微机原理课数据采集系统程设计.doc

微型计算机原理及接口技术课程设计 学院： 信息工程学院专业： 电子信息工程班级： 24030802学号： 姓名： 指导教师：李伟 1月 4日至 1 月 9日 共 1 周 指导教师（签字） 1、 设计指标 设计一个数据采集系统 基本要求：微型计算机最小系统 具有8路模拟输入 输入信号为0500mv 采用数码管8位，显示十进制结果 输入量与显示误差小于1% 中断方式2、 设计方案与论证 考虑本数据采集系统要求，该系统的功能框图如下放大电路 adc 0809cpu系统8088 pc总线 模拟输入 显示器 8255a8259a(1） ad转换器的选择1、根据ad转换器基本原理及特点，可以分为以下类型：积分型、逐次逼近型、并行比较型/串并行型、-调制型、电容阵列逐次比较型及压频变换型。1）积分型（如tlc7135） 积分型ad工作原理是将输入电压转换成时间(脉冲宽度信号)或频率(脉冲频率)，然后由定时器/计数器获得数字值。其优点是用简单电路就能获得高分辨率，但缺点是由于转换精度依赖于积分时间，因此转换速率极低。初期的单片ad转换器大多采用积分型，现在逐次比较型已逐步成为主流。2）逐次比较型（如adc0809）逐次比较型ad由一个比较器和da转换器通过逐次比较逻辑构成，从msb开始，顺序地对每一位将输入电压与内置da转换器输出进行比较，经n次比较而输出数字值。其电路规模属于中等。其优点是速度较高、功耗低，在低分辩率（12位）时价格很高。3）并行比较型/串并行比较型（如tlc5510）并行比较型ad采用多个比较器，仅作一次比较而实行转换，又称flash(快速)型。由于转换速率极高，n位的转换需要2n-1个比较器，因此电路规模也极大，价格也高，只适用于视频ad转换器等速度特别高的领域。串行比较型ad结构上介于并行型和逐次比较型之间，最典型的是由2个n/2位的并行型ad转换器配合da转换器组成，用两次比较实行转换，所以称为half flash(半快速)型。还有分成三步或多步实现ad转换的叫做分级（multistep/subrangling）型ad，而从转换时序角度又可称为流水线（pipelined）型ad，现代的分级型ad中还加入了对多次转换结果作数字运算而修正特性等功能。这类ad速度比逐次比较型高，电路规模比并行型小。4）-(sigma?/fontdelta)调制型（如ad7705） -型ad由积分器、比较器、1位da转换器和数字滤波器等组成。原理上近似于积分型，将输入电压转换成时间(脉冲宽度)信号，用数字滤波器处理后得到数字值。电路的数字部分基本上容易单片化，因此容易做到高分辨率。主要用于音频和测量。5）电容阵列逐次比较型 电容阵列逐次比较型ad在内置da转换器中采用电容矩阵方式，也可称为电荷再分配型。一般的电阻阵列da转换器中多数电阻的值必须一致，在单芯片上生成高精度的电阻并不容易。如果用电容阵列取代电阻阵列，可以用低廉成本制成高精度单片ad转换器。最近的逐次比较型ad转换器大多为电容阵列式的。6）压频变换型（如ad650）压频变换型（voltage-frequency converter）是通过间接转换方式实现模数转换的。其原理是首先将输入的模拟信号转换成频率，然后用计数器将频率转换成数字量。从理论上讲这种ad的分辨率几乎可以无限增加，只要采样的时间能够满足输出频率分辨率要求的累积脉冲个数的宽度。其优点是分辩率高、功耗低、价格低，但是需要外部计数电路共同完成ad转换。考虑到设计指标要求8路模拟输入，可采用的a/d转换器有多种如：ad574、adc0809、adc0804等，但是adc0809本身具有8路模拟输入端，不需要多路开关，考虑节省硬件开支故采用adc0809作为模数转换器。2、 adc0809的技术指标如下 ：（1）主要特性l 具有8路模拟输入，8位ad转换器；l 转换时间为100us；模拟输入电压范围0v+5v,不需要零点和满刻度校准；l 低功耗，约15mw。