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1、高精度倾角测量电路的设计摘 要本文论述了高精度倾角测量电路的原理和现状，选择了高精度倾角传感器LCF-100电路设计测量倾角。采用了ADUC845单片机作为倾角信号控制的核心、MAX293作为低通滤波器、AD7701作为模拟信号到数字信号转换芯片、MAD491作为电平转换的芯片，完成了各个芯片硬件电路设计、AD转换控制、信号电平转换控制软件设计，并实现了软件和硬件的调试，通过调试和误差计算分析，表明本文所研究的高精度倾角测量电路有很高的精度和稳定性，很适合于精度需求较高的军事、航空航天等领域的仪器设备使用，达到了本课题的要求。关键词：LCF-100高精度倾角传感器，AD转换，ADuC845芯片
2、控制，精度，422总线信号。Design of high-precision angle measuring circuit显示对应的拉丁字符的拼字典 - 查看字典详细内容ABSTRACTThis article discusses the principle of high-precision angle measurement circuit and the status quo of high-precision angle measurement circuit, choose the high-precision angle sensor LCF-100 circuit to mea
3、sure angle. Using the microcontroller ADUC845 as control core a dip signal, the MAX293 as a low-pass filter, the AD7701 as an conversion chip of analog signal to digital signal, the MAD491 as a chip of signal level conversion ,completing the hardware design of each chip and the software design of AD
4、 converter control and the software design of change control of the signal Level, and completing the debugging of software and the debugging of hardware, through the debugging and the calculation and analysis of error, the study have shown that the high-precision angle measurement circuit has high a
5、ccuracy and stability, the article design should use to the fields of aerospace military equipment that demanding very high demand for precision. Reached this topics requirementsKeywords: LCF-100 high-precision angle sensor, AD conversion, ADuC845 chip control, precision, 422 bus signals.目 录第一章 绪论11
6、.1 课题的背景、意义11.2 课题的研究内容11.3 国内外的研究状况及发展趋势2第二章 总体方案设计42.1 预选方案42.1.1 方案一基于加速度传感器的倾角仪设定42.1.2 方案二62.2 方案优化与拓展7第三章 硬件设计103.1 数据采集单元电路设计103.2信号处理单元电路设计113.3.1 低通滤波电路设计113.3 A/D转换电路设计133.3.1A/D晶振电路设计153.3.2A/D数据传输控制电路153.3.3A/D其他电路设计163.4 中心控制单元电路设计173.4.1 单片机型号的选择173.4.2 串行通信接口电路设计203.4.3 复位电路设计203.4.5
