自感式差动传感器设计毕业论文

摘要在检测机械零件外形尺寸的细微偏差时，传统方法有着测量功能单一、测量误差较大、无法对测量数据直接进行计算机处理和智能化等缺陷。然而这些参数对产品的使用性能有着重要的影响。为实现这些参数的高效、高精度的测量，针对目前的测量方式存在的这些问题，本课题结合传感器、检测、通讯和微型计算机等技术，采用模块化、通用化和标准化的设计思想，研究开发了三色电子柱量仪。本设计首先选定了自感式差动传感器并为其设计了信号采集处理的电路，再确定以高性能单片机ADC812为核心，以使电路设计得到简化、提高稳定性，然后围绕该单片机设计了可随总线速度无限擦写的存取器FM24C256、容错性能好的RS-485串行通讯接口、键盘和12232F点阵式液晶显示器等一系列模块，接着采用FPGA器件实现LED三色光柱显示驱动，最后对量仪系统软件进行了设计。关键词ADC812；菜单结构；LED光柱显示；FPGA；RS485串口通讯AbstractWhen measuring subtle differences of the outer sizes of machine parts, the traditional methods have such defects as being singular in measuring function, existing too many errors and having no way to computerize measured data directly. However, these parameters have great influence on products attributes. In order to measure these parameters efficiently and accurately, the system used the technology of sensor, automatic acquisition, communication and computer and adopted the design philosophy of modularization, generalization and standardization. We developed this there-color LED bargraph display measuring instrument which can measure the dimension and runout tolerances of mechanical parts.The system of hardware using the fully integrated 12-bit data acquisition system (ADC812) and FPGA as the LED bar drive circuit to simplify the hardware design and enhance the stability of the hardware. The system of software offers the framework of the function extensibility and the instrument upgrading with the menu operation. At last, we design the serial communication protocol which is high efficiency of data transfer and high performance of fault tolerant to connect with personal computer through the bus of RS-485. Also we develop the software of PC to manager the instrument and collect real-time measuring data with network and realize the user interface. The date of measure and configuration is stored in the ACCESS database convenient for managing, analyzing, displaying and printing the data. Key words: ADc812; Menu structure; LED bargraph display; FPGA; RS485 Serial communication protocol目 录摘要1ABSTRACT2第1章 绪论51.1 课题背景及来源51.2 国内外发展现状51.3 课题研究内容71.3.1 设计目的71.3.2 设计目标71.3.3 设计内容8第2章 传感器测量原理92.1 传感器的定义及构成92.2 电感传感器102.2.1 电感式传感器的特点102.2.2 电感式传感器的分类102.3 本设计中传感器的工作原理11第3章 系统硬件设计153.1 硬件设计原则153.2 硬件框架的设计153.3 硬件各模块的设计163.3.1 传感器信号调理模块163.3.2 数据采集模块203.3.3 数据处理模块233.3.4 人机对话模块263.3.5 存储模块293.3.6 外部通讯模块323.3.7 光柱显示及其驱动模块333.3.8 单片机下载调试模块363.3.9 电源模块383.3.10 单片机下载调试模块39第4章 软件系统设计424.1 软件设计原则424.2 单片机系统软件的设计434.3 软件各模块的设计444.3.1 A/D采样模块444.3.2 人机对话模块454.3.3 光柱控制模块474.3.4 存储器模块484.3.5 外部通讯模块48结论50致谢51参考文献52附录154附录258附录367第1章 绪论1.1 课题背景及来源机械零件的形位误差和尺寸误差参数1对产品的使用性能有着重要的影响，在进行检测时，传统方法是采用机械式量规、卡尺、千分尺和千分表等量具进行测量。