（2）内部结构 adc0809是cmos单片型逐次逼近式ad转换器，内部结构如图2所示，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8路开关树型d/a转换、逐次逼近型寄存器、三态输出锁存器等其它一些电路组成。因此，adc0809可处理8路模拟量输入，且有三态输出能力，既可与各种微处理器相连，也可单独工作。输入输出与ttl兼容。 图 图2adc0809内部结构图 图3 adc0809的引脚图3.外部引脚功能 1)与cpu相连的引脚 d0d7：8位数字量输出端。通常与cpu的数据线相连接。 start：ad转换启动信号，输入，高电平有效。 adda、addb、addc：地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路。 ale：地址锁存允许信号，输入、高电平有效。 oe：输出允许信号，输出、高电平有效。 eoc：ad转换结束信号，输出、高电平有效。 2)与外设相连的引脚in0 in7：8路模拟信号输入端。 3)其它引脚 clk：时钟脉冲输入端。 ref(+)、ref(-)：基准电压。般与微机接口时，ref(-)为0或-5v，ref(+)为+5v或0。（2） 中断控制器的选择 1）中断系统功能组成l 实现中断响应和中断返回当cpu收到中断请求后，能根据具体情况决定是否响应中断，如果cpu没有更急、更重要的工作，则在执行完当前指令后响应这一中断请求。 l 实现优先权排队通常，系统中有多个中断源，当有多个中断源同时发出中断请求时，要求计算机能确定哪个中断更紧迫，以便首先响应。为此，计算机给每个中断源规定了优先级别，称为优先权。这样，当多个中断源同时发出中断请求时，优先权高的中断能先被响应，只有优先权高的中断处理结束后才能响应优先权低的中断。计算机按中断源优先权高低逐次响应的过程称优先权排队，这个过程可通过硬件电路来实现，亦可通过软件查询来实现。 l 实现中断嵌套当cpu响应某一中断时，若有优先权高的中断源发出中断请求，则cpu能中断正在进行的中断服务程序，并保留这个程序的断点（类似于子程序嵌套），响应高级中断，高级中断处理结束以后，再继续进行被中断的中断服务程序，这个过程称为中断嵌套。2） 中断系统的组成 微处理器应有处理中断请求的机制与相关硬件电路：接收请求，响应请求，保护现场，转向中断服务程序，处理完返回。 外围应有一个与处理器匹配的中断控制器：管理多个中断源，优先级裁决，中断源屏蔽等功能。 2、本次设计中断控制器选用82591）可编程中断控制器8259功能、内部结构及外部引脚定义（1）可编程中断控制器8259功能和内部结构 l 中断请求寄存器（irr）：8位寄存器，可寄存储 8 个请求输入（ir0-ir7）的状态。 l 优先权裁决器：对请求源与正在被服务的中断级进行比较，裁决出优先级最高者。 l 中断服务寄存器（isr）：8位，与irr对应，记录正被处理的请求。irn被响应，isrn被置1；irn处理结束， isrn置0。 l 中断屏蔽寄存器（imr）：8位，某位置1对应irr位的请求被屏蔽。 l 控制逻辑：寄存8259的命令字，多种工作方式的控制，向处理器发int，接收。 l 级联缓冲器/比较器：多片8259级联时，对从片的标识码进行寄存与比较。 图4 8259a内部结构（2） 8259的外部引脚信号 图5 8259外部引脚图8259的主要引脚信号说明 l d7-d0：双向数据总线, 与系统数据总线连接。 l :片选信号,低电平有效，确定芯片在系统i/o空间位置。 l a0: 地址线,8259占相邻的2个i/o地址,与cs信号配合,a0=0选偶端口,a0=1选奇端口。 l cas2-cas0: 双向级联线。在主从级联结构中，主片输出，从片输入。主片发从片标识码，从片比较，符合时输出中断类型码。 l ：双向信号，低电平有效。输入时为sp，硬接线确定主从（主片sp接高电平）；输出时为en，作为db缓冲允许。 l int：中断请求，输出，与cpu的intr脚相连，向cpu发出中断请求。 l ：中断响应，低电平有效，输入，与8086/88相连。