智能仪器大作业

武汉理工大学

数据采集与智能仪器大作业

《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

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）；

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）。

第一章概述

1 智能仪器设计时采用CPLD/FPGA有哪些优点？

FPGA/CPLD芯片都是特殊的ASIC芯片，他们除了ASIC的特点之外，还有以下优点：随着VLSI工艺的不断提高，FPGA/CPLD的规模也越来越大，所能实现的功能越来越强可以实现系统集成；

（1）FPGA/CPLD的资金投入小，研制开发费用低；

（2）FPGA/CPLD可反复的编程、擦除、使用或者在外围电路不动的情况下用不同的EPROM就可实现不同的功能；

（3）FPGA/CPLD芯片电路的实际周期短；

（4）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，对知识产权保护有利。

第二章数据采集技术

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。（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）；

分析要求：当输入信号为<1mv时候，增益为1000；当输入信号为1mv

实验硬件电路图：

图 1 增益硬件电路图

实验程序：

#include

#include "LCD1602.c"

#include "TLC549.c"

bit flag=0;

uchar Table[90], times=0;

float code Av[10]={1000.000,500.000,250.000,125.000,62.500,31.250,15.625, 12.500,11.100,10.000};

unsigned char code C[10]={7,6,5,4,3,2,1,8,16,24};

void initT0() { //定时器T0初始化

TMOD=0x01;

TH0=(65536-222)/256;

TL0=(65536-222)%256;

ET0=1;

TR0=1;

EA=1;

}

void writeLCD_com(uchar com);

void writeLCD_data(uchar dat);

void write_string(uchar col,uchar line,uchar *table);

void LcdInit();

uint GetAD();

void main(){

char k,Ap;

char volmax=0;

float f;

LcdInit();

initT0();

while(1){

if(flag) {

for(k=0;k<90;k++) //排序求峰值

{

if(Table[k]>volmax)

volmax=Table[k];

}

volmax=volmax*2;

if(volmax<100){

write_string(0,2,"Vpp_in="); //在第一行显示"Vpp_in="

write_string(0,13,"mV"); //在第一行显示单位"mV"

writeLCD_com(0x80+9);

writeLCD_data(volmax/100+48); //显示输入信号峰值

writeLCD_data(volmax%100/10+48);

writeLCD_data('.');

writeLCD_data(volmax%10+48);

Ap=(int)(volmax/10);

P1=C[Ap];

f=Av[Ap];

write_string(1,2,"Av="); //在第二行显示"Av="

writeLCD_com(0xc0+5);

writeLCD_data(f/1000+48);

writeLCD_data((int)f%1000/100+48); //显示该输入电压对应的增益

writeLCD_data((int)f%100/10+48);

writeLCD_data((int)f%10+48);

writeLCD_data('.');

writeLCD_data((int)(f*10+0.5)%10+48);

}

else

{write_string(1,6,"Wrong input!"); //当输入电压超过10mv时提示错误

P1=0x00;

}

flag=0; //LCD显示完毕后停止本次工作

}}}

void T0time() interrupt 1 { //定时器T0中断服务程序

TH0=(65536-222)/256;

TL0=(65536-222)%256;

Table[times]=GetAD(); //有中断请求则采样

times++;

if(times==90)

{

TR0=0; //采样完毕TR=0

times=0;

flag=1;

}}

仿真结果图：

图 2 仿真结果图

分析：根据仿真结果，可得知达到了题目要求的增益效果，实验结果成功。

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）；

硬件电路图：

图 3 硬件电路图

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。

第三章人机接口

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）

硬件电路图：

图 4 液晶显示硬件电路图

程序流程图：

图 5 程序流程图程序代码：

#include

#define uchar unsigned char

#define uint unsigned int

uchar code table[]="XXGCXY";

sbit RS=P2^0;

sbit RW=P2^1;

sbit EN=P2^2;

uchar num;

/****************延时函数*****************/ void delay(uint z)

{

uint x,y;

for(x=z;x>0;x--)

for(y=110;y>0;y--);

}

/*****************写数据******************/ void write_data(uchar date)

{

P0=0xff;

RS=1;

RW=0;

P0=date;

delay(5);

EN=1;

delay(5);

EN=0;

}

/******************写命令*******************/

void write_com(uchar com)

{

P0=0xff;

RS=0;

RW=0;

P0=com;

delay(5);

EN=1;

delay(5);

EN=0;

}

/*****************初始化函数*******************/

void Init_LCD1602()

{

EN=0;

write_com(0x38); //设置16*2显示，5*7点阵，8位数据接口write_com(0x0c); //设置开显示，不显示光标

write_com(0x06); //写一个字符后地址指针加一

write_com(0x01); //显示清0，数据指针清0

}

/*******************主函数*******************/

void main()

{

Init_LCD1602();

while(1)

{

write_com(0x80);

for(num=0;num<6;num++)

{

write_data(table[num]);

delay(5);

}

delay(200);

write_com(0x01);

write_com(0xc0);

for(num=0;num<6;num++)

{

write_data(table[num]);

delay(5);

}

delay(200);

write_com(0x01);

}

}

仿真结果图：

图 6 仿真运行结果图

第四章数据通信

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）。

硬件电路图：

图7 硬件电路图

程序流程图：

图8 程序流程图

程序代码：

#include

#include

#define uint unsigned int

#define uchar unsigned char

uchar code tab[]={0xc0 , 0xF9 , 0xA4, 0xb0 , 0x99 ,

0x92 , 0x82 , 0xf8 , 0x80 , 0x90 ,

0x88 ,0x83 , 0xc6 , 0xa1 , 0x86 , 0x8e , 0xff}; uchar i,aa;

uint flag;

sbit P3_6=P3^6;

unsigned char b;

void delay(uint n)

{

uint i,j;

for(i=0;i

for(j=0;j<110;j++);

}

void display(uchar n)

{

P2=_crol_(P2,1);

P0=tab[n];

delay(500);

}

void main()

{ aa=0;

P2=0x01;

TMOD=0X20; //定时器工作方式2

SM0=0;

SM1=1; //设定串口工作方式为1，波特率可变10位REN=1; //串行允许接受位

TR1=1; //开启定时器1

EA=1; //开启总中断

ES=1; //开启串口中断

TH1=0XE6;

TL1=0XE6; //设置波特率

P3_6=1;

while(1)

{

if(flag==1)

{

if(flag==1)

{

//发送接受到的数据

ES=0;//关闭串口中断

flag=0;

SBUF=b;

while(!TI);

TI=0;

ES=1;

}

}

display(aa);

}

}

void ser() interrupt 4

{

RI=0;

aa=SBUF-48;

b=aa;

flag=1;

}

仿真结果图：

图9 仿真结果图