摘要

关键词： SPCE061A，RS485

　　本系统采用双CPU控制，主机与从机的CPU都是使用SPCE061A单片机。从CPU负责采集七路数据，同时应答主CPU发送的命令。主CPU进行数据处理，数据显示，键盘输入，系统报警，语音播报通道的电压值。在主CPU与从CPU的通讯中，采用国际标准的RS485差分方式接口，使通讯的速率和传输距离均大于RS232的标准接口方式，并且用线最少（只要两根）。本系统实现了一种具有语音播报、语音提示的高性能、高智能的实用型远距离多路数据采集系统。

SPCE061A单片机概述
　　SPCE061A是继m’nSP系列产品SPCE500A等之后凌阳科技推出的又一个16位结构的微控制器。目前有两种封装形式：84引脚的PLCC84封装和80引脚的LQFP80贴片封装。主要性能如下：
■16位m’nSP微处理器;
■工作电压：VDD为2.4~3.6V(cpu), VDDH为2.4~5.5V(I/O);
■CPU时钟：32768Hz~49.152MHz ;
■内置2K字SRAM、内置32K FLASH;
■可编程音频处理;
■32位通用可编程输入/输出端口;
■32768Hz实时时钟，锁相环PLL振荡器提供系统时钟信号;
■16位可编程定时器/计数器(可自动预置初始计数值);
■2个10位DAC(数-模转换)输出通道;
■7通道10位电压模-数转换器(ADC)和单通道语音模-数转换器;
■声音模-数转换器输入通道内置麦克风放大器自动增益控制(AGC)功能;
■系统处于备用状态下(时钟处于停止状态)耗电小于2mA@3.6V;
■具备触键唤醒的功能;
■14个中断源：定时器A / B，2个外部时钟源输入，时基，键唤醒等;
■使用凌阳音频编码SACM_S240方式(2.4K位/秒)，能容纳210秒的语音数据;
■具备异步、同步串行设备接口;
■具有保密能力;
■具有WatchDog功能（由具体型号决定）

一、设计功能及要求
1.1　设计要求

　　设计一个八路数据采集系统，系统原理框图如图1所示，要求主控器能对50米以内的各路数据，通过串行传输线进行采集和显示。具体设计任务是：现场模拟信号产生器。
七路数据采集器
主控器。

图1 系统电路框图

1.2　系统功能

1、实现现场模拟信号产生器，即通过自制一正弦波信号发生器，利用可变电阻改变振荡频率，使频率在200Hz～2kHz范围变化，再经频率电压变换后输出相应1～5v直流电压（200Hz对应1v，2kHz对应5v）

2、路数据采集器 数据采集器第一路输入自制1V～5V直流电压，第2～7路分别输入来自直流源的5V、4V、3V、2V、1V、0V直流电压（各路输入可由分压器产生，不要求精度）。将各路模拟信号分别转换成8位二进制数字信号，在经并/串变换电路，用串行码送入传输线路。

3、主控器通过串行传输线路对各路数据进行 采集和显示。采集方式包括循环采集（即1路、2路……7路、1路……）和选择采集（任选一路）二种方式。显示部分能同时显示地址和相应的数据。

4、主机实现语音操作提示和播放各通道电压的功能，故障报警功能。

二、方案设计与论证

方案一：
　　该方案的系统原理框图如图2所示，它能完成所要求的功能。但是存在不足之处是：编程不方便，主要是A/D接口和RS485接口编程不方便。

图2 方案一系统框图

方案二：

　　该方案的系统原理框图如图3所示，它使用SPCE061A单片机作CPU，该CPU内核具有模块化的结构。

图4 系统框图

3.2　系统的各部分电路设计

3.2.1　主机电路

　　本系统是基于61板实现的，主机的系统电路如图5所示，其中61板的电路主要包括MIC输入电路、音频输出电路、电源部分、PROBE接口电路。所以在主机的电路中，只需外接按键电路、三个LED电路、RS485接口电路

3.2.2　从机系统电路

　　从机系统的电路如图6所示，由于SPCE061A内置7路10位AD电路，采样的电压范围为0－3.3V,所以在采样0－5V的电压时候，需要外接分压电阻。另外，从机系统的还有一个RS485接口电路。

