单片机多路数据采集及多机通讯系统.docx
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单片机多路数据采集及多机通讯系统
目录
一、实验概要2
二、用EPROM构成的心电信号发生器2
1、实验目的2
2、实验器材2
3、实验原理2
（1）、时钟脉冲发生器2
（2）、顺序地址发生器3
（3）、数据锁存器3
（4）、D/A转换器3
4、实验内容4
三、多路信号的微机采集与显示5
1、实验目的5
2、实验器材5
3、实验原理5
（1）采样保持电路5
（2）多路模拟开关5
（3）A/D转换器5
（4）分频器6
（5）静态RAM6
4、实验内容6
四、多机通讯系统7
1、实验目的7
2、实验器材7
3、实验原理7
4、实验内容8
五、心得与体会8
六、附录9
附录A9
附录B10
附录C10
附录D10
附录E10
附录F10
附录G11
附录H12
一、实验概要
为了进一步的了解现代通信系统的构成，理论联系实践，通过本实验的三个部分掌握任意波形的模拟信号的数字编码方法，了解数据采集与显示系统的组成，了解多机通讯系统的构成，掌握系统的概念及系统的构建和设计过程。
二、用EPROM构成的心电信号发生器
1、实验目的
（1）研究可编程存储器EPROM的非计算机应用，利用EPROM构成心电信号发生器
（2）掌握模拟信号进行数字编码的方法，完成心电信号发生器的制作
2、实验器材
稳压电源、双踪示波器、NE555、CD4040、74LS273、TL084、EPROM、DAC0832、电阻、导线
3、实验原理
心电信号是一种低频信号，在实验中利用EPROM存储心电波。
心电波是一种模拟信号，而EPROM存储的是数字信号。
为了能正确的反映心电波的变化，采用一定精度的采样、量化方式，将模拟信号编码为数字信号并存储于EPROM中。
用EPROM构建模拟心电信号发生器，即将EPROM中存储的二进制数值，按照一定的速率顺序的从EPROM中读出，并通过D/A转换成模拟信号，原理如图1。
实验中采用十二级串行二进制计数器CD4040作为顺序地址发生器，产生000H-3FFH的循环递增地址，从EPROM中读出的数据经过锁存后再输出给D/A，保证了数据的稳定性。
图1由EPROM产生模拟波形的原理图
（1）时钟脉冲发生器
时钟脉冲可以通过软件编程或硬件触发的方式产生，本实验采用NE555定时器构成的振荡电路来实现时钟脉冲的发生，如图2。
选取电阻R1=10K，R2=4.7K，R3=10K，C1=0.1UF，C2=0.01UF，根据公式，可得充电时间T1=（R1+R2）Cln2=1.02ms，放电时间T2=R2Cln2=0.326ms，R3为上拉电阻，保证对下级的驱动能力。
图2时钟脉冲发生器
（2）顺序地址发生器
由于寻址空间达到1K，实验中采用可以提供4K地址的12级串行二进制计数器CD4040作为地址发生器。
CD4040在时钟脉冲的触发下递增计数，当Q11输出高电平时表明已经计数1024次，将Q11与清零端相接利用芯片的自动清零功能，即可实现计数的循环顺序递增。
电路如图3。
图3顺序地址发生器
（3）数据锁存器
数据锁存器74LS273是8位D触发器，将EPROM输出的数据经过锁存后再传送给D/A转换器，避免由EPROM地址切换而产生的短暂数据不稳定现象所引起的毛刺干扰，在时钟脉冲的同步触发下，保证了D/A输入数据的稳定性。
（4）D/A转换器
DAC0832是一种具有两个独立的8位寄存器即数据寄存器和DAC寄存器的D/A转换器。
可以根据需求，通过端口的控制选择单寄存器、双寄存器和直通三种工作模式。
由于DAC0832是电流型转换器，可以在输出端通过运放实现电流-电压转换。
为了实现信号的放大和提高带载能力，在D/A转换之后添加了一个放大倍数为2的运放。
电路如图4。
图4D/A转换器
由EPROM构成的心电信号波形发生器的系统电路图见图5
图5由EPROM构成的心电信号波形发生器
4、实验内容
（1）按图5搭接电路
（2）测得NE555输出的时钟脉冲的周期为2.040ms，频率为490.2Hz，其占空比为83.3%，具体波形如图6。
图6时钟脉冲
（3）CD4040各个Q脚输出的脉冲信号成分频关系，图7给出了Q1-Q7输出的波形，其他管脚具有同样的分频特性。
图7CD4040的Q1-Q7波形
（4）用示波器观察D/A转换后的心电波形和经过运放反相放大后的波形分别如图8、图9。
比较放大前后的心电波形可得波形的放大倍数A=-2.56/1.28=-2，与电路设计时的理论值相同。
心电信号的频率为1.38Hz，属于低频信号。
从D/A转换出的心电波形中含有2.27V的直流分量。
图8放大前的心电波形
图9放大后的心电波形
三、多路信号的微机采集与显示
