基于公用电话网的远程监控系统.doc

哈尔滨理工大学学士学位论文基于公用电话网的远程监测系统设计摘 要本文阐述了基于公用电话网的空气质量参数远程监测系统的下位机设计方法及其软硬件的实现过程。该系统利用成熟的单片机技术，以微控制器AT89S8252作为主要控制器件，并通过扩展相关的外围电路以及采用模块化的软件设计完成了能在远程无人职守的情况下工作的空气质量参数监测系统。该系统硬件主要包括CPU模块、数据采集模块、液晶显示模块、MODEM通信模块和程序下载等几个模块。CPU模块主要由微控制器AT89S8252构成主控器件，完成对整个系统的控制作用。数据采集模块主要功能是将两路模拟输入信号转换成数字信号，由于使用了功能强大的AD7705转换芯片，使得该模块还具有滤波功能，滤除工频噪声的干扰。液晶显示模块主要是将A/D转换后的数据显示出来，以便观察。MODEM通信模块的主要功能是将采集到的数据通过RS-232C串行通信传送给上位机。程序下载模块采用了灵活、方便的ISP编程模式，能将调试好的程序方便、快捷的下载到单片机的FLASH程序存储器中，也为系统的在线升级提供了方便。该系统的软件主要由主模块、数据采集模块、显示模块及通信模块等几个部分组成，主模块为核心，管理其他3个子模块。另外在主模块和通信模块中，在适当的位置插入软件看门狗模块来监视系统的运行状态，以防通信死锁等意外情况导致下位机瘫痪，实现下位机在软故障条件下的自恢复。设计完成的系统可以对空气中的两路模拟量(即二氧化硫和二氧化氮)进行自动监测。关键词：公用电话网；空气质量参数；远程监测； 数据采集；下位机The Design of Remote Monitoring System Based on PSTNAbstractThis paper elaborates the design method of the lower position computer of air quality parameter monitoring system based on PSTN and its software and hardware realization. This system, which works under the remote nobody-watch condition, uses well-rounded MCU technology and takes micro-controller AT89S8252 chip as the primary controller with the expansion of related peripheral circuits and adopting the software design of modulization.The system mainly includes the CPU module, data acquisition module, LCD module, MODEM communication module and program downloading module, etc.The CPU module mainly uses the micro-controller AT89S8252 to consist of the host control device in order to perform the whole system control action.The main function of the data acquisition module is to convert two channels analog inputs into digital signals. The use of the powerful AD7705 transformation chip enables this module to have the filter function which can filter the industrial frequency noise.The main function of the LCD module is to display the result data of A/D converter, which can be easily observed.The main function of the MODEM communication module is to transmit the acquired data to the upper computer by the serial communication of RS-232C.The flexible and convenient ISP programming pattern is adopted in the program downloading module, which can conveniently and quickly download the debugged program