单片机多路数据采集及多机通讯系统.docx

1、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 21、实验目的 22、实验器材 23、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 34、实验内容 4三、多路信号的微机采集与显示 51、实验目的 52、实验器材 53、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RAM 64、实验内容 6四、多机通讯系统 71、实验目的 72、实验器材 73、实验原理 74、实验内容 8五、心得与体会 8六、附录 9附录A 9附录B 10附录C 1

2、0附录D 10附录E 10附录F 10附录G 11附录H 12一、 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

3、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）

4、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Q1

5、1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

6、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4 D/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7 CD4040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

7、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

8、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

9、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11 ADC0804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

10、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13 6116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，5

11、00Hz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

12、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

13、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

14、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，

15、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

16、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= ORG 0000H AJMP START ORG 000BH AJMP TIMEINT ORG 0030HSTART: MOV SP,#60H MOV TMOD,#02H MOV TH0,#0F6H；2.5m

17、s=F63BH，1ms=FC17H，0.5ms=FE0BH MOV TL0,#3BH SETB ET0 SETB EA SETB TR0 AJMP $TIMEINT:CPL P1.7 RETI=附录C 多数模拟开关测试程序= ORG 0000H AJMP START ORG 0030HSTART:MOV SP,#60H CLR P1.1 ;CHANNEL 1 SETB P1.0LOOP:MOV TMOD,#01H MOV TH0,#0F6H ;F63B MOV TL0,#49H ;F649 SETB TR0LOOP1:JBC TF0,NEXT AJMP LOOP1NEXT:CPL P1.7 A

18、JMP LOOP=附录D A/D转换测试程序= ORG 0000H AJMP START ORG 0003H AJMP ADINT ORG 0030HSTART:MOV SP,#40H MOV DPTR,#0BFFFH ;P2.6 MOV R0,#60H MOV R1,#20H SETB IT0 SETB PX1 SETB EX0 SETB EA MOVX DPTR,A ;START AD SETB P1.7 CLR P1.1 CLR P1.0 AJMP $ ADINT:DJNZ R1,NEXT1 AJMP ADENDNEXT1:MOVX A,DPTR MOV R0,A INC R0 MOV

19、DPTR,#0BFFFH MOVX DPTR,A ;START ADADEND:RETI=附录E D/A转换测试程序= ORG 0000H AJMP STARTSTART:MOV DPTR,#0DFFFH ;P2.5 MOV R0,#00HLOOP:MOV A,R0 MOVX DPTR,A INC R0 AJMP LOOP=附录F 静态RAM测试程序= ORG 0000H AJMP START ORG 0030HSTART:MOV SP,#70H MOV R0,#55H MOV R1,#60H MOV R3,#0FH MOV DPTR,#0C000HLOOP:MOV A,R0 MOVX DPT

20、R,A CALL DELAY CLR A MOVX A,DPTR MOV R1,A INC R0 INC R1 DJNZ R3,LOOP AJMP $DELAY:MOV R7,#0FFH DJNZ R7,$ RET=附录G 多路信号采集与显示程序= FLAG EQU 20H HH EQU 50H LL EQU 51H ORG 0000H AJMP START ORG 0003H AJMP ADINT ORG 0030HSTART:MOV SP,#60H MOV R7,#00H ;1024 POINT MOV R6,#04H CLR FLAG CLR P1.7 CLR P1.1 CLR P1.0

21、 MOV DPTR,#0C000H ;CH1 MOV HH,DPH MOV LL,DPL MOV DPTR,#0C400H ;CH2 MOV R2,DPH MOV R3,DPL SETB IT0 SETB EX0 SETB EALOOP1:MOV TMOD,#01H MOV TH0,#0FCH ;F82F;FC17;F63B MOV TL0,#017H SETB TR0 JB P1.7,LOOP2 MOV DPTR,#0BFFFH MOVX DPTR,A ;START AD JB FLAG,NEXT1 ;SAMPLE MORE THAN 2KLOOP2:JBC TF0,NEXT2 AJMP L

22、OOP2NEXT2:CPL P1.7 AJMP LOOP1NEXT1:CLR EALOOP3:MOV DPTR,#0C000H MOV LL,DPL MOV HH,DPH MOV DPTR,#0C400H MOV R2,DPH MOV R3,DPLLOOP4:MOV DPH,HH MOV DPL,LL MOVX A,DPTR INC DPTR MOV LL,DPL MOV HH,DPH SETB P1.3 ;CHANNEL 2 CLR P1.2 MOV DPTR,#0DFFFH ;START DA MOVX DPTR,A CLR P1.3 ；CHANGE TO CHANNEL 0 MOV DP

23、H,R2 MOV DPL,R3 MOVX A,DPTR INC DPTR MOV R2,DPH MOV R3,DPL SETB P1.2 ；CHANNEL 3 SETB P1.3 MOV DPTR,#0DFFFH MOVX DPTR,A CLR P1.3 CHANGE TO CHANNEL 1 DJNZ R7,LOOP4 DJNZ R6,LOOP4 MOV R6,#03H AJMP LOOP3 ADINT:MOV DPTR,#0BFFFH ;ADDR OF AD MOVX A,DPTR MOV DPL,LL MOV DPH,HH MOVX DPTR,A INC DPTR MOV HH,DPH

24、MOV LL,DPL DJNZ R7,ADEND DJNZ R6,ADEND MOV R6,#04H JNB P1.0,NEXT4 SETB FLAGNEXT4:CLR P1.1 ;SAMPLE CHANNEL 2 SETB P1.0ADEND:RETI END=附录H 一对一通讯程序=主机程序= ORG 0000H AJMP START ORG 0030HSTART:MOV SP,#60H MOV TMOD,#20H MOV TH1,#0FDH ;9600 MOV TL1,#0FDH MOV PCON,#00H ;SMOD=0 MOV SCON,#0DBH SETB TR1 CLR EA C

25、LR ESLOOP1:MOV SBUF,#00H JNB TI,$ CLR TI JNB RI,$ CLR RI MOV A,SBUF CJNE A,#0FFH,LOOP1 SETB P1.7 AJMP $ END=0#从机程序= ORG 0000H AJMP START ORG 0030HSTART:MOV SP,#60H MOV TMOD,#20H MOV TH1,#0FDH ;9600 MOV TL1,#0FDH MOV PCON,#00H ;SMOD=0 MOV SCON,#0DBH SETB TR1 CLR EA CLR ESLOOP: JNB RI,$ CLR RI MOV A,SBUF CJNE A,#00H,LOOP MOV SBUF,#0FFH JNB TI,$ CLR TI AJMP $ END