【毕业学位论文】（Word原稿）利用调制盘能够测量计算物体方位的集成电路系统-光信息科学与技术

摘 要 本 文 研究并开发 一个 利用调制盘 能够 测量计算 物体 方位 的 集成 电路系统。 本设计 使用单片机的串行通信，实现 了 计算机对电 路 的数据采集 。 另一方面，在 利用术制作单片机的采集界面， 以方便地 实现 对 试验数据的分析与处理 。 考虑到调制盘对方位信息的调制涉及到传递函数的问题，以及电路与试验的易操作性，我们将通过对比光源处于不同方位中 形用户界面）的显示波形，间接实现测量物体方位的目的，而不是 通过显示波形直接得出物体的方位 。 为了完成本测量电路系统，我们 设计了 3 部分的电路 ， 它们分布在 两个电路板上 ，主要运用的元件有光敏 电阻、调制盘、单片机 、 换和串口 电平 转换芯片 以及 3 部分的电路分别为： 一、 可移动的光源，用导线在电路板一中直接引出一个 实现 。 二、 可对光源进行调制的调制盘， 将其固定在电路板一上并利用电机驱动。 三、 换、单片机控制处理及串口转换 电路都集成在 电路板二 上，它 是 光源 的接收部件 ，并将采集到的信号通过串口通信传输至 ，因此它是整个硬件电路的核心 。其 中 ，我们运用光敏 电阻 来探测光源的信号，将光信号转变为电信号；采用 89片机 通过 现了电压 信号的 换的功能， 将数值显示在 液晶显示器的同时，利用 现单片机与 的串口通信。 设计的最后，是将传送到 的信号通过 术制作一个采集界面 ，实现对光调制信号的实时分析与处理。 基于上述 内容，本文首先 归纳本课题需要用到的一些电路模块，接着 介绍使用的重要元件，将介绍 调制 盘 的特性与原理 ， 89片机的引脚配置与结构框图 等 ； 而 后介绍本测量系统的硬件 电路 设计与 实现 ，以及软件安排；最后将 展示 利用本系统得到的测量结果 及分析 。 关键词 调制盘 换 串口通 信 目 录 1 前言 设计任务与构想 光源与调制盘的光调制 . 光接收与模数转换 . 单片机采集、控制、处理 . 液晶显示 .串口通信与 面显示 基本元器件及其原理介绍 光学调制盘 . 概述 . 基本原理 . 调制盘的空间频谱特性及其应用 .模数转换芯片 6 简介 . 引脚定义 . 单片机对 控制原理与接口 片机 . 芯片主要特性 . 引脚定义 .片简介 12 4 硬件电路实现 . .基于 片机的液晶显示控制电路 . 介 14 脚定义 14 液晶显示屏与 口的设计 15 采用 片接口的 与 89片机串行通信的接口电路 16 . 18 串口通信流程 数据采集系统与 通信的硬件电路 . 理与 术显示采集结果 .最终电路图 21 5 软件构成 . 实物系统及数据采集结果展示 . 总结与展望 . 谢 . . 考 文 献 . .文摘要 . . 32 附录 A：单片机源程序 录 B： 序代码 48 1 1 引言 本课题我们研究一个集成的系统，通过光调制盘的调制、光接收与模数转换、单片机与 串口通信，再利用 集处理与显示，最终实现 光调制盘 用于 物体 方位的测量。 调制盘是光强度调制的一种 ,是点源探测和跟踪系统中的一个元件 。 其主要作用是 :把恒定的辐射通量变成交变的辐射通量 ,以便用交流放大器把信号放大 ,进行空间滤波 ,抑制背景 ,突出目标及提供目标的方位信息。按调制方式划分 ,调制盘又可分为调幅式、调频式、调相式、脉 冲编码式和脉冲调宽式等。本课题中的所用到的是调幅式旋转调制盘。 与单片机的串口通信系统，主要包括单片机、串口通信电路、 串口通信软件和单片机的外围电 路。其中单片机是电路系统的核心，负责接收上位机相关指令，并控制电路的工作状态。 串口通信软件用于向下位机发送控制命令，并接受下位机数据，进而测试系统性能。串口通信电路是连接下位机与 的桥梁，是二者进行串口通信的基础。