集成加速度传感器的软件设计
摘要
在加速度测试系统传统结构中，从传感器、温度偏移纠正电路、放大电路到数据采集各设备往往都是孤立的，不便于携带并受到测量空间的限制。本文介绍了一种利用单片机集成系统进行数据采集与传输的方案，较好的解决了系统集成化问题。
方案采用通用性较强，价格便宜的80C51单片机；人机接口采用8297；A/D转换器采用ADC0809；片外存储器选用两片6264，容量扩至16k×8；数据传输采用USB，用CH375芯片作为单片机串行口与USB的连接芯片。数据采样频率设为六种可选，最小至0.2ms，最大至625ms，可以适应不同的应用场合。
单片机系统在实际工业系统中可能会遇到各种干扰和自身的随机性误差，目前的抗干扰方法主要有硬件看门狗技术和软件陷进技术等，本方案将两种方法结合起来，进一步提高了系统的稳定性。
关键词:单片机;数据采集;硬件看门狗;中断系统;串行通信
The software design of the integrated accelerometer
Abstract
In traditional acceleration test system, components form accelerometer, temperature compensation, electric enlarge circuit to data acquisition unit are all stand alone, inconvenience in take and being subjected to the measuring space. This text introduced a method that using integration system of single chip microcomputer for data acquisition and deliver, resolving the integration of the system.
This project adopts in general used, low-cost 80C51 system;Person's machine connects to adopt 8297;The A/D conversion machine adoption ADC0809; RAM use two slices of 6264 , the capacity expands to the 16 k × 8;Data_deliver uses the USB, using the CH375 chips as conjunct chip between the USB and the serial interface. The date- acquisition frequency sets for six kinds of eligibility, the minimum to 0.2 ms, the biggest to 625 ms, adapting different applied situation Single chip microcomputer system may fall across some impacting factors and self random error, the current anti- impacting methods mainly have the hardware watchdog technique and software trap method etc. This project put together two kinds of methods, further raising the stability of the system
Keyword:single chip microcomputer;data-acquisition; the hardware watchdog;outage system;serial communication
目录
第一章引言 (1)
1.1 当前加速度测试系统的使用现状及存在缺陷 (1)
1.2 加速度测试系统传统构造 (1)
1.3 论文的预期目标 (3)
第二章系统的硬件组成 (3)
