基于ATMEGA128单片机的微位移测量系统.doc

题 目：基于ATMEGA128单片机的微位移测量系统 基于ATMEGA128单片机的微位移测量系统摘 要现今微位移测量在实际生产和生活中应用十分广泛，从冶金行业的轧钢设备，机械行业如注塑、压铸印刷和包装，林木行业的木材加工，工农业的车辆与行走机械，大型建筑在灾害中的微变形，动感游乐模拟系统、医疗设备，到石油、石化、制药、生化、食品加工和污水处理等行业，都会用到微位移测量技术。在近年来，大型水库的岸边，山区公路、铁路边坡有危岩、滑坡、地裂等地质灾害。桥梁、大坝、摩天大楼等大型建筑会发生微变形，微位移量是危险报警的主要监测参数。 所以，进行微位移测量尤其重要。本次设计采用电压差动位移传感器（Linear Variable Differential Transformer，简称LVDT）采集位移信号，然后AD698与电压差动位移传感器联合使用，将电感式位移传感器输出的交变信号转换成标准的直流信号。通过A/D转换器CS5524采样后，完成模数转换，经过单片机ATMEGA128进行标度变换，显示转换完的数据。最后，经过调试程序，实现了微位移信号的显示。关键词：微位移测量；ATMEGA128；AD698；VFD The Measurement system of Micro-displacement based on ATMEGA128 MCUAbstractCurrently,the micro-displacement measurement in the actual production and living in a wide range of applications.In recent years, Micro-displacement is the major risk of alarm monitoring parameters,such as Bridges, dams, skyscrapers and other large construction will occur micro-displacement, micro-deformation and so on. Whats more,the reservoir bank of large reservoirs, mountain roads, railways have a rock slope, landslides, geological disasters. Therefore, it is especially important to develop micro-displacement measurement,.This design uses a differential voltage displacement transducer (LVDT) to acquisite the micro-displacement.then, the AD698 voltage differential displacement sensor and the inductive displacement sensor joined together to convert signals into DC 0 10V. Through the A / D converter CS5524,a digital data will be displayed When the analog-to-digital conversion finished. Finally,through the programming debugging and the hardware testing and ammending, the acquisited data can be displayed after processing. Key words: Micro-displacement measurement; ATMEGA128; AD698; VFD 目 录摘 要IAbstractII第一章 引 言11.1 研究背景11.1.1 微位移测量11.1.2 微位移测量系统11.2 总体设计方案31.3 新颖的微位移测量技术3第二章 