一種閃光信號盒的智能測試

中航工業(yè)洪都航空集團(tuán)制造工程部特設(shè)實(shí)驗(yàn)室 關(guān)華云

江西航天海虹測控技術(shù)有限責(zé)任公司 何 平

【摘要】本文闡述了單片機(jī)的工作原理，以及如何用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對一種閃光信號盒的測試，解決了閃光信號盒的測試方法問題，同時(shí)也揭示了一種更加現(xiàn)代的測試方法：用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的對產(chǎn)品的智能測試。

【關(guān)鍵詞】單片機(jī)AT89C51；低頻濾波；光電隔離

一、引言

單片微型計(jì)算機(jī)作為微計(jì)算機(jī)家族中的一員，問世以來，以其體積小、重量輕、抗干擾能力強(qiáng)、對環(huán)境要求不高、價(jià)格低廉、可靠性高、靈活性好、開發(fā)也較為容易，越來越受到人們的重視和關(guān)注。AT89C51單片機(jī)是最常用的單片機(jī)之一，它采用靜態(tài)CMOS工藝制造，采用PDIP/DIP、PQFP/TQEP和PLCC/LCC等封裝，最高工作頻率為24MHz，片內(nèi)采用FLASH存儲器，又稱FLASH單片機(jī)；錯(cuò)誤編程后仍可重新編程使用，直到正確為止，不存在報(bào)廢。FLASH存儲器的空間為4KB或8KB，可進(jìn)行1000次擦寫操作，片內(nèi)含128～256字節(jié)的RAM。即使是非計(jì)算機(jī)專業(yè)人員，通過學(xué)習(xí)一些專業(yè)基礎(chǔ)知識以后，也能依靠自己的技術(shù)力量，來開發(fā)所希望的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。一種閃光控制盒需要檢測輸出信號的一分鐘內(nèi)的通斷次數(shù)以及通斷時(shí)間的比值，用通用的數(shù)字電路無法實(shí)現(xiàn)通斷時(shí)間比值的直接顯示。故采用單片機(jī)作為該測試系統(tǒng)的核心器件，實(shí)現(xiàn)對電氣產(chǎn)品性能的測試，其測試步驟簡單，操作直觀、數(shù)字化、智能化，能準(zhǔn)確、穩(wěn)定、快捷地進(jìn)行測試。本文通過著重討論該測量系統(tǒng)的軟、硬件的實(shí)現(xiàn)。但由于本人水平有限，其中觀點(diǎn)難免膚淺，敬請各位老師、專家指正。

二、概述

一種閃光信號燈的控制盒，在裝配前需要進(jìn)行檢測，由于需要檢測輸出信號的一分鐘內(nèi)的通斷次數(shù)以及通斷時(shí)間的比值，用通用的數(shù)字電路無法實(shí)現(xiàn)通斷時(shí)間比值的直接顯示。故采用單片機(jī)作為該測試系統(tǒng)的核心器件，實(shí)現(xiàn)對電氣產(chǎn)品性能的測試。測試儀的原理簡述如下：接通電源后，產(chǎn)品開始工作，按下測試開關(guān)，兩個(gè)8253計(jì)時(shí)/計(jì)數(shù)器同時(shí)開始工作。一分鐘后，經(jīng)光耦隔離后送到單片機(jī)相應(yīng)的引腳，單片機(jī)將定時(shí)/計(jì)數(shù)器數(shù)值，存入RAM單片機(jī)將相應(yīng)數(shù)值進(jìn)行轉(zhuǎn)換和計(jì)算，最后由液晶屏顯示。測試儀原理方框圖如圖1所示。

圖1 測試儀原理方框圖

圖2 電路圖

三、硬件電路的實(shí)現(xiàn)

1.硬件的整形濾波

由于所測量的信號有很多低頻的干擾信號，故需要將測量信號進(jìn)行整形濾波，使用常用的555電路進(jìn)行整形濾波處理，電路圖如圖2所示。

將555集成塊接成施密特觸發(fā)器，當(dāng)2腳上的輸入信號頻率高于2.2RC時(shí)，C10上的所充的電荷會通過Q1所卸放掉，當(dāng)2腳上的輸入信號頻率低于2.2RC時(shí)，C10上的所充的電荷不會通過Q1（Q1不工作）所卸放掉，故在3腳上就會產(chǎn)生一個(gè)與2腳相對應(yīng)的翻轉(zhuǎn)信號。我們只要調(diào)整P1到合適的值，就能將低頻干擾信號給濾除掉，從而給單片機(jī)一個(gè)比較理想的被測信號。

