实验4 生物信号的数据采集.docx

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实验4生物信号的数据采集

实验四生物信号的数据采集

一、实验要求

利用8位串行控制模数转换器TLC0832做A/D转换器，采用实验板上的电位器,或其它信号（如心电仿真仪信号）提供模拟量输入，编制程序，将模拟量转换成二进制数字量。

存放在RAM区，以供查阅。

二、实验目的

1、熟悉串行外围设备接口SPI总线技术的结构和原理。

2、掌握8位串行控制模数转换器TLC0832的转换性能及编程。

3、掌握TLC0832与80C51单片机的接口方法。

4、通过实验了解如何使用单片机进行数据采集。

三、实验设备

　1ＰＣ机一台

　2实验面包板一个

　380C51仿真器一套

4元件:

TLC0832一片

4导线若干

四、实验说明

一个微处理器系统中除了作为核心部件的微处理器外，多少要使用一些外围设备（通常被简称为“外设”）。

微处理器外设之间的连接方式基本上可以分为并行和串行2大类，也就是通过并行或串行接口连接。

并行接口设备使用了多根数据线，一次同时可以传递多个BIT的数据，所以传递速度较快，单器件之间的连线复杂。

而串行接口设备仅使用了一根数据线，每次只能传递一个BIT的数据，所以传递速度较慢，但由于使用串行接口的系统中器件之间的连线比较简单，在微型化的系统中倍受重视。

随着器件时钟速度的不断提高，串行接口的数据交换率同样可以做得很高。

另外基于异步串行接口电路的技术的器件因其相当高的效率，在DSP系统中被广泛采用。

（1）SPI总线介绍

串行外围设备接口SPI（serialperipheralinterface）总线技术是Motorola公司推出的一种同步串行接口。

SPI总线是一种三线制同步式串行总线，其物理结构是相当典型的。

因其硬件配备（在各种串行接口中）较为“完整”，所以，与SPI有关的软件就相对简单，使CPU有更多的时间处理其他事务。

它基本上由3根连线构成，即：

DI，DO，CLK，故称为三线制串行总线。

除了这3条基本信号线以外，当系统使用多个SPI器件时，为区别各个器件，往往还要加上一条片选信号线“/CS”。

使用了/CS信号后，所有的SPI器件可以使用公共的DI，DO，CLK信号，而只有/CS有效的芯片才被主控器件操纵。

各信号线的意义为：

信号符号

信号名称

信号意义

DI

数据输入线

外设的数据输入端，其电平表示当前输入的数据

DO

数据输出线

外设的数据输出端，其电平表示当前输出的数据

CLK

时钟信号

主控器件提供的同步时钟，以保证数据的正确

/CS

片选信号

用来选通所操纵的器件

除了上述引线之外，由于各种外设控制功能的不同，采用SPI接口，有时还要添加一些辅助的控制线，例如复位信号、中断信号等。

（2）实际SPI器件TLC0832

实际的SPI器件品种繁多，本次实验使用的TLC0832是一种基于SPI接口的双路A/D转换器。

该器件的详细资料参见参考文献[1]和文献[2]