硬件设计62.1 电源62.2 信号处理模块62.2.1 LVDT62.2.2 AD698102.3 信号处理部分142.3.1 CS5524142.3.2 ATMEGA128182.4 人机接口模块242.4.1 VFD24第三章 软件设计303.1 单片机主程序设计303.2 A/D转换子程序313.3 标度变换333.4 VFD显示子程序343.5 键盘子程序353.6 调试结果36第四章 总结37参考文献38附录A硬件原理图40附录B 程序41致 谢71 第一章 引 言1.1 研究背景1.1.1 微位移测量在工业、信息化生产高速发达的今天，从冶金行业的轧钢设备，机械行业如注塑、压铸印刷和包装，林木行业的木材加工，工农业的车辆与行走机械，大型建筑在灾害中的微变形，动感游乐模拟系统，医疗设备；到石油、石化、制药、生化、食品加工和污水处理等行业。都需要进行微位移的测量以帮助生产有序进行和维护公共安全，所以，微位移的测量在当今生产和生活中，应用的十分广泛。现行的微小位移测量大多采用传感器将位移量转换成电量，再通过AD698型处理电路进一步转化成模拟电量，经A/D转换器转换成数字量后，再通过单片机处理最后经LCD显示。微位移的长度测量可分为电学测量技术、光学测量技术和显微镜测量技术等。电学测量技术有电涡流传感器测量技术、电容传感器测量技术等。光学测量法是伴随着激光全息等技术的发展而产生的方法,它具有非接触、材料适应范围广、测量精度高等特点。近二十年来随着电子技术和计算机技术的飞速发展,光学测量技术研究也取得了很多成果并应用到了工业生产领域。按使用的光学原理不同,光学测量技术可分为激光干涉法、光杠杆法、光栅尺测量技术等。显微镜测量技术分为很多种，有扫描隧道显微镜技术、原子力显微镜技术等。1.1.2 微位移测量系统进行微位移测量，就会有相应的微位移测量系统，微位移测量系统一般包括微位移机构、检测装置、控制系统三部分。微位移机构根据工作原理可以分为六大类，概括为：机械传动式微位移机构、弹性变形式微位移机构、受热变形式微位移机构、磁致伸缩微位移机构、电磁型微微移机构、压电陶瓷。现将上述几类微位移机构的特点作一一分析。机械传动式微位移机构在精密机械和仪器中应用广泛。其结构形式比较多，主要有：螺旋机构、杠杆机构、楔块凸轮机构等，以及它们之间的组合机构。机械传动式微位移机构存在间隙、传动误差、摩擦损耗以及爬行现象等，其运动灵敏度、精度很难达到微米级精度，故只适用于中等精度的微位移系统。弹性变形微位移机构分为弹性缩小机构和杠杆式位移缩小机构。弹性缩小机构利用两个弹簧的刚度比进行位移缩小，这种缩小机构的缺点是当微动台承受外力或部分摩擦力时，它将直接成为定位误差的因素，而且对于步进状态的输入位移，容易产生过渡性的振荡。杠杆式位移缩小机构是微动机构中常见的一种形式。其定位精度易受末级杠杆回转支点和着力点的结构、加工精度的影响。电热式微位移机构是利用物体的热膨胀来实现微位移的。这种机构结构简单，操作方便。但由于传动杆与周围介质之间有热交换，影响了位移精度。由于热惯性的存在，不适于高速位移。当隔热不合理时，相邻的零部件由于受热变形，以致影响整机的精度，这些原因限制了它的应用。磁致伸缩微位移机构是利用铁磁材料在磁场的作用下产生微伸长运动来实现微位移的。但由于铁磁材料在磁场的作用下，除产生磁致伸缩外，还伴随着受热伸长，因此其应用受到了限制。电磁铁驱动的微位移机构利用电磁原理，通过控制线圈中的电流大小来控制电磁力的大小，使具有弹性支承的工作台产生精密微位移。它的缺点是电磁铁中始终要通过一定的电流，结果由于电磁铁发热而影响精度。此外，这种机构的位移阶跃响应存在瞬间的振荡，灵敏度高时系统难于稳定。压电陶瓷驱动的柔性支承微位移机构是利用某些晶体的逆压电效应来工作的。它的特点是结构紧凑、体积很小、无机械摩擦、无间隙、具有很高的位移分辨率。使用压电或电致伸缩器件驱动。由于机电耦合效应进行的速度很快，来不及与外界热交换，因此不存在发热问题，同时没有噪声，适用于各种介质环境工作，是一种理想的微位移器。研究压电陶瓷是现在国内微位移测量进行到纳米级别比较合适的方向。1.2 总体设计方案总体设计方案如下：整体设计分为四个模块，分别为电源模块、信号采集模块、信号处理模块及人机接口模块。