多点异步时间记录系统设计.docx
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多点异步时间记录系统设计
1引言
随着微处理技术的快速发展，数据采集系统在工业生产中迅速地得到应用。
数据采集与检测技术是信息科学的重要分支之一，它研究信息数据的采集、存储、处理等问题。
其任务是对各种参数进行采集，然后送入计算机，根据不同的需要由计算机进行相应的计算和处理，得到所需的数据。
与此同时，将得到的数据按要求进行显示或存储，以便实现对某些物理量的监视[1]。
数据采集系统一般需要长时间、高速度地进行数据采集，将会产生大量的数据，需要组织、存储、处理数据，并对生产、实验进行有效的监控，提高效率。
时间间隔参数作为一个重要的物理量，是科学实验、工业生产、产品质量检测的重要参数之一。
随着工业的不断发展，对时间间隔测量的要求越来越高，而且测量的范围也越来越广，对时间间隔的检测技术的要求也越来越高。
因此，对时间间隔测量的研究也是一个重要的研究课题。
1.1课题背景
爆炸冲击波压力的均匀性是评价爆炸性能的重要指标，它可以通过测量爆炸冲击波到达不同方向不同远近的观测点的时间间隔大小来予以估量。
由于爆炸过程的特殊性，要得到完整准确的测量数据，必须在测试系统的构建以及测试系统的现场安装连接上全面考虑。
由于爆炸具有短时、单次和强脉冲的特点，常伴随着烟雾、尘粒和光电辐射等干扰并且引起电网波动，加上爆炸现场与测试地点相距数十米至数百米，要如实地采集到如此复杂环境下的瞬变信号是有很大困难的[2]。
爆炸力学领域很广，涉及的测量内容也是多方面的。
工程爆破是在野外进行的，测量距离远，环境复杂，所测参量如药室的压力、地表的运动、地震波强度和空气冲击波压力对传感器和测试仪器频响要求较低[3]。
化学炸药爆炸和核爆炸实验也是野外实验，爆炸时会产生很强的电磁辐射，给测量带来困难。
这类实验中经常要测量的是空气冲击波压力随时间的变化。
爆炸测量多在厂房内或野外进行，距离在数百米内。
因此，研究设计一个可以远距离无线采集测量数据的系统就显得非常必要。
1.2计时器的发展状况
人类的日常生活、科研、导航及测绘等等工作都要花费时间。
任何具有周期性变化的自然现象都可以用来测量时间[4]。
人类是以地球自转作为计时标准，进而以机械钟、石英钟乃至原子钟作计时工具，这一过程用了3500多年。
公元前1500年，出现的日晷是人类最古老的计时工具，埃及人首先开始使用这项技术，然后在整个地中海地区普及开来。
日晷是以太阳投向刻度盘的阴影为基础的。
通常由铜制的指针（晷针）和石制的圆盘（晷面）组成。
当太阳光照在日晷上时，晷针的影子就会投向晷面。
太阳由东向西移动时，投向晷面的晷针影子也会慢慢地由西向东移动。
移动着的晷针影子就好像是现代钟表的指针，晷面则是钟表的表面，以此可以来显示时刻。
在公元前1400年，出现的漏壶（沙漏或者滴漏）是第一个摆脱天文现象的计时仪器。
它根据流沙从一个容器滴漏到另一个容器的数量来计量时间。
古代人设计的“五轮沙漏”通过流沙从漏斗形的沙池流到初轮边上的沙斗里，以此来驱动初轮，从而带动各级机械齿轮的依次旋转。
最后一级齿轮带动在水平面上旋转的中轮，中轮的轴心上有一根指针，指针则在一个有刻线的仪器圆盘上转动，以此来显示时刻，这种古老的显示方法几乎与现代时钟的结构完全相同。
很长的几个世纪里，人们对时间的把握，用的都是一些简单的工具。
除了上面的这些方法以外，有人还利用流速均匀的滴水，发明水钟；利用点燃的香，人们分出了“一炷香”、“两炷香”等时间间隔。
但这些时间概念都不是精确的。
公元1088年，中国宋朝的机械师苏颂发明的“水运仪象台”（水钟）被认为是世界上第一架真正的机械钟，它是集观测天象的浑仪、演示天象的浑象、计量时间的漏刻和报告时刻的机械装置于一体的综合性观测仪器，它实际上就是一座小型的天文台。
这台仪器的制造水平堪称一绝，充分体现了我国古代人民的聪明才智和富于创造的精神。
