1引言
ADuC812是美國AD公司率先研制出的真正意義上的完整的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)芯片，是投入市場的第一種微轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品。它性能優(yōu)良，價格便宜，開發(fā)手段完備，是一種新型的高度集成的高精度12位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。其內(nèi)部的12位A/D轉(zhuǎn)換周期僅為4us，比常用的AD574快好幾倍。用ADuC812代替由常規(guī)芯片構成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，將大大降低產(chǎn)品的成本、縮小設備的體積、提高系統(tǒng)的可靠性和電氣性能指標。
ADuC812芯片內(nèi)，不僅包含了可重新編程的非易失性閃速/電擦除程序存儲器的高性能8位（與8051兼容）MCU，還包含了高性能的自校準多通道（8個輸入通道）ADC，兩個12位DAC，32條可編程I/O接口。ADuC812微控制器內(nèi)核與8051指令兼容，用戶現(xiàn)有的軟件都可以直接移植，因而應用開發(fā)方便。它具有9個中斷源（2個優(yōu)先級），片內(nèi)還集成了8K字節(jié)的閃速/電擦除程序存儲器、640字節(jié)的閃速/電擦除數(shù)據(jù)存儲器以及256字節(jié)RAM。另外，它還包括一個看門狗定時器和電源監(jiān)控器，ADC與數(shù)據(jù)存儲器之間的DMA方式，存儲保護功能，一個通用的異步串行收發(fā)器，SPI和I²C總線接口。AD uC812具有24位地址的外部數(shù)據(jù)尋址能力, 可尋址16MB的外部數(shù)據(jù)存儲器空間。
2 遠程環(huán)境監(jiān)測信息系統(tǒng)整體介紹
該遠程環(huán)境監(jiān)測信息系統(tǒng)是針對當今環(huán)境遠程監(jiān)測自動化、網(wǎng)絡化、信息化的要求而設計的，它是由分布于遠距離各個監(jiān)測站的多個下位機和位于中心站的上位機組成，其結(jié)構如圖1所示。
圖1、系統(tǒng)結(jié)構圖
上下位機是通過MODEM和電話線路實現(xiàn)遠程通信的。上位機將各下位機傳送來的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，并對各環(huán)境數(shù)據(jù)做出數(shù)據(jù)分析。
下位機分布在大范圍、遠距離的各個環(huán)境監(jiān)測站點，對大氣、水質(zhì)、酸雨等各監(jiān)測儀送來的各種環(huán)境數(shù)據(jù)進行實時采集。對環(huán)境監(jiān)測儀輸出的SO2、NO2、NO等變化緩慢的參數(shù)每2分鐘采樣一次，對酸雨計輸出的酸雨參數(shù)每0.5mm雨量采樣一次。采樣數(shù)據(jù)要求連續(xù)保存7天，每天的平均值保存一個月，并且存儲在下位機中的采樣數(shù)據(jù)隨時準備接受上位機的查詢和向上位機傳送。
3下位機硬件電路設計
下位機硬件電路的設計，主要是考慮被測信號的變化速率和通道數(shù)，以及對測量精度、分辨率、速度的要求等。該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電路包括：ADuC812、模擬放大轉(zhuǎn)換電路、外部數(shù)據(jù)存儲器28F128、串行口通信以及鍵盤和LCD顯示器，如圖2所示。
圖2、硬件結(jié)構圖
3．1 采集電路的模擬信號輸入
在ADuC812中，P1.0—P1.7初始化后為8通道的模擬輸入口。如果用于數(shù)字量輸入，編程時應首先把端口寫“0”。本電路將P1口設為8路由各環(huán)境監(jiān)測儀輸出的模擬量輸入。由于ADC的基準電壓是2.5伏，而各監(jiān)測儀輸出的模擬量一般為0~1伏或4~20毫安，因而需要模擬放大轉(zhuǎn)換電路把輸入信號轉(zhuǎn)換成0—2.5伏的標準輸入。轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。
圖3、模擬放大轉(zhuǎn)換電路
3．2 ADuC812與外部數(shù)據(jù)存儲器的接口電路
為滿足本設計系統(tǒng)大量數(shù)據(jù)的存儲要求，在采用常規(guī)芯片構成的系統(tǒng)中要采用10片128K的HM628128數(shù)據(jù)存儲器（RAM），這樣，不但成本高、電路設計復雜、系統(tǒng)的可靠性和電氣性能指標也低。由于ADuC812具有24位地址的外部數(shù)據(jù)尋址能力，本方案中，我們采用一片28F640。28F640是一超大容量閃速存儲器，單片容量為8MB，不但更好的滿足了本系統(tǒng)的設計要求，而且當采集參數(shù)增加，或采樣時間變化時，同樣能滿足要求，因而提高了系統(tǒng)的兼容性。
為實現(xiàn)對28F640的訪問，ADuC812利用兩片8位鎖存器74HC573與28F640相連。P0口分時輸出低8位地址A0~A7和8位數(shù)據(jù)，利用地址鎖存信號ALE可以將低8位地址鎖存到8位鎖存器U2中。P2口分時輸出高8位地址和中8位地址，可以利用地址鎖存信號ALE將高8位地址鎖存到8位鎖存器U4中。這樣就實現(xiàn)了24位尋址空間。由于28F640只有A0~A22共23位地址線，所以鎖存器輸出的A23地址線懸空。