信号采集模块由LVDT和AD698组成，通过LVDT采集位移信号，将微位移的位移量转化为电压量（交流信号），再由AD698读出LVDT的输出电压，并把交流电压信号转化为直流信号，经A/D转换器CS5524转换后把模拟量变为数字量，同时通过单片机ATMEGA128处理，最终显示出要测位移量。其总体结构图如图1.1所示。图1.1 微位移测量总体设计框图1.3 新颖的微位移测量技术微位移测量系统不仅用在冶金与机械行业中，近年来，大型水库的库岸边坡，山区公路、铁路边坡有危岩、滑坡、地裂等地质灾害。桥梁、大坝、摩天大楼等大型建筑会发生微变形。 微位移量是危险报警的主要监测参数。 所以，进行微位移测量，尤其重要。现有的微位移监测技术有：在建筑物浇注混凝土时预埋光纤传感器， 通过光纤传感器输出信号分析微位移量。例如要测量桥的微位移(微变形)就须修桥时在混凝土中预埋光纤传感器，以便通过检测光纤传感器参数的变化来测量桥的微位移。 若要测某库岸或路边滑坡的微位移就较麻烦，须要打洞、放置光纤、灌水泥、再测量。 可能的问题是：长期使用中一旦光纤传感器坏在混凝土中，很难修复；在已建成的建筑物或危岩等情况很难埋设光纤；预埋光纤影响混凝土材料的连续性及应力情况。GPS载波相位测量定位。中国南方测绘集团引进了法国这一技术,生产RTK2NGK2500设备 324 。其微位移测量精度达5 mm + 1 ppm ×D；D是基准站到待测点的距离。可能的问题是：将RTK2NGK2500用于微位移测量成本很高(进口价格为60万元,国产价格为24万元) ，大量使用，花费太大(据专家估计三峡水库库岸、库区需1 000多个监测点，此外，其他大型水库、公路、铁路边坡、桥梁、大坝、摩天大楼等需要量也很大)；测绘系统布置复杂, 在被测点设立分站, 放1台RTK2NGK2500分站设备或在测量点设立基准站，放1台RTK2NGK2500主站设备。主分站之间还要用电台连结；分站架设在被测点(如危岩、滑坡、桥、大坝等) ,故长期监测供电,还须提供监测人的住所；被测点塌了，分站设备同时也会摔坏。精密大地测量的方法。在被测处放置标尺，在固定处架设经纬仪人工观测。这种方法只能短时测量，不能长期连续观测。这些新颖、先进、实用的微位移和微变形监测方法，克服了现有技术的缺点，研究结果将用于防灾、减灾中。此外，正在运用和研究的测量微小位移的方法有很多：光指针微小位移测量法、基于小波变换的全光纤微位移干涉测量法、高精度电涡流测量法，低温环境下超导体微位移测量法等，都在微位移测量方面起到推进作用。第二章 硬件设计2.1 电源在微位移设计中，若供电电源的值不稳定，有任何波动，都将影响信号的采集、处理及显示。所以，本次设计采用了一个电源处理电路，为设计中的各个重要模块供电。图2.1 电源电路硬件图如图2.1所示，电路插座部分的电压为12V，当电源插座插上时，电源指示灯亮。经过处理的12V电压，变为稳定的5V电源，为A/D转换器、单片机及显示器件供电。器件JP2把5V电压转化成12V电压，在经由JP1转换成-12V的电压，为AD698信号处理芯片提供+12V和-12V的双电源电压。电源部分供电稳定，为后续设计提供了保障。2.2 信号处理模块2.2.1 LVDT目前，测量位移的传感器有很多种，如电容传感器、电感传感器、激光传感器及磁致伸缩传感器，而电压差动位移传感器（Linear Variable Differential Transformer，简称LVDT）作为电感传感器的一种，因为工作可靠，具有较高的分辨率和灵敏度，价格低廉，所以在许多行业的位移测量系统中得以广泛应用。1、LVDT传感器的原理及特点LVDT位移传感器即直流差动变压器式线性位移传感器。由直流稳压电源供电，其输入量是机械位移，输出与位移成比例的交流电压，其输入信号幅值较大，可直接供记录仪、数字面板表等记录或显示，实现位移的测量或通过放大器后，接入反馈系统，实现位置闭环的自动控制。图2.2 灵敏度与电源激励频率的关系曲线LVDT的激励电源频率在20 HZ10kHZ之内，本次设计选择的激励频率选择3.5 k HZ，因为，在理想条件下，差动变压器的灵敏度kE正比于电源激励频率f。但由于实际工作中的诸多因素：传感器结构不对称、铁损、磁漏等都对灵敏度产生影响。