基於ADuC812微控制器實現環境監測下位機的軟硬體電路設計

基於ADuC812微控制器實現環境監測下位機的軟硬體電路設計

孫曉靖,仇潤鶴,陸 發表於 2020-12-03 10:38:26

　　作者：孫曉靖 ， 仇潤鶴 ， 陸迎光

1 引言

ADuC812 是美國AD公司率先研製出的真正意義上的完整的數據採集系統晶片，是投入市場的第一種微轉換器產品。它性能優良，價格便宜，開發手段完備，是一種新型的高度集成的高精度12位數據採集系統。其內部的12位A/D轉換周期僅為4us，比常用的AD574快好幾倍。用ADuC812代替由常規晶片構成的數據採集系統，將大大降低產品的成本、縮小設備的體積、提高系統的可靠性和電氣性能指標。

ADuC812 晶片內，不僅包含了可重新編程的非易失性閃速/電擦除程序存儲器的高性能8位（與8051兼容）MCU，還包含了高性能的自校準多通道（8個輸入通道） ADC，兩個12位DAC，32條可編程I/O接口。ADuC812微控制器內核與8051指令兼容，用戶現有的軟體都可以直接移植，因而應用開發方便。它具有9個中斷源（2個優先級），片內還集成了8K字節的閃速/電擦除程序存儲器、640位元組的閃速/電擦除數據存儲器以及256位元組RAM。另外，它還包括一個看門狗定時器和電源監控器，ADC與數據存儲器之間的DMA方式，存儲保護功能，一個通用的異步串行收發器，SPI和I2C總線接口。 ADuC812具有24位地址的外部數據尋址能力， 可尋址16MB的外部數據存儲器空間。

2 遠程環境監測信息系統整體介紹

該遠程環境監測信息系統是針對當今環境遠程監測自動化、網絡化、信息化的要求而設計的，它是由分布於遠距離各個監測站的多個下位機和位於中心站的上位機組成，其結構如圖1所示。

圖1、系統結構圖

上下位機是通過MODEM和電話線路實現遠程通信的。上位機將各下位機傳送來的數據存入資料庫，並對各環境數據做出數據分析。

下位機分布在大範圍、遠距離的各個環境監測站點，對大氣、水質、酸雨等各監測儀送來的各種環境數據進行實時採集。對環境監測儀輸出的SO2、NO2、NO等變化緩慢的參數每2分鐘採樣一次，對酸雨計輸出的酸雨參數每0.5mm雨量採樣一次。採樣數據要求連續保存7天，每天的平均值保存一個月，並且存儲在下位機中的採樣數據隨時準備接受上位機的查詢和向上位機傳送。

3下位機硬體電路設計

下位機硬體電路的設計，主要是考慮被測信號的變化速率和通道數，以及對測量精度、解析度、速度的要求等。該數據採集系統電路包括：ADuC812、模擬放大轉換電路、外部數據存儲器28F128、串行口通信以及鍵盤和LCD顯示器，如圖2所示。

圖2、硬體結構圖

3．1 採集電路的模擬信號輸入

在ADuC812 中，P1.0—P1.7初始化後為8通道的模擬輸入口。如果用於數字量輸入，編程時應首先把埠寫「0」。本電路將P1口設為8路由各環境監測儀輸出的模擬量輸入。由於ADC的基準電壓是2.5伏，而各監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換電路把輸入信號轉換成0—2.5 伏的標準輸入。轉換電路如圖3所示。

圖3、模擬放大轉換電路

3．2 ADuC812與外部數據存儲器的接口電路

為滿足本設計系統大量數據的存儲要求，在採用常規晶片構成的系統中要採用10片128K的HM628128數據存儲器（RAM），這樣，不但成本高、電路設計複雜、系統的可靠性和電氣性能指標也低。由於ADuC812具有24位地址的外部數據尋址能力，本方案中，我們採用一片28F640。28F640是一超大容量閃速存儲器，單片容量為8MB，不但更好的滿足了本系統的設計要求，而且當採集參數增加，或採樣時間變化時，同樣能滿足要求，因而提高了系統的兼容性。

為實現對28F640 的訪問，ADuC812利用兩片8位鎖存器74HC573與28F640相連。P0口分時輸出低8位地址A0「A7和8位數據，利用地址鎖存信號ALE可以將低8位地址鎖存到8位鎖存器U2中。P2口分時輸出高8位地址和中8位地址，可以利用地址鎖存信號ALE將高8位地址鎖存到8位鎖存器U4中。這樣就實現了24位尋址空間。由於28F640隻有A0」A22共23位地址線，所以鎖存器輸出的A23地址線懸空。

