低頻緩變信號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種為飛機(jī)、汽車、輪船等系統(tǒng)提供模擬量采集接口、關(guān)鍵數(shù)據(jù)存取接口、開關(guān)量信號(hào)采集接口，基于串行外圍設(shè)備接口 SPI (Serial PeripheralInterface)總線的低頻緩變信號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著微處理器的發(fā)展及其在各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，在現(xiàn)代控制、通信及檢測(cè)等領(lǐng)域?qū)﹄娮訙y(cè)量技術(shù)和電子儀器系統(tǒng)提出越來越高的要求，對(duì)測(cè)試速度和精確度的要求也與日倶增。測(cè)試系統(tǒng)主要包括對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的高速采集、現(xiàn)場(chǎng)顯示和分析處理3部分，其中最重要的一環(huán)就是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)高速采集，因?yàn)樗P(guān)系到能否真實(shí)反映被測(cè)對(duì)象的狀態(tài)和性能。目前采用SPI總線接口的芯片越來越多，在儀器儀表、工業(yè)控制、數(shù)字家電等方面普遍得到應(yīng)用。SPI串行外設(shè)接口總線系統(tǒng)是一種同步串行外設(shè)接口，它可以使MCU與各種外圍設(shè)備以串行方式進(jìn)行通信以交換信息?？梢允箚纹瑱C(jī)與各種外圍設(shè)備(如FLASHRXM、網(wǎng)絡(luò)控制器、A/D轉(zhuǎn)換器和MCU等)以串行方式進(jìn)行通信以交換信息。SPI總線系統(tǒng)可直接與多種標(biāo)準(zhǔn)外圍器件直接接口，該接口一般使用4條線:串行時(shí)鐘線SCK、主機(jī)輸入/從機(jī)輸出數(shù)據(jù)線MISO、主機(jī)輸出/從機(jī)輸入數(shù)據(jù)線MISO和低電平有效的從機(jī)選擇線CS。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)檢測(cè)的信號(hào)是低頻緩變信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器處理后通過SPI總線與微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，在微處理器中對(duì)所采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并在LCD上顯示處理結(jié)果，實(shí)現(xiàn)對(duì)低頻緩變信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
[0003]為了提高無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的性能指標(biāo)，對(duì)信號(hào)的處理廣泛采用了數(shù)字計(jì)算機(jī)技術(shù)，由于無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的實(shí)際對(duì)象往往都是一些模擬量，然而絕大多數(shù)控制器無法直接處理模擬信號(hào)，因此需要A/D轉(zhuǎn)換芯片將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。在采用并行A/D轉(zhuǎn)換芯片中，A/D轉(zhuǎn)換芯片的接口電路比較繁瑣，且要占用太多I/O引腳。
[0004]在微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)中，通常要用A/D轉(zhuǎn)換器把現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)與具有SPI總線接口功能的各種L/0器件直接接口，可以簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，節(jié)省很多常規(guī)電路中的接J器件和L/0口線，提高設(shè)計(jì)的可靠性。利用SPI總線可以構(gòu)成各種系統(tǒng)，如一個(gè)主MCU和幾個(gè)從M⑶、幾個(gè)從M⑶相互連接構(gòu)成多主機(jī)系統(tǒng)(分布式系統(tǒng))、一個(gè)主MCU和幾個(gè)從L/0設(shè)備所構(gòu)成的各種系統(tǒng)等。