1、实验目的
（1）研究以单片机为主体的多路信号采集系统
（2）了解数据采集与显示系统的组成
2、实验器材
单片机、函数信号发生器、心电信号发生器、稳压电源、双踪示波器、ADC0804、LF398、CD4013、CD4052、DAC0832、TL084、电阻、电容、导线
3、实验原理
数据采集系统的任务是将模拟信号采集后，以数字量的方式进行存储、处理、传送、显示等。
系统又数据采集器、微机接口电路、D/A转换器等硬件电路和控制软件构成。
其中，数据采集器包括多路开关、测量放大器、采样保持放大器、模数转换器等。
微机接口电路实现数据、状态、控制信号的传送。
数据采集系统的结构框图如图10。
图10数据采集系统结构框图
（1）采样保持电路
在A/D进行转换期间，保持输入信号不变的电路即为采集保持电路。
本实验使用的采样保持电路为集成芯片LF398，它具有6us的捕捉时间和1MHz的信号带宽，有效的保证了A/D转换器输入信号的稳定性和可靠性。
（2）多路模拟开关
系统中采用模拟开关实现采集、模数以及调理电路的复用。
由于多路信号的循环采集，降低了系统的采集速率，适用于速率要求不高的系统。
CD4052为CMOS双四选一模拟开关，利用两比特信号可以实现信道的选择。
（3）A/D转换器
ADC0804是分辨率为8位，转换时间100us即可对10KHz信号的进行转换的模数转换器。
ADC0804可以对差分信号的进行转换，与单片机相配合，可将转化后的数字量传送给单片机进行后续处理，结构如图11所示。
为保证数据传送的可靠性，在ADC0804和单片机之间添加一数据锁存器。
图11ADC0804与单片机配合
（4）分频器
分频器可以通过软件计数、硬件计数等多种方式实现。
实验中根据D触发器的性能，采用双D触发器CD4013，将两个D触发器级连实现四分频的功能，电路如图12。
图12四分频器
（5）静态RAM
根据系统存储数据的要求，采用HM6116作为数据存储RAM。
HM6116是具有2K字节空间的高速CMOS静态RAM，具有11个地址管脚和8个数据I/O口，最大存储时间为200ns，能实现数据的高速读写。
与单片机的配合如图13所示。
图136116与单片机的配合
多路信号的采集与显示系统的系统电路图见附录A。
4、实验内容
（1）测得8031的ALE管脚输出的脉冲频率为2MHz，CD4013第13脚输出的频率为500KHz，为ALE的四分频。
（2）运行采样频率程序，分别设定定时时间为2.5ms、1ms、0.5ms，测得P1.7口的频率为200Hz，500Hz和1KHz，符合程序的设计要求。
程序见附录B。
（3）当CH1为正弦波、CH2为心电波时，采用500HZ的采样频率进行采样，在两片LF398的输出用示波器可以观察到正弦波和心电波的离散信号。
（4）运行多路模拟开关测试程序，分别选择通道0和通道1，用示波器观察CD4052输出端可以看到输出的波形与所选信道的输入波形相同。
程序见附录C。
（5）运行A/D转换测试程序，可以将32个从A/D采集的信号存储在单片机的外部RAM中所开辟的存储空间。
将通道0的输入端接高电平，可以观察到从60H开始的32个存储空间中的数据为FFH。
同样，将通道1的输入端接低电平，可观察到存储的数据为00H。
程序见附录D。
（6）运行D/A转换测试程序，用示波器可以观察到D/A转换输出端输出的为从00H-FFH的锯齿波。
若在程序中加入延时程序可以改变输出锯齿波的频率。
程序见附录E。
（7）运行多路模拟开关测试程序，选择通道2、通道3，用示波器可以观察到输出波形与输入波形相同。
（8）运行静态RAM测试程序，将从55H开始的15个数据按顺序分别写入RAM中，并同时将数据从RAM中读出存储在从60H开始的外部RAM中。
可以观察到外部RAM中的数据与设计相符合。
程序见附录F。
（9）多路信号采集与显示系统的程序流图如图14所示。
系统对两路信号以200Hz的采样速率分别采集1KB的数据存储C000H和C400H起始的空间中，采样结束后从CH1和CH2中分别循环输出所采集的信号。
程序见附录G。
（10）从CH1和CH2输出的为离散信号，经过无源低通滤波后所得的波形与输入波形相似。
由于系统D/A输出的速率是固定的，可以通过改变信号的采集速率来改变输出信号的频率等参数。
图14多路信号采集与显示系统程序流图
四、多机通讯系统
1、实验目的
（1）研究多台单片机组成的主从式多机通讯系统
（2）了解多机通讯系统的构成，完成“一主四从”的通讯系统
2、实验器材
五套多路信号采集与显示系统
3、实验原理
单片机串行通道是一个全双工串行接口，不仅具有双机之间的串行通讯能力，而且还可以实现多机之间的串行通讯。
物理上独立的接收和发送缓冲器SBUF可同时接收和发送数据。
