电解铝烟气净化集散控制系统毕业设计论文Word文件下载.docx
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SPCE061A;
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第一章引言
随着电子测量技术与计算机技术的发展，面对各种检测对象和大量的测试点，需要利用数据采集系统将多路被测量转化为数字量，再经过单片机或微型计算机进行数据处理，实现实时测量。
目前，数据采集系统正朝着集成化、单片机系统化的方向发展。
单片机数据采集系统的典型代表有美国加恒公司生产的TC534，美国TI公司的MSC1201Y2/1201Y3/1201Y4/1201Y5型噪声极低的多通道单片机系统以及CY8C26****系列可编程单片系统（PSOC）。
中国台湾SinoStar公司开发的SCX501/SCX502系列单片系统。
伴随着测控技术的迅猛发展，以嵌入式计算机为核心的数据采集系统已经在测控领域中占到了统治地位。
并且由于测量的对象和环境的不同，数据采集的设计有不同的侧重点，但是不外乎这几个方面：
超高速数据采集系统、低功耗数据采集系统、便携式数据采集系统或者它们中的不同组合系统。
数据采集系统是被测对象与微机之间的通道，因为微机只能接受数字信号，而被测对象常常是一些非电量，所以，数据采集系统的前一环节是通过传感器感受被测对象，后一环节是将模拟信号放大转换为数字信号。
再实际数据采集中，实际上往往要对多个信号进行采集，这些信号有可能是相同的物理量也可能不同，这就需要设计出一个多路数据采集系统，来满足对多通道数据的采集和存储。
本设计是以台湾凌阳公司的16位单片机SPCE061A为核心芯片设计的一个简单的数据采集系统。
本设计主要是针对模拟信号调理电路部分、数据采集部分的设计。
第二章数据采集系统综述
2.1数据采集的意义与作用
数据采集“是指将温度、压力、流量、位移等模拟量采集、转换成数字量后，再由微处理器进行储存、处理、显示或打印的过程。
相应的系统称为数据采集系统。
随着计算机技术的飞速发展和普及，数据采集系统也迅速的得到应用。
再生产过程中，应用这一系统可对生产现场的工艺参数进行采集、监视和记录，为提高产品质量、降低成本提供信息和手段。
在科学研究中，应用数据采集系统可获得大量的动态信息，是研究瞬时物理过程的有力工具。
总之，不论在哪个领域中，数据采集与处理越及时，工作效率就越高，取得的经济效益就越大。
数据采集系统的任务，具体的说，就是采集传感器输出的模拟信号并转换成微处理器能够识别的数字信号，然后送入微处理器，根据不同的需要由微处理器进行相应的计算和处理，得出所需的数据。
与此同时，将计算机得到的数据进行显示或打印，以便实现对某些物理量的监视，其中一部分数据还被生产过程中的微型计算机控制系统用来控制某些物理量。
数据采集系统性能的好坏，主要取决它的精度和速度。
再保证精度的前提下，要尽可能提高采样速度。
2.2数据采集系统的结构形式
数据采集系统主要由硬件和软件两部分组成。
从硬件方面来看，目前的数据采集系统的主要结构形式有两种，一种是微型计算机的数据采集，另外一种是集散型数据采集系统。
微型机算计采集系统是由传感器，程控放大器，采样/保持器，A/D转换器，计算机以及外设等部分组成。
集散型采集控制系统是计算机网络技术的产物，它是由若干个数据采集站和一台上位机以及通讯线路组成。
数据采集站一般是由单片机数据采集装置组成，位于生产设备附近，可独立完成数据的采集和预处理任务，还可以数字信号的形式传送给上位机。
上位机一般为PC486或者PC586计算机，配置有打印机和绘图机。
