实验4 生物信号的数据采集.docx
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实验4生物信号的数据采集
实验四生物信号的数据采集
一、实验要求
利用8位串行控制模数转换器TLC0832做A/D转换器，采用实验板上的电位器,或其它信号（如心电仿真仪信号）提供模拟量输入，编制程序，将模拟量转换成二进制数字量。
存放在RAM区，以供查阅。
二、实验目的
1、熟悉串行外围设备接口SPI总线技术的结构和原理。
2、掌握8位串行控制模数转换器TLC0832的转换性能及编程。
3、掌握TLC0832与80C51单片机的接口方法。
4、通过实验了解如何使用单片机进行数据采集。
三、实验设备
1ＰＣ机一台
2实验面包板一个
380C51仿真器一套
4元件:
TLC0832一片
4导线若干
四、实验说明
一个微处理器系统中除了作为核心部件的微处理器外，多少要使用一些外围设备（通常被简称为“外设”）。
微处理器外设之间的连接方式基本上可以分为并行和串行2大类，也就是通过并行或串行接口连接。
并行接口设备使用了多根数据线，一次同时可以传递多个BIT的数据，所以传递速度较快，单器件之间的连线复杂。
而串行接口设备仅使用了一根数据线，每次只能传递一个BIT的数据，所以传递速度较慢，但由于使用串行接口的系统中器件之间的连线比较简单，在微型化的系统中倍受重视。
随着器件时钟速度的不断提高，串行接口的数据交换率同样可以做得很高。
另外基于异步串行接口电路的技术的器件因其相当高的效率，在DSP系统中被广泛采用。
（1）SPI总线介绍
串行外围设备接口SPI（serialperipheralinterface）总线技术是Motorola公司推出的一种同步串行接口。
SPI总线是一种三线制同步式串行总线，其物理结构是相当典型的。
因其硬件配备（在各种串行接口中）较为“完整”，所以，与SPI有关的软件就相对简单，使CPU有更多的时间处理其他事务。
它基本上由3根连线构成，即：
DI，DO，CLK，故称为三线制串行总线。
除了这3条基本信号线以外，当系统使用多个SPI器件时，为区别各个器件，往往还要加上一条片选信号线“/CS”。
使用了/CS信号后，所有的SPI器件可以使用公共的DI，DO，CLK信号，而只有/CS有效的芯片才被主控器件操纵。
各信号线的意义为：
信号符号
信号名称
信号意义
DI
数据输入线
外设的数据输入端，其电平表示当前输入的数据
DO
数据输出线
外设的数据输出端，其电平表示当前输出的数据
CLK
时钟信号
主控器件提供的同步时钟，以保证数据的正确
/CS
片选信号
用来选通所操纵的器件
除了上述引线之外，由于各种外设控制功能的不同，采用SPI接口，有时还要添加一些辅助的控制线，例如复位信号、中断信号等。
（2）实际SPI器件TLC0832
实际的SPI器件品种繁多，本次实验使用的TLC0832是一种基于SPI接口的双路A/D转换器。
该器件的详细资料参见参考文献[1]和文献[2]
TLC0832是一种2通道逐次逼近似方式的A/D转换器。
基本性能如下：
☐8位分辨率
☐可以“满量程”工作或使用5V基准电压
☐单通道或多路器选择的双通道，可单端或差分输入选择
☐当时钟频率为250kHz时，转换时间为32s
☐总非调整误差为1LSB
TLC0832的引脚及其功能：
实验用的TLC0832芯片为8脚的“双列直插”（DIP）式封装。
其引线方式参见下图。
各引脚的意义参见下表：
序号
引脚名称
意义
1
/CS
片选信号。
当该信号为高电平时，芯片未被选中，所有信号引线均为高阻态。
芯片的任何功能必须当该信号为低电平时方能实现。
2
CH0
模拟通道0的输入端。
可以作为独立的输入通道使用，也可以由程序控制，与CH1配合实现差分输入方式。
3
CH1
模拟通道1的输入端。
可以作为独立的输入通道使用，也可以由程序控制，与CH0配合实现差分输入方式。
4
GND
地线。
5
DI
数据输入端。
来自主控器件（CPU）的控制命令由此输入。
6
DO
数据输出端。
转换结果由此输出。
7
CLK
时钟信号。
8
VCC/REF
电源/参考电压输入端。
TLC0832的动作时序：
TLC0832的动作时序见下图。
图中可见TLC0832的全部动作过程。
应当注意以下要点：
1．任何有效操作均必须在/CS为低电平时才能实现。
