基于雙51單片機的信號處理系統設計

CY7C132允許兩個(gè)CPU同時(shí)讀取任何存儲單元(包括同時(shí)讀同一地址單元)，但不允許同時(shí)寫(xiě)或一讀一寫(xiě)同一地址單元。雙端口RAM中引入了仲裁邏輯(忙邏輯)電路來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題：當左右兩端處理器同時(shí)寫(xiě)入或一讀一寫(xiě)同一地址單元時(shí)，先穩定的地址端口通過(guò)仲裁邏輯電路優(yōu)先讀寫(xiě)，同時(shí)內部電路使另一個(gè)端口的BUSY信號有效，并在內部禁止對方訪(fǎng)問(wèn)，直到本端口操作結束。BUSY信號可以作為中斷源指明本次操作非法。需要注意的是：這種方法當CPU發(fā)生插入等待時(shí)，可能會(huì )降低程序效率，不可應用于頻繁產(chǎn)生插入中斷的場(chǎng)合。
該系統設計采用存取時(shí)間為55 ns的CY7C132，從單片機工作速度在μs級，主單片機工作速度在ms級，雙方同時(shí)讀取雙口RAM的概率較小，上述沖突解決方案可以滿(mǎn)足實(shí)際需求。在主從單片機啟動(dòng)工作后，為了防止主單片機的空讀，即從單片機的首次寫(xiě)入時(shí)間晚于主單片機的首次讀入時(shí)間，將存儲器的首地址設置為起始標志位，通過(guò)主單片機讀寫(xiě)該為狀態(tài)決定是否將讀取下一位的存儲位。

2 具體電路設計
根據上述系統總體結構框圖和功能設計，繪制信號處理系統的電路原理圖，如圖2所示。
單片機的控制或檢測工作是通過(guò)I／O引腳實(shí)現的。單片機1(U1)中，PO和P2引腳以及P3．6與P3．7引腳用來(lái)與外部數據存儲器CY7C132交換數據；P1．0、P1．1和P3．4引腳是與A／D轉換器ADC0832連接，控制A／D轉換操作以及讀取轉換結果：P3．2(外部中斷0)引腳與單片機2(V2)的引腳P1．0相互通信。單片機2的I／O引腳的使用情況與單片機1類(lèi)似。其中特別需要指出的是：?jiǎn)纹瑱C2的P1．2引腳連接至CY7C132的BUSY引腳；而P3．0與P3．1是串口通信引腳，連接至MAX232。
CY7C132是雙口RAM，但是其任意一端的地址線(xiàn)、數據線(xiàn)以及控制線(xiàn)的連接方法與一般RAM幾乎沒(méi)有區別，2片單片機與CY7C132的地址線(xiàn)和數據線(xiàn)采用相同的連接方法。以單片機1為例進(jìn)行說(shuō)明，CY7C132的內部存儲空間為2KB，因此，其地址空間為0000H～07FFH。單片機的I／O口要提供11根地址線(xiàn)，除去P0口還需占用P2．0、P2．1、P2．2端。該系統設計僅使用單片機AT89S51的外部RAM，因此不存在片選問(wèn)題。這里采用線(xiàn)選法，P2．3直接與CY7C132的CS相連。
另外，基于以下原因，單片機1與單片機2使用了不同頻率的外部晶振：1)單片機AT89S51支持的頻率有限，被選擇的晶振頻率必須符合要求；2)由于A(yíng)T89S51使用機器周期作為其工作基準，在使用外部振蕩電路的情況下，該單片機是以晶振頻率除以12得到的數值作為機器周期，所以在單片機1需要定時(shí)器的情況下，晶振頻率要便于定時(shí)器的設置；3)單片機2需要和計算機進(jìn)行串口通信，晶振頻率要便于串口通信中波特率的設置。因此，單片機1與單片機2的晶振頻率分別選擇了12 MHz和11．059 2 MHz。

3 系統軟件設計
該系統軟件設計使用的是匯編語(yǔ)言。匯編語(yǔ)言的優(yōu)點(diǎn)是：編寫(xiě)的程序存儲空間小，運行速度快，程序效率高。另外，匯編語(yǔ)言編寫(xiě)的程序能直接管理和控制硬件設備。匯編語(yǔ)言編寫(xiě)的程序并不能直接為單片機所使用，必須使用編譯器編譯。本系統使用Keil C5l V7．09評估版。
3．1 單片機主程序
單片機1使用內部RAM的20H．1作為A／D轉換標志位，當標志位被置1時(shí)，主程序中的A／D轉換子程序不會(huì )運行；當該標志位被置0時(shí)，A／D轉換子程序才可以執行。單片機1的主程序執行過(guò)程，見(jiàn)圖3(a)。單片機2用內部RAM的20H．1作為程序啟動(dòng)標志位，當標志位被置1時(shí)，主程序不會(huì )運行；當該標志位被置0時(shí)，主程序才可以執行。在主程序開(kāi)始運行后，從外部數據寄存器中讀入數據，然后關(guān)閉串口中斷，通過(guò)查詢(xún)方式向串口寫(xiě)入數據，然后再打開(kāi)串口中斷。單片機2的主程序執行過(guò)程，見(jiàn)圖3(b)。

3．2 數字濾波子程序
算術(shù)平均值濾波的原理是對于連續采樣的n個(gè)數據，尋找一個(gè)數值y(k)，使該值與采樣值之間誤差的平方和最?。?

式中，y(k)是第k次采樣時(shí)，N個(gè)采樣值的平均值，X(i)是第i次采樣值。
算術(shù)平均值濾波適用于被測信號在某一數字范圍附近作上下波動(dòng)的場(chǎng)合。該方法將干擾的影響平攤到每個(gè)測量值。采樣數n決定了抗干擾的能力，n越大，抗干擾性能越好，但是，n值過(guò)大，系統的靈敏度會(huì )降低。算術(shù)平均值濾波對周期性干擾有較好的抑制作用，但對脈沖性干擾作用不大。
中值濾波算法是對某一被測參數連續采樣n次(一般n取奇數)。n次采樣值按照大小排列，取中間值作為本次采樣值。中值濾波算法能有效克服因偶然因素引起的波動(dòng)干擾。對于溫度、液體表面等變化緩慢的被測參數，能收到良好的濾波效果。中值濾波子程序和算術(shù)平均值濾波子程序流程見(jiàn)圖4。

4 實(shí)驗數據
在實(shí)驗過(guò)程中，測試平臺的輔助工具包括，可提供±5 V輸出的WJ7103型直流穩壓電源，美國Tektronic公司的AFG3021型函數發(fā)生器。首先，信號函數發(fā)生器產(chǎn)生直流信號通過(guò)信號處理單元電路板被傳輸到工控機；其次，被測數據通過(guò)串口助手顯示并以文本格式(txt)存儲在工控機中；最后，被測數據通過(guò)MATLAB軟件以分別以圖像的形式顯示和十進(jìn)制數的格式記錄。
在0 V信號輸入的條件下，信號處理單元的采樣結果(隨機取樣1 000次)見(jiàn)圖5。圖中的(1)(2)(3)分別表示單片機1在沒(méi)有使用數字濾波算法，采用中值濾波算法和算術(shù)平均值濾波算法的條件下得到的輸出結果。在理想情況下，采樣值應該是0，而記錄的采樣結果與理想值存在誤差。