上位机用于将各个数据采集站送来的数据集中显示在显示器上或被打印机印成各种报表或以文件形式存储在磁盘上。
此外，还可将系统的参数发送给各个数据采集站，以调整数据采集的工作状态。
数据采集站与上位机之间通常采用异步串行方式传送数据，数据通道通常采用主从方式，由上位机确定与哪一个数据采集站进行数据传送。
2.3数据采集系统的基本功能
由数据采集系统的任务可以知道，数据采集系统具有以下几方面的功能。
2.3.1数据采集
微处理器按照预先选定的周期，对输入到系统的模拟信号进行采样，有时还要对数字信号、开关信号进行采样。
数字信号和开关信号不受采样周期的限制，当这类信号到来时，由相应程序负责处理。
2.3.2模拟信号处理
模拟信号是指随时间连续变化的信号，这些信号在规定的一段时间内，其幅值为连续值，既从一个量变到下一个量时中间没有间断，如正弦信号。
模拟信号有两种类型：
一种是由各传感器获得的低电平信号；
另一种是由仪器、变送器输出的0到20MA或4到20MA的电流信号。
这些模拟信号经过采样和A/D（模/数）转换输入到微处理器后，常常要进行数据正确性判断、标度变换、线形化等处理。
模拟信号非常便于传送，但它对干扰信号很敏感，容易使传送中的信号的幅值相位等发生畸变。
因此，有时还要对模拟信号做零漂修正、数字滤波等处理。
2.3.3数字信号处理
数字信号是指在有限的离散瞬时上取值间断的信号。
在二进制系统中，数字信号是由有限字长的数字组成，其中每位数字不是0就是1这可由脉冲的有无来体现。
数字信号的特点是，它只代表某个瞬时的量值，不是连续的信号。
数字信号是由某些类型的传感器或仪器输出，它在线路上的传送形式有两种：
一种是并行方式传送；
另一种是串行方式传送。
数字信号对传送线路上的不完善性（畸变、噪声）不敏感，这是因为只需检测脉冲的有无来获取信号，至于信号的精确度（幅值、连续时间）是无关紧要的。
数字信号输入到微处理器后，常常需要进行码制转换的处理，如BCD码转换成ASCII码，以便显示数字信号。
2.3.4开关信号处理
开关信号主要由各种开关器件，如按扭开关、行程开关和继电器触点等。
开关信号的处理主要是监测开关器件的状态变化。
2.3.5二次数据计算
把直接由传感器采集到的数据称为一次数据，通过对一次数据进行某种数学运算而获得的数据称为二次数据。
二次数据计算主要有平均、累计、变化率、差值、最大值和最小值等
2.3.6数据存储
数据存储就是按照一定的时间间隔，定期将某些重要数据存储在外部存储器上。
2.3.7人机联系
人机联系是指操作人员通过键盘和LED显示装置与数据采集系统对话对系统的运行方式、采样周期等参数进行设制。
第三章系统硬件电路设计
3.1系统结构图
图3.1系统结构图
图3.1为系统结构图，它分为多路转换开关cd4052、放大器、凌阳61单片机、LED显示器，其中凌阳61单片机是数据采集系统的重点。
3.2硬件连接图
图3.2硬件连接图
3.3热电偶与cd4052的连线图
图3.3热电偶与cd4052
的连线图
其中1号热电偶为S型热电偶、2号热电偶为K型热电偶、3号热电偶为E型热电偶、4号热电偶为B型热电偶
3.3多路转换开关cd4052
CD4052的引脚功能见图3.4。
CD4052相当于一个双刀四掷开关,具体接通哪一通道,由输入地址码AB来决定。
其真值表见表1。
图3.4CD4052引脚功能图
表1：
CD4052真值表
输入状态
接通通道
INH
B
A
X0,Y0
1
X1,Y1
X2,Y2
X3,Y3
-
均不接通
本设计是通过凌阳61板的IOB2、IOB3口控制cd4052的A、B引脚来改变采集通道的，四个不同类型的热电偶的连接如图3.3所示
