多路信號采集板卡硬件電路設(shè)計1緒論1.1課題的背景現(xiàn)代工業(yè)控制、自動檢測技術(shù)及信號處理中數(shù)據(jù)是指現(xiàn)場采集來的電壓、電流、壓力、流量、液位、溫度和角度等信號，此外還包括一些開關(guān)量信號。在微型計算機應(yīng)用于智能化儀器儀表、信號處理和工業(yè)自動化等過程中，都存在著模擬量的測量與控制問題，即將溫度、壓力、流量、位移及角度等模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，再收集到微型機上進(jìn)一步予以顯示、處理、記錄和傳輸，這個過程即稱“數(shù)據(jù)采集〞，相應(yīng)的系統(tǒng)即為微機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般由信號調(diào)理電路，多路切換電路，采樣保持電路，A/D，單片機組成。隨著計算機技術(shù)的飛速開展和普及，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在多個領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。它是計算機與外部物理世界連接的橋梁。它在現(xiàn)代信息領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，是信息產(chǎn)品不可或缺的重要組成局部。因此選擇基于單片機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計是很有意義也是很有必要的。在計算機廣泛應(yīng)用的今天，數(shù)據(jù)采集的重要性是十分顯著的。它是計算機與外部物理世界連接的橋梁。各種類型信號采集的難易程度差異很大。實際采集時，噪聲也可能帶來一些麻煩。數(shù)據(jù)采集時，有一些根本原理要注意，還有更多的實際的問題要解決。在日常的工程設(shè)備檢測過程中，如果采用傳統(tǒng)的面板表顯示，不僅占用設(shè)備多、實時性差，而且測量過程也十分繁瑣，效率十分低下。而近年來，隨著控制技術(shù)、微電子技術(shù)、通信技術(shù)和計算機技術(shù)的高速開展，不僅促進(jìn)了工程檢測技術(shù)和儀器本身的變革，而且使它們增加了很多新的生長點。檢測系統(tǒng)與通信及計算機系統(tǒng)的結(jié)合，儀器和測試系統(tǒng)軟硬件平臺結(jié)構(gòu)的新變化，都正在改變著測試和儀器的面貌。就新出現(xiàn)的虛擬儀器系統(tǒng)而言，它將計算機資源(處理器、存儲器、顯示器等)和儀器硬件—插件卡(信號調(diào)理、定時、A/D、變換器、高速緩存、數(shù)字輸入輸出電路等)以及用于數(shù)據(jù)采集、通訊、系統(tǒng)仿真、數(shù)據(jù)分析以及圖形用戶界面的應(yīng)用軟件有效結(jié)合起來，用戶不必了解電子線路及系統(tǒng)軟件的細(xì)節(jié)，只要應(yīng)用虛擬儀器系統(tǒng)提供的“用戶軟件接口〞和“用戶硬件接口〞，再經(jīng)過簡單的二次開發(fā)，就可在較短的周期內(nèi)開發(fā)出適用不同測控對象需要的儀器。無疑這種新型測試儀不僅智能化程度高，且易于更新升級，靈活性強，但是對測試技術(shù)和測試設(shè)備要求的提高，無疑使測試本錢也大幅增長。顯然，對于一般設(shè)備檢測來講，大可不必付出這樣的消耗。考慮單片機的特性，由于它可以提供A/D輸入通道，因此非常適用于模擬量(溫度、壓力、流量)輸入采樣系統(tǒng)，而其超微型化的特點，無可比較的價格性能比，無疑為儀器儀表的智能化提供了可能。基于此情況，本課題擬在設(shè)計一種多路信號采集設(shè)備，這點與時下國際流行的“測試集成〞思想不謀而合，因此它不僅是單片機在智能儀器儀表領(lǐng)域應(yīng)用的又一實現(xiàn)，且因其功能完善與總體價格的優(yōu)越性又使它具有實用價值。在工業(yè)現(xiàn)場，我們會安裝很多的各種類型的傳感器，如壓力的溫度的流量的聲音的電參數(shù)的等等，受現(xiàn)場環(huán)境的限制傳感器信號如壓力傳感器輸出的電壓或者電流信號不能遠(yuǎn)傳或者因為傳感器太多布線復(fù)雜，我們就會選用分布式或者遠(yuǎn)程的采集卡〔模塊〕在現(xiàn)場把信號較高精度地轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，然后通過各種遠(yuǎn)傳通信技術(shù)〔如485、232、以太網(wǎng)、各種無線網(wǎng)絡(luò)〕把數(shù)據(jù)傳到計算機或者其他控制器中進(jìn)行處理。這種也算作數(shù)據(jù)采集卡的一種，只是它對環(huán)境的適應(yīng)能力更強，可以應(yīng)對各種惡劣的工業(yè)環(huán)境。如果是在比較好的現(xiàn)場或者實驗室，如學(xué)校的實驗室，就可以使用USB/PCI這種采集卡。和常見的內(nèi)置采集卡不同，外置數(shù)據(jù)采集卡一般采用USB接口和1394接口，因此，外置數(shù)據(jù)采集卡主要指USB采集卡和1394采集卡，T510-數(shù)據(jù)采集卡。1.2數(shù)據(jù)采集卡的開展及研究現(xiàn)狀數(shù)據(jù)采集(DAQ)，是指從傳感器和其它待測設(shè)備等模擬和數(shù)字被測單元中自動采非電量或者電量信號,送到上位機中進(jìn)行分析,處理。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是結(jié)合基于計算機或者其他專用測試平臺的測量軟硬件產(chǎn)品來實現(xiàn)靈活的、用戶自定義的測量系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集卡，即實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集(DAQ)功能的計算機擴展卡，可以通過USB、PXI、PCI、PCIExpress、火線(1394)、PCMCIA、ISA、CompactFlash、485、232、以太網(wǎng)、各種無線網(wǎng)絡(luò)等總線接入個人計算機。早在五十年代末期，就出現(xiàn)了一種集中式的半自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其主要的功能是對測量結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計、處理和間接測量的計算等等。到了六十年代末和七十年代初，隨著檢測技術(shù)和計算機的進(jìn)一步結(jié)合，出現(xiàn)了所謂第一代計算機檢測系統(tǒng)，即采用計算機的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)自動分析系統(tǒng)和綜合自動檢測系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的檢測過程主要通過模擬/數(shù)字(A/D)轉(zhuǎn)換器，把檢測儀表與計算機連接在一起，組成以小型機為根底的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。其特點是檢測過程可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并將結(jié)果貯存、顯示、打印或生成報表。到了七十年代中期，又產(chǎn)生了第二代計算機自動檢測系統(tǒng)。由于通用標(biāo)準(zhǔn)接口總線(IEEE-488,RS-232C等)的出現(xiàn)，解決了儀器儀表相互之間和儀器儀表同計算機之間的連接問題，這樣就形成了以計算機為核心，有多臺可程控的儀表按積木方式組合成成套裝置。這種檢測系統(tǒng)占領(lǐng)了儀器儀表市場，而且還在不斷的完善和開展。微型計算機的誕生，使測試技術(shù)發(fā)生了深刻的變革，目前正在開展的以微處理器為根底的智能儀表和檢測系統(tǒng)是屬于第三代計算機自動檢測系統(tǒng)。這種智能化檢測系統(tǒng)的突出特點是把微處理器和儀表結(jié)合在一起并構(gòu)成一個整體，其特點是許多儀表中的硬件功能可以由軟件代替，這樣不僅使系統(tǒng)大大簡化，降低本錢、減小體積和重量及提高系統(tǒng)的可靠性，而且由于軟件編程工作具有很大的靈活性，因此可以使系統(tǒng)的功能大大增強。通過微型計算機可以對電壓、電流、壓力、溫度等物理量進(jìn)行直接采樣和計算，經(jīng)過計算處理后，能立即得出試驗設(shè)備的各種參數(shù)和性能，從而大大減輕了勞動強度，使勞動生產(chǎn)率得到成倍增長，測試數(shù)據(jù)和計算結(jié)果能自動打印，克服和消除了人為因素造成的誤差，最終使系統(tǒng)的可靠性和測試精度及測試效率大大提高。而且這種智能化儀表一般都具有與計算機相連接的標(biāo)準(zhǔn)接口，作為一臺智能控制儀表單元接入系統(tǒng)，從而可以組成功能更強、規(guī)模更大的自動檢測系統(tǒng)，通過軟件編程將各種數(shù)據(jù)處理技術(shù)應(yīng)用于檢測系統(tǒng)中，使系統(tǒng)精確度提高。除此之外，還可以采用程控人－機對話功能、故障診斷功能、記錄顯示功能、量程切換功能和結(jié)果判斷功能，使檢測系統(tǒng)的自動化水平及智能化程度大大提高。隨著計算機技術(shù)的飛速開展和普及，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)也迅速地得到應(yīng)用。在生產(chǎn)過程中，應(yīng)用這一系統(tǒng)可對生產(chǎn)現(xiàn)場的工藝參數(shù)進(jìn)行采集，監(jiān)視和記錄，為提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低本錢提供信息和手段。