以MSP430F149為核心的溫度檢測(cè)儀的硬件模塊和軟件設(shè)計(jì)

摘要：溫度檢測(cè)儀主要是對(duì)溫度進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)溫度的靈敏作出及時(shí)的反應(yīng)。以MSP430F149為核心的溫度檢測(cè)儀成本較低，功耗低，有很高的可靠性，對(duì)周圍環(huán)境抗干擾的能力也較強(qiáng)，對(duì)溫度的變化反應(yīng)靈敏，這就得益于其內(nèi)部的硬件模塊和軟件設(shè)計(jì)，能夠應(yīng)用于不同的環(huán)境，據(jù)不同的需要應(yīng)用在多類的溫度檢測(cè)系統(tǒng)中。這里從其硬件模塊和軟件設(shè)計(jì)對(duì)其特點(diǎn)進(jìn)行分析、論證。
關(guān)鍵詞：MSP430F149；檢測(cè)系統(tǒng)；硬件；軟件；低功耗

0 引言
    蘭州大型的綜合工程重離子加速器——冷卻存儲(chǔ)環(huán)(HIFRL-CSR)是國(guó)家科學(xué)重點(diǎn)工程之一，在其內(nèi)部控制系統(tǒng)里存在著大量的測(cè)量溫度的場(chǎng)合，這些場(chǎng)合依靠約束離子的行為發(fā)揮CSR主環(huán)中的磁場(chǎng)作用，在磁場(chǎng)中，這些帶電粒子束有時(shí)處于聚焦?fàn)顟B(tài)，有時(shí)則處于傳輸狀態(tài)，且磁場(chǎng)性能的好壞對(duì)束流品質(zhì)有直接影響。
    由于磁鐵的溫度與磁場(chǎng)性能及安全密切相關(guān)。磁鐵的線圈中通過電流時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很高的溫度，因此，對(duì)其溫度的測(cè)量是一項(xiàng)非常重要的工作。以MSP430F149為核心的溫度檢測(cè)儀基于此要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，并投入使用，是一款成本低并且性能良好的測(cè)溫儀。

1 溫度測(cè)量原理
1．1 溫度測(cè)量的流程分析
    在該設(shè)計(jì)中，測(cè)溫范圍應(yīng)控制在20～70℃范圍內(nèi)，且測(cè)溫精度約為±1℃；當(dāng)溫度高于70℃時(shí)，則發(fā)出自動(dòng)報(bào)警提示。目前，大多數(shù)溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)精度較低，程序響應(yīng)的時(shí)間都比較慢，僅能監(jiān)測(cè)到8路。而在此設(shè)計(jì)中擬用8個(gè)開關(guān)進(jìn)行模擬，這樣就可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)到64路。這樣，在該電路中，可以主要測(cè)量其電橋溫度，利用A／D轉(zhuǎn)換器實(shí)行轉(zhuǎn)換，僅需采取VCO和單片機(jī)接口即可實(shí)現(xiàn)。
    當(dāng)溫度信號(hào)發(fā)出時(shí)，選擇Pt100傳感器，其鉑電阻的阻值會(huì)隨著溫度的變化而發(fā)生變化，并且會(huì)呈現(xiàn)一定的函數(shù)關(guān)系，Pt100傳感器利用這一特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)測(cè)溫功能。其中，溫度與阻值之間的關(guān)系可表示為：
   
1．2 溫度測(cè)量的參數(shù)分析
    一般情況下，將溫度測(cè)量控制在-200～+800℃，允許偏差為：A級(jí)±(0．15+0．002|t|)，B級(jí)±(0．30+0．005|t|)；其中，熱電阻最小的置入深度不得低于2DO mm；響應(yīng)時(shí)間控制在30 s范圍內(nèi)；允許通過的電流不大于5 mA。除此以外，溫度傳感器Pt100還具有穩(wěn)定性能好、抗振動(dòng)、測(cè)量準(zhǔn)確性高、耐受高壓的優(yōu)點(diǎn)。
    Pt100溫度傳感器測(cè)量系統(tǒng)的流程圖如圖1所示。

