基于GSM的远程温控单元设计方案

1 基于 案 1绪论 题研究的背景 度监控系统的应用前景 温度对工农业生产和国防事业均有不同程度的影响 12。在水产养殖、粮食存储、无人值班变电站、程控锅炉等工农业应用背景中，都需要远程温度监控功能。粮食在正常储藏过程中 3，含水量一般在 12%以下是安全状态，不会产生温度突变，一旦粮库进水、结露等使粮食的含水量达到 20%以上时，由于粮粒受潮，胚芽萌发，新陈代谢加快而产生呼吸热，使局部粮食温度突然升高，必然引起粮食“发烧”和霉变，并可能形成连锁反应，从而造 成不可挽回的损失；电力设备的故障有多种多样，但大多数都伴有发热的现象，一次事故损失巨大；纺织、食品、烟草等工业中，温度过高容易使产品变质，电子仪器也容易出故障；温室栽培和工业生产中，若不控制温度，将严重影响产量和质量。还有很多领域的温度可能较高或较低，人无法靠近或现场无需人力来监控。 传统的温度测量方式周期长，不能实时监测，而且测量员必须到现场进行测量和启动功率设备来调整温度，工作效率非常低，且不便于管理。为此人们设计了远程测控系统，将要测量地点的温度信号通过传输系统送到监控站，使得人们坐在办公室里就可以对 现场进行监控，又方便又节省人力。但是，传统的温度传输系统大多以有线传输为主 4，一旦距离过长，不但增加成本，也会影响数据的有效传输，同时，在恶劣的环境下，有些有线传输几乎是不可能的。此外，有些温度测量经常会变换地点和环境，对传输的灵活度要求很高，如果使用有线传输将带来极大的不便。本文设计了一个无线温度监控系统，它采用无线发射与接收，具有很强的灵活性，解决了上述有线传输所不能实现的问题。随着社会的发展和科学技术的发展，无线温度监控系统在现代工农业生产中，有着广泛的应用前景，它的应用范围将不断的扩大。 20 世纪 80 年代中期，当模拟蜂窝移动通信系统刚投放市场时，世界上的发达国家就在研制第二代移动通信系统 5。其中最有代表性和比较成熟的制式有泛欧 美国的 日本的 在改名为 数字移动通信系统。在这些数字系统中， 发展最引人注目。 1991 年 统正式在欧洲问世，网络开通运行。 列 2 主要有 部分，三者之间的主要 区别是工作频段的差异。 蜂窝移动通信的出现可以说是移动通信的一次革命。其频率复用大大提高了频率利用率并增大系统容量，网络的智能化实现了越区转接和漫游功能，扩大了客户的服务范围，但上述模拟系统有四大缺点：各系统间没有公共接口；很难开展数据承载业务；频谱利用率低无法适应大容量的需求；安全保密性差，易被窃听，易做 “ 假机 ” 。尤其是在欧洲系统间没有公共接口，相互之间不能漫游，对客户造成很大的不便。 字移动通信系统源于欧洲。早在 1982 年，欧洲已有几大模拟蜂窝移动系统在运营，例如北欧多国的 欧移动电话 )和英国的 接入通信系统 )，西欧其它各国也提供移动业务。当时这些系统是国内系统，不可能在国外使用。为了方便 整个 欧洲统一使用移动电话，需要一种公共的系统， 1982年，北欧国家向 洲邮电行政大会 )提交了一份建议书，要求制定 900这次大会上就成立了一个在欧洲电信标准学会(术委员会下的 “ 移动特别小组 ( ，简称 “ ，来制定有关的标准和建议书。 我国自从 1992 年在嘉兴建立和开通第一个 示系统，并于 1993 年 9月正式开放业务以来，全国各地的移动通信系统中大多采用 统，使得统成为目前我国最成熟和市场占有量最大得一种数字蜂窝系统。截至2002 年 11 月，中国手机用户 2 亿，比 2001 年年底新增 。 世界上第一个对数字调制、网络层结构和业务作了规定的蜂窝系统。如今 信系统已遍及全世界，即所谓 “ 全球通 ” 。 是目前国内覆盖范围最广、系统 可靠性最高、话机保有量最大的数字移动通讯系统，因此充分利用已有的 窝网作为本系统 的无线传输网络是一种既有效又经济的手段。 