1、成 都 理 工 大 学 学 生 撰 文 专 用 纸http:/ 第 1 页集成加速度传感器的软件设计摘 要在 加 速 度 测 试 系 统 传 统 结 构 中 ， 从 传 感 器 、 温 度 偏 移 纠 正 电 路 、 放 大 电 路 到 数 据 采 集 各设 备 往 往 都 是 孤 立 的 ， 不 便 于 携 带 并 受 到 测 量 空 间 的 限 制 。 本 文 介 绍 了 一 种 利 用 单 片 机 集 成系 统 进 行 数 据 采 集 与 传 输 的 方 案 ， 较 好 的 解 决 了 系 统 集 成 化 问 题 。方 案 采 用 通 用 性 较 强 ， 价 格 便 宜 的80C51 单
2、 片 机 ； 人 机 接 口 采 用 8297； A/D 转 换 器 采 用ADC0809； 片 外 存 储 器 选 用 两 片 6264， 容 量 扩 至 16k8； 数 据 传 输 采 用 USB， 用 CH375 芯 片 作 为单 片 机 串 行 口 与 USB 的 连 接 芯 片 。 数 据 采 样 频 率 设 为 六 种 可 选 ， 最 小 至0.2ms， 最 大 至 625ms， 可以 适 应 不 同 的 应 用 场 合 。单 片 机 系 统 在 实 际 工 业 系 统 中 可 能 会 遇 到 各 种 干 扰 和 自 身 的 随 机 性 误 差 ， 目 前 的 抗 干 扰方 法 主
3、 要 有 硬 件 看 门 狗 技 术 和 软 件 陷 进 技 术 等 ， 本 方 案 将 两 种 方 法 结 合 起 来 ， 进 一 步 提 高 了系 统 的 稳 定 性 。关 键 词 :单 片 机 ;数 据 采 集 ;硬 件 看 门 狗 ;中 断 系 统 ;串 行 通 信The software design of the integrated accelerometer成 都 理 工 大 学 学 生 撰 文 专 用 纸http:/ 第 2 页AbstractIn traditional acceleration test system, components form accelerome
4、ter, temperature compensation, electric enlarge circuit to data acquisition unit are all stand alone, inconvenience in take and being subjected to the measuring space. This text introduced a method that using integration system of single chip microcomputer for data acquisition and deliver, resolving
5、 the integration of the system.This project adopts in general used, low-cost 80C51 system;Persons machine connects to adopt 8297;The A/D conversion machine adoption ADC0809; RAM use two slices of 6264 , the capacity expands to the 16 k 8;Data_deliver uses the USB, using the CH375 chips as conjunct c
6、hip between the USB and the serial interface. The date- acquisition frequency sets for six kinds of eligibility, the minimum to 0.2 ms, the biggest to 625 ms, adapting different applied situationSingle chip microcomputer system may fall across some impacting factors and self random error, the curren
7、t anti- impacting methods mainly have the hardware watchdog technique and software trap method etc. This project put together two kinds of methods, further raising the stability of the systemKeyword:single chip microcomputer;data-acquisition; the hardware watchdog;outage system;serial communication目
8、 录第一章 引言.11.1 当前加速度测试系统的使用现状及存在缺陷.11.2 加速度测试系统传统构造.1成 都 理 工 大 学 学 生 撰 文 专 用 纸http:/ 第 3 页1.3 论文的预期目标.3第二章 系统的硬件组成.32.1 系统的硬件总体设计.32.2 A/D转换模块 .52.2.1 A/D转换模块的设计.52.2.2 数据存储器的扩展.72.3 键盘显示接口的设计.72.3.1 8279的介绍.72.3.2 接口的设计.102.4 数据传输模块.112.4.1 CH375芯片简介.112.4.2 数据传输模块设计.142.5 看门狗复位电路.14第三章 系统的软件实现.153.
