基于雙單片機的信號處理系統(tǒng)設(shè)計

王曙霞，黨智乾，王航宇

（西安航空職業(yè)技術(shù)學院 陜西 西安 710089）

當檢測與控制系統(tǒng)處理大量數(shù)據(jù)和多路信息時，只用一片單片機往往無法滿足系統(tǒng)實時性和擴展性要求，且處理時間較長。例如在液面信息采集過程中，單片機要在相等的時間間隔進行A/D轉(zhuǎn)換以及數(shù)據(jù)處理。由于要實現(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進行液體操作工作，采集多路液面信息。因此這里提出一種基于雙單片機的信號處理系統(tǒng)設(shè)計方案，該系統(tǒng)采用單片機（AT89S51）作為核心器件，2片AT89S51型單片機作為雙核心分擔整個檢測單元的任務(wù)[1]。

1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

該信號處理系統(tǒng)的總體設(shè)計方案為：單片機1定時進行A/D轉(zhuǎn)換，并且將轉(zhuǎn)換結(jié)果存入外部數(shù)據(jù)存儲器；單片機2讀取數(shù)據(jù)存儲器中的轉(zhuǎn)換結(jié)果并且通過串口傳遞給計算機，同時還負責在系統(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

圖1 信號處理系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Hardware block diagram of signal processing system

由于AT89S51單片機并沒有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[2]。ADC0832是美國國家半導體公司生產(chǎn)的一種8位分辨率、雙通道A/D轉(zhuǎn)換器。其主要特點如下：輸入輸出電平與TTL/CMOS相兼容；5 V電源供電時輸入電壓在0～5 V之間；工作頻率為 250 kHz，轉(zhuǎn)換時間為 32μs；一般功耗僅為15 mW。

A/D轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計采用了ADC0832的以下引腳：引腳1（CS）是片選使能信號端，接單片機AT89S51的P3.4引腳。引腳 2（CH0）、引腳 3（CH1）是 2個模擬量輸入通道，由于檢測器只使用了一個電容傳感器，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，負責選擇通道控制。引腳6（DO）是數(shù)據(jù)信號輸出端，負責輸出轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)。引腳5和引腳6由于在通信時并不是同時有效，而且與單片機是雙向接口，所以在使用過程中將這兩引腳連在一起使用，并連接至單片機的P1.1引腳；引腳7（CLK）是芯片時鐘輸入，接至單片機的P1.0引腳，如圖2所示。

1.2 存儲模塊設(shè)計

通過對存儲器性能、價格、購買情況等因素的綜合考慮，該系統(tǒng)設(shè)計采用Cypress公司的CY7C132。該器件是2 K×8位高速雙端口靜態(tài)讀寫存儲器。兩個端口可獨立訪問存儲器內(nèi)的任意存儲單元。該CY7C132有兩組對稱的信號線，即每個端口都有獨立的地址線、數(shù)據(jù)線和控制線以及通信聯(lián)絡(luò)信號位。存取時間為25～55 ns，在非選通時自動處于低功耗狀態(tài)，異步操作，輸入和輸出三態(tài)，與TTL電平兼容[3]。

圖2 信號處理單元電路Fig.2 Circuit of signal processing unit

CY7C132允許兩個CPU同時讀取任何存儲單元 （包括同時讀同一地址單元），但不允許同時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）電路來解決這個問題：當左右兩端處理器同時寫入或一讀一寫同一地址單元時，先穩(wěn)定的地址端口通過仲裁邏輯電路優(yōu)先讀寫，同時內(nèi)部電路使另一個端口的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CPU發(fā)生插入等待時，可能會降低程序效率，不可應(yīng)用于頻繁產(chǎn)生插入中斷的場合。

該系統(tǒng)設(shè)計采用存取時間為55 ns的CY7C132，從單片機工作速度在μs級，主單片機工作速度在ms級，雙方同時讀取雙口RAM的概率較小，上述沖突解決方案可以滿足實際需求。在主從單片機啟動工作后，為了防止主單片機的空讀，即從單片機的首次寫入時間晚于主單片機的首次讀入時間，將存儲器的首地址設(shè)置為起始標志位，通過主單片機讀寫該為狀態(tài)決定是否將讀取下一位的存儲位。

2 具體電路設(shè)計

根據(jù)上述系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖和功能設(shè)計，繪制信號處理系統(tǒng)的電路原理圖[4]，如圖2所示。

