鹗嘉?/p>

43、、校驗(yàn)位和停止位。在接收端，首先對接收到的信號進(jìn)行整形，減少信號波形的失真，并利用單片機(jī)的串行口對調(diào)制信號作為異步傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行接收，然后利用軟件判決的方法對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行相位判斷、譯碼解調(diào)。這樣就避免了普通解調(diào)時復(fù)雜的載波提取和同步提取電路設(shè)計，同時得到較好的接收性能。在設(shè)計中，采用了18.432MHz的晶體，這是一種在通信中常用的晶體，可方便地分頻出16、19.20、24、32、48kHz等傳輸時鐘。數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇a元速率不大于24kbps時：“1”用“1010”（0相位兩個周期方波）表示，“0”用“0101”（相位一個周期發(fā)方波）表示。另外，為了防止單片機(jī)的停止位產(chǎn)生富含低頻分量的較長連續(xù)

44、“1”，在信道傳輸前先將單片機(jī)串口輸出的碼序取非。具體調(diào)制結(jié)果如表3.1其表中的“*”意為設(shè)數(shù)據(jù)為“00001111”。這樣可以保證數(shù)據(jù)流中沒有三個連續(xù)“1”也沒有“11”與“00”連在一起的情況。這樣，書泳6kpbs的波特率傳輸時，調(diào)制信號的功率譜主瓣就在24kHz72kHz之間，通過3050kHz的信道后仍有足夠的能量，這樣便可在題目所要求的信道中傳輸碼元率不大于24kpbs圖3.8 數(shù)據(jù)采集電路的數(shù)據(jù)信息（由于帶寬很窄，可以不考慮諧波分量）。對于它的解調(diào)，接收到信號后取非，再用單片機(jī)譯碼即可實(shí)現(xiàn)。同時由于編碼的特點(diǎn)，還可糾正傳輸中碼距為1的誤碼，如單片機(jī)接收到1101（已取非還原）的數(shù)據(jù)

45、時可判原信號為0。表3.3 串口輸出碼序的調(diào)制起始位數(shù)據(jù)TB停止位原信號00000 1111*X1編碼取非后（4字節(jié)）11010 1010X011010 1010X010101 0101X010101 0101X0當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇a元速率較高（24kbps）時，編碼自動調(diào)整為使用Manchester編碼，即“1”用“10”（0相位一個周期的方波）表示，“0”用“01”（相位一個周期發(fā)方波）表示，使每一碼元編碼后對應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)位減少，在相同的時間內(nèi)傳輸更多的碼元，從而提高碼元傳輸速率，達(dá)到擴(kuò)展功能中提高傳輸速率的要求。由于編碼位數(shù)減少一半，因此使用96kbps的波特率傳輸時理論上可以達(dá)到48kbp

46、s的碼元傳輸速率。另外，由于調(diào)制部分和調(diào)解部分的輸入波特率與輸出波特率均不同（調(diào)制部分輸入波特率為1648kbps,輸出波特率為96kbps；調(diào)解部分輸入波特率為96kbps，輸出波特率為1648kbps）而且在一片單片機(jī)上同時實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)也較困難，因此調(diào)制部分與調(diào)解部分均采用了兩片89C2051來分別管理數(shù)據(jù)的輸入輸出，以減輕每一片單片機(jī)的負(fù)擔(dān)。這兩片單片機(jī)之間通過并口實(shí)時傳輸數(shù)據(jù)，具體電路原理圖見附錄2（上圖為解調(diào)器，下圖為調(diào)制器）串口加如了一個衰減器使輸出電壓可以在01V的范圍內(nèi)連續(xù)變化。輸入使用LM311比較器構(gòu)成電平判決電路。該電路同時還具有對信號均衡整形的作用。3.8測試碼發(fā)生電

