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摘 要：本文給出了一種基于ADuC812實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)下位機(jī)的設(shè)計(jì)方法,介紹了ADuC812的優(yōu)點(diǎn)以及下位機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)和軟件實(shí)現(xiàn)。利用ADuC812具有24位尋址的能力,采用閃速存儲(chǔ)器28F640實(shí)現(xiàn)了大容量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。
關(guān)鍵詞：ADuC812;環(huán)境監(jiān)測(cè);數(shù)據(jù)采集;閃速存儲(chǔ)器
1. 引言
ADuC812是美國(guó)AD公司率先研制出的真正意義上的完整的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)芯片,是投入市場(chǎng)的第一種微轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品。它性能優(yōu)良,價(jià)格便宜,開(kāi)發(fā)手段完備,是一種新型的高度集成的高精度12位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。其內(nèi)部的12位A/D轉(zhuǎn)換周期僅為4us,比常用的AD574快好幾倍。用ADuC812代替由常規(guī)芯片構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),將大大降低產(chǎn)品的成本、縮小設(shè)備的體積、提高系統(tǒng)的可靠性和電氣性能指標(biāo)。
ADuC812芯片內(nèi),不僅包含了可重新編程的非易失性閃速/電擦除程序存儲(chǔ)器的高性能8位（與8051兼容）MCU,還包含了高性能的自校準(zhǔn)多通道（8個(gè)輸入通道）ADC,兩個(gè)12位DAC,32條可編程I/O接口。ADuC812微控制器內(nèi)核與8051指令兼容,用戶現(xiàn)有的軟件都可以直接移植,因而應(yīng)用開(kāi)發(fā)方便。它具有9個(gè)中斷源（2個(gè)優(yōu)先級(jí)）,片內(nèi)還集成了8K字節(jié)的閃速/電擦除程序存儲(chǔ)器、640字節(jié)的閃速/電擦除數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器以及256字節(jié)RAM。另外,它還包括一個(gè)看門(mén)狗定時(shí)器和電源監(jiān)控器,ADC與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器之間的DMA方式,存儲(chǔ)保護(hù)功能,一個(gè)通用的異步串行收發(fā)器,SPI和I²C總線接口。ADuC812具有24位地址的外部數(shù)據(jù)尋址能力, 可尋址16MB的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間。
2. 遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)整體介紹
該遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)是針對(duì)當(dāng)今環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化、信息化的要求而設(shè)計(jì)的,它是由分布于遠(yuǎn)距離各個(gè)監(jiān)測(cè)站的多個(gè)下位機(jī)和位于中心站的上位機(jī)組成,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
上下位機(jī)是通過(guò)MODEM和電話線路實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信的。上位機(jī)將各下位機(jī)傳送來(lái)的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù),并對(duì)各環(huán)境數(shù)據(jù)做出數(shù)據(jù)分析。
下位機(jī)分布在大范圍、遠(yuǎn)距離的各個(gè)環(huán)境監(jiān)測(cè)站點(diǎn),對(duì)大氣、水質(zhì)、酸雨等各監(jiān)測(cè)儀送來(lái)的各種環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)儀輸出的SO2、NO2、NO等變化緩慢的參數(shù)每2分鐘采樣一次,對(duì)酸雨計(jì)輸出的酸雨參數(shù)每0.5mm雨量采樣一次。采樣數(shù)據(jù)要求連續(xù)保存7天,每天的平均值保存一個(gè)月,并且存儲(chǔ)在下位機(jī)中的采樣數(shù)據(jù)隨時(shí)準(zhǔn)備接受上位機(jī)的查詢和向上位機(jī)傳送。
3. 下位機(jī)硬件電路設(shè)計(jì)