在科學(xué)研究中，應(yīng)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可獲得大量的動態(tài)信息，是研究瞬間物理過程的有力工具，也是獲取科學(xué)奧秘的重要手段之一。總之，不管在哪個應(yīng)用領(lǐng)域中，數(shù)據(jù)采集與處理越及時，工作效率就越高，取得的經(jīng)濟(jì)效益也越高。數(shù)據(jù)采集卡，絕大多數(shù)集中在采集模擬量、數(shù)字量、熱電阻、熱電偶，其中熱電阻可以認(rèn)為是非電量〔其實本質(zhì)上還是要用電流驅(qū)動來采集〕其中模擬量采集卡和數(shù)字量采集卡用得是最廣泛的。現(xiàn)在市場上有一種二合一采集卡，二合一，指的是數(shù)字模擬采集卡，AV+DV采集卡，數(shù)字、模擬二合一，數(shù)字輸入輸出，模擬接口輸入(DV/AV/S-video)。最后雖然說是采集卡，但實際應(yīng)用中經(jīng)常需要它輸出控制信號。采集卡廣泛應(yīng)用于安防監(jiān)控、教育課件錄制、大屏拼接、多媒體錄播錄像、會議錄制、虛擬演播室、虛擬現(xiàn)實、安檢X光機、雷達(dá)圖像信號、VDR紀(jì)錄儀、醫(yī)療X光機、CT機、胃腸機、陰道鏡、工業(yè)檢測、智能交通、醫(yī)學(xué)影像、工業(yè)監(jiān)控、儀器儀表、機器視覺等領(lǐng)域。2信號采集板卡總體方案設(shè)計2.1系統(tǒng)設(shè)計的根本原那么1〕確保性能指標(biāo)的完全實現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計的根本依據(jù)是所到達(dá)的性能指標(biāo)，它必須首先得到保證，如采樣速率、系統(tǒng)分辨率、系統(tǒng)精度等等。要保證系統(tǒng)性能指標(biāo)，主要應(yīng)考慮輸入信號的特性，如輸入信號的通道數(shù)、是模擬量還是數(shù)字量、信號的強弱及動態(tài)范圍、信號的輸入方式〔單端輸入還是差動輸入，單極性還是雙極性，信號源接地還是浮地等〕、是周期信號還是瞬態(tài)信號、信號的頻帶寬度、信號中的噪聲及其共模電壓大小、信號源的阻抗等。2〕系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)合理選擇系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的合理與否，對系統(tǒng)的可靠性、性價比等有直接影響。首先是硬件軟件功能的合理分配。原那么上要盡可能“以軟代硬〞，只要軟件能做到的就不要用硬件。其次要考慮系統(tǒng)的布局以及接口性。接口特性包括采用什么樣的總線、采樣數(shù)據(jù)的輸出形式〔串行還是并行〕、數(shù)據(jù)的編碼格式等。3〕對于較大型的應(yīng)用軟件，應(yīng)參考軟件工程學(xué)的方法進(jìn)行設(shè)計。軟件工程是建立在科學(xué)根底上的一整套開發(fā)方法，它強調(diào)結(jié)構(gòu)化分析、結(jié)構(gòu)化設(shè)計和結(jié)構(gòu)化編程。按著軟件工程學(xué)的方法進(jìn)行設(shè)計，可以保證有較高的軟件開發(fā)效率，保證所開發(fā)的軟件有較長的生存周期，才能取得較高的經(jīng)濟(jì)效益。4〕平安可靠，有足夠的抗干擾能力。要保證在規(guī)定的工作環(huán)境下，系統(tǒng)能穩(wěn)定、可靠的工作，保證系統(tǒng)精度能符合要求，同時也要保證系統(tǒng)應(yīng)用人員的人身平安。這方面要充分利用各種標(biāo)準(zhǔn)，盡可能按法律法規(guī)辦事。這里要指出，標(biāo)準(zhǔn)儀器的總線為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計提供了很多方便。這些標(biāo)準(zhǔn)總線已經(jīng)對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、通行方式及接口、可靠性甚至于機箱結(jié)構(gòu)尺寸等都做了充分的考慮，設(shè)計人員需按著標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定設(shè)計自己要開發(fā)的局部即可。2.2硬件設(shè)計的根本原那么1〕良好的性價比系統(tǒng)硬件設(shè)計中，一定要注意在滿足性能指標(biāo)的前提下，盡可能地降低價格，以便得到高的性能價格比，這是硬件設(shè)計中優(yōu)先考慮的一個主要因素。因為系統(tǒng)在設(shè)計完成后，主要的本錢便集中在硬件方面，當(dāng)然也成為產(chǎn)品爭取市場關(guān)鍵因素之一。2〕平安性和可靠性選購設(shè)備要考慮環(huán)境的溫度、濕度、壓力、振動、粉塵等要求，以保證在規(guī)定的工作環(huán)境下，系統(tǒng)性能穩(wěn)定、工作可靠。要有超量程和過載保護(hù)，保證輸人、輸出通道正常工作。要注意對交流市電以及電火花等的隔離。3〕較強抗干擾能力有完善的抗干擾措施，是保證系統(tǒng)精度、工作正常和不產(chǎn)生錯誤的必要條件。例如強電與弱電之間的隔離措施，對電磁干擾的屏蔽，正確接地、高輸人阻抗下的防止漏電等。2.3系統(tǒng)設(shè)計要求在工控系統(tǒng)設(shè)計中,通常涉及到多路傳感器輸出的模擬信號采集、開關(guān)量采集、頻率量采集、顯示輸出、模擬信號輸出、PWM信號輸出、和上位機進(jìn)行通信的應(yīng)用。本設(shè)計采用Siliconlabs公司的C8051F020芯片設(shè)計通用的開發(fā)板，可以滿足上述功能應(yīng)用。本設(shè)計只要求硬件設(shè)計，采用功能較強的芯片以簡化電路，增強可靠性；冗余設(shè)計(考慮以后的擴展及修改)。設(shè)計高性能的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),需要對系統(tǒng)的每一局部都要周密考慮、精心設(shè)計,否那么難以實現(xiàn)設(shè)計目標(biāo)。應(yīng)該首先給出數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計中應(yīng)考慮的問題,并針對這些問題,從信號源開始到信號的調(diào)理、直至多路信號選擇、數(shù)字化器件及其與微計算機接口,最后到計算機,即從數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)始端到末端逐個環(huán)節(jié)進(jìn)行問題分析,根據(jù)分析結(jié)果以及經(jīng)驗給出解決問題的實用技術(shù)。2.4系統(tǒng)功能概述本課題正是針對市場的趨勢，通過充分運用單片機內(nèi)部資源，對多種參數(shù)測量、顯示和傳輸?shù)冗M(jìn)行了研究，設(shè)計了一套多路信號采集卡。基于C8051F020單片機的多路信號采集板卡，為信號采集提供了多種功能，以適應(yīng)可能遇到的不同測試條件。充分利用了C8051F020單片機豐富的硬件資源，使得進(jìn)一步擴展功能而不改變硬件電路成為了可能，硬件設(shè)計包括了單片機接口電路的設(shè)計和單片機作用對象的設(shè)計，在硬件電路的根底上，高質(zhì)量的軟件可使儀器的性能大為提高，其中包含如：中斷控制、定時、顯示、碼制轉(zhuǎn)換、自動量程轉(zhuǎn)換以及信號的采集、處理、輸出等程序。在設(shè)計時，軟硬件的配比問題得到了重視，較多的使用硬件來完成了一些功能，充分提高了工作速度，減少了軟件工作量。整個系統(tǒng)由單片機監(jiān)控電路、包括電源電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、I/O驅(qū)動電路、D/A輸出電路、串口電路、程序下載電路、鍵盤電路、液晶顯示電路、日歷時鐘電路、數(shù)據(jù)存儲電路和串口通訊等組成，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2.1所示。本系統(tǒng)執(zhí)行的過程如下：傳感器把采集的非電量信號轉(zhuǎn)換成電壓〔0-5V〕或電流〔4-20mA〕的標(biāo)準(zhǔn)信號，通過信號放大調(diào)理電路把模擬信號送到單片機內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器，CPU根據(jù)設(shè)定的采樣周期，對多路通道信號進(jìn)行循環(huán)采集，并讀取A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號，進(jìn)行分析計算后將實測值送到液晶上指定的位置顯示，同時通過鍵盤控制把有用的數(shù)據(jù)及采樣時間存儲在E2PROM中，同時PWM輸出，D/A輸出驅(qū)動外部電路，最后通過串行通訊把E2PROM中的數(shù)據(jù)傳送到PC機。信號放大電路信號放大電路傳感器采集的標(biāo)準(zhǔn)信號信號調(diào)整電路E2PROM存儲鍵盤電路光電隔離液晶顯示數(shù)碼管顯示串行通信時鐘電路A/D轉(zhuǎn)換CPU處理PWM輸出驅(qū)動電路D/A輸出PC機信號處理線性隔離開關(guān)量信號圖2.1系統(tǒng)功能圖2.5系統(tǒng)主要模塊的選擇2.5.1單片機的選型單片機是數(shù)據(jù)采集器的核心，因此單片機的選型很重要。本系統(tǒng)要求具有高可靠性，防震、防水、防塵、寬范圍的工作溫度；各種信息的采集與存貯必須準(zhǔn)確可靠，不易喪失、破壞。因此選用的單片機應(yīng)具有集成度高、穩(wěn)定性可靠性高、抗干擾能力強、控制靈活、易于開發(fā)等特點。C8051Fxxx系列單片機是美國CYGNAL集成產(chǎn)品公司最近推出的功能強大的混合信號系統(tǒng)級(SOC)高速芯片。它共有4個子系列：C8051F0xx系列、C8051F02x系列、C8051F2xx系列和C8051F3xx系列。