外围电路包括了 光接收 与模数转换电路， 单片机的 数据采集电路、 复位电路、程序下载接口电路等 。 由于单片机输出的 平与 的 232 串口电平的电气特性不匹配。为了使单片机能与 正常通信，采用美信公司的 片进行电平转换 1。 司开发的一种科学计算软件。 行稳定、可靠、使用方便 ,是广大科研人员进行科学研究的得力助手。 仅具有强大的科学计算功能 ,还具有满足一般要求的数据采集以及界面设计开发功能 。 由于 其 超强的数据处理能力 ， 广泛的应用于信号处 理、自动控制等领域，而且它的图形用户界面 (程技术简单易学，即使非专业人员也能编制出界面友好、功能强大的应用程序。 对于一般的微转换器，实现数据的采集过程较为简单，但要对采集的结果进行快速的实时处理就比较困难，因为绝大多数 提供简单的 8 位无符号数的四则运算指令系统，对于有符号数的乘方、开方等运算软件实现起来比较困难。利用 串口通信技术实现通过 89片机采集到的数据能与 及时的通信，能从单片机中获取到分别从 2 个通道采集到的数据并保存到 中供日后使用。通过 大的绘图功能，可以把 2 个通道所得到的数据实现 二维 的重现，能够更深刻地了解到采集到的数据所代表的各种意义。 2 2 设计任务与构想 图 1 总设计框图 光源与 调制盘的光调制 光源 ： 基本没什么 特别的要求，用普通的 泡组合起来就可以 。 光调制 ： 学习 调制盘 的基本知识 与特性 ， 包括其基本结构和空间频谱特性等，进一步 掌握其 调制的 基本 原理并学会应用。 3 光接收与模数转换 光接收： 掌握一些应用电子和光电等知识，懂得红外发射和红外接收器件的的工作原理 ，拟 选用光敏电阻作为接收器件。 模数转换： 就是为了将上面得到的模拟电压转为数字电压，然后送到单片机里面 ，这里将使用 8 位分辨率、双通道的 片 。 单片机采集、控制、处理 单片机这部分需要实现四大功能，一是采集 块送来的电压信号，二是处理得到的电压信号，将其转为光强，三是在液晶显示屏幕上同时显示光强信号，四是将得到的电压信号送到串口电路中 ，以便后续的处理 。此外，单片机功能的实现还需要进行编程。 液晶显示 初步确定使用 查阅其基本资料 ，包括引脚定义和 显示原理，进行 基于单片机控制的液晶显示 模块的 设计 。 串口通信与 面显示 串口通信： 主要用来将单片机送过来的信号送到电脑串口 ，这里涉及到电平 转换 ，考虑选用 片 ，它是 美信公司专门为电脑的 准串口设计的单电源电平转换芯片 ， 使用 +5V 单电源供电 。 面显示： 主要需要实现三个功能，一是读取电脑串口信号，二是显示读取到的电压信号，三是处理得到的电压信号并将得到的光强显示在界面上。此外， 面功能的实现需要进行编程。 3 基本元器件及其原理介绍 光学调制盘 概述 调制盘是一种用途较广的光学调制器。它的结构简单、使用方便、体积也可以做得很少。广泛应用于辐射测量，光学传递函数测定，光学定向、制导和测速等方面。 调制盘最基本的作用，是把恒定的辐射通量变成周期性重复的光辐射通量。对一般的光电系统，调制盘的作用主要有如下几点：（ 1）提供目标的空间方位；（ 2）进行空间滤波以抑制背景干扰；（ 3）抑制噪声与干扰以提高系统的检测性能。 调制盘种类繁多，图案各异，目标像点与调制盘之间相对运动的方式也各有不同， 4 因此提供目标方位的方式也各不相同。按照调制方 式不同，可将调制盘这种光强度调制器分为以下几种类型：调幅式（ 调频式 (调相式 (调宽式 (脉冲编码式 ，分别举例如下图： 图 2 调制盘图案举例 基本原理 调制盘是一种光强度的调制器，它是在透光的基板（如玻璃）上用照相法或其它方法做出透光或不透光的栅格或条纹，形成一定的图案。简单的调制盘也可用金属片打孔得到。它通常放在被测目标的像平面上。