2.1 系统的硬件总体设计 (3)
2.2 A/D转换模块 (5)
2.2.1 A/D转换模块的设计 (5)
2.2.2 数据存储器的扩展 (7)
2.3 键盘显示接口的设计 (7)
2.3.1 8279的介绍 (7)
2.3.2 接口的设计 (10)
2.4 数据传输模块 (11)
2.4.1 CH375芯片简介 (11)
2.4.2 数据传输模块设计 (14)
2.5 看门狗复位电路 (14)
第三章系统的软件实现 (15)
3.1 软件的总体结构 (15)
3.2 数据采集子程序 (17)
3.2.1 采样频率 (17)
3.2.2 数据采集 (18)
3.3 指令采集子程序 (19)
3.3.1 8279的初始化 (19)
3.3.2 指令采集程序的设计 (21)
3.4 数据传输子程序 (21)
第四章系统抗干扰设计 (22)
4.1 干扰源及其传播途径 (23)
4.2 系统抗干扰措施 (24)
第五章结论 (25)
致谢 (26)
参考资料 (27)
附件 (27)
1.引言
1.1当前加速度测试系统的使用现状及存在缺陷
机械在运动时，由于旋转件的不平衡、负载的不均匀、结构刚度的各向异性、间隙、润滑不良、支撑松动等因素，总是伴随着各种振动。
机械振动在大多数情况下是有害的，振动往往会降低机器性能，破坏其正常工作，缩短使用寿命，甚至导致事故。机械振动还伴随着同频率的噪声，恶化环境，危害健康。另一方面，振动也被利用来完成有益的工作，如运输、夯实、清洗、粉碎、脱水等。这时必须正确选择振动参数，充分发挥振动机械的性能。
加速度传感器是目前应用广泛的测量振动与冲击的装置。在航天、航空、常规武器、船舶、交通运输、冶金、机械制造、化工、轻工、生物医学工程、自动检测与计量等技术领域中，已经越来越广泛的应用到传感器，而其中不乏加速度传感器的身影。
从加速度传感器采集到数据后，通过温度偏移纠正电路、电荷放大电路再到数据采集就组成了加速度测试系统。在传统的系统结构中，这些设备往往都是孤立的，不便于携带，同时在测量空间狭小时也很不方便。
1.2加速度测试系统传统构造
现有测试系统的各个组成部分常常以信息流的过程来划分。一般可以分为：信息的获得，信息的转换，信息的显示、信息的处理。作为一个完整的非电量电测系统，也包括了信息的获得、转换、显示和处理等几个部分。因为它首先要获得被测量的信息，把它变换成电量，然后通过信息的转换，把获得的信息变换、放大，再用指示仪或记录仪将信息显示出来，有的还需要把信息加以处理。因此非电量电测系统，具体来说，一般包括传感器(信息的
获得)、测量电路(信息的转换)、放大器、指示器、记录仪(信息的显示)等几部分有时还有数据处理仪器(信息的处理)。它们间的关系可用图1.1的框图来表示。
图1.1测试系统的组成
其中传感器是一个把被测的非电物理变换成电量的装置，因此是一种获得信息的手段，它在非电量电测系统中占有重要的位置。它获得信息的正确与否，直接影响到整个测量系统的测量效果。测量电路的作用是把传感器的输出变量变成易于处理的电压或电流信号，使信号能在指示仪上显示或在记录仪中记录。测量电路的种类由传感器的类型而定。压电加速度传感器常用的测量电路是电荷放大器。
常用的压电加速度传感器的动态测量系统如图1.2所示：
图1.2压电加速度传感器动态测量系统
1.3论文的预期目标
针对目前加速度测试系统存在的缺陷，开发出一种集成加速度测试系统。
论文的预期目标为：
1．设计系统的硬件结构（不包括A/D转换器前端装置）
在硬件方面，要对集成加速度传感器硬件总体进行设计，并对数据采集系统的硬件电路进行设计。系统为一个以80C51 单片机为核心组成的数据采集系统，具有人机对话功能，可选择采集频率、通道等。系统工作时，首先初始化各功能寄存器及8079等外围芯片，而后开始采集，模拟信号经过ADC0809进行A/D 转换变为数字信号送入单片机，然后再送入计算机进行处理。
2．设计系统软件
在软件方面，按程序结构可分为以下两个部分：（1）主程序，使硬件接口和监控程序的各工作单元置成初始状态。（2）中断服务子程序：包括接受键盘指令子程序、数据采集子程序、数据传输子程序等。
3．系统的抗干扰设计
