基于单片机控制的数据采集系统的.doc
《基于单片机控制的数据采集系统的.doc》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于单片机控制的数据采集系统的.doc(41页珍藏版)》请在沃文网上搜索。
1、目 录第一章 计算机硬件系统概述111 计算机硬件系统的组成及结构112 I/O系统概述213 计算机硬件系统的设计内容514 计算机硬件系统的设计原则5第二章 数据采集技术概述621 数据采集系统的结构原理6211 数据采集系统的分类6212 数据采集系统的基本功能6213 数据采集系统的结构形式622 数据采集系统设计的基本原则7221 硬件设计的基本原则7222 软件设计的基本原则7第三章 数据采集系统的硬件设计831 系统结构框图832 系统工作原理8321 CPU 处理核心模块9322 ADC模数转换10323 液晶显示流程13324 完整的PCB版图15第四章 数据采集系统的软件设
2、计1741 汇编和keil c1742 Keil C51 vs ANSI C(标准C)17421 内存区域(Memory Areas):18422 变量或数据类型18423 存储类型声明和存储模式19424 Keil C51指针21425 Keil C51函数21426 中断服务2243 使用Keil C 时应做的和应该避免的23431 采用短变量24432 使用无符号类型24433 避免使用浮点指针24434 使用位变量24435 用局部变量代替全局变量24436 为变量分配内部存储区25437 使用特定指针25438 使用调令25439 使用宏替代函数2544 C51的编程规范2545 k
3、eil c软件使用方法2746 系统整体程序流程3647 各模块软件程序流程37471 ADC模数转换流程37472 液晶显示模块38473 键盘处理模块39474 定时器中断响应处理程序39II第一章 计算机硬件系统概述计算机硬件是在指令的控制下自动对数字进行操作,并将数字信息与其他形式信息进行相互转换的机器系统,是一个高度复杂的由多种电子线路、精密机械装置等构成的能自动并高速完成数据计算的装置或者工具。本章将介绍计算机硬件系统的基本组成和设计过程。11 计算机硬件系统的组成及结构原始的冯诺依曼计算机在结构上是以运算器为中心的,而发展到现在,已转向以存储器为中心,图1-1为计算机最基本的组成
4、框图。输入设备辅助存储器输出设备主存储器运算器控制器外设主机CPU图1-1 计算机的组成框图(1) 输入设备输入设备的任务是把人们编好的程序和原始数据送到计算机中去,并且将它们转换成计算机内部所能识别和接受的信息方式。按输入信息的形态分为字符输入、图形输入。图像输入及语音输入等。目前,常见的输入设备有:键盘、鼠标、扫描仪等。辅助存储器(磁盘、磁带)也可以看作输入设备。另外,自动控制和检测系统中使用的模数(A/D)装置也是一种输入设备。(2)输出设备输出设备的任务是将计算机的处理结果以人或其他设备所能接受的形式送出计算机。目前最常用的输入设备是打印机和显示器。辅助存储器也可以看作输出设备。另外,
5、数模(D/A)转换装置也是一种输出设备。(3)存储器存储器是用来存放程序和数据的部件,它是一个记忆装置,也是计算机能够实现“存储程序控制”的基础。在计算机系统中,规模较大的存储器往往分成若干级,称为存储系统。如图1-2所示的是常见的三级存储系统。主存储器可由CPU直接访问,存储速度快但容量较小,一般用来存放当前正在执行的程序和数据。辅助存储器设置在主机外部,它的存储容量大,价格低,但存取速度较慢,一般用来存放暂时不参与运行的程序和数据,这些程序和数据在需要时可传送到主存,因此它是主存的补充和后援。当CPU速度很高时,为了使访问存储器的速度能与CPU的速度相匹配,又在主存和CPU间增设了一级Ca
