基于单片机的多路信号采集器的设计

WORD格式整理版 本科毕业设计论文基于单片机的多路信号采集器的设计秦博燕 山 大 学2012 年6月 本科毕业设计论文基于单片机的多路信号采集器的设计学院：里仁学院专业： 电子信息工程学生姓名：秦博学 号： 081308061027指导教师：李刚答辩日期：20XX6月17日燕山大学毕业设计论文任务书学院：里仁学院 系级教学单位：电子工程系学号081308061027学生姓名秦博专 业班 级电子信息工程08-1班题目题目名称基于单片机的多路信号采集器的设计题目性质1.理工类：工程设计 ；工程技术实验研究型；理论研究型 ；计算机软件型 ；综合型 2.文管理类 ；3.外语类 ；4.艺术类 题目类型1.毕业设计 2.论文 题目来源科研课题 生产实际 自选题目 主要内容以单片机为控制核心,利用模数转换器,设计信号采集器,并可以与微机系统进行通信,把检测得到的数据传送到微机中进行保存。基本要求1、独立完成系统软硬件设计,并搭电路验证。2、独立完成控制软件的编写、调试。3、完成系统调试。参考资料1凌阳16位单片机应用基础,罗亚非编著,北京航空航天大学出版社2嵌入式语音技术及凌阳16位单片机应用,李晶皎编著,北航出版社周次第1 4周第5 8周第9 12周第 1316周第1718周应完成的内容收集资料熟悉课题内容设计思路电路设计程序设计程序设计搭电路调试改进同前论文撰写课题总结答辩指导教师：李刚职称：讲师 20XX2月 28日系级教学单位审批：练秋生2012年2月 28日65 / 72 WORD格式整理版 摘要数据采集器是目前工业控制中应用较多的一类产品,常常利用PC或工控机对各种数据进行采集。数据采集技术是信息科学的重要分支,是传感器、信号获取、存储与处理等信息技术结合。本文采用了TI公司生产的11路12位串行模数转换芯片TLC2543和宏晶公司生产的增强型80C51系列单片机STC12C5A60S2组成了一个基于单片机的多路信号采集系统。这个数据采集系统可将数据的采集结果通过TLC2543的A/D转换后,将模拟信号转换成数字信号并以直观的十进制形式显示在LCD1602液晶显示器上。还可以通过MAX232芯片与PC进行串口数据通信,达到在PC机上实时的显示、存储和处理采样数据的目的。在数据采集部分,加入了变阻器用来采集变阻器上的电压值,此电压值为该数据采集系统的模拟输入信号。关键词数据采集；A/D转换；TLC2543；LCD1602 WORD格式整理版 AbstractData acquisition is the industrial control application more than a class of products, often using PC or computer on a variety of data collection.Data acquisition technology is an important branch of information science, sensor, signal acquisition, storage and processing of information technology.This paper uses TI company 11 12 bit serial A/D conversion chip, TLC2543 and the HoeJohn produced enhanced 80C51 series single-chip STC12C5A60S2 to form a multi-channel signal acquisition system based on single chip microcomputer.The data acquisition system can be data acquisition by TLC2543 A/D converter, converts the analog signals into digital signals and to visually display the decimal form LCD1602 liquid crystal display.Through the MAX232 chip and the PC serial data communications, we can achieve the PC real-time display, storage and processing of sampling data for the purpose.In the data collection part, the rheostat is used to collect the voltage across the varistor voltage value, the value of the data acquisition is analog signal input of the system.KeywordsData acquisition;A/D conversion; TLC2543; LCD1602 WORD格式整理版 目录摘要IAbstractII第1章绪论11.1 课题背景11.2 选题的依据和意义11.3 