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圖1  系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

    本系統(tǒng)設(shè)置了四個(gè)功能鍵，系統(tǒng)模塊的功能選擇由功能鍵調(diào)用，具體功能如下：
    (1)  LED顯示鍵：每按一下則顯示一個(gè)通道采集的數(shù)據(jù)及其通道號，可通過連續(xù)操作來顯示各個(gè)通道的采集數(shù)據(jù)。該鍵連接微處理器端口IOB2，執(zhí)行中斷功能。
    (2)  讀取鍵：按一下則將存入鐵電存儲器的歷史數(shù)據(jù)全部發(fā)送至上位機(jī)。該鍵連接微處理器端口IOB3，執(zhí)行中斷功能。
    (3)  上傳鍵：按下去則不斷的向上位機(jī)發(fā)送各個(gè)通道采集的數(shù)據(jù)，將鍵復(fù)位則停止數(shù)據(jù)發(fā)送。該鍵連接微處理器端口IOB10，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通數(shù)據(jù)流的功能。
    (4)  存儲鍵：按下去則將實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)存入鐵電存儲器，將鍵復(fù)位則停止存儲。該鍵連接微處理器端口IOB13，實(shí)現(xiàn)片選存儲芯片的功能。

2.1  核心控制單元
    由于該系統(tǒng)最基本的功能是采集多路模擬信號并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，因此選用具有多通道A/D轉(zhuǎn)換功能的微處理器CPU內(nèi)核和IP模塊。本系統(tǒng)核心控制單元采用基于SoC的新型數(shù)/模混合系統(tǒng)級芯片SPCE061A，該芯片的CPU內(nèi)核為凌陽科技公司最新推出µ’nsp（Microcontroller and Signal Processor）16位微處理器芯片（簡稱µ’nSP^TM）。
    傳統(tǒng)的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需外擴(kuò)多個(gè)A/D轉(zhuǎn)換電路來實(shí)現(xiàn)多通道數(shù)據(jù)采集，使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，且A/D轉(zhuǎn)換精度易受干擾。本系統(tǒng)采用的SPCE061A芯片內(nèi)集成了模擬/數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)采集的外設(shè)及其它功能部件，其中有七路通道(Line_In)和IOA[0~6] 端口可復(fù)用的10位ADC通道，可以直接通過引線(IOA[0~6])輸入，用于將輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。這樣，MCU可在片內(nèi)實(shí)現(xiàn)通道轉(zhuǎn)換及A/D轉(zhuǎn)換，既降低了硬件成本，又縮短了數(shù)據(jù)傳送距離，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力[3]。SPCE061A的A/D轉(zhuǎn)換性能指標(biāo)如表1所示。
    核心控制單元將七個(gè)通道采集的模擬量通過A/D轉(zhuǎn)換變成數(shù)字量存儲在相應(yīng)地址的內(nèi)存中，然后根據(jù)要求將這些數(shù)據(jù)送到LED或上位機(jī)中顯示，同時(shí)也可將大量采集的歷史數(shù)據(jù)存儲起來，用作以后分析。
表1  A/D轉(zhuǎn)換性能指標(biāo)

注：[1] LSB表示為最小有效單位，在VRT=3V的情況下，1LSB為2.93 mV。
[2] 此由最大采樣率(Samplerate_max)得來，即Samplerate_max =ADC響應(yīng)率/16=1536kHz/16=96kHz。