3．3 鍵盤、顯示器接口電路
外接鍵盤和LCD顯示器的目的是：當數(shù)據(jù)發(fā)送錯誤或人工查詢數(shù)據(jù)時，可通過鍵盤選擇要查詢的參數(shù)并在顯示器上顯示出來，使下位機的工作更加靈活方便。
為了連接鍵盤和顯示器，需要擴展一片8155I/O口擴展芯片，采用4*4觸摸式鍵盤和點陣式液晶顯示器。鍵盤上的鍵值分別與各路環(huán)境參數(shù)對應，若為“0”按下，則調(diào)顯示子程序，此后每按一個鍵，此按鍵值對應的環(huán)境參數(shù)在顯示器上顯示出來。若不是“0”鍵按下，則把鍵值送累加器A。當為“F”鍵按下時，則退出顯示子程序。
3．4 串行通信接口電路
由于要通過MODEM、電話線與上位PC機通信，所以須利用MAX232芯片作為RS—232口電平匹配與驅(qū)動。MAX232是包含兩路接收器和驅(qū)動器的IC芯片，其內(nèi)部有一個電源電壓變換器，可以把輸入的+5V電源電壓變換成為RS—232C輸出電平所需的±10伏電壓。
4下位機軟件設計
4．1 軟件整體設計
下位機的軟件設計主要由3部分組成：數(shù)據(jù)采集及存儲子程序，鍵盤掃描與液晶顯示程序，與上位機的通信子程序。流程圖如圖4。
主程序中，首先進行鍵盤、顯示器、AD模塊和通信端口的初始化。數(shù)據(jù)采集及存儲子程序編寫為定時中斷子程序，采用定時器2定時，每2分鐘調(diào)一次數(shù)據(jù)采集及存儲子程序，采集一次數(shù)據(jù)。而酸雨數(shù)據(jù)的采集是通過外部中斷INT1，每當酸雨量達0.5mm時向ADuC812發(fā)一個中斷請求，ADuC812采集一次酸雨數(shù)據(jù)。
主程序循環(huán)掃描鍵盤，當有鍵按下時，轉(zhuǎn)鍵盤掃描子程序。主程序中把與上位機的通信程序設置為外部中斷子程序，中斷信號由INT0輸入。當上位機要求傳送數(shù)據(jù)時，通過撥號，選中某一下位機，則此下位機程序跳轉(zhuǎn)到通信子程序，完成與上位機的通信。
圖4、軟件流程圖
4．2 軟件設計特點
ADuC812微控制器內(nèi)核與8051指令兼容，用戶現(xiàn)有的軟件都可以直接移植，但在ADC轉(zhuǎn)換模塊和數(shù)據(jù)的存取方面與8051編程不同。
在數(shù)據(jù)采集及存儲子程序中，ADC首先要初始化。對ADuC812的AD轉(zhuǎn)換模塊的操作是通過對ADCON1，ADCON2和ADCON3這3個特殊功能寄存器（SFR）來控制的。ADCON1控制轉(zhuǎn)換與采集時間、硬件轉(zhuǎn)換模式以及掉電模式。在對ADCON1的設置中，ADC正常工作，時鐘分頻比為2。由于輸入信號模擬放大轉(zhuǎn)換電路的輸出阻抗都小于8KΩ，所以選擇ADC采集時鐘為1。設置定時器2轉(zhuǎn)換位T2C，由此，得ADCON1=52H。ADCON2控制ADC通道選擇和轉(zhuǎn)換模式。由于本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為8通道順序采集，ADC每次需要將8個通道的模擬輸入量依次進行轉(zhuǎn)換，因此，要把通道號CHAG的值送入ADCON2中。ADCON3未用。一旦特殊功能寄存器ADCON1~3完成設置，ADC將轉(zhuǎn)換模擬輸入并在特殊功能寄存器ADCDADAH/L中提供ADC 12位結(jié)果字。
CPU用中斷方式管理A/D轉(zhuǎn)換器。當A/D轉(zhuǎn)換完成時，向CPU發(fā)請求信號，CPU響應中斷，中斷處理子程序負責對轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)進行讀出并將其存儲至外部數(shù)據(jù)存儲器28F128中，然后通道號加1，相應的閃速存儲器地址也加1。
當用戶訪問微轉(zhuǎn)換器ADuC812的16MB的外部數(shù)據(jù)空間時，必須添加一個數(shù)據(jù)頁指針DPP，與普通MCS-51一樣，一條向DPTR送數(shù)的MOV指令仍只送16位的數(shù)據(jù)到DPH和DPL，但一個使DPH溢出的INC DPTR指令，將使地址增加一頁而不是加1。頁的大小與DPP有關。因此利用數(shù)據(jù)頁指針DPP可實現(xiàn)16MB外部數(shù)據(jù)空間的訪問。
對28F640的讀寫是以頁編程操作為基礎。28F640是超大容量閃速存儲器，為了保證對各種操作的可靠進行，芯片內(nèi)部增加了控制邏輯。如用來接受各種操作命令的用戶命令單元接口（CUI）和擦寫狀態(tài)機（WSM）等。當進行數(shù)據(jù)交換時，首先是將芯片的片選端使能，使存儲器進入工作狀態(tài)，然后再將相應命令字送入CUI。CUI根據(jù)命令要求按地址鎖存器的尋址去控制WSM對相應的存儲單元或存儲塊區(qū)域自動執(zhí)行編程算法和必要的延時，從而完成數(shù)據(jù)塊的擦除、寫入、鎖存等操作。
5結(jié)束語
把ADuC812芯片應用在遠程環(huán)境監(jiān)測信息系統(tǒng)下位機的設計上，顯著提高了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能并大幅度地減少了開發(fā)時間和成本，適應了現(xiàn)代環(huán)境監(jiān)測的要求。根據(jù)具體要求稍加修改，本系統(tǒng)還可適用于氣象、電力、水文等需要實時監(jiān)測的各個部門。