1400年，第一批机械钟开始在欧洲流行，其始祖由意大利人乔瓦尼·唐迪于1364年制成，他首次在机械钟里引入了轮式钟摆。
1511年，荷兰人彼得·亨莱茵制成了第一块怀表，但它只有时针而没有分针和秒针。
怀表和钟的结构其实是完全一样的，所不同的是它利用螺旋弹簧制成的发条驱动，从而摆脱了传统的钟摆，它靠小巧的“体形”，轻松进入人们的口袋。
1656年，有摆的挂钟（或座钟）产生于荷兰天文学家、数学家克里斯蒂安·惠更斯的实验室内。
它是以伽利略发现的摆的摆动具有规则性这个原理为基础而发明的。
自此以后人类掌握了比较精确的测量时间的方法。
1969年，由瑞士人创意、日本精工企业制作的第一块石英手表――SeikoAstron诞生，其价格在当时相当于一部汽车。
石英手表的发明是基于科学家们发现处于电路之中的石英晶体能产生频率稳定的振动以及可以通过特殊的切割方式来控制石英晶体振动的频率。
到了19世纪80年代中后期，随着人们生产生活的需要和科学技术的发展，计时工具也发生了变化，由传统的机械式发展到了电子式，甚至可以利用可编程技术（EDA）设计的计时系统来完成计时功能。
由于科学实验和军事等领域的需要，高精度的时间间隔测量系统的实现就显得尤为必要。
而EDA技术，就是解决这一问题的最佳选择。
1.3EDA设计方法及优点
传统的电路设计方法都是自底向上进行设计的，也就是首先确定可用的元器件，然后根据这些器件进行逻辑设计，完成各模块后进行连接，最后形成系统。
而EDA技术的设计方法则是自顶向下进行设计的，也就是采用可完全独立于目标芯片物理结构的硬件描述语言，在系统的基本功能或行为级上对设计的产品进行描述和定义，结合多层次的仿真技术，在确保设计的可行性与正确性的前提下，完成功能确认，然后利用EDA工具的逻辑综合功能，把功能描述转换成某一具体目标芯片的网表文件，输出给该器件厂商的布局布线适配器，进行逻辑映射及布局布线，再利用产生的仿真文件进行包括功能和时序的验证，以确保实际系统的性能[5]。
采用自顶向下的设计方法有如下优点：
（1）对设计的描述从上到下逐步由粗略到详细，符合常规的逻辑思维习惯；
（2）由于高层设计同器件无关，可以完全独立于目标器件的结构，因此避免了传统设计方法中的再设计风险，缩短了产品的上市周期；
（3）由于系统采用硬件描述语言进行设计，可以完全独立于目标期间的结构，因此设计易于在各种集成电路工艺或可编程器件之间移植；
（4）适合多个设计者同时进行设计。
利用EDA技术，它可快速，经济地设计出高性能的综合计时系统，并且很容易实现，修改及完善。
1.3.1硬件描述语言VHDL
硬件描述语言（HDL—HardwareDescriptionLanguage）是一种用于设计硬件电子系统的计算机语言，它用软件编程的方式来描述电子系统的逻辑功能、电路结构和连接形式，与传统的门级描述方式相比，它更适合大规模系统的设计。
例如一个32位的加法器，利用图形输入软件需要输入500至1000个门，而利用VHDL语言只需要书写一行A=B+C即可，而且VHDL语言可读性强，易于修改和发现错误。
早期的硬件描述语言，如ABEL–HDL、AHDL，由不同的EDA厂商开发，互不兼容，而且不支持多层次设计，层次间翻译工作要由人工完成[6]。
为了克服以上不足，1985年美国国防部正式推出了VHDL（VeryHighSpeedICHardwareDescriptionLanguage）语言，1987年IEEE采纳VHDL为硬件描述语言标准（IEEESTD-1076）。
VHDL是一种全方位的硬件描述语言，包括系统行为级、寄存器传输级和逻辑门级多个设计层次,支持结构、数据流、行为三种描述形式的混合描述，因此VHDL几乎覆盖了以往各种硬件描述语言的功能，整个自顶向下或自底向上的电路设计过程都可以用VHDL来完成[7]。
一个VHDL设计由若干个VHDL文件构成，每个文件主要包含如下三个分中的一个或全部：
（1）程序包（Package）；
（2）实体（Entity）；
（3）结构体（Architecture）.