但是传统方法的测量功能单一、测量误差较大、并且无法对测量数据直接进行计算机处理更谈不上智能化。电子柱量仪是一种用长度尺寸的相对法精密测量的测量仪器，特别对圆度、平行度、垂直度等微小变动量的测量极为有用。主要用于机械制造、加工及各种检测中。在精密机械制造业、汽车拖拉机业、纺织业以及国防和科研等方面的精密测量中有着广泛地应用。但是目前国内的电子柱量仪存在数字化程度低、无超差报警、仪器功能扩展性差等不足，不能实现快速测量，越来越不能满足现代工业生产、制造及检测要求。1.2 国内外发展现状在现代工业生产中，各制造商在不断更新制造技术的同时，对生产检测技术都给予了极大的重视2。专家们逐渐认识到，制造技术与检测技术结下了不解之缘。新检测技术不断揭示了传统制造技术的不足之处，促使工艺师们进一步改善和创新；新制造技术有反过来对检测技术提出了更高的要求，二者相辅相成，互相促进。世界各国的量仪厂之间的竞争是很激烈的。为了在竞争中取胜，就要不断提高质量，不断改进和推出下一代量仪。国内外各制造商对产品的质量都极为重视，而主要保证产品质量的手段之一，是先进的检测技术。一般认为检测技术的发展，机械量具算是第一代；气电量仪可做第二代的典型；电子柱量仪和计算机辅助测量系统等就列入第三代技术了。几年前，在检测领域一直保持着“三代同堂”的局面。这就是生产线上仍在使用卡板、塞规之类的专用量具的同时，气、电量仪几乎用于全部孔径和轴径的最终检验，而电子柱量仪等先进检测技术也纷纷登场。近年来，浮标气动量仪“一统天下”的局面在美国发生了根本的变化，取而代之的是电子柱量仪。这一变化是出人意料的，因为美国是浮标气动量仪的发源地，为何变化如此之快呢？因为电子柱量仪克服了浮标气动量仪的许多缺点，如测量头初始间隙小，线性不好，浮标容易粘在玻璃管上等等。那么取而代之的电子柱量仪是什么呢？实际上电子柱就是一种显示装置，最早于1974年由美国的Bendix公司发明，测量时由气电转换器将气压转换成电压信号，经驱动电路把51只发光二极管中的一只点亮，由此读出发光二极管所对应的刻度值。美国专刊书3825827中为“浮标效果”。利用此类显示装置制造的量仪，定名为电子柱量仪。电感式测量仪虽具有高精度、高效率，能进行和差演算、记忆、峰值测量及数显等特点，但显示方式传统为指针和数显，这种显示方式在单参数测量中还比较适用，用于多参数综合测量就极不方便。电感量仪的宽度一般为250毫米，如果需要多台合在一起时，将超出检验人员的视野。检验员要逐个观看指针是否在合格的范围内，既费时又疲劳。这个缺点就使电感测微仪的应用受到了限制。量仪设计师们自然想到量仪直列拼台式的优点。七十年代末，国外在显示领域又推出了等离子双光柱自动扫描显示装置，即PDP显示板，它具有亮度强、体积小、功耗低及显示面积和视角大等优点，但价格比发光二极管要昂贵。美国Vernon公司，西德Feinpruf公司和意大利Marposs公司等先后应用了PDP显示板，研制成电子柱电感式测微仪。测量时，电感传感器给出电信号，由等离子器件发出醒目的橘红色亮光，形成一束彩色的光柱，达到直列式显示的目的，给电感式量仪带来了生机。八十年代中期，欧美一些国家先后推出了品种繁多的电子柱（气动或电感式）测微仪，显示装置常用101只发光二极管（简称LED光柱）或301只PDP光柱显示，测量时由一大串LED（或PDP）发亮，形成一条彩色光柱，示值清晰醒目，称之“温度计”效应。由于电子工业不断地发展，电子柱测微仪价格下降，目前在美国购买一台普通型电感式电子柱测微仪的售价为500至600美元，与浮标式气动量仪的价格相差无几，这也是电子柱测微仪在国外能迅速得到推广的一个重要原因。在现代工业测量控制领域中，各种仪器对参数的显示方式中最常见的主要有两种：指针式和数字显示式，它们各有优缺点，在不同的应用场合应采用不同的显示方式。指针式显示表头对被指示参数的变化趋势一目了然，但是它抗震能力差，机械惯性大，对参数的较快变化无力反应；数字显示式表头虽具有较好的可靠性，但它却不能显示参数的变化趋势，特别是在工业现场多参数多表头显示时，更难辨明哪些参数在增加，哪些参数在减小。自上世纪九十年代以来，LED作为一种新型光源有了突飞猛进的发展。在我国，不仅开创了巨大的新兴市场，而且应用面越来越广泛。近年对LED光柱显示(又称为LED条形显示)开发和应用也开展了不少的研究，LED光柱显示是一种可以集指针显示和数字显示两者优点与一身的显示技术。LED光柱可以独立地用于指示信号幅度，也可以配合数字显示表头以增强动态效果，与指针摆动的动态效果相比，此外，LED光柱显示还具有不存在机械惯性、使用寿命比较长、在暗处也无需照明、显示精度比模拟指针显示精度高等优点。可以说LED光柱显示器替代仪表指针，已成为仪表仪器行业的新趋势3,4。随着时代的进步，国内的工业生产大量应用电子柱测微仪的趋势已经形成，这必将硬气量仪专业厂为了赶上国外先进水平，替代进口量仪的国产化而加速工作。1.3 课题研究内容1.3.1 设计目的本设计的目的是开发一种高精度的三色电子柱量仪。