TLC0832是一种2通道逐次逼近似方式的A/D转换器。

基本性能如下：

☐8位分辨率

☐可以“满量程”工作或使用5V基准电压

☐单通道或多路器选择的双通道，可单端或差分输入选择

☐当时钟频率为250kHz时，转换时间为32s

☐总非调整误差为1LSB

TLC0832的引脚及其功能：

实验用的TLC0832芯片为8脚的“双列直插”（DIP）式封装。

其引线方式参见下图。

各引脚的意义参见下表：

序号

引脚名称

意义

1

/CS

片选信号。

当该信号为高电平时，芯片未被选中，所有信号引线均为高阻态。

芯片的任何功能必须当该信号为低电平时方能实现。

2

CH0

模拟通道0的输入端。

可以作为独立的输入通道使用，也可以由程序控制，与CH1配合实现差分输入方式。

3

CH1

模拟通道1的输入端。

可以作为独立的输入通道使用，也可以由程序控制，与CH0配合实现差分输入方式。

4

GND

地线。

5

DI

数据输入端。

来自主控器件（CPU）的控制命令由此输入。

6

DO

数据输出端。

转换结果由此输出。

7

CLK

时钟信号。

8

VCC/REF

电源/参考电压输入端。

TLC0832的动作时序：

TLC0832的动作时序见下图。

图中可见TLC0832的全部动作过程。

应当注意以下要点：

1．任何有效操作均必须在/CS为低电平时才能实现。

所以，开始对TLC0832作任何操作都必须首先将/CS由高电平置为低电平，一次完整的操作结束后，应当及时地将/CS置为高电平；

2．时钟信号CLK是由主控器件（CPU）主动提供的，它控制了转换的节拍；

3．一个完整的转换过程分2个基本步骤：

A.由CPU向器件发出控制命令；B.CPU从器件读出转换后的数据；

4．控制命令由CPU通过DI线向器件发出，包括3个BIT。

第1个BIT为启动位，后2个BIT为配置位；

5．2个BIT的配置位的名称为SGL/DIF和ODD/EVEN，共同决定了器件的输入性质（参见附表）；

6．CLK信号是由CPU操纵下“人为制造”出高低电平变化而形成的。

每当需要向器件写入命令时，应当首先将所需要的数据加到DI脚上，然后让CLK由低电平向高电平变化（上升沿），这时器件会自动保持DI上的数据，之后，应当将CLK恢复到低电平，以便下一个节拍的操作；

7．由器件中读出数据时有些不同，此时应当首先将CLK置为高电平，然后，再将CLK由高电平置为低电平，在由高电平向低电平变化的“下降沿”后，器件的DO端会出现有效的数据信号。

CPU可以在此时检测DO端的状态，读出有效的数据；

8．命令BIT发送之后，便可以开始读出转换结果，事实上，器件内部的逐次近似转换过程是在CLK的控制下一拍、一拍地进行，每一拍完成一个BIT的转换，转换的结果同时就出现在DO上，这就是所谓的“外部时钟方式”。

特点是简单，但是对于外部时钟的“占空比”有较严格的控制，否则精度将受到影响——有些串行A/D器件内部自己配备了时钟系统，无须CPU的CLK信号，而是利用自身的时钟系统完成转换，这样的器件精度比较有保障。

使用这种器件时，在启动器件开始转换后，CPU应当等待“转换完成（EOC）”信号，当EOC出现后，才开始读取数据；

9．数据读出时，器件首先以“高位在前”（MSB-First）方式输出数据，然后再以“低位在前”（LSB-First）方式输出数据。

事实上，应用系统的设计人员可以根据自己的需要选择适当的方式读取数据，如果只需要MSB-First方式，则启动转换后只需要8个CLK就可以完成全部操作，这时，从图中的第12个CLK后面的操作可以不必进行；

10．全部操作完成后应当将/CS置为高电平。

使用TLC0832需要注意：

TLC0832要求在转换数据时CLK占空比为40%~60%，否则会导致转换结果不正确，CLK可由单片机的一根I/O口线驱动，用软件控制脉冲的频率和占空比。

TLC0832的模拟输入信号的的功能比较齐备，可以通过控制命令灵活地配置为差分或单端方式。

即，2个输入通道CH0和CH1可以作为一对差分输入的互补信号线，也可以配置为各自独立的单端输入信号线。

请注意以下要点：

1、配置命令由信号SGL/DIF和ODD/EVEN2个BIT组成，排列顺序是SGL/DIF在前，ODD/EVEN在后，2个控制BIT组合的意义参见附表；

2、差分输入方式是指一对大小相同方向相反的输入方式，它需要2个输入端，而且这2个输入端有极性之分；

3、单端输入实际上也需要2个输入端，一个是信号端，另一个是参考端，即所谓的“地”。

但是应当注意，地线作为参考端被假定为稳定不变的，输入信号完全由输入端上的电压变化而决定；

4、TLC0832配置为差分输入方式时只能组成一路输入；配置为单端输入方式时，可以提供2路独立的输入。

TLC0832输入信号地址控制逻辑表

地址选择

通道号

操作意义

SGL/DIF

ODD/EVEN

CH0

CH1

L

L

H

H

L

H

L

H

+

–

+

–

+

+

CH0为正极性，CH1为负极性的差分输入方式

CH0为负极性，CH1为正极性的差分输入方式

选择CH0的单极性，单通道方式

选择CH1的单极性，单通道方式

H=高电平,L=低电平,

–or+=所选择的输入端的终端极性

五、实验电路及连线

　LC0832与51系列微处理器的连接相当简单，具体的参考电路参见下图：

实验中，我们采用选择CH0的单极性，单通道方式。

因此，CH1端应接地，CH0端为输入电压。

我们采用通过可调电位器的方法改变输入电压，以观察A/D转换结果。

配置命令由信号SGL/DIF和ODD/EVEN2个BIT组成，在本实验中应设置为：

SGL/DIF=1；ODD/EVEN=0

六、软件流程及编程

1、A/D转换的软件流程图

图中绘出了A/D转换的基本过程。

必须说明，这个流程图并不是最优化的，而仅仅表现了A/D转换的主要步骤。

流程图的右侧绘出了每个步骤相应的注释。

图中使用了sCLK子程序，该子程序的流程图附在本小节的后部。

这里应当注意的是，sCLK子程序中使用了2个延时子程序，DELAY1和DELAY2，其目的是为了调整时钟信号的频率和占空比，实际的延时子程序可以用不同长度的循环来实现，或者简单地插入若干个NOP来解决。