一个完整的VHDL设计必须包含一个实体和一个与之对应的结构体。
个实体可对应多个结构体，以说明采用不同方法来描述电路。
1.3.2复杂可编程逻辑器件（CPLD）
CPLD（ComplexProgrammableLogicDevice）复杂可编程逻辑器件，是从PAL和GAL器件发展出来的器件，相对而言规模大，结构复杂，属于大规模集成电路范围。
是一种用户根据各自需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路。
其基本设计方法是借助集成开发软件平台，用原理图、硬件描述语言等方法，生成相应的目标文件，通过下载电缆（“在系统”编程）将代码传送到目标芯片中，实现设计的数字系统。
CPLD主要是由可编程逻辑宏单元（MC，MacroCell）围绕中心的可编程互连矩阵单元组成[8]。
其中MC结构较复杂，并具有复杂的I/O单元互连结构，可由用户根据需要生成特定的电路结构，完成一定的功能。
由于CPLD内部采用固定长度的金属线进行各逻辑块的互连，所以设计的逻辑电路具有时间可预测性，避免了分段式互连结构时序不完全预测的缺点[9]。
发展历史及应用领域：
20世纪70年代，最早的可编程逻辑器件--PLD诞生。
其输出结构是可编程的逻辑宏单元，因为它的硬件结构设计可由软件完成（相当于房子盖好后人工设计局部室内结构），因而它的设计比纯硬件的数字电路具有很强的灵活性，但其过于简单的结构也使它们只能实现规模较小的电路。
为弥补PLD只能设计小规模电路这一缺陷，20世纪80年代中期，推出了复杂可编程逻辑器件CPLD。
目前应用已深入网络、仪器仪表、汽车电子、数控机床、航天测控设备等方面。
器件特点：
它具有编程灵活、集成度高、设计开发周期短、适用范围宽、开发工具先进、设计制造成本低、对设计者的硬件经验要求低、标准产品无需测试、保密性强、价格大众化等特点，可实现较大规模的电路设计，因此被广泛应用于产品的原型设计和产品生产（一般在10,000件以下）之中。
几乎所有应用中小规模通用数字集成电路的场合均可应用CPLD器件[10]。
CPLD器件已成为电子产品不可缺少的组成部分，它的设计和应用成为电子工程师必备的一种技能。
如何使用：
CPLD是一种用户根据各自需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路。
其基本设计方法是借助集成开发软件平台，用原理图、硬件描述语言等方法，生成相应的目标文件，通过下载电缆（“在系统”编程）将代码传送到目标芯片中，实现设计的数字系统。
产品系列：
经过几十年的发展，许多公司都开发出了CPLD可编程逻辑器件。
比较典型的就是Altera、Lattice、Xilinx世界三大权威公司的产品，这里给出常用芯片：
AlteraEPM7128S（PLCC84），LatticeLC4128V （TQFP100），XilinxXC95108（PLCC84）。
1.3.3现场可编程门阵列（FPGA）
FPGA（FieldProgrammableGateArray）即现场可编程门阵列，是大规模可编程逻辑器件。
FPGA器件极其开发系统是开发大规模数字机场电路的新技术[11]。
他利用计算机辅助设计，绘制出实现用户逻辑的原理图、编辑布尔方程或用硬件描述语言等方式作为设计输入；然后经一系列转换程序、自动布局布线、模拟仿真的过程；最后生成配置FPGA器件的数据文件，对FPGA器件初始化。
这样就实现了满足用户要求的专用集成电路，真正达到了用户自行设计、自行研制和自行生产集成电路的目的。
FPGA器件在结构上，由逻辑功能块排列为阵列，它的结构可以分为三个部分：
可编程逻辑块CLB（ConfigurableLogicBlock）、可编程I/O块IOB（InputOutputBlock）和可编程内部连线PI（ProgrammableInterconnect）。