to MCUs FLASH program memory, and is also convenient for the system to update on-line.The software of the system is mainly composed of main module, data acquisition module, display module and communication module, etc. The core module of the system is the main module which manages the other three sub-modules. In order to avoid the communication deadlock and other contingencies which lead to break down the lower computer and achieving auto-recovery in the software failure, moreover, a software watch dog module is inserted to monitor the running conditions of the system in the main module and the communication module in suitable sitesThe completed system can automatically monitor two analog parameters (include SO2 and NO2) in air.Keywords: PSTN; Air quality parameter; Remote monitoring; Data acquisition; Lower computer不要删除行尾的分节符，此行不会被打印- II -目录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.2 课题研究的意义及主要内容11.3 课题研究所采用的技术路线2第2章 系统下位机的总体结构32.1 基于公用电话网的远程监测系统总体结构框图32.2 下位机的硬件框架及器件选择42.2.1 下位机的硬件框架42.2.2 器件选择原则42.3 本章小结5第3章 系统下位机的硬件设计73.1 CPU模块设计73.2 时钟电路设计83.3 人机界面设计93.3.1 概述93.3.2 接口信号说明103.3.3 读写操作时序和RAM地址映射图113.3.4 液晶显示模块接口电路设计113.4 模拟量输入通道和开关量输入通道设计133.4.1 AD7705概述133.4.2 AD7705接口电路设计153.5 MODEM通信接口设计163.5.1 通信接口设计163.5.2 多机通信173.6 程序下载模块接口设计183.6.1 AT89S8252单片机并行编程183.6.2 AT89S8252单片机串行编程203.6.3 复位电路设计213.6.4 电源设计223.7 本章小结22第4章 远程监测系统下位机的软件设计234.1 下位机系统软件设计的重点234.2 下位机的软件框架234.3 软件主模块设计244.3.1 主模块设计考虑因素及程序流程图244.3.2 基于ASM51汇编语言的主模块设计244.3.3 采用字符点阵液晶模块的显示模块设计284.3.4 基于AD7705的数据采集模块程序设计294.3.5 MODEM通信模块程序设计324.3.6 基于软硬件看门狗的容错性设计344.4 本章小结35结论36致谢37参考文献38附录A 39附录B 55附录C 66千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”，然后“更新整个目录”。打印前，不要忘记把上面“Abstract”这一行后加一空行- IV -第1章 绪论1.1 课题背景自20世纪以来，随着微电子技术、通信技术和网络技术的飞速发展，远程检测技术和远程控制技术得到了广泛的应用。例如：大型设备的故障远程诊断，典型的如席梦思床垫衍缝机远程故障诊断系统；无人职守设备的状态远程监测，典型的如移动通讯基站电源的电压、电流及环境温度等参数的远程监测系统；远程控制，如工业废水的集污及排污控制系统；远程智能家电，如具有远程控制能力的空调，可以通过电话或因特网远程控制空调的开启与关闭、设定温度等。空气质量参数远程监测系统的实现正是基于以上技术的不断发展而发展起来的。空气质量远程监测系统是一套以智能仪器为核心的自动远程监测系统。空气质量的自动监测系统一般采用湿法和干法两种方式来实现。湿法的测量原理是库仑法和电导法等，需要大量试剂，存在试剂调整和废液处理等问题，操作繁琐、故障率高、维护量大，该法在日本应用较广，但自1996年起，日本在法定的测量方法中增加了干式测量原理，湿法现已处于淘汰阶段。