自感式差動傳感器設計畢業論文-資料下載頁

　　

【正文】 低。經試驗證明，在PSEN 引腳損傷不嚴重時，可通過把 PSEN 直接對地短路將其拉至低電平；但若損傷嚴重，則即使直接接地，器件仍然不能工作。(2) 資源占用問題ADμC812 具有 3 個 16 位定時器 /計數器，即：定時器 0、定時器 1 和定時器 2。每一個定時器/計數器包含 2 個 8 位寄存器 THX 和 TLX(X＝0，1 和 2)。所有 3 個定時器/計數器均可配置作為定時器或計數器，此功能和普通單片機相同。當單片機處于在線調試時，定時器 1 被占用，用戶在程序中必須將定時器屏蔽才能正常運行，在線下載功能不受此影響。 40 (3) 模擬輸入與其他 ADC 芯片相比，ADμC812 的 ADC 模塊有一個缺點，就是 ADC正常工作的模擬輸入范圍為 0～V REF；而允許輸入的電壓范圍只能為正電壓(0～+5V) ，一旦輸入負的模擬電壓，則會影響 ADμC812 正常工作，若長時間輸入負電壓，將有可能損壞芯片。(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，但沒有輸出驅動器，因而 P1 口只能被配置為數字輸入或模擬輸入，不能用于輸出。當 P1 口用作模擬輸入時，它對應于 ADμC812 內 8 通道模數轉換的輸入端口 ADC0ADC7。若在實際使用中，不須將 8 個通道 ADC 都用上，將 P1 口用作數字輸入時，在檢測是否有輸入信號之前，須將 0 寫至對應端口，然后再判斷。 電源模塊 ADμC812電源電路ADμC812 的輸入電壓為 +5V。為使其能夠穩定工作，本設計采用 MC7805三端穩壓芯片來為提供穩定的+5V 直流電。ADμC812 電源電路如圖 324 所示。圖 324 ADμC812 電源電路 FPGA 電源電路本設計采用 TPSD301 芯片設計了電路為 FPGA 提供+ 與+3V 的穩定直流電源。其電路原理如圖 325 所示。 41 圖 325 FPGA 電源電路 單片機下載調試模塊ADμc812 的用戶程序可以用兩種方式寫入到單片機內部程序存儲器，一種是通過標準的 UART 串行接口進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，通過專門的編程器并行寫入，即并行編程。本系統采用方便、實用的串行下載進行編程。下載電路如圖 326 所示。 42 圖 326 ADμC812 下載電路在對 ADμC812 進行下載和調試時發現的一些應注意的問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，還需通過一個與地相連的 1kΩ 電阻將ADμC812 的 PSEN 引腳拉至低電平才能進入在線調試和下載狀態。由于ADμC812 的調試器是在用戶系統復位時檢測 PSEN 引腳狀態的，在系統復位時 PSEN 引腳拉低是在線調試和下載功能實現的另一關鍵所在。值得強調的是，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。若靜電造成 PSEN 引腳損傷，則 1kΩ 電阻不能將 PSEN 引腳拉低。經試驗證明，在PSEN 引腳損傷不嚴重時，可通過把 PSEN 直接對地短路將其拉至低電平；但若損傷嚴重，則即使直接接地，器件仍然不能工作。(2) 資源占用問題ADμC812 具有 3 個 16 位定時器 /計數器，即：定時器 0、定時器 1 和定時器 2。每一個定時器/計數器包含 2 個 8 位寄存器 THX 和 TLX(X＝0，1 和 2)。所有 3 個定時器/計數器均可配置作為定時器或計數器，此功能和普通單片機相同。當單片機處于在線調試時，定時器 1 被占用，用戶在程序中必須將定時器屏蔽才能正常運行，在線下載功能不受此影響。(3) 模擬輸入與其他 ADC 芯片相比，ADμC812 的 ADC 模塊有一個缺點，就是 ADC正常工作的模擬輸入范圍為 0～V REF；而允許輸入的電壓范圍只能為正電壓(0～+5V) ，一旦輸入負的模擬電壓，則會影響 ADμC812 正常工作，若長時間輸入負電壓，將有可能損壞芯片。(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，但沒有輸出驅動器，因而 P1 口只能被配置為數字輸入或模擬輸入，不能用于輸出。