该仪器以常用而且测量精度很高的电感传感器为基础，将位移信号转换为电信号，对该电信号进行调理，再用单片机对信号进行处理并通过FPGA驱动LED三色光柱显示测量结果。1.3.2 设计目标设计目标如下：1. 通过自感式差动传感器可测量工件的形位误差或尺寸误差，并用LED三色光柱对结果进行显示。在测量值位于预警公差带范围内LED光柱显示绿色，超出预警公差带但未到达报警公差带时LED光柱显示黄色，位于报警公差带时LED光柱显示红色。2. 通过设定不同的报警/预警公差带的上下限，并搭配不同的自感式差动传感器及其信号处理模块可实现不同尺寸的测量。3. 通过键盘输入与LCD液晶显示器可实现仪器的人机对话功能。4. 能够通过外部通讯口实现与计算机和其他设备的通讯。并能通过计算机对测量结果进行操作和实时显示。1.3.3 设计内容该课题的设计内容主要包括三部分：1. 电子柱量仪硬件电路的设计。2. 电子柱量仪系统软件的设计。3. 电子柱量仪和控制软件之间通讯协议的设计。第2章 传感器测量原理2.1 传感器的定义及构成传感器在我国国家标准（GB76651987）中的定义是：“能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输入信号的器件或装置”。此定义具有以下几方面的含义：1.传感器是某种测量装置或测量装置的一部分，能完成部分监测任务；2.它的输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等；3.它的输出量是某种物理量，这种量要便于转换、处理等等，这种量可以是气、光、电物理量，但主要是电物理量；4.输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。关于传感器，我国曾出现过多种名称，如发送器、传送器、变送器、换能器等，它们的内涵相同或相似，所以近来已逐渐趋向统一，大都是用传感器这一名称了。从字面上可以作如下解释：传感器的功用是一感二传，即感受被测信息并传送出去。 传感器一般由敏感元件、传感元件、基本转换电路三部分组成5，组成框图如图2-1所示：图2-1传感器组成框图敏感元件：它是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。如应变式压力传感器的弹性载体就是敏感元件，它的作用是将压力转换成弹性载体的形变。传感元件：敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电路参数。如应变式压力传感器中的应变片就是传感元件，它的作用是将弹性载体的变形转换成电阻值的变化。基本转换电路：将电感变化量接入基本转换电路（简称转换电路），便可转换成电量输出。传感器只完成被测参数至电量的基本转换，然后输入到测控电路，进行放大、运算、处理等进一步转换，以获得被测值或进行过程控制。事实上，有些传感器很简单，有些则较复杂，大多数是开环系统，也有些是带反馈的闭环系统。有些传感器由敏感元件和转换元件组成，如压电式加速传感器，其中质量块石敏感元件，压电片是转换元件，因传感元件的输出量已是电量，故无须转换电路。而有些传感器，转换元件不止一个，要经过若干次转换。敏感元件与转换元件在结构上常是装在一起的，而基本转换电路为了减小外界的影响也希望和它们装在一起，不过由于空间的限制或者其他原因，基本转换电路常装入电箱中。尽管如此，因为不少传感器要在通过转换电路后才能输出电信号，从而决定了转换电路是传感器的组成环节之一。2.2 电感传感器2.2.1 电感式传感器的特点电感式传感器是利用线圈自感或互感的变化实现测量的一种装置，其核心部分是可变自感或可变互感，在将被测量转换成线圈自感或线圈互感的变化时，一般要利用磁场作为媒介或利用铁磁体的某些现象。这类传感器的主要特征是具有电感绕组。电感式传感器具有以下优点：结构简单可靠、输出功率大、输出阻抗小、抗干扰能力强、对工作环境要求不高、分辨力较高（如在测量长度时一般可达0.1m）、示值误差一般为示值范围的0.1%-0.5%、稳定性好。它的缺点是频率响应低，不宜用于快速测量。此外，利用电涡流原理的电涡流式传感器，利用压磁原理的压磁式传感器，利用平面绕组互感原理的感应同步器，亦属此类。2.2.2 电感式传感器的分类首先电感传感器可分为自感式和互感式两种。自感式电感传感器有气隙型、截面型和锣管型。气隙型传感器灵敏度高，对后续测量电路的放大倍数要求低，它的缺点是非线性严重，为了限制非线性，示值范围只能较小，由于衔铁在运动方向上受铁芯的限制，故自由行程小。截面型具有较好的线性，自幼行程较大，制造装配比较方便，但灵敏度较低。螺管型则结构简单，制造转配容易，由于空气隙大，磁路的磁阻高，灵敏度低，但线性范围大。此外，螺管型还具有自由行程可任意安排、制造方便等优点，在批量生产中的互换性较好，这给测量仪器的调试、使用带来很大的方便，尤其在使用多个测微仪组合来测量物体形状的时候。互感式传感器本身是其互感系数可变的变压器，当第一次线圈介入激励电压后，二次线圈将产生感应电压输出，互感系数变化时，输出电压将作相应变化。一般，这种传感器的二次线圈有两个，接线方式又是差动的，故常称之为差动变压器式传感器。互感式传感器的类型与自感式传感器的极为相似。也可以分为气隙型、截面型和螺管型三种。气隙型互感式传感器与气隙型自感式传感器一样，其优点是灵敏度高，缺点是示值范围小、非线性严重。所以，近年来这种类型传感器的使用逐渐减少。螺管型互感式传感器，虽然其灵敏度较低，但其示值范围大，自由行程可任意安排，制造装配也较为方便，因而获得了广泛的应用。差动式传感器与单线圈式传感器相比，具有以下优点：1.线性好；2.灵敏度提高一倍，即衔铁位移相同时，输出信号大一倍；3.