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基于單片機的自然電場記錄器

2007/10/29 11:39:00

自然電場法是利用電化學(xué)作用在周圍產(chǎn)生的自然極化電場進行找礦、填圖和解決水文地質(zhì)問題的一種被動源電法勘探方法[1]。采用電位觀測法是觀測自然電場的最常用的方式。傳統(tǒng)的測量自然電場儀器只能測量單通道信號，并且不能實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲和導(dǎo)出功能。本方案設(shè)計的自然電場記錄器目的在于實現(xiàn)對mV級的低頻自然電場信號的采集，并進行數(shù)據(jù)顯示、存儲、瀏覽，以及與PC機之間的通信。 1 硬件電路設(shè)計對于微弱的自然電場信號，幅值處于數(shù)百微伏至數(shù)十毫伏之間，頻帶處于0.01—100Hz范圍內(nèi)。為實現(xiàn)對mV級的低頻自然電場信號的采集、數(shù)據(jù)存儲顯示、用戶按鍵操作以及與PC機串口數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?，設(shè)計出相應(yīng)的硬件電路模塊。硬件框圖如圖1所示，由DC/DC模塊、前置放大與低通模塊、A/D(AD7705)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、FLASH（AT45DB041）存儲模塊、LCD（LCM1602）顯示模塊和串口通信（MAX232）模塊六個模塊組成。

圖1 硬件原理框圖自然電場信號在前置放大與濾波模塊先進行放大和抗混疊濾波，信號再進入A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，AD7705在單片機設(shè)置的參數(shù)控制下工作，一次采集結(jié)束數(shù)據(jù)通過LCD顯示，用戶確認(rèn)保存時AT89C51將數(shù)據(jù)寫入至FLASH中，最后通過串口將數(shù)據(jù)導(dǎo)出至PC機中。 DC/DC模塊實現(xiàn)將電池組電壓進行穩(wěn)壓整流，轉(zhuǎn)換成電路所需的±5V工作電壓和＋2.5V參考電壓。前放采用高精密儀表放大器INA2128，INA2128是一種低漂移、高增益、高帶寬、高共模抑制比、帶內(nèi)部保護的雙通道儀表放大器[2]。外接一個電阻即可實現(xiàn)儀表放大，放大倍數(shù)可高達10000，很適合于微弱信號的處理。濾波部分實現(xiàn)為濾除工頻及高頻噪聲。濾波電路采用低功耗雙運算放大器OPA2650，組成陷波和低通電路。鍵盤模塊實現(xiàn)單片機掃描鍵盤響應(yīng)用戶操作，實現(xiàn)用戶對采集過程的控制。LCD顯示模塊采用LCM1602液晶顯示模塊，支持5×7點陣和2×16字符顯示兩種模式，自帶西文字庫，背光亮度和顯示對比度可調(diào)。由液晶顯示屏和內(nèi)置HD4470驅(qū)動器兩部分組成，單片機通過寫控制字方式訪問驅(qū)動器來實現(xiàn)對顯示屏的控制。串口通信模塊實現(xiàn)RS232電平與TTL電平的轉(zhuǎn)換，MAX232內(nèi)含兩個接收器和兩個發(fā)送器，單電源供電，與PC機的串口通信。下面是對A/D（AD7705）模塊和FLASH（AT45DB041）存儲模塊的接口電路進行分析。 1.1 AD7705接口電路 AD7705是的兩通道、16位分辨率、內(nèi)置可編程增益放大器（范圍1～128）、支持SPI接口、可變采樣率（20Hz、25Hz、100Hz、200Hz、50Hz、60Hz、250Hz、500Hz八個檔位）、低功耗（3V工作電壓功耗為1mW）的∑-△A/D轉(zhuǎn)換器,它適用于寬動態(tài)范圍測量、工業(yè)控制或工藝控制中的低頻信號的轉(zhuǎn)換。AD7705靈活的SPI接口使其能很容易地與大多數(shù)微處理器進行連接，很容易構(gòu)成對采樣速率要求不高的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。因此很適合低頻自然電場信號的測量。

