微控制器是什么【基于Ａｔｍｍｅｌ微控制器的小型数据测量系统的实现】

　　引言 　　 　　随着无铅焊料应用的普及，无铅焊料焊点的可靠性问题显得尤为重要。美国AT&T的H Anthony Chan认为电子产品的失效主要源于元件问题、设计不良和组装过程。电子器件服役时，在环境温度变化(或功率循环)时由于芯片与基板、元器件与印制电路板材料热膨胀系数的差异，在焊点内产生热应力而造成焊点的疲劳损伤；相对于服役的环境温度，焊料自身熔点较低，随着时间的延续，产生明显的黏性行为而导致焊点的蠕变损伤。
　　本项目中所开发的测量系统主要是针对手机领域的应用。手机生产商要保证手机的质量，因此对手机中的焊点可靠性提出了更高要求。焊点材料的设计要考虑到使用过程中机械和化学因素的影响。如果材料硬度过大，焊点就容易从电路板上脱落。如果材料硬度不够，就容易断掉。因此，要设计一个数据采集系统，对手机受加速度温度和湿度的影响进行测试，从而可以对焊点材料的设计提供依据。
　　
　　
　　基于ATMEL芯片的数据采集系统工作原理
　　
　　系统由数据采集模块、数据存储模块和数据分析模块三部分组成。数据采集模块由加速度传感器、湿度和温度传感器、ADC、调压电路模块及辅助电路组成，数据存储模块由Multi Mediacard完成，数据分析模块在LabView中实现。
　　整个系统的工作原理：湿度、温度传感器采集湿度及温度信息，输出为数字信号。XY方向采用相同的加速度传感器，Z方向加速度则采用另外一种传感器进行测量，输出的加速度信号均为模拟信号。调压电路将系统所供的3.6V电压调整为5V，以满足加速度传感器要求。ADC对模拟加速度信号进行模数转换，从而得到数字加速度信号。所采集到的数字加速度，湿度以及温度信号由微控制器控制，经由SSPI存储到MMC card。在PC上，通过读卡器读取MMC卡中存储的数据信息并使用LabView软件进行分析和显示。
　　
　　
　　湿度和温度传感器
　　SHT系列传感器包括一个湿度传感器、一个温度传感器，一个on-chip AD转换单元以及数字逻辑单元。On-chipAD转换单元将测到的湿度信号转换成14位的数字输出，将温度信号转换成12位的数字输出。数字逻辑单元执行on-chip标定，以及用来同微控制器进行两线接口通信。此传感器的缺点在于，它的两线接口同其他两线接口不兼容。因此要实现同微控制器的接口通信，需要进行额外的软件或者硬件设计。本设计通过软件编程来实现同微控制器的接口通信，虽然速度比硬件慢一些，但是因为温度以及湿度的测量速度不是那么重要，所以本文选择采用软件编程以实现接口通信。
　　
　　加速度传感器
　　X、Y轴传感器芯片都采用了ADXL193，z轴传感器芯片采用MMA1200D。三个方向的传感器具有相同的动态范围±250g，并且具有相同的灵敏度8mV/g和响应带宽400Hz。不同之处在于MMA 1200D拥有一个4阶Bessel滤波器，而ADXLl93只具有2阶Bessel滤波器。它们的输入电压为5V，输出信号为模拟信号。由于输出数据为模拟信号，需要经过ADC单元将其转换成数字信号。
　　
　　硬件电路
　　
　　本系统采用的微控制器是Atmel公司的Atmega128L，此MCU(Micro Controller Unit)具有较高的性价比，是高性能、低功耗的8位高速处理器。它的工作电压为2.7～5.5V。ATmega128具有如下特点：两个可编程的串行USART、可工作于主机／从机模式的SPI串行接口以及六种可以通过软件选择的省电模式。LED可由MCU控制以显示系统运行状态。
　　
　　ADC
　　虽然Atmega128L本身具有ADC模块，但是传感器的输出信号电压范围是0～5V，而在本文中Atmega128LADC模块的输入信号电压范围仅为0～3.6V，不能满足需要，所以要使用外部ADC。本文采用TLC3544进行模数转换，它比Atmega128的内部ADC具有更高的转换精度和速度。一般来说，ADC转换周期包括以下三个步骤：
　　命令阶段(4个串行时钟周期)，选择读通道，并写入配置的寄存器。
　　采样阶段(12个串行时钟周期)，一个采样信号被送入转换器。
　　转换阶段，将采样信号转换成数字编码。
　　命令阶段结束之后，采样阶段自动开始。采样阶段结束之后，转换自动开始。当收到新的命令，按此顺序再次进行。在前两个阶段总计16个串行时钟周期里，前一个A/D转换周期的转换结果被送给微控制器。