7、晶振电路设计213.4.6 其他外设电路设计223.5 信号传输单元电路设计223.6系统供电电源电路设计253.6.1 LCF-100高精度倾角传感器电源电路设计253.6.2电路芯片电压源电路设计253.7 实验板设计26第四章 软件设计284.1 软件设计原则和编程方法284.2 软件设计的总体思路及框架284.3 各模块程序设计304.2.1 系统初始化程序设计304.2.2 AD7701A/D转换程序设计314.2.3 TTL到422总线转换软件设计原理33第五章 课题总结355.1 毕业设计过程总结355.2 系统总体演示355.2.1 Proteus仿真调试355.2.2 实验板
8、演示365.3 总结37参考文献38第一章 绪论1.1 课题的背景、意义倾角传感器是一种可以直接将倾角转换成脉宽调制信号，测量关于某一基准面的倾斜角或者是姿态的装置，可直接由数字系统进行处理和显示的电子器件，该传感器量程宽、精度高、分辨率较高，可在严酷的环境条件下工作，因此它在数字式斜度计、水平仪等精密测角系统中得到广泛的应用。1传感器在我们的生活中无处不在，发挥着很重要的作用，在航空航天、天线定位、机器人技术、坦克和舰船火炮平台控制、飞机姿态、汽车电子控制等需求精度较高的设备上，为保证操作平台的水平状态，需要对其进行水平检测和调整。2随着市场需求和科技的发展，人们对工程、机械、航空、航海设备
9、的可靠性、精度和稳定性提出了更高的要求，现使用的光学象限仪、单轴、双轴和三轴型传感器等仪器由于精度低、防震性能差、操作费时等因素,已不能满足设备的快速精确测量要求。因此，在该领域还有很大的发展空间，为此需要使用一种精度高的高精密型传感器，才能满足所需要的高精度测量结果，LCF-100型高精度倾角传感器达到了1度，LCF-100型高精度传感器以其精度高、抗干扰强、稳定性好等优点在很多领域应得到广泛的应用。31.2 课题的研究内容本课题研究设计的高精度倾角传感器电路要求能够对航空航天、天线定位、机器人技术、坦克和舰船火炮平台控制、飞机姿态、汽车电子控制等需求精度较高的设备静态、动态倾角的测量。在设
10、计过程中，此电路设计应该具有能够精确测量正负倾角，同时通过单片机控制将测得的倾角信号远距离传送出去，从而实现设备针对倾角的调整，确保这些仪器设备正常的使用。根据任务书的要求，本设计的主要工作是完成基于单片机的LCF-100倾角传感器的硬件电路设计及软件的分析规划，并对测量结果进行仿真和误差分析。1.3 国内外的研究状况及发展趋势建国初期我国连一个简单的多面棱镜都要进口。半个世纪以来，计量工作者做了大量的工作，建立了我国的角度计量基准器和各级标准器，对角度的测量的理论、方法、和技术进行了深入研究，并研制出各种角度测量仪器以满足经济建设和国防的需求。随着生产和科学的不断发展，角度测量也来越广泛的应
11、用于工业、科研等各领域，技术水平和测量准确度也在不断地提高。近年来特别是随着电子技术的蓬勃发展，使得角度测量技术得以实现自动化，极大地扩充了角度测量的应用范围。作为测量小角度常用量具的水平仪，经历了从传统的气泡式水平仪到现代先进的光电式、电子式以及激光式水平仪的过程。分度值一般分为1、30、10、1几个等级，对于较高精度的测量则需采用分度为0.01mm/m（12）的合像水平仪以及分度值为0.005-0.01mm/m（12）的电子水平仪。图1所示分别为瑞士WYLER公司生产的条式气泡水平仪和国内山东潍坊量具厂生产的框式水平仪。图1 条式气泡水平仪（左）和框式水平仪（右）随着计算机应用技术的不断发
12、展，微控制器在工业测量和控制领域内的应用越来越广泛；在很多计量检测仪器中应用了单片机，使计量检测具有了一定程度的智能，但在电子水平仪中尚无此种用法。大角度测量仪器通常称为倾角传感器。从反馈的信息可知，目前生产倾角传感器的厂家较少，而且产品规格不全，以单轴倾角传感器居多，如图为一种国产单轴倾角传感器。单轴倾角传感器的分辨率较高，但其缺点式结构复杂，体积大，使用中调整和安装很不方便。例如，单轴倾角传感器可用于标定三维转台的示值精度。标定中需要将其安装于三维转台的工作台上，如图2所示：由于标定时需要将倾角传感器的旋转轴线与三维台的旋转轴线重合，才能获得高精度标定结果，很明显，在此项标定硬件条件下，无
