集成加速度传感器的软件设计doc.docx
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集成加速度传感器的软件设计doc
集成加速度传感器的软件设计
摘要
在加速度测试系统传统结构中，从传感器、温度偏移纠正电路、放大电路到数据采集各设备往往都是孤立的，不便于携带并受到测量空间的限制。
本文介绍了一种利用单片机集成系统进行数据采集与传输的方案，较好的解决了系统集成化问题。
方案采用通用性较强，价格便宜的80C51单片机；人机接口采用8297；A/D转换器采用ADC0809；片外存储器选用两片6264，容量扩至16k×8；数据传输采用USB，用CH375芯片作为单片机串行口与USB的连接芯片。
数据采样频率设为六种可选，最小至0.2ms，最大至625ms，可以适应不同的应用场合。
单片机系统在实际工业系统中可能会遇到各种干扰和自身的随机性误差，目前的抗干扰方法主要有硬件看门狗技术和软件陷进技术等，本方案将两种方法结合起来，进一步提高了系统的稳定性。
关键词:
单片机;数据采集;硬件看门狗;中断系统;串行通信
Thesoftwaredesignoftheintegratedaccelerometer
Abstract
Intraditionalaccelerationtestsystem,componentsformaccelerometer,temperaturecompensation,electricenlargecircuittodataacquisitionunitareallstandalone,inconvenienceintakeandbeingsubjectedtothemeasuringspace.Thistextintroducedamethodthatusingintegrationsystemofsinglechipmicrocomputerfordataacquisitionanddeliver,resolvingtheintegrationofthesystem.
Thisprojectadoptsingeneralused,low-cost80C51system;Person'smachineconnectstoadopt8297;TheA/DconversionmachineadoptionADC0809;RAMusetwoslicesof6264,thecapacityexpandstothe16k×8;Data_deliverusestheUSB,usingtheCH375chipsasconjunctchipbetweentheUSBandtheserialinterface.Thedate-acquisitionfrequencysetsforsixkindsofeligibility,theminimumto0.2ms,thebiggestto625ms,adaptingdifferentappliedsituation
Singlechipmicrocomputersystemmayfallacrosssomeimpactingfactorsandselfrandomerror,thecurrentanti-impactingmethodsmainlyhavethehardwarewatchdogtechniqueandsoftwaretrapmethodetc.Thisprojectputtogethertwokindsofmethods,furtherraisingthestabilityofthesystem
Keyword:
singlechipmicrocomputer;data-acquisition;thehardwarewatchdog;outagesystem;serialcommunication
第一章引言...........................................1
1.1当前加速度测试系统的使用现状及存在缺陷...........1
1.2加速度测试系统传统构造...........................1
1.3论文的预期目标...................................3
第二章 系统的硬件组成.................................3
2.1系统的硬件总体设计...............................3
2.2A/D转换模块.....................................5
2.2.1A/D转换模块的设计..........................5
2.2.2数据存储器的扩展...........................7
2.3键盘显示接口的设计...............................7
2.3.18279的介绍.................................7
2.3.2接口的设计................................10
2.4数据传输模块....................................11
2.4.1CH375芯片简介.............................11
2.4.2数据传输模块设计..........................14
2.5看门狗复位电路..................................14
第三章 系统的软件实现...............................15
3.1软件的总体结构..................................15
3.2数据采集子程序..................................17
3.2.1采样频率..................................17
3.2.2数据采集..................................18
3.3指令采集子程序.................................19
3.3.18279的初始化..............................19
3.3.2指令采集程序的设计........................21
3.4数据传输子程序..................................21
第四章 系统抗干扰设计..................................22
4.1干扰源及其传播途径..............................23
4.2系统抗干扰措施..................................24
第五章结论............................................25
致 谢................................................26
参考资料................................................27
附件................................