如图1.1所示，CLB在其间中排列为阵列，周围有环形内部连线，IOB分布在四周的管脚上。
周边可配置的IOB为内部逻辑与器件封装引脚之间提供可编程接口；CLB阵列实现用户指定的逻辑功能；PI类似于印制电路板上的引线，可编程为在模块间传递信号的网络。
1.4本课题要解决的主要内容
本课题主要研究的是在较长距离无线数据采集方面，无线多点异步时间记录系统的具体应用。
主要研究内容有以下几个方面：
（1）系统采用最新的EDA技术设计，对设计的描述从上到下逐步由粗略到详细，符合常规的逻辑思维习惯；由于高层设计同器件无关，可以完全独立于目标器件的结构，因此避免了传统设计方法中的再设计风险，缩短了产品的上市周期；由于系统采用硬件描述语言进行设计，可以完全独立于目标期间的结构，因此设计易于在各种集成电路工艺或可编程器件之间移植；适合多个设计者同时进行设计。
利用EDA技术，它可快速，经济地设计出高性能的综合计时系统，并且很容易实现，修改及完善。
（2）系统计时部分采用VHDL语言实现，极大提高了设计效率，方便修改和设置，计时开始信号由上位机发出，计时停止信号由相应于所测信号感受器发出，以实现精准的时间间隔测量。
（3）系统采用无线的数据采集和处理，并且采用电池供电，减少电源线路的布置，消除了电信号的干扰，而跳频技术的加入又有效避免了同频段无线信号的干扰，增加了数据传输的安全性，提高了系统的灵活性和效率。
2系统总体方案设计
2.1系统的总体结构
图2.1系统总体结构示意图
本论文提出的多点异步时间记录系统，由数据采集端（下位机）和数据接收端（上位机）两部分组成，两端通过无线方式通信。
下位机由计时模块、微控制器和无线收发模块组成。
上位机由无线收发模块、微控制器和PC组成。
上位机发送开始计时信号，下位机接收到该信号后，控制计数器开始计时。
之后，传感器将外界被检测信号经信号调理和采集转换为数字信号，控制计时模块停止计时。
计时停止后将所得数据送到发射模块的微控制器（PICl6F877）中存储，然后微控制器PICl6F877将当前存储的信息送入nRF905无线发射模块中，并控制其发射。
上位机微控制器PICl6F877通过无线射频芯片发送开始信号后，等待接收相应下位机的数据，接收到数据后，微控制器将这些数据送到PC中。
系统总体结构如图2.1所示。
2.2计时模块的选择
本设计的计时模块部分采用CPLD以VHDL语言编程实现。
Altera公司的系列器件具有高密度和使用灵活等良好的性能，它除了具有一般PLD的一般特点外，还具有改进的结构、先进的处理技术、现代化的开发工具以及多种宏（Mega）功能等优点，因此Altera公司的CPLD系列器件目前在市场上占有较大优势[12]。
MAX7000系列是Altera公司速度最快的可编程器件，其集成度（包括MAX7000E、MAX7000S和MAX7000A器件）为600--10000可用门、32--256个宏单元及36--212个用户I/O引脚。
这些基于E2PROM的器件组合传输延迟快至4.5ns，16位计数器的频率可达192.3MHz。
此外，MAX7000器件输入寄存器的建立时间非常短，能提供多个系统时钟且有可编程的速度/功耗控制。
MAX7000是MAX7000系列的增强型，具有更高的集成度。
MAX7000S器件也具有MAX7000E器件的增强特性，且支持JTAG的边界扫描测试（BST）回路和ISP。
MAX7000A器件通过嵌入IEEE标准1149.1（JATG）接口支持3.3VISP，并具有高级引脚锁定功能。
这种器件具有节能模式，用户可以将信号通路或整个器件定义为低功耗模式。
因为大多数逻辑应用中只要求小部分逻辑门工作在上限频率上，所以使用这一特性，可使器件整体能耗减少50%以上。
MAX7000还具有可编程压摆率控制、六个引脚或逻辑驱动输出使能信号、快速建立时间的输入寄存器、多电压I/O接口能力和扩展乘积项分布可配置等结构特性。
