智能仪器

学号：武汉理工大学数据采集与智能仪器大作业学院信息工程学院专业电信工程班级姓名指导教师王绪国年6月6日1《数据采集与智能仪器》课程考核（大作业）武汉理工大学信息学院参考书赵茂泰《智能仪器原理及应用》（第三版）电子工业出版社程德福《智能仪器》（第二版）机械工业出版社题目要求部分第1章概述本章要求掌握的内容：智能仪器分类、基本结构及特点、智能仪器设计的要点考试题（10分）1智能仪器设计时采用CPLD/FPGA有哪些优点？第2章数据采集技术本章要求掌握的内容：数据采集系统的组成结构、模拟信号调理、A/D转换技术、高速数据采集与传输、D/A转换技术、数据采集系统设计考试题（30分）1设计一个MCS-51单片机控制的程控增益放大器的接口电路。已知输入信号小于10mv,要求当输入信号小于1mv时，增益为1000，而输入信号每增加1mv时，其增益自动减少一倍，直到100mv为止。（15分）评分标准：正确设计硬件电路图（5分）；正确编写控制程序（5分）；完成仿真调试，实现基本功能（5分）；2运用双口RAM或FIFO存储器对教材中图2-22所示的高速数据采集系统进行改造，画出采集系统电路原理图，简述其工作过程。（15分）评分标准：正确设计硬件电路图（10分）；正确描述工作过程（5分）；2第3章人机接口本章要求掌握的内容：键盘；LED、LCD、触摸屏考试题（30分）1设计8031单片机与液晶显示模块LCM-512-01A的接口电路，画出接口电路图并编写上下滚动显示XXGCXY(6个大写英文字母)的控制程序（包含程序流程图）。评分标准：正确设计硬件电路图（10分）；正确画出程序流程图（5分）；正确编写控制程序（5分）；完成仿真调试（10分）第4章数据通信本章要求掌握的内容：RS232C、RS485串行总线，USB通用串行总线，PTR2000无线数据传输考试题（30分）1设计PC机与MCS-51单片机的RS232C数据通信接口电路（单片机端含8位LED显示），编写从PC机键盘输入数字，在单片机的6位LED上左右滚动显示的通信与显示程序。评分标准：正确设计硬件电路图（5分）；正确画出程序流程图（5分）；正确编写单片机通信程序（5分）；在开发系统上运行，实现基本功能（10分）；制作实物，实现基本功能，效果良好（5分）。3作答部分第1章概述1、智能仪器设计时采用CPLD/FPGA有哪些优点？答：智能仪器设计时采用CPLD/FPGA时有以下优点：（1）FPGA／CPLD芯片的规模也越来越大，其单片逻辑门数已达到上百万门，它所能实现的功能也越来越强，同时也可以实现系统集成。（2）FPGA／CPLD芯片在出厂之前都做过百分之百的测试，不需要设计人员承担投片风险和费用，设计人员只需在自己的实验室里就可以通过相关的软硬件环境来完成芯片的功能设定。研制开发费用相对较低。（3）FPGA／CPLD芯片和EPROM(Flash存储器)配合使用时，用户可以反复地编程、擦除、使用或者在外围电路不动的情况下用不同的EPROM(Flash存储器)就可实现不同的功能。（4）FPGA／CPLD芯片的电路设计周期很短。软件包中不但有各种输入工具和仿真工具，而且还有版图设计工具和编程器等全线产品，电路设计人员在很短的时间内就可完成电路的输入、编译、优化、仿真，直至最后芯片的制作(物理版图映射)。当电路有少量改动时，更能显示出FPGA／CPLD的优势。它大大加快了新产品的试制速度，减少了库存风险与设计错误所带来的危险，从而提高了企业在市场上的竞争能力和应变能力。（5）电路设计人员使用FPGA／CPLD进行电路设计时，不需要具备专门的IC(集成电路)深层次的知识，FPGA／CPLD软件易学易用，可以使设计人员更能集中精力进行电路设计。FPGA／CPLD适合于正向设计(从电路原理图到芯片级的设计)，对知识产权的保护也非常有利。第2章数据采集技术1、设计一个MCS-51单片机控制的程控增益放大器的接口电路。已知输入信号小于10mv,要求当输入信号小于1mv时，增益为1000，而输入信号每增加1mv时，其增益自动减少一倍，直到100mv为止。4（1）硬件电路图：图2.1电路原理图（2）程序代码：#includereg51.h#includeintrins.h#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintsbitcs=P3^5;sbitintr=P3^4;sbitwr=P3^6;sbitrd=P3^7;sbita1=P1^0;sbita2=P1^1;sbita3=P1^2;sbita4=P1^3;sbita5=P1^4;5sbita6=P1^5;uchard[4];voiddelayms(ucharn){uchari,j;for(i=0;in;i++)for(j=0;j110;j++);}ucharadctrans(){cs=0;wr=1;_nop_();wr=0;_nop_();wr=1;delayms(1);P2=0xff;rd=1;_nop_();rd=0;_nop_();d[0]=P2;_nop_();rd=1;_nop_();wr=1;_nop_();wr=0;_nop_();wr=1;delayms(1);P2=0xff;rd=1;6_nop_();rd=0;_nop_();d[1]=P2;rd=1;wr=1;_nop_();wr=0;_nop_();wr=1;delayms(1);P2=0xff;rd=1;_nop_();rd=0;_nop_();d[2]=P2;rd=1;while(1){if(d[0]d[1]&&d[1]d[2])returnd[1];d[0]=d[1];d[1]=d[2];wr=1;_nop_();wr=0;_nop_();wr=1;delayms(1);P2=0xff;rd=1;_nop_();rd=0;_nop_();7d[2]=P2;rd=1;}}voidmain