具体的延时长度应当视实际需要而定。

延时时间的确定原则在于使得CLK信号处于高电平和低电平的时段基本相等，而且必须考虑到sCLK子程序返回后，A/D程序进行其它操作时CLK处于低电平的时段长度。

2、A/D转换程序：

（见源程序文件TLC0832.ASM）

BEGIN:

CLRP1.4;/CS=0,选通器件

SETBP1.1;DI=1,置启动条件

CALLSCLK;发出一个时钟

SETBP1.1;DI=S/D=1,送控制命令的第1个BIT

CALLSCLK;发出一个时钟

CLRP1.1;DI=O/E=0,送控制命令的第2个BIT

MOVA,#00H;设存放转换结果的寄存器A初值

MOVR0,#08H;读8位BIT

GETDATA:

CALLSCLK;发出一个时钟

MOVC,P1.0;由DO读出一个BIT,检测DO的状态

RLCA;将读出的BIT用于字节输出到指定的BYTE,选通器件

DJNZR0,GETDATA;读完8次了吗?

未读完,继续

SETBP1.4;/CS=1.读完,放弃对于器件的控制

SJMP$

;SCLK入口

SCLK:

SETBP1.2;CLK=1,发出时钟的高电平

NOP;适当延时片刻

NOP

NOP

NOP

CLRP1.2;CLK=0,发出时钟的低电平

NOP;适当延时片刻

NOP

NOP

NOP

RET

END

;查指令表可知NOP指令需用1个机器周期，在12MHz晶振时，一个机器周期时间长度为12/（12MHZ）=1us

;所以该段延时程序执行时间为：

2*1us=2us

;因此,若取CLK的时钟占空比为50%,则高低电平延时时间相同,即总共的时钟周期为:

2*2us=4us,

;即CLK时钟频率为1/（4us）=250KHz

;同学们可以编写两个不同的延时程序,实现不同的CLK时钟频率和占空比,

;但是要注意CLK必须在10KHz~600KHz之间,占空比必须在40%~60%之间.

参考文献

[1]武汉力源电子股份有限公司.TLC0831C/I,TLC0832C/I8位串行控制模数转换器产品资料.1998.6武汉

[2]TexasInstrumentsIncorporated.DataSheetofTLC0831C,TLC0831I,TLC0832C,TLC0832I8-BITANALOG-TO-DIGITALCONVERTERSWITHSERIALCONTROL.APRIL1996,USA

七、实验思考题

1单步执行参考程序，观察记录实验结果：

Vi=0V，1V，2V，3V，4V，5V时，A/D转换的数据。

2A/D转换数据的分辨率？

3A/D转换数据的时间（1个字节）？

4修改完善参考程序，实现定时采样的功能。

查看记录DATA、CODE空间的数据，实现数据的采集。

实验五生物信号数据通讯与存储

一、实验要求

本实验利用AT24C16对单片机进行外部数据存储器的扩展，使用8051单片机模拟I2C总线实现串行E2PROM的读写。

将单片机内部RAM30H开始的16个字节的数据写到外部数据区，然后再将外部数据区的16个字节的内容读到内部RAM40H开始的单元中，以检验是否将数据正确的写到外部存储器。

二、实验目的

5、熟悉I2C串行数据总线技术的结构和原理。

6、掌握AT24C系列E2PROM接口的转换性能及编程。

7、掌握AT24C系列与80C51单片机的接口方法。

8、通过实验了解如何使用具有I2C总线接口功能的串行E2PROM来扩展单片机的外部数据存储区。

三、实验设备

　1ＰＣ机一台

　2实验面包板一个

　380C51仿真器一套

4元件:

AT24C161片

5导线若干

四、实验说明

I2C是一种新的芯片间的通讯方式，由PHILIPS开发和推广。

I2C通讯采用两条线进行通讯，一条数据线，一条时钟线，可进行多器件通讯。

总线上的每个器件都有自己的地址。

数据传送是双向的，总线支持多主机，8051上I2C总线的接口为P0端口的两根线，有专门的特殊功能寄存器来控制总线的工作和执行传输协议。

而在单片机系统中广泛使用E2PROM作为数据存储器，AT24C系列串行E2PROM是具有I2C总线接口功能的数据存储器。

本实验介绍了I2C总线及AT24C系列串行E2PROM，给出了8051单片机与串行E2PROM通讯的硬软件实现方法和实用的读/写子程序。

1、　I2C总线简介

　　I2C总线是一种双线串行数据总线，具有多端控制能力，由串行数据（SDA）线和串行时钟（SCL）线，在CPU与被控IC与IC之间进行数据双向传输，最高传输率为100千比特/秒。

SDA线与SCL线均为双向I/O线，经电阻接+5伏，当总线空闲时，两线为高电平，当I2C总线有所挂IC准备发送数据时，把集电极电压拉低，从而使与之相连的SDA线电压降低，占据了SDA线发送数据。

在传送数据过程，有三种信号出现，分别是：

·开始信号。

SCL线为高电平，SDA线由高电平变低电平，视为开始传送数据。

·结束信号。

SCL线为高电平，SDA线由低电平变高电平，视为结束传送数据。

·应答信号。

接收数据的IC收到期1字节（8比特）数据后，向发送数据的IC发出低电平脉冲信号，视为已收到信号。

在I2C总线上传送的一个数据字节由八位组成。

总线对每次传送的字节数没有限制，但每个字节后必须跟一位应答位。

数据传送首先传送最高位（MSB），数据传送按图1所示格式进行。

首先由主机发出启动信号“S”（SDA在SCL高电平期间由高电平跳变为低电平），然后由主机发送一个字节的数据。

启动信号后的第一个字节数据具有特殊含义：

高七位是从机的地址，第八位是传送方向位，0表示主机发送数据（写），1表示主机接收数据（读）。

被寻址到的从机设备按传送方向位设置为对应工作方式。

标准I2C总线的设备都有一个七位地址，所有连接在I2C总线上的设备都接收启动信号后的第一个字节，并将接收到的地址与自己的地址进行比较，如果地址相符则为主机要寻访的从机，应在第九位答时钟脉冲时向SDA线送出低电平作为应答。

除了第一字节是通用呼叫地址或十位从机地址之外，第二字节开始即数据字节。

数据传送完毕，由主机发出停止信号“P”（SDA

在SCL高电平期间由低电平跳变为高电平）。

2、　AT24C系列串行E2PROM

　　AT24C系列串行E2PROM具有I2C总线接口功能，功耗小，宽电源电压（根据不同型号2.5V～6.0V），工作电流约为3mA，静态电流随电源电压不同为30μA～110μA，存储容量见表1。

（1）AT24C系列E2PROM接口及地址选择

　　由于I2C总线可挂接多个串行接口器件，在I2C总线中每个器件应有唯一的器件地址，按I2C总线规则，器件地址为7位数据（即一个I2C总线系统中理论上可挂接128个不同地址的器件），它和1位数据方向位构成一个器件寻址字节，最低位D0为方向位（读/写）。

器件寻址字节中的最高4位（D7～D4）为器件型号地址，不同的I2C总线接口器件的型号地址是厂家给定的，如AT24C系列E2PROM的型号地址皆为1010，器件地址中的低3位为引脚地址A2A1A0，对应器件寻址字节中的D3、D2、D1位，在硬件设计时由连接的引脚电平给定。

　　对于E2PROM的片内地址，容量小于256字节的芯片（AT24C01/02），8位片内寻址（A0～A7）即可满足要求。

然而对于容量大于256字节的芯片，则8位片内寻址范围不够，如AT24C16，相应的寻址位数应为11位（211=2048）。

若以256字节为1页，则多于8位的寻址视为页面寻址。

在AT24C系列中对页面寻址位采取占用器件引脚地址（A2、A1、A0）的办法，如AT24C16将A2、A1、A0作为页地址。

凡在系统中引脚地址用作页地址后，该引脚在电路中不得使用，作悬空处理。

AT24C系列串行E2PROM的器件地址寻址字节如表1所示，表中P0P1P2表示页面寻址位。

（2）　AT24C系列E2PROM读写操作

　　对AT24C系列E2PROM的读写操作完全遵守I2C总线的主收从发和主发从收的规则。

　　连续写操作：

连续写操作是对E2PROM连续装载n个字节数据的写入操作，n随型号不同而不同，一次可装载字节数见表1。

SDA线上连续写操作数据状态如图2。

　　AT24C系列片内地址在接收到每一个数据字节地址后自动加1，故装载一页以内规定数据字节时，只须输入首地址，若装载字节多于规定的最多字节数，数据地址将“上卷”，前面的数据被覆盖。