MAX7000器件是基于Altera公司第二代MAX结构，采用先进的CMOSE2PROM
技术制造的。
MAX7000器件提供多达5000个可用门和在系统可编程（ISP）功能，其引脚到引脚延时快达5ns，计数器频率高达175.4MHz。
根据以上的介绍，我们选择MAX7000系列中的MAX7128，它的器件门数为5000
门，典型可用门为2500门，具有128个宏单元，8个逻辑阵列块和100个I/O引脚。
完全满足系统的设计要求，并且有较大的进一步升级扩展余地。
表2.1是MAX7128的管脚定义。
表2.1MAX7128的管脚定义
专用引脚
引脚号
输入引脚/全局时钟1
89
输入引脚/全局清零
91
输入引脚/使能端
90
输入引脚/使能端2/全局时钟2
92
TDI（3）
6
TMS（3）
17
TCK（3）
64
TDO（3）
75
GNDINT
40，88
GNDIO
13，28，45，61，76，97
VCCINT（只是5.0V供电）
41，93
VCCIO（3.3V或5V供电）
5，20，36，53，68，84
总计可用的I/O数目
84
2.3微控制器型号的选择
微控制器型号的选择是根据控制系统的目标，功能，可靠性，性价比，精度和速度等来共同决定的。
PIC16F877是由Microchip公司所生产开发的新产品，属于PICmicro系列单片微机，具有Flashprogram程序内存功能，可以重复烧录程序，适合教学、开发新产品等用途；而其内建ICD（InCircuitDebug）功能，可以让使用者直接在单片机电路或产品上，进行如暂停微处理器执行、观看缓存器内容等，让使用者能快速地进行程序除错与开发[13]。
可以说，PIC单片机代表着单片机发展的新动向。
PIC16F877单片机主要性能：
（1）哈佛总线结构
PIC系列单片机在架构上采用了独特的设计手法。
它既不像MOTOROLA公司开发的MC68HCO5/08系列单片机那样，程序存储器和数据存储器统一编址（也就是两种存储器位于同一个逻辑空间内，这种架构的微控制器、微处理器、DSP或者微机系统，称为普林斯顿体系结构）；也不像早期Intel公司开发的MCS-51系列单片机那样，其程序存储器和数据存储器虽然独立编址（也就是两种存储器位于不同的逻辑空间，这种架构的微控制器、微处理器、DSP或者微机系统，称为哈佛体系结构），但是它们与CPU之间传递信息必须复用同一条总线。
这种瓶颈效应的存在制约了CPU运行速度的进一步提高。
PIC单片机不仅采用哈佛体系结构，还采用了哈佛总线结构。
既在芯片内部将数据总线和指令总线分立，而且采用不同的宽度（指令总线12-16位，数据总线8位），这样的架构便于实现指令提取的“流水作业”（即在执行一条指令的同时对下一条指令进行取指操作），这样做便于实现全部指令的单字节化、单指令周期化，从而极大的提高了CPU执行速度。
（2）指令单字节化
因为数据总线和指令总线是分离的,并且采用了不同的宽度,所以程序存储器ROM和数据存储器RAM的寻址空间（即地址编码空间）是互相独立的,而且两种存储器宽度不同。
这样设计不仅可以确保数据的安全性,还能提高运行速度和实现全部指令的单字节化。
此处的“字节”，特指PIC单片机的指令字节，而不是常说的8位字节。
（3）精简指令集（RISC）技术
PIC系列单片机的指令系统只有35条指令，这给指令的学习、记忆以及编制程序的阅读、调试、修改都带来极大的便利，而MCS-51系列单片机指令系统有111条指令，MC68HC05有89条指令。
PIC系列单片机不仅全部指令为单字节指令，而且绝大多数为单周期指令，便于提高执行速度。
（4）寻址方式简单
PIC系列单片机只有4种寻址方式，即寄存器间接寻址、立即数寻址、直接寻址和位寻址，比较容易掌握。
而MCS-51单片机则为7种寻址方式，MC68HC05单片机为6种。
（5）代码压缩率高