9、1 软件的总体结构.153.2 数据采集子程序.173.2.1 采样频率.173.2.2 数据采集.183.3 指令采集子程序 .193.3.1 8279的初始化.193.3.2 指令采集程序的设计.213.4 数据传输子程序.21第四章 系统抗干扰设计.224.1 干扰源及其传播途径.234.2 系统抗干扰措施.24成 都 理 工 大 学 学 生 撰 文 专 用 纸http:/ 第 4 页第五章 结论.25致 谢.26参考资料.27附 件.1.引言1.1 当前加速度测试系统的使用现状及存在缺陷机械在运动时，由于旋转件的不平衡、负载的不均匀、结构刚度的各向异性、间隙、润滑不良、支撑松动等因素，
10、总是伴随着各种振动。机械振动在大多数情况下是有害的，振动往往会降低机器性能，破坏其正常工作，缩短使用寿命，甚至导致事故。机械振动还伴随着同频率的噪声，恶化环境，危害健康。另一方面，振动也被利用来完成有益的工作，如运输、夯实、清洗、粉碎、脱水等。这时必须正确选择振动参数，充分发挥振动机械的性能。加速度传感器是目前应用广泛的测量振动与冲击的装置。在航天、航空、常规武器、船舶、交通运输、冶金、机械制造、化工、轻工、生物医学工程、自动检测与计量等技术领域中，已经越来越广泛的应用到传感器，而其中不乏加速度传感器的身影。从加速度传感器采集到数据后，通过温度偏移纠正电路、电荷放大电路再到数据采集就组成了加速
11、度测试系统。在传统的系统结构中，这些设备往往都是孤立的，不便于携带，同时在测量空间狭小时也很不方便。1.2 加速度测试系统传统构造现有测试系统的各个组成部分常常以信息流的过程来划分。一般可以分为：信息的获得，信息的转换，信息的显示、信息的处理。作为一个完整的非电量电测系成 都 理 工 大 学 学 生 撰 文 专 用 纸http:/ 第 5 页统，也包括了信息的获得、转换、显示和处理等几个部分。因为它首先要获得被测量的信息，把它变换成电量，然后通过信息的转换，把获得的信息变换、放大，再用指示仪或记录仪将信息显示出来，有的还需要把信息加以处理。因此非电量电测系统，具体来说，一般包括传感器(信息的获
12、得)、测量电路 (信息的转换)、放大器、指示器、记录仪(信息的显示)等几部分有时还有数据处理仪器(信息的处理)。它们间的关系可用图 1.1 的框图来表示。被测量传感器 测量电路指示仪器记录仪器数据处理仪器图 1.1 测试系统的组成其中传感器是一个把被测的非电物理变换成电量的装置，因此是一种获得信息的手段，它在非电量电测系统中占有重要的位置。它获得信息的正确与否，直接影响到整个测量系统的测量效果。测量电路的作用是把传感器的输出变量变成易于处理的电压或电流信号，使信号能在指示仪上显示或在记录仪中记录。测量电路的种类由传感器的类型而定。压电加速度传感器常用的测量电路是电荷放大器。常用的压电加速度传感
13、器的动态测量系统如图 1.2 所示：被测非电量 压电加速度传感器 补偿电路记录器 电荷放大器数据处理器图 1.2 压电加速度传感器动态测量系统成 都 理 工 大 学 学 生 撰 文 专 用 纸http:/ 第 6 页1.3 论文的预期目标针对目前加速度测试系统存在的缺陷，开发出一种集成加速度测试系统。论文的预期目标为：1设计系统的硬件结构（不包括 A/D 转换器前端装置）在硬件方面，要对集成加速度传感器硬件总体进行设计，并对数据采集系统的硬件电路进行设计。系统为一个以 80C51 单片机为核心组成的数据采集系统，具有人机对话功能，可选择采集频率、通道等。系统工作时，首先初始化各功能寄存器及 8
14、079 等外围芯片，而后开始采集，模拟信号经过 ADC0809 进行 A/D 转换变为数字信号送入单片机，然后再送入计算机进行处理。2设计系统软件在软件方面，按程序结构可分为以下两个部分：（1）主程序，使硬件接口和监控程序的各工作单元置成初始状态。 （2）中断服务子程序：包括接受键盘指令子程序、数据采集子程序、数据传输子程序等。3系统的抗干扰设计在工业应用环境下，往往存在着系统内在和外界环境的各种干扰。在分析或设计数据采集系统时，必须考虑到可能存在的干扰对电路的影响。所以把抗干扰问题作为系统设计中一个至关重要的内容，贯彻在整个设计工作中，从硬件、软件上采取相应的措施以增强其抗干扰能力。2.系统
15、的硬件组成2.1 系统的硬件总体设计系统的硬件分为两大部分：传感器电路部分和微机主控板部分。系统硬件结构框图如图 2.1 所示：成 都 理 工 大 学 学 生 撰 文 专 用 纸http:/ 第 7 页A/D 转换器ADC080980C51 单片机USB 接 口 芯 片CH375硬 件 看 门 狗 电 路USB 接 口被 测 量 加 速 度 传 感 器 电 荷 放 大 电 路单片机主控板传感器电路部分两 片 6264 数 据存 储 器键 盘 显 示 器 接 口 8279图 2.1 系统硬件结构示意图系统工作原理：首先将传感器置入待测设备中，按下复位键迫使系统复位，回到程序开始处。传感器将采集到