1.引言
1.1当前加速度测试系统的使用现状及存在缺陷
机械在运动时，由于旋转件的不平衡、负载的不均匀、结构刚度的各向异性、间隙、润滑不良、支撑松动等因素，总是伴随着各种振动。
机械振动在大多数情况下是有害的，振动往往会降低机器性能，破坏其正常工作，缩短使用寿命，甚至导致事故。
机械振动还伴随着同频率的噪声，恶化环境，危害健康。
另一方面，振动也被利用来完成有益的工作，如运输、夯实、清洗、粉碎、脱水等。
这时必须正确选择振动参数，充分发挥振动机械的性能。
加速度传感器是目前应用广泛的测量振动与冲击的装置。
在航天、航空、常规武器、船舶、交通运输、冶金、机械制造、化工、轻工、生物医学工程、自动检测与计量等技术领域中，已经越来越广泛的应用到传感器，而其中不乏加速度传感器的身影。
从加速度传感器采集到数据后，通过温度偏移纠正电路、电荷放大电路再到数据采集就组成了加速度测试系统。
在传统的系统结构中，这些设备往往都是孤立的，不便于携带，同时在测量空间狭小时也很不方便。
1.2加速度测试系统传统构造
现有测试系统的各个组成部分常常以信息流的过程来划分。
一般可以分为：
信息的获得，信息的转换，信息的显示、信息的处理。
作为一个完整的非电量电测系统，也包括了信息的获得、转换、显示和处理等几个部分。
因为它首先要获得被测量的信息，把它变换成电量，然后通过信息的转换，把获得的信息变换、放大，再用指示仪或记录仪将信息显示出来，有的还需要把信息加以处理。
因此非电量电测系统，具体来说，一般包括传感器（信息的获得）、测量电路（信息的转换）、放大器、指示器、记录仪（信息的显示）等几部分有时还有数据处理仪器（信息的处理）。
它们间的关系可用图1.1的框图来表示。
图1.1测试系统的组成
其中传感器是一个把被测的非电物理变换成电量的装置，因此是一种获得信息的手段，它在非电量电测系统中占有重要的位置。
它获得信息的正确与否，直接影响到整个测量系统的测量效果。
测量电路的作用是把传感器的输出变量变成易于处理的电压或电流信号，使信号能在指示仪上显示或在记录仪中记录。
测量电路的种类由传感器的类型而定。
压电加速度传感器常用的测量电路是电荷放大器。
常用的压电加速度传感器的动态测量系统如图1.2所示：
图1.2压电加速度传感器动态测量系统
1.3论文的预期目标
针对目前加速度测试系统存在的缺陷，开发出一种集成加速度测试系统。
论文的预期目标为：
1．设计系统的硬件结构（不包括A/D转换器前端装置）
在硬件方面，要对集成加速度传感器硬件总体进行设计，并对数据采集系统的硬件电路进行设计。
系统为一个以80C51单片机为核心组成的数据采集系统，具有人机对话功能，可选择采集频率、通道等。
系统工作时，首先初始化各功能寄存器及8079等外围芯片，而后开始采集，模拟信号经过ADC0809进行A/D转换变为数字信号送入单片机，然后再送入计算机进行处理。
2．设计系统软件
在软件方面，按程序结构可分为以下两个部分：
（1）主程序，使硬件接口和监控程序的各工作单元置成初始状态。
（2）中断服务子程序：
包括接受键盘指令子程序、数据采集子程序、数据传输子程序等。
3．系统的抗干扰设计
在工业应用环境下，往往存在着系统内在和外界环境的各种干扰。
在分析或设计数据采集系统时，必须考虑到可能存在的干扰对电路的影响。
所以把抗干扰问题作为系统设计中一个至关重要的内容，贯彻在整个设计工作中，从硬件、软件上采取相应的措施以增强其抗干扰能力。
2.系统的硬件组成
2.1系统的硬件总体设计
系统的硬件分为两大部分：
传感器电路部分和微机主控板部分。
系统硬件结构框图如图2.1所示：
图2.1系统硬件结构示意图
系统工作原理：
首先将传感器置入待测设备中，按下复位键迫使系统复位，回到程序开始处。