2 溫度測(cè)量系統(tǒng)的硬件模塊
    在該設(shè)計(jì)中，主要采用由美國(guó)德州儀器公司生產(chǎn)的16位單片機(jī)——MSP430F149，它具有運(yùn)行速度快、處理能力強(qiáng)、功耗低的優(yōu)點(diǎn)，其工作時(shí)的電壓為1．8～3．6 V。內(nèi)部的CPU在運(yùn)行過程中，會(huì)發(fā)出正交精簡(jiǎn)的指令集，通過寄存器可實(shí)現(xiàn)各種各樣的運(yùn)算，且具備一些中斷源，可隨意嵌套。如果系統(tǒng)處于省電狀態(tài)，用于中斷的請(qǐng)求和喚醒僅需要6μs。
    此外，MSP430F149還有很多片上外圍模塊，以12位A／D轉(zhuǎn)換器為例，具備內(nèi)部參考源，可保持采樣進(jìn)行并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)掃描等功能；在16位定時(shí)器TimerA中，共有四種工作模式，可以在實(shí)現(xiàn)多個(gè)捕獲功能時(shí)發(fā)揮外部比較的功能；其中48個(gè)I／O口具備獨(dú)立編程的能力，兩個(gè)串行接口可實(shí)現(xiàn)USART0和USART1之間的通信；另外，在FLASH存儲(chǔ)器中，最高存儲(chǔ)容量約為60KB，可完成近10萬次擦寫。
2．1 溫度測(cè)量系統(tǒng)硬件模塊的組成
    此系統(tǒng)硬件模塊由數(shù)據(jù)采集單元、通信接口單元和鍵盤顯示單元三個(gè)部分組成。
2．2 溫度測(cè)量系統(tǒng)硬件模塊的工作原理
2．2．1 數(shù)據(jù)采集
    在此沒計(jì)中，橋式電路由Pt100傳感器和電阻組成，能把Pt100由于溫度變化而產(chǎn)生的阻值變化，轉(zhuǎn)化為電壓變化，并輸入到運(yùn)算放大器中，當(dāng)信號(hào)被放大后，再進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換。由于現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的條件較惡劣，而測(cè)量過程中的精度要求較高，因此一部分已經(jīng)放大的信號(hào)，可采取電壓與頻率之間的轉(zhuǎn)換技術(shù)實(shí)現(xiàn)A／D轉(zhuǎn)換，再將這種方法測(cè)量的數(shù)據(jù)輸入到ROM表中，對(duì)MSP430F149中的A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果實(shí)行線性補(bǔ)償。
    在橋式電路甲，導(dǎo)線電阻的連接可能產(chǎn)生測(cè)量誤差，為了避免這種情況，可采取三線連接法。此外橋式測(cè)溫電路中的電壓波動(dòng)現(xiàn)象，可能造成測(cè)量結(jié)果的誤差，因此應(yīng)采取+10V基準(zhǔn)電壓實(shí)現(xiàn)電橋電路的供電工作，以此加強(qiáng)對(duì)電橋電路中的電壓波動(dòng)限制。電橋電路如圖2所示。

    在壓控振蕩器LM331中，可實(shí)現(xiàn)電壓與頻率之間的轉(zhuǎn)換。作為一種芯片，它具備如下特點(diǎn)：可自由轉(zhuǎn)化模擬電壓，將其置換為可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸、可直接輸入計(jì)算機(jī)、抗干擾能力極強(qiáng)的脈沖串。利用MSP430F149單片機(jī)中的Timer模塊，可檢測(cè)其輸出頻率大小，以完成A／D之間的轉(zhuǎn)換功能。在壓控振蕩器LM331中，可使用其溫度補(bǔ)償功能，并具有極強(qiáng)的溫度穩(wěn)定性。另外，在該器件的脈沖輸出過程中，可兼容多種邏輯形式，既可采取單電源供電，也可采取雙電源供電，其中基電壓控制在5～40 V范圍內(nèi)，最大非線性誤差控制在0．01％內(nèi)。
    經(jīng)相關(guān)實(shí)驗(yàn)證明，壓控振蕩器LM331的電壓與頻率關(guān)系式表示如下：
    f0=KVi
    式中：K=Rs／(2．09Rt·Ct·RL)；Rs=Rs1+Rs2。
    因?yàn)镸SP430F149是16位的計(jì)數(shù)器，所以在此設(shè)計(jì)中就選用的具體參數(shù)為：Rs=33 kΩ，Rt=6．8 kΩ，Ct=2 200 pF，RL=100kΩ。由于Rs，Rt，Ct，RL對(duì)f0的轉(zhuǎn)換產(chǎn)生直接影響，其計(jì)算結(jié)果也會(huì)有所區(qū)別。因此，在該組電路中，主要采用精密電阻計(jì)算，電容則選用漏電流偏小的云母電容。
    LM331的電路原理圖如圖3所示。

