第三章 数据采集常用程序设计.docx

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第三章数据采集常用程序设计

第三章数据采集常用程序设计

数据采集和处理是计算机在生产过程中应用的基础，任何计算机检测及控制系统都离不开信息的采集、处理及存储。

两种典型的系统：

生产过程控制系统——工况数据采集、数据处理、决策输出、驱动执行机构；

检测监控系统——工况数据采集、数据处理、显示或描绘成曲线；

我们已经介绍过数据采集的硬件结构，本章主要介绍数据采集中一些常用的程序设计。

第一节计算机数据采集系统

一、计算机数据采集系统的任务

在现代冶金、化工、石油、电力等工业生产过程中，往往需要对大量的过程参数进行监视和测量。

计算机数据采集系统的任务，就是要对生产现场的过程参数定时进行检测、记录、存储、处理、打印报表、显示及超限报警。

其结构如图3－1所示。

图3－1计算机采集系统结构图

二、计算机数据采集系统的优点

计算机数据采集系统的优点：

灵活、方便、速度快、判断能力强、图形功能强。

如在化工生产中，

（1）用不同的色彩，代表不同的管线中的流质；

（2）在测量点上，显示温度和压力的设定值、测量值、误差值；

（3）超限时用红灯闪烁表示，并发出报警声；

（4）可以由历史数据，生成历史趋势图、各种报表。

——注：

虚拟仪器LabView和LabWindows中，有各种典型的按钮、开关、测量仪器，可以刻度、曲线、表格、棒状图等多种显示数据。

该开发平台是图形化编程，适合工程人员使用。

三、计算机数据采集常用程序

计算机数据采集中的常用程序，包括中断、定时器、采样、看门狗、判断、上下限报警、LED数码管显示、小型行列式键盘控制等。

以数字信号处理器TMS320C24X为例，介绍常用的中断、定时、采样、看门狗的程序设计知识；以单片机MCS-51系列为例，介绍判断程序设计。

第二节中断程序设计

一、中断分类

图3－2中断分类图

从中断的来源看，分为硬件中断和软件中断；从中断是否可屏蔽来看，分为可屏蔽中断和不可屏蔽中断。

1、硬件中断和软件中断

硬件中断是由DSP的硬件所产生的中断，可由DSP的外部中断引脚（6个）产生，也可由DSP自身的外围设备产生（如定时器、A/D转换器、串行通信接口）。

软件中断是由DSP的指令产生的，如INTR、TRAP、RESET等。

2、可屏蔽中断和不可屏蔽中断

（1）可屏蔽中断：

可以用软件来屏蔽或者使能的硬件和软件中断。

（2）不可屏蔽中断：

中断不能够被屏蔽，DSP总是响应的中断。

二、中断优先级和向量地址

1、优先级

DSP的所有中断被赋予1～10的优先级（1为最高级）。

当有多于1个的中断被挂起等待响应时，中断按照优先级别从高到低依次被响应。

所有的软件中断和硬件中断，都对应于某一个优先级。

2、向量地址

在DSP中有专门的I/0空间，存在着一系列中断向量地址，每一个优先级都对应相应的中断向量地址。

中断向量地址为两个字长，可存储跳转指令。

当中断到来时，中断向量地址被加载到程序计数器，从而获取跳转指令，跳转到相应的中断处理子程序。

三、相关的寄存器

1、中断屏蔽寄存器（IMR）

IMR包含所有可屏蔽中断的屏蔽位，用于设置和读取中断的屏蔽状态。

（1）读IMR寄存器可以识别出已被屏蔽或未被屏蔽的中断。

（2）为了能够响应中断，把IMR相应位设置为1；屏蔽中断时，把IMR相应位设置为0。

（3）复位时，IMR所有位都被设置为0，屏蔽掉所有可屏蔽的中断

2、中断标志寄存器（IFR）

IFR中包含所有可屏蔽中断的标志位，可以识别和清除有效的中断。

当一个可屏蔽中断被请求时，IFR的相应的标志位被置1，指示中断正在被挂起或者等待响应（不论是否被CPU响应）；当中断未被屏蔽时，如果IFR的相应位是1，则该中断将被CPU响应。