目标所呈的像通常是一个点（小圆斑）或一条线。调制盘由电机带动作机械转动，使目标像点的光能量透过调制盘后变成周期性变化的光信号。 这种把恒定的光辐射强度（或能量） 变成交变的辐射称为光强度调制。 调制盘除了能使光辐射强度形成交变的以外，它还可以携带更多的信息。例如，他可以携带目标空间状态的信息，作为一个空间滤波器。在光电定向和制导系统中恰当设计调制盘图案，可以携带目标方位信息使系统能够分辨目标相对于自己所在的方位。在这些应用中，首先是利用了调制盘的频谱特性。 调制盘的空间频谱特性及其应用 调制盘上制成各种图案，例如图盘在圆周方向上有透光和不透光的条纹（或格子）；或者矩形盘每厘米长度内有多少对透光和不透光的格子，这就是调制盘 的空间特性。当调制盘运动时，透过调制盘图案的光强度将作周期性变化形成光脉冲信号，它是很直观的。但是， 从光脉冲信号波形难以直接得到定量的测量结果，如利用其频谱特性，则很容易和电子线路配合对信号进行处理，从而得到精确测量的结果。 5 假设目标像是一条辐照度均匀的亮线，处于盘的半径方向，圆形调制盘具有扇形透光和不透光的图案，盘的直径相对像来说很大，盘在像面上作匀速转动。下图所示为可能出现的几种情况： 图 3 调制盘条纹宽 B 和像宽 b 不同情况下调制盘输出信号波形 a. 盘的扇形格很宽。若亮线宽度为 b，盘的格宽为 B， Bb，则相对盘的格宽来说亮 线宽度可忽略不计。此时，调制盘转动，后面探测器得到矩形脉冲信号，如图 1-（ a）。 b. 如果调制盘的格宽 B 缩小到原来格宽的 1/5，即一周内扇面对数增加 5 倍，此时调 盘图案扫过亮线 后在图案后面不再是矩形波而是梯形波，如图 1-（ b）。如果 把盘转速下降到原转速的 1/5，探测器得到梯形脉冲频率仍与图 1-（ a）矩形脉冲频率一样。 c. 如果 盘的格宽进一步缩小为 B=b，则盘扫过亮线后输出为三角形脉冲，如图 1-（ c）。只有亮线和盘上透光的扇形完全重合的瞬间才出现最大信号，其他位置上只有部分像 的能量能透过。调整电机转速后，脉冲频率可以和图 1-（ a）和（ b）波形的频率完全一致。 d. 如果盘的扇形格比亮线窄，在 2B=b 时，盘转动时输出为直流，如图 1-（ d）所示。因为盘转动的任何时刻都透过亮线总能量的一半。 可以想象，如果倒过来，调制盘 的扇形格宽是一定的。而目标像总能量不变，其能量分布的宽度由窄变宽，那么盘转动后输出波形就是由矩形脉冲变成梯形脉冲。如果像 6 的光能分布并不均匀，那么输出波形就是不规则的脉冲。 可见，调制盘的输出信号的频率是图案的空间频率（每周透和不透格的对数）和盘的转速的乘积。而输出脉冲 的波形取决于调制盘图案的尺寸和像的尺寸的相对关系，与转速无关。调制盘格宽由宽变窄，但都是透和不透相间。盘的透过函数都是矩形波（只是空间频率改变），而输出波形并不全是矩形，这说明它携带了目标像的信息。 调制盘输出脉冲的波形不同虽然能形象地说明目标像的情况，但是不能作出定量评定。如果把周期性脉冲信号做傅里叶级数展开，每一种脉冲波形都是由无限多个正弦波的谐波分量组成。波形不同，各谐波的振幅值各不相同。可以由谐波分量的振幅值定量描述被测目标的情况。所以在实用中，对信号进行频谱分析可得出定量结果 2。 在调制盘直径 很大时，盘上扇形格扫过目标像时等效于矩形条纹沿 x 方向扫过目标像。目标像光强分布表示为 x ，调制盘透过函数表示为 调制盘输出函数表示为 是 x 和 卷积，可表示为 )(*)(xC 它等效于把目标像的光强分布函数 x 视为有无限细的许多亮线排列而成，各亮线依次被调制盘调制后输出信号的叠加。 调制盘输出函数 频谱 C 是目标像光强分布函数 x 的频谱 与调制盘透过函数 频谱 R 的乘积，可表示为 C = R 模数转换芯片 简介 美国国家半导体公司生产的一种 8 位分辨率、双通道 A/D 转换芯片。