13、法两轴线重合。再有一个问题是，倾角传感器很重，必须将其牢固固定在工作台上，以便随三维台旋转，在此实例中，如何固定倾角仪，是一个令人难解的问题。图2 单轴倾角传感器及其对三维转台的标定如何将倾角仪便携和微型化，就不能提到微机电系统（MEMS）。微传感器是采用微电子和微机械加工技术制造出来的新型传感器，具有体积小、总量轻、耗能低、惯性小、谐振频率高、响应时间短等优点。利用MWMS技术制成的传感器完全符合倾角传感器的发展趋势。4在参考传感器世界、传感器产品目录等期刊杂志等的基础上，通过网络查询和厂家代理商咨询等形式，查阅了大量的倾角传感器资料。从反馈的信息可知，目前生产倾角传感器的厂商较少，但就产品
14、而言，单轴倾角传感器居多，且分辨率较高。就国内产品而言，传感器与电路集成较少，且大多只提供模拟量输出。就传感器发展状况而言，从收集资料看，北京信息工程学院的产品在小型化及产品精度等指标方面较领先，如膜电位倾角传感器。就网络查询反馈看，产品主要集中在欧美几家大公司，如英国的Clino 公司、德国的西门子公司、美国的Cross Bow Technology 公司、Atmos 工程公司、Fredericks 公司以及美国数字公司。就国外产品种类而言，其数量也较少，但从数字化、小型化、精度、重量、使用温度范围及线性度等指标而言，具有较高的实用价值。如LS 系列产品分辨率可达到1.8，英国Clino公司
15、SP 系列产品高度只有22mm，特殊的可达到16mm，可用于一些特殊场合。Cross Bow公司CXTA、美国数子公司A2产品均属于数字产品，可以通过接口板直接与计算机相连。5拥有超过40年经验的Jewell仪器公司在世界具有领先地位，制造包括惯性传感器、速度计和倾角仪器。质量和可靠性被认可，LCF型传感器可广泛用于多种工业、商业和航空航天。The Jewell LCF系列是应用存在冲击和振动领域的倾角范围为190的高水平装置。LCF加速度是完全独立的。他们连接到直流电源且完整的操作系统读出或控制。输出是一个正比于加速度高水平的直流信号，倾斜角度是0.010g到20g，LCF加速度响应速度变化
16、小到1ug。满量程输出滞后小于0.0005且振动小于50G/G2时可用。LCF单元优异性表现在具有重复开启低疲劳和非常低的磁滞性。同时在查阅的过程中可以看出，LCF型传感器由于其动态性能好，精度高，因此在倾角测量中也得到广泛的应用。6第二章 总体方案设计2.1 预选方案2.1.1 方案一基于加速度传感器的倾角仪设定下面介绍利用新型单片双轴MEMS加速度传感器ADXL213设计的数字获得倾角测量仪，这种设计的原理是加速度传感器测得的倾角信号传给单片机进行处理控制，然后通过LCD显示器显示测得的信号以及通过接口电路传送给仪器，仪器根据倾角信号调整自己的状态。加速度传感器部分由ADXL213及其外围
17、滤波和调节电路构成，可以进行带宽和测量频率的选择；利用单片机处理ADXL213 产生的占空比调制信号，并计算倾斜角度和误差补偿；加速度值和倾角值可以实时在LCD上显示，并通过单片机的串行通信功能和RS232转换电路与外围设备连接。在单片机中预先存储采样参数和误差校正参数，有利于提高测量的精准度。其系统硬件原理框图如图3所示：图3 ADXL213倾角仪测量电路原理框图设计优点：这种设计具有响应速度快，使用方便等特点。ADXL213是AD公司推出的新一代双轴加速度传感器，其量程范围1.2gn，输出为周期可调的占空比调制信号, 无需经过A/D转换直接与计数器或单片机连接。具有良好的温度特性，无需外部
18、的温度补偿电路，具有测量精度高、功耗低、价格低等特点，适合用于较高精度的测量系统。基于加速度传感器设计的倾角测量仪，响应速度快、使用方便。采用1gn标定和误差补偿的方法，使测量精度达到0.3。，可以满足工程应用对倾角测量的要求。设计缺点：带宽决定了测量信号的分辨率，提高分辨率同时也降低了响应的速度，提高测量的响应频率，采用过大的带宽，将会给测量带来更多噪声，降低精确度。此外，本设计简单精度不是很高，成本相对较低，适合大多数工程应用领域。72.1.2 方案二1、在2.1.1中已经对倾角测量的一种方式的原理进行了详细的介绍，由上述方案我们可以知道，倾角传感器测得的倾角信号要先转化为便于存储处理的电