圖2 AD7705接口電路 AD7705 的編程功能用片內(nèi)寄存器的設(shè)置來控制。對這些寄存器的讀/ 寫操作通過器件的串行接口來完成。AD7705提供SPI接口，在單片機的IO資源有限的情況下串行數(shù)據(jù)傳輸方式利于節(jié)省IO資源，由于AT89C51自身不帶SPI接口，通過模擬SPI時序?qū)D7705片內(nèi)寄存器進行讀寫操作，實現(xiàn)對AD7705工作方式的設(shè)定和數(shù)據(jù)的讀取。SPI接口由SCLK、DIN、DOUT、DRDY和CS組成，DIN 線用來向片內(nèi)寄存器傳送數(shù)據(jù),而DOUT 線用來訪問寄存器里的數(shù)據(jù)。SCLK是串行時鐘輸入,所有的數(shù)據(jù)傳輸都和SCLK信號有關(guān)。DRDY線作為狀態(tài)信號,以提示數(shù)據(jù)什么時候已準(zhǔn)備好從寄存器讀數(shù)據(jù)。輸出寄存器中有新的數(shù)據(jù)時,DRDY 變?yōu)榈碗娖健S 是片選信號,用來選擇器件。接口電路如圖2所示，本設(shè)計中CS已固定至低電平，單片機P1.4管腳提供時鐘SCLK，在上升沿將數(shù)據(jù)通過DIN數(shù)據(jù)流寫入寄存器。設(shè)定參數(shù)包括濾波同步、雙極性模式、緩沖模式、自校準(zhǔn)模式、時鐘選擇、增益控制和采樣率設(shè)置等。設(shè)置好寄存器啟動采集，一次轉(zhuǎn)換結(jié)束DRDY管腳為低電平，產(chǎn)生中斷通知單片機將數(shù)據(jù)讀出，讀數(shù)據(jù)過程將由SCLK和DOUT配合實現(xiàn)，上升沿DOUT數(shù)據(jù)有效，單片機讀取一次轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。兩通道循環(huán)采集，直到完成用戶設(shè)定的采集次數(shù)。為提高準(zhǔn)確度和精度，采取變增益的辦法，變增益滿足不同的幅值信號；降低基準(zhǔn)電壓；采用自校準(zhǔn)模式。 1.2 FLASH（AT45DB041）接口電路 AT45DB041是ATMEL公司帶SPI接口的串行FLASH存儲器。傳統(tǒng)快閃存儲器往往利用多條地址線和并行接口來實現(xiàn)隨機存取數(shù)據(jù)，而AT45DB041則利用串行接口來實現(xiàn)連續(xù)存取數(shù)據(jù)。簡單的串行接口簡化了硬件電路，使線路板尺寸變小，成本降低，抗干擾能力增強，系統(tǒng)的可靠性得以提高。AT45DB041內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，存儲空間為其4Mbit，分為2048頁，每頁264個字節(jié)；除主存儲頁外，還包含2個SRAM數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，每個區(qū)的容量均為264個字節(jié)。數(shù)據(jù)可以直接寫入主存, 也可以先寫入Buffer , 然后再將Buffer 的數(shù)據(jù)整個復(fù)制到主存的某一頁, 也可以在主存正處于編程時將數(shù)據(jù)寫入Buffer。本設(shè)計方案中一個站點采集雙通道，單通道采樣100次，一次2字節(jié)，一次電位差數(shù)據(jù)大約占用一頁，一次雙通道采集占用兩頁，所以一共可容納1024次記錄。