下列情况中断标志都将被清除：

（1）系统复位

（2）中断得到处理

（3）把1写到IFR的相应位，使其变成0，即可清除尚未处理完的中断

四、中断操作步骤

1、初始化

设置中断屏蔽寄存器IMR，开启需要的中断，屏蔽不需要的中断；

2、接收中断

当硬件或软件指令产生中断请求时，IFR寄存器中相应的中断标志位被置位；

3、响应中断

（1）CPU根据中断屏蔽寄存器的设置，决定是否响应中断；

（2）若允许响应中断，CPU根据中断标志寄存器的标志位，装载中断向量地址；

（3）从中断向量地址存储的跳转指令，跳转到相应的中断服务子程序；

（4）执行中断服务程序（需考虑保存、恢复寄存器的数据）。

注：

蓝色的表示自己需要编写程序

第三节定时器程序设计

可采用软件方式和硬件方式，达到定时的目标。

一、软件定时程序

依据：

1、执行指令需要时间；

2、如果知道CPU的时钟频率，就可以计算出每一条指令的所需时间；

3、通过内循环次数、外循环次数、指令数，可以计算出定时时间

图3－3软件定时程序流程图

二、硬件定时程序

TMS320C24X有三个通用定时器Tx（x=1、2、3），能够独立使用，自动计数。

1、时钟

（1）CPU时钟：

最重要的时钟，决定CPU的指令周期，由专门的时钟源产生；

（2）通用定时器时钟：

可由CPU时钟分频获得；

2、控制寄存器

（1）时钟控制寄存器（CKCR）

通过设置CKCR决定CPU的时钟模式，可以直接使用外部时钟、或者倍频外部时钟。

（2）定时器控制器（TxCON，x=1、2、3）

每个定时器都有一个控制器，可以设置该定时器的时钟频率（对CPU时钟分频）和计数模式。

（3）比较寄存器（CMPRx，x=1、2、3）

存储着设定的计数值，当通用定时器的数值和比较寄存器相等时，将产生中断事件。

3、通用定时器Tx的计数模式（6种）

图3－4计数模式示意图

（1）停止/保持模式

通用定时器的操作停止，保持当前状态。

（2）单增模式

通用定时器按照规定频率的输入时钟计数，直到定时计数器的值与比较寄存器的值匹配为止。

匹配之后的下一个输入时钟的上升沿，通用定时器复位为0并且禁止继续计数。

（3）连续增模式

通用定时器按照规定频率的输入时钟计数，直到定时计数器的值与比较寄存器的值匹配。

匹配之后的下一个输入时钟的上升沿，通用定时器复位为0，重复上述操作。

（4）定向增/减模式

由引脚TMRDIR来确定计数方向。

当TMRDIR保持高时，通用定时器将增计数，直到计数值与比较寄存器的值匹配为止。

当通用定时器的计数值与比较寄存器值相等，并且TMRDIR保持高时，定时器保持该值。

当TMRDIR保持低时，通用定时器将减计数，直到计数值为0。

当通用定时器的计数值为0，且TMRDIR保持低时，定时器保持为0。

（5）单增/减模式

通用定时器按照规定频率的输入时钟计数，直到定时计数器的值与比较寄存器的值匹配。

然后通用定时器改变它的计数方向，直到0为止。

当通用定时器为0时，停止计数并保持它的当前状态。

（6）连续增/减模式

每个周期与单增/减模式相似。

当通用定时器复位为0时，重复单增/减模式下的操作。

3、定时器的使用

（1）初始化：

设置CPU时钟（时钟控制寄存器）、定时器时钟、计数模式（定时器控制器）、比较寄存器的值。

（2）启动定时器。

（3）当定时器计数值和比较寄存器的值相等时，产生中断。

（4）处理中断。

第四节采样程序设计

一、概述

1、TMS320C24X的A/D转换模块，包括两个带有内部“采样—保持”电路的A/D转换器，其字长为10位；

2、每个A/D转换器有8个模拟输入通道，总共可处理16个模拟量输入；

3、每八个模拟输入通道，通过8到1的多路开关，给A/D转换器提供数据；

4、两个A/D转换器可同时工作，所以能够同时测量两个模拟输入；

5、A/D转换器的转换模式，可以分为单转换和连续转换两种；

6、转换可以由A/D转换器自身启动，也可以由通用定时器的中断事件启动；

二、转换结果

A/D转换模块的基准电压由外部提供，被测信号通过传感器转换成电压信号，作为输入电压。

转换结果＝1024×（输入电压/基准电压）

三、转换时间

A/D的“采样－转换”需要6个模数转换周期，最少是6us的时间。