灵敏度与激励电压频率的关系曲线如图2.2所示，在f从零开始增加的起始段（0A）段，kE随f的增加而增加；如果f再继续增加，导致铜损、涡流损耗、磁滞损耗明显增加，则kE或趋于定值（AB段），或下降（BC段）。当fl<f<fH时，不仅灵敏度具有较大的稳定值，而且传感器输出、输入信号的相位也基本同相（或反相）。而频率过低时，灵敏度会显著降低。LVDT的结构由铁心、衔铁、初级线圈、次级线圈组成。初级线圈、次级线圈分布在线圈骨架上，线圈内部有一个可自由移动的杆状衔铁。初级线圈接入适当频率的交流电源U1后，由于互感作用在两个次级线圈中分别产生感应电势U21和U22。图2.3 LVDT示意图根据变压器的工作原理，在次级线圈中产生的感应电势分别为： (2.1) (2.2)式中，U1初级线圈激励电压；M1、M2初级线圈及次级线圈N1、N2的互感；r1初级线圈的有效电阻及电感；L1初级线圈的电感。如果将两个次级线圈反向串接，如图2.3所示，则传感器的输出电压为U2=U21-U22。在一定范围内成V字形特性，如图2.4所示。如果在输出电路中采用相敏解调器，其输出特性就由V字形变为一条正比于铁芯位移的直线。这样不仅能反映铁芯的移动方向，而且能使传感器的零点电压减少到最小。初级线圈由外部参考正弦波信号源激励，当衔铁处于中间位置时，两个次级线圈产生的感应电动势相等，这样输出电压为0；当衔铁在线圈内部移动并偏离中心位置时，两个线圈产生的感应电动势不等，有电压输出，其电压大小取决于位移量的大小。为了提高传感器的灵敏度，改善传感器的线性度、增大传感器的线性范围，设计时将两个线圈反串相接（如图2.3所示）、两个次级线圈的电压极性相反，LVDT输出的电压是两个次级线圈的电压之差，这个输出的电压值与铁心的位移量成线性关系。图2.4 随位移变化U2与 U21、U22的关系曲线 LVDT的特点如下所列：结构简单，工作可靠，寿命长，线性度好，重复性好，性能价格比高，利税率高。精度：最高精度可达0.05%，一般为0.25%、0.5%绝对误差：最高可达1m 重复性：好，最高可达1m 灵敏度：高，一般每mm位移输出为数百 mv, 最高可达几伏分辩率：高，一般为0.1 m。测量范围：宽，±0.1mm ±500mm甚至更大工作温度范围：大，一般为-55 +150，可扩展到+220。传感器或变送器分为三级：商业级：0 +70。工业级：-20 +85。军 级：-55 +125。时间常数小，动态特性好，频带宽一般为200HZ(5ms)最高可500HZ(2ms)。毛利率高：可达60% 70%。LVDT与光栅，磁栅，同步感应器等高精度测长仪器相比有以下几个优点：动态特性好，可用于高速在线检测，进行自动测量，自动控制。光栅、磁栅等测量速度一般为1.5 m/s以内，只能用于静态测量。LVDT可在强磁场，大电流、潮湿、粉尘等恶劣环境下使用。可以做成在特殊条件下工作的传感器，如耐高压、高温、耐辐射、全密土封在水下工作。可靠性非常好，能承受冲击达1000g/11ms,振动。体积小，价格低，性能价格比高。2.2.2 AD698AD698 是美国Analog Devices 公司生产的单片式线性位移差分变压器(LVDT) 信号调理系统。AD698 与LVDT 配合，能够高精确和高再现性地将LVDT的机械位移转换成单极性或双极性的直流电压。AD698 具有所有必不可少的电路功能， 只要增加几个外接无源元件来确定激磁频率和增益， 就能把LVDT 的次级输出信号按比例地转换成直流信号。本次设计采用的就是AD698芯片。1、AD698的特点AD698 提供了用单片电路来调理LVDT 信号的完整解决方案， 它含有内部晶振和参考电压源，只需附加极少量的无源元件就可实现位移的机械变量到直流电压的转换, 并且无需校准。其单极性或双极性直流输出电压正比于LVDT 的位移变化。AD698能够适用于多个不同类型的LVDT。因为AD698 的输入电压、输出电压及频率适应范围都很宽，其电路的优化设计，使得它与任何类型的LVDT配合使用都能获得理想效果。驱动LVDT 的激磁信号频率为20Hz 10kHz，它取决于AD698 的一个外接电器。AD698 的输出电压有效值达24V， 能够直接驱动LVDT的初级激磁线圈，LVDT的次级输出电压有效值可以低于100mV。