文研究的主要内容 本论文主要 实现远程温控单元的设计 。 要监测的现场的温度 信号经过 温度传感器转换为电压信号后， 使用模数转换芯片 将模拟信号转换为数字信号 ，然后并行送入 ， 过串口发送 令控制 收监测中心发来的信息并执行相应的操作 。整个 系统由监测站点的手机控制运行，发送信息实现远程温度监控。本系统的温控模块、 A/D 转换模块和 块都是通过 外扩接口连接到 心模块 。 论文中的第二章介绍了 统结构及其短消息业务，并提出远程温控系统的设计方案。第三章介绍了本设计方案实现的硬件 平台，并对各模块的原理及结构做了详细说明，最后也简要说明了在 线中需要注意的问题。第四章 3 是对实际的远程温度监控单元电路的功能进行的测试，对结果进行了分析，对其中有问题的地方也提出了一些参考意见。最后是对本论文的总结。 4 2 远程温控系统的设计方案 数字蜂窝通信系统是在模拟蜂窝通信系统的基础上发展起来的现代移动通信系统 56。这种系统以先进的计算机技术、 术、数字信号处理技术等为基础，采用全数字化移动通信体制。这种系统具有 的能力，可以把移动电话、电报、传真、电视、数据通信和计算机通信等多种业务综合在一个系统中完成，而且易于实现数字保密、通信设备的小型化和智能化。自 20世纪 80年代中期起，欧洲、北美和日本相继发展了数字蜂窝移动通信系统，并先后制定了三种不同标准，如欧洲的 美的 本的中，以 为典型，这些系统的共同特点均采用数字话音传输技术。 全球移动通信系统（ 称 一个复杂的通信系统，由许多单元组成 57。一般分为三个相对独立的部分，即移动终端子系统（ 基站子系统（ 网络子系统（ 如图 2 图 2统组成结构示意图 动终端部分（ 一般也称为移动台，它是 络中用户使用的设备，也是用户和网络连接的唯一设备。它包括以下基本功能： 5 1）以无线方式接入 动网络，完成各种控制功能； 2）支持各种基本业务和补充业务； 3）间断接收和间断发送； 4）对用户数据和信令加密； 5）语音编 码和解码； 6）协助 成自动功率控制（ 跳频及各种切换； 7）适配用户数据和无线信道的速率； 8）支持人机接口（ 各种功能； 9）提示呼叫过程。 移动台是由它所漫游到的地理区域的一个 理。当有一个对此移动台的呼叫时， 询 当前地址。这样呼叫就可以被送到正确的 通过 移动台建立无线通路。 站子系统（ 基站子系统通过无线接口直接与移动台连接，负责无线资源管理和收发信息。基站子系统与网络子系统（ 的移动交换中心（ 连， 实现移动用户之间或固定网用户之间的通信。基站子系统由基站收发信台（ 基站控制器（ 成，其主要功能如下： 1）协助 成无线信道管理； 2）无线信道测量和分配、链路检测、功率控制、跳频监管； 3）无线信道资源指示； 4）信道编解码、对用户数据和用户单元进行加密； 5）码型转换和速率适配； 6）完成同一小区内和同一 的切换，执行 指令在 的切换； 7） 收、 射； 8）空间分集接收。 每个小区由几个 制，而几个 由一个 理。这个 它管理的 同构成一个基站子系统（ 并与一个移动交换中心（ 连。 方面通过空中接口与移动台接口，另一方面通过 道提供与接口。 间的话音信号可以通过 16 64链路传输。 络子系统（ 网络子系统（ 六个主要组成单元。即移动业务交换中心（ 访问用户位置寄存器（ 归属用户位置寄存器（ 鉴权中心（ 6 移动设备识别器（ 操作维护中心（ 1）移动交换中心（ 具有号码存储 译码、呼叫处理、路由选择、回波抵消和超负荷控制等功能。它可为移动用户提供三类业务：电信业务、承载业务和补充业务。 网络的中心并控制着一个或多个 要执行交换功能。这种交换功能不仅是用于移动用户之间的呼叫，而且用于移动用户与固定用户（ 及分组交换网用户之间的呼叫，因此 统与的互联点。 