本系統(tǒng)選用C8051F02x系列的C805IF020單片機作為核心部件。C8051F02x系列單片機是集成在一塊芯片上的混合信號系統(tǒng)級單片機。芯片上有64位數(shù)字I/O口〔C8051F020/2〕或32位數(shù)字I/O口〔C8051F021/3〕。在本系統(tǒng)中，選擇美國CYGNAL公司新推出的一種兼容MCS-51內(nèi)核的C8051F020單片機作為整個系統(tǒng)控制的核心控制單元。之所以選擇該款單片機，是因為第一、二代單片機芯片構(gòu)成控制系統(tǒng)時，由于片內(nèi)存儲器品種單一、容量有限，常需要通過外部存儲器芯片以及隨機讀寫靜態(tài)存儲器芯片來擴展存儲器的容量。此外，為了擴展靜態(tài)存儲器容量，有時還必須增加地址鎖存器芯片，用以鎖存地址/數(shù)據(jù)分時復(fù)用引腳的地址信息，失去了使用單片機芯片的意義。另外，由于本系統(tǒng)至少需要6個I/O端口作為數(shù)據(jù)通訊的控制接口，而普通單片機一般只有4個I/O端口，難以滿足實際控制要求。因此我們選擇了C8051F020作為整個系統(tǒng)的控制部件，它具有以下特點：1〕指令運行速度高由于C8051F020單片機采用流水線機構(gòu)，廢除了機器周期的概念，指令以時鐘周期為運行單位，由標(biāo)準(zhǔn)的12個系統(tǒng)時鐘周期降到1個時鐘周期，處理能力大大提高，一般型號單片機的峰值速度可到達(dá)25兆/秒(MIPS)，在相同的時鐘下，指令運算速度比一般的80C51系列單片機提高大約10倍。70％的指令執(zhí)行時問為1個或2個系統(tǒng)時鐘周期，只有4條指令的執(zhí)行時間大于4個系統(tǒng)時鐘周期。2〕I/O端口功能采用軟件配置實現(xiàn)多數(shù)單片機的FO端口都是某個單功能或多功能的固定輸入輸出引腳，而在C8051F020單片機中，雖然耽I端口的通用根本輸入、輸出特性與標(biāo)準(zhǔn)8051是兼容的，但I(xiàn)/O端口的其他特殊功能那么是由軟件配置實現(xiàn)的，這樣極大地提高了端口配置的靈活性。用軟件配置的方法是引入了功能選擇開關(guān)(也稱交叉開關(guān))。這是一個數(shù)字開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，允許將內(nèi)部數(shù)字系統(tǒng)資源分配給端口I/O引腳，這種結(jié)構(gòu)可支持所有的功能組合，可通過設(shè)置交叉開關(guān)存放器，將片內(nèi)的計數(shù)器/定時器、串行接口總線等數(shù)字信號配置到I/0引腳。用戶可以根據(jù)需要選擇通道和所需的數(shù)字資源組合。每個端口引腳都可以被配置為推挽或漏極開路輸出，內(nèi)部“弱上拉〞可以通過軟件設(shè)置禁止，這樣可以進(jìn)一步降低功耗。3〕時鐘系統(tǒng)更加完美C8051F020單片機可以采用多種時鐘源。MCU內(nèi)部有一個能獨立工作的時鐘發(fā)生器，在復(fù)位后被默認(rèn)為系統(tǒng)時鐘，其時鐘振蕩頻率是可編程的，還可同時選擇外部時鐘源產(chǎn)生的時鐘。外部振蕩器可以使用晶體、陶瓷諧振器、電容、RC或外部時鐘源產(chǎn)生系統(tǒng)時鐘，并可實時切換。4〕可實現(xiàn)通過JTAG接口的在系統(tǒng)調(diào)試C8051F020單片機中配置了片內(nèi)JTAG接口和調(diào)試電路，完全符合IEEEll49．1標(biāo)準(zhǔn)，可為生產(chǎn)和測試提供完全的邊界掃描功能，可以實現(xiàn)對器件所有引腳及相應(yīng)引線的控制和觀察。JTAG接口使8位單片機傳統(tǒng)的仿真調(diào)試產(chǎn)生質(zhì)的變化(標(biāo)準(zhǔn)的MCU仿真器要使用在板仿真芯片和目標(biāo)電纜，還需要在應(yīng)用板上有MCU的插座，而C8051F020具有片內(nèi)JTAG和調(diào)試電路，通過4腳JTAG接口TCK、TMS、TDI、TDO并使用安裝在最終應(yīng)用系統(tǒng)中的器件就可以進(jìn)行非侵入式、全速的在系統(tǒng)調(diào)試，不需要額外的目標(biāo)RAM、程序存儲器和存放器)，在PC機軟件的支持下，通過片內(nèi)JTAG接口可直接對安裝在最終應(yīng)用系統(tǒng)上的產(chǎn)品MCU進(jìn)行非侵入式(不占用片內(nèi)資源)、實時在系統(tǒng)仿真調(diào)試。在調(diào)試時，所有的模擬和數(shù)字外設(shè)都可全功能運行。5〕多種復(fù)位方式傳統(tǒng)的80C51系列單片機通常只有通過RST引腳進(jìn)行復(fù)位這樣一種復(fù)位方法，而C8051F020提供了多達(dá)7個復(fù)位源：1個VDD片內(nèi)監(jiān)視器、一個看門狗定時器、1個時鐘失效監(jiān)測器、1個由比較器0提供的電壓監(jiān)測器、1個軟件強制復(fù)位、CNVSTR引腳及/RST引腳。除了VDD監(jiān)視器和復(fù)位輸入引腳以外，每個復(fù)位源都可以用軟件禁止。多復(fù)位源提高了系統(tǒng)的平安性、靈活性，并有利于零功耗設(shè)計。6〕進(jìn)一步降低了系統(tǒng)功耗C8051F020單片機采用了可降低系統(tǒng)功耗的多種方法，例如，采用3V(電壓范圍2．7v-3．6V)供電，完善的時鐘系統(tǒng)可在滿足響應(yīng)速度的要求下，使系統(tǒng)的平均時鐘頻率最低。由于功耗與電壓和頻率成正比，因而可方便地降低功耗：多種復(fù)位源可使系統(tǒng)在掉電方式下，方便、靈活地重新復(fù)位；片上外設(shè)都能單個關(guān)閉或全部關(guān)閉以節(jié)省功耗。具有片內(nèi)VDD監(jiān)視器、看門狗定時器和時鐘振蕩器的C8051F020是真正能獨立工作的片上系統(tǒng)。所有模擬和數(shù)字外設(shè)均可由用戶固件使能/禁止和配置。FLASH存儲器還具有在系統(tǒng)重新編程能力，可用于非易失性數(shù)據(jù)存儲，并允許現(xiàn)場更新8051固件片內(nèi)JTAG調(diào)試電路允許使用安裝在最終應(yīng)用系統(tǒng)上的產(chǎn)品MCU進(jìn)行非侵入式〔不占用片內(nèi)資源〕、全速、在系統(tǒng)調(diào)試。該調(diào)試系統(tǒng)支持觀察和修改存儲器和存放器，支持?jǐn)帱c、觀察點、單步及運行和停機命令。在使用JTAG調(diào)試時，所有的模擬和數(shù)字外設(shè)都可全功能運行。每個MCU都可在工業(yè)溫度范圍〔-45℃到+85℃〕內(nèi)用2.7V-3.6V的電壓工作。端口I/O、/RST和JTAG引腳都容許5V的輸入電壓信號。由于C8051F020的高集成度，防止了外擴ROM、RAM、A/D、D/A、Watchdog、可編程I/O口、E2PROM，簡化了硬件電路，為形成以C8051F020為核心的單片機系統(tǒng)創(chuàng)造了條件，從而可提高系統(tǒng)的可靠性?？梢奀8051F020單片機片內(nèi)功能強大，功耗和體積都很小，而且具備靈活的擴展能力，同時由于該芯片采用TQFP100貼片封裝，所以大大地節(jié)省了電路板的面積，采用高速8051作為整個系統(tǒng)的微控制器，提升了系統(tǒng)的整體性能。2.5.2液晶模塊的選擇作為人機接口重要環(huán)節(jié)之一的顯示器件近年來開展非常快，目前有發(fā)光二極管、數(shù)碼管、平板顯示器、陰極射線管(CRT)及液晶顯示器系列。液壓挖掘機早期使用發(fā)光二極管或數(shù)碼管顯示，由于顯示信息單調(diào)而有被液晶顯示器取代的趨勢。液晶顯示器在儀器儀表中得到廣泛應(yīng)用，它體積小、耗電低、顯示信息豐富，隨著批量的增大，價格也越來越低。由于本課題所設(shè)計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)用在比較廣泛，為了使用方便簡捷，所以選用了DMF12864J單色液晶顯示模塊，該模塊每屏可以顯示四行字，假設(shè)顯示更多內(nèi)容需要翻頁顯示。2.5.3時鐘芯片的選擇在信號采集系統(tǒng)中，特別是長時間無人職守的測控系統(tǒng)中，經(jīng)常需要記錄某些具有特殊意義的數(shù)據(jù)及其出現(xiàn)的時間。記錄及分析這些特殊意義的數(shù)據(jù)，對測控系統(tǒng)的性能分析及正常運行具有重要的意義。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)記錄方式是隔時采樣或定時采樣，沒有具體的時間記錄，因此只能記錄數(shù)據(jù)而無法準(zhǔn)確記錄其出現(xiàn)的時間；假設(shè)采用單片機計時，一方面需要采用計數(shù)器，占用硬件資源，另一方面需要設(shè)置中斷、查詢等，同樣消耗單片機的資源，而且某些測控系統(tǒng)可能不允許。而在系統(tǒng)中采用DS1302那么能很好地解決這個問題。采用DS1302作為記錄測控系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)記錄，其軟硬件設(shè)計簡單，時間記錄準(zhǔn)確，既防止了連續(xù)記錄的大工作量，又防止了定時記錄的盲目性，給連續(xù)長時間的測量、控制系統(tǒng)的正常運行及檢查都來了很大的方便，可廣泛應(yīng)用于長時間連續(xù)的測控系統(tǒng)中。2.5.4外擴存儲器模塊的選擇作為信號采集卡需要有許多數(shù)據(jù)〔如時鐘顯示的時間，電壓、電流、機車功率、發(fā)動機轉(zhuǎn)速等〕是變動的或可以通過正常手段修改的，但不能因系統(tǒng)中的干擾而改寫，更不能因停電等事件而喪失。串行E2PROM是當(dāng)前信號采集設(shè)計中最適宜的器件。不像EPROM芯片，EEPROM不需從計算機中取出即可修改。