国内外研究现状11.4 本文主要研究内容3第2章 STC12C5A60S2单片机的介绍42.1 STC12C5A60S2单片机的说明42.1.1 芯片特性42.1.2 STC12C5A60S2单片机硬件组成结构52.1.3 STC12C5A60S2单片机引脚功能52.2 本章小结7第3章系统模块分析83.1 A/D转换模块83.1.1 A/D转换芯片的选择83.1.2 TLC2543芯片的说明93.1.3 TLC2543工作原理113.2 LCD显示模块133.2.1 LCD1602的说明133.2.2 LCD1602的显示原理153.3 串口通信模块163.3.1 MAX232与RS232C的说明163.3.2 串口通信模块工作原理203.4 整体电路图223.5 本章小结22第4章系统软件分析234.1 程序流程图分析234.1.1 初始化程序234.1.2 A/D转换的实现244.1.3 LCD显示的实现264.2系统运行结果28 TLC2543与LCD1602在Proteus上的仿真284.2.2 PC上数据的显示304.3 本章小结32结论33参考文献34致谢36附录137附录241附录346附录450附录568 WORD格式整理版 第1章 绪论1.1课题背景数据采集技术作为信息科学的主要分支,他不仅应用在智能仪器中,而且在现代工业生产、国防军事及科学研究等方面都得到广泛应用,无论是过程控制、状态检测、或者是故障诊断、质量检测,都离不开数据采集系统。随着科学技术的进步,特别是以传感器技术、通信技术和计算机技术为基础的现代信息技术的发展,以及测试理论的不断发展,数据采集技术的发展也是日新月异1。1.2选题的依据和意义在冶金、化工、医学、和电器性能测试等许多场合需要同时对多通道快变的模拟信号进行采集、预处理、暂存和向上位机传送、再由上位机进行数据分析和处理,信号波形显示、自动报表生成等处理,这些都需要数据采集系统来完成,但很多数据采集系统存在功能单一、采集通道少、采集速率低、操作复杂、并且对操作环境要求较高等问题。人们需要一种应用范围广、性价比高的数据采集系统。数据采集系统的任务,就是采集传感器输出的模拟信号转换成计算机能识别的信号,并送入计算机,然后将计算得到的数据进行显示或打印,以便实现对某些物理量的监测,其中一些数据还将被生产过程中的计算机控制系统用来控制某些物理量。近年来,数据采集及其应用受到了人们越来越广泛的关注,数据采集系统也有了迅速的发展,它可以广泛的应用于各种领域。1.3国内外研究现状美国FLUKE公司的262XA系列数据采集器是一种小型、便携、操作简单、使用灵活的数据采集器。它可单独使用又可与计算机连接使用,它具有多种测试功能,多种数据存储功能和控制方式。在国内,由于数据采集技术不断发展,市场上出现各种新型的数据采集器。例如北京凯文斯系统集成系统有限公司的E16,可编程增益为1,2,4,8倍,分辨率为十六位,采用率为16位,采样最高频率决定于微机的CPU及处理速度,一般6080KHZ。国内的数据采集器与国外的数据采集器相比,在技术上仍有一定的差距。目前国内的数据采集器在高精度、高速度、实时数据采集和数据采集器的现场处理能力等方面仍有不足,不能满足运动控制、爆炸检测、医疗设备、快速生产过程和变电站自动化等领域的要求。从近来国外公司展示的新产品可以看出,主要的发展可以概括为体积小、功能多样和使用方便等三个方面。此外,数据采集系统的应用特点还反映在如下几个方面：第一,它既是一台数据采集器,又是一台功能较全的机器状态分析仪,不仅有常用的时域分析和频域FIT分析,而且还可以做倒谱、细化、包络谱和时频域分析等功能。第二,它既是采集器,又可以兼做其它仪器来用。如法国迈威公司的MOVIL OG数据采集器,就可作为一台动平衡仪来用,它不但可以做单一平面的动平衡,还可以做六个平面的动平衡。第三,储存量大,从低频到高频频率测量范围宽,能适应机器从低速到高速的各种监测范围需要。第四,可利用振动传感器或过程传感器或电量传感器等输入多种物理量,如振动加速度、位移、相位、转速、温度、压力、流量、电压、电流和功率等,形成多参数监测系统。第五,数据采集器配套的软件是以通用窗口的软件为基础,功能较强。一套软件可同时支持数种不同型号与不同档次的数据采集器。第六,数据采集器已经安装了LCD背光显示屏,并尽量减少了操作键,元器件高度集成化,并减轻了机器的重量,采用防水防撞击的密封外壳,能适应恶劣的工业环境。数据采集系统的市场需求量大,特别是随着技术的发展,可用数据器为核心构成一个小系统,而目前国内生产的主要是数据采集卡,存在无显示功能、无记忆存储功能等问题,其应用有很大的局限性,所以开发高性能的,具有存储功能的数据采集产品具有很大的市场前景2。1.4本文主要研究内容本文主要的研究内容是基于STC12C5A60S2系列单片机和TLC2543的多路数据采集器,该系统包括以下功能：变阻器电压的模拟信号采集,多路模拟信号的A/D转换,LCD1602显示数据,串口通信,PC机上的数据显示。第二章中主要介绍了本设计所使用的单片机。第三章则分析了各个模块,在每个模块说明中主要介绍所使用的器件特性、引脚功能、工作原理、电路原理图等。第四章主要介绍软件部分的实现和仿真调试部分以及硬件成品。