振荡器的幅值随温度变化不会影响电路的整体性能。AD698采用比率译码方案，即通过计算次级电压与初级电压的比率来确定LVDT的位置和方向,无需整定。只要电源不过载, 一个AD698可以串联或并联驱动多个LVDT。其激励输出具有热保护功能。 在简单的机电伺服回路设计中，可以将AD698作为一个积分环节来处理。2、AD698的工作原理图2.5 AD698与LVDT连接的功能框图AD698 可由单电源或双电源供电。单电源工作范围为13V36V，双电源工作范围为±12V±18V。本次设计采用双电源±12V 来供电。AD698 的工作温度范围为- 40 85 ，在工作温度为+ 65 时最大功率为12mW/。AD698 是一种完善的、单片集成的差动变压器式信号处理子系统，内部结构框图如图2.5 所示。它包括一个低失真的正弦波发生器、功率放大器、两路同步解调通道A 和B、比例电路、滤波器和输出放大电路。正弦波振荡电路产生的正弦波频率范围为20Hz10KHz ，幅值范围为2V24V。总谐波失真的典型值为- 50dB。AD698 输出的正弦波可直接用于激励传感器的初级线圈，而传感器次级线圈输出的正弦波则可直接作为AD698 的输入。AD698 对输入信号进行处理，产生一个标定的单极性或双极性直流电压信号。AD698 首先驱动LVDT，然后读出LVDT 的输出电压并产生一个与磁芯位置成正比的直流电压信号。AD698 用一个正弦波函数振荡器和功率放大器来驱动LVDT， 并用二个同步解调级来对初级和次级电压进行解码， 解码器决定了输出电压与输入驱动电压的比率(A/B) 。滤波器和放大器可按比例整输出结果。振荡器中包含一个多谐振荡器，该多谐振荡器产生一个三角波，并驱动正弦波发生器产生一个低失真的正弦波，正弦波的频率和幅值由一个电阻器和一个电容器决定。输出频率在20Hz10kHz 可调，输出有效幅值在2V24V 可调，总谐波失真的典型值是50dB。AD698通过同步解调输入幅值A（次级线圈侧）和一个固定的参考输入B（初级线圈侧或固定输入） 。早期解决方案的共同问题是驱动振荡器幅值的任何漂移都会直接导致输出增益的错误。AD698通过计算LVDT输出与输入激励的比率消除了所有的偏移影响，从而避免了这些错误。AD698不同于AD598型的LVDT信号调理器， 因为它实现了一个不同的电路传递函数， 并且不要求LVDT的次级线圈（A+B） 是一个随行程长度而定的常量。AD698 的输入包括二个独立的同步解调通道A 和B。B 通道用来监测驱动LVDT的激励信号，A 通道的作用与之相同，但是它的比较器引脚是单独引出来的。因为在LVDT 处于零位的时候，A 通道可能达到0V，所以A 通道解调器通常由初级电压触发。另外，可能还需要一个相位补偿网络给A通道增加一个相位超前或滞后量，以此来补偿LVDT初级对次级的相位偏移。一旦两个通道信号被解调和滤波后，再通过一个除法电路来计算比率A/B， 除法器的输出是一个矩形波信号。3、AD698的应用AD698 双电源供电时的外围电路如图2.6所示。外部无源元件的参数设置包括激励信号的频率和有效幅值、AD698 输入信号的频率和比例因子(V/inch) 。另外, 还有一些可选择的特性：零位偏移补偿、滤波、信号综合等， 这些功能可以通过另外一些外围元器件来实现。外围元器件及其参数大小应适合任何符合AD698 输入/输出标准的LVDT。（1）确定激励信号频率为3.5kHz，C1=35FHz/f EXCITATION =0.01F。图2.6 AD698双电源供电的外围电路（2）依据激励信号VEXC的电压幅值来决定R1，通常，R1可以调节激励电压的大小，当VEXC24V，10R1100；当12VVEXC24V时，0.1kR11k；5VVEXC12V时，1kR110k；0VVEXC 5V时，10kR1100k。本设计的R1值为18K。（3）C2、C3决定了 AD698的系统频带宽度，原则上，它们的电容值应该相等，即C2=C3=10-4FHz/f SUBSYSTEM=10-4FHz/0.8 kHz=0.1F。（4）R2用来设定AD698的增益和满量程时的输出范围，C4、C5为旁路电容，对输出波形进行滤波。