2.2  數(shù)據(jù)存儲和讀取單元
    傳統(tǒng)易失性RAM存儲器在掉電的時(shí)候均會失去保存的數(shù)據(jù)，而源于只讀存儲器（ROM）技術(shù)的非易失性存儲器不僅寫入速度慢，而且只能有限次的擦寫，寫入時(shí)功耗大。為了準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、快速的存儲和傳輸大量數(shù)據(jù)信息，本文采用先進(jìn)的鐵電存儲技術(shù)對數(shù)據(jù)存儲和傳輸性能進(jìn)行優(yōu)化，選用擴(kuò)展芯片SPBA01B和鐵電存儲器FM1808構(gòu)成數(shù)據(jù)存儲讀取單元。
    系統(tǒng)中所用的256K位鐵電非易失性隨機(jī)存儲器FM1808能兼容RAM的一切功能和ROM的非易失性技術(shù)，是一種非易失性的快速讀寫存儲器，其特性如下：
    (1) 結(jié)構(gòu)容量為32 768×8位；
    (2) 100億次以上的讀寫次數(shù)；
    (3) 掉電數(shù)據(jù)保持10年；
    (4) 寫數(shù)據(jù)無延時(shí)。本文采用的鐵電存儲技術(shù)不僅能使系統(tǒng)快速無延時(shí)的讀寫數(shù)據(jù)，而且能使之在掉電情況下保存數(shù)據(jù)10年之久[4]。
    由于SoC微處理器端口資源有限，因此本文采用可級連單片總線擴(kuò)展芯片SPBA01B來擴(kuò)展鐵電存儲器FM1808。SPBA01B是一款8bit總線擴(kuò)展芯片，可擴(kuò)展4MBytes的Memory 或25個(gè)IO口。SPBA01B支持各種Memory類型的擴(kuò)展，在對Memory操作的時(shí)候，不需要直接操作Memory 的片選、讀、寫信號，只要對相應(yīng)的寄存器寫入命令、數(shù)據(jù)即可，數(shù)據(jù)存儲讀取單元內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。
    系統(tǒng)只需對SPBA01B內(nèi)部寄存器進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置，即可實(shí)現(xiàn)對SPBA01B的讀、寫以及片選信號線的自動控制。其中MC1決定AD總線是地址還是數(shù)據(jù)總線，MC0決定操作模式（讀或?qū)懀?BR>

圖2  數(shù)據(jù)存儲和讀取單元內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

2.3  LED顯示單元
    該單元由三片8-BIT串行輸入/串并行輸出移位寄存器74HC595A和三片LED構(gòu)成。
    傳統(tǒng)的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)常常借助于多路開關(guān)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分時(shí)輸入，MCU將數(shù)據(jù)處理完畢后利用并行I/O口將結(jié)果存儲、顯示。這樣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，電路連線多，工作可靠性及穩(wěn)定性差[5]。因此本文設(shè)計(jì)了串行接口電路擴(kuò)展外圍器件，使得接口電路簡單，信號獲取質(zhì)量高，穩(wěn)定性及可靠性大大提高。
    微處理器將采集的數(shù)據(jù)（包含通道號和電壓值）通過I/O端口IOB0串行輸入到第一片74HC595A中，然后通過端口IOB2（連接到每片74HC595A“SHIFT CLOCK”引腳）來控制數(shù)據(jù)在三片74HC595A中的移位。當(dāng)發(fā)送完一個(gè)通道采集的信息（即24bit數(shù)據(jù)）后，再用端口IOB1（連接到每片74HC595A“LATCH CLOCK”引腳）鎖存數(shù)據(jù)到3個(gè)LED中顯示（每片74HC595A的引腳“QA至QH”連接一個(gè)LED），擴(kuò)展移位寄存器74HC595A電路圖如圖3所示。

圖3  擴(kuò)展移位寄存器74HC595A電路圖

2.4  數(shù)據(jù)上傳單元
    該單元由RS232驅(qū)動芯片MAX232構(gòu)成。
    微處理器SPCE061A的I/O端口IOB10和IOB7（內(nèi)置串口）負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的發(fā)送與接受，其波特率可達(dá)114841bps。為了使微處理器SPCE061A的TTL串行接口與上位機(jī)RS232C串行接口正常通訊，本系統(tǒng)采用RS232驅(qū)動芯片MAX232來轉(zhuǎn)換電平，實(shí)現(xiàn)通訊功能。

3  基于SoC技術(shù)的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

    系統(tǒng)軟件采用C語言和匯編語言混合編寫，程序流程如圖4所示。
    系統(tǒng)軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)，主要由主模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、LED顯示模塊、數(shù)據(jù)發(fā)送模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊和數(shù)據(jù)讀取模塊構(gòu)成，便于系統(tǒng)軟件的修改和維護(hù)。

圖4  系統(tǒng)軟件流程圖