在一個EEPROM中，當(dāng)計算機在使用的時候是可頻繁地重編程的，EEPROM的壽命是一個很重要的設(shè)計考慮參數(shù)。EEPROM的一種特殊形式是閃存，其應(yīng)用通常是個人電腦中的電壓來擦寫和重編程。本系統(tǒng)選用Microchip公司生產(chǎn)的24LC16B來實現(xiàn)這種功能。24LC16B是具有I2C接口的E2PROM。其容量為2048×8位，分為8個頁面，每頁256字節(jié)。3信號采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計3.1C8051F020單片機介紹整個信號采集卡系統(tǒng)采用C8051F020單片機進(jìn)行控制。C8051F020是由SiliconLaboratories公司生產(chǎn)具有與MCS-51完全兼容的指令內(nèi)核的單片機。該系列單片機采用流水線處理技術(shù)，不再區(qū)分時鐘周期和機器周期，能在執(zhí)行指令期間預(yù)處理下一條指令，提高了指令執(zhí)行效率。而且型號單片機具備控制系統(tǒng)所需的模擬和數(shù)字外設(shè)，包括看門狗、ADC、DAC、電壓比較器、電壓基準(zhǔn)、定時器、PWM、定時器捕捉和方波輸出等，并具備多種總線接口，包括UART、SPI、SMBUS〔與IIC兼容〕等總線。C8051F系列單片機采用FlashROM技術(shù)，集成JTAG，支技在線編程，使系統(tǒng)軟件開發(fā)時間大大縮短。3.1.1C8051F020主要技術(shù)特點：高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的CIP-51內(nèi)核〔可達(dá)25MIPS〕；全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口〔片內(nèi)〕；12位、100ksps的8通道ADC，帶PGA和模擬多路開關(guān)；8位、500ksps的ADC，帶PGA和8通道模擬多路開關(guān)；兩個12位DAC，具有可編程數(shù)據(jù)更新方式；64KB可在系統(tǒng)編程的Flash存儲器；4352〔4096+256〕B的片內(nèi)RAM；可尋址64KB地址空間的外部數(shù)據(jù)存儲器接口；硬件實現(xiàn)的SPI、SMBus/IIC和兩個UART串行接口；5個通用的16位定時器；具有5個捕捉/比較模塊的可編程計數(shù)器/定時器陣列；片內(nèi)看門狗定時器、VDD監(jiān)視器和溫度傳感器；兩種可軟件編程的電源管理方式------空閑方式〔等待方式〕和停機方式〔掉電方式〕；C8051F020工作電壓2.7V-3.6V，端口I/O、/RST和JTAG引腳都容許5V的輸入信號電壓；與其它8位單片機相比，有更高的程序平安性；64個IO口，TQFP100封裝。引腳封裝如圖3.1所示。圖3.1C8051F020引腳圖3.1.2C8051F020主要組成及功能：1〕CIP-51微控制器內(nèi)核C8051F020單片機是完全集成的混合信號系統(tǒng)級芯片(SOC)，具有與8051兼容的高速ClP-51內(nèi)核，與MCS-51指令集完全兼容，片內(nèi)集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬、數(shù)字外設(shè)及其他功能部件；內(nèi)置FLASH程序存儲器、內(nèi)部RAM，大局部器件內(nèi)部還有位于外部數(shù)據(jù)存儲器空聞的RAM，即XRAM。C8051F020單片機具有片內(nèi)調(diào)試電路，通過4腳的JTAG接口可以進(jìn)行非侵入式、全速的在系統(tǒng)調(diào)試。C8051F020的MCU與標(biāo)準(zhǔn)的8051相比，在CPU內(nèi)核的內(nèi)部和外部有幾項關(guān)鍵性的改良，提高了整體性能，更易于應(yīng)用。2〕中斷系統(tǒng)擴展的中斷系統(tǒng)可響應(yīng)22個中斷源(標(biāo)準(zhǔn)8051只有5個中斷源)的中斷，在設(shè)計多任務(wù)實時系統(tǒng)時，這些增加的中斷源大大增加了單片機對外界復(fù)雜、多變情況的反響能力。3〕存儲器C8051F020單片機具有標(biāo)準(zhǔn)的8052的程序和數(shù)據(jù)地址配置。包括256B的核內(nèi)數(shù)據(jù)RAM，還有位于外部數(shù)據(jù)存儲器地址空間的4KB的RAM存儲區(qū)。C8051F020單片機中還有可用于訪問外部數(shù)據(jù)存儲器的外部存儲器接口(EMIF)。外部數(shù)據(jù)存儲器地址空間包括：片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器和片外數(shù)據(jù)存儲器，或兩者的組合，其中4KB以下的地址指向片內(nèi)，4KB以上的地址指向EMIF。EMIF可以被配置為地址／數(shù)據(jù)線復(fù)用方式或非復(fù)用方式。C8051F020的程序存儲器為64KB(不同型號容量不同)的FLASH存儲器，稱為閃存。該存儲器以512B作為一個扇區(qū)，可以在系統(tǒng)編程，且無需在片外提供編程電壓．4〕模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)張塊C8051F020單片機內(nèi)部有A/D轉(zhuǎn)換模塊，它們由逐次逼近型ADC、多通道模擬輸入選擇器和可編程增益放大器組成。采樣速率有100Ksps、500Ksps兩種種。轉(zhuǎn)換位數(shù)有8位、12位兩種。外部輸入通道數(shù)有8路，可被配置為單端輸入或差分輸入。所有A／D轉(zhuǎn)換模塊內(nèi)部都配了可以用軟件改變放大倍數(shù)的可編程增益放大器。C8051F020單片機內(nèi)部有兩個12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器，MCU可以將任何一個DAC置于低功耗關(guān)斷方式。有靈活的輸出更新機制，允許用軟件命令和定時器2、定時器3及其定時器4的溢出信號更新DAC的輸出。5〕并行接口C8051F020單片機的并行接口(即是一般單片機的通用I/O端口)的引腳數(shù)有64個，這些加端口的局部引腳可以通過軟件配置成不同的特殊功能。6〕串行接口C8051F020單片機除了具有全雙工UART串口之外，還增加了SPI總線和SMBus/I2C總線。每種串行總線口能向CIP-51發(fā)出中斷申請，因此很少需要CPU的干預(yù)。這些串行總線不“共享〞定時器、中斷或端口I/O，所以可以使用任何一個或全部同時使用。C8051F020MCU內(nèi)部有2個UART，這是增強型的全雙工UART，具有硬件地址識別和錯誤檢測功能。7〕定時器和可編程計數(shù)器陣列在C8051F020單片機中具有5個通用計數(shù)器/定時器，還具有一個片內(nèi)可編程計數(shù)器/定時器陣列PCA。PCA包括1個專用的16位計數(shù)器/定時器時間基準(zhǔn)和5個可編程的捕捉比較模塊。時間基準(zhǔn)的時鐘可以選擇6種時鐘源。每個捕捉/比較模塊都有6種工作方式：邊沿觸發(fā)捕捉、軟件定時器、高速輸出、8位脈沖寬度調(diào)制器、頻率輸出、16位脈沖寬度調(diào)制器。其芯片示意圖如圖3.2所示，C8051F020原理框圖如3.3所示。圖3.2C8051F020芯片示意圖圖3.3C8051F020原理框圖由于其運行速度快，且集成了A/D等功能，完全滿足系統(tǒng)采樣與控制的速度要求，而且可減少外圍電路的數(shù)量、提高可靠性、減少重量，是構(gòu)本錢采集系統(tǒng)的理想CPU。3.2時鐘電路DS1302是美國DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗、帶RAM的實時時鐘電路，它可以對年、月、日、周日、時、分、秒進(jìn)行計時，具有閏年補償功能，工作電壓為2.5V～5.5V。采用三線接口與CPU進(jìn)行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個字節(jié)的時鐘信號或RAM數(shù)據(jù)。DS1302內(nèi)部有一個31×8的用于臨時性存放數(shù)據(jù)的RAM存放器。DS1302是DS1202的升級產(chǎn)品，與DS1202兼容，但增加了主電源/后備電源雙電源引腳，同時提供了對后備電源進(jìn)行涓細(xì)電流充電的能力。DS1302存在時鐘精度不高，易受環(huán)境影響，出現(xiàn)時鐘混亂等缺點。DS1302可以用于數(shù)據(jù)記錄，特別是對某些具有特殊意義的數(shù)據(jù)點的記錄，能實現(xiàn)數(shù)據(jù)與出現(xiàn)該數(shù)據(jù)的時間同時記錄。這種記錄對長時間的連續(xù)采集系統(tǒng)結(jié)果的分析及對異常數(shù)據(jù)出現(xiàn)的原因的查找具有重要意義。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)記錄方式是隔時采樣或定時采樣，沒有具體的時間記錄，因此，只能記錄數(shù)據(jù)而無法準(zhǔn)確記錄其出現(xiàn)的時間；假設(shè)采用單片機計時，一方面需要采用計數(shù)器，占用硬件資源，另一方面需要設(shè)置中斷、查詢等，同樣消耗單片機的資源，而且，某些采集系統(tǒng)可能不允許。但是，如果在系統(tǒng)中采用時鐘芯片DS1302，那么能很好地解決這個問題，時鐘電路如圖3.4所示。圖3.4時鐘電路DS1302的引腳排列,其中VCC1為后備電源，VCC2為主電源。在主電源關(guān)閉的情況下，也能保持時鐘的連續(xù)運行。DS1302由Vcc1或Vcc2兩者中的較大者供電。當(dāng)Vcc2大于Vcc1+0.2V時，Vcc2給DS1302供電。當(dāng)Vcc2小于Vcc1時，DS1302由Vcc1供電。X1和X2是振蕩源，外接32.768kHz晶振。RST是復(fù)位/片選線，通過把RST輸入驅(qū)動置高電平來啟動所有的數(shù)據(jù)傳送。