第2章STC12C5A60S2单片机的介绍2.1STC12C5A60S2单片机的说明芯片特性随着电子行业发展的突飞猛进,微控制器,作为大多数电子产品的核心器件,发展更是日新月异,无论从品种上还是从性能上都是不断进步。1971年Intel公司研制出世界上第一个4位的微处理器Intel 4004,标志着第一代微处理器问世,微处理器和微机时代从此开始。目前市面上常见的单片机有AVR、DSP、PIC、51系列等等,每一款单片机都有其独特的功能和特性。51单片机虽然是一款入门级的单片机,然而随着多家公司相继推出51系列器件以后,无论是性能还是稳定性方面都大大改进。因此,我选择了宏晶公司生产的STC12C5A60S2系列单片机。STC12C5A60S2系列单片机是一个增强型51系列单片机。.1内含看门狗STC12C5A60S2系列单片机内部引进了看门狗功能,使单片机系统可靠性设计变得更加方便/简洁。如果MCU/CPU 不在规定的时间内按要求访问看门狗,就认为MCU/CPU处于异常状态,看门狗就会强迫MCU/CPU复位,使系统重新从头开始按规律执行用户程序。.2低功耗STC12C5A60S2系列单片机可以运行3种省电模式以降低功耗,他们分别是：空闲模式,低速模式和掉电模式,正常工作模式下,STC12C5A60S2系列单片机的典型功耗是2mA7mA,而掉电模式下的典型功耗是0.1uA,空闲模式下的典型功耗是1.3mA。.3外部低压检测STC12C5A60S2系列单片机在P4.6口增加了外部低压检测功能,这样用户可以用查询方式或中断方式检查外部电压是否偏低。5V单片机内部检测门槛电压是1.32V。有了外部低压检测功能,就可以在掉电时,及时将数据保存进EEPROM,正常工作时无需操作EEPROM。.4第二复位功能脚STC12C5A60S2系列单片机中,用户可以自己设置将P4.6脚为第二复位脚,在时钟频率高于12MHz时,建议使用第二复位功能脚,利用增加的外部低压检测LVD功能作外部低压检测复位脚。.5兼容性STC12C5A60S2系列单片机的引脚和8051是一样的,因此选用STC12C5A60S2系列单片机取代8051是可以直接代替的。不管是采用40引脚还是44引脚的产品,只要选用相同的STC12C5A60S2系列单片机取代8051即可。STC12C5A60S2单片机硬件组成结构STC12C5A60S2的主要功能如下：8位字长CPU。工作频率范围：035MHz。ISP/IAP,在系统可编程/在应用可编程。片上集成 1280 字节RAM。4个I/O端口共32线。4个16位定时/计数器。高速SPI 串行通信端口。通用全双工异步串行通信。硬件看门狗。8 通道,10 位高速ADC,速度可达25 万次/秒。芯片内EEPROM 功能,擦写次数10 万次以上。可编程时钟输出功能。STC12C5A60S2单片机引脚功能STC12C5A60S2单片机有4种不同的封装,其有效引脚为40条。现以PDIP封装为例简介各引脚功能。.1外接晶振或外部振荡器引脚1、XTAL1 当外接晶振时,接外部晶振的一个引脚。片内振荡器由一个单级反相器组成,XTAL1为反相器的输入。当外部振荡器提供时钟信号时,则由XTAL2端输入；2、XTAL2 接外部晶振的另一个引脚。片内为单级反相器的输出,当由外部时钟源提供时钟信号时,则本引脚浮空。.2多功能I/O口引脚第一,P0口为8位并行I/O口,作为输出口时,每个管脚可带8个TTL负载。在外扩存储器时,还可以作为低8位地址/数据总线。当定义为I/O口时,为准双向I/O口,需外接上拉电阻,在写入1后就成为高阻抗输入口。在对片内FLASH编程时P0口接收字节代码,在程序校验时输出字节代码。程序校验期间应外接上拉电阻。第二,P1口为准双向通用I/O口,能负担4个TTL负载。在FLASH编程和校验时定义为低8位地址线。它的第二功能如下：P1.0：定时/计数器T2的外部计数输入。P1.1：定时/计数器T2捕获/再装入触发及方向控制。P1.5：MOSI。P1.6：MISO。P1.7：SCK。第三,P2口内接上拉电阻的8位准双向I/O口,能负担4个TTL负载。当访问外部存储器时定义为高8位地址总线,只需8位地址线时,它将输出特殊功能寄存器中内容。第四,P3口内接上拉电阻的8位准双向I/O口,能接4个TTL负载。它的第二变异功能如下：P3.0：RXD。P3.1：TXD。P3.2：外部中断0请求端。P3.3：外部中断1请求端。P3.4：定时/计数器0外部计数输入端。P3.5：定时/计数器1外部计数输入端。P3.6：外部数据写选通。P3.7：外部数据读选通。.3控制和复位引脚第一,RST复位信号输入端。振荡器起振后,该引脚置高电平,并持续2个机器周期以上系统进行复位。在定时监视器定时输出后引脚置成高电平并持续96个振荡周期。特殊功能寄存器AUXR中的DISRT0位可以使复位无效。默认的DISRT0位状态,RST引脚上的高电平有效。第二,ALE地址锁存使能端。当访问外部器件时ALE的负跳变将低8位地址读入锁存器。在FLASH编程时输入编程脉冲。在非访问外部器件期间,ALE仍以1/6振荡频率的常量输出,可用于外部计数或时钟信号。当访问外部数据器件时将跳过一个ALE脉冲。如果需要,可对特殊功能寄存器区的地址为8EH单元的D0位置1,可禁止ALE输出,而只有在执行MOVX或MOVC等指令时ALE才被激活,仍输出锁存有效,否则被微弱拉高。