满足下列公式：

系统时钟周期×A/D的倍频系数×6>=6us

四、相关寄存器

1、模数转换控制寄存器1

用于控制转换启动、终止转换、选择模数转换模式、选择转换通道。

2、模数转换控制寄存器2

用于设置A/D转换的倍频系数、标识模数转换结果寄存器是否有内容。

3、模数转换结果寄存器

A/D转换结束时，将产生A/D转换中断。

转换结果寄存器是一个两级的FIFO寄存器，储存对应的A/D转换器的转换结果。

4、通用定时器控制寄存器

用于决定由哪个定时器、采用该定时器的何种中断事件来启动A/D转换。

五、A/D转换器的使用——由定时器启动

1、通过模数转换控制寄存器1，设置A/D转换模式、选择转换通道；

2、通过模数转换控制寄存器2，设置A/D转换的倍频系数；

3、通过通用定时器控制寄存器，设置由哪个定时器的中断事件来启动A/D转换；

4、定时器中断到来时（即采样周期到来时），启动A/D转换；

5、A/D转换结束时，产生A/D转换中断；

6、在A/D转换中断子程序中，从模数转换结果寄存器中取出A/D转换结果，进行处理。

注：

通过对转换通道的循环选择，可以实现巡回检测。

（一节）

第五节看门狗程序设计

看门狗（WatchDog）在CPU异常时、或者软件进入一个不正确的循环时，实现系统复位功能。

一、相关寄存器

1、WD计数寄存器

是一个8位可以复位的增数计数器，当WD定时器溢出时会导致系统复位，从而解除系统的软件错误和CPU崩溃。

2、WD定时器控制寄存器（WDCR）

设置WD计数寄存器的时钟频率。

3、WD复位关键字寄存器（WDKEY）

向WDKEY首先写55H、接着写AAH，将清除WD计数寄存器的值。

除此以外，任何组合都不能复位WD计数寄存器。

二、看门狗的使用

1、设置WD计数寄存器的时钟频率

2、启动WD计数寄存器

3、在适当的主程序或者分支程序中，向WDKEY首先写55H、接着写AAH，清除WD计数寄存器的值。

第六节判断程序设计

判断程序就是分支执行程序。

程序在执行时，首先判定给定的条件是否满足，根据判定的结果（真或假）再执行相应的操作。

例如：

在转速控制系统中，电机的恒速运转一般是通过控制输入电压来实现的。

首先检测出电机的实际转速，再比较电机的实际转速和给定转速。

（1）如果电机的转速低于给定转速，就需要增加输入电压；

（2）如果电机的转速高于给定转速，就需要降低输入电压。

重点介绍三类判断程序的设计思路：

1、算术判断程序：

对两个数值进行比较判断；

2、逻辑判断程序：

对一个字节的某些位，进行1或0的判断；

3、标志判断程序：

对某个标志位进行判断；

我们以单片机MCS-51系列为例，介绍判断程序的设计方法。

一、相关寄存器介绍

1、累加器ACC

是一个八位寄存器，它是CPU中工作最频繁的寄存器。

在进行算术、逻辑运算时，累加器ACC往往在运算前暂存一个操作数（如被加数），而运算后又保存其结果（如代数和）。

范围：

无符号数——0～255；有符号数——－127～128。

2、标志寄存器PSW

也是一个八位寄存器，用来存放运算结果的一些特征，如有无进位、借位等。

图3－5PSW的位定义

平常我们最关心的是以下四位。

（1）进位标志CY（PSW7）

它表示了运算是否有进位（或借位）。

如果操作结果在最高位有进位（加法）或者借位（减法），则该位为1，否则为0。

（2）辅助进位标志AC（PSW6）

又称半进位标志，它反映了两个八位数运算低四位是否有半进位，即低四位相加（或减）有否进位（或借位）。

如有则AC为1状态，否则为0。

（3）溢出标志位OV（PSW2）

反映运算结果是否有溢出。

有溢出时，此位为1，否则为0。

（4）奇偶标志P（PSW0）

反映累加器ACC内容的奇偶性，如果ACC中的运算结果有偶数个1（如11001100B，其中有4个1），则P为0，否则，P=1。

二、算术判断程序

✧两个8位无符号数比较

✧两个8位有符号数的比较

✧两个16位无符号数比较

1、两个8位无符号数比较（M、N）——根据进位标志

CLRCY；进位标志清零

MOVA,M；A←M

SUBBA,N；求M－N

JZEQU；累加器A=0，则M=N，转EQU

JCLESS；CY=1，有借位，则M

BIG:

M>N处理程序；无借位，则M>N，执行BIG处理程序

EQU:

M=N处理程序

LESS:

M

2、两个8位有符号数的比较——根据溢出标志和ACC的最高位

由于M和N均为有符号数，M和N两数在比较时，可能出现以下四种情况：

（1）M>0，N>0,即两数均为正数。

（2）M>0，N<0,即M为正数，N为负数。

（3）M<0，N>0,即M为负数，N为正数。

（4）M<0，N<0,即两数均为负数。

有符号数的比较相对复杂。

可利用“溢出标志PSW.2”和“ACC.7最高位”，判断两个8位有符号数的大小。

根据：

（1）正数——最高位为0；负数——最高位为1；

（2）溢出时，ACC最高位为1表示正溢出，ACC最高位为0表示负溢出；

MOVA,M；A←M

SUBBA,N；M和N比较

JZEQU；M和N相等，转相等处理程序

JBPSW.2,FLOW；判断是否溢出，有溢出则跳转FLOW

JBACC.7,LESS；无溢出，且A的最高位为1，则M

；如

（2）－（3）、（－2）－（3）、（－3）－（－2）

AJMPBIG；；无溢出，且A的最高位为0，则M>N，执行BIG程序

；如（3）－

（2）、（3）―（―2）、（－2）－（－3）

FLOW:

JBACC.7,BIG；溢出分为两种情况

；

（1）有溢出，且A最高位为1，表示正溢出

；则M>N，执行BIG程序

；如（126）－（－10）

；

（2）有溢出，且A最高位为0，表示负溢出

；则M

；如（－10）－（124）

LESS:

M

BIG:

M>N处理程序

EUQ:

M=N处理程序

3、两个16位无符号数比较——根据进位标志

由于MCS-51系列的累加器只有8位，所以当进行两个16位无符号数比较时，需要把它们分为“高8位”和“低8位”，分别比较。

CLRCY；标志位清零

MOVA,MH；A←MH

MOVR2,NH；R2←NH

SUBBA,R2；高8位比较

JZHEQU；高8位相等，转低8位比较

JCLESS；高8位不相等，有借位，转M

AJMPBIG；无借位，转M>N理程序

HEQU:

CLRCY；标志位清零（高8位相等）

MOVA,ML；A←ML

MOVR2,NL；R2←NL

SUBBA,R2；低8位比较

JZEQU；A=0，则M=N，转EQU

JCLESS；有借位，则M

；无借位，执行M>N理程序

BIG:

M>N处理程序

EUQ:

M=N处理程序

LESS:

M

二、逻辑判断程序

1、逻辑判断程序的设计步骤

（1）读入数据（开关状态或阀门的位置）；

（2）屏蔽不需要的状态位；

（3）与所要求的状态比较；

（4）判断比较结果，选择程序入口。

2、例子

图3－6逻辑判断例子图3－7标志判断例子

图3－6中，A、B、C、D表示4个开关，当四个开关均闭合时，顺序执行相应的程序，否则，继续检测。

（注：

闭合后，电平为0）

逻辑判断程序清单：

CHECK:

MOVA,P1；读入开关状态

ANLA,#55H；用01010101，屏蔽无用位

XRLA,#00H；判断开关A、B、C、D是否全部闭合，全部闭合后为0

；异或，相同为0，相异为1

JNZCHECK；若ACC中不是0，结果也非0

；表示开关A、B、C、D没全部闭合，继续检测

PROCESS:

…………；全部闭合时，顺序执行相应的处理程序

三、标志判断程序

1、标志判断的设计思想

根据某一设定的标志单元（或标志位）的状态，决定程序的执行方向。

2、例子

电机旋转方向控制程序流程图如图3－7所示。

FLAGBIT00H；设定00H为电机旋转方向控制位，FLAG代表该位

JBFLAG　RIGHT；FLAG=1，转RIGHT

LEFT:

…；FLAG=0，顺时针旋转控制程序

RIGHT:

…；逆时针旋转控制程序

第七节上下限报警处理程序设计

报警程序主要有以下几个步骤组成：

（1）采样被测参数；

（2）比较采样值和给定的上下限；

（3）根据比较结果执行相应的处理程序。

第八节LED数码管显示程序设计

一、LED显示器件工作原理

图3－8七段LED数码显示器的结构

LED显示器件是通过发光二极管显示字段的器件。

在单片机控制系统中常用的是由7段LED数码管，它的显示块中有8个发光二极管，7个发光二极管组成字符“8”，1个发光二极管构成小数点，因此有人称7段LED数码管为8段显示器。