由于它体积小，兼容性强，性价比高而深受单片机爱好者及企业欢迎，其目前已经有很高的普及率。 有以下特点： 8 位分辨率； 双通道 A/D 转换； 输入输出电平与 兼容； 7 5V 电源供电时输入电压在 05V 之间； 工作频率为 250换时间为 32 S； 一般功耗仅为 15 8P、 14P列直插）、 种封装； 商用级芯片温宽为 0C 70C，工业级芯片温宽为 40C 85C； 8 位分辨率 A/D 转换芯片，其最高分辨可达 256 级，可以适应一般的模拟量转换要求。其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在 05片转换时间仅为 32 S，据有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。独立的 芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变的更加方便。通过 据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。 引脚定义 图 4 脚图 选使能，低电平芯片使能。 拟输入通道 0，或作为 拟输入通道 1，或作为 片参考 0 电位（地）。 据信号输入，选择通道控制。 据信号输出，转换数据输出。 片时钟输入。 源输入及 参考电压输入（复用）。 单片机对 控制原理与接口 一般情况下， 单片机的接口应为 4 条数据线， 分别是 I。但由于 与 在通信时并未同时有效并与单片机的接口是双向的，所以电路 8 设计时 也 可以将 联在一根数据线上使用。 当 工作时其 入端应为高电平，此时芯片禁用， I 的电平可任意。当要进行 A/D 转换时，须先将 能端置于低电平并且保持低电平直到转换完全结束。此时芯片开始转换工作，同时由处理器向芯片时钟 输入端 入时钟脉冲， I 端则使用 输入通道功能选择的数据信号。 在第 1 个时钟脉冲的下沉之前 必须是高电平，表示启始信号。在第 2、 3 个 脉冲下沉之前 应输入 2 位数据用于选择通道功能 。 输入。到第 3 个脉冲的下沉之后 的输入电平就失去输入作用，此后 I 端则开始利用数据输出 行转换数据的读取。从第 4 个脉冲下沉开始由 输出转换 数据最高位 后每一个脉冲下沉 输出下一位数据。直到第 11 个脉冲时发出最低位数据 个字节的数据输出完成。也正是从此位开始输 出下一个相反字节的数据，即从第 11 个字节的下沉输出 后输 出 8 位数据，到第 19 个 脉冲时数据输出完成，也标志着一次 A/D 转 换的结束。最后将 高电平禁用芯片，直接将转换后的数据进行处理就可以了。 片机 片主要特性 片机是 司新近推出的高档、增强型产品。它是一个低功耗、高性能 位微控制器，片内含通用 8 位中央处理器和 储单元， 8 可反复擦写 1000 次的 读程序存储器，片上许程序存储器在系统可编程 ， 亦适于常规编程器 ，本设计中使用的是伟纳程器 。 器件采用 司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准 令系统及 工业 80脚结构，在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 在系统可编程 得 众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、高性价比的解决方案。 有以下标准功能 ； 8k 字节 256 字节 32 位 I/O 口线 ， 看门狗定时器 ， 2 个数据指针 ， 三个 16 位定 时器 /计数器 ， 一个 6 向量 2 级中断结构 ， 全双工串行口 ， 片内晶振及时钟电路。 