6、che(高速缓冲存储器)。Cache的存取速度比主存更快,但容量更小,用来存放当前最急需处理的程序和数据,以便快度地向CPU提供指令和数据。(4)运算器运算器使对信息进行处理和运算的部件。经常进行的运算使算术运算和逻辑运算,所以运算器又称算术逻辑运算部件(Arighmetic and Logical Unit,ALU)。运算器的核心是加法器。运算器中还有若干个通用寄存器或累加寄存器。用来暂存操作数,并存放运算结果。寄存器的存取速度比存储器的存取速度快的多。(5)控制器控制器是整个计算机的指挥中心,它的主要功能是按照人们预选取确定的操作步骤,控制整个计算机的各部件有条不紊的自动工作。控制器存主存
7、中逐条地取出指令进行分析,根据指令的不同来安排操作顺序,向各部件发出相应的操作信号,控制他们执行指令所规定的任务。将前述的各大基本部件,按某种方式连接起来就构成了计算机的硬件系统。目前许多计算机的基本部件之间是用总线连接起来的。计算机的总线按其逻辑结构来看,可以分为单总线和多总线结构。12 I/O系统概述在以计算机为控制核心的硬件系统中,CPU和存储器一般封装在主机中,计算机系统与其他硬件设备信息的传输是通过I/O系统来完成的,因此I/O系统的设计是硬件系统设计的焦点,下面介绍一下I/O系统基本组成和功能。(1)I/O系统的组成主机外设外设识别数据或命令或状态外设识别地址信息数据(串)数据(并
8、)数据(并串)控制联络图1-2 接口与主机、外设间的连接示意图I/O系统包括外部设备(输入输出设备和辅助存储器)及其与主机(CPU和存储器)之间的控制部件。控制部件称之为设备控制器,或设备适配器,I/O模块或接口,其结构如图1-2。(2)I/O模块的功能I/O模块是连接主机(CPU、主存)和外部设备的桥梁,因此它必须有计算机的内接接口和计算机的外接接口。其功能主要包括:各种外设的操作方法不同,由CPU统一控制不切合实际。外设的数据传输速率比存储器和CPU慢,使得高速总线不能直接与外设相连。外设所使用的数据格式各不一致。(3)I/O设备的编址为了CPU便于对I/O设备进行寻址和选择,必须给众多的
9、I/O设备进行编址,也就是给每一台设备规定一些地址码,称为设备号或设备代码。I/O设备两种寻址方法:专设I/O指令:例指令IN完成输入,指令OUT完成输出操作。其地址码指出I/O设备的设备代码。 这是I/O空间独立于存储器空间的情况,即设备码的编码和存储器的存储单元的编码是平行存在的。存储器映象方式:利用访存(取数/存数)指令完成I/O功能。 使用这种方法时,从主存的地址空间中分出一部分地址码作为I/O的设备代码,当访问到这些地址时,表示被访的不是主存储器,而是I/O设备寄存器。 这时I/O空间和存储器空间是合在一起的,即I/O设备和存储单元是统一编址的。(4)I/O接口类型按照数据传送的宽度
10、可分为并行接口和串行接口。并行接口中,设备和接口是将一个字节(或字)的所有位同时传送。传送完?设置内存缓冲区首址设置计数器启动外设传送一个数据修改内存地址修改计数值结束I/O传送准备好?未完是完否图1-3 程序直接控制输入输出方式流程串行接口中,设备和接口间的数据是一位一位串行传送的,而接口和主机之间是按字节或字并行传送。接口要完成数据格式的串并变换。按照数据传送的控制方式可分成程序控制输入输出接口,程序中断输入输出接口和直接存储器存取(DMA)接口等。(5)I/O技术常用的输入输出方式有五种,包括:程序直接控制(编程I/O)、程序中断控制(中断驱动I/O)、存储器直接存取(DMA)、通道方式
11、、外围处理机方式。在实际硬件系统设计种,较常用的是程序直接控制方式和中断方式,下面介绍一下,这两种方式的特点和过程。程序直接控制(programed direct control)特点:完全通过程序来控制主机和外围设备之间的信息传送。过程:首先启动设备,发出启动命令,接着CPU等待外围设备完成接收或发送数据的准备工作,在等待时间内,CPU不断地用一条测试指令检测外围设备工作状态标志触发器。一旦测试到标志触发器已置成“完成”状态,即可进行数据传送,其流程如图1-3。缺点:这种控制方式简单,但CPU和外围设备只能串行工作,而CPU的速度比I/O设备的速度快得多,所以CPU的大量时间都处于等待,空闲