系统由5台单片机组成“一主四从”的工作模式，各从机地址可以分别定义，各台从机的发送端TXD匀与主机的接收端RXD相连，而主机的发送端TXD则连接到每一台从机的接收端RXD，所以只有主机可以对各从机进行直接通讯。
系统框图如图15。
图15“一主四从”通讯系统框图
4、实验内容
（1）利用串行口进行主机与0#从机之间的通讯：
呼叫地址，从机应答。
采用查询方式的主、从机的程序流图如图16，从机的地址为00H，应答信号为FFH，程序见附录H。
图16一对一通讯程序流图
（2）编制一台主机联络四台从机的程序，将0#从机采集到的现场信号分别送到1#从机和3#从机，并命令1#、3#从机进行D/A转换，观察所得的波形是否一致。
五、心得与体会
通过四个时段的学习，基本掌握了一个现代通信系统的组成和系统的构建过程。
掌握了由EPROM构成的心电信号发生器以及多路信号采集与显示系统的制作，了解了多机通讯系统的构成和组建。
系统硬件搭接方面，总体的布局是至关重要的，直接影响到了系统的外观和布线的难易度。
电源与地线的颜色应该严格区分，通常电源线为红色，地线为深黑色，正负电源取蓝、绿色，同时，各组数据线可以采用同色或不同数据位采用不同颜色两种方式，，这样不仅有利于系统的检测，也有效的避免了线路的错搭。
各条线路应该尽可能的短，避免线路之间的干扰。
系统软件设计方面，在全面了解系统的工作原理的前提下，绘出系统的程序流图，再根据流程图进行程序的编写。
系统中的各个子程序应该分别独立测试，这不仅有利于验证程序的正确性，同时也验证了该功能模块的可靠性。
系统联调方面，在确保硬件搭接无误的前提下，充分利用仿真器的便利性来进行程序的调试。
硬件的调试可以采用至上而下或至下而上两种方式对各级进行测试。
六、附录
===========================================
附录A多路信号的采集与显示系统电路图
===========================================
=============================
附录B采样频率子测试程序
=============================
ORG0000H
AJMPSTART
ORG000BH
AJMPTIMEINT
ORG0030H
START:
MOVSP,#60H
MOVTMOD,#02H
MOVTH0,#0F6H；2.5ms=F63BH，1ms=FC17H，0.5ms=FE0BH
MOVTL0,#3BH
SETBET0
SETBEA
SETBTR0
AJMP$
TIMEINT:
CPLP1.7
RETI
===============================
附录C多数模拟开关测试程序
===============================
ORG0000H
AJMPSTART
ORG0030H
START:
MOVSP,#60H
CLRP1.1;CHANNEL1
SETBP1.0
LOOP:
MOVTMOD,#01H
MOVTH0,#0F6H;F63B
MOVTL0,#49H;F649
SETBTR0
LOOP1:
JBCTF0,NEXT
AJMPLOOP1
NEXT:
CPLP1.7
AJMPLOOP
==========================
附录DA/D转换测试程序
==========================
ORG0000H
AJMPSTART
ORG0003H
AJMPADINT
ORG0030H
START:
MOVSP,#40H
MOVDPTR,#0BFFFH;P2.6
MOVR0,#60H
MOVR1,#20H
SETBIT0
SETBPX1
SETBEX0
SETBEA
MOVX@DPTR,A;STARTAD
SETBP1.7
CLRP1.1
CLRP1.0
AJMP$
ADINT:
DJNZR1,NEXT1
AJMPADEND
NEXT1:
MOVXA,@DPTR
MOV@R0,A
INCR0
MOVDPTR,#0BFFFH
MOVX@DPTR,A;STARTAD
ADEND:
RETI
==========================
附录ED/A转换测试程序
==========================
ORG0000H
AJMPSTART
START:
MOVDPTR,#0DFFFH;P2.5
MOVR0,#00H
LOOP:
MOVA,R0
MOVX@DPTR,A
INCR0
AJMPLOOP
===========================
附录F静态RAM测试程序
===========================
ORG0000H
AJMPSTART
ORG0030H