在大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合，可以使用一個(gè)MCU作為主控機(jī)來控制數(shù)據(jù)，并向一個(gè)或多個(gè)外圍器件傳送該數(shù)據(jù)。SPI總線結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的工作原理是模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，把數(shù)字量傳輸給單片機(jī)以便進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)，達(dá)到控制目的。當(dāng)檢測(cè)信號(hào)為高頻信號(hào)時(shí)通常并行擴(kuò)展一片或多片A/D轉(zhuǎn)換器；當(dāng)檢測(cè)信號(hào)為低頻緩變信號(hào)時(shí)，串行擴(kuò)展A/D芯片不僅節(jié)省成本，而且提高系統(tǒng)的可靠性。
[0005]隨著微處理器的發(fā)展及其在各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，人們對(duì)電子測(cè)量技術(shù)和電子儀器系統(tǒng)提出越來越高的要求，對(duì)測(cè)試速度和精確度的要求也與日倶增。測(cè)試系統(tǒng)主要包括對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的高速采集、現(xiàn)場(chǎng)顯示和分析處理三部分，其中最重要的一環(huán)就是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)高速采集，因?yàn)樗P(guān)系到能否真實(shí)反映被測(cè)對(duì)象的狀態(tài)和性能。為了滿足什么系統(tǒng)的指標(biāo)、提高數(shù)據(jù)的精確性采樣和系統(tǒng)的抗干擾能力，現(xiàn)有技術(shù)往往采用外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器保存用戶程序文件和用戶原始數(shù)據(jù)，保存系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的各種狀態(tài)信息以及中間結(jié)果?，F(xiàn)有技術(shù)采用外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展方法一般采用并行方式進(jìn)行擴(kuò)展，該方式占用控制器太多的資源。一般的微控制芯片SPI接口的個(gè)數(shù)不能滿足實(shí)際需求。一是可以選擇具有多個(gè)SPI接口的控制器，二是通過譯碼器擴(kuò)展電路實(shí)現(xiàn)SPI接口的擴(kuò)展，但是第一種方案成本就會(huì)增加，而第二種方案可以較好的解決成本問題。在掉電數(shù)據(jù)保護(hù)的場(chǎng)合，需要更快速率進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，傳統(tǒng)的方法無法滿足要求。
[0006]在控制系統(tǒng)中，常常會(huì)接收其他設(shè)備的開關(guān)量信號(hào)以響應(yīng)某事件的發(fā)生，一般是將其與控制器的I/o口相連，通過讀取I/O口狀態(tài)來識(shí)別，然而一個(gè)系統(tǒng)中開關(guān)量信號(hào)數(shù)量少則幾個(gè)，多則數(shù)十個(gè)，通過I/o 口來識(shí)別開關(guān)量信號(hào)是不現(xiàn)實(shí)的。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0007]本實(shí)用新型的目的在于解決傳統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)方法占用資源多、接口復(fù)雜、擴(kuò)展性差等缺點(diǎn)，提供一種電路簡(jiǎn)單、兼容性強(qiáng)、通用性好，訪問速率快、擴(kuò)展能力強(qiáng)的低頻緩變信號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置。