RST輸入有兩種功能：首先，RST接通控制邏輯，允許地址/命令序列送入移位存放器；其次，RST提供終止單字節(jié)或多字節(jié)數(shù)據(jù)的傳送手段。當(dāng)RST為高電平時，所有的數(shù)據(jù)傳送被初始化，允許對DS1302進(jìn)行操作。如果在傳送過程中RST置為低電平，那么會終止此次數(shù)據(jù)傳送，I/O引腳變?yōu)楦咦钁B(tài)。上電運行時，在VCC>2.0V之前，RST必須保持低電平。只有在SCLK為低電平時，才能將RST置為高電平。I/O為串行數(shù)據(jù)輸入輸出端(雙向)，后面有詳細(xì)說明。SCLK為時鐘輸入端。3.3復(fù)位電路復(fù)位電路允許很容易地將控制器置于一個預(yù)定的缺省狀態(tài)。在進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)時，將發(fā)生以下過程：1〕CIP-51停止程序執(zhí)行；2〕特殊功能存放器〔SFR〕被初始化為所定義的復(fù)位值；3〕外部端口引腳被置于一個狀態(tài)；4〕中斷和定時器被禁止。所有的SFR都被初始化為預(yù)定值，SFR中各位的復(fù)位值在SFR的詳細(xì)說明中定義。在復(fù)位期間內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器的內(nèi)容不發(fā)生改變，復(fù)位前存儲的數(shù)據(jù)保持不變。但由于堆棧指針SFR被復(fù)位，堆棧實際上已喪失，盡管堆棧中的數(shù)據(jù)未發(fā)生變化。I/O端口鎖存器的復(fù)位值為0xFF〔全部為邏輯‘1’〕，內(nèi)部弱上拉有效，使外部I/O引腳處于高電平狀態(tài)。外部I/O引腳并不立即進(jìn)入高電平狀態(tài)，而是在進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)后的四個系統(tǒng)時鐘之內(nèi)。注意：在復(fù)位期間弱上拉是被禁止的，在器件退出復(fù)位狀態(tài)時弱上拉被使能。這就使得在器件保持在復(fù)位狀態(tài)期間可以節(jié)省功耗。對于VDD監(jiān)視器復(fù)位，/RST引腳被驅(qū)動為低電平，直到VDD復(fù)位超時結(jié)束。在退出復(fù)位狀態(tài)時，程序計數(shù)器〔PC〕被復(fù)位，MCU使用內(nèi)部振蕩器運行在2MHz作為默認(rèn)的系統(tǒng)時鐘?？撮T狗定時器被使能，使用其最長的超時時間。一旦系統(tǒng)時鐘源穩(wěn)定，程序從地址0x0000開始執(zhí)行。有7個能使MCU進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)的復(fù)位源：上電/掉電、外部/RST引腳、CNVSTR信號、軟件命令、比較器0、時鐘喪失檢測器及看門狗定時器。本系統(tǒng)采用外部/RST引腳提供了使用外部電路強制MCU進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)的手段，復(fù)位電路示意圖如圖3.5所示。圖3.5復(fù)位電路當(dāng)電源剛開始送電瞬間，電容C9相當(dāng)于短路，RST端輸入高電平，C8051F020復(fù)位。短路瞬間之后，C9充電，RST端低電平。C8051F020需要復(fù)位時，按下手動復(fù)位鍵K2，電容C9通過R22放電，當(dāng)電容C9放電結(jié)束后，C8051F020進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)，松手后，電容C9充電，RST端高電位下降，CPU脫離復(fù)位狀態(tài)。R22的作用在于限制K2按下瞬間電容C9放電電流，防止產(chǎn)生火花，以保護(hù)K2的觸點。3.4運算放大電路傳感器送來的信號一般都是比較微弱或具有交流噪音等干擾信號，在本系統(tǒng)中，來自傳感器的模擬信號都需要進(jìn)行放大處理，為了防止各種干擾信號進(jìn)入單片機和偶爾出現(xiàn)的電壓、電流強沖擊信號直接進(jìn)入單片機，在本系統(tǒng)的模擬輸入端口設(shè)計了防止干擾信號和沖擊信號進(jìn)入單片機的接口電路。在接口電路中采用了兩片LM324芯片，每個LM324芯片中含有4個運算放大器，每個運算放大器組成一個接口電路，具體電路如圖3.6所示。圖3.6運算放大電路3.5電壓比例調(diào)整電路一般來說進(jìn)入單片機的狀態(tài)參數(shù)(模擬量和開關(guān)量)信號均需通過各自相應(yīng)的傳感器采集和處理后才能輸入單片機。主發(fā)電壓、主發(fā)電流、6路勵磁電流等8個模擬量由相應(yīng)傳感器根據(jù)工作參數(shù)的變化采集到連續(xù)0-5V的直流電壓。由于本系統(tǒng)采用的ADC的電壓轉(zhuǎn)換范圍為0－VREFV，其中VREF=2.4V(VREF為內(nèi)部基準(zhǔn)電壓)，所以這些0-5V的電壓信號經(jīng)過運放電路、放大濾波輸入ADC之前必須加一個電壓比例調(diào)整電路，調(diào)整為0-2.4V的模擬電壓后再送到A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端，進(jìn)而轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制碼數(shù)字供應(yīng)單片機的中央處理單元進(jìn)行數(shù)字和邏輯運算，電壓比例調(diào)整電路如圖3.7所示。圖3.7電壓比例調(diào)整與單片機接口電路3.6A/D轉(zhuǎn)換電路隨著數(shù)字技術(shù)，特別是信息技術(shù)的飛速開展與普及，在現(xiàn)代控制、通信及檢測等領(lǐng)域，為了提高系統(tǒng)的性能指標(biāo)，對信號的處理廣泛采用了數(shù)字計算機技術(shù)。由于系統(tǒng)的實際對象往往都是一些模擬量〔如溫度、壓力、位移、圖像等〕，要使計算機或數(shù)字儀表能識別、處理這些信號，必須首先將這些模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號；而經(jīng)計算機分析、處理后輸出的數(shù)字量也往往需要將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)模擬信號才能為執(zhí)行機構(gòu)所接受。這樣，就需要一種能在模擬信號與數(shù)字信號之間起橋梁作用的電路--模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器。本系統(tǒng)采用的C8051F020主芯片自身帶有A/D轉(zhuǎn)換單元，可以用來對前端模擬電路采集到的模擬信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，原理框圖如圖3.8所示。圖3.8ADC原理框圖AMUX0、PGA0、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方式及窗口檢測器都可用軟件通過圖3-8所示的特殊功能存放器來控制。只有當(dāng)ADC0控制存放器中的AD0EN位被置‘1’時ADC0子系統(tǒng)〔ADC0、跟蹤保持器和PGA0〕才被允許工作。當(dāng)AD0EN位為‘0’時，ADC0子系統(tǒng)處于低功耗關(guān)斷方式。3.7D/A輸出電路數(shù)字量是用代碼按數(shù)位組合起來表示的，對于有權(quán)碼，每位代碼都有一定的位權(quán)。為了將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，必須將每1位的代碼按其位權(quán)的大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，然后將這些模擬量相加，即可得到與數(shù)字量成正比的總模擬量，從而實現(xiàn)了數(shù)字—模擬轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)采用的C8051F020主芯片有兩個片內(nèi)12位電壓方式數(shù)/模轉(zhuǎn)換器〔DAC〕，DAC0和DAC1的功能圖如圖3.9、3.10所示。圖3.9DAC0功能框圖圖3.10DAC1功能框圖圖3.11D/A輸出電路DAC輸出電路如圖3.11所示，每個DAC的輸出擺幅均為0V到〔VREF-1LSB〕，對應(yīng)的輸入碼范圍是0x000到0xFFF。每個DAC的電壓基準(zhǔn)在VREFD〔C8051F020〕引腳提供。為了使DAC輸出有效，使用內(nèi)部電壓基準(zhǔn)。DAC輸出的信號經(jīng)過LM324運算放大，再到光隔芯片HCNR200，HCNR200是由發(fā)光二極管D1、反響光電二極管D2、輸出光電二極管D3組成。當(dāng)D1通過驅(qū)動電流If時，發(fā)出紅外光(伺服光通量)。該光分別照射在D2、D3上，反響光電二極管吸收D2光通量的一局部，從而產(chǎn)生控制電流I1(I1=0.005If)。該電流用來調(diào)節(jié)If以補償D1的非線性。輸出光電二極管D3產(chǎn)生的輸出電流I2與D1發(fā)出的伺服光通量成線性比例。令伺服電流增益K1=I1/If，正向增益K2=I2/If；那么傳輸增益K3=K2/K1=I2/I1，K3的典型值為1，Uout/Uin=R78/R80。3.8電源電路電源〔VCC〕是整個開發(fā)板正常工作的動力源泉。電源電壓過大會大大縮短芯片的工作壽命，嚴(yán)重的會燒毀芯片及其它元器件；過小將不能驅(qū)動實驗板工作電路。因此設(shè)定適宜的電源電壓值非常重要。本系統(tǒng)主要芯片工作電壓均+3.3V左右。電壓基準(zhǔn)電路為控制ADC和DAC模塊工作提供了靈活性。有三個電壓基準(zhǔn)輸入引腳，允許每個ADC和兩個DAC使用外部電壓基準(zhǔn)或片內(nèi)電壓基準(zhǔn)輸出。