19、信号，然后进过单片机控制处理信号得到和倾角有确定关系的信号，实现了倾角的测量。但是方案一中所测得倾角还不够稳定、精确，下面将对高精度倾角传感器LCF-100进行电路设计，实现了高精度、高稳定性的电路设计方案。基本原理图如下：图4、方案原理图优点：该方案直接将LCF-100倾角传感器的信号经过RC滤波器（过滤掉噪声和降低高频信号干扰）处理后送给单片机系统。该方案具有设计较为简单，成本低廉，应用灵活等优点。缺点：由于该传感器输出的是信号而且精度极高，因此对单片机的要求很高，主要体现在以下两方面：一是必须选用具有高精度的A/D转换功能的单片机。以ADuC845型单片机为例，该单片机具有两个独立的10
20、通道、24位模数/数转换器（ADC）, 主通道具有缓冲器和内部缓冲禁止功能，可以接受高内阻信号源，它的两个A/D通道都采用了-转换技术，可以实现24位无失码的优良性能。器件工作时，先由-调制器将输入信号转换成数字脉冲串，利用Since3可编程低通滤波器可以从数据流中10选1，实现有效数据转换。二是要求该单片机具有信号的A/D转换功能。这一点对于大多数的单片机都是不适用的。82、原理图如下所示：图5、方案原理框图优点：这个方案本设计是在上面方案的基础上利用加法器和反相放大器解决了LCF-100高精度倾角传感器采集负信号的处理问题。该方案直接将LCF-100倾角传感器的信号经过RC滤波器（过滤掉噪
21、声和降低高频信号干扰）和电压跟随器处理后经过加法器实现了信号的处理。缺点：本设计相对于1来说正加了一个加法器和方向放大器，同时增加了电路的复杂程度，同时也给测量结果带来了较大的误差，因此，精度还不能满足航空航天等测量精度需求较高的领域。2.2 方案优化与拓展考虑到实际的应用，航天航空等领域需求倾角的测量精度高、稳定性好，在2.12的方案二的基础上进一步优化，设计的电路系统正加了AD7701转换原件。总体设计可分为数据采集、信号处理、A/D转换、中心控制、信号传输、电源六个基本单元模块。这种设计的基本原理为：高精度倾角传感器低通滤波电压跟随器A/D转换 （异步通讯方式）单片机处理转换成422信号
22、通过BUS传出去，A/D转换器经单片机和CD4040分频提供脉冲。图6、电路系统原理框图通过LCF-100高精度倾角传感器实现航空航天领域仪器设备倾角的数据采集，能够采集到 1 的信号。利用28V的电源经过电路设计实现了12V电压供给高精度倾角传感器，5V电压作为各个芯片的电源，另外，还用高精度的芯片ADR421提供给AD7701高精度的标准2.5V的电压。倾角信号通过MAX293低通滤波器滤掉了高频和噪声信号，使信号更加的稳定。信号处理单元主要是OPO7电压跟随器，。电压跟随器具有很高的阻抗，传感器采集的5V的电压信号经过MAX293低通滤波器滤掉了低于10HZ的低频和噪声信号，得到的5V倾
23、角信号经过电压跟随器和两个10K的电阻实现分压2.5V信号。信号转换模块主要是AD7701，AD7701工作在异步通信模式，将分压得到的2.5的模拟信号转换为数字信号，AD7701由单片机和CD4040提供时钟脉冲。信号控制单元是本设计的核心，通过ADuC845单片机实现信号的控制。信号的传输单元主要是422BUS和MAX491信号转换器件，将单片机处理后的TTL电平信号转变为422总线信号，实现了信号的远距离传输。其硬件框图如下：该方案的优点是可以充分发挥A/D转换芯片的优点，实现模拟信号的高精度转换。特别是许多A/D转换芯片本身就具有滤波等多种功能，不仅简化系统结构，提高可靠性，同时降低了
24、对单片机的要求。具有很强的实用性。该方案选择具有信号输入的高精度A/D转换芯片（例如AD7701）来解决LCF-100负信号的传送显示问题，设计较为简单，同时提高了测量的精度，符合本设计的需求。通过以上方案的对比，我认为方案三LCF-100高精度倾角传感器的电路设计更适合用在航空航天等需求测量精度高的领域，因此，对于LCF-100传感器电路设计我选择此方案。第三章 硬件设计3.1 数据采集单元电路设计数据采集单元主要是LCF-100高精度倾角传感器采集仪器设备的倾角。随着科技的发展和产品的集成化，传感器技术飞速的发展，在国内外传感器成为科技进步的亮点，目前市场上应用很多类型的传感器，下面对两种