干法基于物理光学测量原理，使样品始终保持在气体状态，没有试剂的损耗，维护量较小，干法以欧美国家为主，代表了目前的发展趋势。近年来，美国、法国等欧美国家均研制成功了基于常规光源的长光程吸收光谱仪器，并相继用于城市大气污染的常规监测中。例如法国ESA公司推出的典型的SANON长光程测控系统，其特点是采用RS-232串行接口将每台仪器的所有数据通过MODEM用电话线与中心站计算机系统相连，随机配套的通讯软件可通过仿真数据采集器和仪器操作面板实现对子站的远程控制和诊断，与干法仪器设备组合可组成长光程与干法共存的混合系统，其特点是能在长光程主机故障时不影响其它参数的测量。我国在二十世纪七十年代后期由北京分析仪器厂、沈阳分析仪器厂等厂家推出了一批库仑式湿法仪器；到了二十世纪八十年代中期，北京分析仪器厂又引进了美国MONITOR公司的88系列干法仪器的生产技术，随着该系列仪器的过时和淘汰，目前已无厂家生产：进入二十一世纪后，沈阳东宇公司引进美国DASIBI公司的生产技术，开始组装基于干法的空气质量自动监测系统；河北先河公司则自主研制成功基于干法的空气质量自动监测系统，但这仍处于起步阶段，系统的各项性能指标还有待于进一步的提高和完善。1.2 课题研究的意义及主要内容随着社会经济的快速发展和工业化水平的提高，我们在创造经济价值的同时也产生了不同程度的环境污染，面对日益严峻的大气污染，对大气质量及变化趋势进行实时、准确的大量监测，对污染源及其治理进行监督监测，是全国环境保护工作中最艰难的任务之一。目前，我国许多城市都在开展环境空气质量日报或预报工作，开展这一工作的基本条件之一是必须建立环境空气质量自动监测系统。由于国内目前的研发水平和能力有限，空气质不方便，往往与我国的具体实际情况结合不够，尤其是在系统结构、数据采集、远程控制与诊断方面同我们的实际要求相差较远。为此本文将针对国内的实际情况，给出一个适合我国当前需要且适用的空气质量自动监测系统的设计方案及该系统下位机的具体实现过程。目前空气质量监测污染物有三项，即二氧化硫、二氧化氮和可吸入颗粒物(飘尘)。因此本文的目的是研制出一套可以自动测量空气中二氧化硫和二氧化氮含量的空气质量参数监测系统，其下位机设计所包含的主要内容是：1 完成对二氧化硫和二氧化氮含量的测量；2 具有自检、自动稳零等功能，以实现远程无人职守；3 自动应答上位机呼叫并上传数据；4 上、下位机远程通信方式的研究。本系统硬件设计的关键是通信接口电路、模拟信号采样电路及满足无人职守要求的下位机控制电路的设计；软件设计的重点在于1)通信接口程序，关键是软件握手信号的处理；2)模拟/数字转换接口程序；3)主模块框架的构建；4)适应无人职守的系统可靠性设计。1.3 课题研究所采用的技术路线根据上述设计要求，结合实际情况，对空气质量参数的远程监测系统采取如下所述的研究方法和技术路线：本系统是以智能仪器为核心的自动监测系统，因此其整体性能的好坏在很大程度上取决于CPU的先进性和灵活性。随着半导体、单片机技术的发展，陆续出现了不少增强型的CPU，高档的单片机层出不穷，特别是随着微电子技术和超大规模集成电路技术的发展，单片微型计算机以其体积小、性价比高、功能强、可靠性高等独特的特点，在各个领域(如工业控制、家电产品、智能仪器仪表等)得到了广泛的应用，相关技术也越来越成熟。基于以上原因，本系统采用成熟的单片机技术组成智能仪器的主控系统，围绕主控系统扩展相应的外围电路，以完成硬件设计要求，然后再编制与硬件电路相对应的软件程序1。第2章 系统下位机的总体结构2.1 基于公用电话网的远程监测系统总体结构框图本远程监测系统实际上是空气质量参数的远程测量，被测参数包括SO2 和NO2 两路模拟量及四路开关量，要求能按定时和随机两种方式完成上述参数的测量并传送至上位系统；上、下位系统的距离应不受限制；系统具有自我恢复能力，真正实现远程无人职守。根据空气质量远程监测系统的设计要求，整个监测系统采用上、下位主从结构设计，上位机为主叫方，下位机为被叫方。上位机通过与下位机进行远程通信获取各下位机(子站)采集到的空气质量数据，然后根据国家环保总局有关空气质量检测的要求编制周报、时报等；下位机则分布在各检测点，负责采集空气质量数据。本系统在多机通信过程中为下位机，需要完成对被测参数包括SO2和NO2 的两路模拟量及四路开关量的采集，并且能按定时和随机两种方式完成上述参数的测量并传送至上位机系统。由于被测参数的变化缓慢，对实时性要求不是很苛刻，因此采用PSTN形式实现远程呼叫和数据通信。在远程监测系统中，通常是采用上下位的拓扑结构，而且下位机经常为无人职守形式，因此下位机的可靠运行就显得十分重要，这就对上下位机的可靠、安全通信提出了较高的要求。远程监测系统中的通信采用的物理链路有：1)现场总线形式，如CAN, RS-422/485等；2 ) Internet形式；3 ) PSTN(公用电话网)形式。其中，现场总线形式受通信距离的约束，其远程能力有限，例如CAN总线的直接通信距离最大为10km (当速率在5kbps以下时)；Internet形式虽在距离上不受限制，但对硬件和软件的要求较高，而采用无线方式，可靠性不高且受到环境和距离的限制。