计算R2需要以下相关参数：a.LVDT的敏感度S，它的值可以在生产厂家目录手册中查到，单位是V/V/mile，其物理意义是每英寸的位移每伏特的输入对应的电压输出伏特。b.LVDT的磁芯从零位到满量程的位移d。在S和d确定后，R2的计算公式如下：R2=VOUT/（S×d×500A） （2.3）其中，VOUT是相对于参考信号的输出。（5）R3、R4可实现正、负输出电压补偿调节。如果不需要补偿调节，R3、R4应被开路。其阻值可由下述公式推算得出：Vos=1.2V×R2×1/(R3+2k)-1/(R4+2k) （2.4）2.3 信号处理部分 2.3.1 CS5524本次设计要实现微小位移的测量，需要高精度的A/D转换器来实现，A/D转换器CS5524集信号放大、A/D 转换、数字滤波等功能于一体，改变了微弱信号处理的方法，大大减少了信号采样和处理电路元器件的数量。CS5524 是一种24位-调制式、4 通道模数转换器，内含多路开关、斩波稳定仪表放大器、可编程增益放大器（PGA）、数字滤波器、自校正和系统校正电路等；另外，还集成有一个电荷泵驱动电路，为片内放大器提供负偏置电压。CS5524具有功耗低(5mV)、单/双极性测量量程调节范围大(25 mV5 V)和输入电流低（100pA）的优点，它还具有三线串行接口，便于与计算机连接。具有诸多功能。所以，本次设计采用CS5524来完成信号的采集与模数转换。图2.7为CS5524的引脚图。图2.7 CS5524的引脚图CS5524 芯片在每次软件复位或硬件复位后都会置为缺省值，在缺省值下,芯片均能正常工作。1、CS5524的主要特点采用- 结构；输入动态范围大，共有25mV、55mV、100mV、1V、2.5V、5V 等6 个单/ 双极性量程可选；可编程选择通道；每个通道内均带有可读写的系统校验与自校验存储器；功率消耗仅5. 5mW。其引脚功能如表2.1所列：表2.1 CS5524各引脚名称及功能2、CS5524的片内存储器CS5524的片内存储器主要有命令（command）寄存器、配置（configuration）寄存器、通道设置（CSR）寄存器以及偏移、增益、校验寄存器等。（1）、命令寄存器是一个8位只写寄存器，通过设置该寄存器的相应位（命令字），就可以对其它6个寄存器进行读或写操作，命令寄存器的不同位代表着不同的功能，CS2 CS0为物理通道选择位；CSRP3CSRP0为逻辑通道选择位；每个物理通道有两个逻辑通道可供选择；R/W为读写选择位；CC2CC0为校准方式选择位。（2）、配置寄存器是一个24 位可读写寄存器，用来设置放大器的斩波频率、执行A/D转换逻辑通道的数目、软件复位以及执行转换方式等。（3）、每个物理通道有一个24 位可读写通道设置寄存器，主要用来设置需要A/D 转换的物理通道号、量程、输出字速率和信号极性。对通道设置寄存器进行读写操作的命令字分别为是0DH、05H。另外，每个通道有24位可读写的偏移、增益寄存器以对A/D 转换数据进行偏移、增益校准的操作控制。3、CS5524的工作过程（1）初始化CS5524的初始化包括上电复位、软件复位、串口初始化三步，完成芯片初始化过程。 CS5524上电复位：当CS5524加电时，32.768kHz振荡器开始工作，且芯片内的计数计时器计数结束前，芯片一直保持复位状态，直到在计数2006个时钟振荡周期后，才能确定振荡器完全稳定。在这一计时周期内，串口逻辑复位，配置寄存器的RV 位被置1，指示发生了一次有效的复位。复位后，片上寄存器如被设置为以下状态：配置寄存器置000040H，通道设置寄存器置000000H，偏移寄存器置000000H，增益寄存器置400000H，则表明完成了一次有效复位，转换器处于命令模式，等待一个有效的命令；CS5524软件复位：任何时候向配置寄存器RS位写一个逻辑1也可以使系统复位，如配置寄存器的RS位被置位，则表示发生了一次有效的复位。复位后，必须向配置寄存器的RV位写一个逻辑0，以退出复位模式。此时向配置寄存器写的其它命令位均被忽略，将RS位置0后，必须重写一次配置寄存器以设置配置寄存器的其它位；串口初始化：当软件向串口发初始化命令序列时，串口被初始化为命令模式；串口初始化序列包括15个字节的FFH和一个字节的FFH；写完后转换器处于命令模式，等待一个有效的命令。