25、不同的高精度传感器进行分析选择。 高精度倾角传感器SCA103T系列是芬兰VTI科技公司( VTI Technologies Oy )开发的一类新型倾角仪,它们使用差动测量原理,采用了高度集成电子和成熟的MEMS传感器技术. 其典型应用是用于高精度测量仪器中,比如,水平仪和激光器. 在8Hz带宽情况下,模拟信号分辨力是0. 001( 20g) ,数字信号分辨力为0. 009/LSB . 该产品含有内部温度测量和补偿. 再加上高于0. 014的长期稳定性,在- 2585 范围内,能保证精度偏移小于0. 14. SCA103T系列为12脚塑封SMD封装,包含一个微分敏感度为8 V /g的30版本和
26、一个微分敏感度为16V /g的15版本,可应用于单轴倾角仪器和基于倾角的位置测量。9 Jewell仪器公司LCF型传感器可广泛用于多种工业、商业和航空航天。The Jewell LCF系列是应用存在冲击和振动领域的倾角范围为190的高水平装置。LCF加速度是完全独立的。他们连接到直流电源且完整的操作系统读出或控制。输出是一个正比于加速度高水平的直流信号，倾斜角度是0.010g到20g，LCF加速度响应速度变化小到1ug。满量程输出滞后小于0.0005且振动小于50G/G2时可用。LCF单元优异性表现在具有重复开启低疲劳和非常低的磁滞性。同时在查阅的过程中可以看出，LCF型传感器由于其动态性能好
27、，精度高，因此在倾角测量中也得到广泛的应用。该型高精确度传感器的功能： 1.0 to 90和0.01g to 20g，满量程； 0.02非线性； 高水平电压5伏输出； 噪声小于0.0001伏； 0.001重复性和迟滞； u度分辨率和直流响应6；通过上述传感器的简单论述，结合本设计的特点，我选了Jewell公司的LCF型高精度倾角传感器。3.2信号处理单元电路设计电路处理单元主要包括低通滤波、电压跟随器、分压电路几个处理单元，下面分别对几个模块的电路设计和芯片选择做详细介绍。3.3.1 低通滤波电路设计图7、滤波电路原理图如图所示本设计采用以MAX293为核心的低通滤波电路。MAX293的IN接
28、LCF高精度传感器的4脚，接受传感器测得的5V倾角信号，因传感器测得的信号含有很多的高频和噪声信号，因此使用MAX293低通滤波器，容许低频信号通过, 但减弱(或减少)频率高于截止频率的信号的通过。以便于以后的电路去处理倾角信号。MAX293具有自身功耗低、电压增益可调整和总谐波失真小等优点，它的直流电源电压范围4-12V，输入阻抗50K。通过V+ 和V_接5V的数字电压，电压放大器件MAX293的LCK接C8电容56nF起到信号滤波的作用，滤掉了低频和噪声信号，稳定电压信号。MAX293通过并联一个0.1uF的电容R7接地，OUT为处理后的倾角信号输出。外接电路极为简单灵活，可接滤波电容，用
29、以滤除电源中的干扰。可同时接电阻和电容作为频率补偿网络，用以抵消扬声器音圈电感在高频时产生的不良的影响，改善放大电路的高频特性和防止高频自激震荡。3.3.2电压跟随及分压电路设计图8、电压跟随及分压电路如图所示OP07电压跟随器OP07+IN口接电压放大器件的输出，接受5V的倾角信号，管脚TRIM接稳压源ADR421的TP端口，NC接ADR421的TRIM端口，12V的电压源对OP07进行供电，OUT实现信号的输出。在OP07输出信号端串联了两个10K的电阻实现信号电压的分压作用，提供给下级处理电路标准电压2.5V电压跟随器，顾名思义，就是输出电压与输入电压是相同的，就是说，电压跟随器的电压放
30、大倍数恒小于且接近1。 电压跟随器的显著特点就是，输入阻抗高，而输出阻抗低，一般来说，输入阻抗要达到几兆欧姆是很容易做到的，减小对被测电路的影响。输出阻抗低，通常可以到几欧姆，甚至更低。 在电路中，电压跟随器一般做缓冲级及隔离级。因为，电压放大器的输出阻抗一般比较高，通常在几千欧到几十千欧，如果后级的输入阻抗比较小，那么信号就会有相当的部分损耗在前级的输出电阻中。在这个时候，就需要电压跟随器来从中进行缓冲。起到承上启下的作用。应用电压跟随器的另外一个好处就是，提高了输入阻抗，这样，输入电容的容量可以大幅度减小，为应用高品质的电容提供了前提保证。 电压跟随器的另外一个作用就是隔离，关于负反馈的争