START:
MOVSP,#70H
MOVR0,#55H
MOVR1,#60H
MOVR3,#0FH
MOVDPTR,#0C000H
LOOP:
MOVA,R0
MOVX@DPTR,A
CALLDELAY
CLRA
MOVXA,@DPTR
MOV@R1,A
INCR0
INCR1
DJNZR3,LOOP
AJMP$
DELAY:
MOVR7,#0FFH
DJNZR7,$
RET
=================================
附录G多路信号采集与显示程序
=================================
FLAGEQU20H
HHEQU50H
LLEQU51H
ORG0000H
AJMPSTART
ORG0003H
AJMPADINT
ORG0030H
START:
MOVSP,#60H
MOVR7,#00H;1024POINT
MOVR6,#04H
CLRFLAG
CLRP1.7
CLRP1.1
CLRP1.0
MOVDPTR,#0C000H;CH1
MOVHH,DPH
MOVLL,DPL
MOVDPTR,#0C400H;CH2
MOVR2,DPH
MOVR3,DPL
SETBIT0
SETBEX0
SETBEA
LOOP1:
MOVTMOD,#01H
MOVTH0,#0FCH;F82F;FC17;F63B
MOVTL0,#017H
SETBTR0
JBP1.7,LOOP2
MOVDPTR,#0BFFFH
MOVX@DPTR,A;STARTAD
JBFLAG,NEXT1;SAMPLEMORETHAN2K
LOOP2:
JBCTF0,NEXT2
AJMPLOOP2
NEXT2:
CPLP1.7
AJMPLOOP1
NEXT1:
CLREA
LOOP3:
MOVDPTR,#0C000H
MOVLL,DPL
MOVHH,DPH
MOVDPTR,#0C400H
MOVR2,DPH
MOVR3,DPL
LOOP4:
MOVDPH,HH
MOVDPL,LL
MOVXA,@DPTR
INCDPTR
MOVLL,DPL
MOVHH,DPH
SETBP1.3;CHANNEL2
CLRP1.2
MOVDPTR,#0DFFFH;STARTDA
MOVX@DPTR,A
CLRP1.3；CHANGETOCHANNEL0
MOVDPH,R2
MOVDPL,R3
MOVXA,@DPTR
INCDPTR
MOVR2,DPH
MOVR3,DPL
SETBP1.2；CHANNEL3
SETBP1.3
MOVDPTR,#0DFFFH
MOVX@DPTR,A
CLRP1.3CHANGETOCHANNEL1
DJNZR7,LOOP4
DJNZR6,LOOP4
MOVR6,#03H
AJMPLOOP3
ADINT:
MOVDPTR,#0BFFFH;ADDROFAD
MOVXA,@DPTR
MOVDPL,LL
MOVDPH,HH
MOVX@DPTR,A
INCDPTR
MOVHH,DPH
MOVLL,DPL
DJNZR7,ADEND
DJNZR6,ADEND
MOVR6,#04H
JNBP1.0,NEXT4
SETBFLAG
NEXT4:
CLRP1.1;SAMPLECHANNEL2
SETBP1.0
ADEND:
RETI
END
========================
附录H一对一通讯程序
========================
=========
主机程序
=========
ORG0000H
AJMPSTART
ORG0030H
START:
MOVSP,#60H
MOVTMOD,#20H
MOVTH1,#0FDH;9600
MOVTL1,#0FDH
MOVPCON,#00H;SMOD=0
MOVSCON,#0DBH
SETBTR1
CLREA
CLRES
LOOP1:
MOVSBUF,#00H
JNBTI,$
CLRTI
JNBRI,$
CLRRI
MOVA,SBUF
CJNEA,#0FFH,LOOP1
SETBP1.7
AJMP$
END
============
0#从机程序
============
ORG0000H
AJMPSTART
ORG0030H
START:
MOVSP,#60H
MOVTMOD,#20H
MOVTH1,#0FDH;9600
MOVTL1,#0FDH
MOVPCON,#00H;SMOD=0
MOVSCON,#0DBH
SETBTR1
CLREA
CLRES
LOOP:
JNBRI,$
CLRRI
MOVA,SBUF
CJNEA,#00H,LOOP
MOVSBUF,#0FFH
JNBTI,$
CLRTI
AJMP$
END
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