2) 8259a的工作方式 (1) 优先级方式选择 a)全嵌套方式：固定优先级,ir0最高,ir7最低。 b)特殊全嵌套:与a)基本相同,响应同级中断请求 c)优先级自动循环：某级被响应后，降为最低。如ir4被响应后，优先级顺序变为： ir5,ir6,ir7,ir0,ir1,ir2,ir3,ir4。 d)优先级特殊循环方式：编程指定最低优先级，其它同c)。 (2)屏蔽中断方式选择 a)普通屏蔽方式选择：对应imr为1的位中断请求将被屏蔽。 例如：imr=00001100，则ir2、ir3的中断请求被禁止。 b）特殊屏蔽方式: 执行中断程序时,动态改变优先级结构,屏蔽本级,允许较低级请求被服务。 (3)中断结束方式：isrn被清0，中断结束。 a)自动结束方式：8259收到后自动把中断在服务寄存器isrn位清0（适用于单片8259和中断无嵌套的情况）。 b)一般结束方式：8086发命令清除中断在服务寄存器isr中的最高的置1位清0，结束中断（在全嵌套方式下使用）。 c)特殊结束方式：编程向8259发出一条特殊中断结束命令，将中断在服务寄存器isr中指定位清0（在非全嵌套方式下使用）。 (4)中断请求信号触发方式选择 a）边沿触发方式。8259的ir0-ir7输入端出现低电平到高电平的正跳变信号，表示有中断请求。出现正跳变信号后，允许高电平保持。 b）电平触发信号。 8259的ir0-ir7输入端出现高电平信号时，表示有中断请求。该请求信号必须在中断服务程序中的中断结束命令执行前予以撤消，否则会引起不应有的第二次中断。 3） 8259的命令字 8259工作方式设定及运行中的控制，均由8086发来的命令字(1字节代码)决定。命令字分初始化命令字和操作命令字两种，系统向8259两个端口之一写入。8259根据接收命令字的端口号，特征位及顺序决定命令字的属性。 (1)初始化命令字(word,icw) icw1-icw4四个初始化命令字,有接收顺序要求。 8259初始化流程如下 ：（a）icw1的格式与定义：芯片控制 ltim=1中断请求电平触发, ltim=0中断请求边沿触发。 sngl=1单片8259系统，sngl=0多片8259系统。 ad1在8088/8086系统中不起作用。 ic4在8088/8086系统中恒为1。 （b）icw2的格式和定义：中断类型码设定 icw2用来指定8259的8个中断请求ir7-ir0的中断类型码。其中t7-t3由程序写入，最低3位（d2-d0）根据当前正在响应的中断请求irn的n值自动填入。 例如：若icw2为40h，则ir0-ir7所对应的中断类型码为40h。41h，42h，43h，44h，45h，46h，47h。 （c）icw3的格式和定义：在多片8259系统中，其格式和含义依主片、从片而定。 主片的格式： 若主片的ir0-ir7的某个引脚上连接从片8259，则icw3的该位为1。 从片的格式： id2-id0的值取决于本从式的int输出端连接到主片ir哪个输入端。例如，连接到ir7，则 id2id1id0=111 从片的cas2-cas0接收从主片8259发来的编码，并与本身的icw3中的id2-id0比较，若相等，则在中断响应过程中，将自己的中断类型码送cpu。 （d）icw4的格式和定义：工作方式设定 sfnm=1特殊全嵌套、sfnm=0非特殊全嵌套。 aeoi=1中断自动结束、aeoi=0一般中断结束。 buf=0，db无缓冲，用作；buf=1，db有缓冲，主从片软件定。 （当buf=1时），m/s=1为主片、m/b=0为从片。 pm=1，8086系统； pm=0，8085系统。 （三）并行接口选择本次设计采用8255作为并行接口，8255外部引脚如图6图6 8255外部引脚1、8255的主要性能参数为（1）共有4个端口：a口连 8位并行pa口线b口连 8位并行pb口线c口连 8位并行pc口线控制端口 （2） 三种工作方式。 （3）可提供中断和查询数据传输方式。 （4）可直接与系统总线相连。