智能儀器原理與設(shè)計--基于STC15系列可在線仿真8051單片機(jī)

第1章 緒論 1

1.1 智能儀器的結(jié)構(gòu)特點 1

1.1.1 什么叫智能儀器 1

1.1.2 智能儀器的特點 1

1.1.3 智能儀器的硬件系統(tǒng)組成 2

1.1.4 智能儀器的軟件系統(tǒng)組成 2

1.2 智能儀器的設(shè)計思路 3

1.2.1 智能儀器的基本設(shè)計方法 3

1.2.2 智能儀器的設(shè)計過程 3

1.2.3 智能儀器的統(tǒng)調(diào)測試方法 5

1.3 智能儀器的發(fā)展 6

1.4 虛擬儀器 7

習(xí)題 8

第2章 微處理器的選擇 9

2.1 基于8051內(nèi)核的單片機(jī) 9

2.1.1 STC89系列單片機(jī) 10

2.1.2 STC15Fxx系列單片機(jī) 11

2.1.3 STC15Wxx系列單片機(jī) 12

2.1.4 其他系列單片機(jī) 13

2.2 基于ARM內(nèi)核的單片機(jī) 14

2.2.1 ARM概念及其發(fā)展 14

2.2.2 ARM選型與應(yīng)用 15

2.3 DSP數(shù)字處理器 16

2.3.1 DSP技術(shù)概念及其發(fā)展 16

2.3.2 DSP處理器的主要結(jié)構(gòu)特點 16

2.3.3 DSP的選擇與應(yīng)用 17

習(xí)題 18

第3章 軟件系統(tǒng)設(shè)計概述 20

3.1 軟件開發(fā)環(huán)境與編程語言 20

3.1.1 開發(fā)環(huán)境的選擇 20

3.1.2 編程語言的選擇 20

3.2 軟件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析 21

3.2.1 層次結(jié)構(gòu) 21

3.2.2 功能結(jié)構(gòu) 21

3.3 軟件系統(tǒng)的規(guī)劃 22

3.4 軟件系統(tǒng)的設(shè)計步驟 23

3.4.1 設(shè)計和調(diào)試硬件接口模塊 23

3.4.2 建立軟件系統(tǒng)的框架 24

3.4.3 設(shè)計和調(diào)試各個功能模塊 25

3.4.4 整機(jī)測試 25

3.5 實例分析 25

3.5.1 系統(tǒng)功能概述 25

3.5.2 硬件系統(tǒng)概述 26

3.5.3 軟件系統(tǒng)的規(guī)劃 26

3.5.4 軟件系統(tǒng)的框架 27

習(xí)題 29

第4章 開關(guān)量數(shù)字信號的輸入/輸出 30

4.1 開關(guān)量信號的輸入 30

4.1.1 開關(guān)量信號輸入通道結(jié)構(gòu) 30

4.1.2 開關(guān)量輸入接口 30

4.2 開關(guān)量信號的輸出 36

4.2.1 輸出驅(qū)動接口的隔離 36

4.2.2 小功率直流負(fù)載驅(qū)動接口電路 36

4.2.3 中功率直流負(fù)載驅(qū)動接口電路 37

4.2.4 固體繼電器輸出接口電路 38

4.3 電動機(jī)驅(qū)動電路 40

4.3.1 直流電動機(jī)調(diào)速驅(qū)動原理 40

4.3.2 直流電動機(jī)調(diào)速驅(qū)動電路 41

4.3.3 步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動原理 41

4.4 鍵盤與顯示接口 46

4.4.1 矩陣鍵盤 46

4.4.2 ADC采樣鍵盤 48

4.4.3 觸摸鍵盤 49

4.4.4 數(shù)碼靜態(tài)顯示接口 52

4.4.5 數(shù)碼動態(tài)顯示接口 55

4.4.6 液晶顯示(字符式、點陣式) 59

習(xí)題 60

第5章 模擬信號的輸入/輸出 62

5.1 模擬信號的輸入 62

5.1.1 A/D轉(zhuǎn)換器件的選擇 62

5.1.2 模擬輸入通道的設(shè)計 63

5.1.3 其他A/D轉(zhuǎn)換模式介紹 68

5.2 模擬信號的輸出 70

5.2.1 D/A轉(zhuǎn)換器件的選擇 70

5.2.2 模擬輸出通道的設(shè)計 70

5.2.3 PWM型D/A轉(zhuǎn)換器 74

習(xí)題 76

第6章 總線與通信系統(tǒng) 77

6.1 通用接口總線GP-IB 77

6.1.1 GP-IB標(biāo)準(zhǔn)接口概述 77

6.1.2 GP-IB接口芯片 80

6.2 串行通信標(biāo)準(zhǔn)RS-232與RS-485 80

6.2.1 RS-232標(biāo)準(zhǔn)及接口芯片 80

6.2.2 RS-485標(biāo)準(zhǔn)及接口芯片 81