（2）寄存器的设置芯片初始化完成后，即可通过写命令字来设置寄存器、通道设置寄存器、偏移寄存器、增益寄存器等，以设置A/D 转换的工作方式。（3）执行A/D转换完成寄存器设置后，可通过设置A/D转换命令字和校准命令字，来进行不同类型的多通道A/D转换与校准，并从转换结果寄存器FIFO 中读取A/D 转换结果。4、CS5524的应用CS5524 是一种高精度的4 通道A/ D 转换芯片，本次设计采用5V电压为CS5524供电， 晶振为32.768 kHz。图2.8 A/D转换硬件电路图如图2.8所示，AD698的输出信号经过滤波电路滤除高频信号以后进入A/D转换器，进行模拟量到数字量的转换后经SDO口送入单片机进行处理。单片机的命令通过SDI口输入A/D转换器。2.3.2 ATMEGA1281、ATMEGA128的特点高性能、低功耗的 AVR8 位微处理器。JTAG 接口( 与IEEE 1149.1 标准兼容)。遵循JTAG 标准的边界扫描功能。支持扩展的片内调试。通过JTAG 接口实现对Flash， EEPROM, 熔丝位和锁定位的编程。两个具有独立的预分频器和比较器功能的8 位定时/计数器。两个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16 位定时/计数器。具有独立预分频器的实时时钟计数器。两路8 位PWM。6路分辨率可编程（2 到16 位）的PWM。输出比较调制器。8路10 位ADC，8 个单端通道，7 个差分通道，2 个具有可编程增益（1x, 10x, 或200x）的差分通道。面向字节的两线接口，两个可编程的串行USART。可工作于主机/从机模式的SPI 串行接口，具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器，片内模拟比较器。特殊的处理器特点：上电复位以及可编程的掉电检测，片内经过标定的RC 振荡器，片内/片外中断源。53个可编程I/O 口线，64引脚TQFP 与 64 引脚 MLF 封装。工作电压： 2.7 - 5.5V ATmega128L，4.5 - 5.5V ATmega128。速度等级：0 - 8 MHz ATmega128L，0 - 16 MHz ATmega128。2、ATMEGA128综述ATMEGA128为基于AVR RISC结构的8位低功耗CMOS微处理器。由于其先进的指令集以及较短单周期指令执行时间短，ATMEGA128的数据吞吐率高达1 MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。AVR 内核具有丰富的指令集和32 个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与算术逻辑单元(ALU) 相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的复杂指令集微处理器高10 倍的数据吞吐率。ATMEGA128具有如下特点：128K 字节的系统内可编程Flash( 具有在写的过程中还可以读的能力，即RWW)、4K 字节的EEPROM、4K 字节的SRAM、53 个通用I/O 口线、32个通用工作寄存器、实时时钟RTC、4 个灵活的具有比较模式和PWM 功能的定时/计数器(T/C)、两个USART、面向字节的两线接口TWI、8 通道10 位ADC( 具有可选的可编程增益)、具有片内振荡器的可编程看门狗定时器、SPI 串行端口、与IEEE 1149.1 规范兼容的JTAG 测试接口( 此接口同时还可以用于片上调试)，以及六种可以通过软件选择的省电模式。空闲模式时CPU 停止工作，而SRAM、T/C、SPI 端口以及中断系统继续工作；掉电模式时晶体振荡器停止振荡，所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作，寄存器的内容则一直保持；省电模式时异步定时器继续运行，以允许用户维持时间基准，器件的其他部分则处于睡眠状态； ADC 噪声抑制模式时CPU 和所有的I/O 模块停止运行，而异步定时器和ADC 继续工作，以减少ADC 转换时的开关噪声； Standby 模式时振荡器工作而其他部分睡眠，使得器件只消耗极少的电流，同时具有快速启动能力；扩展Standby 模式则允许振荡器和异步定时器继续工作。