在工业应用环境下，往往存在着系统内在和外界环境的各种干扰。在分析或设计数据采集系统时，必须考虑到可能存在的干扰对电路的影响。所以把抗干扰问题作为系统设计中一个至关重要的内容，贯彻在整个设计工作中，从硬件、软件上采取相应的措施以增强其抗干扰能力。
2.系统的硬件组成
2.1 系统的硬件总体设计
系统的硬件分为两大部分：传感器电路部分和微机主控板部分。系统硬件结构框图如图2.1所示：
图2.1 系统硬件结构示意图
系统工作原理：首先将传感器置入待测设备中，按下复位键迫使系统复位，回到程序开始处。传感器将采集到的数据通过温度补偿电路、电荷放大电路、A/D转换器，在预定的采集频率下将选定通道的数据传到单片机并进行存储。然后再将数据通过USB接口芯片CH375传到计算机系统进行分析和处理。
由于数据的采集和传输是分段进行的，因此第一次的采集频率可能不能满足要求（信号采集过疏，不能反映信号的实际情况；过密，则容易造成存储空间的浪费）。为此，可以进行下一轮数据采集，此时可根据前一轮的情况进行调整，即在系统复位、开始（显示字母P）后按下所选频道开关。后续工作同上。
单片机主控板按功能划分，可以分为以下几个功能模块：
1A/D转换模块
由A/D转换器和80C51单片机构成。系统采用ADC0809作为A/D转换器，将从电荷放大器传来的模拟信号转换为数字信号，再传送给80C51。其
中，ADC的8位通道用到3位，采样频率由软件设定。
2数据传输模块
系统选用通用性较强的USB接口传输。系统选用CH375作为USB接口芯片。CH375与单片机之间采用串行通信方式，当数据采集结束后就可以将数据用USB接口传到计算机了。
3 键盘显示接口模块
硬件中设计了2×8键盘，4个LED显示器，通过8279与80C51相连。通过键盘设定数据采集的通道、频率，并在必要的时候强制复位。显示器用于显示采样过程中的相关参数。
4 看门狗复位电路
系统采用两片CD4040 十二位二进制串行计数器构成的“看门狗”电路，有效避免了系统运行过程中程序的跑飞或者由于外界干扰所造成的死机现象。
2.2 A/D转换模块
2.2.1 A/D转换模块的设计
此模块用于将模拟信号转换为数字信号。采用8位A/ D转换器ADC0809 实现模/ 数转换。ADC0809 是8 路8 位逐次逼近式A/ D 转换器,它能分时地对8路模拟量信号进行A/ D转换,结果为8位二进制数据, 其转换速度约为100μs, 分辨率为19mV。ADC0809 是CMOS集成电路,可与单片机的数据总线直接相连,而且有8 路模拟开关,可以直接连接8个模拟量,实现多路转换功能（方案只用到3个通道）。并且它与单片机的接口简单,使用方便。ADC0809与80C51 单片机的连接如图2.2所示,分别为：
(1) ADC0809 的时钟CL K由80C51 的地址锁存端AL E信号经过二分频
后产生。
(2) ADC0809 的数据线D0～D7与单片机的数据总线直接相连。
(3) ADC0809 的地址选择端ADDA、ADDB、ADDC 与80C51 的数据总线AD0、AD1、AD2直接相连。
(4) ADC0809 的A/ D 转换结束信号EOC 接80C51的1
INT接口。
(5) ADC0809 地址锁存信号和起动信号START 接在一起,并经过反相器与80C51的写信号WR相连,80C51读信号端RD经反相器与0809 的OE 端相连,完成输出允许控制,读写控制均由译码器的2
Y控制。
对A/ D转换结果的读出采用中断方式,即EOC经反相器接至80C51的1
INT 接口，每次通过写信号起动A/ D转换后,EOC 呈高电平,表明A/ D转换结束,
于是启动中断1将数据读入80C51 的RAM区Array
图2.2 A/D转换模块与80C51的接口电路
2．2．2 数据存储器的扩展
由于80C51单片机系统只有80B的数据缓冲器，需要扩展片外存储器。
根据一般经验，采用2片6264芯片扩展数据存储器。单片机与6264的连接
电路如图2.3：
图2.3 数据存储器的扩展图
2.3 键盘显示接口的设计
2.3.1 8279的介绍
Intel8279是一种通用的可编程键盘显示器接口器件，单个芯片就能完成键盘输入和七段显示器控制两种功能。8279的内部结构如图2.4所示。
1、I/O控制和数据缓冲器
数据缓冲器是双向缓冲器，连接内部总线和外部数据总线7
D,用于
~