2、 内部组成及引脚功能如图7 图 7 8255a 内部结构（1）与cpu接口部分 缓冲器：8位双向三态缓冲器。 读写逻辑：对a口、b口、c口读/写控制，对控制口写控制字。（2）与外设接口部分 a口：8位输出锁存、8位输入缓冲。b口：8位输出锁存、8位输入缓冲。c口：8位输出锁存、8位输入缓冲。（3）引脚功能 cpu与8255交换数据引脚l reset:复位输入线，当该输入端外于高电平时，所有内部寄存器（包括控制寄存器）均被清除，所有i/o口均被置成输入方式。l d0d7:三态双向数据总线，8255与cpu数据传送的通道，当cpu 执行输入输出指令时，通过它实现位数据的读/写操作，控制字和状态信息也通过数据总线传送。l cs:片选信号线，当这个输入引脚为低电平时，表示芯片被选中，允许8255与cpu进行通讯。l rd:读信号线，当这个输入引脚为低电平时，允许8255通过数据总线向cpu发送数据或状态信息，即cpu从8255读取信息或数据。l wr:写入信号，当这个输入引脚为低电平时，允许cpu将数据或控制字写入8255。a0、a1：内部寄存器寻址。a1 a0 0 0 读写a口 0 1 读写b口 1 0 读写c口 1 1 写控制寄存器 与i/o设备交换数据引脚l pa0pa7：a口的8位输入/输出线。l pb0pb7：b口的8位输入/输出线。l pc0pc7：有如下用途：作为8位输入/输出线；作为两个4位输入/输出线：pc0pc3、pc4pc7;可对每一位实现按位“置位”或“复位”控制;作为8255的状态口;专用联络信号线。3、 工作方式控制字 8255有三种工作方式：方式0、方式1、方式2。两组端口可分别指定不同的工作方式。每组端口在某种工作方式下，并不要求各信号同为输入或同为输出，而是可以分别指定。方式选择控制字的格式如图8所示图8 8255方式选择控制字4、 pc口控制字 pc口的各信号线常作为控制线来使用，因此，经常需要单独对每根信号线置1或置0。这种操作用向pc口控制字寄存器送出pc口控制字来实现。 pc口控制字格式如图9所示。 图9 pc口控制字(4) led驱动器的选择 在一般的工业控制系统和单片机开发系统中,利用l ed 对数字量的显示是非常普遍的。因为数字量显示和模拟量显示相比较, 具有直观、明了等优点,特别是在集成电路和计算机技术高速发展的今天, 模拟量数字化已成为一种趋势。而合理的选用l ed 的驱动电路则是一个非常重要的环节。下面介绍一种具有记忆功能、能够同时驱动八位l ed 的集成芯片。本设计选用icm7218，其管脚图下： 1 28255 201014 15cebdpid6id5id7writemode id4 id1 id0 id2id3vssagdfdigit3digit4digit7digit8vdddigit6digit5digit2digit1icm 7218 图10 icm7218芯片管脚图1、 icm7218的主要性能(1) 可同时驱动8 位l ed 数码管;(2) 单+ 5v 供电,电压降到2v 时数据不丢失;(3) 无需外加限流电阻和时钟;(4) 编程容易,占用微处理器时间少;(5) 有低功耗工作状态,功耗仅10a 左右;(6) 体积小,不发热。2、icm7218的工作原理名称引脚号功能说明seg a-seg g1618，2023七段驱动输出digiti-digit814，2427八位位选择输出id0-id757，1014八位位数据接口输入wr8数据写入控制管脚mode9区分显示数据、控制字管脚d.p15小数点显示管脚vcc19+5v电源gnd28地 icm7218 用于16 进制/ 10 进制显示模式, 其内部有一个8 8 静态ram ,存放8 位l ed 显示数据。在计数器的控制下, 显示数据和相应的位信号依次出现在输出口上, 驱动l ed 数码管显示。显示数据命令和显示控制字命令是靠mode 端口区别的。综上所述,该器件在显示方式上仍然是循环扫描式的, 但该器件由于内部具有ram , 只需要写入显示命令和显示数据, 就不需要外界的介入, 因此, 它特别适用于对数据等要做较多处理, 而希望显示对系统的总体开销占用较小的情况。