数字集成电路原理范文

关键词:金属检测;单片机;数据采集;A/D转换;抗干扰

中图分类号:TP368.1文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2010)04-183-04

ResearchonMetalDetectorSystemofSinglechipMicrocomputer

YINJianguo

(HefeiGeneralMachineInstitute,Hefei,230031,China)

Abstract:Simulationcircuitandnumericcircuitareoftenusedforconventionalmetaldetectorsystemtoprocesssimulatingandnumeralconverting,theinterferencesignalappearsinthefollowingprocessingcircuitwhengatheringdata,whichshowsthepoorfeatureforanti-interferenceofthissystem.However,A/Ddataacquisitionsystemthatcontrolledbysinglechipmicrocomputercaneliminatetheaffectioncausedbyinterferenceeffectively,decreasetimesthatmetaldetectormakealarming,andenhancethemetaldetectorsensitive.Thiscircuithasbeenutilizedwellinmetaldetectivedevices.Now,metaldetectorhasbeenthekeyimportantdeviceintheindustriessuchasairport,food,medicine,wood,tobacco,plastic,ragtradeandchemistryandsonon.

Keywords:metaldetection;singlechipmicrocomputer;dataacquisition;A/Dconversion;anti-interference

收稿日期:2009-09-24

0引言

金属检测器最早是由探雷器等军用设备发展而来,现代很多工业生产加工企业,如食品、医药、木材、烟草、橡胶、塑料、化工等,其加工的原材料中不允许混杂有金属杂物,否则会危及人体健康、降低产品质量,损坏机器设备。金属检测器就是用于检测各种非金属不导电材料中的金属杂物,从而保证生产加工产品的质量和保护机器设备及人身的安全。早期的军用探雷器是通过声音来判断地下是否有金属,这种方法必须要有非常专业的人员来做出判断,不是很直观;现在金属检测器是直接判断有或没有金属且灵敏度可调,这两者之间就有本质的区别。

1金属检测器系统概述

金属检测器是利用控制器内部的振荡器向传感器发送一定频率的交流电压,使传感器检测窗口内产生一个中频稳幅磁场。当移动金属通过传感器检测窗口时,稳幅磁场受到金属扰动,于是产生一个微弱的变化信号,经过控制器内部电路采集放大、A/D变换、CPU处理,判断是金属后,发出报警信号同时CPU通过驱动电路对输送机发出停止指令,达到检测金属杂物的目的。

采用单片机控制的A/D数据采集电路能有效的排除干扰信号带来的影响,减少了金属检测器误报警的次数,提高金属检测器的灵敏度。该套电路已在实际应用中得到了很好的证实。

金属检测器系统由下列部分组成,如图1所示。信号发射放大单元、信号接收单元、A/D数据采集、CPU信号处理单元、输出单元、驱动单元。

图1金属检测器系统的组成

信号发射是由石英晶体正弦波震荡电路发出一定频率的信号经过一系列的放大处理输送到传感器内部形成一个中频稳幅磁场。信号接收是通过传感器内部线圈接收到这个电磁场信号经过A/D数据采集转化成一个电压信号,送入CPU处理。当此电压信号有变化时,CPU立即启动判断程序,判断是否有金属通过,如是金属CPU将输出信号到驱动单元,让输送机停止输送或启动剔除装置进行剔除金属作业;如不是金属CPU将继续等待下一个电压信号变化。通过事先编制好的程序,区别金属信号和干扰信号的特点,就能有效区分是金属信号还是干扰信号。

2A/D数据采集

由CPU控制的A/D数据采集是该套检测系统中的核心,其作用就是将从接收单元接接收到的电磁场信号由模拟信号转换成适合于数字处理的二进制数。系统中CPU采用Atmel公司生产的AT89C52芯片实现A/D转换系统。AT89C52与MCS-51单片机完全兼容,采用静态时钟方式,可以降低耗电量。其内部有FLASH存储器,在系统开发时可以十分容易地进行程序修改。而且在系统工作中,突然掉电也能有效地保存一些数据信息[1]。

A/D数据采集采用美国MAXIM近年的新产品MAX197芯片。MAX197是一款新型A/D转换芯片,采用逐次逼近工作方式,有标准的微机接口;12位高精度的A/D转换;转换时间为6μs,100KB/s采样速率;三态数据I/O口用作8位数据总线,数据总线的时序与大多数通用的微处理器兼容;全部逻辑输入/输出与TTL/CMOS电平兼容;多路输入错误保护,过压容限可达±16.5V;八路模拟通道;可用软件选择内部或外部时钟;可选择两种低功耗工作方式,同时具有两种电压基准模式,本系统中采用外部电压基准模式,此模式需要+5V的供电电压和2.5V的基准电压[2]。