0D
传送CPU和8279之间的命令、状态和数据。
I/O控制线是CPU对8279进行控制的引线。CS是片选信号，当CS为低电平时，8279才允许读出或写入信息。A0用于区别信息的特征，当A0＝1时，CPU 写入8279的信息为命令，CPU从8279读出的信息为8279的状态；当A0=0时，写入和读出的信息都为数据。RD和WR是读、写控制信号，是8279数据缓冲器
从外部总线接收数据或向外部总线发送数据。
图2.4 8279内部结构框图
2、控制逻辑
控制和定时寄存器用来寄存键盘和显示器的工作方式及由CPU编程的其他操作方式。这些寄存器一旦接收并锁存送来的命令，就通过译码产生相应的信号，从而完成相应的控制功能。
定时和控制包含一些计数器，其中有一个5位计数器，对CLK引线输入的时钟信号进行分频，产生kHz
100的定时信号，然后再经过分频为键盘扫描提供适当的逐行扫描频率和显示扫描时间。
RESET是复位输入线，高电平有效。BD是消隐输出线，低电平有效，当显示器切换时或使用显示消隐命令时，显示器将消隐。
3、扫描计数器
扫描计数器有编码和译码两种工作方式。按编码方式工作时，扫描计数器的状态从SL0～SL3输出，通过外部译码器，可以外接16位显示器和8×8键盘；按译码方式工作时，扫描计数器的低2位的状态从SL0～SL3输出，状态为
00，SL0输出低电平，SL1～SL3输出高电平；状态为01，SL1输出低电平，其他输出高电平；状态为10，SL2输出低电平，其他输出高电平；状态为11，SL3输出低电平，其他输出高电平。此时只能外接4位显示器和4×8键盘。
4、键输入控制和FIFO（先进先出）RAM
这部分电路可以完成对键盘的自动扫描，锁存RL0～RL7的输入信息，搜索闭合键，去除键抖动，并将键输入数据写入先进先出存储器（FIFO RAM）。8279具有8个字节先进先出的键输入寄存器。当FIFO RAM中存有键盘上闭合键的键码时，IRQ变为高电平，向CPU请求中断；当CPU从FIFO RAM中读取数据时，IRQ变为低电平。若RAM中仍有数据，则IRQ再次恢复高电平；当CPU将RAM中的输入键数据全部读出时，IRQ下降为低电平。
在键盘扫描方式中，从8279的FIFO RAM中读出的8位键输入数据按表2.1格式存放：
表2.1 8279的FIFO RAM中8位数据存放格式
CNTL/STB和SHIFT为控制键输入线，通常用来扩充键的控制功能。
5、显示RAM和显示地址寄存器
8279中有16个字节的显示器存储器。CPU将段数据写入显示存储器，存储的显示数据轮流从显示寄存器输出。CPU将显示数据写入显示存储器有左端送入和右端送入两种方式。左端送入为依次填入方式；右端送入为移位方式。显示寄存器分为A、B两组，OUTA0～OUTA3和OUTB0～OUTB3可以单独传送数据，也可以合送一个8位的二进制数据。
显示地址寄存器用来寄存由CPU进行读/写显示RAM的地址，它可以由命令设定，也可以设置成每次读出或写入之后自动递增。
2.3.2 接口的设计
键盘和显示器的控制采用可编程键盘/ 显示器接口8279 。8279 能对显
示器自动扫描,能识别键盘上闭合键的键号,它独立于CPU 工作,可以大大地
提高CPU 的工作效率。在工作时,将IRQ经反相器接至80C51的0
INT。当IRQ 为高电平时，接受用户按键的响应,并根据键盘的功能作出相应的处理。
为了便于用户操作，设了一个8×2 的键盘，其中包括数据采集控制键、数据传输控制键、复位键、0～2 的3 路通道选择数字键以及频率选择数字键（6个）。
显示器选用四位七段L ED 数码管完成数据的显示，其中一位用来显示通道号（三个），一位用来显示采集频率段（六段），另外两位用来显示存储地址（高位）
8279 与80C51 单片机的连接分别为：
(1) 8279 的数据线D0～D7与80C51 的AD0～AD7直接相连。
(2) 8279 的读/ 写RD、WR信号由80C51 的RD、WR信号直接提供。
(3) 8279 的片选信号CS 由80C51 的引脚（P2.5~P2.7）通过译码器
74LS138的3
Y时,可对8279 进行读写。
Y控制,当3
8279与单片机接口如图2.5所示。
图2.5 单片机与8279的接口电路
2.4 数据传输模块