在执行外部程序时,该设定禁止ALE位无效。2.2本章小结本章主要介绍了单片机,包括该单片机的特性,硬件结构和引脚功能,为以后的内容打下基础。 WORD格式整理版 第3章系统模块分析3.1A/D转换模块本章主要以模块化的形式分析介绍我设计的多路信号采集器,系统主要包括：A/D转换模块、LCD显示模块、串口通信模块。在每一模块中分别分析了所使用器件的器件特性、引脚功能、工作原理以及该模块的工作原理和原理图。3.1.1A/D转换芯片的选择随着模数转换技术快速发展,A/D转换器的种类也越来越多,目前使用广泛的有：余数反馈比较式A/D转换器、V/F变换式A/D转换器、逐次逼近式A/D转换器、双积分A/D转换器等等。余数反馈比较式A/D转换器这种转换方式分辨率很高,量化误差小,转换精度高。这种转换方式的速度主要受两个因素的限制：一是每次循环进行电压数字转换的时间；二是余数模拟电压的建立时间。目前,采用这种方式的A/D芯片,通过辅之以一些另外的技术措施,其转换速度还是比较快的。V/F变换式A/D转换器由于应用了积分电容,具有很好的抗干扰性能、良好的线性度和高的分辨率,电路结构简单。缺点是转换速率低,在一些非快速的检测信道中愈趋向使用V/F变换式A/D转换器代替通常的A/D转换器。逐次逼近式A/D转换器这种转换方式速度高,外用元器件也不多,大多数单片集成A/D转换器芯片多采用此种方式。但对快速变化的输入信号应配备采样保持器才能保证转换精度的要求。此外,A/D转换器本身对输入信号中的噪声无抑制作用,必须采用外加软硬件抗干扰措施,才能抑制输入信号中大部分随机干扰。双积分A/D转换器这种转换方式抗干扰能力强,具有较高的转换精度,电路结构简单,编码方便,但转换速率低,常用于速度要求不高,精度要求较高的测量仪器仪表中。在本系统中,根据实际需要和性价比综合考虑,采用了TI公司生产的TLC2543C,11路12位开关电容逐次逼近串行A/D转换器,采样率为66 ksps,在工作温度范围内10us转换时间。除了高速的转换器和通用的控制能力外,本器件有一个片内的14通道多路器可以在11个输入通道或3个内部自测试电压中任意选择一个。采样保持是自动的。在转换结束时,转换结束EOC输出端变高以指示转换的完成。本器件中的转换器结合外部输入的差分高阻抗的基准电压,具有简化比率转换、刻度以及模拟电路与逻辑电路和电源噪声隔离的特点。开关电容的设计可以使在整个温度范围内有较小的转换误差。此多通道,小体积的TLC2543C器件,线性误差小,节省I/O资源,成本较低,特别适用于单片机数据采集系统的开发3。TLC2543芯片的说明.1芯片特性具有11个输入端的12位模数转换器TLC2543是TI公司于近几年推出的一种性能价格比较优的12位A/D转换芯片,具有多种封装形式,并具有民用级、工业级、军用级产品。在产品型号、规格、封装形式、适用范围等方面,已形成一个系列。TLC2543的特点：12位分辨率A/D转换器。在工作温度范围内10us转换时间。11路模拟输入通道。3路内置自测方式。采样率为66ksps。线性误差1LSBmax。有转换结束输出EOC。具有单、双极性输出。可编程的MSB或LSB前导。可编程输出数据长度。.2引脚功能TLC2543有20根引脚,其它封装形式引脚数及引脚功能相同。引脚的功能简要分类说明如下：电源引脚。Vcc：20脚,正电源端,一般接+5V。GND：10脚,地。GND是内部电路的地回路端。REF+：14脚,正基准电压端。基准电压的正端被加到REF+,最大的输入电压范围由加于本端与REF-端的电压差决定,一般接+5V。REF-：13脚,负基准电压端。基准电压的低端被加到REF-,一般接地。控制引脚。/CS：15脚,片选端。由高到低有效,由外部输入。在/CS端由高变低时,内部计数器复位。由低变高时,在设定时间内禁止DATA INPUT和I/O CLOCK。EOC：19脚,转换结束端。在最后的I/O CLOCK下降沿之后,EOC从高电平变为低电平并保持到转换完成和数据准备传输为止转换。I/O CLOCK：18脚,输入/输出时钟端。I/O CLOCK接收串行输入信号并完成以下四个功能：a在I/O CLOCK的前8个上升沿,8位输入数据存入输入数据寄存器。b在I/O CLOCK的第4个下降沿,被选通的模拟输入电压开始向电容器充电,直到I/O CLOCK的最后一个下降沿为止。c将前一次转换数据的其余11位输出到DATA OUT端,在I/O CLOCK的下降沿时数据开始变化。dI/O CLOCK的最后一个下降沿,将转换的控制信号传送到内部状态控制位。模拟输入引脚。AIN0AIN10：19脚、1112脚,模拟量输入端。11路输入信号由内部多路器选通。对于4.1MHz的I/O CLOCK,驱动源阻抗必须小于或等于50,而且用60pF电容来限制模拟输入电压的斜率。控制字输入引脚。DATA TNPUT：17脚,串行数据输入端。由4位的串行地址输入来选择模拟量输入通道,选择通道及输出数据格式的控制字由此输入。转换数据输出引脚。DATA OUT：16脚,A/D转换结果的三态串行输出端。/CS为高时处于高阻抗状态,/CS为低时处于激活状态4。.3TLC2543和单片机的接口电路设计在80C51系列微处理器中都不带SPI或相同的接口能力,为了和TLC2543模数转换器接口,需要用软件来合成SPI的操作,这样数据传送速率下降,受微处理器指令周期时间控制,因而受微处理器的时钟频率影响。