具有便于實時控制，系統(tǒng)便于擴展的雙單片機信號處理系統(tǒng)

當檢測與控制系統(tǒng)處理大量數據和多路信息時，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轉換以及數據處理。由于要實現高通量的液體操作，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轉換，并且將轉換結果存入外部數據存儲器：單片機2讀取數據存儲器中的轉換結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轉換工作。圖1為該信號處理系統(tǒng)的硬件結構框圖。

根據上述設計方案，該系統(tǒng)硬件分為以下模塊：

1．1 A／D轉換模塊設計

由于AT89S51單片機并沒有A／D轉換模塊，因此在采集系統(tǒng)中需要使用具有A／D轉換功能的器件，這里采用ADC0832。ADC0832是美國國家半導體公司生產的一種8位分辨率、雙通道A／D轉換器。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，轉換時間為32μs；一般功耗僅為15 mW。

A／D轉換模塊設計采用了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）是數據信號輸入端，負責選擇通道控制。引腳6（DO）是數據信號輸出端，負責輸出轉換后的數據。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、數據線和控制線以及通信聯絡信號位。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，同時內部電路使另一個端口的BUSY信號有效，并在內部禁止對方訪問，直到本端口操作結束。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

根據上述系統(tǒng)總體結構框圖和功能設計，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引腳用來與外部數據存儲器CY7C132交換數據；P1．0、P1．1和P3．4引腳是與A／D轉換器ADC0832連接，控制A／D轉換操作以及讀取轉換結果：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、數據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的地址線和數據線采用相同的連接方法。以單片機1為例進行說明，CY7C132的內部存儲空間為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使用內部RAM的20H．1作為A／D轉換標志位，當標志位被置1時，主程序中的A／D轉換子程序不會運行；當該標志位被置0時，A／D轉換子程序才可以執(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，從外部數據寄存器中讀入數據，然后關閉串口中斷，通過查詢方式向串口寫入數據，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 數字濾波子程序

算術平均值濾波的原理是對于連續(xù)采樣的n個數據，尋找一個數值y（k），使該值與采樣值之間誤差的平方和最?。?/p>

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。

算術平均值濾波適用于被測信號在某一數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連續(xù)采樣n次（一般n取奇數）。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，能收到良好的濾波效果。中值濾波子程序和算術平均值濾波子程序流程見圖4。

4 實驗數據

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型函數發(fā)生器。首先，信號函數發(fā)生器產生直流信號通過信號處理單元電路板被傳輸到工控機；其次，被測數據通過串口助手顯示并以文本格式（txt）存儲在工控機中；最后，被測數據通過MATLAB軟件以分別以圖像的形式顯示和十進制數的格式記錄。

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在沒有使用數字濾波算法，采用中值濾波算法和算術平均值濾波算法的條件下得到的輸出結果。在理想情況下，采樣值應該是0，而記錄的采樣結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在沒有使用數字濾波算法，采用中值濾波算法和算術平均值濾波算法的條件下得到的輸出結果。采樣結果中，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果的分析可得到結論：在使用濾波算法的條件下，檢測系統(tǒng)的采樣結果會更集中在理想值附近，但采樣結果的誤差并沒有消除，而且該誤差具有明顯的隨機性。根據誤差理論，該類誤差應屬于未定系統(tǒng)誤差。

根據表1可知。在使用算術平均值濾波算法的情況下，可以提高信號處理單元采樣結果的精度。因此，使用算術平均值濾波算法作為單片機的數字濾波算法。

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。

在使用函數發(fā)生器模擬線性變化信號的條件下，函數發(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個點進行算術平均值濾波。隨機采樣1 000次的采樣結果的折線圖見圖7。從該采樣結果來看，經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果。

5 結論

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據送入計算機。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。