47、路測試碼采用89C2051單片機(jī)生成，通過鍵盤輸入發(fā)送的測試碼和發(fā)送信息速率，同時用LED顯示。設(shè)置完成后，單片機(jī)就會由串口不停的輸出測試碼，其電路圖如附錄4。LED驅(qū)動采用MAX7219，MAX7219是MAXIM公司生產(chǎn)的LED驅(qū)動器，該芯片只需要三根控制/數(shù)據(jù)線，采用串行移位方式輸入數(shù)據(jù)，可十分方便的控制LED。MAX7219 和單片計算機(jī)連接有三條引線（DIN、CLK、LOAD），采用16 位數(shù)據(jù)串行移位接收方式。即單片機(jī)將16 位二進(jìn)制數(shù)逐位發(fā)送到DIN 端,在CLK 上升沿到來前準(zhǔn)備就緒，CLK 的每個上升沿將一位數(shù)據(jù)移入MAX7219 內(nèi)移位寄存器，當(dāng)16 位數(shù)據(jù)移入完，在LOA

48、D 引腳信號上升沿將16 位數(shù)據(jù)裝入MAX7219 內(nèi)的相應(yīng)位置，在MAX7219 內(nèi)部硬件動態(tài)掃描顯示控制電路作用下實(shí)現(xiàn)動態(tài)顯示。MAX7219 在驅(qū)動8 位以下LED 顯示器時，它的DIN、CLK、LOAD 端分別接單片機(jī)P0P3 口中的任意三條口線，注意在三條線上對地應(yīng)接幾十至幾百pF 電容。在P0 口作為DIN、CLK、LOAD信號線時還應(yīng)接10kÙ 左右的上拉電阻。在顯示器與微處理器連接線較長時還應(yīng)考慮干擾的影響。圖3.9 測試碼發(fā)生電路3.9主要芯片介紹 AT89S52芯片 AT89S52 是一種低功耗、高性能的CMOS 8位單片機(jī)。它帶有8K Flash 可編程和擦除的

49、只讀存儲器（EPROM），該器件采用ATMEL的高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)上標(biāo)準(zhǔn)的80C51和82C52的指令系統(tǒng)及引腳兼容，片內(nèi)Flash 集成在一個芯片上，可用與解決復(fù)雜的問題，且成本較低。AT89S52提供了8K字節(jié)Flash ，256字節(jié)RAM，32線I/O口，3個16位定時器/計數(shù)器，6向量兩極中斷，一個雙工串行口，片內(nèi)根據(jù)振蕩器和始終電路等標(biāo)準(zhǔn)功能。此外，AT89S52設(shè)有靜態(tài)邏輯，并支持軟件選擇的兩種節(jié)電運(yùn)行方式、空閑方式使CPU停止工作，而允許RAM、定時器/計數(shù)器、串行口和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式下，片內(nèi)振蕩器停止工作，由于之中被凍結(jié)，一切能都停止，只有片內(nèi)RAM

50、的內(nèi)容被保存，直到硬件復(fù)位才恢復(fù)正常工作。1 AT89S52的結(jié)構(gòu)框圖AT89S52結(jié)構(gòu)框圖如圖3.10所示：圖3.10AT89S52結(jié)構(gòu)框圖2 AT89S52單片機(jī)的特點(diǎn) 1)與MCS-51產(chǎn)品相兼容；2)具有8KB可改寫的Flash 內(nèi)部程序存儲器，可寫/擦1000次；3)全靜態(tài)操作：0HZ-24MHZ；4)三級程序存儲器加密； 5)256字節(jié)內(nèi)部RAM；6)32根可編程I/O口；7)3個16位定時器/計數(shù)器。8)8個中斷源； 9)可編程中串行口； 10)低功耗空閑和掉電方式。 3.管腳、引線與功能 AT89S52單片機(jī)為40引腳芯片如圖3.11所示： 1) 引腳信號介紹： P00P07 P0口8位雙向口線 P10P17 P1口8位雙向口線P20P27 P2口8位雙向口線P30P37 P3口8位雙