[0008]本實(shí)用新型的上述目的可以通過以下措施來達(dá)到，一種低頻緩變信號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置，包括電源模塊、含有微處理器的數(shù)據(jù)處理模塊、具有可擴(kuò)展SPI接口器件個(gè)數(shù)的片選信號(hào)模塊、A/D采樣模塊、數(shù)據(jù)存取模塊和開關(guān)量識(shí)別模塊，其特征在于:數(shù)據(jù)處理模塊電連接片選信號(hào)模塊，片選信號(hào)模塊輸出端并聯(lián)接A/D采樣模塊、數(shù)據(jù)存取模塊和開關(guān)量識(shí)別模塊，A/D采樣模塊、數(shù)據(jù)存取模塊和開關(guān)量識(shí)別模塊通過數(shù)據(jù)處理模塊，并聯(lián)輸出端連接數(shù)據(jù)處理模塊，數(shù)據(jù)處理模塊通過SPI總線，對(duì)同一時(shí)刻只能有一個(gè)片選信號(hào)有效來控制片選信號(hào)模塊產(chǎn)生片選信號(hào)，向選中模塊發(fā)送控制命令實(shí)現(xiàn)兩者之間的數(shù)據(jù)傳輸，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)A/D采樣、數(shù)據(jù)存取以及開關(guān)量識(shí)別功能;數(shù)據(jù)存取模塊數(shù)據(jù)處理模塊將測(cè)量控制系統(tǒng)狀態(tài)、實(shí)時(shí)重要參數(shù)通過SPI總線寫入到數(shù)據(jù)存取模塊中，將數(shù)據(jù)讀出用于分析;數(shù)據(jù)處理模塊通過SPI總線向A/D轉(zhuǎn)換器發(fā)送模擬量到數(shù)字量轉(zhuǎn)換的控制命令，A/D采樣模塊將采樣選信號(hào)模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果通過SPI總線回送到數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行處理;開關(guān)量識(shí)別模塊通過微控制器的引腳輸出轉(zhuǎn)換時(shí)序，從SPI總線讀取微控制器串行輸入/輸出移位寄存器輸出的串行數(shù)據(jù)，通過SPI總線讀取微控制器串行輸入/輸出移位寄存器輸出的串行數(shù)據(jù)，得到外部信號(hào)的輸入狀態(tài)，最后通過SPI總線讀取12位數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行處理。
[0009]本實(shí)用新型相比于現(xiàn)有的測(cè)量控制系統(tǒng)，具有如下有益效果:
[0010]電路簡(jiǎn)單。本實(shí)用新型基于SPI串行接口的單片機(jī)對(duì)A/D轉(zhuǎn)換芯片、FRAM存儲(chǔ)芯片、移位寄存器等外圍功能芯片進(jìn)行讀寫操作，完成模擬量到信號(hào)量的轉(zhuǎn)換、實(shí)時(shí)參數(shù)及其數(shù)據(jù)保存以及外部開關(guān)信號(hào)讀取等功能的測(cè)量控制系統(tǒng)。數(shù)據(jù)處理模塊通過片選信號(hào)模塊，并聯(lián)接A/D采樣模塊、數(shù)據(jù)存取模塊和開關(guān)量識(shí)別模塊，極大的簡(jiǎn)化了硬件電路設(shè)計(jì)。各器件間的連接簡(jiǎn)潔明了，簡(jiǎn)化了測(cè)量控制系統(tǒng)。系統(tǒng)中核心器件均帶有SPI接口，用SPI總線來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取，SPI總線只需要3?5根線即可實(shí)現(xiàn)輸入/輸出，能夠滿足數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求。
[0011]具有硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，軟件編程容易的特點(diǎn)。由于SPI系統(tǒng)總線一共只需3?4位數(shù)據(jù)線和控制即可實(shí)現(xiàn)與具有SPI總線接口功能的各種I/O器件進(jìn)行接口，而擴(kuò)展并行總線則需要8根數(shù)據(jù)線、8?16位地址線、2?3位控制線，因此，采用SPI總線接口不僅可以簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，節(jié)省很多常規(guī)電路中的接口器件和I/O 口線，提高設(shè)計(jì)的可靠性，而且SPI總線可在軟件的控制下構(gòu)成各種系統(tǒng)，
[0012]兼容性強(qiáng)、通用性好。本實(shí)用新型在數(shù)據(jù)處理模塊中采用微控制器通過SPI總線向A/D轉(zhuǎn)換器發(fā)送控制命令實(shí)現(xiàn)模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，開關(guān)量識(shí)別模塊通過微控制器的引腳輸出轉(zhuǎn)換時(shí)序，通過SPI總線讀取串行數(shù)據(jù)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的兼容性和通用性。