12、状态,使系统效率大大降低。程序中断传送(program interrupt transfer)关中断保护断点、保护现场判断中断条件转入中断服务程序开中断执行中断服务程序关中断恢复现场、恢复断点开中断返回断点图1-4 程序中断传送程序流程过程:启动外围设备后主机继续执行程序。当外围设备完成数据传送的准备后,便向CPU发“中断请求”(INT)信号。CPU接到请求后若可以停止正在运行的程序,转去执行“中断服务程序”,完成传送数据工作,传送完毕仍返回原来的程序,其流程如图1-4。优点:在一定程度上实现了CPU和外围设备的并行工作。多中断:若在某一时刻有几台外围设备发出中断请求信号,CPU可根据预先规定
13、好的优先顺序,按轻重缓急去处理几台外设的数据传送,从而实现了外围设备的并行工作。 13 计算机硬件系统的设计内容计算机硬件系统的设计不仅仅是将电路设计出来就完成任务,要将硬件设计并调试到软件可以方便运行和调用的程度,所涉及的内容要广的多。目前一般认为下列内容都属于硬件工程师要完成的任务:电路设计、可编程器件的逻辑设计、专用集成电路设计、指令系统设计、计算机系统设计、微程序控制设计、汇编语言程序设计、设备驱动程序设计和系统仿真和调试的测试。目前,嵌入式硬件的设计师还用懂得嵌入式实时操作系统。总之,凡是实现“操作数字”的任务,以及以上层软件如何调用这些基本操作所涉及的软硬件接口,都是硬件设计的内容
14、。计算机硬件设计的层次不同,采用的方法也有所区别,专业的计算机一股脑见人员可能会涉及到处理器设计、存储器设计和传输通道设计,而非计算机的工程技术人员往往是利用已有的器件来设计板卡或者某种数字化装置。一般来说,现代的硬件设计人员应该掌握电子设计自动化(EDA)方法和相应的软件工具。EDA是利用计算机软件设计和仿真工具来进行硬件的芯片设计、电路原理设计、布板、运行仿真、热设计和电磁兼容性仿真等。它可以大大提高硬件设计的效率和正确性。作为硬件设计人员,还要学习硬件描述语言HDL,会采用各种开发工具软件和测试工具软件,并会用逻辑分析仪和示波器等调试硬件电路。14 计算机硬件系统的设计原则计算机硬件系统
15、的设计要遵循两个原则:(1)加快经常性事件经常性事件就是发生最频繁、占时间最多的事件,如果某个事件占了总运行时间的90%,这部分加快了10倍,总时间就会显著减小到原来的19。但如果某个事件只占了总时间的10,即使加快10000倍,总时间也会少于原来的90。所以,加快经常性事件效果最好。(2)性能平衡原则即CPU、内存、I/O的性能要相互匹配才是一个性能平衡的系统,不平衡就会出现瓶颈。一个经验的定律是:每一个MIPS(每秒兆指令数)的处理能力,需要1MB的内存与1MB/s的I/O带宽与之匹配。39第二章 数据采集技术概述数据采集技术是微型计算机应用技术的重要分支。外部现实对象(广义的外部设备)通
16、过接口和计算机交换信息,在现实对象中信息表现为不同的形式并有明确的物理意义,输入到计算机内部后部变成二进制数,统称为数据。数据经过计算机的加工处理再作用到现实对象,又变成具体的物理信号。上述整个过程部可以看成是数据采集技术涵盖的内容。21 数据采集系统的结构原理数据采集系统一般包括模拟信号的输入输出通道和数字信号的输入输出通道。数据采集系统的输入又称为数据的收集;数据采集系统的输出又称为数据的分配。211 数据采集系统的分类数据采集系统的结构形式多种多样,用途和功能也各不相同,常见的分类方法有以下几种:根据数据采集系统的功能分类:数据收集和数据分配;根据数据采集系统适应环境分类:隔离型和非隔离
17、型,集中式和分布式,高速、中速和低速型;根据数据采集系统的控制功能分类:智能化数据采集系统,非智能化数据采集系统;根据模拟信号的性质分类:电压信号和电流信号,高电平信号和低电平信号,单端输入(SE)和差动输入(DE),单极性和双极性;根据信号通道的结构方式分类:单通道方式,多通道方式。212 数据采集系统的基本功能数据采集系统的任务,具体地说,就是采集传感器输出的模拟信号并转换成计算机能识别的数字信号,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,得出所需的数据。与此同时,将计算得到的数根进行显显示和打印,以便文现对某些物理量的监视2。 由数据采集系统的任务可以知道,数据采集系统
