基于ADuC812的遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)測信息系統(tǒng)下位機(jī)的設(shè)計(jì)

　1引言

　　ADuC812是美國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，是投入市場的第一種微轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品。它性能優(yōu)良，價(jià)格便宜，開發(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。AD uC812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)測信息系統(tǒng)整體介紹

　　該遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)測信息系統(tǒng)是針對(duì)當(dāng)今環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測自動(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)傳送來的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，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)測站點(diǎn)，對(duì)大氣、水質(zhì)、酸雨等各監(jiān)測儀送來的各種環(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)，主要是考慮被測信號(hào)的變化速率和通道數(shù)，以及對(duì)測量精度、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“0”。本電路將P1口設(shè)為8路由各環(huán)境監(jiān)測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，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。[!--empirenews.page--]

　　3．3  鍵盤、顯示器接口電路

　　外接鍵盤和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)，可通過鍵盤選擇要查詢的參數(shù)并在顯示器上顯示出來，使下位機(jī)的工作更加靈活方便。

　　為了連接鍵盤和顯示器，需要擴(kuò)展一片8155I/O口擴(kuò)展芯片，采用4*4觸摸式鍵盤和點(diǎn)陣式液晶顯示器。鍵盤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。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、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，當(dāng)有鍵按下時(shí)，轉(zhuǎn)鍵盤掃描子程序。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對(duì)ADCON1，ADCON2和ADCON3這3個(gè)特殊功能寄存器（SFR）來控制的。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，將使地址增加一頁而不是加1。頁的大小與DPP有關(guān)。因此利用數(shù)據(jù)頁指針DPP可實(shí)現(xiàn)16MB外部數(shù)據(jù)空間的訪問。

　　對(duì)28F640的讀寫是以頁編程操作為基礎(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。如用來接受各種操作命令的用戶命令單元接口（CUI）和擦寫狀態(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、寫入、鎖存等操作。

　　5結(jié)束語

　　把ADuC812芯片應(yīng)用在遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)測信息系統(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發(fā)時(shí)間和成本，適應(yīng)了現(xiàn)代環(huán)境監(jiān)測的要求。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)測的各個(gè)部門。