當 P1 口用作模擬輸入時，它對應于 ADμC812 內 8 通道模數轉換的輸入端口 ADC0ADC7。若在實際使用中，不須將 8 個通道 ADC 都用上，將 P1 口用作數字輸入時，在檢測是否有輸入信號之前，須將 0 寫至對應端口，然后再判斷。 43 第 4 章 軟件系統設計 軟件設計原則在單片機測控系統中，軟件的重要性與硬件設計同樣重要。當系統的硬件電路確定之后，系統的主要功能還要靠軟件來實現。為了滿足系統的要求，編制軟件時必須符合以下基本要求 [16]：1. 易理解性、易維護性。指軟件系統代碼容易閱讀和理解，容易發現和糾正錯誤，容易修改和補充。由于系統的結構復雜性，設計人員很難在短時間內就對整個系統理解無誤，軟件的設計與調試不可能一次完成，有些問題是在運行中逐步暴露出來，這就要求編制的軟件容易理解和修改。在軟件的設計方法中，結構化設計是最好的一種方法，這種設計方法是由整體到局部，然后再由局部到細節，先考慮整個系統所要實現的功能，確定整體目標，然后把這個目標分成一個個的任務，任務中可以分成若干個子任務，這樣逐層細分，逐個實現。本設計就是采用這種模塊化的設計方法。這樣不但使得設計目標明確、思路清晰，而且在檢錯、調試時也很方便。當出現問題時，可以根據問題的種類和現象來判斷是哪一部分出的問題，很容易找出故障所在和故障原因。同時，采用模塊化程序結構設計方案，對于系統功能的擴充和修改也提供了很大的方便。2. 實時性是本系統的基本要求。即要求系統及時響應外部事件的發生，并及時給出處理結果。3. 可測試性。系統軟件的可測試性具有兩方面的含義：其一是指比較容易地制定出測試準則，并根據這些準則對軟件進行測定；其二是軟件設計完成后，首先在模擬環境下運行，經過靜態分析和動態仿真運行，證明準確無誤后才可投入實際運行。4. 準確性。準確性對整個系統具有重要意義。系統要進行大量運算，算法的正確性和準確性問題對控制結果有直接影響。5. 可靠性。可靠性是系統軟件最重要的指標之一，具有兩方面的含義：第一是運行參數環境發生變化時，軟件都能可靠運行并給出正確結果。第二是 44 在環境惡劣干擾嚴重情況下，軟件必須保證也能可靠運行。 單片機系統軟件的設計單片機系統的軟件部分，是整個系統的核心，軟件設計的好壞直接關系到系統的穩定性以及功能的實現。ADμC812 的軟件既可以采用匯編語言實現，又可以采用 C51 語言實現。整機軟件由主程序，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、菜單結構程序、數據讀寫子程序、數據通訊子程序等組成。本課題實現的儀器功能比較多，如果采用單個文件來實現軟件，將導致程序的可讀性變差，而且對軟件的修改和功能的加減也不容易實現。為了實現程序的模塊化設計，采用多個文件來組織整個軟件。整機軟件的流程圖如圖 41 所示。圖 41 整機軟件流程圖程序開始執行時，先初始化單片機的資源外設，包括 A/D 工作模式、I/O口配置、串口初始化、中斷、定時器、看門狗的設置等，然后載入測量數據存 45 儲器的儲存位置和該儀器測量的設置信息，接下來程序進入等待鍵盤輸入和串口更新設置的循環中。顯示數據部分的工作則是由定時器 2 來定時采樣數據，再將測量數據送到 LED 光柱和 LCD 液晶顯示器進行顯示的，采用這種方法可以使顯示數據的刷新速度保持一致，如果將采集顯示代碼也放于主程序循環中，則在與計算機通訊或讀寫存儲器時，程序的執行時間比較長，將導致數據顯示刷新速度變慢，給用戶停頓或死機的感覺。通過定時器定時采樣顯示的方法很好的解決了測量數據不能得到及時更新和顯示的問題，提高數據顯示的穩定性和實時性。 軟件各模塊的設計 A/D 采樣模塊ADμC812 內部的 AD 轉換器有三種工作模式：第一，用軟件或通過把轉換信號加至外部引腳 CONVST可以啟動單步或連續轉換模式；第二，用定時器 2 來產生用于 A/D 轉換的重復觸發信號；第三，配置 ADC 工作于 DMA 方式，ADC 連續轉化，并將采樣值捕獲到 RAM 空間，而不需要 MCU 內核的干預，實現快速采樣。 46 圖 42 采樣程序流程圖采樣數據為 16 位數據，低 12 位為采樣數據，高 4 位為采樣通道號。 人機對話模塊本儀器的鍵盤功能包括上下公差限的設定、儀器地址設置、顯示分辨率選擇、傳感器通道測量方式選擇、光柱顯示模式設定。