通過配置VREF模擬開關(guān)，ADC0還可以使用DAC0的輸出作為內(nèi)部基準(zhǔn)，ADC1可以使用模擬電源電壓作為基準(zhǔn)，本系統(tǒng)電源由外部直流變壓器提供，變壓器輸出+5V，該電壓被直接提供應(yīng)液晶顯示器及其背光電路所需的逆變器作為工作電壓。另外，該直流輸出電壓經(jīng)過電源調(diào)整芯片產(chǎn)生系統(tǒng)所需要的電壓+3.3V，該+3.3V為微處理器C8051F020提供電壓，電源調(diào)整芯片采用SPX29302T5型，電源電路如圖3.12所示。圖3.12電源電路3.9液晶接口電路本系統(tǒng)采用了液晶顯示，DM12864J是一種圖形點陣液晶顯示器，它采用的控制器是KS0107型，主要采用動態(tài)驅(qū)動原理由行驅(qū)動控制器和列驅(qū)動控制器兩局部組成了128〔列〕×64〔行〕的全點陣液晶顯示。它的主要特性有以下幾點：1〕工作電壓為+5V，可自帶驅(qū)動LCD所需的負(fù)電壓。2〕全屏幕點陣，點陣數(shù)是128〔列〕×64〔行〕個〔16×16點陣〕漢字，也可完成字符、圖形的顯示。3〕與CPU接口采用5條位控制總線和8位并行數(shù)據(jù)總線輸入輸出。4〕內(nèi)部有顯示數(shù)據(jù)鎖存器。5〕簡單的操作指令顯示開關(guān)設(shè)置，顯示起始行設(shè)置，地址指針設(shè)置和數(shù)據(jù)讀/寫等指令。液晶模塊的引腳說明見表3-1所示。表3-1DM12864J液晶模塊的引腳特性引腳號引腳名稱級別引腳功能描述1VSS0V電源地2VDD+5V電源電壓3VLCD0～-10VLCD驅(qū)動負(fù)電壓，要求VDD-VLCD=13V4RSH/L存放器選擇信號5R/WH/L讀/寫操作選擇信號6EH/L使能信號7DB0H/L八位三態(tài)并行數(shù)據(jù)總線8DB19DB210DB311DB412DB513DB614DB715CS1H/L片選信號，當(dāng)CS1=H時,液晶左半屏顯示16CS2H/L片選信號，當(dāng)CS2=H時,液晶右半屏顯示17/RESH/L復(fù)位信號,低有效18VEE-10V輸出-10V的負(fù)電壓(單電源供電)19LED+(EL)+5V背光電源,Idd≤200mA20LED-(EL0V單片機與該液晶顯示模塊的連接方法有兩種，一種是直接訪問方式，另一種是間接控制方式。本系統(tǒng)采用間接控制，8位數(shù)據(jù)接口方式，DMF12864J顯示模塊與單片機的間接接口電路如圖3.13所示。圖3.13液晶顯示接口電路雖然C8051F020器件的數(shù)字輸入是5V兼容的，但輸出的最大電壓值為VDD(2.7V-3.6V)。液晶顯示器是一個5V器件，需要一個高于該VDD的輸入電壓才能工作，所以需要一個接口電路來驅(qū)動液晶顯示器。為了提供一個比VDD高的輸入電壓，將端口引腳的輸出設(shè)置為漏極開路方式，并將輸出端通過上拉電阻接到5V電源。這樣C8051F020的邏輯“1〞輸出將被提升到5V，而邏輯“0〞為地。另外，本系統(tǒng)要求液晶顯示器工作在寬溫條件下，所以需要連接負(fù)電源，圖中的電位器為V0提供了可調(diào)的驅(qū)動電壓，用以實現(xiàn)顯示比照度的調(diào)節(jié)。3.10數(shù)碼管顯示電路本系統(tǒng)還運用了數(shù)碼管動態(tài)顯示，數(shù)碼管動態(tài)顯示接口是單片機中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式之一，動態(tài)驅(qū)動是將所有數(shù)碼管的8個顯示筆劃"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端連在一起，另外為每個數(shù)碼管的公共極COM增加位選通控制電路，位選通由各自獨立的I/O線控制，當(dāng)單片機輸出字形碼時，所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個數(shù)碼管會顯示出字形，取決于單片機對位選通COM端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制翻開，該位就顯示出字形，沒有選通的數(shù)碼管就不會亮。通過分時輪流控制各個數(shù)碼管的的COM端，就使各個數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動態(tài)驅(qū)動，數(shù)碼管顯示電路如圖3.14所示。圖3.14數(shù)碼管電路在輪流顯示過程中，每位數(shù)碼管的點亮?xí)r間為1～2ms，由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)，盡管實際上各位數(shù)碼管并非同時點亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會有閃爍感，動態(tài)顯示的效果和靜態(tài)顯示是一樣的，能夠節(jié)省大量的I/O端口，而且功耗更低。本設(shè)計用4個8550三極管作為驅(qū)動，它是一種低電壓,大電流,小信號的PNP型硅三極管。3.11鍵盤電路鍵盤是人與信號采集系統(tǒng)聯(lián)系的重要手段，用于向CPU輸入運行參數(shù)，控制系統(tǒng)的運行狀態(tài)。本系統(tǒng)采用4×4鍵盤，使用一個8位的接口，外接16個按鍵，其與單片機接口電路如圖3.15所示。當(dāng)用手按下一個鍵時，往往會出現(xiàn)所按鍵在閉合位置和斷開位置之間跳幾下才穩(wěn)定到閉合狀態(tài)的情況，在釋放一個鍵時，也會出現(xiàn)類似的情況。這就是鍵抖動，抖動時間持續(xù)不一，與開關(guān)的機械特性有關(guān)，通常不會大于l0ms。假設(shè)抖動問題不解決，就會引起對閉合鍵的屢次讀入。為保證鍵掃描的正確，需進(jìn)行去抖動處理。去抖動有硬件和軟件兩種方法。硬件方法就是在鍵盤中附加去抖動電路，如R-S觸發(fā)器或單穩(wěn)態(tài)電路，從根本上消除抖動產(chǎn)生的可能性。本系統(tǒng)中采用硬件方法消除抖動影響。圖3.15鍵盤電路3.12流水燈電路對于開關(guān)量的采集，本系統(tǒng)設(shè)計了一款簡易的流水燈，它是由8個發(fā)光二極管組成，流水燈電路圖如圖3.16所示。圖3.16流水燈電路從流水燈電路圖中可以看出，如果要讓接在P7.0口的LED1亮起來，那么只要把P7.0口的電平變?yōu)榈碗娖骄涂梢粤?；相反，如果要接在P7.0口的LED1熄滅，就要把P7.0口的電平變?yōu)楦唠娖剑煌?，接在P7.1～P7.7口的其他7個LED的點亮和熄滅的方法同LED1。因此，要實現(xiàn)流水燈功能，只要將發(fā)光二極管LED1～LED8依次點亮、熄滅，8只LED燈便會一亮一暗的做流水燈了。在此還應(yīng)注意一點，由于人眼的視覺暫留效應(yīng)以及單片機執(zhí)行每條指令的時間很短，在控制二極管亮滅的時候應(yīng)該延時一段時間，否那么我們就看不到“流水〞效果了。3.13存儲電路EEPROM--一種掉電后數(shù)據(jù)不喪失的存儲芯片,EEPROM可以在電腦上或?qū)Ｓ迷O(shè)備上擦除已有信息，重新編程，一般用在即插即用。本系統(tǒng)選用24LC16B芯片實現(xiàn)這種功能，24LC16B芯片的電氣特性：工作電壓范圍：2.5-5.5V；最大時鐘頻率：400kHz；2線串行接口總線，兼容I2C；擦寫次數(shù)可達(dá)1,000,000次；數(shù)據(jù)保存超過200年；靜電保護(hù)電壓>4,000V，24LC16B與單片機具體的接口電路如圖3.17所示。圖3.17存儲電路芯片引腳的功能介紹：1〕A0，A1，A2芯片地址輸入引腳在對不同的片選位進(jìn)行組合之后，連接到同一條總線上的器件最多可達(dá)八個，大局部應(yīng)用中，片選地址輸入引腳A0、A1和A2直接連到邏輯‘0’或邏輯‘1’。對于這些引腳由微控制器或其他的可編程器件控制的應(yīng)用，片選地址輸入引腳必須在器件能夠繼續(xù)正常工作之前驅(qū)動為邏輯‘0’或邏輯‘1’。2〕串行數(shù)據(jù)〔SDA〕引腳串行數(shù)據(jù)引腳為雙向引腳，用于把地址和數(shù)據(jù)輸入/輸出器件。該引腳為漏極開路。因此，SDA總線要求在該引腳與VCC之間接入上拉電阻〔通常頻率為100kHz時該電阻阻值為10KΩ，頻率為400kHz和1MHz時，阻值為2kΩ〕。對于正常的數(shù)據(jù)傳輸，只允許在SCL為低電平期間改變SDA電平。而SDA電平在SCL高電平期間假設(shè)發(fā)生變化，說明起始和停止條件產(chǎn)生。3〕串行時鐘〔SCL〕該輸入引腳用于數(shù)據(jù)傳輸同步。4〕寫保護(hù)〔WP〕引腳該引腳必須連接到VSS或者VCC。如果連接到VSS，寫操作使能。如果連接到VCC，寫操作被禁止，但讀操作不受影響。5〕電源輸入〔VCC〕引腳標(biāo)稱條件下，如果VCC低于1.5V，那么VCC閾值檢測電路會禁止內(nèi)部的擦寫邏輯。3.14串口通信電路3.14.1RS-232C通信電路RS-232C標(biāo)準(zhǔn)時美國電子工業(yè)協(xié)會〔EIA〕與BELL等公司一起開發(fā)的1969年公布的通信協(xié)議。本系統(tǒng)采用的是MAX232芯片，MAX232芯片是美信公司專門為電腦的RS-232C標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計的單電源電平轉(zhuǎn)換芯片,它的內(nèi)部有電壓倍增電路和轉(zhuǎn)換電路，只需+5V電源便可實現(xiàn)RS-232C與TTL電平轉(zhuǎn)換，使用起來方便，一個芯片可連接兩對收/發(fā)信號線連接圖如圖3.18所示。使用+5v單電源供電，TXD和RXD與C8051F020的串行通訊引腳相連接，而PCTXD和PCRXD與一個9針插頭插座相連接，具體連接為PCRXD(2),PCTXD(3)。同時，9針插頭插座的第5管腳接地，形成一個最簡單的串行異步通訊的連接方式。