所以，开始对TLC0832作任何操作都必须首先将/CS由高电平置为低电平，一次完整的操作结束后，应当及时地将/CS置为高电平；
2．时钟信号CLK是由主控器件（CPU）主动提供的，它控制了转换的节拍；
3．一个完整的转换过程分2个基本步骤：
A.由CPU向器件发出控制命令；B.CPU从器件读出转换后的数据；
4．控制命令由CPU通过DI线向器件发出，包括3个BIT。
第1个BIT为启动位，后2个BIT为配置位；
5．2个BIT的配置位的名称为SGL/DIF和ODD/EVEN，共同决定了器件的输入性质（参见附表）；
6．CLK信号是由CPU操纵下“人为制造”出高低电平变化而形成的。
每当需要向器件写入命令时，应当首先将所需要的数据加到DI脚上，然后让CLK由低电平向高电平变化（上升沿），这时器件会自动保持DI上的数据，之后，应当将CLK恢复到低电平，以便下一个节拍的操作；
7．由器件中读出数据时有些不同，此时应当首先将CLK置为高电平，然后，再将CLK由高电平置为低电平，在由高电平向低电平变化的“下降沿”后，器件的DO端会出现有效的数据信号。
CPU可以在此时检测DO端的状态，读出有效的数据；
8．命令BIT发送之后，便可以开始读出转换结果，事实上，器件内部的逐次近似转换过程是在CLK的控制下一拍、一拍地进行，每一拍完成一个BIT的转换，转换的结果同时就出现在DO上，这就是所谓的“外部时钟方式”。
特点是简单，但是对于外部时钟的“占空比”有较严格的控制，否则精度将受到影响——有些串行A/D器件内部自己配备了时钟系统，无须CPU的CLK信号，而是利用自身的时钟系统完成转换，这样的器件精度比较有保障。
使用这种器件时，在启动器件开始转换后，CPU应当等待“转换完成（EOC）”信号，当EOC出现后，才开始读取数据；
9．数据读出时，器件首先以“高位在前”（MSB-First）方式输出数据，然后再以“低位在前”（LSB-First）方式输出数据。
事实上，应用系统的设计人员可以根据自己的需要选择适当的方式读取数据，如果只需要MSB-First方式，则启动转换后只需要8个CLK就可以完成全部操作，这时，从图中的第12个CLK后面的操作可以不必进行；
10．全部操作完成后应当将/CS置为高电平。
使用TLC0832需要注意：
TLC0832要求在转换数据时CLK占空比为40%~60%，否则会导致转换结果不正确，CLK可由单片机的一根I/O口线驱动，用软件控制脉冲的频率和占空比。
TLC0832的模拟输入信号的的功能比较齐备，可以通过控制命令灵活地配置为差分或单端方式。
即，2个输入通道CH0和CH1可以作为一对差分输入的互补信号线，也可以配置为各自独立的单端输入信号线。
请注意以下要点：
1、配置命令由信号SGL/DIF和ODD/EVEN2个BIT组成，排列顺序是SGL/DIF在前，ODD/EVEN在后，2个控制BIT组合的意义参见附表；
2、差分输入方式是指一对大小相同方向相反的输入方式，它需要2个输入端，而且这2个输入端有极性之分；
3、单端输入实际上也需要2个输入端，一个是信号端，另一个是参考端，即所谓的“地”。
但是应当注意，地线作为参考端被假定为稳定不变的，输入信号完全由输入端上的电压变化而决定；
4、TLC0832配置为差分输入方式时只能组成一路输入；配置为单端输入方式时，可以提供2路独立的输入。
TLC0832输入信号地址控制逻辑表
地址选择
通道号
操作意义
SGL/DIF
ODD/EVEN
CH0
CH1
L
L
H
H
L
H
L
H
+
–
+
–
+
+
CH0为正极性，CH1为负极性的差分输入方式
CH0为负极性，CH1为正极性的差分输入方式
选择CH0的单极性，单通道方式
选择CH1的单极性，单通道方式
H=高电平,L=低电平,
–or+=所选择的输入端的终端极性
五、实验电路及连线
LC0832与51系列微处理器的连接相当简单，具体的参考电路参见下图：
实验中，我们采用选择CH0的单极性，单通道方式。
因此，CH1端应接地，CH0端为输入电压。
我们采用通过可调电位器的方法改变输入电压，以观察A/D转换结果。
配置命令由信号SGL/DIF和ODD/EVEN2个BIT组成，在本实验中应设置为：
SGL/DIF=1；ODD/EVEN=0
六、软件流程及编程
1、A/D转换的软件流程图
图中绘出了A/D转换的基本过程。