因此要尽可能选择微处理器的最高始终频率,以减小指令周期时间,优化接口数据传输速率5。如图3-1所示,TLC2543和单片机的接口电路。TLC2543的转换结束端EOC、I/O CLOCK、串行数据输入端DATA TNPUT、串行数据输出端DATA OUT片选/CS分别连接单片机的并行双向I/O口1的管脚P1.0、P1.1、P1.2、P1.3、P1.4。图3-1 TLC2543与单片机接口电路图TLC2543工作原理.1控制字格式TLC2543的A/D转换应注意其控制字,只有了解了其控制字,才能对TLC2543进行有效的操作及控制,这样才会得到正确的转换数据。TLC2543的控制字为从DATA INPUT端串行输入的8位数据,它规定了TLC2543要转换的模拟量通道、转换后的输出数据长度、输出数据的格式。高4位决定通道号,对于0通道至10通道,该4位分别为00001010H,当为10111101时,用于对TLC2543的自检,分别测试/2、VREF、VREF的值,当为1110时,TLC2543进入休眠状态。低4位决定输出数据长度及格式,D3、D2决定输出数据长度,01表示输出数据长度为8位,11表示输出数据长度为16位,其他为12位。D1决定输出数据是高位先送出,还是低位先送出,为0表示高位先送出,为1表示低位先送出。D0决定输出数据是单极性还是双极性,若为单极性,该位为0,反之为1。TLC2543的控制字如表3-1所示。表3-1 TLC2543控制字表功能控制字地址L1L2LSBFBIPD7D6D5D4D3D2D1D0AIN00000AIN10001AIN20010AIN30011AIN40100AIN50101AIN60110AIN70111AIN81000AIN91001AIN101010AIN111011/21100Vref+1101Vref-1110软件断电模式11118bit0112bitX016bit11高位在前0低位在前1无极性输出0有极性输出1.2转换过程上电后,片选/CS必须从高到低,才能开始一次工作周期,此时EOC为高,输入数据寄存器被置为0,输出数据寄存器的内容是随机的。开始时,片选/CS为高,I/O CLOCK、DATA INPUT被禁止,DATA OUT呈高阻状态,EOC为高。使/CS变低,I/O CLOCK、DATA INPUT使能,DATA OUT脱离高阻状态。12个时钟信号从I/O CLOCK端依次加入,随着时钟信号的加入,控制字从DATA INPUT一位一位地在时钟信号的上升沿时被送入TLC2543 ,同时上一周期转换的A/D数据,即输出数据寄存器中的数据从DATA OUT 一位一位地移出。TLC2543收到第4个时钟信号后,通道号也已收到,因此,此时TLC2543 开始对选定通道的模拟量进行采样,并保持到第12个时钟的下降沿。在第12个时钟下降沿,EOC变低,开始对本次采样的模拟量进行A/D转换,转换时间约需10us ,转转完成EOC变高,转换的数据在输出数据寄存器中,待下一个工作周期输出。此后,可以进行新的工作周期6。3.2LCD显示模块LCD1602的说明LCD1602液晶显示器是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块,它有若干个57或者511等点阵字符位组成,每个点阵字符位都可以显示一个字符。每位之间有一个点距的间隔,每行之间也有间隔,起到了字符间距和行间距的作用,正因为如此,所以他不能显示图形。LCD1602是指显示的内容为162,即可以显示两行,每行16个字符液晶模块。目前市面上字符液晶绝大多数是基于HD44780液晶芯片的,控制原理是完全相同的,因此基于HD44780写的控制程序可以很方便地应用于市面上大部分的字符型液晶。.1LCD1602的特性LCD 1602的应用越来越广泛,其具有如下特性：+5V电压,对比度可调。内含复位电路。提供各种控制命令,如：清屏、字符闪烁、光标闪烁、显示移位等多种功能。有80字节显示数据存储器DDRAM。内建有160个57点阵的字型的字符发生器CGROM。8个可由用户自定义的57的字符发生器CGRAM。.2LCD1602的引脚功能1602采用标准的16脚接口,其中：包括8根数据线,3根控制线。图3-2 LCD1602显示模块电路图VSS：1脚,电源地。VDD：2脚,电源正极+5V,电源以及液晶驱动电压引脚。VEE：3脚,对比调整电压。RS：4脚,输入,寄存器的选择,1为数据寄存器,0为指令寄存器。R/W：输入,5脚,读写操作选择,1为从LCD1602读取信息,0为向LCD1602写入指令或数据。E：6脚,输入,时能信号,当E段从高电平跳到低电平时液晶模块执行命令,1时读取信息,由1变为0时执行指令。D0D7：714脚,输入/输出,数据总线line0数据总线line7。BLA：15脚,LCD1602背光源正极的输入。BLK：16脚,LCD1602背光源负极的输入。3.2.1.3LCD1602的寄存器1602绝大多数是基于HD44780液晶芯片的,HD44780内置了DDRAM、CGROM和CGRAM,这三个都是存储器。