梁應(yīng)選， 楊明亮

(陜西理工學(xué)院(北區(qū))機(jī)械工程學(xué)院，陜西漢中723003)

0 引言

數(shù)顯式百分表大多采用容柵式傳感器，但由于大多未帶微機(jī)接口，使其應(yīng)用受到限制。國(guó)內(nèi)學(xué)者就如何應(yīng)用容柵式傳感器和單片機(jī)構(gòu)建檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了研究，并取得了一定的研究和應(yīng)用成果［1-2］。但大多都遵循:傳感器原理介紹→系統(tǒng)硬件構(gòu)建→軟件編程等基本思路。以上思路固然無(wú)誤，但對(duì)于一線技術(shù)開發(fā)人員或單片機(jī)開發(fā)和應(yīng)用的初學(xué)者來說，往往造成的結(jié)果是看得懂，做起來難。本文提出了結(jié)合容柵傳感器原理，先用數(shù)字示波器對(duì)數(shù)顯百分表輸出信號(hào)(CLK信號(hào)、Date信號(hào))進(jìn)行觀察，結(jié)合觀測(cè)到的信號(hào)加深對(duì)原理的理解，再結(jié)合原理介紹中數(shù)據(jù)信號(hào)的采樣過程，著重分析數(shù)顯百分表實(shí)際顯示數(shù)據(jù)與實(shí)際記錄的二進(jìn)制數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合已有報(bào)道的容柵式傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)成功的經(jīng)驗(yàn)就如何利用數(shù)顯百分表為前端傳感器，AT89S52單片機(jī)做為主控單元構(gòu)建一個(gè)硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的檢測(cè)系統(tǒng)，進(jìn)行方案論證，并擇優(yōu)方案，最終設(shè)計(jì)構(gòu)建出較為理想的智能檢測(cè)系統(tǒng)。

1 容柵式傳感器輸出信號(hào)分析

容柵式傳感器輸出的電容信號(hào)經(jīng)過容柵集成極芯片的處理可轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)輸出。其中輸出信號(hào)有4根線，分別為電源線(+1.5 V)、地線(0 V)、時(shí)鐘控制線(CLK)和串行數(shù)據(jù)輸出線(Date)［3-4］。

CLK為同步時(shí)鐘信號(hào)，在一次數(shù)據(jù)傳送中，開始為54μs的高電平，表示數(shù)據(jù)即將開始傳送。接下來是Date輸出兩組各有24個(gè)寬度為13μs的窄脈沖，前組為絕對(duì)數(shù)據(jù);后組為相對(duì)數(shù)據(jù)。前后兩組數(shù)據(jù)之間有110μs的高電平作為間隔;最后是75μs的高電平，以示數(shù)據(jù)傳送結(jié)束，其輸出波形如圖1所示。

Date信號(hào)為數(shù)據(jù)信號(hào)，它包含了傳感器的位移信息。在數(shù)據(jù)采樣時(shí)，容柵芯片在CLK信號(hào)窄脈沖的下降沿對(duì)Date信號(hào)進(jìn)行采樣，先后采樣兩組24位絕對(duì)數(shù)據(jù)和相對(duì)數(shù)據(jù)。

CLK時(shí)鐘脈沖串的第1組對(duì)應(yīng)的信號(hào)是包含基準(zhǔn)0的絕對(duì)數(shù)據(jù);第2組是減去基準(zhǔn)0后的實(shí)際的位移值，為相對(duì)數(shù)據(jù)。絕對(duì)數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)范圍從000000H～FFFFFFH;相對(duì)數(shù)據(jù)有正負(fù)區(qū)分，可以進(jìn)行清零。數(shù)據(jù)采用二進(jìn)制編碼，低位在前，高位在后，最后位為符號(hào)位，數(shù)據(jù)采集以時(shí)鐘線每次CLK信號(hào)負(fù)跳變時(shí)刻為準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。以上信號(hào)為非標(biāo)準(zhǔn)串行碼，幅值均為1.5 V。絕對(duì)數(shù)據(jù)不能清零(含基準(zhǔn)0)，相對(duì)數(shù)據(jù)可以清零，故本次我們將直接讀取相對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究。

2 數(shù)字示波器對(duì)輸出數(shù)據(jù)分析

2.1 數(shù)據(jù)的讀取

在數(shù)字示波器上可以觀察到如圖1所示數(shù)顯百分表輸出波形信號(hào)［5-6］，CLK一個(gè)脈沖下降沿就可以讀對(duì)應(yīng)這個(gè)脈沖寬度內(nèi)的Date數(shù)據(jù)的狀態(tài)(高電平為1，低電平為0)。表1、2為測(cè)量時(shí)讀到的相對(duì)數(shù)據(jù)的二進(jìn)制。