温度变化、电源波动、外间干扰、电磁吸力对传感器精度影响，能相互抵消而减少。2.3 本设计中传感器的工作原理综合考虑仪器需要，本课题测量传感器采用自感式螺管型差动传感器。自感式螺管型差动传感器结构图6如图2-2所示。图2-2 螺管型差动传感器由图可知，线圈中放入圆柱形衔铁，也是一个可变自感。使衔铁上下位移，自感量将相应变化，这就构成螺管型传感器。采用差动式结构，除了可以改善非线性、提高灵敏度之外，对电源电压、频率波动以及温度变化等外界影响也有补偿作用，从而可以提高测量精度。单个线圈的电感为：(2-1)当进入线圈的铁芯长度为，则线圈的电感为：(2-2)当铁芯长度增加时，则电感量的变化为：(2-3)式中 单个线圈的匝数； 空气的磁导率； 线圈半径； 线圈长度； 铁芯半径； 铁芯长度； 铁芯磁导率； 铁芯长度变化量；例如现有一单线圈式传感器与一差动式传感器，其各种情况均相同，线圈匝数=1000，线圈半径=2.2mm，线圈长度=25mm，磁芯半径=2.0mm，铁芯长度=25mm，=0.1mm，这里的磁导率是指物质的磁导率与真空的磁导率的比值，故空气中的磁导率可取值为1，查表可得，铁芯磁导率=0.99997。据条件可得，单线圈式传感器的输出为：而假如采用差动式传感器，则输出值为：由以上计算可以得出：(1) 差动式比单线圈式灵敏度提高了一倍；(2) 要提高灵敏度，应使线圈与铁芯尺寸比值和尽量小，但另一方面趋向于1时，传感器的非线性误差会增加；(3) 选用铁芯的导磁率大的材料也可以提高灵敏度；(4) 与成正比若被测量与成正比，则与被测量也成正比。但实际上，由于磁场强度分布的不均匀性，输入量和输出量之间的关系是非线性的。电子柱量仪的测量原理就是利用位移量的变化与电感量的变化成正比来实现的。在整个测量环节中，传感器的测量精度影响和决定着整个仪器可实现的测量精度，而传感器输出信号的后续信号处理电路对整个仪器的精度影响不大。因此，提高整个仪器的测量精度的关键是提高传感器的测量精度7。第3章 系统硬件设计3.1 硬件设计原则要实现一台功能丰富、运行稳定、工作独立的量仪，首先要考虑的就是系统的硬件电路设计。一个单片机应用系统的硬件电路设计包含有两部分内容，一部分是系统扩展，即单片机的功能单元；二是系统配置，即按照系统功能要求配置外围设备。为了使硬件电路设计趋向合理，借鉴别人的成功经验，系统的电路设计中着重考虑到如下几个方面7：1 尽可能选择典型电路。2 设计时努力采用最新的一些技术。3 尽量选用功能强、集成度高的芯片，提高系统可靠性。4 注意选择通用性强、市场货源充足的元器件。5 系统的扩展及各功能模块的设计，留有适当的余地，以备将来修改、扩展之需。6 硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。7 整个系统的性能要尽量做到性能匹配。8 在电路设计时，充分考虑应用系统各部分的驱动能力。9 可靠性及抗干扰设计是硬件系统设计不可缺少的一部分。3.2 硬件框架的设计电子柱量仪的测量原理就是通过电感传感器将位移量转换为电感量的变化，测头与电感线圈内的磁芯相连。当磁芯处于两线圈的中间位置时，两线圈的电感量相等，电桥平衡。当测头带动磁芯移动时，线圈的电感量产生变化，从而交流阻抗相应变化。当振荡器供电的电桥失去平衡而输出一个交流电压信号，其幅值则正比与磁芯的位移。将此点压信号送入微处理器，经过微处理器处理后送显示器，并与用户的预先设定的值进行比较，超限报警，并对数据进行滤波、存储、显示，使之能与计算机进行通讯。结构图如图3-1所示。图3-1 电子柱量仪硬件框架系统3.3 硬件各模块的设计3.3.1 传感器信号调理模块自感式传感器电感量变换为电压信号的变换原理，如图3-2所示。该信号调理模块，通过测量电桥将电感量变化变换为电信号，最终输出正比于电感量变化的直流电压信号8。通过调整电路参数实现与电感传感器性能的最佳匹配。电路中电源电压的大小和稳定性直接影响着传感器的灵敏度和精度。图3-2传感器信号调理模块3.3.1.1 差动交流放大器本课题采用的放大器由3个运算放大器组成数据放大器，其原理图如图3-3所示。图3-3 放大电路原理图A1、A2、A3按理想放大器分析，由图可知，U3=U1，U4=U2，可求得R2上的电流为：(2-5)进一步可求得：(2-6)(2-7)定义，则有：(2-8)U5U6为后级的差分输入电压，可求得输出电压为： (2-9)在电路设计中一般令R3=R4，运算放大器的增益公式简化： (2-10)由式2-10可见，调节R2即可方便地调节电路增益。可证明，在前级A1和A2参数匹配，即它们外部电路参数相同且其电气特性也相同的情况下，两个输入端的失调所导致的输出是互相抵消的。由A3组成的后级是一个标准的差动放大器，其产生的输出误差失调在增益为1的情况下也是很小的。因此，该数据放大器是一种高输入电阻、高共模抑制比、高增益的直接耦合放大器，具有差动输入、单端输出的特点，非常适合用于放大传感器输出的信号9。3.3.1.2 相敏整流器本课题采用的是方波相敏整流电路，如图3-4所示： 图3-4 相敏整流电路 图中A1为过零检测器，A2和三极管构成了相敏整流器。U0为传感器输出信号，V2为与振荡信号同相的方波信号。其原理为：三极管工作于开关状态，振荡信号Vosc经过比较器产生同相的方波信号V2，当V2为高电平时，三极管饱和导通，A2同相输入端接地，U0加到A2的反相输入端，放大器A2的放大倍数为1，输出信号UI=U0，在V2为低电平时，三极管截止，U0同时加到放大器的同相和反相输入端，放大器A2的放大倍数为+1，输出信号UI= U0。从而实现了对输入信号的整流过程，最后由滤波器将整流信号转换为直流信号。