1K字节的存储器空间，对于像MCS-51这样的单片机，大约只能存放600条指令，而对于PIC系列的单片机能够存放的指令条数可达1024条，正是凭借这样的优势，使其成为最节省程序空间的单片机。
（6）运行速度高
由于采用哈佛总线结构，以及指令的读取和执行采用流水作业方式，使得运行速度大大提高。
PIC系列单片机的运行速度远远高于其它相同档次的单片机。
（7）功耗低
PIC单片机功率消耗极低，是世界上能耗最低的单片机品种之一。
例如PIC16C73在4MHz时钟下工作时耗电不超过2mA，在睡眠模式下耗电可以低到luA以下。
PIC系列单片机是电池供电单片机系统的理想选择。
（8）驱动能力强
PIC单片机的I/O端口驱动负载的能力较强，每个I/O引脚引入和输出电流的最大值可分别达到25mA和20mA，能够直接驱动发光二极管LED、光电耦合器或者微型继电器等。
（9）I2C和SPI串行总线接口
I2C和SPI是在芯片之间实现同步串行数据传输的串行总线技术，PIC单片机具备I2C和SPI串行总线端口，利用该接口可以方便灵活地扩展一些必要地外围器件。
串行接口和串行总线的设置，不仅大大地简化了单片机应用系统的结构，而且还极易形成产品电路的模块化结构。
（10）寻址空间设计简洁
PIC系列单片机的程序、堆栈、数据三者各自采用互相独立的寻址（或地址编码）空间，而且前两者的地址安排不需人为干预，给设计者提供了方便。
（11）外接电路简洁
PIC单片机片内集成了上电复位电路、I/O引脚上拉电路、看门狗定时器等，可以最大程度地减少或免用外接器件，以便实现“纯单片”。
这样，不仅方便于开发，而且还节省用户地电路板空间和制造成本。
（12）程序保密性强
目前尚无办法对其进行解密拷贝，可以最大限度地保护用户的程序版权。
PIC单片机有多个型号系列，每个型号系列之下又有多个子系列。
PIC16F87X可以算是该家族中近年新推出的、很适用于单片机爱好者学习和演练的一个子系列。
PIC16F87X子系列目前有7种，分别是870、871、872、873、874、876和877，我们采用功能最全面的PIC16F877来实现电路连接。
2.4无线收发模块的选择
目前许多应用领域都采用无线的方式进行数据传输，这些领域包括无线抄表，门禁系统，小型无线网络，小区传呼，工业数据采集系统，无线遥控系统，无线标签身份识别，非接触RF智能卡等[14]。
由于无线收发芯片的种类和数量比较多，无线收发芯片的选择在设计上是至关重要的，正确的选择可以减小开发难度，缩短开发周期，降低成本，更快的将产品推向市场。
选择无线收发芯片时应该考虑以下几个因素：
功耗，发射功率，接收灵敏度。
收发芯片所需的外围元件数量，芯片成本，数据传输是否需要进行曼彻斯特编码等。
以下介绍一些常用的无线收发模块：
（1）nRF401是Nordic公司研制的单片UHF无线收发芯片，工作在433MHzISM（Industrial，ScientificandMedical）频段。
它采用FSK调制解调技术，抗干扰能力强，并采用PLL频率合成技术，频率稳定性好，发射功率最大可达10dBm，接收灵敏度最大为-105dBm，数据传输速率可达20Kbps。
工作电压在+3～5V之间。
nRF401无线收发芯片所需外围元件较少，并可直接接单片机串口。
（2）CCl000是Chipcon公司推出的单片可编程RF收发芯片，它基于Chipcon’sSmartRF技术，可工作在ISM频段（300～1000MHz）。
CCl00集成了射频发射，射频接收，PLL合成，FSK调制解调，可编程控制等多种功能。
CC1000采用锁相环技术，发射频率是通过内部的频率合成器来配置的，可配置的范围为300～1000MHz，适合应用调频协议，一般可配出10或20个频点，该芯片灵敏度为-109dBm，并可自动校验，可编程输出功率为-20dBm～+
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