6.2.3 串行通信程序設(shè)計 82

6.3 其他總線與通信技術(shù)簡介 86

6.3.1 通用串行總線USB 86

6.3.2 現(xiàn)場總線CAN 87

6.3.3 工業(yè)以太網(wǎng) 88

6.3.4 藍(lán)牙技術(shù) 89

6.3.5 電力線載波通信 89

習(xí)題 91

第7章 時鐘系統(tǒng) 92

7.1 硬件時鐘 92

7.1.1 概述 92

7.1.2 時鐘數(shù)據(jù)的寫入 94

7.1.3 時鐘數(shù)據(jù)的讀取 95

7.2 軟件時鐘 96

7.2.1 概述 96

7.2.2 軟件時鐘的運行 97

7.3 時鐘的使用 98

7.3.1 定時任務(wù)的管理 98

7.3.2 時間間隔的測量 100

7.3.3 時間長度的控制 100

習(xí)題 101

第8章 人機(jī)接口 102

8.1 顯示部件 102

8.1.1 發(fā)光二極管 102

8.1.2 數(shù)碼管 103

8.1.3 液晶顯示屏 106

8.2 微型打印機(jī) 114

8.2.1 GP-16微型打印機(jī)的接口

電路 114

8.2.2 GP-16微型打印機(jī)的使用 115

8.3 鍵盤 118

8.3.1 鍵盤的類型及接口電路 118

8.3.2 鍵盤信號的可靠采集 120

8.4 監(jiān)控程序設(shè)計 124

8.4.1 監(jiān)控程序的基本概念 124

8.4.2 系統(tǒng)狀態(tài)分析 126

8.4.3 基于順序編碼的監(jiān)控程序

設(shè)計 130

8.4.4 基于特征編碼的監(jiān)控程序

設(shè)計 132

8.4.5 基于菜單操作的監(jiān)控程序

設(shè)計 137

習(xí)題 140

第9章 常用數(shù)據(jù)處理功能 141

9.1 數(shù)據(jù)處理 141

9.1.1 數(shù)據(jù)類型的選擇 141

9.1.2 定點運算子程序庫的使用 141

9.1.3 浮點運算子程序庫的使用 142

9.2 誤差處理 144

9.2.1 隨機(jī)誤差的處理 144

9.2.2 系統(tǒng)誤差的處理 145

9.2.3 粗大誤差的處理 146

9.3 標(biāo)度變換 148

9.3.1 線性標(biāo)度變換 148

9.3.2 非線性標(biāo)度變換 149

9.4 常用自動測量功能 152

9.4.1 自動量程轉(zhuǎn)換 152

9.4.2 自動校正 153

9.4.3 自動補償 156

習(xí)題 158

第10章 可靠性設(shè)計 159

10.1 抗干擾設(shè)計 159

10.1.1 硬件抗干擾設(shè)計 159

10.1.2 軟件抗干擾設(shè)計 160

10.2 容錯設(shè)計 167

10.2.1 硬件容錯設(shè)計 167

10.2.2 軟件容錯設(shè)計 171

習(xí)題 178

第11章 基于電壓測量的智能儀器 180

11.1 數(shù)字電壓表 180

11.1.1 數(shù)字電壓表的結(jié)構(gòu) 180

11.1.2 數(shù)字電壓表主要技術(shù)指標(biāo) 181

11.1.3 數(shù)字電壓表的功能特點 183

11.1.4 數(shù)字電壓表的輸入電路 184

11.1.5 數(shù)字電壓表設(shè)計 185

11.2 數(shù)字萬用表 189

11.2.1 概述 189

11.2.2 交直流信號變換器 190

11.2.3 有效值轉(zhuǎn)換模塊應(yīng)用 194

11.2.4 電流測量方法 195

11.2.5 電阻測量原理 197

11.2.6 數(shù)字萬用表的設(shè)計 198

11.3 智能RLC測量儀 203

11.3.1 概述 203

11.3.2 電容/電感的數(shù)字化測量 211

11.3.3 RLC測量設(shè)計 212

習(xí)題 217

第12章 基于時間測量的智能儀器 219

12.1 時頻基本概念 219

12.1.1 時間與頻率關(guān)系 219

12.1.2 計時標(biāo)準(zhǔn) 219

12.1.3 頻率測量方法 220

12.2 電子計數(shù)器基本原理 220

12.2.1 概述 220

12.2.2 通用電子計數(shù)器 221

12.2.3 測量誤差分析計算 225

12.3 電子計數(shù)器設(shè)計 226

12.3.1 數(shù)字頻率計電路設(shè)計 226

12.3.2 智能頻率計電路設(shè)計 228

12.4 智能相位測量儀 232

12.4.1 相位測量原理 232