2）访问用户位置寄存器（ 存储着进入其控制区内已登记的移动用户相关信息，并从 获取必要的数据为已登记的移动用户提供建立呼叫接续的必要条件，使 够建立呼入和呼出链路。一旦移动用户离开该控制区则取消移动用户的临时数据。 视为一个动态用户数据库，与 行大量的数据交换。 统的一个重要特性是自动国际漫游，这意味着移动台可以在任何建有 统的国家内的任意地点发出或接收呼叫而无需任何特别操作，这需要移动台更新在 中的位置，而且系统必须能够处理这些信息。处理位置信息是由访问位置寄存器（ 归属用户位置寄存器（ 成。 3）归属用户位置寄存器（ 它是 中央数据库，存储着该 数据，移动用户重要的静态数据都存储在 ，这些数据包括用户的接入能力、申请的业务和补充业务。 每个归属用户存储一个可用的三参数组（ C），任何时候都能依照请求而提供使用。 包含有当前正管理这个移动台的 信息。当移动台位置改变时， 应进行更新。而且， 供移动台当前所在的 区的信息（动态数据），使被叫用户能够被立即找到。 4）鉴权中心（ 它是 统的安全中心。它采取了一系列措施对用户鉴权，并对无线接口上的话音和数据 信号信息加密。在鉴权中心存储着鉴权算法和密钥加密等，存储的这些信息是用来保护空中接口的通信，防止移动台受到侵扰，防止无权用户接入系统。用户的合法识别码是通过鉴权和密码计算确定的，这用于保护用户的信息不被暴露。鉴权信息和密钥存储于 一个数据库，它们不会被非法访问。 5）移动设备识别器（ 存储着移动设备的国际移动设备识别码（ 通过检查白色清单、黑色清单或灰色清单这三类表格，确定入网的移动设备不是盗用的或有故障的设备，从而保证注册用户的安全。 络中还有另一种类型的识别码，称为国际移动 用户识别码（ 它与设备无关。这个与用户密切相关的信息被存储于 中，使用户可以在出租车中或其他公共场所进行呼叫，并直接计费。 7 6）操作维护中心（ 操作维护中心的主要任务是对 统进行集中维护与操作，允许实施远程操作维护管理，支持高层维护管理中心（ 接口。 全数字式的蜂窝系统，并且使用了 一般原理，本身具有传输数据的能力，根据 定的规范， 提供以下几种数据业务，其中最常见的是 制解调器和 据业务。 1） 制解调器数据业务； 2） 据业务； 3）专用 据业务； 4）分组数据业务； 5）短消息业务； 6）三类传真业务。 随着对高速无线数据业务主要是对 务需求的增长， 出了两种高速移动数据业务： 速电路交换数据业务）和 用分组无线业务）。 随着经济的发展，移动通讯工具的普及，人们日常的交往方式也随着改变。短消息已经成为手机用户最常使用的业务之一 78。除了大量使用的手机用户到手机用户的点对点短消息通信业务之外，从短消息服务平台到手机用户的 短消息增值服务业务也在快速发展。移动目标监控中心到移动目标定位终端的短消息数据传输就属于这种增值业务。 消息服务简介 短消息服务（ 称 通过手机发送和接收有限长度的文本信息的功能。一条短消息可以包含 160 个英文字母（ 7码）或 70 个非拉丁字母（ 16码），如中文汉字或者阿拉伯字等 码。 短消息 于 一阶段的标准，它按照其实现方式可以分为点到点短消息业务和小区广播短消息业务。点到点短消息业务是通过移 动业务起始（ 移动业务终止（ 一条短消息从一个实体发送到指定地址的业务，如移动目标的定位信息。而小区广播短消息业务则是指通过发送消息的基站向指定区域中的所有短消息用户发送短消息的业务，如天气预报信息等。 消息的网络结构 8 准中定义的点对点短消息服务使得短消息能在移动台（ 短消息服务中心之间传递。一个 户发送短消息时，必须至少在其内容中包含最终地址的识别符和处理这条消息的服务中心号码，然后请求传递。短 消息业务的基本网络结构如图 2示。 图 2网络体系结构 其中，短消息业务网络体系结构中的各部分具体功能如下： 1） 消息实体（ 它可以接收或改善短消息，位于固定电话系统、移动基站或其他服务中心内。 