电源电路部分是通过线性稳压器MAX8875和电压基准芯片MAX6192来实现的。关于这两款芯片的特点限于篇幅在这里就不一一做介绍,下面将介绍金属检测系统中A/D数据采集的硬件和软件设计。

2.1硬件电路设计

硬件电路设计分成三个模块:单片机模块部分的电路原理图、电源模块部分的电路原理图及A/D模块部分的电路原理图。单片机模块部分电路原理图如图2所示[3]。

由图2可以看出,单片机的P0.0~P0.7口与MAX197的D0~D7相连,单片机的P1.0脚和A/D芯片MAX197的中断输出脚INT相连。连接的目的是单片机通过查询此因脚的高低电平检测是否完成一次A/D转换;P1.1脚和MAX197的HBEN引脚相连,单片机通过设置此引脚可以读取12位数据的高低位;P2.0脚的作用是通过反相器74LS04向MAX197提供片选信号ADCS;START非为外部控制脚,它通过触发单片机的外部中断0启动A/D转换[4]。

电源模块部分的电路原理图如图3所示[5]。

图2单片机模块部分的电路原理图

图3电源模块部分的电路原理图[7]

A/D模块部分的电路原理图如图4所示。

图4A/D模块部分的电路原理图

选择MAX197为软件设置低功耗工作方式,所以置SHDN脚为高电平。该系统采用内部基准电压,所以REF,REFDJ均通过电容接地。单片机的P2.1脚用作判断高、低位数据的选择线,直接与HBEN脚相连。因而读低8位时,MAX197的地址为OFCFFH,读高4位数据时,MAX197的地址为OFDFFH。MAX197的INT脚与用户接口中的XINT相连,作为转换识别信号,当数据转换完毕时,MAX197的INT脚产生中断信号,从而使处理器进入INT0中断处理程序进行一路转换数据的读入操作[6]。

2.2软件设计

在金属检测环节中,必须不停地采集数据送入CPU中处理,以判断是否有金属通过传感器。在整个检测过程中A/D转换程序是最关键的一步。以下介绍MAX197芯片的A/D转换程序。

MAX197A/D转换芯片的突出特点在于它的很多硬件功能都是利用内部控制字来实现的,如通道选择、模拟信号量程、极性等。它的输出数据方式有两种:一种是采用无符号二进制(单极性输入方式);另一种是二进制补码形式(双极性输入方式)。

在正确进行采集转换并读取数据之前,要正确设置控制字以及MAX197的各种控制信号。当CS和RD都有效时,HBEN为低电平,低8位数据被读出;HBEN为高电平,复用的高4位被读出,另外4位保持低电平(在单极性方式下),或另外4位为符号位(在双极性方式下)。该系统中,进行数据采集转换前需要对MAX197进行初始化,以便确定其采集转换的通道、量程和极性等各种参数。

2.2.1MAX197控制字

MAX197控制字的PD1,PD0有两种,分别为时钟和低功耗模式。ACQMOD0为内部控制采集,ACQMOD1为外部控制采集;RNG选择输入端的满量程电压范围;BIP选择单极性、双极性转换模式;A2,A1,A0这三位是用于选择多路输入通道的地址。采用内部采集控制模式时,在WR的上升沿T/H进入跟踪模式,当内部定时采集过程结束时进入保持模式。

对于下降速率小于1.5s的低阻输入源,在最大转换速率时能保证转换精度。在外部采集控制模式下,在第一个WR上升沿T/H进入跟踪模式;当检测到第二个WR的上升沿用D5=0时,进入保持模式。其输入量程及保护方式为:在VEF=4.96V时,MAX197通过软件设置控制字的D3,D4位,可选择输入量程为±10V,±5V,0~10V,0~5V。MAX197控制字内容如表1所示[7]。

表1MAX197控制字内容

D7(MSB)D6D5D4D3D2D1D0

PD1PD0ACQMODRNGBIPA2A1A0

2.2.2A/D转换的控制与读取程序流程

为了提高程序编写效率,该系统采用目前广泛使用的MCS-51单片机高级语言C51作为软件开发工具[8]。

A/D转换的控制与读取程序流程如图5所示[9]。

图5A/D转换程序流程图

2.2.3A/D数据采集主程序说明

A/D数据采集主程序代码及其说明如下:

#include

#include

#defineucharunsignedchar;//MAX197片外地址定义

ucharCH0DataL,CH0DataH;

#defineadch0XBYTE[0x0100]

sbitADINT=P1^0;//MAX197片外地址定义

sbitHBEN=P1^1;//MAX197数据总线复用控制

#endif

main()

{

EA=1;

EX0=1;//打开外部中断0

While(1);//无限循环,等待外部中断0启动模/数转换

}

voidint0svr(void)interruptusing1;//外部中断0服务子程序;

{

EX0=0;//关闭外部中断0

Adch0=0x40;//向MAX197的控制字寄存器写入控制字0x40;

//PD1=0,PD0=1:正常工作,内部时钟模式;

//ACQMOD=0:内部控制采集;

//RNG=0,BIP=0:0~5V测量范围;

//A2=A1=A0=0:测量通道为0号

While(ADINT!=0);//查询MAX197的中断输出ADINT,检测是否完成了

//信号的一次模/数转换

{

HBEN=0;//当转换完成时,先设置HBEN=0,即先读低位

}

CH0Datal=adch0;

HBEN=1;//设置HBEN=1,再读高位

CH0DataH=adch0;

HBEN=0;

EX0=1;//打开外部中断0

}

3系统抗干扰措施

在A/D数据采集过程中,由于传感器安装现场电磁环境复杂,机电设备安装紧凑,电磁干扰强烈,这就要求在系统软件和硬件上都要采取一些抗干扰的措施。首先在硬件上做PCB设计时采用六层板设计技术,分别为布线和元件层、模拟地和±12V电源层、数字地以及ECL的VCC信号层、模拟+5V和数字+5V和+3.3V层、模拟-5V和数字-5V和+2.5V层、布线和元件层,并且使用了大面积的电源和地层可以使各信号与地或电源平面之间形成一个紧耦合以达到减少信号线之间的共模干扰[10]。模拟信号与数字信号相互隔离,并单独供电。这些措施的采用,有效地抑制了信号间的共模干扰。其次在软件上编写数据处理程序时增加了一段判断采集数据是否属于干扰信号的子程序。因为干扰信号与金属信号在信号特点上会有差别,所以在事先编写程序时把干扰信号与金属信号的特征量进行比较。该程序很复杂,限于篇幅在这里不做一一介绍。

4结语

A/D数据采集在金属检测器系统中的应用已经很成熟,目前金属检测器已经是机场、食品、医药、木材、烟草、塑料、服装、化工等行业中一种不可或缺的重要设备。随着单片机控制技术的发展,各种设备智能化发展是一种趋势。这里就金属检测器的A/D数据采集与单片机的接口做了简单介绍,具有一定的参考价值,经过实践证实其实用可靠。当然还有很多的相关技术都有待进一步的研究和开发,特别是对抗干扰特性的认识,会促进金属检测这一技术的完善和发展。

参考文献

[1]AtmelMicrocontrollerhandbook[Z].2007.

[2]兰吉昌.单片机C51完全学习手册[M].北京:化学工业出版社,2008.

[3]张毅刚.新编MCS-51单片机应用设计[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2003.

[4]戴佳,戴卫恒.C51单片机C语言应用程序设计实例精讲[M].北京:电子工业出版社,2006.

[5]边春元.C51单片机典型模块设计与应用[M].北京:机械工业出版社,2008.[6]刘文涛.单片机语言C51典型应用设计[M].北京:人民邮电出版社,2005.

[7]郭天祥.新概念51单片机C语言教程:入门、提高、开发拓展全攻略[M].北京:电子工业出版社,2009.

[8]马忠梅.单片机的C语言应用程序设计[M].北京:北京航空航天大学出版社,1999.

数字集成电路原理范文篇2

【关键词】电子线路设计与应用课程项目教学教学设计

【中图分类号】G【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889（2012）09C-0045-02

电子线路设计与应用是自动化类专业必修的行业通用能力模块，是自动化类专业的基础核心课程，参照高、中级维修电工的国家职业技能标准（电子部分），以工作任务为引领、职业技能为导向构建以工程项目模块的课程体系，以项目为中心，培养学生的综合技能。本文以“简单数字抢答器的设计与制作”为例，探讨高职电子线路设计与应用课程项目驱动式教学设计。

一、教学能力目标及学习模式设计

（一）教学能力目标设计

1专业能力目标。具体如下：（1）能借助常用仪器仪表判断集成芯片的好坏；（2）能对电子线路性能进行测试与分析，熟练使用常见的电子仪器仪表；（3）能根据电路图对电路进行安装、调试、维修；（4）能按照最优化设计理念对电路功能进行改进与改造；（5）会对电子产品加工进行组织安排、管理等。