3.4通用放大电路
图3.5通用放大器电路图
图3.5为通用（直接耦合）放大电路。
+INP、-INP为输入信号端，可以接热电偶输出信号或其它传感器输出的毫伏信号，经E1、C1滤波以消除高频干扰，W1为放大电路的调零电位器，W2为放大电路的调满电位器，可根据需要将放大电路的输出电压+V、-V调至2V或5V，该电路具有高输入阻抗和高共模抑制比的特点，差动输入，差动输出；
调零和调满相互独立，互不干扰。
这样既可减少电路调节的工作量，又可提高调节精度。
我们在具体应用时，放大器选用具有低温漂、低失调电压、低偏置电流的OP07，考虑到5V的电压输出，放大器的电源采用±
8V，W1、W2选用精密多圈电位器，电阻也精心挑选，特别是R3、R4、R6、R7要一致，以确保高共模抑制比
3.5SPCE061A简介
随着单片机功能集成化的发展，其应用领域也逐渐地由传统的控制，扩展为控制处理、数据处理以及数字信号处理等领域。
凌阳的16位单片机就是为适应这种发展而设计的。
它的CPU内核采用凌阳最新推出的µ
’nSP™16位微处理器芯片（以下简称µ
’nSP™）。
围绕µ
’nSP™所形成的16位µ
’nSP™系列单片机采用的是模块式集成结构，它以µ
’nSP™内核为中心集成不同规模的ROM、RAM和功能丰富的各种外设接口部件，如图3.6所示。
图3.6µ
’nSP™系列单片机模块式集成结构
µ
’nSP™内核是一个通用的核结构。
除此之外的其它功能模块均为可选结构，亦即这种结构可大可小或可有可无。
借助这种通用结构附加可选结构的积木式的构成，便可形成各种不同系列派生产品，以适合不同的应用场合。
这样做无疑会使每一种派生产品具有更强的功能和更低的成本。
’nSP™家族有以下特点:
体积小、集成度高、可靠性好且易于扩展
’nSP™家族把各功能部件模块化地集成在一个芯片里，内部采用总线结构，因而减少了各功能部件之间的连线，提高了其可靠性和抗干扰能力。
另外，模块化的结构易于系统扩展，以适应不同用户的需求。
具有较强的中断处理能力
’nSP™家族的中断系统支持10个中断向量及10余个中断源，适合实时应用领域。
高性能价格比
’nSP™家族片内带有高寻址能力的ROM、静态RAM和多功能的I/O口。
另外，µ
’nSP™的指令系统提供具有较高运算速度的16位×
16位的乘法运算指令和内积运算指令，为其应用增添了DSP功能，使得µ
’nSP™家族运用在复杂的数字信号处理方面既很便利，又比专用的DSP芯片廉价。
功能强、效率高的指令系统
’nSP™指令系统的指令格式紧凑，执行迅速,并且其指令结构提供了对高级语言的支持,这可以大大缩短产品的开发时间。
低功耗、低电压
’nSP™家族采用CMOS制造工艺，同时增加了软件激发的弱振方式、空闲方式和掉电方式，极大地降低了其功耗。
’nSP™家族的工作电压范围大，能在低电压供电时正常工作，且能用电池供电。
这对于其在野外作业等领域中的应用具有特殊的意义。
SPCE061A是继µ
’nSP™系列产品SPCE500A等之后凌阳科技推出的又一款16位结构的微控制器。
与SPCE500A不同的是，在存储器资源方面考虑到用户的较少资源的需求以及便于程序调试等功能，SPCE061A里只内嵌32K字的闪存（FLASH）。
较高的处理速度使µ
’nSP™能够非常容易地、快速地处理复杂的数字信号。
因此，与SPCE500A相比，以µ
’nSP™为核心的SPCE061A微控制器是适用于数字语音识别应用领域产品的一种最经济的选择。
3.5.1性能
16位µ
’nSP™微处理器；
工作电压（CPU）VDD为2.4到3.6V（I/O）VDDH为2.4到5.5V
；
CPU时钟：