2） 消息服务中心（ 它实质上是运行在服务器上的一个数据库应用程序，其核心进程担负着通过 7 号信令与移动交换机连接并发送、接收短消息底层编码的任务，它收到一条数据后将其放入数据库中， 同时另一个进程试图把这条数据放入发送队列将其发送出去，如果成功，这条信息将被删除以释放数据库空间，但统计信息被保存。如果不成功，则根据设置的时间间隔重发，直到发送成功或过了有效期为止。 3） 关（ 接收由送的短消息，向 询路由信息，并将短消息传送给接收者所在基站的交换中心。 4） 属位置寄存器（ 用于永久存储由 关与 间的协议使前者可以要求 索可找到的用户地址。它与移动交换中心（ 间的协议一起，能在移动台因超出覆盖区而丢失报文、随后又找到时，加以提示。 5） 动交换中心（ 负责系统切换管理并控制来自或发向其他电话或数据系统的拨叫。 6） 问位置寄存器（ 含有用户临时信息的数据库。交换中心服务访问用户时需要这些信息。 7） 7 号信令系统。 统中采用的是 完成必要的交换和控制。交换和控制子系统包括 用的 令系统是由公共信令网提供的，完成必要的控制功能。 9 短消息（ 优点很明显，主要有以下几点： 1）收费低廉。对与消费者而言，资费始终是首要关心的问题。不管是长途还是市内，每发送一条短信息仅 ，接收免费，而在移动目标监控服务中，包月短消息费用还不足 10 元人民币； 2）随时随地。短消息和电话不一样，打电话要求接听方同时在另一端，而短消息用户可以随时随地发送短消息，不用担心对方有没有开机，也不用担心对方是不是在 服务区，因为短信息是采用存储 旦对方开机，短消息就会自动发送； 3）能够承载多种数据。短消息有 3 种模式：块模式、 式和文本模式。其中支持块模式的手机厂商十分少，基本上支持 式和文本模式； 4）能够保障传输中的安全。如果用户使用 ，那么短消息在发送之前，可以通过 将信息加密后进行传输。在到达目的地后由接收者将信息解密，实现了点到点的信息安全保障。 9， 令集是从终端设备 (数据终端设备 (终端适配器 (A)或数据电路终端设备 (送的。通过送 令来控制移动台 (功能，与 络业务进行交互。用户可以通过 令进行呼叫、短信、电话本、数据业务、传真等方面的控制。 90 年代初， 令仅被用于 作。没有控制移动电话文本消息的先例，只开发了一种叫 协议，通过终端设备 (电脑来完全控制 年后，主要的移动电话生产厂商诺基亚、爱立信、摩托罗拉和 同为 制了一整套 令，其中就包括对 控制。令在此基础上演化并被加入 05 标准以及现在的 07 标准，完全标准化和比较健全的标准。如：对 控制共有 3 种实现途径：最初的于 令的 于 令的 现在经取代 者逐渐淡出。 块与计算机之间的通信协议是一些 令集， 令是以 首，字符结束的字符串， 令的响应数据包在中 间 。每个指令执行成功与否都有相应的返回 ， 其他的一些非预期的信息 (如有人拨号进来、线路无信号等 )，模块将有对应的一些信息提示，接收端可做相应的处理。 令集分为十三类： 1）一般命令 2）呼叫控制命令 10 3）网络服务命令 4）安全命令 5）电话本命令 6）短消息命令 7）追加服务命令 8）数据命令 9）传真命令 10）第二类传真命令 11） 令 12）特殊 令 13） 工具箱命令 本设计中用到以下几条 令： 试）、 否关闭回显）、择信息格式）、 认接收到的手机号码）、 取未读信息）。当然还可以选用其它的指令进行信息的收发。 程温控系统结构 在现代信息技术飞速发展的今天，报警系统已进入一个高科技、智能化的时代。 统是目前基于时分多址技术的移动通信体制中比较成熟、完善、应用最广泛的一种系统，主要提供话音、短信息、数据等多种业务。 