因此，从目前的技术条件及通信距离、实时性、可靠性和安全性等诸多方面的综合考虑，利用现有的公用电话网，采用单片机驱动MODEM传输数据不失为一种有效的方法。本系统就是基于以上所述的PSTN形式来设计的，其拓扑结构如图2-1所示2。图2-1 基于公用电话网的远程监测系统2.2 下位机的硬件框架及器件选择2.2.1 下位机的硬件框架本系统硬件设计的关键是基于PSTN通信接口电路、模拟信号采样电路及满足无人职守要求控制电路。按照功能规划和系统设计要求，确定本系统的硬件框架。如图2-2硬件系统框图所示：图2-2 硬件系统框图2.2.2 器件选择原则器件的选型应遵循两个原则：首先是器件的性能要满足整个系统的要求；其次是在满足性能的基础上要尽可能低的降低成本。考虑成本时不能单纯地只考虑器件的价格，还要考虑印刷电路板的加工成本、器件的加工成本以及整个系统的维护成本。空气质量参数的远程监测系统的主要器件包括MCU, A/D转换器、液晶显示器以及通信器件。作为整个系统的主控芯片，MCU的选择对整个系统其它部分的选择有很大的影响。目前市场上的MCU种类繁多，从总线宽度来说，有8位机、16位机和32位机，并且每一种MCU又具有很多不同功能的型号。就本系统而言，所选择的MCU主要考虑的是存储器的大小、类型以及是否具有ISP(在系统编程)功能。存储器的大小应足够大，这样就不需要进行存储器扩展，有利于提高系统的稳定性。此外，由于空气质量监测系统的某些需求还不确定，为了以后在使用中升级方便，因此选用具有ISP功能和带FLASH程序存储器的MCU是很有必要的。在众多的单片机中，Atmel 公司的AT89S8252就能够很好地满足以上要求，而且它内部还含有看门狗定时器(WDT )，能满足系统无人职守条件下自恢复运行和监视系统运行状态的要求，这样可以节省不必要的外围电路开销，给系统设计带来了很大的方便。在图中，微处理器采用AT89S8252，是基于以下原因：1. 内部含有看门狗定时器(WDT)，能满足系统无人职守条件下自恢复运行和监视系统运行状态的要求；2. 片内带8KB 的FLASH 程序存储器和2KB 的EEPROM 数据存储器，不需要进行存储器扩展，有利于提高系统的稳定性；3. 电源电压范围宽，4.06.0V 的工作电压，能在一定程度上抵御电源波动干扰，降低对电源的要求，有利于远程控制的实现。由于系统的显示量大，同时从实现的方便性和经济性考虑，采用162字符液晶模块作为显示界面，同时降低系统功率消耗，满足系统长期连续不间断工作的条件。系统电源要同时对MODEM 和主控系统所有模块进行供电，外置有线MODEM 的供电电压一般为+9V ，系统主控线路和所有外围模块的电源电压采用+5V 。前者采用抗过压、过流的线性电源，既满足系统野外工作的高可靠性要求和模拟电路对电源纹波的要求，同时又满足有线MODEM 抗雷击的要求。由于9V 与5V 两者的压差为4V ，因此完全可以采用ST7805 简单地从+9V 得到+5V ，需要引起重视的是，必须为该芯片提供充足的散热条件保证连续工作需要。模数转换芯片在选择上主要考虑以下几个方面；1. 转换精度要求；2. 转换速度要求；3. 接口方式；4. 性价比。由于本系统涉及到两个被采集参数(非电量)的调整放大和数字化，并且需采集的参数变化缓慢，对转换速度要求不高，采样周期也没有特殊要求，因此选用了AD公司的AD7705模数转换接口芯片。该器件具有高分辨率、宽动态范围、自校准、优良的抗噪声性能，以及低电压、低功耗等优点。在数据显示方面，由于系统的显示量大，同时从实现方便性和经济性考虑，因此采用了162字符液晶模块作为显示界面，同时降低了系统功率消耗，满足系统长期连续不间断工作的要求。远程监测系统的关键模块是通信模块，基于PSTN远程系统的关键则是调制解调器（MODEM)通信接口模块。因此本系统选择了MAXIM公司生产的性能很好的MAX232A专用串行通信芯片，确保上位机和下位机能够顺利地以RS-232C方式进行通信3。2.3 本章小结本章对基于公用电话网的远程监测系统下位机设计进行了总体的描述。介绍了整个系统的拓扑结构，下位机的硬件框架及器件选择。选用具有ISP功能和带FLASH程序存储器的AT89S8252，它内部还含有看门狗定时器(WDT )，可以节省不必要的外围电路开销，给系统设计带来了很大的方便。通信模块选择了MAXIM公司生产的性能很好的MAX232A专用串行通信芯片，确保上位机和下位机能够顺利地进行通信。第3章 系统下位机的硬件设计3.1 CPU模块设计AT89S8252是Atmel公司推出的具有ISP功能的8位CMOS单片机，性能高、功耗低。它使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，具有可串行下载的8KB的FLASH程序存储器和2KB的E2PROM数据存储器，与工业标准80C51指令集和引脚完全兼容，可通过SPI串行接口对片内存储器进行在系统编程。该器件的电源电压范围宽，4.0V6.0V的工作电压，能在一定程度上抵御电源的波动干扰，降低对电源的要求，有利于远程控制的实现。