CGROM、HCGROM及CGRAM、显示数据RAM、字符显示RAM缓冲区。DDRAM就是显示数据RAM,用来寄存待显示的字符代码。共80个字节,其地址和屏幕的对应关系如表3-2所示。表3-2 地址与屏幕对应关系表显示位置123456740DDRAM地址第一行00H01H02H03H04H05H06H24H第二行40H41H42H43H44H45H45H67HCGROM中存储了一些标准的字符的字模编码是液晶屏出厂时固化在控制芯片中的,用户不能改变其中的存储内容,只能读取调用,包含有标准的ASCII码、日文字符和希腊文字符。CGRAM是控制芯片留给用户,用以存储用户自己设计的字模编码。在数据发生寄存器已经储存了192个不同的店镇字符图形,每个都有一个固定的代码。例如：大写的英文字母A的代码是01000001B,显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来,我们就能看到字母A7。1602的显示过程应可理解为：第一,选择字模编码所在的存储器。第二,将所要显示的字符编码在上述存储器中的存储地址传送给DDRAM,以找到此存储单元。第三,将存储器内存储的字模编码读取到DDRAM中。第四,将DDRAM中的字模编码显示到屏幕上对应位置。LCD1602的显示原理字符的显示用LCD显示一个字符时比较复杂,因为一个字符由68或88点阵组成,既要找到和显示屏幕上某几个位置对应的显示RAM区的8字节,还要使每字节的不同位为1”,其它的为0”,为1”的点亮,为0”的不亮。这样一来就组成某个字符。但由于内带字符发生器的控制器来说,显示字符就比较简单了,可以让控制器工作在文本方式,根据在LCD上开始显示的行列号及每行的列数找出显示RAM对应的地址,设立光标,在此送上该字符对应的代码即可。汉字的显示汉字的显示一般采用图形的方式,事先从微机中提取要显示的汉字的点阵码,每个汉字占32B,分左右两半,各占16B,左边为1、3、5右边为2、4、6根据在LCD上开始显示的行列号及每行的列数可找出显示RAM对应的地址,设立光标,送上要显示的汉字的第一字节,光标位置加1,送第二个字节,换行按列对齐,送第三个字节直到32B显示完就可以LCD上得到一个完整汉字6。3.3串口通信模块MAX232与RS232C的说明MAX232是由TI公司推出的一款兼容RS232C标准的芯片。由于电脑串口RS232C电平是-10V+10V,而一般的单片机应用系统的信号电压是TTL电平0+5V,MAX232就是用来进行电平转换的,该器件包含2驱动器、2接收器和一个电压发生器。RS232C是美国电子工业协会EIA制定的一种串行物理接口标准。RS 是英文/推荐标准的缩写,232是标志号,C表示修改的次数。RS232C定义了数据终端设备与数据通信设备之间的物理接口标准。接口标准包括机械特性、功能特性和电气特性等方面的内容8。.1MAX232的特性MAX232芯片是作为与RS232C连接的重要部分,其特性有如下几点：符合所有的RS232C技术标准。只需要单 +5V电源供电。片载电荷泵具有升压、电压极性反转能力,能够产生+10V和-10V电压V+、V-。功耗低,典型供电电流5mA。内部集成2个RS232C驱动器。内部集成两个RS232C接收器。高集成度,片外最低只需4个电容即可工作。3.3.1.2 MAX232引脚功能MAX232芯片是专门为电脑的RS232C标准串口设计的接口电路,使用+5V单电源供电。内部结构基本可分三个部分：第一部分是电荷泵电路。由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。功能是产生+12V和-12V两个电源,提供给RS232串口电平的需要；第二部分是数据转换通道。由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。其中13脚、12脚、11脚、14脚为第一数据通道。8脚、9脚、10脚、7脚为第二数据通道。TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS232C数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DP9插头；DP9插头的RS232C数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出；第三部分是供电。15脚DNG、16脚VCC。从MAX232芯片中的两路发送接收中任选一路作为接口,要注意其发送与接收引脚对应,否则可能对器件或计算机串口造成永久性损坏。如选他T1IN接单片机的发送端TXD,则PC机、的RS232C的接收端RD一定要对应接T1OUT引脚。同时,R1OUT接单片机的接受端RXD引脚,则PC机的RS232C的发送端TD一定要对应接R1IN引脚。.3 RS232C的特性在RS232C的规范中,电压值在+3V+15V称为0”或ON。电压在-3V-15V称为1”或OFF；计算机上的RS232C高电位约为9V,而低电位则约为-9V。在串行通信中,数据通常是在两个站之间传送,按照数据在通信线路上的传送方向可分为3种基本的传送方式：单工、半双工和全双工。单工工作模式下,一方只能发送信号而另一方只能接收信号。半双工工作模式下,双方都可以发送和接收数据,但不可同时进行。