下面是icm7218的引脚说明 表1 icm7218芯片的引脚说明 icm7218芯片具有典型的8位并行数据接口，显示数据和控制字都是通过8位数据接口输入的。 当mode=1时，送入控制字；当mode=0时，送入显示数据，当要更改显示数据时，首先写入控制字节，接着写入8个要显示的数据即可。 icm7218芯片有两种译码方式：16进制译码和bcd译码，有控制字决定，下表是两种不同译码方式：id3id2id1id0十六进制bcd0000000001110010220011330100440101550110660111771000881001991010a-1011be1100ch1101dl1110ep1111f全黑 表2 icm7218芯片译码方法（5） led（light emitting diode）显示器 （七段数码管）数码管是一种半导体发光器件，其基本单元是发光二极管。 【数码管的分类】 数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元（多一个小数点显示）； 按能显示多少个“8”可分为1位、2位、4位等等数码管; 按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极(com)的数码管。共阳数码管在应用时应将公共极com接到+5v，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极(com)的数码管。共阴数码管在应用时应将公共极com接到地线gnd上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。 图11 （a）共阳极 （b）共阴极 七段led引脚如下： 图12 led引脚图 因为数码管有共阳极和共阴极之分，所以它们的显示字符段码也不一样。7段led显示器字符段码表如下： 字符共阳极段码共阴极段码 字符 共阳极段码共阴极段码 0 c0h 3fh 9 98h 67h 1 f9h 06h a 88h 77h 2 a4h 5bh b 83h 7ch 3 b0h 4fh c c6h 39h 4 99h 66h d a1h 5eh 5 92h 6dh e 86h 79h 6 82h 7dh f 8eh 71h 7 f8h 07h . 7fh 80h 8 80h 7fh 8 00h ffh 表4 7段led显示器字符段码表 从上表可以看出，对同一个显示字符，共阳极与共阴极的段码互为反码。原因是在共阴极电路中，当各端输入端为逻辑1时，对应的led点亮；而在共阳极电路中则正好相反，各端输入端为逻辑0时，对应led才发亮。3、 硬件电路连接 图13 硬件连接图四、软件编程 图14 （a）中断服务流程 （b）主程序服务流程代码及说明主程序：*寄存器定义*status equ 03h ;定义状态寄存器地址portb equ 06h ;定义端口b的数据寄存器地址portc equ 07h ;定义端口c的数据寄存器地址trisb equ 86h ;定义端口b的方向寄存器trisc equ 87h ;定义端口c的方向寄存器pcl equ 02h ;定义程序指针寄存器*变量声明*count equ 20h ;定义led的计数值*常量声明*rp1 equ 06h ;定义状态寄存器中的页选位rp1rp0 equ 05h ;定义状态寄存器中的页选位rp0z equ 02h ;定义状态寄存器中0标志位zwr_ equ 00h ;定义portb的第0位mode equ 00h ;定义portb的第1位* org 000h *主程序开始*main*初始化* bcf status,rp1 ;转到体1 bsf status,rp0 mov lw 00h mov wf trisc ;设置端口c为输出 mov wf trisb ;设置端口b为输出 bcf status,rp1 ;转到体0 bcf status,rp0 bsf portb,wr_*初始化结束*begin bsf portb,mode ;工作在写控制字模式 mov lw 0ffh ;将ffh传到w mov wf portb bcf portb,wr_ ;写入到icm7218a中 bsf portb,wr_ bcf portb,mode ;工作在写显示数据模式 mov lw 00h mov wf count ;将led计数值设为0begin1 mov f count,0 ;开始送显示数据mov wf portc ;将数据输出到portcbcf portb,wr_ ;写入到icm7218a中bsf portb,wr_ incf count,1 ;计数值加1mov lw 08hxor wf count,0 ;count和08h异或btfss status,z ;如果z为1，则count和0ah相同 goto begin1loop goto loop ;8个显示数据发送完毕;*主程序结束* end 各通道采集数据平均值存储单元分配in0in7 分别对应6008060087hin1: 60010h6001fhin2: 60020h6002fhin3: 60030h6003fhin4: 60040h6004fhin5: 60050h6005fhin6: 60060h6006fhin7: 60070h6007fh 各通道界限值存储单元分配in0: 下限值x0min占用60088hin0: 上限值x0max占用60089hin1in7的上限值分别保存在6008a60090h单元 五、误差分析由于数据采集系统的中的元器件很多，从数据采集，信号处理，模数转换，直至信号输出，经过许多环节，其中既有模拟电路，又有数字电路，各种误差源很复杂，归纳起来数据采集系统的误差主要包括模拟电路误差、采样误差和转换误差。（一）模拟电路误差 1、 模拟开关导通电阻 ron 的误差 2、 多路模拟开关泄漏电流 is 引起的误差 3、 采样保持器衰减率引起的误差 4、 放大器的误差 （二）采样误差 1、 采样频率引起的误差 2、 系统的通过速率与采样误差 （三） a/d 转换器的误差 a/d 转换器是数据采集系统中的重要部件，它的性能指标对整个系统起着至关重要的作用，也是系统中的重要误差源。选择 a/d 转换器时，必须从精度和速度两方面考虑，选用 a/d 转换器要考虑它的位数、速度及输出接口。 1、a/d 转换器的静态误差 1） 量化误差 2） 失调误差 3） 增益误差 4) 非线性误差 2、 a/d 转换器的速度对误差的影响 a/d 转换器速度用转换时间来表示。在数据采集系统的通过速率（吞吐时间）中， a/d 转换器的转换时间占有相当大的比重。选用 a/d 转换器时必须考虑到转换时间满足系统通过率的要求，否则会产生较大的采样误差。 a/d 转换器接转换速度可分为高速、快速和低速三类。高速 a/d 转换器的转换时间小于 1us ，快速的转换时间为 1100us ，低速的在 100us 以上（四）d/a转换器的误差同a/d转换器一样d/a转换器误差控制要从精度和转换速率两方面考虑。1、 转换精度：dac的转换精度与da转换芯片的结构、外部电路器件配置和电源误差有关。当这些因素造成较大的da转换误差，并超过一定程度时，da转换就会产生错误。如果不考虑da转换的误差，dac转换精度就是分辨率的大小，因此，要获得高精度的da转换结果，首先要选择有足够高分辨率的dac。 da转换精度分为绝对和相对转换精度，一般是用误差大小表示。dac的转换误差包括零点误差、漂移误差、增益误差、噪声和线性误差、微分线性误差等综合误差。绝对转换精度是指满剑度数字量输入bj，模拟量输出接近理论值的程度。它和标准电源的精度、权电阻的精度有关。相对转换精度指在满刻度已经校准的前提下，整个刻度范围内，对应任一模拟量的输出与它的理论值之差。它反映了dac的线性度。通常，相对转换精度比绝对转换精度更有实用性。相对转换精度一般用绝对转换精度相对于满量程输出的百分数