在本系统的设计中，由于采用了功能强大的微控制器AT89S8252，使得外围电路的设计变得简单，没有使用专门的译码电路，因为微控制器的I/O口线较充裕，因此直接用微控制器的I/O口对外围器件的片选和其他信号线进行控制。这样既减少了系统的不稳定性风险，提高了系统的可靠性，又减小了整个系统的体积、节约了成本4。基于微处理器的模块电路如图3-1所示。图3-1 CPU模块电路图在图中，为了适应LCD 液晶模块的接口需要，在P0 数据地址复用总线口上扩展了U3(74HC373) 作为低八位地址锁存器，产生LCD 模块读写所需驱动信号的输入信号A0、A1 。这是一种常规的LCD 模块接口设计方案，但从系统的性价比考虑，U3 显然有点过于浪费。可以将U3 去掉，而直接将P20、P21 作为产生LCD 模块读写所需驱动信号的输入信号A0、A1 这也是一种可行方案，只是液晶模块的接口地址不同而已。本系统采用的是前一种方案，如果采用第二种方案，则需要重新计算接口地址。图中LCDIN 为液晶模块地址选择口线。系统采用MAX813L 实现复位需要，由S1 实现手动复位（主要用于调试期间的复位）。由此实现的复位电路具有电源电压监测能力，即当电源电压低于4.65V 时产生高电平复位信号，同时也具有上电复位能力。由于AT89S8252 内部含WDT ，并不需要额外的喂狗信号；从减少口线占用考虑，放弃使用MAX813L 内含的WDT 。在图中，CZ2 为四路开关量输入口，CZ8 为功能扩展预留口。从图可知，系统的主频为6MHz，一方面保证满足系统对时间的要求，同时也考虑了可靠性的要求，即适当降低速度以提高抗干扰能力。图中ADSCK、ADIO及ADRDY 为模数转换接口信号；MODEM 作为MODEM 电源控制信号；LED 为系统指示灯控制信号5。3.2 时钟电路设计AT89S8252既可以使用片内的时钟振荡器，也可以使用外部时钟源。在单片机芯片内部有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外晶体或者陶瓷振荡器一起构成了一个自激振荡器。这种接法也就是使用CPU的内部时钟方式。具体电路如图3-2所示。外部时钟晶体以及电容构成了并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中，这时内部振荡器便自激振荡，可以用示波器观察到XTAL2引脚输出的正弦波。对外接电容的值没有严格的要求，但电容的大小会影响振荡器频率的高低、振荡器的稳定性和起振的快速性。外接晶体时，电容值常选为30pF左右；外接陶瓷谐振器时，电容值可选为47pF。在设计印刷电路板时，晶体或者陶瓷谐振器和电容应尽可能安装的与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，更好地保证振荡器稳定可靠地工作。晶体可在1.2 12MHz之间任选，电容可以在5pF 60pF之间任选。电容的大小对振荡频率有微调作用。本系统选用的谐振回路电容大小为30pF。不管是使用片内的时钟振荡器，还是使用外部时钟源，AT89S8252的时钟频率工作范围均为0 24MHz。由于AT89S8252的内核是全静态设计的，所以内核的工作频率可以降低到直流。在晶体振荡器的选择上，晶体振荡频率越高，则系统的时钟频率也高，单片机运算速度也就快;但反过来，运行速度快，对存储器的速度要求就高，对印刷电路板的工艺要求也高。因此在本系统中，晶体振荡器选用6MHz，一方面保证满足系统对时间的要求，同时也考虑了可靠性的要求，即适当降低速度以提高抗干扰能力6。图3-2 系统的时钟电路3.3 人机界面设计3.3.1 概述本系统中人机界面主要是显示界面，因为是远程控制系统，因此下位机没有设计按键按钮电路。显示界面采用的是长沙太阳人电子有限公司推出的HD44780兼容的162液晶显示模块SMC 1602。它是字符式8位并行接口、内藏控制器HD44780的背光式两行液晶显示模块。该模块由一块57点阵液晶屏和控制芯片HD44780及其辅助电路组成。它可以显示字母、数字、符号等，显示容量为162个字符，芯片工作电压为 4.5V-5.5 V，工作电流为2mA (5V)，模块最佳工作电压为5V。模块SMC 1602内部的控制器是日立公司的HD44780，它是专用于字符显示的液晶显示控制驱动集成电路，集驱动器与控制器于一体，内藏有显示缓冲区DDRAM和用户自定义的字符发生器CGRAM。其中，显示缓冲区DDRAM是用来存储显示字符代码的，共有808位(80个字节)，CPU可对DDRAM进行读、写操作，读、写单元的地址由内部地址计数器AC提供。DDRAM各个单元均对应着显示屏上的各个字符位，他们的对应关系如图2.6所示。即使显示屏没有这么大，但他们的对应关系依然存在，由HD44780内定的，是不可更改的。因此，当需要在屏幕上某行某列显示某个字符时，CPU只需将字符对应的数据写入显示DDRAM相应的地址处即可，该模块会自动将显示DDRAM内容送往液晶屏，完成相应的显示。