2.時(shí)間和頻率的測量

1）標(biāo)準(zhǔn)頻率產(chǎn)生電路

圖3 電路圖

圖4 電路圖

如圖3所示，這是一個(gè)利用晶振的高品質(zhì)因數(shù)和極好的選頻特性組成的晶體非對稱式多諧振蕩器及CD4518分頻電路。我們知道只要將兩個(gè)工作在轉(zhuǎn)折區(qū)的與非門經(jīng)耦合電容相連組成正反饋環(huán)路，就能產(chǎn)生自激振蕩。在輸入輸出端接入反饋電阻R15來給門電路設(shè)置適當(dāng)?shù)妮斎肫秒妷?，使門電路在靜態(tài)時(shí)能工作在電壓傳輸特性的轉(zhuǎn)折區(qū)或線性區(qū)。而門U10A的輸出電壓作為門U10B的靜態(tài)偏置電壓，就使門U10B也工作在轉(zhuǎn)折區(qū)，這樣構(gòu)成的電路沒有穩(wěn)定狀態(tài)，只能在兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)之間往復(fù)振蕩。其振蕩頻率與外接R、C無關(guān)，而取決于晶振本身的固有頻率。門U10C和門U10D以及電阻R6、R8則組成一施密特觸發(fā)器，將門U10B輸出的信號進(jìn)行整形，使它具有很好的前后沿。CD4518是雙2-10進(jìn)制同步加法計(jì)數(shù)器。在這里實(shí)現(xiàn)的功能是對CLK端信號進(jìn)行分頻，CD4518的3腳輸出二分頻信號，4腳輸出四分頻信號，5腳輸出八分頻信號，6腳輸出十分頻信號；即每個(gè)CD4518內(nèi)的一個(gè)單元能將CLK端的信號進(jìn)行十分頻。100KHZ的頻率信號經(jīng)過一個(gè)CD4518的兩個(gè)單元，便可得到所需的1000HZ頻率信號。

2）計(jì)時(shí)/計(jì)數(shù)電路

由于需要測量一分鐘閃爍的次數(shù)和時(shí)間，故運(yùn)用了二只8253三合一的減數(shù)計(jì)數(shù)器，電路圖如圖4所示：

U6的計(jì)數(shù)器0為一分鐘定時(shí)器，計(jì)數(shù)器1為接通次數(shù)計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器2為斷開次數(shù)計(jì)數(shù)器，U7的計(jì)數(shù)器0為接通時(shí)間計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器2為斷開時(shí)間計(jì)數(shù)器。為了調(diào)試和編程的方便，我們使二只8253都工作在方式0（計(jì)數(shù)結(jié)束中斷方式）該工作方式為OUT計(jì)數(shù)過程中輸出低電平，當(dāng)計(jì)數(shù)器減為0時(shí)，OUT腳輸出高電平，GATE為低時(shí)，中止計(jì)數(shù)，GATE為高時(shí)，允許計(jì)數(shù)。將1KHz的標(biāo)準(zhǔn)頻率置于U8的CLK0腳上，初值設(shè)為60000，GATE腳上與啟動按鈕相連，當(dāng)按下啟動按鈕后，一分鐘后，OUT0腳輸出一個(gè)高電平，通過反相器后輸?shù)紸T89C51的0中斷腳上，這時(shí)AT89C51進(jìn)行中斷響應(yīng)，將8253中的時(shí)間和頻率值讀入AT89C51中進(jìn)行處理。

3.光電隔離電路

單片機(jī)系統(tǒng)中，一旦出現(xiàn)干擾，就會影響指令的正常運(yùn)行，出現(xiàn)控制失靈，所以采用光電耦合器將單片機(jī)與前向后向的電路隔開，防止干擾從過程通道進(jìn)入單片機(jī)。

圖5 電路圖

圖6 電路圖

光電耦合能有效的抑制尖峰脈沖以及各種噪聲干擾，其器件的輸入端配置發(fā)光二極管作發(fā)光源，輸出端配置光敏三極管作受光器，工作時(shí)以光作為媒介來傳遞信息，因而輸入和輸出在電氣上是完全隔離的。它的輸入阻抗小，而干擾源的內(nèi)阻則很大，所以分到光電耦合器輸入端的電壓很小，另外由于干擾噪聲的能量小，只能形成微弱電流，而光電耦合器件輸入端的發(fā)光二級管是在電流狀態(tài)下工作的，干擾噪聲即使有很高的電壓幅值，（下轉(zhuǎn)第101頁）（上接第99頁）因?yàn)闆]有足夠的電流發(fā)光二極管不能發(fā)光，干擾就被抑制掉了。此外它還具有以下特點(diǎn)：體積小，重量輕，使用方便，性能穩(wěn)定；不受磁場影響，不需磁屏蔽，抗干擾能力強(qiáng)；無觸點(diǎn)，壽命長，響應(yīng)速度快，可以傳輸高達(dá)幾MHz的脈沖信號；隔離電壓等級高，輸入和輸出兩端之間絕緣電壓可達(dá)萬伏以上。