其整流波形如图3-5所示：图3-5 相敏整流波形图相敏整流可用来检测相位及幅值等。该电路的信号输出幅值表示测量位移量的大小，信号的输出的正负，则实现了传感器衔铁位移大小和方向的判断。由分析可知，在传感器衔铁移动方向相反时，差动电桥输出U0的方向是相反的，即相位差为180，从波形图中可以看出：相敏整流电路输出UI的极性是对应于U0的相位的，从而实现了衔铁移动方向的判别10。3.3.1.3 低通滤波器通过滤波电路，将相敏整流后的信号转化为直流信号，以反映位移量的变化，而被滤除的高频信号为干扰信号、器件元件的噪声、以及相敏整流信号的各种。滤波器电路采用低通有源滤波器，如图3-6所示。图3-6 低通滤波器电路3.3.2 数据采集模块一个测量系统的数据采集和控制电路关键是微处理器以及A/D转换器的选择，以硬件电路设计简单、电路成本低、有益于软件设计为设计的总体原则。综合性价比考虑，本设计最终选择的方案是：采用内置12位ADC及DAC及高精度电压基准的单片机。因为这样能使系统连线大为减少，同时内置的12位ADC、DAC使系统精度大为提高，这便大大简化了硬件电路的设计和程序的开发过程。在项目开发的初期，必须做出单片机的最初选择。使用的硬件平台对后期的软件和硬件设计决策有相当大的影响，本课题选用ADC812单片机。ADC812中集成8通道12位单电源ADC，是基于电容DAC的常规逐次逼近转换器原理组成的。其模拟输入电压范围为0V-VREF，内部提供高精度、低漂移并经过工厂标准校准的2.5V基准电压，同时也可由外部基准经VREF驱动，可在2.3V-AVDD引脚电压范围内。其框图如图3-7所示：图3-7 使用片外基准电源ADC原理采用单片机内部的内置A/D实现数据采集，在简化硬件电路，AD控制及软件编程方面有自己独特的优势。但这样相应的牺牲了系统的灵活性，外部的输入信号必须为单极性正电源输入，范围在0-VREF之间，AD转换输出数据才是有意义的，而基准源电压范围为2.3V-AVDD，可见输入信号的范围较小。在本课题中采用3V外部基准参考源，此时12位A/D采样值的1LSB的变化代表的输入电压的变换量为3V/4096=732V，可以发现，整个电路的设计特别模拟输入电路是要充分考虑到系统的稳定性和抗干扰性，否则很难达到系统的精度要求。本仪器设计的模拟量输入通道共有四路，它们的电路结构和功能完全一致，以一个通道为例说明其电路构成。输入通道电路原理如图3-8所示。 图3-8 模拟输入通道电路由图可知，该电路包括输入级运放、RC滤波、保护限压三部分组成。由于A/D转换器存在直流漏电流，如果电路信号源阻抗太大，就会产生明显误差，由数据手册可知ADC812模拟输入最大有10A的漏电流，即，源阻抗为61，2.5V为基准源时，误差电压有：可知该误差刚好对应A/D的1LSB误差，输入运算放大器的接入有利于降低输入信号的输入阻抗，从而降低测量误差。RC电路有利于滤除一些高频率噪声，看似是滤波器电路，但实际上其截止频率远在AD采样的奈奎斯特频率之上，其主要功能是保证抑制ADC输入在切换通道时的冲击，由于在选择新通道时，来自转换器内部的2pF取样电容器的驻留电荷会产生瞬间冲击，在保持之前，信号源必须消除这种瞬时冲击，可以通过在软件中加入延时来稳定信号，或者通过硬件方法，即采用快速运放来稳定信号。本课题中采用加入电容器的方法，即不增加软件负担，又不需要高成本的快速运放，就可实现信号的稳定。由于0.01F电容是2pF的4096倍以上。当来自先前通道的2pF电荷被投放到它的时候，0.01F电容器上的电压变化不到12位分辨率的最低有效位(1LSB，即FS/4096)。图中肖特基二极管是为了限制输入引脚电压，由于对ADC812安全输入电压范围为0-VDD引脚电压，特别是对负电源，极易损坏单片机。通过二个肖特基二极管保证运算放大器输出不会高于VDD或低于GND，从而保护ADC812芯片。3.3.3 数据处理模块ADC812的单片机内核是与8051兼容的、可编程8位MCU。ADC812的MCU内核和模数转换器二者均有正常、空闲以及掉电工作模式，它提供了适合于低功率应用的灵活的电源管理方案。器件包括在工业温度范围内用的3V和5V电压工作两种规格，它有52引脚、塑料四方形扁平封装形式可供使用。ADC812主要包括以下几部分功能9,10：1. 模拟I/O：8通道12位高精度ADC，高速200kSps；片内4010-6/电压基准；2个12位电压DAC；一个片内温度传感器。2. 存储器系统：8KB片内闪速/电擦除程序存储器；640B片内闪速/电擦除数据存储器；片内充电泵(不需要外部提供擦除/写入电压VPP)；16MB外部数据地址空间；64KB外部程序空间。3. 与8051兼容的内核：额定工作频率12MHz(最大16MHz)；3个16位定时器/计时器；32条可编程的I/O线；端口3高电流驱动能力；9个中断源，2个优先级。4. 电源：兼容3V和5V两种电压工作；正常、空闲和掉电工作模式。5. 片内外设备：UART串行接口I/O；与I2C兼容的串行口和SPI串行总线；看门狗定时器；电源监视器。ADC812可工作在40-85范围，共52个管脚，采用PQFP封装。ADC812的功能方框如图3-9所示。图3-9 ADC812的功能方框图ADC812的引脚排列如图3-10所示。图3-10 ADC812的引脚排列由于ADC812上述的优越性能，再加上ADC812可通过串口进行程序的下载，而无须专用的编程器，有利于简化系统设计、编程和调试，在保证精度的条件下，采用最简单的硬件实现系统，有利于提高系统性能以及缩小仪器的体积，该系统是一种方便、快捷、廉价的数字控制系统设计模式。ADC812外围配置电路及管脚资源使用分配如图3-11所示。