RS232C为全双工工作模式,其信号的电压是参考地线而得到的,可以同时进行数据的传送和接收。在实际应用中采用RS232C接口,信号的传输距离可以达到15m。不过RS232C只具有单站功能,即一对一通信。在全双工方式下,通信系统的每一端都设置了发送器和接收器,因此,能控制数据同时在两个方向上传输,全双工方式无须进行方向的切换9。接收发送接收发送图3-3 全双工通信工作原理图串行通信可分为两种类型,一种是同步通信,另一种是异步通信。采用同步通信时,将所有字符组成一个组,这样,字符可以一个接一个地传输,但是,在每组信息的开始要加上同步字符,在没有信息要传输时,填上空字符,因为同步传输不允许有空隙。采用异步通信时,两个字符之间的传输间隔是任意的。所以,每个字符的前后都要用一些数据位来作为分隔位。因此,在传输率相同时,同步通信方式下的信息有效率要比异步方式高,因为同步方式的非数据信息比例比较小。但是,从另一方面看,同步方式要求进行信息传输的双方必须用同一个时钟进行协调,正是这个时钟确定了同步串行传输过程中每一个信息位的位置。所以,如果采用同步方式,在传输数据的同时,还必须传输时钟信号。而在异步方式下,接收方的时钟频率和发送方的时钟频率不必完全一样,只要比较相近,即不超过一定的允许范围。在数据传输中,广泛采用的是异步通信,异步通信的标准数据格式如图3-4所示。一个字符帧下一字符空闲起始位 数据位 校验位停止位 空闲 起始位MSBLSB图3-4 异步通信的标准数据格式从图3-4所列格式可以看出,异步通信的特点是一个字符一个字符地传输,并且每个字符的传送总是以起始位开始,以停止位结束,字符之间没有固定的时间间隔要求。每一次有一个起始位,紧接着是58个的数据位,再后为校验位,可以是奇检验,可以是偶校验,也可不设置,最后是1比特,或1比特半,或2比特的停止位,停止位后面是不定长度的空闲位。停止位和空闲位都规定为高电平,这样就保证起始位开始处一定有一个下降沿,以此标识开始传送数据。.4RS232C引脚功能RS232C接口是1970年由美国电子工业协会联合贝尔系统、调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标准。它的全名是数据终端设备和数据通讯设备之间串行二进制数据交换接口技术标准。该标准规定采用一个25个脚的DB25连接器,对连接器的每个引脚的信号内容加以规定,还对各种信号的电平加以规定。DB25的串口一般只用到的管脚只有2、3、7这三个,随着设备的不断改进,现在DB25针很少看到了,代替他的是DB9的接口,DB9所用到的管脚比DB25有所变化,是2、3、5这三个。因此现在都把RS232接口叫做DB9。5 4 3 2 1 9 8 7 61 2 3 4 5 6 7 8 9公头母头图3-5 串口接口9针RS232串口引脚：CD：1脚,输入,载波侦测。RXD：2脚,输入,接收数据。TXD：3脚,输出,发送数据。DTR：4脚,输出,数据终端准备。GND：5脚,地线。DSR：6脚,输入,数据准备好。RTS：7脚,输出,请求发送。CTS：8脚,输入,清除发送。RI：9脚,输入,振铃指示。图3-6 MAX232和RS232C与单片机的接口电路图串口通信模块工作原理单片机的串口通信中常用到SBUF,SBUF为串行口的收发缓冲器,他是一个可寻址的专用寄存器,其中包含了接收器和发送器寄存器,可以实现全双工通信。单片机的串行数据传输很简单,只要向发送缓冲器写入数据即可发送数据,从接收缓冲器读取数据即可接收数据。发送寄存器和接收寄存器,在物理结构上是完全独立的。它们都是字节寻址的寄存器,字节地址均为99H。这个重叠的地址靠读/写指令区分：串行发送时,CPU向SBUF写入数据,此时99H表示发送SBUF；串行接收时,CPU从SBUF读出数据,此时99H表示接收SBUF。串行通信SCON控制寄存器是一个可寻址的专用寄存器,用于串行数据的通信控制,其结构如表3-3所示。表3-3 SCON寄存器结构SCOND7D6D5D4D3D2D1D0SM0SM1SM2RENTB8RB8TIRI位地址9FH9EH8DH9CH9BH9AH99H98HSM0SM1工作方式00方式001方式110方式211方式3表3-4 串口工作方式控制位SM0、SM1：串行口工作方式控制位。SM2：多机通信控制位,主要用于方式2和方式3接收状态,当串行口工作方式2或3,SM2=1时,只有当接收到第9位数据为1时,才把接收到的前8位数据送入SBUF,且置位RI发出中断申请,否则会将接收到的数据放弃。当SM2=0时,不管第9位数据时0还是1,都将数据送入SBUF,并发出中断申请。REN：允许接收位,用于控制数据接收的允许和禁止。TEN=1时,允许接收；REN=0时,禁止接收。TB8：发送接收数据位8。在方式2和方式3中,TB8是要发送的,即第9位数据位。在多机通信中同样也要传输这一位,代表传输的地址还是数据。TB8=0为数据,TB8=1时为地址。RB8：接收数据位8方式2和方式3中,RB8存放接收到的第9位数据,用以识别接收到的数据特征。TI：发送中断标志位,可寻址标志位。方式0时,发送完第8位数据后,由硬件置位。其他方式下,在发送或停止位之前由硬件置位。TI=1表示帧发送结束,TI可由软件清0”。