可见，SMC 1602模块能根据主控CPU写入到该模块的各种命令字及显示RAM数据，自行对液晶屏进行一系列操作，而不再需要主控CPU的参与。RAM地址映射图如图3-3所示7：图3-3 RAM地址映射图3.3.2 接口信号说明SMC 1602液晶显示模块具有16条接口信号线，包括8条三态数据线，使能信号线E,读写选择信号线R/W，命令/数据选择信号线RS等，其详细的接口信号说明如表3-18所示。其中，VL为液晶屏的参考电源，外接可调电阻用来调节液晶屏的对比度。R/W为读写选择信号，R/W=1为读状态，R/W=0为写状态。RS为寄存器选择信号，RS=1为指令寄存器，RS=0为数据寄存器。E为使能信号，读状态在高电平有效，写状态在高脉冲下降沿有效。这三条控制线用于主控器CPU访问模块内部控制器HD44780时使用的。表3-1 SMC1602接口信号说明如下：表3-1 SMC1602接口信号说明引脚符号引 脚 说 明D0D7数据输入/输出引脚E使能信号R/W读写信号。R/W=I为读状态，R/W=0为写状态。RSRS为寄存器选择信号，RS =1为指令寄存器，RS=0为数据寄存器。VL液晶显示偏压信号电源正极电源地BLA背光源正极3.3.3 读写操作时序和RAM地址映射图SMC 1602模块接口控制时序具有较宽的适应能力，其具体读操作如图3-49。写操作时序如图3-59所示。3.3.4 液晶显示模块接口电路设计基于HD44780的字符型液晶显示模块与单片机有两种连接方式，即总线方式和模拟口线方式，前者可直接将单片机和显示模块的8位数据总线相连，利用单片机端口产生控制信号：后者是利用HD44780所具有的4位数据总线的功能简化电路接口的一种接口方式。在本系统中，以AT89S8252作为主控CPU，使用总线方式，通过数据总线与控制总线，直接采用I/O设备访问形式控制液晶显示模块，具体接口电路如图3-6所示。按照上述接口设计，由LCDIN、WR 和RD 组合产生液晶模块的使能信号E （即图中的LCD 信号），A0 为读写选择信号(R/W) ，A1 为寄存器选择信号(RS) ，因此液晶模块的各口地址如下：写命令口地址：7F01H读命令口地址：7F00H写数据口地址：7F03H读数据口地址：7F02H。图3-4 读操作时序图3-5写操作时序图3-6 LCD模块接口电路图3.4 模拟量输入通道和开关量输入通道设计3.4.1 AD7705概述由于本系统涉及需采集的参数变化缓慢，对转换速度要求不高，采样周期也没有特殊要求，因此选用AD7705模数转换芯片。本系统使用的模数转换接口芯片是AD公司新推出的16位-式AD转换器AD7705。该器件包括由缓冲器和增益可编程放大器(PGA)组成的前端模拟调节电路、-式调制解调器及可编程数字滤波器等部件，能直接将传感器测量到的多路微小信号转换成串行数字信号输出，无需外部仪表放大器。这种器件还具有高分辨率、宽动态范围、自校准、优良的抗噪声性能，以及低电压、低功耗等特点，非常适合仪表测量、工业控制等领域的应用。AD7705的主要特点是：三线串行接口，能大大节省微处理器的口线；有两个互不干扰的全差分输入通道，可满足系统对通道的要求；0. 03非线性16位无误码数据输出；可编程设定增益和数据输出更新率；可选择输入模拟缓冲器，具备自校准和系统校准方式；低耗能器件，工作电压为3V或5V，最大功耗1mW，等待模式下电源电流为8uA。AD7705的引脚和功能如表3-210所示：表3-2 AD7705引脚说明引脚功能SCLK串行时钟，将一个外部的串行时钟加于这一输入端口，以访问AD7705的串行数据。该串行时钟可以是连续时钟以连续的脉冲串传送所有数据。MCLKIN晶体/谐振器可以接在MCLK IN和MCLK OUT二引脚之间，MCLK IN也可以用CMOS兼容的时钟驱动，而MCLK OUT不连接。时钟频率的范围为500kHz5MHz。MCLKOUT当主时钟为晶体/谐振器时，晶体/谐振器被接在MCLK IN和MCLK OUT之间，如果在MCLK IN引脚处接上一个外部时钟，MCLK OUT将提供一个反向时钟。这个时钟可以用来为外部电路提供时钟源，且可以驱动一个CMOS负载。片选。低电平有效的逻辑输入。复位输入，低电平有效的输入。AIN2(+)差分模拟输入通道2的正输入端。AIN1(+)差分模拟输入通道1的正输入端。AIN1(-)差分模拟输入通道1的负输入端。AIN2(-)差分模拟输入通道2的负输入端。REFIN(+)基准输入端。AD7705差分基准输入的负输入端，REF IN(-)可以取和GND之间的任何值。且必须满足REF IN(+)大于REF IN(-)。REFIN(-)基准输入端。AD7705差分基准输入的负输入端，REF IN(-)可以取和GND之间的任何值。且必须满足REF IN(+)大于REF IN(-)。逻辑输出。这个输出端上的逻辑低电平表示可以从AD7705的数据寄存器获取新的输出字。完成对一个完全的输出字的读操作后，该引脚立即回到高电平。DOUT串行数据输出端。从片内的输出移位寄存器读出的串行数据由此端输出。