必须说明，这个流程图并不是最优化的，而仅仅表现了A/D转换的主要步骤。
流程图的右侧绘出了每个步骤相应的注释。
图中使用了sCLK子程序，该子程序的流程图附在本小节的后部。
这里应当注意的是，sCLK子程序中使用了2个延时子程序，DELAY1和DELAY2，其目的是为了调整时钟信号的频率和占空比，实际的延时子程序可以用不同长度的循环来实现，或者简单地插入若干个NOP来解决。
具体的延时长度应当视实际需要而定。
延时时间的确定原则在于使得CLK信号处于高电平和低电平的时段基本相等，而且必须考虑到sCLK子程序返回后，A/D程序进行其它操作时CLK处于低电平的时段长度。
2、A/D转换程序：
（见源程序文件TLC0832.ASM）
BEGIN:
CLRP1.4;/CS=0,选通器件
SETBP1.1;DI=1,置启动条件
CALLSCLK;发出一个时钟
SETBP1.1;DI=S/D=1,送控制命令的第1个BIT
CALLSCLK;发出一个时钟
CLRP1.1;DI=O/E=0,送控制命令的第2个BIT
MOVA,#00H;设存放转换结果的寄存器A初值
MOVR0,#08H;读8位BIT
GETDATA:
CALLSCLK;发出一个时钟
MOVC,P1.0;由DO读出一个BIT,检测DO的状态
RLCA;将读出的BIT用于字节输出到指定的BYTE,选通器件
DJNZR0,GETDATA;读完8次了吗?
未读完,继续
SETBP1.4;/CS=1.读完,放弃对于器件的控制
SJMP$
;SCLK入口
SCLK:
SETBP1.2;CLK=1,发出时钟的高电平
NOP;适当延时片刻
NOP
NOP
NOP
CLRP1.2;CLK=0,发出时钟的低电平
NOP;适当延时片刻
NOP
NOP
NOP
RET
END
;查指令表可知NOP指令需用1个机器周期，在12MHz晶振时，一个机器周期时间长度为12/（12MHZ）=1us
;所以该段延时程序执行时间为：
2*1us=2us
;因此,若取CLK的时钟占空比为50%,则高低电平延时时间相同,即总共的时钟周期为:
2*2us=4us,
;即CLK时钟频率为1/（4us）=250KHz
;同学们可以编写两个不同的延时程序,实现不同的CLK时钟频率和占空比,
;但是要注意CLK必须在10KHz~600KHz之间,占空比必须在40%~60%之间.
参考文献
[1]武汉力源电子股份有限公司.TLC0831C/I,TLC0832C/I8位串行控制模数转换器产品资料.1998.6武汉
[2]TexasInstrumentsIncorporated.DataSheetofTLC0831C,TLC0831I,TLC0832C,TLC0832I8-BITANALOG-TO-DIGITALCONVERTERSWITHSERIALCONTROL.APRIL1996,USA
七、实验思考题
1单步执行参考程序，观察记录实验结果：
Vi=0V，1V，2V，3V，4V，5V时，A/D转换的数据。
2A/D转换数据的分辨率？
3A/D转换数据的时间（1个字节）？
4修改完善参考程序，实现定时采样的功能。
查看记录DATA、CODE空间的数据，实现数据的采集。
实验五生物信号数据通讯与存储
一、实验要求
本实验利用AT24C16对单片机进行外部数据存储器的扩展，使用8051单片机模拟I2C总线实现串行E2PROM的读写。
将单片机内部RAM30H开始的16个字节的数据写到外部数据区，然后再将外部数据区的16个字节的内容读到内部RAM40H开始的单元中，以检验是否将数据正确的写到外部存储器。
二、实验目的
5、熟悉I2C串行数据总线技术的结构和原理。
6、掌握AT24C系列E2PROM接口的转换性能及编程。
7、掌握AT24C系列与80C51单片机的接口方法。
8、通过实验了解如何使用具有I2C总线接口功能的串行E2PROM来扩展单片机的外部数据存储区。
三、实验设备
1ＰＣ机一台
2实验面包板一个
380C51仿真器一套
4元件:
AT24C161片
5导线若干
四、实验说明
I2C是一种新的芯片间的通讯方式，由PHILIPS开发和推广。
I2C通讯采用两条线进行通讯，一条数据线，一条时钟线，可进行多器件通讯。
总线上的每个器件都有自己的地址。
数据传送是双向的，总线支持多主机，8051上I2C总线的接口为P0端口的两根线，有专门的特殊功能寄存器来控制总线的工作和执行传输协议。
