基于雙單片機(jī)的信號處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

當(dāng)檢測與控制系統(tǒng)處理大量數(shù)據(jù)和多路信息時(shí)，只用一片單片機(jī)往往無法滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和擴(kuò)展性要求，且處理時(shí)間較長。例如在液面信息采集過程中，單片機(jī)要在相等的時(shí)間間隔進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換以及數(shù)據(jù)處理。由于要實(shí)現(xiàn)高通量的液體操作，液體操作平臺通常配置多根移液針同時(shí)進(jìn)行液體操作工作，采集多路液面信息。因此這里提出一種基于雙單片機(jī)的信號處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，該系統(tǒng)采用單片機(jī)(AT89S51)作為核心器件，2片AT89S51型單片機(jī)作為雙核心分擔(dān)整個(gè)檢測單元的任務(wù)。

1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
    該信號處理系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案為：單片機(jī)1定時(shí)進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，并且將轉(zhuǎn)換結(jié)果存入外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器：單片機(jī)2讀取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中的轉(zhuǎn)換結(jié)果并且通過串口傳遞給計(jì)算機(jī)，同時(shí)還負(fù)責(zé)在系統(tǒng)接收到開始或停止命令之后相應(yīng)開始或停止單片機(jī)1的A／D轉(zhuǎn)換工作。圖1為該信號處理系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖。

    根據(jù)上述設(shè)計(jì)方案，該系統(tǒng)硬件分為以下模塊：
1．1 A／D轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)
    由于AT89S51單片機(jī)并沒有A／D轉(zhuǎn)換模塊，因此在采集系統(tǒng)中需要使用具有A／D轉(zhuǎn)換功能的器件，這里采用ADC0832。ADC0832是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一種8位分辨率、雙通道A／D轉(zhuǎn)換器。其主要特點(diǎn)如下：輸入輸出電平與TTL／CMOS相兼容；5 V電源供電時(shí)輸入電壓在0～5 V之間；工作頻率為250 kHz，轉(zhuǎn)換時(shí)間為32μs；一般功耗僅為15 mW。
    A／D轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)采用了ADC0832的以下引腳：引腳1(CS)是片選使能信號端，接單片機(jī)AT89S51的P3．4引腳。引腳2(CH0)、引腳3(CH1)是2個(gè)模擬量輸入通道，由于檢測器只使用了一個(gè)電容傳感器，因此，這里只采用引腳3作為模擬量輸入。引腳5(DI)是數(shù)據(jù)信號輸入端，負(fù)責(zé)選擇通道控制。引腳6(DO)是數(shù)據(jù)信號輸出端，負(fù)責(zé)輸出轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)。引腳5和引腳6由于在通信時(shí)并不是同時(shí)有效，而且與單片機(jī)是雙向接口，所以在使用過程中將這兩引腳連在一起使用，并連接至單片機(jī)的P1．1引腳；引腳7(CLK)是芯片時(shí)鐘輸入，接至單片機(jī)的P1．0引腳，如圖2所示。

1．2 存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)
    通過對存儲(chǔ)器性能、價(jià)格、購買情況等因素的綜合考慮，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用Cypress公司的CY7C132。該器件是2 Kx8位高速雙端口靜態(tài)讀寫存儲(chǔ)器。兩個(gè)端口可獨(dú)立訪問存儲(chǔ)器內(nèi)的任意存儲(chǔ)單元。該CY7C132有兩組對稱的信號線，即每個(gè)端口都有獨(dú)立的地址線、數(shù)據(jù)線和控制線以及通信聯(lián)絡(luò)信號位。存取時(shí)間為25～55 ns，在非選通時(shí)自動(dòng)處于低功耗狀態(tài)，異步操作，輸入和輸出三態(tài)，與TTL電平兼容。
    CY7C132允許兩個(gè)CPU同時(shí)讀取任何存儲(chǔ)單元(包括同時(shí)讀同一地址單元)，但不允許同時(shí)寫或一讀一寫同一地址單元。雙端口RAM中引入了仲裁邏輯(忙邏輯)電路來解決這個(gè)問題：當(dāng)左右兩端處理器同時(shí)寫入或一讀一寫同一地址單元時(shí)，先穩(wěn)定的地址端口通過仲裁邏輯電路優(yōu)先讀寫，同時(shí)內(nèi)部電路使另一個(gè)端口的BUSY信號有效，并在內(nèi)部禁止對方訪問，直到本端口操作結(jié)束。BUSY信號可以作為中斷源指明本次操作非法。需要注意的是：這種方法當(dāng)CPU發(fā)生插入等待時(shí)，可能會(huì)降低程序效率，不可應(yīng)用于頻繁產(chǎn)生插入中斷的場合。
    該系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用存取時(shí)間為55 ns的CY7C132，從單片機(jī)工作速度在μs級，主單片機(jī)工作速度在ms級，雙方同時(shí)讀取雙口RAM的概率較小，上述沖突解決方案可以滿足實(shí)際需求。在主從單片機(jī)啟動(dòng)工作后，為了防止主單片機(jī)的空讀，即從單片機(jī)的首次寫入時(shí)間晚于主單片機(jī)的首次讀入時(shí)間，將存儲(chǔ)器的首地址設(shè)置為起始標(biāo)志位，通過主單片機(jī)讀寫該為狀態(tài)決定是否將讀取下一位的存儲(chǔ)位。