這個串口就是單片機與PC進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊的通信接口。圖3.18RS-232C通信電路第一局部是電荷泵電路。由1、2、3、4、5、6腳和4只電容構(gòu)成。功能是產(chǎn)生+12v和-12v兩個電源，提供應(yīng)RS-232串口電平的需要。第二局部是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通道。由7、8、9、10、11、12、13、14腳構(gòu)成兩個數(shù)據(jù)通道。其中13腳〔R1IN〕、12腳〔R1OUT〕、11腳〔T1IN〕、14腳〔T1OUT〕為第一數(shù)據(jù)通道。8腳〔R2IN〕、9腳〔R2OUT〕、10腳〔T2IN〕、7腳〔T2OUT〕為第二數(shù)據(jù)通道。TTL/CMOS數(shù)據(jù)從T1IN、T2IN輸入轉(zhuǎn)換成RS-232數(shù)據(jù)從T1OUT、T2OUT送到電腦DB9插頭；DB9插頭的RS-232數(shù)據(jù)從R1IN、R2IN輸入轉(zhuǎn)換成TTL/CMOS數(shù)據(jù)后從R1OUT、R2OUT輸出。第三局部是供電。15腳GND、16腳VCC〔+5v〕。RS-485通信電路RS-485接口具有良好的抗噪聲干擾性，長的傳輸距離和多站能力等上述優(yōu)點就使其成為首選的串行接口。不用MODEM的情況下，在100kbit/s的速率時，可傳送的距離為1.2km,假設(shè)速率降到9600bit/s,那么傳送距離可達(dá)15km.它允許的最大速率可達(dá)10Mbit/s。RS485允許平衡電纜上連接32個發(fā)送器/接收器對，因此RS485適用于多點通信系統(tǒng)中。RS-485的電氣特性：邏輯"1"以兩線間的電壓差為+〔2-6〕V表示；邏輯"0"以兩線間的電壓差為-〔2-6〕V表示。接口信號電平比RS-232-C降低了，就不易損壞接口電路的芯片，且該電平與TTL電平兼容，可方便與TTL電路連接。本系統(tǒng)采用的是SP485ee芯片，SP485ee芯片與流行的標(biāo)準(zhǔn)RS-485芯片管腳對應(yīng)相同，而且包含更高的ESD保護(hù)和高接收器輸入阻抗等性能。接收器輸入高阻抗可以使400個收發(fā)器接到同一條傳輸線上，又不會引起RS-485驅(qū)動器信號的衰減，RS-485通信電路如圖3.19所示圖3.19RS-485通信電路微處理器的標(biāo)準(zhǔn)串行口通過RXD直接連接SP485ee芯片的RO引腳，通過TXD直接連接SP485R芯片的DI引腳。由微處理器輸出的R/D信號直接控制SP485R芯片的發(fā)送器/接收器使能：R/D信號為"1"，那么SP485R芯片的接送器有效，接收器禁止，此時微處理器可以向RS-485總線發(fā)送數(shù)據(jù)字節(jié)；R/D信號為"0"，那么SP485R芯片的接送器禁止，接收器有效，此時微處理器可以接收來自RS-485總線的數(shù)據(jù)字節(jié)。3.14.3SPI通信電路SPI總線系統(tǒng)是一種同步串行外設(shè)接口，它可以使MCU與各種外圍設(shè)備以串行方式進(jìn)行通信以交換信息。SPI，是一種高速的，全雙工，同步的通信總線，并且在芯片的管腳上只占用四根線，節(jié)約了芯片的管腳，同時為PCB的布局上節(jié)省空間，提供方便，正是出于這種簡單易用的特性，現(xiàn)在越來越多的芯片集成了這種通信協(xié)議，SPI模式采用主從方式配置，包括一個主設(shè)備和一個或多個從設(shè)備。SPI的接口相對簡單．只需四條連接線就可以完成數(shù)據(jù)的發(fā)進(jìn)和接收。這4條數(shù)據(jù)線分別是：MOSI〔數(shù)據(jù)輸入〕，MISO〔數(shù)據(jù)輸出〕，SCLK〔時鐘〕，CS〔片選〕。本系統(tǒng)采用M25P10芯片串行閃存容量為512Kb～128Mb可選擇，具有先進(jìn)的寫保護(hù)機制，支持速度高達(dá)50MHz的SPI兼容總線的存取操作。這一系列閃存IC的工作電壓范圍為2．7～3．6V，工作溫度范圍為一40℃～+85℃。芯片可以采川2.7V-3.6V單電源供電，進(jìn)行編鞲與讀取操作。它可以通過CS引腳米進(jìn)行使能．并通過二線接口(SI、SO、SCK)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。SPI接口FLASH電路如圖3.20所示。圖3.20SPI接口FLASH其引卻及功能為：CS片選信號：用以選中芯片。當(dāng)忙s被設(shè)置為無效狀志時，芯片那么不被選中，并且處于閑置狀態(tài)(不是深度睡眠狀態(tài))。輸出引腳SO處丁高阻態(tài)。當(dāng)芯片未被選中時，從輸入引腳SI輸入的數(shù)據(jù)將不被接受。SCK串行時鐘：此引腳川來向芯片提供時鐘信號，用來控制數(shù)據(jù)流的出入。SI引腳上的命令、地址與輸入數(shù)據(jù)在時鐘SCK的上升沿被寫入，而SO引腳上的輸出數(shù)據(jù)那么在時鐘的下降沿變化，SI串行輸入：SI引腳用來向芯片以移位方式寫入數(shù)據(jù)。SI引腳上的所有數(shù)據(jù)輸入包括命令與地址。SI上的數(shù)據(jù)在時鐘的上升沿寫入芯片。SO串行輸出：SO引腳用米從芯片以移位方式輸出數(shù)據(jù)。SI上的數(shù)據(jù)在時鐘的下降沿變化。3.15光電隔離電路為減少采集系統(tǒng)工作時對控制器CPU產(chǎn)生噪聲干擾，本系統(tǒng)使用了HCPL-M601高速數(shù)字光電隔離器進(jìn)行信號隔離。光耦合器一般由三局部組成：光的發(fā)射、光的接收及信號放大，對輸入、輸出電信號起隔離作用，輸入的電信號驅(qū)動發(fā)光二極管〔LED〕，使之發(fā)出一定波長的光，被光探測器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過進(jìn)一步放大后輸出。這就完成了電—光—電的轉(zhuǎn)換，從而起到輸入、輸出、隔離的作用。由于光耦合器輸入輸出間互相隔離，電信號傳輸具有單向性等特點，因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。又由于光耦合器的輸入端屬于電流型工作的低阻組件，因而具有很強的共模抑制能力。HCPL-M601具有高共模抑制比：10000V/usatVCM=50V，高速：10Mbd，低輸入電流：5mA，工作溫度：-40℃～85℃，光電隔離局部電路模塊如圖3.21所示。圖3.21光電隔離3.16驅(qū)動電路主電路和控制電路之間，用來對控制電路的信號進(jìn)行放大的中間電路，稱為驅(qū)動電路。開關(guān)電源一般都采用脈沖寬度調(diào)制〔PWM〕技術(shù)，其特點是頻率高，效率高，功率密度高，可靠性高。驅(qū)動電路是控制電路與主電路的接口，同開關(guān)電源的可靠性、效率等性能密切相關(guān)。驅(qū)動電路需要有很高的快速性，能提供一定的驅(qū)動功率，并具有較高的抗干擾和隔離噪聲能力。驅(qū)動信號施加在開關(guān)器件的柵極-源極(MOSFET)間，在全橋電路中，不同開關(guān)器件的源極問的電位差很大，而且在高速變化，因此，驅(qū)動電路還要具備隔離功能。驅(qū)動控制模塊的設(shè)計思想是利用C8051F020定時器產(chǎn)生的PWM信號，經(jīng)過工作在開關(guān)狀態(tài)下的場效應(yīng)管，產(chǎn)生驅(qū)動能力很強的信號，來控制電機。晶體管BC846作為二級驅(qū)動，起到功率放大作用，PWM輸出電路模塊如圖3.22所示。圖3.22驅(qū)動電路功率管IRF540開啟電壓20V，所以加20V穩(wěn)壓管進(jìn)行穩(wěn)壓。兩個肖特基二極管起保護(hù)作用。肖特基二極管反向恢復(fù)時間很短，小于7nS，即在做整流時，假設(shè)從正電壓變?yōu)樨?fù)電壓，它從導(dǎo)通變?yōu)榻刂恋臅r間不會超過7nS。工作過程為：PWM為正，HCPL-M600導(dǎo)通，BC846截止，穩(wěn)壓管導(dǎo)通，場效應(yīng)管導(dǎo)通。反之那么反。功率管IRF540的主要特性參數(shù)有：漏極與源極之間電壓VDS=100V，柵極與源極之間電壓VGS=±20V，漏極電流ID=23A〔TC=100℃〕或ID=33A〔TC=55℃，TC是器件工作的環(huán)境溫度〕，器件開啟時間ton=100ns,關(guān)斷時間toff=145ns?？梢娫撈骷憫?yīng)快，工作范圍廣〔工作環(huán)境溫度從室溫到100℃〕，功率大，滿足輸出電路的功率要求。因此，通過原理分析及設(shè)計計算，這種PWM輸出及驅(qū)動電路和開關(guān)電源選擇是滿足要求的。3.17JTAG調(diào)試電路每個MCU都有一個片內(nèi)JTAG接口和邏輯，提供生產(chǎn)和在系統(tǒng)測試所需要的邊界掃描功能，支持閃存的讀和寫操作以及非侵入式在系統(tǒng)調(diào)試。在PC機軟件的支持下，通過片內(nèi)JTAG接口可直接對安裝在最終應(yīng)用系統(tǒng)上的產(chǎn)品MCU進(jìn)行非侵入式(不占用片內(nèi)資源)、實時在系統(tǒng)仿真調(diào)試。在調(diào)試時，所有的模擬和數(shù)字外設(shè)都可全功能運行。JTAG接口使用MCU上的四個專用引腳，它們是：TCK、TMS、TDI和TDO。通過16位JTAG指令存放器〔IR〕可以發(fā)出8種指令，MCU中有三個與JTAG邊界掃描相關(guān)的數(shù)據(jù)存放器和四個與FLASH讀/寫操作相關(guān)的存放器，JTAG電路如圖3.23所示。圖3.23JTAG電路TMS:帶內(nèi)部上拉的JTAG測試模式選擇;TCK:帶內(nèi)部上拉的JTAG測試時鐘;TDI:帶內(nèi)部上拉的JTAG測試數(shù)據(jù)輸入，TDI在TCK上升沿被鎖存;TDO:帶內(nèi)部上拉的JTAG測試數(shù)據(jù)輸出，數(shù)據(jù)在TCK的下降沿從TDO引腳輸出,TDO輸出是一個三態(tài)驅(qū)動器。