图3-11 ADC812引脚图XTAL1 、XTAL2引脚接晶振以为单片机提供时钟。RESET端的按键可实现单片机的复位功能。本章以下部分将详细介绍硬件系统各部分的实现。3.3.4 人机对话模块人机对话模块是仪器键盘和显示硬件的实现部分。用户通过键盘完成仪器进行的功能设置，并通过显示器反馈仪器当前状态和显示被测工件的测量值。键盘输入采用编码键盘实现。3.3.4.1 LCD显示12232F是一种内置8192个16*16点汉字库和128个16*8点ASCII字符集图形点阵液晶显示器,它主要由行驱动器/ 列驱动器及12232全点阵液晶显示器组成。可完成图形显示,也可以显示7.52个(1616点阵)汉字.与外部CPU接口采用并行或串行方式控制。目前数据传送有串行数据与并行数据传送两种方式。串行数据传送特点是占用I/O口资源少，连线少，成本低，但速度慢，并行数据传送与之相反。LCD液晶显示器显示有两种显示方法，一种为静态显示，硬件开销大，引线多，功耗大，软件开销小；另一种为动态显示，硬件开销小，引线少，功耗小，但软件复杂，占用CPU时间多。本设计采用串行方式实现控制，其读写时序如图3-12所示。图3-12 LCD的串行接口读写时序图LCD显示电路如图3-13所示。图3-13 LCD显示电路利用滑动变阻器可以调节LCD显示屏的对比度。3.3.4.2 键盘输入通常情况下，键盘接口要解决下面三个主要问题：1. 按键识别，决定是否有键按下，如有，则应能够识别出被按下的是哪一个按键。2. 消抖动，当按键开关的触点闭合或者断开到其稳定，会产生一个短暂的抖动和弹跳。这是机械式开关的一个共同性的问题，抖动时间长短与其机械特性有关。3. 串键保护，串键是指同时有一个以上的键按下，串键会引起单片机的错误响应。以上问题将在软件上进行解决。本课题设计的键盘输入电路如图3-14所示。图3-14 键盘输入电路图中可实现的最大按键数量为6个。3.3.5 存储模块存储部分主要用于存储测量数据和保存当前仪器的设置状态，对于测量数据，数据量比较大，需要外扩存储器来实现。对于仪器内部设置状态的存储采用单片机内部640B的闪速/电擦除数据存储器，完全能满足应用要求。3.3.5.1 单片机内部存储器ADC812内部数据存储器的低128字节映象与MCS-51相同，内部数据存储器的高128字节映象为特殊功能寄存器区，给CPU和所有片内外围结构提供接口。闪速/电擦除数据存储器阵列包括640字节，被配置为160(00H-9FH)页，每页4个字节。通过对6个SFR寄存器操作来完成读写640B的存储空间数据，这6个SFR为EADRL、EDATA1-4、ECON。其中EADRL为当前页地址寄存器，即进行数据存取的页地址；EDATAl-EDATA4是4个数据寄存器组，用于保存读、写当前页的4字节数据；ECON是对存储器读写、擦除的命令寄存器：值为01H读命令、02H写命令、04H校验命令、05H擦除命令，以上操作都是按页进行，06H为全部擦除，写操作时间时间为20ms。3.3.5.2 外部存储器与外部数据存储器的数据传输也具有并行传送和串行传送两种方式。本设计采用串行传送方式来简化硬件电路设计。外扩的存储芯片为FM24C256串行存储器，存储空间为8KB，用于保存用户测量的数据。该芯片数据传输接口为I2C总线接口。I2C总线是一种用于IC器件之间连接的二线制半双工总线，接口线包括：串行数据线SDA，串行时钟线SCL，利用两根线实现总线上的器件之间的信息传送，可连接多种功能器件。每种功能器件最多可接8片，每个器件可通过地址编码加以识别。SDA和SCL都是双向I/O口线，当总线空闲时两线均是高电平。其总线协议如下：1. 仅当总线不忙时，(SCL，SDA均为高电平时)方能启动数据线。2. 在数据传输期间，时钟SCL为高电平；数据线SDA数据保持不变。3. 在时钟SCL为高电平时，数据线SDA从高变到低电平时，为数据传输起始条件(START)；在时钟SCL为高电平时，数据线SDA从低变到高电平时，为数据传输停止条件(STOP)。4. 开始数据传输(START)后，停止数据传输(STOP)之前，SCL高电平期间，SDA上数据、命令为有效。I2C总线时序如图3-15所示图3-15 I2C总线时序图FM24C256是一种256KB的铁电存储器11，它和AT24C256容量等同，总线结构兼容，但FM24C256的性能指标远大于AT24C256。与AT24C256相比较FM24C256包含了RAM技术优点，同时拥有ROM技术的非易失性特点。总的来说，FM24C256的存储指令和AT24C256兼容，只是在读写指令和应答是不需要延时，提高了擦写速率。集体封装、功能管脚和AT24C256一样，容易被接受和运用。该器件提供多种不同的读写操作模式，以适应不同的应用。要实现该器件的读写必须按照该器件的读写规范进行读写。在对该器件操作前，必须进行寻址。寻址格式如下表所示：器件类型地址可编程地址读/写响应位A6A5A4A3A2A1A0R=1/W=0ACK对于RAM及E2PROM是器件类型编码为：1010。三位可编程地址A2、A1、A0是相同器件选择地址，最多可接8片相同器件，通过编码，选取类型器件的某一片进行操作；最低位是读/写控制位，R/W位为高电平时是读操作，为低电平时是写操作，接下来发一个响应位ACK。FM24C256的写操作有两种模式：Byte Write(单字节)、Page Write(多字节)；读操作有三种模式：Current Address Read(单字节)、Random Read(单字节)、Sequential Read(多字节)。其操作格式如图3-16所示：图3-16 FM24C256读写模式存储器电路如图3-17所示。