2．2．2 通信接口
    在MSP430F149中配有通用的通信串行接口，可允許7位、8位串行位流。串行位流主要以預(yù)設(shè)速率進(jìn)行，且由外部時(shí)鐘確定的速度做出移入或移出動(dòng)作。MSP430F149傳送單片機(jī)和上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)，應(yīng)通過RS 485接發(fā)器進(jìn)行接收或發(fā)送；再通過嵌入式網(wǎng)關(guān)ATmega128接入以太網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)用戶的遠(yuǎn)程訪問功能。其中，數(shù)據(jù)通信方式為全雙工、4線形式，波特率約57 600b／s，通過MSP430F149單片機(jī)中的P口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送。
2．2．3 鍵盤顯示
    通過鍵盤接口，可完成行列掃描。在系統(tǒng)工作過程中，MCU會(huì)持續(xù)查詢、檢查按鍵是否按下，造成工作效率低下。因此，在設(shè)計(jì)中，應(yīng)考慮采取I／O口形式，來完成鍵盤輸入的中斷。MSP430F149單片機(jī)中P1口和P2口都可以用來處理外部事件中斷問題，與高效率、精確化工作要求正好相符。在MSP430F149單片機(jī)中，將鍵盤接入P2口，極大地提高了工作效率。
    在該沒計(jì)中，采取主控制驅(qū)動(dòng)支撐顯示單元，通過HD44780液晶顯示完成整個(gè)工作。這種模塊形式，具有結(jié)構(gòu)緊湊、輕巧，便于裝配等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)擁有標(biāo)準(zhǔn)化接口，確保各種性能的充分發(fā)揮。除了可以顯示192個(gè)標(biāo)準(zhǔn)字符之外，還可完成8個(gè)自定義特殊字符的顯示。

3 軟件設(shè)計(jì)
3．1 軟件設(shè)計(jì)的語(yǔ)言
    MSP430F149單片機(jī)可以采用C語(yǔ)言編程完成整個(gè)程序設(shè)汁工作，其程序設(shè)計(jì)提高了開發(fā)調(diào)試效率。由于采用C語(yǔ)言編程，其所產(chǎn)生的文檔資料容易理解，而且便于移動(dòng)使用。C語(yǔ)言編程應(yīng)用在MSP430系列中時(shí)，與標(biāo)準(zhǔn)C語(yǔ)言編程具有較高兼容性。且在軟件設(shè)計(jì)過程中，可選擇模塊化方法，確保程序結(jié)構(gòu)一目了然，對(duì)今后系統(tǒng)的進(jìn)一步擴(kuò)展提供了非常重要的參考作用。
3．2 軟件設(shè)計(jì)的模塊
    在軟件模塊設(shè)計(jì)中，其主要程序?yàn)椋褐鞒绦颉⑼ㄐ拍K、顯示模塊、鍵盤處理模塊、Timer計(jì)數(shù)模塊、A／D轉(zhuǎn)換模塊等。當(dāng)系統(tǒng)在工作狀態(tài)下，對(duì)程序?qū)嵭谐跏蓟幚恚?dāng)完成這一程序后，進(jìn)入巡回模式。如果在此過程中發(fā)生了中斷事件，則可自動(dòng)判斷中斷源位置，并連接相關(guān)的中斷服務(wù)。軟件流程圖如圖4所示。

4 結(jié)語(yǔ)
    在該系統(tǒng)中，主要采用鉑電阻Pt100，具備較強(qiáng)的可靠性，且線性度較好，已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，在測(cè)量環(huán)境的高精密度上發(fā)揮著重要的作用。
    以MSP430F149為核心的溫度檢測(cè)儀對(duì)溫度有著靈敏的反應(yīng)，其中用來采集的控制器具有成本低、功耗低、抗干擾能力很強(qiáng)的特點(diǎn)，可以滿足不同的需要，因此MSP430F149為核心的溫度檢測(cè)儀，可以在各種溫度檢測(cè)系統(tǒng)中應(yīng)用。
    在現(xiàn)場(chǎng)條件極其惡劣的情況下，MSP430F149系統(tǒng)中采用壓頻間的轉(zhuǎn)換技術(shù)來實(shí)現(xiàn)A／D的轉(zhuǎn)換，避免了直接用MSP430中的A／D轉(zhuǎn)換引起測(cè)量誤差較大的缺點(diǎn)。此設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)就是在工作程序中采用了查表法，這樣可以對(duì)測(cè)量值進(jìn)行線性化的補(bǔ)償，測(cè)量精度得到了提高。