4.后端顯示電路的實(shí)現(xiàn)

采用LCD液晶顯示器作為顯示部件，電路圖如圖6所示。

用377鎖存器和液晶顯示器相連，數(shù)據(jù)通過377鎖存后輸給液晶顯示器，根據(jù)液晶顯示器指令要求單片機(jī)很容易模仿出液晶顯示器所需的時(shí)序信號。

四、軟件電路的實(shí)現(xiàn)

1.編程說明

根據(jù)飛機(jī)航行閃光燈信號盒的測試條件及測試儀電路的設(shè)計(jì)，該測試儀的程序分四大模塊：主程序、中斷程序、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、參數(shù)顯示模塊。

圖7 主程序流程圖

1）主程序

當(dāng)使用者將產(chǎn)品接好，設(shè)備電源及產(chǎn)品選擇按鈕均符合測試要求，CPU在檢測到啟動標(biāo)志置位后（中斷處理），方可繼續(xù)執(zhí)行主程序。首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化：對需用的片內(nèi)RAM和片外RAM的分區(qū)設(shè)置；信號接收端口芯片INTEL 8253對應(yīng)通道的控制寄存器和計(jì)數(shù)初值寄存器的設(shè)置；輸出端口部件LCD初始化（即清顯示、光標(biāo)復(fù)位、置輸入模式等）；系統(tǒng)開中斷。程序執(zhí)行至此，CPU送出“READY”字樣，以供LCD顯示。之后，CPU進(jìn)入中斷等待（即CPU檢測P3、3口線的低電平信號的產(chǎn)生）。在測試產(chǎn)品工作了一分鐘后，外中斷源0發(fā)出中斷請求。CPU給予響應(yīng)，執(zhí)行中斷服務(wù)子程序。中斷返回，CPU則完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，最后將測試結(jié)果通過LCD顯示。程序流程圖如圖7所示。

2）中斷程序

中斷程序部份是指CPU在關(guān)閉全局中斷后，完成將端口信息存入片外RAM的數(shù)據(jù)處理程序。實(shí)際要解決如何把INTER 8253中的十六位計(jì)數(shù)值讀出，并存入HM6264的指定單元。但由于8253中的計(jì)數(shù)器為減1計(jì)數(shù)器，且讀出的值并非是計(jì)數(shù)值，需轉(zhuǎn)換后才能使用。程序流程圖如圖7所示。

3）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

CPU把在中斷程序中寫入RAM的數(shù)值做相應(yīng)的計(jì)算。其間有加減乘除運(yùn)算、取絕對值、數(shù)值形式轉(zhuǎn)換等。由于微型計(jì)算機(jī)與顯示終端LCD之間的通信，采用的數(shù)據(jù)編碼形式為ASCII碼，故需將此模塊計(jì)算好的值強(qiáng)制轉(zhuǎn)換成ASCII碼值，并存儲起來。

4）參數(shù)顯示

該部份程序的編寫需熟習(xí)字符型LCD顯示器的指令系統(tǒng)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)包括：顯示數(shù)據(jù)RAM-DDRAM、字符發(fā)生器ROM及RAM、指令寄存器、數(shù)據(jù)寄存器等。在此，程序的編寫是先讓CPU發(fā)清除‘READY’顯示狀態(tài)的命令，再進(jìn)行測量所得參數(shù)顯示的功能設(shè)置，最后完成DDRAM的寫入。在把對應(yīng)參數(shù)的ASCII編碼送入DDRAM時(shí)，考慮到LCD顯示器的D0～D7引腳是8位雙向三態(tài)I/O口線，故需在送待顯示字符代碼的指令前，要以控制命令方式把DDRAM的地址送出，實(shí)際上是確定待顯示的字符顯示位置。程序流程圖如圖7所示。

五、結(jié)束語

本文較為系統(tǒng)地介紹了用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對閃光信號盒的智能測試，該測試系統(tǒng)，采用自動工作方式，顯示直觀、操作簡便，能很好地抑制電氣產(chǎn)品的電磁干擾問題，為我以后的學(xué)習(xí)和工作提供了經(jīng)驗(yàn)和思路。

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作者簡介：

關(guān)華云（1978—），女，遼寧錦州人，學(xué)士，現(xiàn)供職于中航工業(yè)洪都航空集團(tuán)制造工程部特設(shè)試驗(yàn)室，研究方向：航空電氣。

何平（1978—），男，陜西西安人，學(xué)士，現(xiàn)供職于江西航天海虹測控技術(shù)有限責(zé)任公司，研究方向：航空電子儀器。