3．3 鍵盤、顯示器接口電路

外接鍵盤和LCD顯示器的目的是：當數據發送錯誤或人工查詢數據時，可通過鍵盤選擇要查詢的參數並在顯示器上顯示出來，使下位機的工作更加靈活方便。

為了連接鍵盤和顯示器，需要擴展一片8155I/O口擴展晶片，採用4*4觸摸式鍵盤和點陣式液晶顯示器。鍵盤上的鍵值分別與各路環境參數對應，若為「0」按下，則調顯示子程序，此後每按一個鍵，此按鍵值對應的環境參數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。當為「F」鍵按下時，則退出顯示子程序。

3．4 串行通信接口電路

由於要通過MODEM、電話線與上位PC機通信，所以須利用MAX232晶片作為RS—232口電平匹配與驅動。MAX232是包含兩路接收器和驅動器的IC晶片，其內部有一個電源電壓變換器，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下位機軟體設計

4．1 軟體整體設計

下位機的軟體設計主要由3部分組成：數據採集及存儲子程序，鍵盤掃描與液晶顯示程序，與上位機的通信子程序。流程圖如圖4。

主程序中，首先進行鍵盤、顯示器、AD模塊和通信埠的初始化。數據採集及存儲子程序編寫為定時中斷子程序，採用定時器2定時，每2分鐘調一次數據採集及存儲子程序，採集一次數據。而酸雨數據的採集是通過外部中斷INT1，每當酸雨量達0.5mm時向ADuC812發一個中斷請求，ADuC812採集一次酸雨數據。

主程序循環掃描鍵盤，當有鍵按下時，轉鍵盤掃描子程序。主程序中把與上位機的通信程序設置為外部中斷子程序，中斷信號由INT0輸入。當上位機要求傳送數據時，通過撥號，選中某一下位機，則此下位機程序跳轉到通信子程序，完成與上位機的通信。

圖4、軟體流程圖

4．2 軟體設計特點

ADuC812微控制器內核與8051指令兼容，用戶現有的軟體都可以直接移植，但在ADC轉換模塊和數據的存取方面與8051編程不同。

在數據採集及存儲子程序中，ADC首先要初始化。對ADuC812 的AD轉換模塊的操作是通過對ADCON1，ADCON2和ADCON3這3個特殊功能寄存器（SFR）來控制的。ADCON1控制轉換與採集時間、硬體轉換模式以及掉電模式。在對ADCON1的設置中，ADC正常工作，時鐘分頻比為2。由於輸入信號模擬放大轉換電路的輸出阻抗都小於8KΩ，所以選擇 ADC採集時鐘為1。設置定時器2轉換位T2C，由此，得ADCON1=52H。ADCON2控制ADC通道選擇和轉換模式。由於本數據採集系統為8通道順序採集，ADC每次需要將8個通道的模擬輸入量依次進行轉換，因此，要把通道號CHAG的值送入ADCON2中。ADCON3未用。一旦特殊功能寄存器 ADCON1「3完成設置，ADC將轉換模擬輸入並在特殊功能寄存器ADCDADAH/L中提供ADC 12位結果字。

CPU用中斷方式管理A/D轉換器。當A/D轉換完成時，向CPU發請求信號，CPU響應中斷，中斷處理子程序負責對轉換的數據進行讀出並將其存儲至外部數據存儲器28F128中，然後通道號加1，相應的閃速存儲器地址也加1。

當用戶訪問微轉換器ADuC812 的16MB的外部數據空間時，必須添加一個數據頁指針DPP，與普通MCS-51一樣，一條向DPTR送數的MOV指令仍只送16位的數據到DPH和 DPL，但一個使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。因此利用數據頁指針DPP可實現16MB外部數據空間的訪問。

對28F640 的讀寫是以頁編程操作為基礎。28F640是超大容量閃速存儲器，為了保證對各種操作的可靠進行，晶片內部增加了控制邏輯。如用來接受各種操作命令的用戶命令單元接口（CUI）和擦寫狀態機（WSM）等。當進行數據交換時，首先是將晶片的片選端使能，使存儲器進入工作狀態，然後再將相應命令字送入CUI。 CUI根據命令要求按地址鎖存器的尋址去控制WSM對相應的存儲單元或存儲塊區域自動執行編程算法和必要的延時，從而完成數據塊的擦除、寫入、鎖存等操作。

5結束語

把ADuC812晶片應用在遠程環境監測信息系統下位機的設計上，顯著提高了數據採集系統的性能並大幅度地減少了開發時間和成本，適應了現代環境監測的要求。根據具體要求稍加修改，本系統還可適用於氣象、電力、水文等需要實時監測的各個部門。

責任編輯：gt

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