另外， 降至 0态逻辑操作 ， 支持 2种软件可选择节电模式。 空闲模式下 ， 止工作，允许 时器 /计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下 ， 容被保存，振荡器被冻结 ， 单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。 9 引脚定义 图 5 单片机 89 电源 地 ： 位漏极开路的双向 I/为输出口，每位能驱动 8个 辑电平。对 1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，位地址 /数据复用。在这种模式下， 程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。 ： 位双向 I/O 口， 出缓冲器能驱动 4 个 辑电平。对 口写“ 1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入 口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（ 在 0 编程和校验时， 位地址字节。 此外， 计数器 2的外部计数输入（ 2）和时器 /计数器 2的触发输入（ 2具体如下 所示。 引脚号 第二功能 2（定时器 /计数器 时钟输出 2时器 /计数器 重载触发信号和方向控制） 系统编程用） 系统编程用） 系统编程用） ： 位双 向 I/O 口， 出缓冲器能驱动 4 个 辑电平。对 口写“ 1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（ 在访问外部程序存储器或用 16位地址读取外部数据存储器（例如执行 ， 送出高八位地址。在这种应用中， 使用很强的内部上拉发送 1。在使用 8位地址（如问外部数据存储器时， 2锁存器的内容。在 2口也接收高 8位地址字节和一些控 制信号。 ： 位双向 I/O 口， 出缓冲器能驱动 4 个 辑电平。对 口写“ 1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（ 二功能）使用，如下所示。在 引脚号 第二功能 行输入） 行输出） 部中断 0) 部中断 0) 0（定时器 0外部输入） 1（定时器 1外部输入 ） R(外部数据存储器写选通 ) 11 D(外部数据存储器写选通 ) 复位输入。晶振工作时， 个机器周期高电平将使单片机复位。看门狗计时完成后， 输出 96 个晶振周期的高电平。特殊寄存器 址 8 的 位高电平有效。 地址锁存控制信号（ 访问外部程序存储器时，锁存低 8 位地址的输出脉 冲。在 引脚（ 用作编程输入脉冲。在一般情况下，晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或 时钟使用。然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时， 果需要，通过将地址为 8位置 “1”， 一位置 “1”， 在执行 则， 被微弱拉高。这个 能标志位（地址为 8位）的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。 外部程序存储器选通信号（ 外部程序存储器选通信号。 当 在访问外部数据存储器时， 访问外部程序存储器控制信号。为使能从 0000H 到 了执行内部程序指令， 2伏 振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。 振荡器反相放大器的输出端。 图 6 晶振 电路 12 片简介 图 7 片引脚图 司生产的、包含两路接收器和驱动器的 片，适用于各种 通信接口。 