圖1 容柵式傳感器輸出脈沖時(shí)序圖

2.2 數(shù)據(jù)分析處理

由表1、2可以看出，正數(shù)標(biāo)定的系數(shù)為非常數(shù);而負(fù)數(shù)的標(biāo)定系數(shù)為常數(shù)。進(jìn)一步觀察可以發(fā)現(xiàn)，傳感器輸出的相對(duì)數(shù)據(jù)為正數(shù)時(shí)，其二進(jìn)制最高位都是“1”，負(fù)數(shù)的最高位都是“0”，如果給正數(shù)二進(jìn)制取反，那么就會(huì)得到表3中的數(shù)據(jù)。

取反后可發(fā)現(xiàn)，正數(shù)標(biāo)定的系數(shù)為常數(shù)。標(biāo)定系數(shù)是用數(shù)顯表顯示的值除以傳感器正數(shù)的相對(duì)數(shù)據(jù)取反后的值(負(fù)數(shù)直接讀取的相對(duì)數(shù)據(jù))。在后續(xù)的軟件編程時(shí)將數(shù)顯表的實(shí)際值擴(kuò)大1 000倍變成整數(shù)，即將標(biāo)定系數(shù)擴(kuò)大1 000倍定為0.124，這樣便于數(shù)據(jù)處理顯示時(shí)數(shù)據(jù)的拆分。在數(shù)據(jù)采集編程時(shí)，首先判斷完讀取的數(shù)據(jù)的正負(fù)號(hào)(最高位為1是正號(hào)，最高位為0是負(fù)號(hào))后，再選擇是否需要取反，再經(jīng)過單片機(jī)對(duì)采集數(shù)據(jù)處理，最后就可直接顯示采集數(shù)據(jù)的正負(fù)及大小。

表1 直接讀取的傳感器的相對(duì)數(shù)據(jù)(正數(shù))

表2 直接讀取的傳感器的相對(duì)數(shù)據(jù)(負(fù)數(shù))

表3 對(duì)正數(shù)的相對(duì)數(shù)據(jù)取反后的數(shù)據(jù)

3 傳統(tǒng)測(cè)量系統(tǒng)硬件方案的論證

圖2為現(xiàn)有文獻(xiàn)報(bào)道的測(cè)量系統(tǒng)方案。它由3片8位移位寄存器接收24位數(shù)據(jù)信號(hào)，通過片選控制分3次讀入結(jié)果，為了準(zhǔn)確無(wú)誤地讀取信號(hào)，必須使單片機(jī)在進(jìn)入第2組數(shù)據(jù)時(shí)就產(chǎn)生中斷讀取數(shù)據(jù)。為了告訴單片機(jī)鎖存完畢進(jìn)行正確的讀取還須分離出鎖存信號(hào)。系統(tǒng)通過中斷的方式對(duì)容柵式傳感器數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行分組，它由單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器產(chǎn)生的外部中斷進(jìn)行控制，當(dāng)產(chǎn)生中斷后就讀取單片機(jī)I/O口的數(shù)據(jù);當(dāng)串行數(shù)據(jù)經(jīng)移位寄存器轉(zhuǎn)化為并行數(shù)據(jù)后經(jīng)鎖存器鎖存，這時(shí)所有的24 bit可以全部通過單片機(jī)的某一I/O口，然而單片機(jī)只有8 bit口，系統(tǒng)則用片選法來控制數(shù)據(jù)的讀入，單片機(jī)的另一I/O口分別與3片鎖存器相連，在讀取數(shù)據(jù)時(shí)選通相應(yīng)的鎖存芯片［7-9］。這種方案無(wú)疑是可行的，然而大部分工作靠硬件完成，沒有充分利用軟件的功能，測(cè)量系統(tǒng)硬件組成相對(duì)復(fù)雜，硬件成本較高。

圖2 傳統(tǒng)方案框圖

4 改進(jìn)后測(cè)量系統(tǒng)硬件方案的論證及擇優(yōu)