RI：接收中断标志位,寻址标志位。接收完第8位数据后,由硬件置位。其他工作方式下,该位由硬件置位,RI=表示帧接收完成。ES为串行中断允许控制位,ES=1循序串行中断,ES=0禁止串行中断10。表3-5 中断允许寄存器位符号EAESET1EX1ET0EX0位地址AFHAEHADHACHABHAAHA9HA8H TI发送中断发送SBUF99H TXD串行输出系统总线接收SBUF99H移位时钟输入移位寄存器RXD串行输入RI接收中断图3-7 串行口寄存器结构图3.4整体电路图本设计的电路图是应用Protel2004绘制的,电路图中画出了本次设计所用到的所有模块。整体电路图附于附录5中。3.5本章小结本章主要讲述三个模块：A/D转换模块、LCD1602显示模块和串口通信模块。在每个模块中都详细介绍了各模块所使用芯片的特性,引脚功能,工作原理以及本设计所使用的模块电路图,为进一步了解本设计做好充分的准备。第4章系统软件分析本章是从总体上分析我设计的多路信号采集器系统,包括系统的程序流程图、系统的仿真分析,在仿真分析中,我们将用Proteus软件画出电路并模拟实物下载程序来调试程序并观察结果。4.1程序流程图分析本设计的主程序流程图如图4-1所示。开始初始化TLC2543进行A/D转换向LCD1602发送A/D转换后的数据并显示向串口发送A/D转换后的数据图4-1 主程序流程图初始化程序主程序开头的初始化过程包括对单片机I/O口、变量、TLC2543芯片的控制端口、液晶显示器LCD1602、串口控制的初始化。其中单片机的I/O口和变量初始化不予说明,下面详细讲述一下TLC2543芯片的控制和液晶显示器LCD1602的初始化过程。.1TLC2543初始化编程根据TLC2543的工作时序,只有在片选/CS为低电平时才会发生A/D转换,所以,在初始化时必须要在TLC2543开始工作前将片选/CS置为低电平0。然后D3和D2选择TLC2543的数据格式为8位,12位还是16位,当D3和D2分别为0和1时数据格式为8位；当D3和D2分别为X和0时数据格式为12位；当D3和D2分别为1和1时数据格式为16位。本次设计所使用的数据格式为12位。然后将CLOCK控制输入输出的时钟置为0。定义一个变量来确定输出的通道号,再将存放采集数据的变量清0。最后,将片选/CS置0,A/D转换开始。.2 LCD1602初始化编程写显示程序之前,必须进行初始化,否则模块无法正常显示,下面会介绍利用内部复位电路进行初始化的过程。首先需要将LCD1602显示器进行清屏。然后进行其功能的设置,功能设置指令如表4-1所示。表4-1 功能设置指令表指令功能指令编码执行时间/usRSR/WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0功能设定00001DLNFXX40DL=1时为8Bit接口数据。N=0时1行显示。F=0时为57dot字形。再进行显示开/关控制的设置：D=0时显示关,C=0时光标关。当B=0时消隐关。接着进行输入方式设置的初始化：I/D=1,S=0无移位。4.1.2A/D转换的实现A/D转换模块是本设计的核心模块,本次设计主要考虑到数据通道的数量而采用了具有11路信号的TLC2543芯片。首先,当/CS=0时,TLC2543被选中,时钟由I/O CLOCK输入。控制字由DATA INPUT脚输入,高位在先。在每个时钟的上升沿,输入数据被串入DATA INPUT脚。控制字的前4位代表模拟通道的地址,在第4个时钟周期的下降沿,片选的多路开关将被选中的某个模拟通道连接到采样保持器上,直到A/D转换开始。控制字的第3位和第4位决定输出数据的长度,同时也决定输入数据的时钟脉冲的个数,虽然控制字为8位,但D3D2决定输入数据的时钟脉冲的个数可以有8,12,或16个。在12、16个时钟周期的情况下,输入数据除控制字的8位外,其他位可以是高电平或低电平,但为保证最佳的抗噪声性能,要求固定为高或低,知道EOC脚变高,转换结束。在向DATAINPUT脚写入数据同时,DATA OUT脚上输出的是上一次A/D转换的值。然后,在第8、12或1个时钟周期后,A/D转换器结束采样状态,进入转换状态。在最后一个时钟周期的下降沿,A/D转换器启动转换过程,在转换期间,转换器使用内部时钟进行转换,不在需要外部时钟的干预。当转换结束时,EOC脚变高,表示转换结束,转换结果被保存在输出数据寄存器中。最后,EOC脚的上升沿使得转换器和各引脚复位,输出数据寄存器的第一位卸载DATA OUT脚上。在随后的8、12或16个时钟周期里,每个时钟周期的下降沿将数据移出输出数据寄存器。TLC2543的工作过程分为两个周期,I/O周期和转换周期。I/O周期 I/O周期由外部提供的I/O CLOCK定义,延续8、12或16个时钟周期,决定于选定的数据长度。芯片进入I/O周期后进行两种操作。首先,在I/O CLOCK的前8个脉冲的上升沿,以MSB前导方式从DATA INPUT端输入8位数据流到输入寄存器。其中前4位为模拟通道地址,控制14通道模拟多路器从11个模拟输入和3个内部测试电压中选通一路送到采样保持电路,该电路从第4个I/O CLOCK脉冲的下降沿开始对所选信号进行采样,直到最后一个I/O CLOCK脉冲的下降沿。I/O周期的时钟脉冲个数与输出数据长度同时