传感器将采集到的数据通过温度补偿电路、电荷放大电路、A/D转换器，在预定的采集频率下将选定通道的数据传到单片机并进行存储。
然后再将数据通过USB接口芯片CH375传到计算机系统进行分析和处理。
由于数据的采集和传输是分段进行的，因此第一次的采集频率可能不能满足要求（信号采集过疏，不能反映信号的实际情况；过密，则容易造成存储空间的浪费）。
为此，可以进行下一轮数据采集，此时可根据前一轮的情况进行调整，即在系统复位、开始（显示字母P）后按下所选频道开关。
后续工作同上。
单片机主控板按功能划分，可以分为以下几个功能模块：
1A/D转换模块
由A/D转换器和80C51单片机构成。
系统采用ADC0809作为A/D转换器，将从电荷放大器传来的模拟信号转换为数字信号，再传送给80C51。
其中，ADC的8位通道用到3位，采样频率由软件设定。
2 数据传输模块
系统选用通用性较强的USB接口传输。
系统选用CH375作为USB接口芯片。
CH375与单片机之间采用串行通信方式，当数据采集结束后就可以将数据用USB接口传到计算机了。
3键盘显示接口模块
硬件中设计了2×8键盘，4个LED显示器，通过8279与80C51相连。
通过键盘设定数据采集的通道、频率，并在必要的时候强制复位。
显示器用于显示采样过程中的相关参数。
4看门狗复位电路
系统采用两片CD4040十二位二进制串行计数器构成的“看门狗”电路，有效避免了系统运行过程中程序的跑飞或者由于外界干扰所造成的死机现象。
2.2A/D转换模块
2.2.1A/D转换模块的设计
此模块用于将模拟信号转换为数字信号。
采用8位A/D转换器ADC0809实现模/数转换。
ADC0809是8路8位逐次逼近式A/D转换器,它能分时地对8路模拟量信号进行A/D转换,结果为8位二进制数据,其转换速度约为100μs,分辨率为19mV。
ADC0809是CMOS集成电路,可与单片机的数据总线直接相连,而且有8路模拟开关,可以直接连接8个模拟量,实现多路转换功能（方案只用到3个通道）。
并且它与单片机的接口简单,使用方便。
ADC0809与80C51单片机的连接如图2.2所示,分别为：
（1）ADC0809的时钟CLK由80C51的地址锁存端ALE信号经过二分频后产生。
（2）ADC0809的数据线D0～D7与单片机的数据总线直接相连。
（3）ADC0809的地址选择端ADDA、ADDB、ADDC与80C51的数据总线AD0、AD1、AD2直接相连。
（4）ADC0809的A/D转换结束信号EOC接80C51的
接口。
（5）ADC0809地址锁存信号和起动信号START接在一起,并经过反相器与80C51的写信号
相连,80C51读信号端
经反相器与0809的OE端相连,完成输出允许控制,读写控制均由译码器的
控制。
对A/D转换结果的读出采用中断方式,即EOC经反相器接至80C51的
接口，每次通过写信号起动A/D转换后,EOC呈高电平,表明A/D转换结束,于是启动中断1将数据读入80C51的RAM区
图2.2A/D转换模块与80C51的接口电路
2．2．2数据存储器的扩展
由于80C51单片机系统只有80B的数据缓冲器，需要扩展片外存储器。
根据一般经验，采用2片6264芯片扩展数据存储器。
单片机与6264的连接电路如图2.3：
图2.3数据存储器的扩展图
2.3键盘显示接口的设计
2.3.18279的介绍
Intel8279是一种通用的可编程键盘显示器接口器件，单个芯片就能完成键盘输入和七段显示器控制两种功能。
8279的内部结构如图2.4所示。
1、I/O控制和数据缓冲器
数据缓冲器是双向缓冲器，连接内部总线和外部数据总线
用于传送CPU和8279之间的命令、状态和数据。
I/O控制线是CPU对8279进行控制的引线。
是片选信号，当