下位機(jī)硬件電路的設(shè)計(jì),主要是考慮被測(cè)信號(hào)的變化速率和通道數(shù),以及對(duì)測(cè)量精度、分辨率、速度的要求等。該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電路包括：ADuC812、模擬放大轉(zhuǎn)換電路、外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器28F128、串行口通信以及鍵盤(pán)和LCD顯示器,如圖2所示。
圖2、硬件結(jié)構(gòu)圖
3．1 采集電路的模擬信號(hào)輸入
在ADuC812中,P1.0—P1.7初始化后為8通道的模擬輸入口。如果用于數(shù)字量輸入,編程時(shí)應(yīng)首先把端口寫(xiě)“0”。本電路將P1口設(shè)為8路由各環(huán)境監(jiān)測(cè)儀輸出的模擬量輸入。由于ADC的基準(zhǔn)電壓是2.5伏,而各監(jiān)測(cè)儀輸出的模擬量一般為0~1伏或4~20毫安,因而需要模擬放大轉(zhuǎn)換電路把輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成0—2.5伏的標(biāo)準(zhǔn)輸入。轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。
圖3、模擬放大轉(zhuǎn)換電路
3．2 ADuC812與外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的接口電路
為滿足本設(shè)計(jì)系統(tǒng)大量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)要求,在采用常規(guī)芯片構(gòu)成的系統(tǒng)中要采用10片128K的HM628128數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）,這樣,不但成本高、電路設(shè)計(jì)復(fù)雜、系統(tǒng)的可靠性和電氣性能指標(biāo)也低。由于ADuC812具有24位地址的外部數(shù)據(jù)尋址能力,本方案中,我們采用一片28F640。28F640是一超大容量閃速存儲(chǔ)器,單片容量為8MB,不但更好的滿足了本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求,而且當(dāng)采集參數(shù)增加,或采樣時(shí)間變化時(shí),同樣能滿足要求,因而提高了系統(tǒng)的兼容性。
為實(shí)現(xiàn)對(duì)28F640的訪問(wèn),ADuC812利用兩片8位鎖存器74HC573與28F640相連。P0口分時(shí)輸出低8位地址A0~A7和8位數(shù)據(jù),利用地址鎖存信號(hào)ALE可以將低8位地址鎖存到8位鎖存器U2中。P2口分時(shí)輸出高8位地址和中8位地址,可以利用地址鎖存信號(hào)ALE將高8位地址鎖存到8位鎖存器U4中。這樣就實(shí)現(xiàn)了24位尋址空間。由于28F640只有A0~A22共23位地址線,所以鎖存器輸出的A23地址線懸空。
3．3 鍵盤(pán)、顯示器接口電路
外接鍵盤(pán)和LCD顯示器的目的是：當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送錯(cuò)誤或人工查詢數(shù)據(jù)時(shí),可通過(guò)鍵盤(pán)選擇要查詢的參數(shù)并在顯示器上顯示出來(lái),使下位機(jī)的工作更加靈活方便。
為了連接鍵盤(pán)和顯示器,需要擴(kuò)展一片8155I/O口擴(kuò)展芯片,采用4*4觸摸式鍵盤(pán)和點(diǎn)陣式液晶顯示器。鍵盤(pán)上的鍵值分別與各路環(huán)境參數(shù)對(duì)應(yīng),若為“0”按下,則調(diào)顯示子程序,此后每按一個(gè)鍵,此按鍵值對(duì)應(yīng)的環(huán)境參數(shù)在顯示器上顯示出來(lái)。若不是“0”鍵按下,則把鍵值送累加器A。當(dāng)為“F”鍵按下時(shí),則退出顯示子程序。
3．4 串行通信接口電路
由于要通過(guò)MODEM、電話線與上位PC機(jī)通信,所以須利用MAX232芯片作為RS—232口電平匹配與驅(qū)動(dòng)。MAX232是包含兩路接收器和驅(qū)動(dòng)器的IC芯片,其內(nèi)部有一個(gè)電源電壓變換器,可以把輸入的+5V電源電壓變換成為RS—232C輸出電平所需的±10伏電壓。
4.下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)
4．1 軟件整體設(shè)計(jì)
下位機(jī)的軟件設(shè)計(jì)主要由3部分組成：數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)子程序,鍵盤(pán)掃描與液晶顯示程序,與上位機(jī)的通信子程序。流程圖如圖4。
主程序中,首先進(jìn)行鍵盤(pán)、顯示器、AD模塊和通信端口的初始化。數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)子程序編寫(xiě)為定時(shí)中斷子程序,采用定時(shí)器2定時(shí),每2分鐘調(diào)一次數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)子程序,采集一次數(shù)據(jù)。而酸雨數(shù)據(jù)的采集是通過(guò)外部中斷INT1,每當(dāng)酸雨量達(dá)0.5mm時(shí)向ADuC812發(fā)一個(gè)中斷請(qǐng)求,ADuC812采集一次酸雨數(shù)據(jù)。