短消息是目前利用最 广泛的通信方案之一， 基于 消息的业务不需要建立拨号连接，只需把待发的消息加上目的地址发送至短消息中心，再由短消息中心转发到最终目标 ，具有实现简单、通信成本低、频谱利用率高、保密性好等特点。 基于 控数据信号和控制命令的数据通信系统，能广泛用于远程监控、定位导航、个人通信终端等。由于公众 络在全球范围内实现了联网和漫游，建立上述系统不需要再组建专用通信网络，所以具有实时传输数据功能的短消息应用将得到迅速普及。 作为一个远程温度的监测和控制装置，应该可以在任何时刻 对现场温度信号进行数据采样，能够准确地实现远程的监控。但实际的温度信号并不适合微电子电路系统直接对其进行信号分析和处理，所以首先需要将其变换成适合信号处理系统分析的电信号，这就需要传感器电路，然后将变换后的模拟信号转换成数字信号，送给以后的信号处理分析模块。本设计中对温度信号的采样点数并没有太严格的要求，故采用简单的定时采样即可，如果需要对温度信号的频率进行跟踪，可以使用硬件锁相环来产生精准的采样脉冲。为了满足实时和精确的信号处理和分析，加上现在 片在信号处理领域内的明显优势，和最近时期它性能的增加成 本的下降，使用 片具有较好的性价比。 11 短消息服务是 动通信系统的补充业务之一，它具有主动发送功能，并且传送的字符内容支持 符全集。短消息具有收费低廉、随时随地发送、不占用话务信道、用户量大、信息量短等优点，正好适合本系统中发送数据量少的特点。 系统设计中需要考虑的技术要求有： 1：本系统采集的对象是温度参数，就应该有相应的硬件信号处理部分； 2：本系统设计用于解决有线传输的问题，所以选择 线传输模块； 3：本系统要求对温度信号实时监控，并且发送报警信息，故要选用高速的A/D 和 片。 根据以上的讨论，本论文所设计的无线温控单元电路的总体结构如图 2 图 2系统框图 在本系统中，利用 大的数据处理功能进行数据采集和运算， 围的程序空间和数据存储空间， 储 序代码。在实际的工作环境中，可以通过 真口运行烧写程序，向 写进启动代码，由 动加载 的程序代码，完成自启动。 为整个系统提供逻辑功能。 整个系统的设计思路如下：使用 块上的模拟温箱进行控制现场的温度， 块上的热敏电 阻作为传感器，将温度信号转换为电压信号后送入 A/A/D 实现实时采样，转换为适合于 理的数字信号， 该电压值换算为实际温度值后定时显示在 ； 现远程控制命令的接收和反馈温度值的发送， 据收到的控制命令执行相应的操作，包括反馈当前的温度值，升高、降低现场温度等。由于时间所限，本论文仅仅编写了测试程序来验证硬件电路设计的正确性和合理性。 本文提出一种基于 消息的新型远程监控系统，该系统充分利用了线移动通信网络平台，可以实时、自动、方便、可靠地实现现场温度的远程通信报警和监控，同时也适合于其他远程数据传输和无人值守的场合。 12 3 远程温控的硬件平台 数字信号处理器（ 一种特别适用于实时数字信号处理的微处理器。其主要应用是实时、快速地实现数字信号处理算法。实时处理是指必须在规定的时间内完成对外部输入信号的处理运算。为了快速、 实时完成数字信号处理， 片一般具有下述一些特点 10： 1） 接口方便： 统与其他以现代数字技术为基础的系统或设备都是相互兼容的，与这样的系统接口以实现某种功能要比模拟系统与这些系统接口要容易得多； 2） 编程方便： 统中的可编程 片可使设计人员在开发过程中灵活方便地对软件进行修改和升级； 3） 稳定性好： 统以数字处理为基础，因此具有数字处理的全部优点，受环境温度以及噪声的影响较小，可靠性高； 4） 精度高：早期 长为 8 位，后来逐步提高到 16 位， 24 位、 32 位，为防止运算过程 中数据溢出，有的累加器长度达到 40 位。 