12.4.2 簡易相位測量電路設(shè)計 233

12.4.3 智能相位測量儀設(shè)計 235

習(xí)題 241

第13章 基于波形測量的智能儀器 243

13.1 示波器基本原理 243

13.1.1 概述 243

13.1.2 波形顯示器 244

13.1.3 液晶顯示原理 245

13.2 通用示波器 247

13.2.1 示波器的垂直(Y)通道 247

13.2.2 示波器的水平(X)通道 250

13.2.3 示波器的主要技術(shù)指標(biāo) 252

13.3 數(shù)字示波器 253

13.3.1 數(shù)字示波器組成原理 253

13.3.2 信號采集處理技術(shù) 254

13.3.3 波形顯示技術(shù) 259

13.4 數(shù)字示波器的通信接口 261

13.5 數(shù)字示波器的特點 261

13.6 數(shù)字示波器的使用 264

13.7 簡易數(shù)字存儲示波器設(shè)計 266

13.7.1 主要性能分析設(shè)計 266

13.7.2 設(shè)計方案與分析 267

13.7.3 系統(tǒng)電路設(shè)計 270

13.7.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計 272

習(xí)題 273

第14章 C51編程與實驗指導(dǎo) 275

14.1 C51概述 275

14.2 C51語法與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 275

14.2.1 常量與變量 275

14.2.2 整型變量與字符型變量 276

14.2.3 關(guān)系表達(dá)式和邏輯表達(dá)式 277

14.3 C51流程控制語句 278

14.3.1 if語句 278

14.3.2 switch語句 279

14.3.3 for語句 279

14.3.4 while和do-while語句 280

14.3.5 其他語句 280

14.4 C51構(gòu)造數(shù)據(jù)類型 281

14.4.1 結(jié)構(gòu)體 281

14.4.2 共用體 282

14.4.3 指針 283

14.4.4 typedef類型定義 284

14.5 C51和標(biāo)準(zhǔn)C語言的異同 284

14.5.1 Keil C51數(shù)據(jù)類型 284

14.5.2 8051的特殊功能寄存器 284

14.5.3 8051的存儲類型 285

14.5.4 Keil C51的指針 287

14.5.5 "文件包含"處理 288

14.5.6 Keil C51的使用 288

14.5.7 C51關(guān)鍵字 289

14.6 智能儀器實驗指導(dǎo) 291

14.6.1 低頻信號發(fā)生器 291

14.6.2 直流電動機(jī)PWM控制 295

14.6.3 流動LED燈控制器設(shè)計 297

14.6.4 簡易頻率計數(shù)器 298

14.6.5 簡易有害氣體檢測儀 302

14.6.6 簡易數(shù)字萬用表設(shè)計 303

14.6.7 簡易數(shù)字存儲示波器 304

14.6.8 簡易 g?輻射儀 307

14.6.9 汽車測速與倒車提示器 307

參考文獻(xiàn) 310

《基于Proteus的51系列單片機(jī)設(shè)計與仿真》適合從事單片機(jī)應(yīng)用研發(fā)的技術(shù)人員閱讀，也可作為高等院校單片機(jī)課程的教學(xué)用書。

C8051F具有上手快(全兼容8051指令集)、研發(fā)快(開發(fā)工具易用，可縮短研發(fā)周期)和見效快(調(diào)試手段靈活)的特點，其性能優(yōu)勢具體體現(xiàn)在以下方面：

基于增強(qiáng)的CIP-51內(nèi)核，其指令集與MCS-51完全兼容，具有標(biāo)準(zhǔn)8051的匯編器和編譯器進(jìn)行軟件開發(fā)。CIP-51采用流水線結(jié)構(gòu)，70%的的指令執(zhí)行時間為1或2個系統(tǒng)時鐘周期，是標(biāo)準(zhǔn)8051指令執(zhí)行速度的12倍；其峰值執(zhí)行速度可達(dá)100MIPS(C8051F120等)，是目前世界上速度最快的8位單片機(jī)。

增加了中斷源。標(biāo)準(zhǔn)的8051只有7個中斷源Silicon Labs 公司 C8051F系列單片機(jī)擴(kuò)展了中斷處理這對于時實多任務(wù)系統(tǒng)的處理是很重要的擴(kuò)展的中斷系統(tǒng)向CIP-51提供22個中斷源允許大量的模擬和數(shù)字外設(shè)中斷一個中斷處理需要較少的CPU干預(yù)卻有更高的執(zhí)行效率。