2 具體電路設(shè)計(jì)
    根據(jù)上述系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖和功能設(shè)計(jì)，繪制信號處理系統(tǒng)的電路原理圖，如圖2所示。
    單片機(jī)的控制或檢測工作是通過I／O引腳實(shí)現(xiàn)的。單片機(jī)1(U1)中，PO和P2引腳以及P3．6與P3．7引腳用來與外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器CY7C132交換數(shù)據(jù)；P1．0、P1．1和P3．4引腳是與A／D轉(zhuǎn)換器ADC0832連接，控制A／D轉(zhuǎn)換操作以及讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果：P3．2(外部中斷0)引腳與單片機(jī)2(V2)的引腳P1．0相互通信。單片機(jī)2的I／O引腳的使用情況與單片機(jī)1類似。其中特別需要指出的是：單片機(jī)2的P1．2引腳連接至CY7C132的BUSY引腳；而P3．0與P3．1是串口通信引腳，連接至MAX232。
    CY7C132是雙口RAM，但是其任意一端的地址線、數(shù)據(jù)線以及控制線的連接方法與一般RAM幾乎沒有區(qū)別，2片單片機(jī)與CY7C132的地址線和數(shù)據(jù)線采用相同的連接方法。以單片機(jī)1為例進(jìn)行說明，CY7C132的內(nèi)部存儲(chǔ)空間為2KB，因此，其地址空間為0000H～07FFH。單片機(jī)的I／O口要提供11根地址線，除去P0口還需占用P2．0、P2．1、P2．2端。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)僅使用單片機(jī)AT89S51的外部RAM，因此不存在片選問題。這里采用線選法，P2．3直接與CY7C132的CS相連。
    另外，基于以下原因，單片機(jī)1與單片機(jī)2使用了不同頻率的外部晶振：1)單片機(jī)AT89S51支持的頻率有限，被選擇的晶振頻率必須符合要求；2)由于AT89S51使用機(jī)器周期作為其工作基準(zhǔn)，在使用外部振蕩電路的情況下，該單片機(jī)是以晶振頻率除以12得到的數(shù)值作為機(jī)器周期，所以在單片機(jī)1需要定時(shí)器的情況下，晶振頻率要便于定時(shí)器的設(shè)置；3)單片機(jī)2需要和計(jì)算機(jī)進(jìn)行串口通信，晶振頻率要便于串口通信中波特率的設(shè)置。因此，單片機(jī)1與單片機(jī)2的晶振頻率分別選擇了12 MHz和11．059 2 MHz。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    該系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)使用的是匯編語言。匯編語言的優(yōu)點(diǎn)是：編寫的程序存儲(chǔ)空間小，運(yùn)行速度快，程序效率高。另外，匯編語言編寫的程序能直接管理和控制硬件設(shè)備。匯編語言編寫的程序并不能直接為單片機(jī)所使用，必須使用編譯器編譯。本系統(tǒng)使用Keil C5l V7．09評估版。
3．1 單片機(jī)主程序
    單片機(jī)1使用內(nèi)部RAM的20H．1作為A／D轉(zhuǎn)換標(biāo)志位，當(dāng)標(biāo)志位被置1時(shí)，主程序中的A／D轉(zhuǎn)換子程序不會(huì)運(yùn)行；當(dāng)該標(biāo)志位被置0時(shí)，A／D轉(zhuǎn)換子程序才可以執(zhí)行。單片機(jī)1的主程序執(zhí)行過程，見圖3(a)。單片機(jī)2用內(nèi)部RAM的20H．1作為程序啟動(dòng)標(biāo)志位，當(dāng)標(biāo)志位被置1時(shí)，主程序不會(huì)運(yùn)行；當(dāng)該標(biāo)志位被置0時(shí)，主程序才可以執(zhí)行。在主程序開始運(yùn)行后，從外部數(shù)據(jù)寄存器中讀入數(shù)據(jù)，然后關(guān)閉串口中斷，通過查詢方式向串口寫入數(shù)據(jù)，然后再打開串口中斷。單片機(jī)2的主程序執(zhí)行過程，見圖3(b)。

3．2 數(shù)字濾波子程序
    算術(shù)平均值濾波的原理是對于連續(xù)采樣的n個(gè)數(shù)據(jù)，尋找一個(gè)數(shù)值y(k)，使該值與采樣值之間誤差的平方和最?。?nbsp;                 
 