　　我们所采用的Texas InstrumentsTLC3544 ADC的最大采样率可以用下面方式计算出。根据datasheet，转换阶段大约需要2.8μs。命令及采样阶段持续16个串行时钟周期，对于Atmega128L，最小的串行时钟周期为半个CPU时钟，也就是4MHz。所以命令及采样阶段总共耗时4μs，加上转换阶段所需时间，一个AD周期大约需要7μs，理论上能到达的最大采样率为142kS/s。
　　实际达到的采样率可用如下方法测量。使用微控制器的内部硬件计数器，每一个CPU时钟周期都会自动计数。硬件计数器与CPU的ALU单元并行运行，因此计数并不影响程序的运行。三个转换周期(X，Y，Z)总共持续了223个时钟周期。CPU的时钟频率为8MHz，所以三个转换周期持续的时间为223/8=28μs，也就得到了其采样率为3/(28×10-6)=107kS/s
　　
　　电源管理
　　手机电池提供的电压为3.6V，因此在挑选系统组件时，尽量选择组件所需供电电压范围在3.3～3.6V。但是，本文所选的加速度传感器不能达到电压要求，其需要5V供电电压。因此，需要一个调压电路，将电压从3.3～3.6V调制5V。此外，由于是手机电池供电，测量系统的功耗也要尽可能小。
　　本文使用了CAT3200-5以实现DC/DC转换，其输出电压为固定值5V。整个系统的电压配置图如图3所示。
　　
　　
　　数据存储
　　由于微控制器的内存有限，Flash为128KB，EPROM为4KB，这个存储容量远远不能满足本系统的数据存储需求。MMC(MultiMediaCard)提供了经济并且相对简单的方式来扩展Flash存储容量。MMC的另外一个优势在于，能够通过将其从测量系统中取出来，通过读卡器将数据传送到PC上。
　　MMC能够在MMC以及SPI两种模式下操作，本系统在SPI模式下使用MMC，因为微控制器具有SPI接口硬 件，便于数据传输。MMC能够在3.6V电压下工作。精简卡(RS-card)的大小比较理想，其体积只有16 mm×24mm×1.4mm。
　　在SPI模式下，只使用1-7脚。MMC内部的闪存是以512B的Sector为单位的。MMC有其自己内部的数据控制器，对外部命令进行执行。要访问MM C的内存，有两个常用的命令：read_block和write_block。MMC没有cluster或者head，所以它的sector以零开始直至尾结束。比如512MB MMC的最高sector的号是1048575。
　　
　　
　　软件外围串行接口SSPI
　　一般的SPI包括3条线路，串行时钟(SLcK)、主入从出方向的数据线(MISO)和主出从入方向的数据线(MOSI)。主从之间的数据交换就是通过这三根数据线。而本文采用的软件外围串行接口增加了一条数据线，如图4所示。本文有两个slave，ADC和MMC，而Master即为微控制器。
　　通过使用SSPI，在将数据传送到MMC的同时还可以进行数据采集，这样就实现了连续的数据采集，采集频率设定为2kHz。如果采用SPI，就无法实现连续数据采集。
　　为了实现数据的连续采集，还要进行另外的设计。在微控制器里要使用两个缓冲区to_disk和to_disk2。当一个用于写时，另一个用于读，数据流如图5所示。
　　
　　LabView
　　使用LabvieW可以对所测得的数据进行很好的处理，并以图形方式直观地显示出来。为此，在Labview里进行了以下几个功能模块的设计：
　　
　　读加速度.vi：从MMC卡中读出三个方向的加速度，并存储到计算机中。
　　读湿度.vi：从MMC卡中读出湿度值，并存储到计算机中。
　　读温度.vi：从MMC卡中读出温度值，并存储到计算机中。
　　显示.Vi：可以将以上存储到计算机中的数值以图形显示出来。
　　如图6所示为三个方向加速度测量的显示画面。
　　
　　结论
　　
　　经过初步的加速度、湿度及温度测试，各项技术指标取得了较好的效果。传感器能够符合预计要求，LabView也能准确地显示所测数值。所设计的PCB的体积也符合手机测量使用的需要。但是工作中尚有不太完善的地方，现在设计出的PCB是两面板，一面为数字信号，一面为模拟信号，下一步要进行改进设计，使其简化到一面中来。由于是用于手机中测量焊点材料的物理负载，因此系统设计得越简单效果越好。