0.32MHz到49.152MHz；
内置2K字SRAM；
内置32KFLASH；
可编程音频处理；
晶体振荡器;
系统处于备用状态下（时钟处于停止状态），耗电仅为2µ
A*3.6V；
2个16位可编程定时器/计数器（可自动预置初始计数值）；
2个10位DAC（数-模转换）输出通道；
32位通用可编程输入/输出端口；
14个中断源可来自定时器A/B，时基，2个外部时钟源输入，键唤醒；
具备触键唤醒的功能；
使用凌阳音频编码SACM_S240方式（2.4K位/秒），能容纳210秒的语音数据；
锁相环PLL振荡器提供系统时钟信号；
32768Hz实时时钟；
7通道10位电压模-数转换器（ADC）和单通道声音模-数转换器；
声音模-数转换器输入通道内置麦克风放大器和自动增益控制（AGC）功能；
具备串行设备接口；
具有低电压复位（LVR）功能和低电压监测（LVD）功能；
内置在线仿真电路ICE（In-CircuitEmulator）接口；
具有保密能力；
具有WatchDog功能。
3.5.2SPCE061A的结构图
图3.7SPCE061A的结构图
3.5.3应用领域
家用电器控制：
冰箱、空调、洗衣机等白色家电
仪器仪表：
数字仪表（有语音提示功能）
电表、水表、煤气表、暖气表
工业控制
智能家居控制器
通讯产品：
多功能录音电话、自动总机、语音信箱、数字录音系统产品
医疗设备、保健器械（电子血压计、红外体温检测仪）
体育健身产品（跑步机等）
电子书籍（儿童电子故事书类）、电教设备等
语音识别类产品（语音识别遥控器、智能语音交互玩具等）
三.1SPCE061A单片机硬件结构
从结构图中可看出SPCE061A的结构比较简单其芯片内部集成了ICE（在线实时仿真/除错器）、FLASH（闪存）、SRAM（静态内存）、通用I/O端口、定时器/计数器、中断控制、CPU时钟锁相环（PLL）、ADC（模拟数字转换器）、DAC（数字模拟转换器）输出、UART（通用异步串行输入输出接口）、SIO（串行输入输出接口）、低电压监测/低电压复位等模块，各个模块之间存在着直接或间接的关系
3.6.1µ
’nSP™的内核
’nSP™的核心由总线、ALU算术逻辑运算单元、寄存器组、中断系统及堆栈等部分组成。
其结构如图3.8所示
图3.8µ
’nSP™的内核结构
和大多数单片机一样，µ
’nSP™与大多数CPU一样，提供了基本的算术运算与逻辑操作指令，加法、减法、比较、补码、异或、或、与、测试、写入、读出等16位算术逻辑运算及数据传送操作。
只要稍加留意就可以看见µ
’nSP™的移位器shifter就串接在ALU的前面，也就是说，操作数在经过移位处理后，马上会进入ALU进行算数逻辑运算。
所以，µ
’nSP™的移位指令都是复合式指令，一个指令会同时完成移位和算术逻辑运算。
程序设计者可利用这些复合式的指令，撰写更精简的程序代码，进而增加程序代码密集度（CodeDensity）。
在微控制器应用中，如何增加程序代码密集度是非常重要的问题；
提高程序代码密集度可以减少程序代码的大小，进而减少ROM或FLASH的需求，以降低系统成本与增加执行效能。
除了普通的16位算数逻辑运算指令外，µ
’nSP™还提供了高速的16位16位乘法运算指令MUL，和16位内积运算指令MULS。
二者都可以用于有符号数相乘（signedsigned）或无符号数与有符号数相乘（unsignedsigned）的运算。
在µ
’nSP™ISA1.1指令集下，MUL指令只需花费12个时钟周期，MULS指令花费10n+6个时钟周期，其中n为乘加的项数。
例如：
“MR=[R2]*[R1]，4”表示求4项乘积的和，MULS指令只需花费46（10×
4+6=46）个时钟周期。