16、的数据通过温度补偿电路、电荷放大电路、A/D 转换器，在预定的采集频率下将选定通道的数据传到单片机并进行存储。然后再将数据通过 USB 接口芯片 CH375 传到计算机系统进行分析和处理。由于数据的采集和传输是分段进行的，因此第一次的采集频率可能不能满足要求（信号采集过疏，不能反映信号的实际情况；过密，则容易造成存储空间的浪费） 。为此，可以进行下一轮数据采集，此时可根据前一轮的情况进行调整，即在系统复位、开始（显示字母 P）后按下所选频道开关。后续工作同上。单片机主控板按功能划分，可以分为以下几个功能模块：1 A/D 转换模块 由 A/D 转换器和 80C51 单片机构成。系统采用 ADC0
17、809 作为 A/D 转换器，将从电荷放大器传来的模拟信号转换为数字信号，再传送给 80C51。其中，ADC 的 8位通道用到 3 位，采样频率由软件设定。成 都 理 工 大 学 学 生 撰 文 专 用 纸http:/ 第 8 页2 数据传输模块系统选用通用性较强的 USB 接口传输。系统选用 CH375 作为 USB 接口芯片。CH375 与单片机之间采用串行通信方式，当数据采集结束后就可以将数据用 USB 接口传到计算机了。3 键盘显示接口模块硬件中设计了 28 键盘，4 个 LED 显示器，通过 8279 与 80C51 相连。通过键盘设定数据采集的通道、频率，并在必要的时候强制复位。显
18、示器用于显示采样过程中的相关参数。4 看门狗复位电路系统采用两片 CD4040 十二位二进制串行计数器构成的“看门狗”电路，有效避免了系统运行过程中程序的跑飞或者由于外界干扰所造成的死机现象。2.2 A/D 转换模块2.2.1 A/D 转换模块的设计此模块用于将模拟信号转换为数字信号。采用8位A/ D 转换器ADC0809 实现模/ 数转换。ADC0809 是8 路8 位逐次逼近式A/ D 转换器,它能分时地对8路模拟量信号进行A/ D转换,结果为8位二进制数据, 其转换速度约为 100s, 分辨率为19mV。ADC0809 是CMOS 集成电路,可与单片机的数据总线直接相连,而且有8 路模拟
19、开关,可以直接连接8个模拟量,实现多路转换功能（方案只用到3个通道） 。并且它与单片机的接口简单,使用方便。ADC0809与80C51 单片机的连接如图2.2所示,分别为：(1) ADC0809 的时钟CL K由80C51 的地址锁存端AL E信号经过二分频后产生。(2) ADC0809 的数据线D 0D 7 与单片机的数据总线直接相连。(3) ADC0809 的地址选择端ADDA、ADDB、ADDC 与80C51 的数据总线AD 0 、AD 1 、AD 2 直接相连。成 都 理 工 大 学 学 生 撰 文 专 用 纸http:/ 第 9 页(4) ADC0809 的A/ D 转换结束信号EO
20、C 接80C51 的 接口。1INT(5) ADC0809 地址锁存信号和起动信号START 接在一起,并经过反相器与80C51的写信号 相连,80C51读信号端 经反相器与0809 的OE 端相连,完成输出允许控WRR制,读写控制均由译码器的 控制。2Y对A/ D转换结果的读出采用中断方式,即EOC经反相器接至 80C51的 接口，1INT每次通过写信号起动A/ D转换后,EOC 呈高电平,表明 A/ D转换结束,于是启动中断1将数据读入80C51 的RAM 区83274LS138Y2ALEP080C51INTWRP2.52.7DCLK AD0 BD7 CADC0809EOC VR(+)ST
21、 VR(-)ALEOEP0.0P0.1P0.2+5VGNDIN0 IN7 1 1图2.2 A/D转换模块与80C51 的接口电路222 数据存储器的扩展由于 80C51 单片机系统只有 80B 的数据缓冲器，需要扩展片外存储器。根据一般经验，采用 2 片 6264 芯片扩展数据存储器。单片机与 6264 的连接电路如图 2.3：成 都 理 工 大 学 学 生 撰 文 专 用 纸http:/ 第 10 页8883P0ALE80C51P2.4P2.0RDWP2.7P2.5A7A0D7D06264A12A8OEWC74LS373G OE74LS1380Y8 888A7A0D7D06264A12A8O
22、EC图 2.3 数据存储器的扩展图2.3 键盘显示接口的设计2.3.1 8279 的介绍Intel8279是一种通用的可编程键盘显示器接口器件，单个芯片就能完成键盘输入和七段显示器控制两种功能。8279的内部结构如图2.4所示。1、I/O控制和数据缓冲器数据缓冲器是双向缓冲器，连接内部总线和外部数据总线 ,用于传送70DCPU和8279之间的命令、状态和数据。I/O控制线是CPU对8279进行控制的引线。 是片选信号，当 为低电平时，CSCS8279才允许读出或写入信息。A0用于区别信息的特征，当A01时，CPU写入8279的信息为命令，CPU从8279读出的信息为8279的状态；当A0=0时，写入和读出的信息都为数据。 和 是读、写控制信号，是8279数据缓冲器从外部总线接收数据或向RDW外部总线发送数据。
