基于低功耗單片機(jī)的智能綜合儀表設(shè)計(jì)

1 引言

現(xiàn)在，世界正從工業(yè)化、機(jī)械化時(shí)代邁入信息化時(shí)代。儀器儀表作為一種信息工具，起著不可或缺的信息源的作用。由于信息源必須準(zhǔn)確無誤或最大限度的少誤，所以現(xiàn)代儀器儀表都無不采用多種技術(shù)形式綜合集成，在高新技術(shù)發(fā)展的信息化時(shí)代，儀器儀表完全是現(xiàn)代化的綜合因素之一。

本文所設(shè)計(jì)的基于低功耗單片機(jī)的智能綜合儀表是基于智能化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化新一代智能儀表的設(shè)計(jì)理念，采用智能調(diào)理、靈巧總線、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)、液晶顯示、電子儲(chǔ)存技術(shù)，綜合指示儀表、調(diào)節(jié)儀表、積算儀表與記錄儀表功能，具有高測量控制精度、高可靠性穩(wěn)定性的特點(diǎn)。采用高亮度LED背光192×64單色點(diǎn)陣液晶顯示屏，支持2通道通用模擬輸入、1通道模擬輸出和2通道的報(bào)警輸出。本文具體論述了智能綜合儀表的軟、硬件設(shè)計(jì)。

2 智能綜合儀表的硬件結(jié)構(gòu)框圖

儀表硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。其硬件結(jié)構(gòu)主要由電源、24V配電輸出、通用信號(hào)輸入、模擬信號(hào)輸出、報(bào)警輸出、液晶顯示接口、按鍵接口、外部存儲(chǔ)器接口、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、RS485通信接口這九個(gè)部分組成。

圖1硬件結(jié)構(gòu)框圖

3 智能綜合儀表的硬件詳細(xì)設(shè)計(jì)

智能綜合儀表以MSP430F149作為主處理芯片。MSP430F149是一種低功耗的單片機(jī)，非常適合作為該儀表的混合信號(hào)處理器。

3.1 通用信號(hào)輸入電路

輸入信號(hào)中有電壓信號(hào)、電流信號(hào)、還有電阻信號(hào)，對(duì)這些信號(hào)都能夠進(jìn)行測量的輸入端，我們稱之為“通用輸入端口”，如圖2所示。電壓信號(hào)通過 input1和input3輸入，測量IN1電壓即測得電壓信號(hào)。電流信號(hào)從input2和input3輸入，通過測量IN2和IN3的電壓，已知電阻 R5的阻值，可得到電流的輸入值。測量PT100，PT100以三線制接入。三線制接法是為了消除因引線長短帶來的誤差，可由以下算式得，設(shè)引線電阻為 r，則:

U1 = (R+r) × I                               (1)

U2 = (R+2r) × I                              (2)

2 × (1) – (2), 得

           (3)

由公式(3)可知PT100的阻值測量只跟U1、U2、I相關(guān)，這樣就消除了引線帶來的誤差，從公式中可得PT100的精度由U1、U2的測量精度。具體測量方法如下:首先測得U2電壓值，已知5V基準(zhǔn)和電阻R4，可算得流經(jīng)PT100的電流量，然后測得U1，即可計(jì)算得到PT100的阻值。

圖2 通用輸入端口

3.2 模擬信號(hào)輸出與點(diǎn)陣液晶顯示設(shè)計(jì)

智能綜合儀表的模擬量輸出是工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)輸出4-20mA。要得到4-20mA可以通過1-5SV模擬電壓輸出通過V-I變換電路得到。而得到1-5V 模擬電壓輸出大部分是通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)來做到的，但是目前許多單片機(jī)內(nèi)部沒有集成DAC(包括MSP430F149)，即使有些單片機(jī)集成了 DAC，DAC的精度往往也不高。在高精度的應(yīng)用中還是需要外接DAC，顯然這樣就增加了成本。但是幾乎所有的單片機(jī)(包括MSP430F149)都提供定時(shí)器或者PWM輸出功能。本儀表就是應(yīng)用MSP430F149的PWM輸出，經(jīng)過簡單的變換電路來實(shí)現(xiàn)DAC，這大大降低AO部分的成本、減少了體積，并提高了精度。

液晶屏選擇Truly公司的MSC-G19264DYSY-070W STN屏，該屏的象素是192×128，供電電壓為3.3V，符合MSP430F149的I/O口電平范圍，可以非常方便連接。背光采用了5V供電的高亮度比D面光設(shè)計(jì)，使顯示的畫面即使在能見度很低的情況下看起來也非常亮、非常清晰。它的工作范圍為-20-70℃，在智能綜合儀表的工作溫度范圍(0- 55℃)之內(nèi)。整個(gè)液晶屏的工作電流僅為75mA，比普通點(diǎn)陣液晶屏要低的多，從而大大降低了整個(gè)系統(tǒng)的功耗。

3.3 實(shí)時(shí)時(shí)鐘設(shè)計(jì)

智能綜合儀表具有實(shí)時(shí)時(shí)鐘功能，實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片采用PhilipsPCF8563，具有極高的精確度。采用I2C總線接口，數(shù)度可達(dá)400KHZ。具有年份和閏年跟蹤。具有可編程警告器，低電壓監(jiān)測器。計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)范圍從秒到年，另外計(jì)數(shù)器/定時(shí)器可以用于精確地觸發(fā)定時(shí)應(yīng)用。內(nèi)部帶上電復(fù)位電路。帶操作時(shí)鐘的待機(jī)電流很低，在VDD=3.0V和Tamb=25下典型的功耗只有250nA。圖3是PCF8563應(yīng)用電路圖。