这两条指令大大的提升了µ
’nSP™的数字信号处理能力。
’nSP™CPU的寄存器组一共有8个16位寄存器，可分为通用寄存器和专用寄存器两大类别。
通用寄存器包括：
R1~R4，作为算术逻辑运算的来源及目标寄存器。
专用寄存器包括SP、BP、SR、PC，是与CPU特定用途相关的寄存器。
3.6.2SPCE061A片内存储结构
SPCE061A的内存地址映像如图3.9所示。
芯片内的内存有2K字的SRAM（包括堆栈区）和32K字闪存（FLASH），其地址范围从0x0000到0x07FF。
前64个字，即0x0000～0x003F地址范围内，可采用6位地址直接地址寻址方法，存取速度为2个CPU时钟周期；
其余范围内（0x0040～0x07FF）内存的存取速度则为3个CPU时钟周期。
SPCE061A是一个用闪存替代maskROM的MTP（multi-time-programmable）芯片，闪存可以进行多次的擦除与写入，可用来存储程序与数据。
SPCE061A具有32K字（32K×
16位）闪存容量，这32K字的内嵌闪存被划分为128个页，每个页存储容量为256个字。
它们在CPU正常运行状态下均可通过程序擦除或写入。
全部32K字闪存均可在ICE工作方式下被写入或被擦除。
图3.9SPCE061A片内存储结构
堆栈
SP是用来记录堆栈地址的寄存器，SP会指向堆栈的顶端。
堆栈是一个先进后出的内存结构，µ
’nSP™的堆栈结构是由高地址往低地址的方向来储存的。
CPU执行push、子程序、呼叫call、以及进入中断服务子程序时，会储存寄存器内容在堆栈里，这时SP会递减以反映堆栈用量的增加。
当CPU执行pop、子程序返回ret、以及从ISR返回reti时，SP会递增以反映堆栈用量的减少。
’nSP™堆栈的大小限制在2K字的SRAM内，即地址为0x000000~0x0007FF的内存范围中。
SPCE061A系统复位后，SP初始化为0x07FF，每执行push指令一次，SP指针减一，其结构如图3.10
图3.10堆栈
3.6.3SPCE061A输入/输出接口
输入/输出接口（也可简称为I/O端口）是单片机与外设交换信息的通道。
输入端口负责从外界接收检测信号、键盘信号等各种开关量信号。
输出端口负责向外界传送由内部电路产生的处理结果、显示信息、控制命令、驱动信号等。
’nSP™内有并行和串行两种方式的I/O口。
并行口线路成本较高，但是传输速率也较高；
与并行口相比，串行端口的传输速率较低但可以节省大量的线路成本。
SPCE061A有两个16位的通用并行I/O口：
A口和B口。
这两个端口的每一位都可通过编程单独定义成输入或输出口。
A口的IOA0~IOA7作为输入端口时，具有唤醒功能，即当输入电平发生变化时，会触发CPU中断。
在电池供电、追求低耗电的应用场合，可以让CPU进入睡眠模式（利用软件控制）以降低功耗，需要时才以按键来唤醒CPU，使其进入工作状态。
手持遥控器、电子字典、PDA、计算器、无线电话等。
IO端口结构
SPCE061A提供了位控制结构的I/O端口，每一位都可以单独用于数据输入或输出。
每个独立的位可通过以下3种控制向量来作设定：
1.数据向量Data；
2.属性向量Attribution；
3.方向控制向量Direction，每3个对应的控制向量组合在一起，形成一个控制字，用来定义相对应I/O端口位的输入输出状态和方式。
例如，假设需要IOA0是下拉输入引脚，则相对应的Data、Attribution和Direction的值均被设为“0”。
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