4.1 方案一

方案一框圖如圖3所示，將從傳感器出來的信號(hào)(CLK和Data)進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換后，分別送入單片機(jī)的2個(gè)I/O(假如CLK 接 P1.5，Data接 P1.4)。數(shù)據(jù)采集程序要解決的主要問題是確定數(shù)據(jù)采集的起始條件。根據(jù)圖1可知，容柵芯片在CLK信號(hào)窄脈沖的下降沿對(duì)Date信號(hào)進(jìn)行采樣，CLK信號(hào)每次負(fù)跳變一次，即可采樣一位Date信號(hào)數(shù)字脈沖，共48次就可先后將兩組24位絕對(duì)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)和相對(duì)數(shù)據(jù)全部采樣完畢。計(jì)算時(shí)只采用后24位數(shù)據(jù)。在編程時(shí)要充分考慮指令執(zhí)行的時(shí)間不能超過時(shí)鐘脈沖的周期間隔，故該部分程序擬采用匯編語(yǔ)言編程，以便保證數(shù)據(jù)采集的正確性。其他電平轉(zhuǎn)換電路部分及顯示部分軟硬件設(shè)計(jì)和采集數(shù)據(jù)處理子程序設(shè)計(jì)與下述方案二相同，在此暫不做敘述。采樣程序流程圖如圖4所示。

圖3 方案一框圖

該方案的優(yōu)點(diǎn)是硬件電路少，比較直觀地體現(xiàn)信號(hào)的采集路徑及過程，經(jīng)濟(jì)性能高，但缺點(diǎn)是軟件控制數(shù)據(jù)傳送速度較慢，占用的檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)，不如硬件電路的實(shí)時(shí)性好，且采集數(shù)據(jù)處理較麻煩。

4.2 方案二

方案二框圖如圖5所示，用1片移位寄存器來進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，省掉了傳統(tǒng)方案中兩片移位寄存器和信號(hào)分離電路，并結(jié)合軟件功能使硬件電路更為簡(jiǎn)單，降低硬件成本的同時(shí)，仍能確保系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

采用一個(gè)8位移位寄存器成功與否在于軟件的正確編制，這里要解決好:① 怎樣確定要讀的數(shù)據(jù)組;②怎樣控制每次移入8位就讀取一次，若能控制好，顯然3次讀取就能采集24 bit完整信息。解決第一個(gè)問題的辦法是將CLK信號(hào)同時(shí)送移位寄存器和單片機(jī)的計(jì)數(shù)通道，檢測(cè)到一段持續(xù)的低電平就啟動(dòng)計(jì)數(shù)器，計(jì)滿24個(gè)脈沖后就準(zhǔn)備讀取P1口的后24位數(shù)值。解決好第一個(gè)問題，第二個(gè)問題就好解決了，將計(jì)數(shù)器置成連續(xù)裝載值為8的工作方式，每計(jì)數(shù)8個(gè)CLK脈沖就讀取一次數(shù)據(jù)，在這里只要保證在下一個(gè)脈沖到來之前的13μs內(nèi)取走數(shù)據(jù)就能保證讀數(shù)正確。

圖4 數(shù)據(jù)采樣程序流程圖

圖5 方案二框圖

5 測(cè)量系統(tǒng)硬件原理

5.1 信號(hào)轉(zhuǎn)換部分

將數(shù)顯百分表輸出的CLK(1.5 V)和Date(1.5 V)信號(hào)接入 LM393雙電壓比較器［10］。當(dāng) CLK或Date信號(hào)是高電平時(shí)(1.5 V)，它大于比較器的參考電壓(1 V)，比較器就輸出一個(gè)5 V高電平信號(hào)(因?yàn)楸容^器的電源電壓是5 V);當(dāng)CLK或Date是低電平時(shí)(0 V)，小于比較器的參考電壓(1 V)，則比較器就輸出一個(gè)0 V低電平信號(hào)。

5.2 串/并轉(zhuǎn)換部分及數(shù)據(jù)采集實(shí)施辦法

傳感器的Data信號(hào)是一個(gè)串行信號(hào)，在此先把這個(gè)信號(hào)輸入到一個(gè)串入并出帶鎖存的移位寄存器(74HC595)里。由于一個(gè)完整的數(shù)據(jù)是24 bit的，我們用一個(gè)8 bit的串入并出移位寄存器向單片機(jī)并行口P1進(jìn)行傳輸一次讀進(jìn)來8 bit，并進(jìn)行鎖存則不影響后面數(shù)據(jù)的移位，這樣單片機(jī)讀3次就將24 bit讀完，既避免了硬件電路的繁瑣和純采用軟件編程實(shí)時(shí)性差的缺點(diǎn)。

5.3 顯示部分

單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)最常用的顯示器是發(fā)光二極管顯示器(LED)和液晶顯示器(LCD)，可顯示數(shù)字、字符及系統(tǒng)的狀態(tài)。由于LED顯示信息量少，形式比較單一，人機(jī)交互性差，而LCD液晶顯示內(nèi)含有控制驅(qū)動(dòng)器，使得它和單片機(jī)的接口電路實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單，還具有功耗低、體積小、質(zhì)量輕，超薄和可編程驅(qū)動(dòng)等其他顯示方式無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，故本系統(tǒng)選用1602液晶顯示屏。