图3-17 存储器电路在电路中，将地址线直接接地，该器件的I2C总线读指令地址为0xA1，总线写指令地址为0xA0。FM24C256的SCL、SDA直接与单片机SCLK、SDATA相连。此时与SPI总线复用，为了防止器件发生误操作，通过P2.1口控制WP管脚，当WP为低电平时，器件处于正常写操作状态，当WP为高电平是，器件的写操作被禁止，防止器件被误写。由于I2C总线是内部集电极或漏极开路形式，在电路中加入1k上拉电阻是必须的。3.3.6 外部通讯模块本仪器要求能实现计算机的网络化测量和管理功能，这就需要设计与计算机的通讯接口。ADC812片内有一个全双工的串行口，与51系列单片机串行口的功能完全相同，其输入输出均为TTL电平，以此接口直接进行数据传输，抗干扰性差，传输距离短，不适合工业现场应用。我们采用标准的工业串行接口进行通讯，如RS232C、RS422A、RS485等。综合考虑接口的可靠性、通讯速度与距离、通讯信道的抗干扰能力、带负载能力等因素，我们选用RS485串行总线作为数据通讯接口。 RS-485接口可以有多个驱动器和接收器，利用高阻抗接收器，一个RS-485最多可以连接256个节点。RS-485驱动器和接收器价格便宜，而且只需要一个单一的+5V电源来产生差动输出。RS-485总线采用平衡电路，每个信号都有专用的导线对，其中一根导线上的电压等于另一根导线上的电压取反，或者取补。接收器对这些电压之间的压差作出反应。平衡连线是无噪声的，因为这两根信号线都传递几乎相同大小的反向电流，大多数噪声电压在这两根导线上或多或少都同时出现，任何在一个导线上出现的噪声电压或从电缆外部耦合进入导线的干扰都被在另一根导线上的噪声电压所抵消。一个平衡接收器只看到传输的信号，噪声被清除或者极大的消弱。由于RS485总线以上的特点，所以RS485总线通讯距离远，传输速率高，其性能优于其它RS232或RS422串口总线。而且RS485总线易于硬件实现，其硬件原理如图3-18所示。图3-18 RS485通讯接口RS485为双向、半双工通讯口，通过单片机的P3.2口控制485口的接收与发送数据。为了实现ADC812的下载电路和RS485总线的复用，在单片机P3.2口和DE、RE#管脚接入电阻R27、R28，当通讯端口与ADC812下载线相连时，则RS-485总线被隔离。3.3.7 光柱显示及其驱动模块光柱显示部分是实现三色光柱显示的关键，本部分详细介绍了双色光柱驱动电路的实现。目前对LED光柱的驱动方法较多，各有优缺点。采用专用芯片 (LM3914、 IC9504 、CS0100等)实现驱动，该类驱动芯片的数据输入一般为模拟信号，因此非常适合应用于模拟电路中，而不适合应用于数字电路。而且专用芯片不能直接驱动三色光柱LED光柱显示器。在数字电路中采用专用驱动芯片实现三色光柱显示器的驱动是比较困难的。目前，采用现有的数字芯片来驱动的LED光柱国内也有较多的研究12，如采用键盘显示芯片8279、并行I/O扩展芯片8255等器件来实现光柱的显示驱动，采用这些器件，需要大量的外围电路来实现整个驱动电路，同时这些电路的显示驱动程序实现起来也比较复杂，完成一次动态扫描显示，需要占用大量的CPU处理时间。采用可编程逻辑器件来实现LED三色光柱显示的数字驱动逻辑是比较好的解决方法13,14，克服传统驱动的缺点，实现起来简单、方便。其基本思想就是FPGA接收到单片机控制信号以及显示数据后，根据VHDL语言实现的驱动逻辑完成显示数据和控制信号的译码直接驱动LED光柱显示器。这种驱动方式的优点是不需要复杂的外围驱动电路、显示驱动程序简单、占用CPU处理时间少、驱动逻辑修改、升级方便。3.3.7.1 光柱显示器的原理光柱显示器的结构原理如图3-19所示。图3-19 三色LED光柱原理图发光二极管驱动方式为共阳极驱动，采用动态扫描方式完成整个显示，减小显示电路功耗。结构图中的光柱显示器为100线，其显示精度为1%，共采用10组相同的光柱条组和而成。R1-R10为红色LED组的共阳极扫描端，G1-G10为绿色LED组的共阳极扫描端，两者都是高电平有效。S0-S9控制组内每个LED的亮与灭，为低电平有效。当R或G单端加扫描信号时，只显示红色LED或绿色LED，当在R和G端同时加相同的扫描信号时，则显示红色和绿色的混合色即黄色。基于这个原理实现了光柱显示器的变色显示。由FPGA实现光柱显示驱动电路，其硬件驱动模型如图3-20所示。图3-20 驱动光柱模型管脚定义图中，该器件的驱动方式为动态扫描方式，与光柱显示器的显示模式一致。输出管脚为R_Out0.9，G_Out0.9，Seg_Out0.9；输入管脚为CS#，WR#，CLK，Addr，Data0.7。R_Out和G_Out分别驱动光柱红色和绿色LED的共阳极，为动态扫描输出端口；Seg_Out驱动LED光柱的10个数据输入端(阴极)。其显示原理与动态扫描多位LEDLCD类似。CLK输入作为FPGA的时钟信号，实现对LED光柱扫描以及器件内部的同步。CS#为片选信号输入线，低电平有效。WR#为写允许信号输入线，低电平有效。Data为8位数据/控制信号输入端，Addr为地址信号输入线，用于区分Data输入端输入的是显示数据还是控制信号。3.3.7.2 FPGA存储电路的设计为实现FPGA在断电并重新启动后能继续之前的工作，本设计采用EP2LC20作为闪存设计了其存储模块。其电路原理如图3-21所示。图3-21 FPGA的存储电路FPGA在常规状态下需将程序下载入EP2LC20进行执行或即时存储。