为低电平时，8279才允许读出或写入信息。
A0用于区别信息的特征，当A0＝1时，CPU写入8279的信息为命令，CPU从8279读出的信息为8279的状态；当A0=0时，写入和读出的信息都为数据。
和
是读、写控制信号，是8279数据缓冲器从外部总线接收数据或向外部总线发送数据。
图2.48279内部结构框图
2、控制逻辑
控制和定时寄存器用来寄存键盘和显示器的工作方式及由CPU编程的其他操作方式。
这些寄存器一旦接收并锁存送来的命令，就通过译码产生相应的信号，从而完成相应的控制功能。
定时和控制包含一些计数器，其中有一个5位计数器，对CLK引线输入的时钟信号进行分频，产生
的定时信号，然后再经过分频为键盘扫描提供适当的逐行扫描频率和显示扫描时间。
RESET是复位输入线，高电平有效。
是消隐输出线，低电平有效，当显示器切换时或使用显示消隐命令时，显示器将消隐。
3、扫描计数器
扫描计数器有编码和译码两种工作方式。
按编码方式工作时，扫描计数器的状态从SL0～SL3输出，通过外部译码器，可以外接16位显示器和8×8键盘；按译码方式工作时，扫描计数器的低2位的状态从SL0～SL3输出，状态为00，SL0输出低电平，SL1～SL3输出高电平；状态为01，SL1输出低电平，其他输出高电平；状态为10，SL2输出低电平，其他输出高电平；状态为11，SL3输出低电平，其他输出高电平。
此时只能外接4位显示器和4×8键盘。
4、键输入控制和FIFO（先进先出）RAM
这部分电路可以完成对键盘的自动扫描，锁存RL0～RL7的输入信息，搜索闭合键，去除键抖动，并将键输入数据写入先进先出存储器（FIFORAM）。
8279具有8个字节先进先出的键输入寄存器。
当FIFORAM中存有键盘上闭合键的键码时，IRQ变为高电平，向CPU请求中断；当CPU从FIFORAM中读取数据时，IRQ变为低电平。
若RAM中仍有数据，则IRQ再次恢复高电平；当CPU将RAM中的输入键数据全部读出时，IRQ下降为低电平。
在键盘扫描方式中，从8279的FIFORAM中读出的8位键输入数据按表2.1格式存放：
表2.18279的FIFORAM中8位数据存放格式
CNTL
SHIFT
扫描计数器的状态
RL7RL0的编码值
CNTL/STB和SHIFT为控制键输入线，通常用来扩充键的控制功能。
5、显示RAM和显示地址寄存器
8279中有16个字节的显示器存储器。
CPU将段数据写入显示存储器，存储的显示数据轮流从显示寄存器输出。
CPU将显示数据写入显示存储器有左端送入和右端送入两种方式。
左端送入为依次填入方式；右端送入为移位方式。
显示寄存器分为A、B两组，OUTA0～OUTA3和OUTB0～OUTB3可以单独传送数据，也可以合送一个8位的二进制数据。
显示地址寄存器用来寄存由CPU进行读/写显示RAM的地址，它可以由命令设定，也可以设置成每次读出或写入之后自动递增。
2.3.2接口的设计
键盘和显示器的控制采用可编程键盘/显示器接口8279。
8279能对显示器自动扫描,能识别键盘上闭合键的键号,它独立于CPU工作,可以大大地提高CPU的工作效率。
在工作时,将IRQ经反相器接至80C51的
。
当IRQ为高电平时，接受用户按键的响应,并根据键盘的功能作出相应的处理。
为了便于用户操作，设了一个8×2的键盘，其中包括数据采集控制键、数据传输控制键、复位键、0～2的3路通道选择数字键以及频率选择数字键（6个）。
显示器选用四位七段LED数码管完成数据的显示，其中一位用来显示通道号（三个），一位用来显示采集频率段（六段），另外两位用来显示存储地址（高位）
8279与80C51单片机的连接分别为：
（1）8279的数据线D0～D7与80C51的AD0～AD7直接相连。
（2）8279的读/写
、
信号由80C51的