16 位数字系统可以达到 10精度； 5） 可重复性好：模拟系统的性能受元器件参数性能变化比较大，而数字系统基本不受此影响，因此数字系统便于测试、调试和大规模生产； 6） 集成方便 ： 统中的数字部件有高度的规范性，便于大规模集成； 7） 硬件配置强：新一代的 口功能愈来愈强，片内具有串口、主机接口 （ 制器、锁相环时钟电路产生器等，更易于完成系统设计； 8） 特殊的 令：在 令系统中，设计了一些的特殊指令。如的 令，专门用于系数对称的 波器和 当然，数字信号处理也存在一定的缺点。例如，对于简单的信号处理任务，如与模拟交换线的电话接口，若采用 会使成本增加。 统中的高速时钟可能带来高频干扰和电磁泄漏等问题，而且 统消耗的功率也较大。此外， 术更新的速度快，数学知识要求多，开发和调试工具还不尽完善。 虽然 统存在着一些缺点，但其突出的优点已经使之在通信、语音、图像、雷达、生物医学、 工业 控制、仪器仪表等许多领域得到越来越广泛的应用。 可编程 片是一种具有特 殊结构的微处理器，为了达到快速数字信号处理的目的，一般都具有 10程序和数据分开的总线结构、流水线操作功能、单周期 13 完成乘法的硬件乘法器以及一套适合数字信号处理的指令集，和在片外围电路等硬件，使其可满足电信、测量等众多领域信号实时处理的要求。 线结构 许多 片内部采用多总线结构，这样保证了在一个机器周期内可多次访问程序空间和数据空间。如 内有 8 条 16 位主总线： 4 条程序 /数据总线和 4 条地址总线，这些总线的功能如下： 1） 程序总线（ 送取自程序存储器的指令代码 和操作数； 2） 3 条数据总线将内部各单元（如 据地址生成器、程序地址生成器、在片外围电路及数据存储器）连在一起。其中， 送读自数据存储 器的操作数， 送写到存储器的数据； 3） 4 条地址总线（ 送执行指令所需的地址。 以利用两个辅助寄存器算术运算单元 (每个周期内产生两个数据存储器的地址。 佛结构 早期的微处理器内部大多采用冯 诺伊曼结构，其片内程序空间和数据空间是结合在一起的，取指令和取操作数是通过一条总 线进行的，即数据总线和地址总线分时复用。而 片内部采用的是程序空间和数据空间分开的哈佛结构，允许同时取指令和取操作数 。 哈佛结构是不同于传统的冯 诺伊曼结构的并行体系结构，其主要特点是将程序和数据存储在不同的存储空间中，即程序存储器和数据存储器是两个相互独立的存储器，每个存储器独立编址，独立访问。与两个存储器相对应的是系统中设置了程序总线和数据总线两种总线，从而使数据的吞吐率提高了一倍 ，但其硬件设计比较复杂 。而冯 诺伊曼结构则是将指令、数据、地址存储在同一存储器中，统一编址，依靠指令计数器提供的地址来 区分是指令、数据还是地址 ， 取指令和取数据都访问同一存储器，数据吞吐率低 ，但其硬件设计比较简单，例如世界上第一台电子管计算机和 80是使用 冯 诺伊曼 结构 。 在哈佛结构中，由于程序和数据存储器在两个分开的空间中，因此取指令和执行指令能完全重叠运行。为了进一步提高运行速度和灵活性， 列片在基 本 哈佛结构的基础上作了改进，即改进的哈佛结构：一是允许数据存放在程序存储器中，并被算术运算指令直接使用，增强了芯片的灵活性；二是指令存储在高速缓冲器 (，当执行此指令时，不需要 再从存储器中读取指令，节约了一个指令周期的时间。 水线 与哈佛结构相关， 片广泛采用流水线技术以减少指令执行时间，从而 14 增强了处理器的处理能力。 列处理器的流水线深度从 2不等。也就是说，处理器可以并行处理 2指令，每条指令处于流水线上的不同阶段。 例如，在三级流水线操作中，取指、译码和执行操作可以独立地处理，这可使指令执行能完全重叠。在每个指令周期内，三个不同的指令处于激活状态，每个指令处于不同的阶段。例如，在第（ N）个指令取指时，前一个指令即第（ 指令正 在译码，而第（ 指令则正在执行。一般来说，流水线对用户是透明的。 用的硬件乘法器 乘法速度越快， 片的性能就越高。