3.3.7.3 FPGA与光柱的接口电路设计由于LED显示管的数量比较多，整个显示电路功耗比较大，如果采用FPGA直接驱动，FPGA将由于功耗过大而出现的工作不稳定或烧毁的现象，因此FPGA与光柱显示器的接口需要额外的功率驱动电路，如图3-22所示。图3-22 LED光柱功率驱动电路上图为驱动单个LED光柱条的功率驱动电路图，G0，R0分别为光柱绿灯和红灯的共阳极，S0-S9为光柱的各段控制端。在驱动电路中采用NPN三极管8050驱动LED光柱的共阳极，8050作为射极跟随器，提供大电流驱动，电阻R1，R3用于调节三极管发射极的电流从而控制LED光柱显示颜色的亮度和混合颜色的纯度。74HC07用来提供LED光柱条的段电流。3.3.8 单片机下载调试模块ADc812的用户程序可以用两种方式写入到单片机内部程序存储器，一种是通过标准的UART串行接口进行串行下载写入即在线编程模式；第二种方式和E2PROM的编程方式相同，通过专门的编程器并行写入，即并行编程。本系统采用方便、实用的串行下载进行编程。下载电路如图3-23所示。图3-23 ADC812下载电路在对ADC812进行下载和调试时发现的一些应注意的问题及其解决办法介绍如下：(1) PSEN引脚在具备上述RS232接口电路之后，还需通过一个与地相连的1k电阻将ADC812的PSEN引脚拉至低电平才能进入在线调试和下载状态。由于ADC812的调试器是在用户系统复位时检测PSEN引脚状态的，在系统复位时PSEN引脚拉低是在线调试和下载功能实现的另一关键所在。值得强调的是，PSEN引脚与地之间连上1k电阻并不一定就能保证PSEN为低电平。若静电造成PSEN引脚损伤，则1k电阻不能将PSEN引脚拉低。经试验证明，在PSEN引脚损伤不严重时，可通过把PSEN直接对地短路将其拉至低电平；但若损伤严重，则即使直接接地，器件仍然不能工作。(2) 资源占用问题ADC812具有3个16位定时器/计数器，即：定时器0、定时器1和定时器2。每一个定时器/计数器包含2个8位寄存器THX和TLX(X0，1和2)。所有3个定时器/计数器均可配置作为定时器或计数器，此功能和普通单片机相同。当单片机处于在线调试时，定时器1被占用，用户在程序中必须将定时器屏蔽才能正常运行，在线下载功能不受此影响。(3) 模拟输入与其他ADC芯片相比，ADC812的ADC模块有一个缺点，就是ADC正常工作的模拟输入范围为0VREF；而允许输入的电压范围只能为正电压(0+5V)，一旦输入负的模拟电压，则会影响ADC812正常工作，若长时间输入负电压，将有可能损坏芯片。(4) P1口值得注意的是，在ADC812中端口0、2和3是双向端口，而端口1是只输入端口,P1口的电路包括了位锁存器和输入缓冲器，但没有输出驱动器，因而P1口只能被配置为数字输入或模拟输入，不能用于输出。当P1口用作模拟输入时，它对应于ADC812内8通道模数转换的输入端口ADC0-ADC7。若在实际使用中，不须将8个通道ADC都用上，将P1口用作数字输入时，在检测是否有输入信号之前，须将0写至对应端口，然后再判断。3.3.9 电源模块3.3.9.1 ADC812电源电路ADC812的输入电压为+5V。为使其能够稳定工作，本设计采用MC7805三端稳压芯片来为提供稳定的+5V直流电。ADC812电源电路如图3-24所示。图3-24 ADC812电源电路3.3.9.2 FPGA电源电路本设计采用TPSD301芯片设计了电路为FPGA提供+2.5V与+3V的稳定直流电源。其电路原理如图3-25所示。图3-25 FPGA电源电路3.3.10 单片机下载调试模块ADc812的用户程序可以用两种方式写入到单片机内部程序存储器，一种是通过标准的UART串行接口进行串行下载写入即在线编程模式；第二种方式和E2PROM的编程方式相同，通过专门的编程器并行写入，即并行编程。本系统采用方便、实用的串行下载进行编程。下载电路如图3-26所示。图3-26 ADC812下载电路在对ADC812进行下载和调试时发现的一些应注意的问题及其解决办法介绍如下：(1) PSEN引脚在具备上述RS232接口电路之后，还需通过一个与地相连的1k电阻将ADC812的PSEN引脚拉至低电平才能进入在线调试和下载状态。由于ADC812的调试器是在用户系统复位时检测PSEN引脚状态的，在系统复位时PSEN引脚拉低是在线调试和下载功能实现的另一关键所在。值得强调的是，PSEN引脚与地之间连上1k电阻并不一定就能保证PSEN为低电平。若静电造成PSEN引脚损伤，则1k电阻不能将PSEN引脚拉低。经试验证明，在PSEN引脚损伤不严重时，可通过把PSEN直接对地短路将其拉至低电平；但若损伤严重，则即使直接接地，器件仍然不能工作。(2) 资源占用问题ADC812具有3个16位定时器/计数器，即：定时器0、定时器1和定时器2。每一个定时器/计数器包含2个8位寄存器THX和TLX(X0，1和2)。所有3个定时器/计数器均可配置作为定时器或计数器，此功能和普通单片机相同。当单片机处于在线调试时，定时器1被占用，用户在程序中必须将定时器屏蔽才能正常运行，在线下载功能不受此影响。(3) 模拟输入与其他ADC芯片相比，ADC812的ADC模块有一个缺点，就是ADC正常工作的模拟输入范围为0VREF；而允许输入的电压范围只能为正电压(0+5V)，一旦输入负的模拟电压，则会影响ADC812正常工作，若长时间输入负电压，将有可能损坏芯片。(4) P1口值得注意的是，在ADC812中端口0、2和3是双向端口，而端口1是只输入端口,P1口的电路包括了位锁存器和输入缓冲器，但没有输出驱动器，因而P1口只能被配置为数字输入或模拟输入，不能用于输出。当P1口用作模拟输入时，它对应于ADC812内8通道模数转换的输入端口ADC0-ADC7。若在实际使用中，不须将