    式中，y(k)是第k次采樣時(shí)，N個(gè)采樣值的平均值，X(i)是第i次采樣值。
    算術(shù)平均值濾波適用于被測信號在某一數(shù)字范圍附近作上下波動(dòng)的場合。該方法將干擾的影響平攤到每個(gè)測量值。采樣數(shù)n決定了抗干擾的能力，n越大，抗干擾性能越好，但是，n值過大，系統(tǒng)的靈敏度會(huì)降低。算術(shù)平均值濾波對周期性干擾有較好的抑制作用，但對脈沖性干擾作用不大。
    中值濾波算法是對某一被測參數(shù)連續(xù)采樣n次(一般n取奇數(shù))。n次采樣值按照大小排列，取中間值作為本次采樣值。中值濾波算法能有效克服因偶然因素引起的波動(dòng)干擾。對于溫度、液體表面等變化緩慢的被測參數(shù)，能收到良好的濾波效果。中值濾波子程序和算術(shù)平均值濾波子程序流程見圖4。

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
    在實(shí)驗(yàn)過程中，測試平臺的輔助工具包括，可提供±5 V輸出的WJ7103型直流穩(wěn)壓電源，美國Tektronic公司的AFG3021型函數(shù)發(fā)生器。首先，信號函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生直流信號通過信號處理單元電路板被傳輸?shù)焦た貦C(jī)；其次，被測數(shù)據(jù)通過串口助手顯示并以文本格式(txt)存儲(chǔ)在工控機(jī)中；最后，被測數(shù)據(jù)通過MATLAB軟件以分別以圖像的形式顯示和十進(jìn)制數(shù)的格式記錄。
    在0 V信號輸入的條件下，信號處理單元的采樣結(jié)果(隨機(jī)取樣1 000次)見圖5。圖中的(1)(2)(3)分別表示單片機(jī)1在沒有使用數(shù)字濾波算法，采用中值濾波算法和算術(shù)平均值濾波算法的條件下得到的輸出結(jié)果。在理想情況下，采樣值應(yīng)該是0，而記錄的采樣結(jié)果與理想值存在誤差。

    在2 V信號輸入的條件下，信號處理單元的采樣結(jié)果(隨機(jī)取樣1 000次)見圖6。圖中的(1)(2)(3)分別表示單片機(jī)1在沒有使用數(shù)字濾波算法，采用中值濾波算法和算術(shù)平均值濾波算法的條件下得到的輸出結(jié)果。采樣結(jié)果中，在理想情況下，采樣值應(yīng)該是102。

    通過對兩種不同條件下采樣結(jié)果的分析可得到結(jié)論：在使用濾波算法的條件下，檢測系統(tǒng)的采樣結(jié)果會(huì)更集中在理想值附近，但采樣結(jié)果的誤差并沒有消除，而且該誤差具有明顯的隨機(jī)性。根據(jù)誤差理論，該類誤差應(yīng)屬于未定系統(tǒng)誤差。
    根據(jù)表1可知。在使用算術(shù)平均值濾波算法的情況下，可以提高信號處理單元采樣結(jié)果的精度。因此，使用算術(shù)平均值濾波算法作為單片機(jī)的數(shù)字濾波算法。

    將該系統(tǒng)用于液面探測系統(tǒng)的信號處理，以驗(yàn)證該系統(tǒng)的可行性。在理想狀態(tài)下，液位信號將按照線性的規(guī)律變化。另外，根據(jù)液位檢測原理設(shè)計(jì)的電容檢測電路也以線性規(guī)律反映電容值與電壓值之間的關(guān)系。因此，線性規(guī)律變化的信號是檢測系統(tǒng)的測試的重要指標(biāo)。
    在使用函數(shù)發(fā)生器模擬線性變化信號的條件下，函數(shù)發(fā)生器按照如下方式設(shè)置：鋸齒波的輸出，上升區(qū)間占100％，輸出頻率為1 Hz，下偏移為0 V，Vp-p為2 V。信號處理單元的采樣頻率設(shè)詈為100 Hz，并且采用4個(gè)點(diǎn)進(jìn)行算術(shù)平均值濾波。隨機(jī)采樣1 000次的采樣結(jié)果的折線圖見圖7。從該采樣結(jié)果來看，經(jīng)過濾波算法的處理之后，信號處理單元可以獲得較好的采樣結(jié)果。

5 結(jié)論
    本文完成了基于雙單片機(jī)的信號處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，由ADC0832對要采集的信號進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，兩單片機(jī)可同時(shí)讀取獨(dú)立的外部存儲(chǔ)器的任何存儲(chǔ)單元，通過串口將單片機(jī)2從存儲(chǔ)器中讀取的數(shù)據(jù)送入計(jì)算機(jī)。兩單片機(jī)不同的晶振頻率設(shè)置便于在不同的工作狀態(tài)。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)說明：以雙單片機(jī)作為信號處理系統(tǒng)的核心，具有便于實(shí)時(shí)控制，系統(tǒng)便于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，是以后信息處理的一個(gè)發(fā)展方向。