而在单片机系统中广泛使用E2PROM作为数据存储器，AT24C系列串行E2PROM是具有I2C总线接口功能的数据存储器。
本实验介绍了I2C总线及AT24C系列串行E2PROM，给出了8051单片机与串行E2PROM通讯的硬软件实现方法和实用的读/写子程序。
1、 I2C总线简介
I2C总线是一种双线串行数据总线，具有多端控制能力，由串行数据（SDA）线和串行时钟（SCL）线，在CPU与被控IC与IC之间进行数据双向传输，最高传输率为100千比特/秒。
SDA线与SCL线均为双向I/O线，经电阻接+5伏，当总线空闲时，两线为高电平，当I2C总线有所挂IC准备发送数据时，把集电极电压拉低，从而使与之相连的SDA线电压降低，占据了SDA线发送数据。
在传送数据过程，有三种信号出现，分别是：
·开始信号。
SCL线为高电平，SDA线由高电平变低电平，视为开始传送数据。
·结束信号。
SCL线为高电平，SDA线由低电平变高电平，视为结束传送数据。
·应答信号。
接收数据的IC收到期1字节（8比特）数据后，向发送数据的IC发出低电平脉冲信号，视为已收到信号。
在I2C总线上传送的一个数据字节由八位组成。
总线对每次传送的字节数没有限制，但每个字节后必须跟一位应答位。
数据传送首先传送最高位（MSB），数据传送按图1所示格式进行。
首先由主机发出启动信号“S”（SDA在SCL高电平期间由高电平跳变为低电平），然后由主机发送一个字节的数据。
启动信号后的第一个字节数据具有特殊含义：
高七位是从机的地址，第八位是传送方向位，0表示主机发送数据（写），1表示主机接收数据（读）。
被寻址到的从机设备按传送方向位设置为对应工作方式。
标准I2C总线的设备都有一个七位地址，所有连接在I2C总线上的设备都接收启动信号后的第一个字节，并将接收到的地址与自己的地址进行比较，如果地址相符则为主机要寻访的从机，应在第九位答时钟脉冲时向SDA线送出低电平作为应答。
除了第一字节是通用呼叫地址或十位从机地址之外，第二字节开始即数据字节。
数据传送完毕，由主机发出停止信号“P”（SDA
在SCL高电平期间由低电平跳变为高电平）。
2、 AT24C系列串行E2PROM
AT24C系列串行E2PROM具有I2C总线接口功能，功耗小，宽电源电压（根据不同型号2.5V～6.0V），工作电流约为3mA，静态电流随电源电压不同为30μA～110μA，存储容量见表1。
（1）AT24C系列E2PROM接口及地址选择
由于I2C总线可挂接多个串行接口器件，在I2C总线中每个器件应有唯一的器件地址，按I2C总线规则，器件地址为7位数据（即一个I2C总线系统中理论上可挂接128个不同地址的器件），它和1位数据方向位构成一个器件寻址字节，最低位D0为方向位（读/写）。
器件寻址字节中的最高4位（D7～D4）为器件型号地址，不同的I2C总线接口器件的型号地址是厂家给定的，如AT24C系列E2PROM的型号地址皆为1010，器件地址中的低3位为引脚地址A2A1A0，对应器件寻址字节中的D3、D2、D1位，在硬件设计时由连接的引脚电平给定。
对于E2PROM的片内地址，容量小于256字节的芯片（AT24C01/02），8位片内寻址（A0～A7）即可满足要求。
然而对于容量大于256字节的芯片，则8位片内寻址范围不够，如AT24C16，相应的寻址位数应为11位（211=2048）。
若以256字节为1页，则多于8位的寻址视为页面寻址。
在AT24C系列中对页面寻址位采取占用器件引脚地址（A2、A1、A0）的办法，如AT24C16将A2、A1、A0作为页地址。
凡在系统中引脚地址用作页地址后，该引脚在电路中不得使用，作悬空处理。
AT24C系列串行E2PROM的器件地址寻址字节如表1所示，表中P0P1P2表示页面寻址位。
（2） AT24C系列E2PROM读写操作
对AT24C系列E2PROM的读写操作完全遵守I2C总线的主收从发和主发从收的规则。
连续写操作：
连续写操作是对E2PROM连续装载n个字节数据的写入操作，n随型号不同而不同，一次可装载字节数见表1。
SDA线上连续写操作数据状态如图2。
AT24C系列片内地址在接收到每一个数据字节地址后自动加1，故装载一页以内规定数据字节时，只须输入首地址，若装载字节多于规定的最多字节数，数据地址将“上卷”，前面的数据被覆盖。