主程序循環(huán)掃描鍵盤(pán),當(dāng)有鍵按下時(shí),轉(zhuǎn)鍵盤(pán)掃描子程序。主程序中把與上位機(jī)的通信程序設(shè)置為外部中斷子程序,中斷信號(hào)由INT0輸入。當(dāng)上位機(jī)要求傳送數(shù)據(jù)時(shí),通過(guò)撥號(hào),選中某一下位機(jī),則此下位機(jī)程序跳轉(zhuǎn)到通信子程序,完成與上位機(jī)的通信。
圖4、軟件流程圖
4．2 軟件設(shè)計(jì)特點(diǎn)
ADuC812微控制器內(nèi)核與8051指令兼容,用戶現(xiàn)有的軟件都可以直接移植,但在ADC轉(zhuǎn)換模塊和數(shù)據(jù)的存取方面與8051編程不同。
在數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)子程序中,ADC首先要初始化。對(duì)ADuC812的AD轉(zhuǎn)換模塊的操作是通過(guò)對(duì)ADCON1,ADCON2和ADCON3這3個(gè)特殊功能寄存器（SFR）來(lái)控制的。ADCON1控制轉(zhuǎn)換與采集時(shí)間、硬件轉(zhuǎn)換模式以及掉電模式。在對(duì)ADCON1的設(shè)置中,ADC正常工作,時(shí)鐘分頻比為2。由于輸入信號(hào)模擬放大轉(zhuǎn)換電路的輸出阻抗都小于8KΩ,所以選擇ADC采集時(shí)鐘為1。設(shè)置定時(shí)器2轉(zhuǎn)換位T2C,由此,得ADCON1=52H。ADCON2控制ADC通道選擇和轉(zhuǎn)換模式。由于本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為8通道順序采集,ADC每次需要將8個(gè)通道的模擬輸入量依次進(jìn)行轉(zhuǎn)換,因此,要把通道號(hào)CHAG的值送入ADCON2中。ADCON3未用。一旦特殊功能寄存器ADCON1~3完成設(shè)置,ADC將轉(zhuǎn)換模擬輸入并在特殊功能寄存器ADCDADAH/L中提供ADC 12位結(jié)果字。
CPU用中斷方式管理A/D轉(zhuǎn)換器。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換完成時(shí),向CPU發(fā)請(qǐng)求信號(hào),CPU響應(yīng)中斷,中斷處理子程序負(fù)責(zé)對(duì)轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀出并將其存儲(chǔ)至外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器28F128中,然后通道號(hào)加1,相應(yīng)的閃速存儲(chǔ)器地址也加1。
當(dāng)用戶訪問(wèn)微轉(zhuǎn)換器ADuC812的16MB的外部數(shù)據(jù)空間時(shí),必須添加一個(gè)數(shù)據(jù)頁(yè)指針DPP,與普通MCS-51一樣,一條向DPTR送數(shù)的MOV指令仍只送16位的數(shù)據(jù)到DPH和DPL,但一個(gè)使DPH溢出的INC DPTR指令,將使地址增加一頁(yè)而不是加1。頁(yè)的大小與DPP有關(guān)。因此利用數(shù)據(jù)頁(yè)指針DPP可實(shí)現(xiàn)16MB外部數(shù)據(jù)空間的訪問(wèn)。
對(duì)28F640的讀寫(xiě)是以頁(yè)編程操作為基礎(chǔ)。28F640是超大容量閃速存儲(chǔ)器,為了保證對(duì)各種操作的可靠進(jìn)行,芯片內(nèi)部增加了控制邏輯。如用來(lái)接受各種操作命令的用戶命令單元接口（CUI）和擦寫(xiě)狀態(tài)機(jī)（WSM）等。當(dāng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí),首先是將芯片的片選端使能,使存儲(chǔ)器進(jìn)入工作狀態(tài),然后再將相應(yīng)命令字送入CUI。CUI根據(jù)命令要求按地址鎖存器的尋址去控制WSM對(duì)相應(yīng)的存儲(chǔ)單元或存儲(chǔ)塊區(qū)域自動(dòng)執(zhí)行編程算法和必要的延時(shí),從而完成數(shù)據(jù)塊的擦除、寫(xiě)入、鎖存等操作。
5. 結(jié)束語(yǔ)
把ADuC812芯片應(yīng)用在遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)下位機(jī)的設(shè)計(jì)上,顯著提高了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能并大幅度地減少了開(kāi)發(fā)時(shí)間和成本,適應(yīng)了現(xiàn)代環(huán)境監(jiān)測(cè)的要求。根據(jù)具體要求稍加修改,本系統(tǒng)還可適用于氣象、電力、水文等需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的各個(gè)部門(mén)。 |