2方法能力目标。具体如下：（1）会识别和测试常用TIL、CMOS集成电路产品；（2）能进行相应资料信息的查询、收集与整理；（3）能应用AutoCAD完成简单数字抢答器的原理图、接线图设计，用面包板完成项目实际制作；（4）能分析和排除项目中的简单故障等。

3社会能力目标。具体如下：（1）能够做到安全生产、规范操作，节约用电；（2）具有良好的职业素养与职业道德；（3）具有质量、效益、成本意识；（4）能够正确表达和展示工作成果，有良好的沟通能力等。

（二）学习模式设计

电子线路设计与应用课程的教学对象是电气自动化类专业一年级学生，学生的主要情况为：具有一定的电工操作技能，获得了维修电工初级上岗证，但是自学能力不足；具有一定的认知能力与学习主动性，但专业知识综合应用能力不足；学生之间的水平参差不齐，软件应用能力不足。根据以上学生情况分析，本项目以2人为一组，实行“先进带后进”的学习模式，让学习先进的学生与学习后进的学生组成一组，相互学习，共同进步，激发学生学习的积极性。

二、教学过程设计与实施

（一）确认项目任务

“简单数字抢答器”项目是电子线路设计与应用课程的第一个项目，应激发学生的学习兴趣，为该门课程的学习打下良好基础。该项目既包含理论知识，又有一定的实践操作可行性，能起到承上启下的作用，使学生转换思维，运用新的知识、技能解决实际问题。可将“简单数字抢答器”项目分为五个子任务：逻辑代数的认知；逻辑门电路正确使用；不同类型集成门电路的接口；常用集成门电路的逻辑功能识别与检测；会使用常用集成门芯片、按钮、指示灯以及合适的连接线制作简单数字抢答器电路，能应用AutoCAD画出电路的原理图、接线图，能安装、调试、维修电路等。

（二）制定项目教学计划

要制定合理的教学计划，需要根据不同专业和学生的实际情况而定。对于电气自动化技术类专业的学生来说，他们已经完成应用数学、电路、模拟电子技术、Au-toCAD绘图及应用等课程的学习，能够正确使用工具、仪表，会进行电路的布线与操作，具备一定的分析问题、解决问题的能力。“简单数字抢答器”项目教学计划大致可分为：各项目小组制订项目计划，所有小组共同论证项目计划的可行性以及需要改进的地方；对设计的“简单数字抢答器”原理图进行分析，明确元器件连接和电路连线；应用AutoCAD画出布线图；制作电路的元器件清单以及调查所需元器件的市场价格，购买所需元器件，并完成元器件的检测工作；根据布线图制作“简单数字抢答器”电路；完成“简单数字抢答器”电路整体功能检测和简单故障排除；完成项目报告及心得体会。

（三）项目教学实施

项目教学实施本着“人人参与、人人实践”的原则，是一个理论与实践紧密结合的过程，它既注重项目设计与制作的过程，又注重项目完成的成果，鼓励学生发挥聪明才智，设计出功能更加完善的项目电路图，注重创新思维的培养，同时锻炼学生的动手能力，充分调动学生的主观能动性，使学生乐于学习、乐于探索。“简单数字抢答器”项目教学的实施方案如下：

测试常用集成门芯片的逻辑功能，如测试芯片74LS08，74LS32，74LS04（CD40106）、4LS00（CD4011）的逻辑功能；通过亲自布线，掌握常用集成门芯片对信号的控制作用；了解常用74系列门电路的管脚排列；正确使用面包板，正确安装元器件与集成芯片，布线合理，符合工艺要求，具有成本意识与安全意识；画出简单数字抢答器的电路原理图以及布线线图；实际安装制作简单数字抢答器电路；检测、调试、维修简单数字抢答器电路；验收简单数字抢答器电路，并完成项目报告。

三、学习评价设计

项目考核均采用“三位一体”评价模式，即学生自我评价、班组评价、教师（师傅）评价。理论与实践一体化的综合评价模式中，学生不仅会自行设计与制作简单数字抢答器电路，而且能提出该电路的设计与制作缺陷，能对该电路进行一定的电路改造，能自由表达自己的观点，重点培养学生的表达能力与自信心。