4電路PCB的制作在任何開關(guān)電源設(shè)計中，PCB板的物理設(shè)計都是最后一個環(huán)節(jié)，如果設(shè)計方法不當(dāng)，PCB可能會輻射過多的電磁干擾，造成電源工作不穩(wěn)定，以下針對各個步驟中所需注意的事項進(jìn)行分析。4.1硬件抗干擾技術(shù)4.1.1硬件干擾來源干擾源是指產(chǎn)生干擾的元件、設(shè)備或信號，用數(shù)學(xué)語言描述如下：du/dt，di/dt大的地方就是干擾源。如：雷電、繼電器、可控硅、電機、高頻時鐘等都可能成為干擾源。溫度控制系統(tǒng)控制器的干擾來源主要有三條途徑：電磁感應(yīng)、傳輸通道和電源線。其中電磁感應(yīng)干擾來源比較復(fù)雜，但在一般情況下，其干擾的強度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于從傳輸通道和電源線上進(jìn)入的干擾。對于電磁干擾可用屏蔽和正確的接地加以解決?？紤]到控制器的屏蔽條件良好，所以電磁干擾對系統(tǒng)的影響比另兩者要小得多。控制器抗干擾的措施主要是盡量切斷來自傳輸通道和電源的干擾。傳輸通道和電源線的干擾對于系統(tǒng)而言從電氣性能上分為串模干擾和共模干擾。串模干擾是指干擾信號與有效信號串聯(lián)疊加后作用于通道中，主要來源于高壓電源線、與信號線平行的電源線及大電流控制線產(chǎn)生的空間電磁場。由傳感器來的信號有時長達(dá)一兩百米，干擾源通過電磁感應(yīng)和靜電耦合作用在長信號線上的電壓可達(dá)毫伏級。除了信號線的引入外，信號源本身固有的漂移、紋波和噪聲以及電源濾波效果不良等也會引入串模干擾。共模干擾是指輸入通道兩個輸入端上共有的干擾電壓。這種干擾可能是直流電壓，也可能是交流信號，其幅值可達(dá)幾伏甚至更高，取決于現(xiàn)場產(chǎn)生干擾的環(huán)境和控制器的接地情況。因為被測信號的參考接地點和儀表輸入信號的參考接地點之間往往存在著一定的電位差對于輸入通道上的兩根引線均存在對某一基準(zhǔn)的電壓差，所以稱共模干擾。在測量電路中，被測信號有單端對地輸入和雙端不對地輸入方式。對于存在共模干擾的場合，不能采用單端對地輸入方式，因為此時的共模干擾電壓將全部成為串模干擾。除了共模干擾和串模干擾之外，還有一些干擾是從電源引入的，電源干擾一般有以下幾種：電源線中的高頻干擾，電源系統(tǒng)中的可控硅等器件通斷時產(chǎn)生的尖峰，環(huán)境中設(shè)備接通或斷開產(chǎn)生的干擾。在數(shù)字電路中的組件與組件之間，導(dǎo)線與導(dǎo)線之間，導(dǎo)線與組件之間都存在著分部電容。如果某一導(dǎo)體上的信號電壓〔或噪聲電壓〕通過分布電容使其它導(dǎo)體上的電位受到影響這種現(xiàn)象稱為電容耦合。4.1.2系統(tǒng)硬件抗干擾設(shè)計本系統(tǒng)的硬件抗干擾技術(shù)主要進(jìn)行了以下幾方面的設(shè)計：1〕對于電源接口采用隔離技術(shù)。電源電壓波動引起的干擾是控制器的一個干擾之一。為了減小由于電源電壓波動對其它電路產(chǎn)生干擾，控制器的電源選用開關(guān)電源，并在其電壓輸出引腳加電解電容和普通電容，以濾去低頻和高頻噪聲，穩(wěn)定電壓輸出。2〕濾波與緩沖技術(shù)。本文在所有芯片的電源引腳上都加接普通電容濾波，在重要電源引腳上還要加接電解電容濾波。重要輸入、輸出電路中還考慮設(shè)計濾波電路。重要的信號先經(jīng)過緩沖電路后再傳輸給下一級電路，這樣可以使信號傳輸更加穩(wěn)定、準(zhǔn)確。3〕數(shù)字電路和模擬電路分開。數(shù)字電路與模擬電路分開的原因是數(shù)字信號與模擬信號傳輸?shù)男问讲煌盘栕兓目炻灰粯?，?shù)字信號變化快，模擬信號變化慢。本文的數(shù)字電路局部主要有C8051F020系統(tǒng)電路局部，這局部電路是控制器的核心，要保證這局部電路穩(wěn)定運行且不受外界干擾。模擬電路主要有傳感器輸入電路，控制輸出電路等，這些電路直接與現(xiàn)場環(huán)境相連，會引入一定的干擾，必須與數(shù)字電路分開。4〕妥善接地。接地技術(shù)是抗干擾技術(shù)中一個非常重要的組成局部。本文的地主要有三種：數(shù)字電路地、模擬電路地以及功率電路地。設(shè)計時采取數(shù)字電路地和模擬電路地分開，只在+5V電源地與+3.3V電源地一處共地；將功率電路地與數(shù)字電路地及模擬電路地分開。另外還采用大面積鋪銅覆地技術(shù)以減小公共地阻抗寄生耦合，提高抗干擾能力。5〕合理布局與走線。整塊電路板上布線密度大體平衡以防止串?dāng)_。保持整個電路板上功耗的大體平衡，防止板材區(qū)域冷熱差異過大。同一布線層的線寬一般不改變，以保證電路板上互連線的阻抗一致。在同一層走線，使高速信號線與其它平行信號線間距拉大；低速信號的布線密度相對較大，高速信號的布線密度盡量小。電路設(shè)計中將大功率發(fā)熱器件〔如開關(guān)電源、功率管等器件〕遠(yuǎn)離敏感組件。輸入、輸出電路設(shè)計在電路板的兩邊。布線時，電源線路特別加粗，重要信號線路采用地線包圍的方法防止干擾。在電路板的設(shè)計中盡可能減少過孔的使用量。因為過孔的使用，不但增加了信號的延遲，而且在一定程度上破壞了信號線的阻抗連續(xù)性。6〕加強組件的可靠性。選擇高可靠性的元器件，在對電路參數(shù)計算時，留出足夠的穩(wěn)定裕度。組件焊接時對于焊錫做到既光滑又飽滿，保證焊接引腳與電路板線路接觸良好，同時防止虛焊；并且注意大器件的安裝定位以防止大器件松動。4.2電路原理圖設(shè)計在本系統(tǒng)中的電路原理圖設(shè)計本著連線簡潔各功能模塊清晰的設(shè)計思路設(shè)計。因為后期要設(shè)計PCB電路板，因此本系統(tǒng)為每一個元件選擇和設(shè)計適宜的封裝，必要的時候還添加了自己特有元件的封裝庫。4.3PCB電路板元件布局與走線設(shè)計在硬件電路原理圖設(shè)計完成之后可以說最關(guān)鍵的應(yīng)該是PCB板的設(shè)計，因為理論的東西無論講解的多詳細(xì)，指導(dǎo)的多全面，也不及實物擺放出來更具說服力。要完成從理論到實際的升華就要設(shè)計PCB印制幅員。PCB設(shè)計考前須知：由于開關(guān)穩(wěn)壓電源工作在高頻開關(guān)狀態(tài)，而且高頻變壓器初級側(cè)有高達(dá)300V的直流電壓，在功率開關(guān)管的集電極甚至有700V的瞬間高電壓，因此在設(shè)計PCB板時要考慮電磁干擾問題和平安問題，主要應(yīng)該注意PCB引線盡量短，功率輸出局部引線盡量寬，甚至要加焊錫條，高壓元件應(yīng)該有足夠的間距保證平安，在這套電路中既有模擬電路又有數(shù)字電路，這兩局部電路地線要分開連接，最后再接到一起，防止出現(xiàn)共地干擾。對于數(shù)字電路來說，時鐘晶振應(yīng)該盡量靠近單片機時鐘脈沖輸入引腳，防止引入干擾。最后就是要注意各個模塊電路元件盡量集中，在放置元件時應(yīng)遵守先放置單元電路中的主要元件，一般是集成電路或體積較大，對整體電路影響較大的元件，然后根據(jù)小單元電路放置外圍元件，以保證對其它電路影響盡量小，引線盡量短的原那么。因此本系統(tǒng)在進(jìn)行PCB板設(shè)計之前檢查了每個元件是否都有封裝，封裝是否正確，是否符合要求，對于沒有封裝的元件和封裝不符合要求的元件要重新繪制封裝，直到所有元件封裝都正確為止。4.4PCB板整體設(shè)計1〕本系統(tǒng)從原理圖到PCB的設(shè)計流程：建立組件參數(shù)→輸入原理網(wǎng)表→設(shè)計參數(shù)設(shè)置→手動布局→手動布線→檢查錯誤→輸出。2〕參數(shù)設(shè)置相鄰導(dǎo)線間距必須能滿足電氣平安要求，而且為了便于操作和生產(chǎn)，間距也應(yīng)盡量寬些。最小間距至少要能適合承受的電壓，在布線密度較低時，信號線的間距可適當(dāng)?shù)丶哟螅瑢Ω?、低電平懸殊的信號線應(yīng)盡可能地短且加大間距，一般情況下將走線間距設(shè)為8mil。焊盤內(nèi)孔邊緣到印制板邊的距離要大于1mm，這樣可以防止加工時導(dǎo)致焊盤缺損。當(dāng)與焊盤連接的走線較細(xì)時，要將焊盤與走線之間的連接設(shè)計成水滴狀，這樣的好處是焊盤不容易起皮，而且走線與焊盤不易斷開。3〕元器件布局實踐證明，即使電路原理圖設(shè)計正確，印制電路板設(shè)計不當(dāng)，也會對電子設(shè)備的可靠性產(chǎn)生不利影響。例如，如果印制板兩條細(xì)并行線靠得很近，那么會形成信號波形的延遲，在傳輸線的終端形成反射噪聲；由于電源、地線的考慮不周到而引起的干擾，會使產(chǎn)品的性能下降，因此，在設(shè)計印制電路板的時候，應(yīng)注意采用正確的方法。4〕設(shè)計布線圖時走線盡量少拐彎，印刷弧上的線寬不要突變，導(dǎo)線拐角應(yīng)≥90度,力求線條簡單明了。印刷電路中不允許有交叉電路，對于可能交叉的線條，可以用“鉆〞、“繞〞兩種方法解決。即讓某引線從別的電阻、電容、三極管腳下的空隙處“鉆〞過去，或從可能交叉的某條引線的一端“繞〞過去，在特殊情況下如果電路很復(fù)雜，為簡化設(shè)計也允許用導(dǎo)線跨接，解決交叉電路問題。因采用單面板，直插組件位于top面，表貼器件位于bottom面，所以在布局的時候直插器件可與表貼器件交迭，但要防止焊盤重迭。5〕檢查布線設(shè)計完成后，需認(rèn)真檢查布線設(shè)計是否符合開始所制定的規(guī)那么，同時也需確認(rèn)所制定的規(guī)那么是否符合印制板生產(chǎn)工藝的需求，一般檢查線與線、線與組件焊盤、線與貫穿孔、組件焊盤與貫穿孔、貫穿孔與貫穿孔之間的距離是否合理，是否滿足生產(chǎn)要求。電源線和地線的寬度是否適宜，在PCB中是否還有能讓地線加寬的地方。6〕復(fù)查根據(jù)“PCB檢查表〞，內(nèi)容包括設(shè)計規(guī)那么，層定義、線寬、間