單片機的控制或檢測工作是通過I/O引腳實現(xiàn)的。單片機1（U1）中，P0和P2引腳以及P3.6與P3.7引腳用來與外部數(shù)據(jù)存儲器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 2（V2）的引腳 P1.0相互通信。單片機2的I/O引腳的使用情況與單片機1類似。其中特別需要指出的是：單片機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1為例進行說明，CY7C132的內(nèi)部存儲空間為2 KB，因此，其地址空間為0000H～07FFH。單片機的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)計僅使用單片機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1與單片機2使用了不同頻率的外部晶振：1）單片機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使用機器周期作為其工作基準，在使用外部振蕩電路的情況下，該單片機是以晶振頻率除以12得到的數(shù)值作為機器周期，所以在單片機1需要定時器的情況下，晶振頻率要便于定時器的設(shè)置；3）單片機2需要和計算機進行串口通信，晶振頻率要便于串口通信中波特率的設(shè)置。因此，單片機1與單片機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

該系統(tǒng)軟件設(shè)計使用的是匯編語言。匯編語言的優(yōu)點是：編寫的程序存儲空間小，運行速度快，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所使用，必須使用編譯器編譯。本系統(tǒng)使用Keil C51 V7.09評估版[5]。

3.1 單片機主程序

單片機1使用內(nèi)部RAM的20H.1作為A/D轉(zhuǎn)換標志位，當標志位被置1時，主程序中的A/D轉(zhuǎn)換子程序不會運行；當該標志位被置0時，A/D轉(zhuǎn)換子程序才可以執(zhí)行。單片機1的主程序執(zhí)行過程，見圖3（a）。單片機2用內(nèi)部RAM的20H.1作為程序啟動標志位，當標志位被置1時，主程序不會運行；當該標志位被置0時，主程序才可以執(zhí)行。在主程序開始運行后，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2的主程序執(zhí)行過程，見圖3（b）。

圖3 主程序流程圖Fig.3 Flow chart of main program

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個數(shù)據(jù)，尋找一個數(shù)值y（k），使該值與采樣值之間誤差的平方和最?。?/p>

對一元函數(shù)求極值的算術(shù)平均值濾波公式，得：

式中，y（k）是第k次采樣時N個采樣值的平均值，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的場合。該方法將干擾的影響平攤到每個測量值。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[6]。中值濾波子程序和算術(shù)平均值濾波子程序流程見圖4。

圖4 數(shù)字濾波子程序流程圖Fig.4 Flow chart of digital filter subroutine

4 實驗數(shù)據(jù)

在實驗過程中，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；其次，被測數(shù)據(jù)通過串口助手顯示并以文本格式（txt）存儲在工控機中；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（隨機取樣 1 000 次）見圖 5。 圖中的（1）（2）（3）分別表示單片機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（隨機取樣 1 000 次）見圖 6。 圖中的（1）（2）（3）分別表示單片機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性。根據(jù)誤差理論，該類誤差應(yīng)屬于未定系統(tǒng)誤差。

圖5 0 V直流信號輸入采樣結(jié)果Fig.5 Sampling results of 0V DC signal input

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。

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)置為100 Hz，并且采用4個點進行算術(shù)平均值濾波。隨機采樣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。

圖6 2 V直流信號輸入采樣結(jié)果Fig.6 Sampling results of 2V DC signal input

表1 直流信號輸入的采樣結(jié)果Tab.1 Sampling results of DC signal input

圖7 鋸齒波輸入采樣結(jié)果Fig.7 Sampling results of sawtooth input

5 結(jié) 論

本文完成了基于雙單片機的信號處理系統(tǒng)的設(shè)計，由ADC0832對要采集的信號進行A/D轉(zhuǎn)換，兩單片機可同時讀取獨立的外部存儲器的任何存儲單元，通過串口將單片機2從存儲器中讀取的數(shù)據(jù)送入計算機。兩單片機不同的晶振頻率設(shè)置便于在不同的工作狀態(tài)。經(jīng)過實驗說明：以雙單片機作為信號處理系統(tǒng)的核心，具有便于實時控制，系統(tǒng)便于擴展等優(yōu)點，是以后信息處理的一個發(fā)展方向。

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[6]韓志軍，沈晉源，王振波.單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005.