31、议已经很久了，其实，如果真的没有负反馈的作用，相信绝大多数的放大电路是不能很好的工作的。但是由于引入了大环路负反馈电路，扬声器的反电动势就会通过反馈电路，与输入信号叠加。造成音质模糊，清晰度下降，所以，有一部分功放的末级采用了无大环路负反馈的电路，试图通过断开负反馈回路来消除大环路负反馈的带来的弊端。但是，由于放大器的末级的工作电流变化很大，其失真度很难保证。 在这里，电压跟随器的作用正好达到应用，把电路置于前级和功放之间，可以切断电压信号的反电动势对前级的干扰作用，使倾角信号精度得到大幅度提高。103.3 A/D转换电路设计 图9、A/D转换模块电路图AD7701是一款采用-转换技术的16位
32、ADC。模拟输入由模拟调制器连续采样，其平均输出占空比正比于输入信号。调制器输出由具有一个六极高斯响应的一个片上数字滤波器进行处理，它更新输出数据寄存器字率高达4千赫16位二进制字。采样速率、滤波器转折频率和输出字速率通过可提供在外部的主时钟输入或通过控制芯片上的晶体振荡器的时钟进行设置。该ADC固有的线性度非常好，端点精度通过零点和满量程自校准保证，可在任何时候启动。在输入通道自校准方案还可以扩展到系统零点偏置和增益误差。AD7701的数字滤波器就像一个只有一些细微的差别模拟滤波器。首先，由于数字滤波出现在模拟到数字转换之后，它可以消除在转换过程中注入噪声影响。模拟滤波不能做到这一点。数位滤
33、波器的截止频率为fCLK/409600。在4.096兆赫最大时钟频率 ，该过滤器的截止频率是10赫兹，输出速度为4 kHz。图10显示了滤波器的频率响应。这是一个六阶高斯响应，为10赫兹的截止频率提供60赫兹55分贝的抑制。如果时钟频率减半，从而让一5赫兹截止，那么60赫兹抑制就优于90分贝。正常的s域滤波器的零极点如图11所示。滤波器反应定义如下：图10、AD7701滤波器的频率响应.图11、AD7701滤波器归一零极点输出数据可以通过一个灵活的串行端口访问，异步模式有一个带有UART和两个兼容同步模式用于连接移位寄存器或行业标准微控制器的串行端口。CMOS构造可确保低功耗，断电空闲模式把功
34、耗降低到了只有10微瓦。1、AD7701提供16位分辨率和超过0.0015的准确性。2、不丢失编码确保真实、可用、16位动态范围、不需要可编程增益和电平设置电路3、温度漂移的影响通过芯片自校准被消除，从而消除零误差和增益误差。外部电路也可以包含在校正循环消去了系统偏差和增益误差。4、一个灵活的同步/异步接口使AD7701能直接接到UARTs或串行端口行业标准的微控制器界面。5、低运行功耗和超低功耗待机模式使AD7701对于回路供电遥感应用或电池供电的便携式仪器更理想。3.3.1A/D晶振电路设计CLKOUT引脚为时钟输出，通过CLKOUT和CLKIN之间的连接生成晶体内部主时钟。如果使用外部时
35、钟时，CLKOUT引脚没有连接。本设计使用时钟输入外部时钟引脚CLKIN和LCKIN之间串连一个4.096M的Y2晶振，使用内部时钟，给芯片正常工作提供稳定的时钟信号。原理：在石英晶体的两个极板上加一个电场，晶片会产生机械变形，对极板施加机械力使其变形，又会在极板上产生相应的电荷，这叫压电效应。如果在两个极板上加上交变的电压，晶片便会产生机械变形震荡，同时这种机械震荡还会产生交变的电场（比较的微小），但是当外加交变的电压的频率与晶片固有的频率（由其形状和尺寸决定）相等时，机械振动的幅度会加剧，产生交变电场也增大。叫做压电谐波。3.3.2A/D数据传输控制电路CS为芯片选择输入接口，接着ADUC
36、845单片机的PWN1端，接受单片机发出信号的控制，数据传输是由CS变低开始。如果CS为低SCLK下降沿时，AD7701开始发送一个带有一个起始位和两个停止位的8位数据字节（DB8至DB15），如图12。SDATA输出将会进入三态。通过将CS置低第二个字节被转换，DB0- DB7在与第一个字节格式相同被传送。图12、Timing Diagram for Asynchronous Communications Mode相比AD7701的4 kHz输出更新率UART的波特率是非常低。当一个新的数据字可用时，如果CS低但数据仍在传输，新数据将被忽略。但是，如果CS之间已经采取高字节，当一个新的数据可