2.4.1 CH375芯片简介
1、概述
CH375 是一个USB总线的通用接口芯片，支持USB-HOST主机方式和USB-DEVICE/SLAVE 设备方式。在本地端，CH375 具有8 位数据总线和读、写、片选控制线以及中断输出，可以方便地挂接到单片机/DSP/MCU/MPU等控制器的系统总线上。在USB 主机方式下，CH375还提供了串行通讯方式，通过串行输入、串行输出和中断输出与单片机/DSP/MCU/MPU 等相连接。
CH375 的USB 设备方式与CH372 芯片完全兼容，CH375 包含了
CH372 的全部功能。
CH375 的USB主机方式支持常用的USB全速设备，外部单片机可以通过CH375按照相应的USB 协议与USB 设备通讯。CH375 还内置了处理Mass-Storage 海量存储设备的专用通讯协议的固件，外部单片机可以直接以扇区为基本单位读写常用的USB 存储设备（包括USB 硬盘/USB 闪存盘/U 盘）。
2、特点
﹡全速USB-HOST 主机接口，兼容USB V2.0，外围元器件只需要晶体和电容。
﹡主机端点输入和输出缓冲区各64 字节，支持常用的12Mbps 全速USB 设备。
﹡支持USB 设备的控制传输、批量传输、中断传输。
﹡自动检测USB 设备的连接和断开，提供设备连接和断开的事件通知。
﹡内置控制传输的协议处理器，简化常用的控制传输。
﹡通过U 盘文件级子程序库实现单片机读写USB 存储设备中的文件。
﹡并行接口包含8 位数据总线，4 线控制：读选通、写选通、片选输入、中断输出。
﹡串行接口包含串行输入、串行输出、中断输出，支持通讯波特率动态调整。﹡支持5V 电源电压和3.3V 电源电压，CH375A 芯片还支持低功耗模式。﹡采用SOP-28 封装，可以提供SOP28 到DIP28 的转换板。
3、封装
图2.6 CH375引脚图
表2.2 CH375封装说明
4、引脚
表2.3 CH375引脚说明
2.4.2 数据传输模块设计
数据的传输采用 USB 接口芯片CH375。图2.7 给出了80C51单片机读写U 盘的电路原理图，如果CH375芯片的TXD 引脚悬空或者没有通过下接电阻接地，那么CH375工作于串口方式。在串口方式下，CH375只需要与单片机连接2路信号线，TXD 引脚和RXD 引脚，其他引脚都可以悬空。
图2.7 CH375在单片机读写U 盘中的电路原理图
2.5 看门狗复位电路
利用两片CD4040 十二位二进制串行计数器构成的“看门狗”电路如图2.8
所示。计数器在下降沿进行计数,将RESET 输入端置于高电平或正脉冲,可使计数器的输出全部为低电平。若单片机时钟振荡频率fosc =6MHz, ALE 输出的频率为1/6fosc, 则ALE 信号周期为1μs, 第一个计数器Q12 端脉冲出现
时间为1μs×212=4.096ms, 第二个计数器Q8 端的脉冲出现时间为4.096ms ×28=1.048s。测控系统应用程序在循环过程中, P1 口的P1.3 发出定时周期小于1.048s 清零脉冲信号, 就能保证第二个计数器Q8 端输出为零, 不影响测控系统的正常运行。当测控系统受到干扰进入死循环, P1 口的P1.3 不能正常送出清零信号超过1.048s 时, 第二个计数器的Q8 端输出高电平产生复位信号使测控系统复位并脱离死循环。
图2.8 计数器型“看门狗”电路
3.系统的软件实现
3.1 软件的总体结构
主程序是系统的监控程序，主要对系统中的各部分进行初始化工作，使整个系统在上电后进入初始化状态，并监控系统按照设计者的设计意图进行工作。主要工作流程是：系统在上电后首先完成CPU 和外部端口的初始化，显示器显示“字母P”，表示程序开始，此时进入等待键盘接口中断状态，若
某功能键被按下，则转相应键功能处理子程序，若“COLL”键及“COLLECT1”~“COLLECT6”中任意键被按下则开外部中断进行数据采集并进行A/D转换，然后调用数据处理子程序，并由LED显示通道和采集频段号等信息。
软件采用模块化结构设计，各种功能都由相应的子程序完成，系统软件主要由以下几部分组成：
１）数据采集子程序；
２）指令采集处理子程序；
３）数据传输子程序；
系统软件总体结构如图3.1所示：
图3.1系统软件总体结构图