在通用的微处理器中，乘法指令是由一系列加法来实现的，故需多个指令周期完成。相比而言， 片的特征就是有一个专用的硬件乘法器。乘法器能够执行无符号乘法（每个 16 操作数前面加 0），有符号乘法 (每个 16 位操作数都 和 符号位扩展成 17 位有符号数 )以及有符号数与无符号数相乘运算。 乘法器单元中的加法器还包括一个零检测器、舍入器以及溢出 /饱和逻辑电路。乘法器一个输入端的数据 来自 T 寄存器、累加器 A 的高 16 位、或 线传送过来的数据存储器操作数。另一个输入端的数据来自累加器 A 的高 16 位、由 线和 线传送过来的数据存储器操作数以及由 线传送过来的程序存储器操作数。乘法器的输出加到加法器的输入端，累加器 A 或 B 则是加法器的另一输入端，最后结果送往目的累加器 A 或 B。 速的指令周期 哈佛结构、流水线操作、专用的硬件乘法器、特殊的 令再加上集成电路的优化设计， 列处理器的指令周期已经从第一代的 200低至现在的 20下 (司新推出 的 列 令周期为 快速的指令周期使得 片适用于许多具有信号实时处理要求的领域。 心芯片 设计中使用的 片为 司的 16 位定点芯片 了用的结构特点以外，它还具有 11： 16K 16 位的片上 32K 16 位的片上双寻址 序代码的单指令循环和块循环操作，增强程序和数据管理的存储器块搬移指令，可以有 32 位长字的操作数的指令，条件存储指令，快速中断返回，并 行存储和加载的算术指令，拥有丰富的片上外设：软件可编程等待周期发生器（ 可编程分区转换逻辑电路（ 片上锁相环时钟发生器， 3 个多通道缓冲串行口（ 增强的 8 位并行主机接口（ 6 通 15 道的 制器。芯片也可在低功耗情况下工作。 图 3能框图 存储器空间可以分为 3 个可以单独选择的空间： 8M 字的程序空间，64K 数据空间和 64K I/O 空间。程序存储器空间存放要执行的指令和执行中所使用的系数表；数据存储器空间存放执行指令所需要的数 据； I/O 存储空间与存储器映像外围设备向接口，也可以作为附加的数据存储器空间使用。 过位于处理器工作方式状态寄存器中（ 3 个状态位可以方便地“使能”或“禁止”程序空间和数据空间的片内存储器。这 3 个状态位是： C 位（为0，则片内 排到程序空间；为 1，片内 安排到程序空间）， 0，则片内 排到程序和数据空间；为 1，则片内 安排到数据存储空间），和 （为 0，则部分片内 排到数据空间；为 1，则片内 安排到数据空间），具体的存储器映射如 图 3示。 16 图 3储器映射 17 图 3心系统 图 3 了芯片电源和地之外的电路连接图（芯片的电源和地的连接见附录），其中 23 根地址线， 16 根数据线。 / A/D 的忙信号，当 A/D 转换完成时，信号变低，连接到 （在 内部， 接到 ），使用中断方式控制数据的读操作。本 用的是 10M 的晶振，晶振的输出引脚连接 到 脚， 空。 ， 1， 0都连接到高电平，表示 动时的运行频率为 1/2 倍的 本设计中即运行在 5M 的时钟下），这是因为设计初期，首先验证功能的完整性，待到硬件功能测试完成之后，才花更多的精力考虑运行效率；同时，如果考虑到从 动程序时，刚开始的时候也应该降低 动时的运行频率，因为刚复位之后需要从外部 18 取启动代码到 运行，如果 行速度很快，而 读写速度比较慢，这样两者之间的速度的不匹配并不会让系统获得好的性能，反而有可能 导致程序的错误；应该等到启动代码完全运行起来之后，再更改 会让整个系统获得较为满意的性能。 /、 /，经过一定的逻辑变换以后作为外部存储器和 A/D 的片选信号。 C 也接到拨码开关上，可选择加载方式。还有 加上拉电阻。将定时器的输出信号 为 A/D 模块的时钟输入来定时采样，并使用了一个通用 为 块上模 拟温箱的通断控制信号。 