　　连续读操作：

连续读操作时为了指定首地址，需要两个伪字节写来给定器件地址和片内地址，重复一次启动信号和器件地址（读），就可读出该地址的数据。

由于伪字节写中并未执行写操作，地址没有加1。

以后每读取一个字节，地址自动加1。

在读操作中接收器接收到最后一个数据字节后不返回肯定应答（保持SDA高电平）随后发停止信号。

连续读操作SDA上数据状态如图3。

五、8051单片机与AT24C系列E2PROM通讯的硬软件实现

（1）硬件电路

　　图4是用8051P1口模拟I2C总线与E2PROM连接电路图（以AT24C16为例），由于AT24C16是漏极开路，图中R1、R2为上拉电阻（5.1k）。

A0～A2地址引脚、TEST测试脚均悬空。

（2）软件实现

　　由前述分析和图4的硬件电路，我们编制了E2PROM的读写子程序。

两者的主要区别在于读子程序需发器件地址（写）和片内地址作为伪字节，之后再发一次开始信号和器件地址（读命令）。

　　读写程序分别见:

I2CREAD.ASMI2CWRITE.ASM

　　写程序:

I2CWRITE.ASM

;将51单片机内部RAM区30H开始的16个字节写到E2PRPR0M的第0页中00H单元开始的区域

;写串行E2PROM子程序EEPW

;（R3）=器件地址1010p2p1p0R/W=1010***0

;（R4）=片内字节地址A7A6A5A4A3A2A1A0=********

;（R1）=欲写数据存放地址指针8051RAM区地址0~255

;（R7）=连续写字节数n224C16连续写字节数n<=16

MOVR3,#10100000B;器件寻址（写）,选择向24c16第0页写数据

MOVR4,#00000000B;片内地址为00H

MOVR1,#30H;8051RAM区地址30H

MOVR7,#16;24C16连续写字节数n<=16

EEPW:

MOVP1,#0FFH

CLRP1.0;发开始信号（高电平变为低电平）

MOVA,R3;送器件地址

CALLSUBS

MOVA,R4;送片内字节地址

CALLSUBS

AGAIN:

MOVA,@R1

CALLSUBS;调发送单字节子程序

INCR1;8051RAM区地址

DJNZR7,AGAIN;连续写n个字节

CLRP1.0;SDA置0,准备送停止信号

CALLDELAY;延时以满足传输速率要求

SETBP1.1;发停止信号

CALLDELAY

SETBP1.0;电平变高,写停止位

SJMPFINISH;结束写数据,转读数据程序

;写一个字节

SUBS:

MOVR0,#08H;发送单字节子程序

LOOP:

CLRP1.1;产生低电平

RLCA;从高位到低位发送,左移到进位标志中

MOVP1.0,C

NOP

SETBP1.1;产生高电平,形成写数据脉冲

CALLDELAY

DJNZR0,LOOP;循环8次送8个bit

CLRP1.1

CALLDELAY

SETBP1.1;产生应答脉冲

REP:

MOVC,P1.0;读应答信号

JCREP;判应答到否，未到则等待

CLRP1.1;应达到,使电平变低,准备下一字节数据的发送

RET

DELAY:

NOP

NOP

RET

FINISH:

END

读程序:

I2CREAD.ASM

;将E2PRPR0M的第0页中00H单元开始的16个字节读到51单片机内部RAM区40H开始的区域

;读串行E2PROM子程序EEPR

;（R1）=欲读数据存放地址指针8051RAM区地址0~255

;（R3）=器件地址1010p2p1p0R/W=1010***0和1010p2p1p0R/W=1010***1分别送一次

;（R4）=片内字节地址A7A6A5A4A3A2A1A0=********

;（R7）=连续读字节数24C16连续读字节数n<=16

READDATA:

MOVR3,#10100000B;器件寻址（写）,选择24c16第0页

MOVR4,#00000000B;片内地址为00H

MOVR1,#40H;8051RAM区地址40H

MOVR7,#16;24C16连续写字节数n<=16

EEPR:

MOVP1,#0FFH

CLRP1.0;发开始信号

MOVA,R3;送器件地址（写）

CALLSUBS;调发送单字节子程序

MOVA,R4;送