LED数码管的管脚配置如图3-8（a）所示。

LED数码管有共阴极和共阳极两类。

共阴极LED数码管的发光二极管的阴极共地，如图3-8（b），当某个发光二极管的阳极电压为高电平时，二极管发光；而共阳极LED数码管是发光二极管的阳极共接，如图3-8（c），当某个二极管的阴极电压为低电平时，二极管发光。

二、LED显示方式

图3－9N位LED显示器构成原理图

在微机控制系统中，一般利用N块LED显示器件构成N位LED显示器。

构成原理图如图3-9所示。

通过I/O口位选控制哪个LED管显示，通过I/O口段选控制所显示的数字。

LED所显示的字符，与其段选码是一一对应的。

图3－107段LED段选码

1.LED静态显示方式

图3-11表示的是一个四位静态LED显示电路。

（1）把所有LED的3和8引脚串连起来，根据共阳极或者共阴极，连接到+5V或接地；

（2）段选控制直接由不同I/O口控制。

注：

需要占用多个I/O口。

图3－11LED静态显示电路

2.LED动态显示方式

图3－12LED动态显示电路

动态驱动显示接口特点是：

将多位LED同名的段选择线都并联在一起（即8位中的所有同名段a接在一起，所有b段都接在一起……），用一个8位的锁存器来控制段码；另外用一个锁存器来控制点亮的位。

因此需要2个8位的I/O端口。

I/O端口输出相应字符的段选择码，决定要显示的字符；同时通过位选择码，控制要显示的位。

如此循环下去，使每一位都显示该位应显示的字符，并保持延时一段时间（1～5ms），然后再选中下一位。

利用发光显示器的余辉及人眼的视觉暂留特点，给人一种显示器同时被点亮的效果。

三、LED动态显示程序设计

图3－13LED动态显示流程图

（1）缓冲区：

存放显示的数；

（2）数变成段码：

由专门的译码程序实现。

第九节小型行列式键盘控制程序设计

键盘是一个由开关组成的矩阵，是重要的输入设备，在小型微机系统中，如单板微计算机、带有微处理器的专用设备中，键盘的规模小，可采用简单实用的接口方式，在软件控制下完成键盘的输入功能。

常用键盘的类型包括：

◆编码键盘：

用硬件来识别、检测按了哪一键，并产生相应的代码

◆非编码键盘：

没有独立的硬件，用软件来识别按下的键、并产生代码

一、键盘工作原理

图3－14键盘原理图

将各键连接成一个矩阵，即成n行×m列，各键分别连接于某个行线与某个列结之间。

当某个键按下时，对应的行线和列线均为低电平，因此通过扫描程序，可判明按键位置（位置码、扫描码），再转换为按键编码。

为了方便键处理程序的设计，一般采用依次排列键值的方法，以保证键值和键号一致。

二、编码键盘

图3－15编码键盘电路连接

8279和51系列的单片机的连接非常简单，当有键按下时，8279内部由硬件自动生成一个与之相应的代码。

三、键盘扫描程序设计

较常用的键盘扫描的工作方式有“编程扫描方式”和“中断扫描方式”两种。

1、编程行扫描方式原理及程序流程图

图3－16用锁存器连接的键盘接口（4×4）

将行线接输出口，列线接输入口。

采用行扫描法：

（1）先将某一行输出为低电平，其它行输出为高电平，用输入口来查询列线上的电平。

（2）逐次读入列值

<1>如果行线上的值为0时，列线上的值也为0，则表明有键按下。

<2>由行与列的交连信号，确定某闭合键的坐标，即得到被按键对应的扫描码。

<3>主程序调用译码程序，将扫描码翻译为相应键的编码信息。

<4>否则，接着读入下一列，直到找到该行有按下的键为止。

（3）如该行没有找到有键按下，就按此方法逐行找下去，直到扫描完全部的行和列。

扫描键盘应注意的问题：

消除键的抖动：

在认可键号之前，程序中插入一段延时，让开按键机械抖动的周期，形成正确的键号。

2、中断扫描工作方式

图3－17中断扫描的接口电路（4×4）

（1）键按下时，产生中断信号；

（2）通过读P端口的4～7，可以直接确定行；

（3）在INT1中断服务程序中，通过判断P端口的0～3位，可以确定列；

（4）由行列组合成扫描码。