3.2.2　数码显示电路

　　本系统的显示部分采用3个数码管显示，数码管电路采用“共阴”“动态”连接，阴极公共端（com）由晶体管推动，详细电路如图7所示。

3.2.3　键盘输入电路
　　
　　本系统使用4*3键盘，它的详细电路如图8所示。

3.2.4　模拟信号产生器

　　本系统使用的模拟信号产生器电路由两部分组成：1、正弦波信号发生器2、频率电压变换电路。1．正弦波信号发生器正弦波信号发生器电路如图9所示，其中ICL8038V/F转换芯片，该IC属于积分型施密特压控多谐振荡器，工作范围为：0.001Hz~300kHz,完全可以达到设计要求。调节滑动电阻可改变正弦波的输出频率。

2、频率电压变换电路

　　频率电压变换电路如图10所示，它的输入信号为正弦波信号。正弦波信号经放大，变为方波信号作为LM331芯片的输入信号。调节滑动电阻P3,P4,使得200Hz对应1V输出，2kHz对应5V输出。

3.2.5　1V到5V转0.66V到3.3V输入电路

　　由于SPCE061A的A/D最高采样的电压值为3.3V，所以根据系统的要求，设计1V到5V转0.66V到3.3V输入电路，它的详细电路如图11所示。

3.2.6　RS485接口电路

　　本系统用到的RS485的接口电路如图12所示，其中R1为阻抗匹配电阻，在传输距离比较短的情况下，可以不用。MAX3485使用半双工通讯，其中A与B口采用差分实现传输，RO口为读数据用，RE_N为读使能位（低电平有效），DE口为写数据使能（高电平有效），DI口为写数据用。

四、软件设计

4.1 从机系统的主程序流程

　　从机系统的主程序流程如图13所示。从机主要负责循环采集7路数据和命令判断，在没有接收到主机的命令的时候，一直做循环采集，并存入Buffer，以便增强统的响应速率。

4.1　从机系统的中断程序流程

从机系统的中断程序如图14所示，它是UART接收数据完毕IRQ7中断，它是用于接收主机发送的命令字。

4.2　主机系统的主程序流程

主机系统的主程序流程如图15所示，主机系统主要负责按键处理、语音播报、发送命令给从机，同时进行采样显示。

 

4.3　主机系统的按键处理流程

主机系统的按键流程如图16所示。

4.4　主机发送命令接收数据的流程

主机系统发送命令，接收数据的流程如图17所示。

4.5　主机系统中断程序FIQ和IRQ5流程

　　主机系统使用两个中断资源，其中FIQ的TimerA中断用于播放语音数据，该中断的程序流程如图18所示;其中2Hz中断用于循环采集，它用于定时用，每隔2妙循环采样一次，该中断的流程如图19所示。

五、系统测试及整机指标

5.1　系统测试

第一路测试结果如表2所示

表2

第二、三、四、五、六、七路测试，结果如表3所示

5.2　整机指标

采集部分
1、采集通道数：7路
2、采集精度：10位A/D转换
通讯部分
1、传输信号电平幅度：-7V~+ 12V
2、传输线数目：2根
主控制器部分
1、数据显示状态：2种（循环和手动）
2、循环显示周期：2秒
3、显示精度：0.1V

六、总结

使用SPCE061A开发数据采集系统，具有很大的市场前景。首先，它的易学、易用的编程语音、开发环境，可以使初学者迅速入门;其次它具有模块化的结构，内置7路10位的AD，简化用户的电路设计;再者，它具有语音识别、音频处理功能，使得用户可以开发出更智能化的产品。

七、参考资料
1、MAX3485数据手册
2、SPCE061A原理与应用教材书
3、http://www.unsp.com.cn
4、ICL8038数据书册
5、LM331数据手册
6、模拟电子技术基础------清华大学电子学教研组 编（董诗白 主编）
7、全国大学生电子设计竞赛——1994年获奖作品选编

附：系统使用说明本系统的使用操作比较简单，主要依照语音提示操作即可。
1.键盘说明
用户主要是根据语音提示对主机的输入键盘进行操作。系统的键盘定义如表4所示：

表1中的各个按键说明如表5所示。