源电路 本设计使用的电源电路是为 2提供的，同时也适合本设计使用的A/D 芯片 需要单一的模拟电压（ +5V）。 要两套供电电源，模拟（ 9V， +5V）和数字（ 5V），并且中间不能有干扰。模拟选择器3需要 5V 的电源。 5409 核心 11工作在 I/O 口工作在 源电路如图 3示： 图 3采集模块的电源电路 19 图中 总电源接口，有 12V， 5V 四种电压。将输 入 12V 和 +5V 电压，送到 为模数转换器核心的供电电源。其中 +12V 由 7805 变换后的 +512905变换后的 +5V 是数字部分的 +5V 输入电压，经 换成 为 心供电电源。同时，设有一个电源指示灯，当 电正常时， 亮，以帮助硬件调试。D 5V, A 5V,间用磁珠隔离，它们作为 电源。所以模拟地和数字地在设计时是分开的，通过磁珠将模拟地和数字地接在一起，如图中的 L。每个输出电压都应 该接有 100 10电解电容和 瓷片电容，以滤除高频干扰和电压不稳而引起的电源质量问题。 在整个设计中，所有的片选、和比较简单的逻辑功能都是由 编程逻辑器件 成 14。在本设计中引脚分配如图 3示： 图 3引脚分配图 的 烧写 口引脚。 2 的 片 选 信 号 ， 是对 20 作信号 ,对 操作信号。它们都由 、/、 /、 /一个 过逻辑组合后生成的。 的读写信号线，因为 要单独的读写信号，注意的是 R/W 只是指示方向，而 是真正的读写信号。串口 1 所有信号都接到 了，它们有两种用途，一种 是其中两信号 1连，构成 串口。另一种是它们中的 5 个信号 (排除 )用作 输出，控制 A,B,C,_口 2 的两信号 用作 ，作为 块的串行数据线和时钟信号。 号或 _们之一可和连，对 行复位。 在 块中作为74 74使能控 制。而 作 外部中断 0，它与 连。 定时器输出。 以和 连，作为 时钟。 自由脚，可以和其它的任何信号相连。 外部模块的片选信号，用于选通 块和温控模块。 温度信号经过温控模块上的传感器电路转换为电压信号后为模拟信号，还需要进一步的转换为适合 理和分析的数字信号， 一种高速逐次逼近式 A/D 转换器，具有 8 路输入，并行 12 位输出，内部带 准电压，转换时间最大只需 需要单 一 5V 电源 供电，使得系统控制更加简单。其封装形式为 32 脚的 中， 8 路模拟输入， 12 位数字输出， 2 为 8 路模拟输入的地址选择； 电源电压， 外接参考电压，若不用可接 耦电容各一个； 别为模拟地和数字地， 时钟输入（可以从 200 8忙指示输出， 别为片选信号、读信号和写信号。 图 3设计中的 A/D 转换电路原理图，与 用并行接口，由于 12 位并行输出， 8 位 须分两次才能读入。第一次读低 8 位，同时将高 4 位送入外部锁存；第二次通过三态缓冲器将高 4 位读入。模块上的孔对应于图中 脚，模块上的 孔分别对应于图中 脚， 孔分别为 74可通过跳线选择， 孔为两个模拟电压输出端，范围为 05V，通过电位器 现，电位器 考电压调节端。 21 图 3A/D 转换电路原 理图 图 3 时序图，其中图（ a）为启动与转换时序，图（ b）为转换结果输出时序，转换后的数据被输出到并行数据总线上， 可以进行输出电压信号的读操作。在 程时需要注意时序的匹配。 图 3序图 22 控模块电路 温度控制模块由温度信号采集电路、模拟温箱加热控制电路两部分组成。其中模拟温箱加热控制电路位于铁壳内， 其 上有 源接口。 本模块中温度信号的采集采用热敏电阻，其阻值随温度的升高而减小。经运放 换为 A/D 模块可以处理的电压信号。 其原理图如图 3示： 如图 3度采集电路 室温 (25 )时， 阻值为 10K。当温度上升到 140时，阻值降为几欧。我们假设在此范围内，阻值随温度的变化是线性的。第一级 电压信号放大，