片内部有一个电源电压变换器，可以把输入的 +5V 电源电压变换成为 入电平所需的 10 V 电压。所以，采用此芯片接口的串行通信系统只需单一的 5V 电源就可以了。对于没有 12 V 电源的场合，其适应性更强， 其典型工作电 路如下图所示 。 图 8 型工作电路图 13 图中上半部分电容 V 、 V 是电源变换电路部分。 在实际应用中，器件对电源噪声很敏感。因此，5， 其值为 。电容 同样数值的钽电解电容 /16V，用以提高抗干扰能力，在连接时必须尽量靠近器件。 下半部分为发送和接收部分。实际应用 中 ，平的89片机的串行发送端 平的 89片机的串行接收端 C 机的 口的接收端 C 机的 口的发送端 。 4 硬件电路实现 单片机的接口电路 单片机接口与 脚的连接可参照前面 的控制原理，这里不再敖述。其接口电路如下图： 图 9 连接示意图 为了高速有效的实现通信，我们采用汇编语言编写接口程序。由于 数据 O 0K 14 转换时间仅为 32 S，所以 A/D 转换的数据采样频率可以很快，从而也保证通过调制盘的调制光对 A/D 转换数据实时性的要求。 基于 片机的液晶显示控制电路 经 很普遍了，市面上字符液晶绝大多数是基于 制原理是完全相同的，因此 可以很方便地应用于市面上大部分的字符型液晶。字符型 4条引脚线或 16条引脚线的 出来的 2条线是背光电源线 5 脚 )和地线 6 脚 )。 置了 是显示数据 来寄存待显示的字符代码。共 80个字节，其地址和屏幕的对应关系如下表： 表 1 显示位置 1 2 3 4 5 6 7 40 址 第一行 00H 01H 02H 03H 04H 05H 06H 27H 第二行 40H 41H 42H 43H 44H 45H 46H 67H 也就是说 ， 想要在 幕的第一行第一列显示一个 A字 ,就要向 00H 地址写入“ A”字的代码就行了，但具体的写入是要按 块的指令格式来进行的。我们知道文本文件中每一个字符都是用一个字节的代码记录的。一个汉字是用两个字节的代码记录。在 我们只要打开文本文件就能在屏幕上看到对应的字符是因为在操作系统里和 都固化有字符字模。什么是字模？就代表了是在点阵屏幕 上点亮和熄灭的信息数据。 前文提到， 想要在 幕的第一行第一列显示一个 A字 ， 就要向 0A”字的代码 41 41A”字呢？ 同样，在 就是 置了 192 个常用字符的字模，存于字符产生器 ，另外 ， 还有 8个允许用户自定义的字符产生 为 脚定义 控制原理与 14 脚的 全一样，定义如下表所示： 15 表 2 脚定义 引脚号 引脚名 电平 输入 /输出 作用 1 电源地 2 电源 (+5V) 3 对比调整电压 4 ,10 输入 使能信号， 1 时读取信息， 10 (下降沿 )执行 指令 7 (最低位 ) 8 (最高位 ) 15 A +光电源正极 16 K 接地 光电源负极 液晶显示屏与 口的设计 在实际应用中 ,液晶模块与单片机的连接方式很多。从占用 I/O 口线的多少来分有串行方式和并行方式 ,其中串行方式速度较慢、占用的 I/O 口少 ,并行方式分为 4 线和 8 线、速度较快、占用的 I/O 口多 ,实际应用中以并行方式居多。单片机的 和 的部份引脚与 液晶显示连接电路如下图所示。 16 图 10 示与控制电路 采用 片接口的 与 89片机 串行通信的接口电路 利用 配置的异步通信适配器，可以很方便地完成 与 89片机的数据通信。 与 89片机最简单的连接是零调制 3 线经济型，这是进行全双工通信所必须的最少数目的线路。 