如果不采用菜單結構，而采用傳統的一鍵一義的編程方式則需要大量的按鍵，這顯然是不可取的，因此采用一鍵多義方式，即采用菜單操作方式實現人機對話，菜單結構是整個程序功能實現的外殼，采用該結構最大的好處就是可以精簡按鍵數量，當擴展儀器的新功能時，只需要在菜單結構中增加菜單索引，再加入顯示函數和功能實現函數就可以實現儀器的新功能。而且程序結構清晰，易于維護和修改。 47 鍵盤輸入鍵盤輸入部分共有六個輸入按鍵，其功能通過軟件分別定義為上/跳動、下/保存、左、右、確認/測量、返回。鍵盤輸入程序只是簡單的響應鍵盤中斷，置按鍵標志位和讀取按鍵識別碼。其按鍵中斷響應流程圖如圖 43 所示。圖 43 按鍵響應流程圖在程序中，通過讀取按鍵的硬件編碼值來識別不同的按鍵，根據硬件原理我們可以得到各按鍵的編碼值：KEY_OK= 0x00，KEY_CANCEL= 0x05，KEY_UP= 0x04，KEY_DOWN= 0x03，KEY_LEFT= 0x02，KEY_RIGHT= 0x01。當程序處理的按鍵編碼值不是上述編碼值時，直接丟棄該次按鍵操作，防止誤操作。 LCD 液晶顯示要實現量儀的人機對話，采用菜單結構將鍵盤輸入、顯示輸出、功能實現三部分結合在一起，使每個按鍵在不同的狀態下有不同的含義，采用少量鍵盤，實現多重功能 [18,19]。采用的 LCD 液晶顯示器作為鍵盤輸入，菜單提示的人機交互顯示器。由于 LCD 液晶顯示器只能表示最簡單的數字和有限的英文字母，所以我們在程序中采用單級菜單模式實現整個儀器功能設置管理，即當前的菜單只代表儀器的一項參數設置功能，簡化菜單操作的設計和減少結構代碼所占用的程序空間。 48 整個顯示框架結構分為三層：第一層為測量數據顯示部分，是測量數據的數字顯示部分，顯示值對應于光柱顯示的顯示值；第二層為設置項索引菜單，用于指示儀器當前的功能設置項目，顯示該儀器的功能設置項目；第三層為設置項設置界面，顯示當前設置項的設置值。上述各按鍵的意義明確，只要按照LCD 液晶顯示器的顯示提示，就可方便的實現儀器功能參數的修改。 光柱控制模塊光柱控制模塊判斷超限流程圖如圖 46 所示。圖 46 判斷超差限子程序流程圖 49 存儲器模塊單片機內部存儲器主要用于保存儀器功能設置參數以及外部數據存儲位置信息，儀器功能參數的保存地址是根據菜單功能的索引確定的。外部數據存儲器主要用于保存儀器各種測量數據，對 FM24C256 存儲器的操作，需要遵循 I2C 總線協議，其讀寫模式采用單字節模式，另外FM24C256 的讀寫操作指令都是沒有延時的，所以在每次寫操作后，直接就能進行下一次寫。每個測量數據用兩個字節表示 [22]，高位字節數據占用偶地址，低位字節數據占用奇地址，每次向存儲器寫入一個測量數據，存儲器地址指針加 2 個字節。存儲器的數據結尾用 0xFFFF 標示，該標志位以后數據的沒有意義。每個測量數據的存儲需要有一定的格式，以表示不同的測量數據類型。因此 16 位測量數據除了含有測量值信息還需要額外的信息：測量通道號和測量的數據類型。其數據封裝形式如表 43 所示：表 43 FM24C256 數據存儲格式D15D12 D11D000000111 12 位測量數據表中 D15D12 值為 00000011 表示工件 14 通道尺寸測量值，01000111表示工件 14 通道跳動測量值。 外部通訊模塊外部通訊模塊的目的是使電子柱量儀與計算機之間能夠相互通訊。從而能從計算機上實現修改儀器的功能參數，通過串口實時采集現場測量數據等功能，以達到電子柱量儀的網絡化控制需要實現的結構是以計算機來控制多個電子柱的主從式結構，采用 RS485 總線實現了多點互連，在與計算機通訊時，采用 RS485/RS232 接口轉換電路來連接計算機 RS232 口和電子柱 RS485 口，實現多臺電子柱量儀與計算機進行數據交換和控制的關鍵是網絡通訊協議的設計。對于整個通訊協議的軟件實現，關鍵是單片機按照協議規定的數據通訊幀格式正確的對上位機程序發送的數據包進行解包，提取命令和數據信息。用程序具體實現 PC 機和單片機從機之間的通信時。設置單片機串口的通 50 訊方式為模式 1(8 位異步通訊方式)，其通訊波特率根據具體情況，可以在240019200bps 之間設置。其通訊的軟件流程圖如圖 410 所示。圖 410 數據包接收發送程序流程圖 51 結論本論文針對目前單色電子柱量儀存在的問題，完成三色電子柱量儀硬件、軟件系統以及上位管理控制系統流程的設計，對系統各個部分