根据通信寄存器中的寄存器选择位，移位寄存器可以容纳来自通信寄存器、时钟寄存器或数据寄存器的信息。DIN串行数据输入端。向片内的输入移位寄存器写入的串行数据由此输入。电源电压。2.7V5.25VGND内部电路的地电位基准点3.4.2 AD7705接口电路设计本系统涉及到两路模拟量的调整放大和数字化，经调整放大后的标准信号为02.5V，然后进行模数转换，因此必须进行模拟量输入通道的设计。在AD7705芯片中，由于采用-结构实现模数转换，使得该器件在噪声环境下能免受干扰，同时它还提供了可编程的增益放大器、数字滤波器和校准选项。因此它提供比普通的积分ADC更多的系统功能，用它可以节省大量不必要的外围电路开销，给系统设计带来了很大的方便。AD7705采用SPI/QSPI兼容的三线串行接口，能够很方便地与AT89S8252微控制器的SPI接口连接，这比并行接口方式大大节省了CPU的I/O口线。具体的电路连接如图3-7所示：图3-7基于AD7705的模拟通道从图3-7中可以看到，两路模拟信号通过CZ1 输入AD7705 的两个通道，从保证转换精度和稳定性方面考虑，AD7705不是直接取自电源电压，而是通过电压基准源芯片MC1403 产生，其2 脚输出的基准电压为2.50V ，实测电压精度可达到0.1%，温度系数也仅为10ppm 。基准输出端并接的滤波电容应选用钽电容和CBB 电容，以确保稳定度和噪声方面的要求，为适应50Hz 工频的特点，提高A/D 对其的抗干扰能力，A/D 晶振频率选用芯片规定的2.4576MHz ，输出更新率为50Hz 。从图3-7中可以看出，AD7705 的数据输入/输出口线并接后与微处理器的某一口线相接，节省了1条口线，R8 为上拉电阻11。3.5 MODEM通信接口设计3.5.1 通信接口设计远程控制系统的关键模块是通信模块，基于PSTN 远程系统的关键则是调制解调器通信接口模块。本系统的MODEM 接口设计如图3-8 所示：图3-8 MODEM 通信接口MAX232作为TTL-RS-232 电平转换芯片，是微处理器与MODEM 之间的接口电路，51 系列微处理器虽然有输入/输出口，但不具有RTS、CTS、DTR 等标准接口握手信号线，考虑到下位机与上位机的通讯量一般并不大，所以在连接时采用了简单的“三线式”，即只通过TXD、RXD 和地线GND 进行连接，同时对其他信号做以下处理：1. 7 (RTS)、8 (CTS)、1 (CD)等三信号线短接；2. 6 (DSR)、4 (DTR)等两信号线短接；从图中可知，RS-232 的接收端与连MODEM 的DB89 （即图中CZ2 ）的第2脚（接收脚）相连，发送端与DB9 的第3脚（发送脚）相连，通过软件的设置与处理，实现“三线式 ”远程通信。理论上讲，一般的MODEM 均符合贺氏兼容规范，通过正确执行挂机命令(ATH0) 应能使MODEM 正确挂机。但在实际应用中发现，很多MODEM 不能正确执行挂机命令，会出现首次通信完成后，因MODEM 无法正常挂机而使微处理器无法对其进行初始化（无法复位）的问题，从而导致上、下位机无法再次建立通信链路，实现正常呼叫和通信。为了解决这个问题，在接口电路设计中，引入了MODEM 电源控制电路，即下位机每次响应呼叫并正确发送数据后，由看门狗自动实施下位机系统整体复位，对MODEM 的复位是通过电源的上电来实现的，因为MODEM 可能无法挂机而无法响应微处理器传来的复位命令。对电源的开、关控制，可以采用阳极开关和阴阳极同时开关两种方式。通过实验发现，对阳极实施开关控制未能奏效，原因在于：MODEM 通过RS-232 接口中RXD、TXD、GND“窃取了电源”，MODEM 仍处于通电状态，表现为MODEM 上指示灯依然点亮。为此，只能通过对阴、阳极同时实施开关控制。实现的前提是必须选用双刀双掷继电器，由于调制解调器的供电功率一般在9W 以下，因此采用OMRON G5V-2小型继电器。该继电器可靠性高，负载能力为2A/30V(DC) ，工作电压为5V ，与5V 微处理器系统接口简单12。3.5.2 多机通信根据协议，本系统在整个远程通信当中为下位机(子站)，即从机，地址为0AAH。在多机通信系统中，通常采用一台主机(上位机)和多台从机，主机的RXD(发送)端与所有从机的TXD(接收)端相连，主机TXD端与所有从机的RXD端相连，主机发送的信息可以被各从机接收，而各从机发送的信息只能由主机接收，各从机之间交换信息必须通过主机。在多机通信中，要保证主机和各从机间可靠的通信，必须保证通信接口具有识别功能，而串行口控制寄存器SCON中的控制位SM2就是为了满足这一要求而设置的。当串行口以方式2(或者方式3)工作时，发送和接收的每一帧信息都是11位，其中第9数据位是可编程位，通过对SCON的TB8赋予1或0，以区别发送的是地址帧还是数据帧(规定地址帧的第9位为1，数据帧的第9位为0)。若从机的控制位SM2=1，则当接收的是地址帧时，数据装入SBUF，并置RI=1向CPU发出中断请求，若接收的是数据帧，则不产生中断标志，信息将抛弃。若SM2=0，则无论是地址帧还是数据帧都产生RI=1中断标志，数据装入SBUF。