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,。
1 系統(tǒng)硬件電路設計
該信號處理系統(tǒng)的總體設計方案為：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)換模塊設計
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,。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)設計采用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,。
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,，不可應用于頻繁產(chǎn)生插入中斷的場合。
該系統(tǒng)設計采用存取時間為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 具體電路設計
根據(jù)上述系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖和功能設計,，繪制信號處理系統(tǒng)的電路原理圖,，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,，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2KB,，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)軟件設計
該系統(tǒng)軟件設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 C5l V7．09評估版。
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),。
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?。?nbsp;
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。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詈為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,。
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,。