、
信号直接提供。
（3）8279的片选信号CS由80C51的引脚（P2.5~P2.7）通过译码器74LS138的
控制,当
时,可对8279进行读写。
8279与单片机接口如图2.5所示。
图2.5单片机与8279的接口电路
2.4数据传输模块
2.4.1CH375芯片简介
1、概述
CH375是一个USB总线的通用接口芯片，支持USB-HOST主机方式和USB-DEVICE/SLAVE设备方式。
在本地端，CH375具有8位数据总线和读、写、片选控制线以及中断输出，可以方便地挂接到单片机/DSP/MCU/MPU等控制器的系统总线上。
在USB主机方式下，CH375还提供了串行通讯方式，通过串行输入、串行输出和中断输出与单片机/DSP/MCU/MPU等相连接。
CH375的USB设备方式与CH372芯片完全兼容，CH375包含了CH372的全部功能。
CH375的USB主机方式支持常用的USB全速设备，外部单片机可以通过CH375按照相应的USB协议与USB设备通讯。
CH375还内置了处理Mass-Storage海量存储设备的专用通讯协议的固件，外部单片机可以直接以扇区为基本单位读写常用的USB存储设备（包括USB硬盘/USB闪存盘/U盘）。
2、特点
﹡全速USB-HOST主机接口，兼容USBV2.0，外围元器件只需要晶体和电容。
﹡主机端点输入和输出缓冲区各64字节，支持常用的12Mbps全速USB设备。
﹡支持USB设备的控制传输、批量传输、中断传输。
﹡自动检测USB设备的连接和断开，提供设备连接和断开的事件通知。
﹡内置控制传输的协议处理器，简化常用的控制传输。
﹡通过U盘文件级子程序库实现单片机读写USB存储设备中的文件。
﹡并行接口包含8位数据总线，4线控制：
读选通、写选通、片选输入、中断输出。
﹡串行接口包含串行输入、串行输出、中断输出，支持通讯波特率动态调整。
﹡支持5V电源电压和3.3V电源电压，CH375A芯片还支持低功耗模式。
﹡采用SOP-28封装，可以提供SOP28到DIP28的转换板。
3、封装
图2.6CH375引脚图
表2.2CH375封装说明
封装形式
塑体宽度
引脚间距
封装说明
订货型号
SOP-28
7.62mm
300mil
1.27mm
50mil
标准的28脚贴片
CH375S/A
4、引脚
表2.3CH375引脚说明
引脚号
引脚名称
类型
引脚说明
28
VCC
电源
正电源输入端，需要外接0.1uF电源退耦电容
12、23
GND
电源
公共接地端，需要连接USB总线的地址
9
V3
电源
在3.3V电源电压时连接VCC输入外部电源
在5V电源电压时外接容量为0.01uF退耦电容
13
X1
输入
晶体振荡的输入端，需要外接晶体及振荡电容
14
X0
输出
晶体振荡的反相输出端，需要外接晶体及振荡电容
10
UD+
双向三态
USB总线的D+数据线，内置可控的上拉电阻
11
UD-
双向三态
USB总线的D－数据线
22~15
D7~D0
双向三态
8位双向数据总线，内置上拉电阻
4
RD#
输入
读选通输入，低电平有效，内置上拉电阻
3
WR#
输入
写选通信号，低电平有效，内置上拉电阻
27
CS#
输入
片选控制输入，低电平有效，内置上拉电阻
1
INT#
输出
在复位完成后位中断请求输出，低电平有效
8
A0
输入
地址线输入，区分命令口和数据口，内置上拉电阻，当A0=1时可以写命令，当A0=0时可以读写数据
24
ACT#
输出
在内置固件的USB设备方式下时USB设备配置完成状态输出，低电平有效
对于CH375A芯片，在USB主机方式下时USB设备连接状态输出，低电平有效
5
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