器件是以Atmel 的高密度非易失性内存技术生产的。片内 ISP Flash 可以通过SPI 接口、通用编程器，或引导程序多次编程。引导程序可以使用任何接口来下载应用程序到应用Flash存储器。在更新应用Flash存储器时引导Flash区的程序继续运行，实现RWW操作。通过将8 位RISC CPU 与系统内可编程的Flash 集成在一个芯片内， ATMEGA128为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的方案。ATMEGA128AVR有整套的开发工具，包括C编译器，宏汇编，程序调试器/ 仿真器和评估板。3、引脚说明VCC：数字电路的电源。GND：地。端口A(PA7.PA0)：端口A 为8 位双向I/O 口，并具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。复位发生时端口A 为三态。图2.9 ATMEGA128引脚图端口B(PB7.PB0)：端口B为8位双向I/O口，并具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。复位发生时端口B 为三态。端口C(PC7.PC0)：端口C 为8位双向I/O口，并具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。复位发生时端口C 为三态。端口D(PD7.PD0)：端口D 为8位双向I/O口，并具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。复位发生时端口D 为三态。端口E(PE7.PE0)：端口E 为8 位双向I/O口，并具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。复位发生时端口E 为三态。端口F(PF7.PF0)：端口 F 为ADC 的模拟输入引脚。如果不作为ADC 的模拟输入，端口 F 可以作为8 位双向I/O 口，并具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收较大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。复位发生时端口 F 为三态。如果使用了JTAG 接口，则复位发生时引脚PF7(TDI)、PF5(TMS) 和PF4(TCK) 的上拉电阻使能。端口 F 也可以作为JTAG 接口。端口G(PG4.PG0)：端口G 为5 位双向I/O 口，并具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收较大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。复位发生时端口G 为三态。端口G 也可以用做其他不同的特殊功能。在ATMEGA103兼容模式下，端口G 只能作为外部存储器的所存信号以及32 kHz 振荡器的输入，并且在复位时这些引脚初始化为PG0 = 1， PG1 = 1 以及PG2 = 0。PG3 和PG4 是振荡器引脚。RESET：复位输入引脚。超过最小门限时间的低电平将引起系统复位。低于此时间的脉冲不能保证可靠复位。XTAL1：反向振荡器放大器及片内时钟操作电路的输入。XTAL2：反向振荡器放大器的输出。AVCC ：AVCC为端口F以及ADC转换器的电源，需要与VCC相连接，即使没有使用ADC也应该如此。使用ADC 时应该通过一个低通滤波器与VCC 连接。AREF： AREF 为ADC 的模拟基准输入引脚。PEN： PEN是SPI串行下载的使能引脚。在上电复位时保持PEN为低电平将使器件进入SPI串行下载模式。在正常工作过程中PEN 引脚没有其他功能。4、ATMEGA128的应用图2.10 单片机最小系统硬件原理图图2.10为ATMEGA128的最小系统。 图2.11 ATMEGA的外接复位电路图 2.12 晶振电路单片机的主电路由电源、单片机、复位电路、晶振电路组成，也就是最小系统。在本设计中单片机也