6 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

6.1 主程序

主程序流程圖如圖6所示。結(jié)合圖1闡述數(shù)據(jù)采集的具體的實(shí)施過程為:首先完成系統(tǒng)的初始化［11-15］，其次將經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后的CLK信號(hào)接到單片機(jī)的P3.5來檢測(cè)CLK電平的變化，當(dāng)連續(xù)檢測(cè)到低電平時(shí)就用P3.4口進(jìn)行外部脈沖計(jì)數(shù)中斷。在此用定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0，并將其設(shè)定為自動(dòng)裝載的方式2進(jìn)行計(jì)數(shù)，每計(jì)數(shù)到8中斷一次。由于前24為絕對(duì)數(shù)據(jù)是不需要的，可以讓單片機(jī)接收但不用讀出，當(dāng)前24 bit數(shù)據(jù)傳輸完(前3次中斷完)，后面每次中斷接收到的數(shù)據(jù)再讀出，三次中斷就可以將全部24位相對(duì)數(shù)據(jù)讀出了。最后采集數(shù)據(jù)經(jīng)過單片機(jī)處理后將測(cè)量結(jié)果顯示在LCD液晶顯示屏上。

6.2 中斷子程序

中斷子程序流程圖如圖7所示。當(dāng)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器計(jì)滿8個(gè)時(shí)鐘脈沖時(shí)就中斷，這時(shí)就將進(jìn)入移位寄存器的8位數(shù)據(jù)鎖存，鎖存器工作時(shí)需要提供一個(gè)上升沿鎖存時(shí)鐘才能進(jìn)行鎖存，所以就用軟件給P3.0一個(gè)上升沿控制移位寄存器鎖存并行輸出到P1口，然后讀取P1口并將讀完之后的數(shù)據(jù)另存，以防止后一組數(shù)據(jù)覆蓋，當(dāng)3組數(shù)據(jù)存儲(chǔ)完畢后就關(guān)閉中斷。

6.3 數(shù)據(jù)處理子程序

數(shù)據(jù)處理子程序流程圖如圖8所示。在讀取完之后就進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，先判斷采集到數(shù)據(jù)的正負(fù)，最高位若為1(正數(shù))則先取反再進(jìn)行合并;若為0(負(fù)數(shù))就直接合并，最后將合并后的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定然后拆分出各位。

6.4 顯示子程序

圖6 主程序流程圖

圖7 中斷程序流程圖

圖8 數(shù)據(jù)處理子程序流程圖

常用的數(shù)據(jù)顯示程序編程較為經(jīng)典，利用單片機(jī)C語(yǔ)言可移植性好的特點(diǎn)，可對(duì)其稍加更改直接移植到應(yīng)用程序當(dāng)中。

7 硬件設(shè)計(jì)時(shí)注意問題

CLK信號(hào)經(jīng)過比較器后同時(shí)送移位寄存器和單片機(jī)的計(jì)數(shù)通道，目的在于移位寄存器能在CLK時(shí)鐘控制下進(jìn)行正確的移位，并在每次中斷后給P3.0口一個(gè)上升沿的脈沖作為74HC595的鎖存時(shí)鐘，從而將串行信號(hào)轉(zhuǎn)換成并行信號(hào)進(jìn)入單片機(jī);為了讓單片機(jī)能直接運(yùn)算，將74HC595的輸出端的高位(Q7～Q0)接到單片機(jī)P1口的低位上(P1.0～ P1.7)，避免高低位顛倒，簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)處理軟件流程。

8 結(jié)語(yǔ)

借助數(shù)字示波器分析數(shù)顯百分表輸出信號(hào)與其顯示數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，有助于對(duì)容柵式傳感器原理的理解和軟件編程;合理選擇相關(guān)硬件搭建電路可有效地保證系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性的同時(shí)降低成本。文中介紹的數(shù)據(jù)采集檢測(cè)系統(tǒng)是我校機(jī)械學(xué)院研究生綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的一部分，通過該實(shí)驗(yàn)的開設(shè)大大提高了學(xué)生綜合應(yīng)用能力和創(chuàng)新精神的培養(yǎng)。目前該測(cè)量系統(tǒng)也初步應(yīng)用于省教育廳科研項(xiàng)目下位機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)試驗(yàn)當(dāng)中。

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