(){uchara;a4=0;a5=0;a6=0;a=adctrans();while(1){wr=1;_nop_();wr=0;_nop_();wr=1;delayms(1);P2=0xff;rd=1;_nop_();rd=0;_nop_();d[3]=P2;_nop_();rd=1;if(d[3]a)a=d[3];if(a=25){a1=0;8a2=0;a3=0;}elseif(a=51){a1=1;a2=0;a3=0;}elseif(a=76){a1=0;a2=1;a3=0;}elseif(a=102){a1=1;a2=1;a3=0;}elseif(a=127){a1=0;a2=0;a3=1;}elseif(a=153){a1=1;a2=0;a3=1;}elseif(a=178){9a1=1;a2=0;a3=1;a4=1;}elseif(a=204){a1=1;a2=0;a3=1;a4=0;a5=1;}elseif(a=229){a1=1;a2=0;a3=1;a4=1;a5=1;}elseif(a=255){a1=1;a2=0;a3=1;a4=0;a5=0;a6=1;}}}10（3）仿真结果输出：图2.2输入为0.6mv时图2.3输入为2mv时11图2.4输入为3mv时图2.5输入为4mv时由仿真结果图1可知当输入为0.6mv时，增益为297mv/0.3mv=990倍;由仿真结果图2可知当输入为2mv时，增益为499.5/1≈500倍;由仿真结果图3可知当输入为3mv时，增益为378/1.5≈252倍;由仿真结果图4可知当输入为4mv时，增益为256/2≈128倍;12其对应理论增益应该分别为1000，500，250，125，经过该电路所得到的值比较接近理论值。2、运用双口RAM或FIFO存储器对教材中图2-22所示的高速数据采集系统进行改造，画出采集系统电路原理图，简述其工作过程。（15分）评分标准：正确设计硬件电路图（10分）；正确描述工作过程（5分）；（1）硬件电路图:图2.2.1采集系统电路原理图（2）工作过程:IDT7206是IDT公司容量为16K×9的且引脚功能完全兼容的串行FIFO双端口RAM单向的FIFO双端口存储器。因为是一个FIFO(先入先出)存储器,所以没有绝对地址的概念,只有读指针和写指针的相对位置。当相对位置为0时,表明存储器空;为所用的存储器的容量时,表明存储器已满。AD7677为ADI公司研制的16位、1MSPS的高速A/D转换器。采集系统的原理图如上图所示。用一片AD7677和两片IDT7206构成了一个16位的、最高采样频率可达1MHz、每组最大采样点数为16K的数据采集系统。若要增加采集样本长度,只需要换IDT7206即可,其硬件的连接方式基本不变。在此系统中单片机的作用只是控制何时采样,以及采样完成后对采样数据的处理,在采样过程中,单片机无须任何干预。至于一次采集多少次,可以由硬件决定,也可以有软件控制。在中断中,单片机首先关闭采样脉冲信号(使P1.1输出为0),然后把每一点数据分两次分别从IDT7206(存低位)和IDT7206(存高位)读出,进行处理。每组数据的数量应该由程序计数判13断,当然也可以利用IDT7206的EF标志进行查询判断。在进行第二组数据的采集前,最好将IDT7206先复位,通过在IDT7206的RS引脚输入一个低脉冲,即在8031的P1.0引脚输出一个低脉冲。这样可以更充分地保证FIFORAM的读、写指针的稳定。第3章人机接口1、设计8031单片机与液晶显示模块LCM-512-01A的接口电路，画出接口电路图并编写上下滚动显示XXGCXY(6个大写英文字母)的控制程序（包含程序流程图）。评分标准：正确设计硬件电路图（10分）；正确画出程序流程图（5分）；正确编写控制程序（5分）；完成仿真调试（10分）（1）硬件电路图:图3.1液晶滚动显示硬件电路图14（2）程序流程图:图3.2液晶滚动显示程序流程图（3）实验程序:#includereg52.htypedefunsignedcharuint8;typedefunsignedintuint16;sbitRS=P2^0;sbitRW=P2^1;sbitEN=P2^5;sbitBUSY=P0^7;unsignedcharcodeword1[]={XXGCXY};unsignedcharcodeword2[]={XXGCXY};voiddelay(){uint16i,j;for(i=0;i200;i++)for(j=0;j200;j++);15}voidwait(){P0=0xff;do{RS=0;RW=1;EN=0;EN=1;}while(BUSY==1);EN=0;}voidw_dat(uint8dat){wait();EN=0;P0=dat;RS=1;RW=0;EN=1;EN=0;}voidw_cmd(uint8cmd){wait();EN=0;P0=cmd;RS=0;RW=0;EN=1;EN=0;16}voidInit_LCD1602(){w_cmd(0x38);w_cmd(0x0f);w_cmd(0x06);w_cmd(0x01);}voidw_string(uint8addr_start,uint8*p){w_cmd(addr_start);while(*p!='\0'){w_dat(*p++);}p=WHLGDX;delay();}main(){Init_LCD1602();while(1){w_string(0x80,word1);w_cmd(0x01);w_string(0xc0,word2);w_cmd(0x01);}}17（4）仿真结果：图3.3上面一行显示XXGCXY图3.4下面一行显示XXGCXY第4章数据通信1、设计PC机与MCS-51单片机的RS232C数据通信接口电路（单片机端含8位LED显示），编写从PC机键盘输入数字，在单片机的6位LED上左右滚动显示的通信