您正在看的电子技术论文是:空间瞬态光信号探测系统中下位机系统设计。 中文摘要:

   论述了空间瞬态光信号探测系统中以单片机8051为核心的下位机系统。主要介绍了空间瞬态光信号的频率特性和下位机系统功能。下位机硬件电路设计中主要包括多路模拟输入采集模块,能量信号采集接口电路,看门狗电路。试验证明下位机系统可以满足系统探测要求。

英文摘要：

  The lower computer system based on 8051single- chip microprocessor is presented in the transient optical signal detection system. In this paper, the lower computer system is mainly introduced in two parts, the frequency analyze of the transient optical signal and the function of the lower computer system. The design of hardware circuits mainly contains the data- collection of the multi- channel analog input, the data acquisition interface circuit, and the watchdog circuit.

引言
     空间瞬态光信号探测技术研究在军事，民用领域 都得到越来越广泛的重视。空间瞬态光信号主要包括 雷电信号，超级闪电信号，各种空间辐射，宇宙射线等 多种信号。空间瞬态光信号探测系统根据采集的瞬态 目标时域波形，来研究目标信号的光强度大小，频谱 分布等各种特征参数。 在空间瞬态光信号探测系统中，下位机管理电路 处于一个枢纽位置。下位机主要完成数据采集，简单 数据处理，环境状态监控，以及向上位机发送数据或 从上位机接收控制命令。设计功能可靠的下位机系统 才能把采集到的空间瞬态光信号的能量信号和方位 信息及时的传送到上位机，为上位机数据分析处理提 供可靠途径。 单片机集成度高，运算速度快，体积小，运行可 靠，在过程控制，数据采集等方面得到广泛应用。以单 片机为核心的下位机系统设计方便灵活，周期短，成 本低，可靠性高。在试验阶段下位机系统以8051 单片 机为核心，上位机以PC 机为基础，在PC 机上实现所 采集信号的图形显示和各种分析处理。
1 系统组成及基本原理
    
1.1 瞬态光辐射信号分析
     空间瞬态光信号是一个变化速度快，动态范围 大，持续时间短的信号。根据经验数据，当光辐射能量 较小时其最高频率可达到800Hz，能量较大时最高频 率可达到10KHz。奈奎斯特定理：要想抽样后能够不 失真的还原出原信号，则抽样频率必须大于两倍信号 谱的最高频率即： Qs>2Qh （1） 其中Qs 为抽样频率，Qh 为信号最高频率。在能量 信号采集电路中采样频率为100KHz,满足奈奎斯特定 理，完全可以恢复原信号。瞬态光信号的发生时刻，持 续时间，发生方位，能量大小都是描述该信号的重要 数据。下位机系统负责采集这些瞬态光信号的重要数 据，并通过串口传送到上位机，上位机才能进行进一 步信号时域分析和频域分析。
2 硬件电路设计
    
2.1 多路模拟输入监控电路
     下位机控制系统负责监测整个探测系统的环境状况， 主要包括电源电压，温度，湿度等8 路模拟输入。我们 采用8 路模拟开关AD7501 和A/D 转换器AD574A， 可以实现对8 路模拟输入的循环扫描。AD574 是12 位逐次比较型的A/D 转换，转换速度为15us - 25us,输 出带3 态缓存，具有单极性输入和双极性输入两种方 式。 因为8051 单片机为8 位处理器，当AD574 采用 12 位转换时，我们将BIT11- BIT4 与数据总线的D7- D0 相接，而BIT3- BIT0 采取向高位靠齐，接到D7- D4 上，分两次读取。如果采用向低位靠齐，接到D3- D0 上，数据采集出错，这是AD574 在设计电路时需要注 意的地方。采用单极性输入方式，AD574 的模拟输入 与多路模拟开关的输出相连。其与单片机接口电路如 8 路模拟输入采集电路框图所示(略可向作者索取). 对每一路模拟输入采集，完成多次采样再求平均 来保证数据的准确性，大概每路模拟输入需要400us 的采样和处理时间。AD574 本身不具有采样保持功 能，该系统中加入一个锁存器74LS573 来锁存通道地 址，对每一路模拟输入锁存时间达到400us，依次对8 路模拟输入循环采样。
2.2 能量信号采集
     IDT7026 为8K×16 位静态双口RAM，允许两个 （左，右）端口同时读写数据，两个端口具有独立的控 制信号线，地址线和数据线。用双口RAMIDT7026 作 数据传送和数据共享的接口芯片，能很好的完成信号 的数据采集和处理任务。 在系统设计中信号能量采集电路只向左端口写 入数据，而单片机只从右端口读取数据。双口RAM的 左端口与信号能量采集电路相连，由CPLD 来控制信 号的读取，16 位数据线相连。信号的采样速率是 100KHz,即采样时间为10us，信号采样精度是12 位， 一个采样值占用一个地址空间。双口RAM的右端口 与单片机相接，由于8051 是8 位数据线，所以对双口 RAM的每个地址空间，单片机要分两次来读取数据， 单片机对每个数据的执行时间大约为25us，因此信号 的写入时间小于数据的读取时间。 单片机负责的任务是把双口RAM中的数据经过 整理通过RS232 串口传给上位机。而信号能量采集电 路在获取所测目标信号数据后，经过初步判断是我们 所要检测的目标信号，此时才给下位机中断信号，通 知单片机从双口RAM中读取数据。经过上述分析 双口RAM的读取不会发生地址冲突，即不会出现同 时对同一地址左端口写入数据，右端口读出数据。所 以我们在下位机电路设计中把右端口busy=H。因此双 口RAM在单片机系统中硬件电路设计和软件设计都 很简单，但又能够方便可靠的传送数据。
2.3 看门狗电路
     在微机实时控制中，常常因为外界的干扰，引起 系统程序跑飞，为防止这类情况出现，我们外加硬件 看门狗电路，8051 单片机高电平复位， 因此采用 MAX813L。MAX813L 电路设计简单，把/MR 和WDO 经过二极管连接起来，而WDI 接单片机的P1.0 脚， RST 接单片机的复位输入脚RESET。看门狗电路监测 着单片机的状态，如果单片机因干扰等原因导致程序 跑飞或死机，在1.6s 内没有触发看门狗输入端口，也 就是没有发出“喂狗”信号，且WDI 端不是处三态状 态，那么WDO 将变为低电平，将WDI 拉低成有效低 电平，此时MAX813L 的RST 复位输出引脚输出大约 200 毫秒宽度的高电平脉冲，使单片机控制系统可靠 复位，重新投入正常运行。在系统对抗干扰情况要求 不高的情况下，这种电路可以满足要求。 2.4 绝对时钟RTC 电路 实时时钟电路实时响应速度快，具有高的计时精 度，具有时间设置，校准功能。本系统采用的时钟芯片 DP8570，其数据线以并行方式与CPU 连接，外接 32.768KHz 晶振，有32Byte 的片内RAM。DP8570 对 年，月，日，时，分，秒，1/100 秒，星期进行自动记录。内 设9 个寄存器，可以完成时钟各种设置。芯片内部具 有失电情况下的时钟保护电路和自动切换备份电源 供电的控制电路，使其能在系统失电或其它一些恶劣 环境下，保证实时时钟仍能正常工作。在本系统中实 时时钟有两个功能： （1）记录信号发生时刻，信号结束时刻，从而可计 算瞬态光信号持续时间。 （2）兼作AD574 定时扫描，设置每分钟8 路外部 模拟输入循环采集一次。