18、具有以下几方面的功能:数据采集、模拟信号处理、数字信号处理、开关信号处理、二次数据计算、屏幕显示、数据存储、打印输出、人机联系。213 数据采集系统的结构形式从硬件力向来看,白前数据采集系统的结构形式主要有两种:一种是微型计算机数据采集系统;另一种是集散型数据采集系统。微型计算机数据采集系统是由传感器、模拟多路开关、程控放大器、采样/保持器、AD转换器、计算机及外设等部分组成。集散型数据采集系统是计算机网络技术的产物,它由若十个“数据采集站”和一台上位机及通信线路组成。数据采集站一般是由单片机数据采集装置组成。位于生产设备附近,可独立完成数据采集和颈处理任务,还可将数据以数字信号的形式传送给上
19、位机。22 数据采集系统设计的基本原则 对于不同的采集对象,系统设计的具体要求是不相同的。但是,由于数据采集系统是由硬件和软件两部分组成的,因此,系统设计的一些基本原则是大体相同的2。221 硬件设计的基本原则(1) 经济合理系统硬件设计中,一定要注意在满足件能指标的前提下,尽可能地降低价格,以便得到高的性能价格比,这是硬件设计中优先考虑的一个主要因素,也是一个产品争取市场的主要因素之一。(2) 安全可靠选购设备要考虑环境的温度、湿度、压力、振动、粉尘等要求,以保认在规定的下作环境下,系统性能稳定、工作可靠。要有超量程和过载保护,保证输入、输出通道正常工作。要注意对交流市电以及电火花等的隔离。
20、要保证连接件的接触可靠。(3) 足够的抗干扰能力有完善的抗干扰措施,是保证系统精度、工作正常和不产生错误的必要条件。222 软件设计的基本原则(1) 结构合理程序应该采用结构模块化设计。这不仅有利于程序的进一步扩充,而且也有利于程序的修改和维护。在程序编序时,要尽量使得程序的层次分明,易于阅读和理解,同时还可以简化程序,减少程序对于内存的使用量。当程序中有经常需要加以修改或变化的参数时,应该设计成独立的参数传递群序,避免程序的频繁修改。(2) 操作性能好操作件能好是指使用方便。这点对数据采集系统来说是很重要的。在开发程序时,应该考虑如何降低对操作人员专业知识的要求。(3) 系统应设计一定的检测
21、程序,例如状态检测利诊断程序,以便系统发生故障时容易确定故障部位,对于重要的参数要定时存储,以防止因掉电而丢失数据。(4) 提高程序的执行速度。(5) 给出必要的程序说明。第三章 数据采集系统的硬件设计31 系统结构框图物理模拟量数据采集模块键盘单片机 液晶显示图3-1 系统模块关系图数据采集系统的主要分为以下几个模块:数据采集转换模块、数据存储模块、键盘控制模块、时钟模块、液晶显示模块、串口通信模块。其中数据采集模块包括AD电压信号量采集和系统工作温度采集。各模块关系图如图3-1。32 系统工作原理该系统工作的总原理图如图3-2。图3-2 系统总原理图321 CPU 处理核心模块AT89C5
22、2是一种高性能低功耗的采用CMOS工艺制造的8位微控制器,拥有8KB的可编程的闪存(Flash programmable and erasable read only memory)。它提供下列标准特征:8K字节的闪速存储器,56字节的RAM,32条I/O线,3个16位定时器/计数器,一个六中断源两个优先级的中断结构,一个双工的串行口,片上震荡器和时钟电路。其管脚图如图3-3所示:图3-3 8051芯片管脚图引脚说明:VCC:电源电压GND:地P0口:P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口,作为输出口用时,每个引脚能驱动8个TTL逻辑门电路。当对0端口写入1时,可以作为高阻抗输入端使用。当P0
- 1.请仔细阅读文档,确保文档完整性,对于不预览、不比对内容而直接下载带来的问题本站不予受理。
- 2.下载的文档,不会出现我们的网址水印。
- 3、该文档所得收入(下载+内容+预览)归上传者、原创作者;如果您是本文档原作者,请点此认领!既往收益都归您。
下载文档到电脑,查找使用更方便
20 积分
下载 | 加入VIP,下载更划算! |
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 基于 单片机 控制 数据 采集 系统