鉴于此，可规定如下的具体通信过程：1. 所有从机的SM2=1，即从机都处于只接收地址帧的状态；2. 主机发送一帧地址信息，其中含8位地址，第9位为1，以表示发送的是地址；3. 从机接收到地址帧后，各自将接收到的地址与其本身地址相比较；4. 被寻址的从机，清除其SM2，未被寻址的从机仍维持SM2=l；5. 主机发送的数据或控制信息(第9位为0)。对于己被寻址的从机，因SM2=0。故可以接收主机发送过来的信息，而对于其它从机，因SM2维持1，对主机发来的数据帧将不理睬，直至发来新的地址帧；6. 当主机改为与另外的从机联系时，可再发出地址帧寻址其从机。而先前被寻址过的从机在分析出主机是对其他的从机寻址时，恢复其SM2=1，对随后主机发来的数据帧不理睬。根据上述通信过程，首先让本机(地址为0AAH)的SM2=1，处于只接收地址帧的状态。本机接收到地址帧后，让接收到的地址与AA作比较，如果接收到的地址为AA则清除本机的SM2，使SM2=0，这样便可以接收主机发过来的信息。其余的从机SM2=1，不被寻址。如果主机与其他的从机联系，则重新发送地址帧寻址其他从机，本机(0AAH因发送过来的地址不为AA，则置位SM2=1，对主机发过来的数据帧不加理睬，这样便可完成从主机到从机以及从机到主机的全双工通信过程。这里需要说明的是，目前在本设计中只考虑的是双机通信，即只有一个主机和一个从机(子站)间的远程通信。这时，串行口只需以方式1工作即可完成通信任务。在这种情况下，通常使SM2=0，即无论是地址帧还是数据帧都产生RI=1中断标志，数据装入SBUF。由于这里不需要判断是地址帧还是数据帧，因此，一帧信息中的数据位只有8位，即无地址/数据帧标志位D8。此外，在该通信接口的设计中还有一个重要的问题，那就是理论上讲，一般的MODEM均符合贺氏兼容规范，通过正确执行挂机命令(ATHO )应能使MODEM正确挂机。但在实际应用中，很多MODEM却不能正确执行挂机命令，会出现首次通信完成后，因MODEM无法正常挂机而使微处理器无法对其进行初始化(无法复位)的问题，从而导致上、下位机无法再次建立通信链路，实现正常呼叫和通信。为了解决这个问题，在接口电路设计中，引入了MODEM电源控制电路，即下位机每次响应呼叫并正确发送数据后，由看门狗自动实施下位机系统整体复位，对MODEM的复位是通过电源的上电来实现的，因为MODEM可能无法挂机而无法响应微处理器传来的复位命令。对于电源的开、关控制，可以采用阳极开关和阴阳极同时开关两种方式。通过试验发现，对阳极实施开关控制未能奏效，原因在于:MODEM通过RS-232接口中的TXD, RXD和GND“窃取了电源”，MODEM仍然处于通电状态，表现为MODEM上指示灯依然点亮。为此，只能通过对阴、阳极同时实施开关控制。实施的前提是必须选用双刀双掷继电器，由于调制解调器的供电功率一般在9W以下，因此采用OMRON公司的G6H-2小型继电器。该继电器可靠性高，负载能力为2A/30V (DC)，工作电压为5V，与5V微处理器系统接口简单13。3.6 程序下载模块接口设计单片机AT89S8252片内有一个8KB的FLASH程序存储器阵列被映射到AT89S8252可寻址的64KB程序空间的低8KB，在典型应用中用来存放用户的程序代码。出厂时，片内FLASH是擦除状态，即各单元的内容均为FFH，可直接用于编程。该程序存储器阵列可以按两种模式之一进行编程，即：并行编程和串行下载(ISP编程)。并行编程模式的编程电压为12V，串行编程模式的编程电压为+5V。并行编程模式没有自动擦除周期，对任何非空单元(单元内为非FFH)的编程，必须首先对程序和数据阵列执行片擦除操作。串行编程模式是具有自动擦除周期的内部定时编程操作，只要没有锁定位被编程，应用串行编程模式时就不需要先执行片擦除操作。下面对并行编程模式作简要介绍。3.6.1 AT89S8252单片机并行编程单片机AT89S8252的并行编程模式与常规的第三方FLASH编程器完全兼容，可使用任何可以编程FLASH的编程器对它进行烧写。支持并行编程所需的外部引脚配置方框图如图3-9 所示。图3-9 AT89S8252并行编程接口电路在此方式下，端口P0, P1和P2.0P2.5用作外部数据和地址总线接口，ALE用作编程输入负脉冲，端口P2.6, P2.7和P3.6, P3.7用作接收控制信号，在并行编程期间内，它为各种编程和擦除操作配置器件，此模式下的编程电压为(V pp)为12V。表3-314表示出了正常并行编程模式。可见，并行编程模式需要较多的控制线，且这种方式并不能够满足在线调试程序的要求，对系统开发来说不太方便，所以在本次设计中，采用了性能优越的串行在线编程的方式。表3-3 FLASH并行编程模式编程模式RSTP2.6P2.7P3.6P3.7片擦除HHLLL写存储器HLHHH读存储器HLLHH读ATME代码HLLLL读器件代码HL LLL3.6.2 AT89S8252单片机串行编程AT89S8252不但支持高电压(12V)并行编程方式，而且支持低电压(5V)串行编程方式ISP编程。A