[0013]訪問速率快。本實(shí)用新型采用一種最大傳輸頻率為系統(tǒng)時(shí)鐘fQSC的1/4的高速全雙工同步通信SPI總線，增加了微控制器訪問外設(shè)的速率，同時(shí)可以與系統(tǒng)外的設(shè)備通過SPI總線進(jìn)行高速通信。
[0014]可擴(kuò)展能力強(qiáng)。本實(shí)用新型數(shù)據(jù)處理模塊通過具有可擴(kuò)展SPI接口器件個(gè)數(shù)的片選信號(hào)模塊，并聯(lián)接A/D采樣模塊、數(shù)據(jù)存取模塊和開關(guān)量識(shí)別模塊，增加了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。由于片選信號(hào)信號(hào)模塊決定了可擴(kuò)展具有SPI接口的器件的個(gè)數(shù)，片選信號(hào)有多少個(gè)，就可以擴(kuò)展多少個(gè)器件，大大增加了系統(tǒng)的可擴(kuò)展能力。
[0015]本實(shí)用新型由于各模塊均采用SPI總線方式，只需選用具有SPI接口的功能芯片掛載到SPI總線上即可完成系統(tǒng)擴(kuò)展，從而簡(jiǎn)化了硬件電路設(shè)計(jì)，同時(shí)軟件上可以完全復(fù)用SPI相關(guān)代碼，軟件復(fù)用性較好，可縮短軟件開發(fā)周期。
[0016 ]本實(shí)用新型通過只有I個(gè)SPI接口的微控制芯片控制外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、A/D轉(zhuǎn)換芯片以及移位寄存器等多個(gè)具有SPI接口的外圍器件，可以為飛機(jī)、汽車、輪船等系統(tǒng)提供模擬量采集接口、關(guān)鍵數(shù)據(jù)存取接口、開關(guān)量信號(hào)采集接口。
【附圖說明】
[0017]圖1是低頻緩變信號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置的電路原理示意圖。
[0018]圖2是圖1數(shù)據(jù)處理模塊電路原理示意圖。
[0019]圖3是圖1片選信號(hào)模塊電路原理示意圖。
[0020]圖4是圖1開關(guān)量識(shí)別模塊電路原理示意圖。
[0021]圖5是圖4連接的隔離電路原理示意圖。
[0022]圖6是圖1數(shù)據(jù)存取模塊電路原理示意圖。
[0023]圖7是圖1A/D采樣模塊電路原理示意圖。
[0024]圖8是圖1電源模塊電路原理示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]在以下實(shí)施例中將進(jìn)一步舉例說明本實(shí)用新型，這些實(shí)施例僅用于說明本實(shí)用新型而對(duì)本實(shí)用新型沒有限制。
[0026]在圖1中，低頻緩變信號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置包括電源模塊、含有微處理器的數(shù)據(jù)處理模塊、具有可擴(kuò)展SPI接口器件個(gè)數(shù)的片選信號(hào)模塊、A/D采樣模塊、數(shù)據(jù)存取模塊和開關(guān)量識(shí)別模塊，其中:數(shù)據(jù)處理模塊可以采用帶有聯(lián)合測(cè)試行為組織JTAG接口和通訊接口的AVR單片機(jī)DlOl作為數(shù)據(jù)處理器，JTAG接口作用是外部設(shè)備通過JTAG接口對(duì)AVR單片機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)編程和模擬仿真，數(shù)據(jù)處理器可以是型號(hào)為ATMEGA128的單片機(jī)，數(shù)據(jù)處理器ATMEGA128只有一個(gè)SPI接口，為了能控制多個(gè)具有SPI接口的外圍器件，該數(shù)據(jù)處理器可以采用3-8譯碼器來實(shí)現(xiàn)最大可以支持?jǐn)U展8個(gè)具有SPI接口的器件，可以通過更換譯碼器或增加譯碼器擴(kuò)展更多具有SPI接口的器件。
[0027]數(shù)據(jù)處理模塊由單片機(jī)D101、電源接地并聯(lián)濾波電容C103、C136和C137、晶振GlOl，晶振GlOl負(fù)載電容ClOl、C102、以及用于程序下載的JTAG仿真插座構(gòu)成的外圍元器件組成，晶振GlOl為石英晶體振蕩器;片選信號(hào)模塊由3-8譯碼器D102和電源濾波電容C104組成。
[0028]A/D采樣模塊用于將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，數(shù)據(jù)處理模塊通