37、用时，AD7701可以在第二个字节传输之前更新输出寄存器。在这种情况下，将能收到新字的第一个字节而不是旧的第二个字节。当使用交流电模式，显然必须谨慎，以确保这不会发生。3.3.3A/D其他电路设计MODE是AD7701选择串行接口模式。mode至-5 V时，AD7701工作于异步通信（交流）模式，提供一个UART兼容接口，使AD7701数据从远程位置异步方式传输。在UART兼容格式下外部SCLK的波特率和数据被传输两个字节。SCLK数据准备端，在数据寄存器内数据准备好时为低电平，而数据传送完毕后为高电平。数据传输两个字节，一个起始位和两个停止位。SC1、SC2系统校准选择断， CAL为高电平时
38、决定了校准类型为自校准模式。AIN为模拟电压输入端，接受上级电路分压后的2.5V电压倾角信号。VREF为参考电压输入端，决定了单极模式正满量程和双极模式正负满量程电压值。ADR421电压源提供其高精度的标准电压2.5V作为标准。BP/UP休眠模式引脚接低电平时处于睡眠方式，此时功耗仅为10uW 。SLEEP单极性/双极性模式引脚接高电平选择了双极性输入范围VREF。系统超过四个使用周期CAL校准模式引脚接通过0.1UF的电容C24接高电平。DRDY数据准备输出端口接着单片机的PWMCLK引脚，在输出寄存器中当信号有效时DRDY为低电平，当一个数据传输完毕后DRDY将变为高电平。当一个新的数据字
39、被装载时，DRDY将工作在四个时钟周期，无论数据传输是否完成都表示不提供有效数据。SDATA串行数据输出端接单片机的串行输入端口，AD7701输出16位的串行字给单片机进行处理。SCLK串行时钟输入/输出端口接CD4040的Q8引脚，AD7701接受经单片机6分之一分频CD4040 256分之一分频之后时钟信号。3.4 中心控制单元电路设计3.4.1 单片机型号的选择一个好的智能仪器仪表必须有好的硬件系统，才能够现场完成信息的传输、转换、存储。报站器系统硬件部分的总体设计首先应选择好性价比高的CPU芯片，然后在其基础上扩展，选择其他的元器件，设计出与其相配套的电路部分，经调试后组成硬件系统。目
40、前市场上单片机种类繁多，有很多单片机都适合LCF-100高精度倾角传感器信号的处理控制，经查阅资料和老师的指导，ADUC845单片机有功能多、稳定性高的特点，且价 格比较合适，很适合本设计，最后选择了这个芯片。ADuC845芯片简单介绍如下：美国模拟器件公司(ADI)发布的一款MicroConverter数据采集与处理系统芯片(SoC)-ADuC845，其管脚图如图6所示。该系统芯片集成了ADI公司精密数据转换器、可编程微控制器(MCU)和闪速存储器,为需要精确测量宽动态范围低频信号的设计工程师提供了解决方案。 图13 、ADuC845芯片由于ADuC845芯片功能较多，以备在设计过程中功能的
41、扩展等需要，ADI公司出品的最新型ADuC845系列单片机具有高达24位分辨率的高精度ADC、12位DAC和独一无二的在电路可调试、可下载的特点，特别适合于各种测控系统和仪器仪表中使用。可以断言，ADuC845/847/848是目前最容易掌握、开发和应用的单片机。4KB片内闪速/电擦除数据存储器（可擦写10万次）64k字节片内闪速12。主要性能参数：4KB片内闪速/电擦除数据存储器（可擦写10万次）64k字节片内闪速/电擦除程序存储器 两级程序内存保密片内可编程锁相环PLL最高时钟频率12.58MHz2304字节内部RAM3个16位定时/计数器USRT 12C 和SPI串行口11个中断源2个优
42、先级26条可编程输入输出线32KHZ外部晶振 （1）高达24位分辨率的ADC，对绝大多数低频信号不需要放大和滤波就能够直接采样。（2）只需一根RS232串口通信线，就能够进行在系统调试、下载程序（固化），特别适合开发新产品、在现场升级和修改，也特别方便单片机的学习。这个特点是其他任何一款单片机都不可比拟的优点。（3）丰富的串口和其他外设，即同时具有UART、SPI、I2C串口。所以该芯片较适合高精度传感器的设计12。AT89C51单片机AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS 8位单片机，其管脚图如图7所示。该芯片片内含4k bytes的可反复擦写的只读程序存储器（PRO