圖3 PCF8563應(yīng)用電路圖

3.4 按鍵接口與外部存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)

儀表面板上一共有8個(gè)按鍵，分別是上、下、左、右、SET、ENTER和兩個(gè)特殊功能鍵。上、下、左、右四個(gè)鍵分別用來在畫面中向四個(gè)方向移動(dòng)光標(biāo)，上和下還具有數(shù)字的滾動(dòng)功能，SET鍵用來激活畫面中相應(yīng)的選項(xiàng)，ENTER鍵用來確認(rèn)。特殊功能鍵1用來切換組態(tài)畫面和系統(tǒng)運(yùn)行顯示畫面。特殊功能鍵2暫時(shí)保留。在設(shè)計(jì)中采用與液晶屏共用數(shù)據(jù)端口，通過74HC245來隔離。因?yàn)?4HC245具有三態(tài)輸出功能，所以按鍵和液晶屏不會(huì)互相干擾。

儀表提供記錄功能，可以對(duì)每個(gè)通道的采樣數(shù)據(jù)每隔一定時(shí)間間隔(可設(shè)定)進(jìn)行記錄。外部存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的芯片使用戶JMEL公司的串行FLASH AT25F2048。它由3.3V供電。該芯片相對(duì)于NANDFLASH而言具有接口簡單的特點(diǎn)，采用三線制的SPI接口，可以很方便地和 MSP430F149連接。并且在容量滿足要求的情況下，成本要大大低于NANDFLASH。它相對(duì)于E2PROM又具有容量大、接口簡單的特點(diǎn)。 AT25F2048容量為256K，一共分為四個(gè)段，每段64K字節(jié)。每頁256字節(jié)。它提供硬件寫保護(hù)和軟件寫保護(hù)，支持頁寫和字節(jié)寫模式，可擦除 10000次，符合本智能綜合儀表的使用年限。

3.5 RS485通信

RS485總線作為一種多點(diǎn)差分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)碾姎庖?guī)范，已經(jīng)成為應(yīng)用最廣泛的標(biāo)準(zhǔn)通信接口之一。RS485允許在一對(duì)雙絞線上進(jìn)行多點(diǎn)雙向通信，它所具有的噪聲抑制能力、數(shù)據(jù)傳輸速率、電纜長度及可靠性是其他標(biāo)準(zhǔn)無法比擬的。RS485協(xié)議的技術(shù)指標(biāo):傳輸速率最大為10Mbit/s;最大距離為 1200m;最高為32個(gè)節(jié)點(diǎn):單組雙絞線電纜上的雙向主從通信;并行連接的節(jié)點(diǎn)、多工通信。

圖4 RS485通信接口

RS485數(shù)據(jù)信號(hào)采用差分傳輸方式，也稱作平衡傳輸，它使用一對(duì)雙絞線，將其中一線定義為A，另一線定義為B，一般情況下，發(fā)送驅(qū)動(dòng)器A, B之間的正電平在+2V~+6V，負(fù)電平在-2V~-6V。另有一個(gè)信號(hào)地C，在RS-485中還有一“使能”端?！笆鼓堋倍耸怯糜诳刂瓢l(fā)送驅(qū)動(dòng)器與傳輸線的切斷與連接。當(dāng)“使能”端起作用時(shí)，發(fā)送驅(qū)動(dòng)器處于高阻狀態(tài)，它是有別于邏輯“1”與“0”的第三態(tài)。接收器也作與發(fā)送端相對(duì)的規(guī)定，收、發(fā)端通過平衡雙絞線將AA與BB對(duì)應(yīng)相連，當(dāng)在收端AB之間有大于+200mV的電平時(shí)，輸出正邏輯電平，小于-200mV時(shí)，輸出負(fù)邏輯電平。接收器接收平衡線上的電平范圍通常在200mV至6V之間。系統(tǒng)中RS485的驅(qū)動(dòng)芯片采用SP485，電路連接圖如圖4所示。

4 儀表的系統(tǒng)軟件主要架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要由系統(tǒng)初始化模塊、數(shù)據(jù)采樣模塊、數(shù)字濾波模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)字PID控制模塊、液晶驅(qū)動(dòng)模塊、系統(tǒng)運(yùn)行顯示模塊、系統(tǒng)組態(tài)顯示模塊、按鍵處理模塊、FLASH驅(qū)動(dòng)模塊、數(shù)據(jù)追憶模塊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊、通信模塊組成。系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖5。對(duì)于各模塊詳細(xì)設(shè)計(jì)，由于篇幅原因這里不再詳細(xì)敘述。

圖5 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

本文作者創(chuàng)新點(diǎn):

本文設(shè)計(jì)的智能綜合儀表從功能上來說具有以下幾個(gè)特點(diǎn): 1、儀表具有多樣化的功能，它集記錄儀表、數(shù)顯儀表、積算儀表、調(diào)節(jié)儀表的多種功能于一身；2、儀表具有高模擬量輸入輸出精度，應(yīng)用范圍廣；3、儀表具有很好的實(shí)時(shí)性，能滿足用戶對(duì)實(shí)時(shí)性的需求；4、儀表具有標(biāo)準(zhǔn)化的總線接口。