以下为 9 针 口 的引脚定义及 图例： 表 3 口引脚定义 9 针 口（ 引脚 简写 功能说明 1 波侦测（ 2 收数据（ 3 送数据（ 4 据终端准备（ 17 5 线（ 6 据准备好（ 7 求发送（ o 8 除发送（ o 9 铃指示（ 图 11 9 针型串口图例 把单片机的电平信号经过芯片 处理输出到 2 脚 3 脚 5 脚接到地线，就是所谓的零调制 3 线经济型连接。 由于 89片机输入、输出电平为 平，而 配置的是 准串行接口，二者的电气规范不一致，因此，要完成 与单片机的数据通信，必须进行电平转换。现在采用 芯片实现 89片机与 的 准接口通信电路。 先从 片仲两路发送接收中，任选一路作为接口。应注意其发送、接收的引脚要对应。如果使 的 接收端 定要对应接接口电路如下图所示： 18 图 12 采用 口的串行通信电路图 口通信实现数据采集 有超强的数据处理能力 ， 被广泛的应用于信号处理、自动控制等领域 ，而且它的图形用户界面编程技术 (简单易学 ，即使非专业人员也能编制出界面友好、 功能强大的应用程序。 是 司开发的一种科学计算软件。 行稳定、可靠、 使用方便，是广大科研人员进行科学研究的得力助手。仅具有强大的科学计算功能，还具有满足一般要求的数据采集以及界面设计开发功能。 是内置于 进行图形界面开发的模块 4。 口通信技术 对于 统而言，硬件系统的驱动程序有着十分严格的规范，可以用 C 或汇编语言进行开发，而 身是一个跨平台的软件，并不具备直接访问硬件的能力。即使安装了驱动程序并能正常工作的硬件设备， 没有统一的形式对其进行访问。 对于系统的串口，在 以类（ 形式提供了支持。当用指令建立了一个串口对象（句柄）以后，对串口的硬件操作可以文件操作的软件形式来完成，方法比较简单。常用的串口操作命令及其含义如下表（ 1）所示，这些命令既可在 可以 M 文件的形式出现，使用起来十分方便。 19 表 4 口操作命令表 命令及实例 命令含义 S=9600) 建立一个波特率为 9600 的串口 S ) 显示串口的所有属性 ) 打开串口 S ) 以指定格式从串口 S 读入数据 ) 以广西方式向串口 S 发送数据 ) 关闭串口对象 S ) 删除串口对象 S 串口通信流程 与单片机的串口通信 的 传输过程是：由单片机发送握手信号， 接到握手信号后发应答信号，并准备接收信号，单片机接收到应答信号后准备发送数据，并说明通信过程挂钩成功，总的测量次数和键值作为第 0 组发送，发送完毕累加校验和，发现传输错误时重发，程序 的流程图如 下 图所示 图 13 串口通信流程图 20 数据采集系统与 通信的硬件电路 为了简化系统的硬件设计，数据采集系统的微转换器选用 美国国家半导体 公司的 集成芯片 面 与 已做过详细介绍，这里不再敖述。 另外， 成了与计算机通信的 口，此模数转换电路与串口传输电路集成为一个数据采集系统。实现具体过程是，调制盘将 调制后，被光敏电阻接收，并通过电位器调整后讲光敏电阻的端电压传输到 模数转换转到单片机处理，并通过 口电路实现与 通信 5，图示如下： 图 14 硬件电路结构 理与 术显示采集结果 利用 图形用户界面编程技术 (现系统界面和系统各种功能控件，然后在该 件所生成对应的 M 文件里编写 这些控件的回调函数，以实现这些按键的不同功能。 21 常用的 的控件有： (1)按钮 (件：用于实现功能的开关，可以产生回调函数实现各种功能。包括按键 “开始 ”、 “停止 ”、 “清空数据 ”、 “确定 ”、 “取消 ”、 “保存数据 ”、 “载入数据 ”、 “开始绘图 ”、 “退出 ”。 (2)按钮组 (件 ：用于单选按钮控件的分组。系统中包括“采集方式”、“绘图选项”。 (3)检查框 (件：用于多项选择，可以同时选择多个指定条件。系统中包括 “通道 X”、 “通道 Y”、 “通道 Z”。 (4)单选按钮 (件：在同一个按钮级控件中，唯一选择其中一个条件，不能进行多项选择。系统中包括 “实时采集、手动采集 ”、 “强度图、二维矢量图、三维矢量图 ”。 (5)弹出式菜单 (件：点击后能够弹出菜单供用户选择。系统中包括串口选择、波特率设置、绘画强度图时的通道选择。 (6)面 板 (件：用于程序不同部份的划分。系统中包括 “选择通道 ”、 “数据采集 ”、 “数据处理 ”。 (7)静态文本 (用于显示文本，可用于其它控件的说明。系统中包括 “ “波特率 ”、 “采集频率 ”。 (8)编辑框 (件：让用户能自由输入变量。 (9)表格 (用于显示数据。 通过以上的控件，即使数据的在无人状态下，也能实现根据使用者设定的频率进行自动的实时采集方式 ，也能实现适合用于不定点的数据采集的手动采集方式。通过利用电脑的储存空间，可以让能够采集到的数据量大大地增加，还可以对数据进行保存供日后使用。 在使用本软件时，应该注意开始采集时应先保持所选择的串行口没有被其它程序占用和下位机处于工作状态。当选择实时采集开始后不能再对采集频率 进行修改，若要改变采集频率应先停止采集，再进行修改。在数据采集过程中也不能对数据进行线性转换和绘图。 此部分本不属于硬件电路部分，但因为最后显示采集数据需要编程实现，此部分的 术介绍权当为后面的软件编程作基础 。 终电路图 22 图 15 总电路图 5 软件构成 23 图 16 软件安排总框架 设置串行口端口和波特率 设置采集方式 设置采集频率 实时采集 手动采集 开始 保存数据 载入数据 绘图方式 强度图 二维矢量图 三维矢量图 选择组合通道 选择组合通道 选择组合通道 开始绘图 退出 继续采集 停止 清空数据 线性转换 数据错误 等待接收信号 发送信号 获得通道信号 打开相应通道进行 换 发送 2 组数据 等待接收数据 数据转换 数据显示 份 选择通道 片机部分 24 6 实物 系统及 数据采集结果展示 首先， 根据光源宽度和调制盘格宽不同比例下的输出图像以及测量的需要，我们 制作了一个调幅式 调制盘，旭日式是最简单的 把 调制盘 ， 固定在一块电路板上，接上电源+5V 电源便可工作。 如下图所示： 图 17 光源与调制盘 根据 介绍的调制盘空间频谱特性，可知，光源位于调制盘径向不同位置时，稳定电压下调制盘的转速均匀， 而由于通光时间的不同，在接收信号的持续时间也变长，这些都可以将采集到的信号通过处理显现出来。因此，这里没有将 源焊死在电路板上，而是制作了一个可移动的光源，方便得到不同方位下的采集信号。反过来，我们要实现的是通过采集到的信号， 通过 示处理得到的曲线图，从而比较 得出光源的方位，这也是本课 题的研究目的。 25 图 17 光源置于调制盘径向靠外侧位置 图 18 光源置于调制盘径向靠圆心位置 26 光敏电阻接在一块小电路板上，接收的光信号是 通过调制盘后得到的，由于光强有限，测量信号时光敏电阻需要尽量靠近调制盘，具体位置如下图： 图 19 测量时光源与接收板相对位置 在接收板中，光敏电阻 R 是与一个固定电阻 2K 串联后接着 +5V 电源上的，而光敏电阻的两端则并接两条线将电压作为输出信号被送到 无光 或弱光 时R12K，此时输出电压 几乎 为电源电压 5V。 当有光照的条件下，光敏电阻 R 不断减小，到达一定条件 (R 约为 12K)下 ， 分压 作用 会越来越明显 ，故光敏电阻两端的电压逐渐变小。 根据公式 ）（ ，光敏电阻 为 R，输出电压0U ， 在无光时，R ， 10 ，输出电压几乎等于电源电压； 当 光强逐渐增大时， R 减小到与 2K)相当时，输出，此时电压的变化已经相当明显了，因此 电路的输出是与光强成反比的。以下两幅是在普通光环境和暗环境下的液晶显示图像，这里光敏电阻 均已调至靠近光源和调制盘的位置 ： 27 图 20 光环境下的液晶显示 图 21 暗环境下的液晶显示 28 液晶屏幕上有两个示数，是因为制作了两个光敏接收板，分