43、M）和128bytes的随机存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高速度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元， 图14、AT89c51功能强大AT89C51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活用于各种控制领域13。主要性能参数14：4KB可编程Flash内存（可擦写1000次）三级程序内存保密静态工作频率: 0Hz-24MHz128字节内部RAM2个16位定时/计数器一个串行通讯口6个中断源32条I/O引线一个片内时钟振荡器此外，美国TI公司产品MSP430系列单片机也是个不错的选择。它是一个16 位的、具有
44、精简指令集的、超低功耗的混合型单片机。MSP430 系列单片机的中断源较多，并且可以任意嵌套，使用时灵活方便。其开发工具简便，而且价格也相对低廉，并且还可以实现在线编程。马瑞10本次高精度传感器LCF-100的电路设计其技术指标主要是数据采集的高精度硬件电路设计、信号传输控制的硬件电路设计和实物调试。因此，从本次毕业设计课题的具体要求来看，ADUC845最适合本次的设计，因此，本设计采用美国模拟器件公司(ADI)发布的一款Micro Converter数据采集与处理系统芯片(So C)-ADuC845。3.4.2 串行通信接口电路设计EIA-RS232标准是由美国电子工业协会(EIA)制定的串
45、行数据传输总线标准。在近距离通信系统中，直接进行端到端的连接。ADUC单片机只需一根RS232串口通信线，就能够进行在系统调试、下载程序（固化），特别适合开发新产品、在现场升级和修改，无需专门的电平转换电路，单片机串行数据接口RXD、TXD直接和AD7701和MAX公司生产的电平转换电路相连。单片机输出的是TTL电压信号。3.4.3 复位电路设计复位的作用是使系统在硬件或软件故障时恢复初始状态。ADUC845在振荡器运行时，在引脚RESET上出现16个主周期以上的高电平将使单片机复位。为了使每次都能使系统可靠复位，本设计采用了具有上电复位和手动复位的电路，由电容串联电阻并在电容上并接复位按键构
46、成，用来完成复位功能，当系统上电或复位键按下后，RST引脚均会出现高电平，高电平持续时间由电路的RC值决定。电路原理图如图3.2所示。3.4.4并行扩展接口设计如图所示单片机的并行扩展口ALE接12位并行计数器CD4040的Q8脚，当单片机给ALE低电平时，ALE输出8位地址总线锁存控制信号，提供给CD4040六分之一的分频信号，经CD4040再次分频256得到了分频脉冲来控制数字信号转换芯片AD7701，AD7701根据控制信号的内容来实现模拟信号到数字信号的转换并传送给单片机，实现了循环控制。3.4.5 晶振电路设计ADUC845常采用一个从32MHz晶振产生32.768MHz时钟的振荡器
47、与锁相环( PLL)，因为它能够非常准确的计算出定时初值，不会产生因波特率误差而影响串行通信的同步性能。本次设计为了单片机工作周期容易计算，采用32MHZ的晶振。它作为反馈元件与单片机内部的用于构成振荡器的高增益反相放大器一起构成自激振荡器。与32MHZ晶振匹配的典型电容值为30pF。电路原理图如图所示。 复位电路原理图 晶振电路原理图3.4.6 其他外设电路设计ADUC845芯片的48脚、34脚、20脚接数字电压源，5脚接模拟电压源，在管脚48、管脚34、管脚20、管脚5处给电压源接口处并上一个0.1UF电容用作去耦。/PSEN为程序存取器选择端，若程序从内部执行，就是单片机内部的程序存储器有效，此时接高电平；若程序从外面扩展的ROM开始执行，接低电平。本次设计将PSEN接P1且并上一个1K的电阻。此外，VSS引脚接地。数字电源电路模拟电源电路允许访问电外程序电路3