集成了豐富的模擬資源，絕大部分的C8051F系列單片機(jī)都集成了單個或兩個ADC，在片內(nèi)模擬開關(guān)的作用下可實現(xiàn)對多路模擬信號的采集轉(zhuǎn)換；片內(nèi)ADC的采樣精度最高可達(dá)24bit，采樣速率最高可達(dá)500ksps，部分型號還集成了單個或兩個獨立的高分辨率DAC，可滿足絕大多數(shù)混合信號系統(tǒng)的應(yīng)用并實現(xiàn)與模擬電子系統(tǒng)的無縫接口；片內(nèi)外部設(shè)備接口。具有兩路UART和最多可達(dá)5個定時器及6個PCA模塊，此外還根據(jù)不同的需要集成了SMBus、SPI、USB、CAN、LIN等接口，以及RTC部件。外設(shè)接口在不使用時可以分別禁止以降低系統(tǒng)功耗。與其他類型的單片機(jī)實現(xiàn)相同的功能需要多個芯片的組合才能完成相比，C8051單片機(jī)不僅減少了系統(tǒng)成本，更大大降低了功耗。

增強(qiáng)了在信號處理方面的性能，部分型號具有16x16 MAC以及DMA功能，可對所采集信號進(jìn)行實時有效的算法處理并提高了數(shù)據(jù)傳送能力。

具有獨立的片內(nèi)時鐘源(精度最高可達(dá)0.5%)，設(shè)計人員既可選擇外接時鐘，也可直接應(yīng)用片內(nèi)時鐘，同時可以在內(nèi)外時鐘源之間自如切換。片內(nèi)時鐘源降低了系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜度，提高了系統(tǒng)可靠性，而時鐘切換功能則有利于系統(tǒng)整體功耗的降低。

提供空閑模式及停機(jī)模式等多種電源管理方式來降低系統(tǒng)功耗

實現(xiàn)了I/O從固定方式到交叉開關(guān)配置。固定方式的I/O端口，既占用引腳多，配置又不夠靈活。在C8051F中，則采用開關(guān)網(wǎng)絡(luò)以硬件方式實現(xiàn)I/O端口的靈活配置，外設(shè)電路單元通過相應(yīng)的配置寄存器控制的交叉開關(guān)配置到所選擇的端口上。

復(fù)位方式多樣化，C8051F把80C51單一的外部復(fù)位發(fā)展成多源復(fù)位，提供了上電復(fù)位、掉電復(fù)位、外部引腳復(fù)位、軟件復(fù)位、時鐘檢測復(fù)位、比較器0復(fù)位、WDT復(fù)位和引腳配置復(fù)位。眾多的復(fù)位源為保障系統(tǒng)的安全、操作的靈活性以及零功耗系統(tǒng)設(shè)計帶來極大的好處。

從傳統(tǒng)的仿真調(diào)試到基于JTAG接口的在系統(tǒng)調(diào)試。C8051F在8位單片機(jī)中率先配置了標(biāo)準(zhǔn)的JTAG接口（IEEE1149.1）。C8051F的JTAG接口不僅支持Flash ROM的讀/寫操作及非侵入式在系統(tǒng)調(diào)試，它的JTAG邏輯還為在系統(tǒng)測試提供邊界掃描功能。通過邊界寄存器的編程控制，可對所有器件引腳、SFR總線和I/O口弱上拉功能實現(xiàn)觀察和控制。

C8051F系列單片機(jī)型號齊全，可根據(jù)設(shè)計需求選擇不同規(guī)模和帶有特定外設(shè)接口的型號，提供從多達(dá)100個引腳的高性能單片機(jī)到最小3mmX3mm的封裝，滿足不同設(shè)計的需要。

基于上述特點，Silicon Labs 公司C8051F系列單片機(jī)作為SoC芯片的杰出代表能夠滿足絕大部分場合的復(fù)雜功能要求，并在嵌入式領(lǐng)域的各個場合都得到了廣泛的應(yīng)用：在工業(yè)控制領(lǐng)域，其豐富的模擬資源可用于工業(yè)現(xiàn)場多種物理量的監(jiān)測、分析及控制和顯示；在便攜式儀器領(lǐng)域，其低功耗和強(qiáng)大的外設(shè)接口也非常適合各種信號的采集、存儲和傳輸；此外，新型的C8051F5xx系列單片機(jī)也在汽車電子行業(yè)中嶄露頭角。正是這些優(yōu)勢，使得C8051單片機(jī)在進(jìn)入中國市場的短短幾年內(nèi)就迅速風(fēng)靡，相信隨著新型號的不斷推出以及推廣力度的不斷加大，C8051系列單片機(jī)將迎來日益廣闊的發(fā)展空間，成為嵌入式領(lǐng)域的時代寵兒

此系列單片機(jī)完全兼容MCS-51指令集，容易上手，開發(fā)周期短，大大節(jié)約了開發(fā)成本。C8051F系統(tǒng)集成度高，總線時鐘可達(dá)25M