连续读操作：
连续读操作时为了指定首地址，需要两个伪字节写来给定器件地址和片内地址，重复一次启动信号和器件地址（读），就可读出该地址的数据。
由于伪字节写中并未执行写操作，地址没有加1。
以后每读取一个字节，地址自动加1。
在读操作中接收器接收到最后一个数据字节后不返回肯定应答（保持SDA高电平）随后发停止信号。
连续读操作SDA上数据状态如图3。
五、8051单片机与AT24C系列E2PROM通讯的硬软件实现
（1）硬件电路
图4是用8051P1口模拟I2C总线与E2PROM连接电路图（以AT24C16为例），由于AT24C16是漏极开路，图中R1、R2为上拉电阻（5.1k）。
A0～A2地址引脚、TEST测试脚均悬空。
（2）软件实现
由前述分析和图4的硬件电路，我们编制了E2PROM的读写子程序。
两者的主要区别在于读子程序需发器件地址（写）和片内地址作为伪字节，之后再发一次开始信号和器件地址（读命令）。
读写程序分别见:
I2CREAD.ASMI2CWRITE.ASM
写程序:
I2CWRITE.ASM
;将51单片机内部RAM区30H开始的16个字节写到E2PRPR0M的第0页中00H单元开始的区域
;写串行E2PROM子程序EEPW
;（R3）=器件地址1010p2p1p0R/W=1010***0
;（R4）=片内字节地址A7A6A5A4A3A2A1A0=********
;（R1）=欲写数据存放地址指针8051RAM区地址0~255
;（R7）=连续写字节数n224C16连续写字节数n<=16
MOVR3,#10100000B;器件寻址（写）,选择向24c16第0页写数据
MOVR4,#00000000B;片内地址为00H
MOVR1,#30H;8051RAM区地址30H
MOVR7,#16;24C16连续写字节数n<=16
EEPW:
MOVP1,#0FFH
CLRP1.0;发开始信号（高电平变为低电平）
MOVA,R3;送器件地址
CALLSUBS
MOVA,R4;送片内字节地址
CALLSUBS
AGAIN:
MOVA,@R1
CALLSUBS;调发送单字节子程序
INCR1;8051RAM区地址
DJNZR7,AGAIN;连续写n个字节
CLRP1.0;SDA置0,准备送停止信号
CALLDELAY;延时以满足传输速率要求
SETBP1.1;发停止信号
CALLDELAY
SETBP1.0;电平变高,写停止位
SJMPFINISH;结束写数据,转读数据程序
;写一个字节
SUBS:
MOVR0,#08H;发送单字节子程序
LOOP:
CLRP1.1;产生低电平
RLCA;从高位到低位发送,左移到进位标志中
MOVP1.0,C
NOP
SETBP1.1;产生高电平,形成写数据脉冲
CALLDELAY
DJNZR0,LOOP;循环8次送8个bit
CLRP1.1
CALLDELAY
SETBP1.1;产生应答脉冲
REP:
MOVC,P1.0;读应答信号
JCREP;判应答到否，未到则等待
CLRP1.1;应达到,使电平变低,准备下一字节数据的发送
RET
DELAY:
NOP
NOP
RET
FINISH:
END
读程序:
I2CREAD.ASM
;将E2PRPR0M的第0页中00H单元开始的16个字节读到51单片机内部RAM区40H开始的区域
;读串行E2PROM子程序EEPR
;（R1）=欲读数据存放地址指针8051RAM区地址0~255
;（R3）=器件地址1010p2p1p0R/W=1010***0和1010p2p1p0R/W=1010***1分别送一次
;（R4）=片内字节地址A7A6A5A4A3A2A1A0=********
;（R7）=连续读字节数24C16连续读字节数n<=16
READDATA:
MOVR3,#10100000B;器件寻址（写）,选择24c16第0页
MOVR4,#00000000B;片内地址为00H
MOVR1,#40H;8051RAM区地址40H
MOVR7,#16;24C16连续写字节数n<=16
EEPR:
MOVP1,#0FFH
CLRP1.0;发开始信号
MOVA,R3;送器件地址（写）
CALLSUBS;调发送单字节子程序
MOVA,R4;送
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