（一）期末总评设计

期末总评采用“235”考核方式，即平时成绩20％+期末理论综合考核30％+项目能力考核50％。

（二）项目能力考核评价设计

项目能力考核评价设计详见表1。

（三）期末理论综合考核设计

数字集成电路原理范文

关键词：数字电路；高职；新课程；改革

一、对课程改革的迫切需要

在高职教学课程中，对数字电路课程进行改革的呼声比较大，其主要原因是该课程与实际联系紧密，科学技术的发展导致如果不进行课程改革就会导致教学与实际脱轨。主要表现在以下几个方面：

1.数字电路和其他学科的交叉程度越来越深，在一些知识的教学上需要结合其他课程进行说明，而传统的课程里对这方面的介绍比较少，只是在单纯地强调数字电路，不利于学生的理解。

2.由于集成技术的飞速发展，研究的对象发生了很大的变化，许多书本上数字逻辑部件的设计和工艺已经进行了改进，数字电路的研究对象也着眼于数字系统的优化和大规模集成化设计，或者是对复杂系统的可靠性和可测试设计。

3.各种高质量的数字电路辅助设计工具不断涌现，如逻辑模拟、电路设计CAD、开发系统等，使得数字电路的设计过程发生了很大的变化，一些原本复杂的环节变得简单，但是对知识的综合理解和运用方面提出了更高的要求。EDA逻辑模拟、自动测试等新技术还没有进入各高校的数字电路课程，一些学校所用的教材主要内容还停留在中小规模集成电路的原理和应用。

二、加强实践性环节，提高学生的动手能力

数字电路是实践性很强的课程，重点介绍的是各类器件的基本理论和功能块的应用，从而锻炼学生的应用能力和创新精神。因此，太多的理论会导致学生厌烦，缺乏学习的动力，也锻炼不出学生的能力。所以应重点加强实践性环节的教育。目前虽然我国各高职院校在数字电路实验的安排上不大相同，但实验课时的偏少确是现实存在的问题。对此，提出如下意见：

1.合理安排授课课时，增加实验的授课次数，严格控制实验质量，加大对实验效果的考核力度。针对不同的课程阶段，提高重点知识的试验比例，最终达到理论为辅，实验为主的模式；

2.转变理念，将实验课的比重在教学组织、成绩评定等方面加大，逐步确定数字电路课程要以实验为主导；

3.积极设立和数字系统有密切联系的实验课程，进一步提高学生对知识的融会贯通，培养学生的探索精神。

三、数字电路课程改革的具体构想

1.对课程原有基础内容进行整合，将符合社会信息发展需要的内容编写教材。如，目前大规模集成电路都采用MOS和CMOS工艺制造，因此，在授课中就要对这些方面的知识增加课时，详细地对CMOS电路的应用和分析进行讲解，对将要淘汰的集成电路适当缩减学时。

2.增强学生的动手实践能力，让学生逐步掌握当今广泛应用的由上而下和由下而上的设计方法，在实践中领悟科学的数字系统设计原则与设计思路。

3.提升学生系统概念学习的意识。数字电路课程不是孤立的学科，在一些知识点上适当引用其他学科的知识，拓宽学生的知识面，例如可以加设《数字系统设计》等课程。

4.积极引进新技术的教学理念。诸如故障检测、可测试设计、边界扫描技术等，由于各种数字电路的相关技术更新很快，教师在授课中就要有所体现，引导学生了解最新的行业形势，有助于学生的就业。

5.当前，我国高职教育在实践教学方面与发达国家还存在很大的差距，特别是学生独立思考能力和实际动手能力有着明显不足，主要原因是目前的课程安排在试验内容方面的设计过于陈旧，采用的实验方法限制了学生的自主发挥。

6.学生接触和了解新产品、新技术的机会不多，这在一定程度上会抑制学生创造性的培养。为了保证试验改革的顺利进行和实施，在现有基础电子试验室基础上，建立现代化EDA试验室，引入一批数字化、可编程、设计性、系统型的试验，并对原有的试验教学计划进行了相应的调整，使试验教学由以往的辅助角色逐步转向独立的课程设置。

数字电路课程强调的是对学生职业能力的培养，因此教学中强化实际案例教学法和基于工作的具体试验教学法是十分重要的。教师在课程中一定要重视实践，努力探索职业教育的特色教学模式，注重为学生提供自主发展的空间，积极引导学生的动手能力和创新精神，为国家培养高素质的人才。

参考文献：

[1]庞前娟，唐晓辉，杨双.对数字电路课程教学方式改革的探讨[J].桂林航天工业高等专科学校学报，2004.