圖3 AT45DB041內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖通過單片機模擬SPI接口時序完成對AT45DB041中數(shù)據(jù)的讀寫操作，當(dāng)芯片使能腳CS為低電平時，在時鐘輸入腳（SCK）的控制下，通過串行數(shù)據(jù)輸入腳（SI），便可將命令碼、主存儲頁或緩沖區(qū)地址碼串行輸入，然后即可寫入數(shù)據(jù)。讀數(shù)據(jù)過程不同在于寫入讀操作命令碼及數(shù)據(jù)地址后，單片機通過SO管腳讀出數(shù)據(jù)。需注意的是，所有的命令碼、地址、數(shù)據(jù)串行輸入時，均是高位在前，低位在后。當(dāng)寫保護腳（WP）為低電平時，主存儲頁的前256頁不能寫入數(shù)據(jù)。當(dāng)復(fù)位腳（RESET）變?yōu)榈碗娖綍r，將中斷所有正在進行的讀操作，并將內(nèi)部置成空閑狀態(tài)。一旦該腳變?yōu)楦唠娖?，即可對芯片進行正常的讀寫操作。數(shù)據(jù)的讀出包括主存儲頁直接讀出、從主存儲頁讀取數(shù)據(jù)至緩沖區(qū)、從緩沖區(qū)讀數(shù)據(jù)、讀狀態(tài)寄存器等四種。除命令碼不同外，讀取的方法均大同小異，下面只介紹將從主存儲頁直接讀出數(shù)據(jù)的方法。主存儲頁讀允許用戶從2048主存儲頁的任一頁中讀取數(shù)據(jù)，在SCK 時鐘脈沖的控制下，先串行輸入命令碼（51H）、緊接著是4個保留位、然后是20 個地址位（即11個頁地址位和9個頁中數(shù)據(jù)起始地址位）、最后是32個無關(guān)位。4個保留位是用于將來擴展該芯片的容量而設(shè)置的，對于AT45DB041 可輸入4 個0，32個無關(guān)位用于初始化讀操作。數(shù)據(jù)通過SO腳串行輸出，在數(shù)據(jù)的讀出過程中，芯片使能腳必須保持低電平，當(dāng)一頁數(shù)據(jù)的最后一個字節(jié)讀完后，會從該頁的第一個字節(jié)開始繼續(xù)讀取數(shù)據(jù)。當(dāng)芯片使能腳（CS）由低電平變?yōu)楦唠娖綍r，將終止數(shù)據(jù)的讀取，SO腳保持高阻態(tài)。 2 軟件程序設(shè)計

圖4 軟件設(shè)計框架圖圖4描述了軟件設(shè)計的總體框架，儀器的軟件實現(xiàn)包括兩部分，單片機控制程序和上位機的通信數(shù)據(jù)預(yù)處理程序。單片機控制程序在KEILC51集成開發(fā)環(huán)境下進行，主要實現(xiàn)采集主程序、AD7705轉(zhuǎn)換控制程序、AT45DB041讀寫程序、鍵盤掃描程序、與上位機串口通信接發(fā)數(shù)據(jù)程序和LCD字符顯示程序。上位機軟件在VC環(huán)境下進行，通過與下位機的串口通信程序，將數(shù)據(jù)從儀器中導(dǎo)出，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)瀏覽、極差校正、數(shù)據(jù)繪圖等自然電場數(shù)據(jù)預(yù)處理功能。 2.1 單片機程序

圖5 采集主程序流程這里舉例采集主程序[3]和串口通信程序[4]。采集主程序流程如圖5所示：初始化包括LCD顯示詢問用戶開始采集數(shù)據(jù)是否還是與導(dǎo)出數(shù)據(jù)；按下確定鍵則按預(yù)設(shè)的采集參數(shù)啟動采集，按取消鍵則與上位機進行通信導(dǎo)出數(shù)據(jù)；啟動采集后AD7705兩通道先后各采集100次，采集結(jié)束后求均值顯示自然電場值，提示用戶保存數(shù)據(jù)，按下確定數(shù)據(jù)保存至FLASH中，再詢問是否開始一次新的采集，按下確定鍵開始一次新的采集；按下取消鍵結(jié)束操作。串口通信程序?qū)崿F(xiàn)與PC機間傳輸數(shù)據(jù)功能，單片機串口設(shè)定為工作方式1，波特率設(shè)置為19200，8位數(shù)據(jù)位、無奇偶校驗。圖6所示，需要導(dǎo)出數(shù)據(jù)時，上電后用戶進入通信狀態(tài)等待PC機發(fā)送命令，當(dāng)接收到命令申請串口中斷，一次從FLASH起始地址讀取十字節(jié)數(shù)據(jù)，發(fā)送至PC機，等待PC機的接收，上位機一次接收完成后，再向單片機發(fā)送命令，循環(huán)進行直到接收用戶預(yù)設(shè)的記錄點數(shù)為止。

圖6 串口通信示意圖 3 測試數(shù)據(jù)與結(jié)論 3.1 野外實測數(shù)據(jù) 為驗證儀器的靈敏度和精確度，室內(nèi)先進行雙通道的一致性測試和重復(fù)性測試，與標(biāo)準(zhǔn)信號源的對比。室內(nèi)試驗通過后在內(nèi)蒙古東烏旗道特蘇木西南(N 45°38´03.0",E 118°00´00.0")——(N 45°21´52.9",E 117°59´59.9")進行了點距為50米的600點測量，測線長度30Km。各個野外測量布站示意如圖7所示，一個站點采集兩通道△U1和△U2數(shù)據(jù)。