基于HT47系列RISC單片機(jī)的智能化儀表設(shè)計(jì)

摘 要： 介紹了以HT47系列單片機(jī)為核心部件的常見智能化儀表的設(shè)計(jì)過程。
關(guān)鍵詞： RISC單片機(jī)；R-F型A/D轉(zhuǎn)換；分段線性插值法

    HT47系列MCU是盛群(Holtek)半導(dǎo)體公司近年推出的8位精簡指令系統(tǒng)(RISC)單片機(jī)，它除了具有RISC類單片機(jī)特有的指令數(shù)量少、易記憶、采用流水線式指令執(zhí)行方式、運(yùn)行速度快等優(yōu)點(diǎn)外，其片內(nèi)的兩通道R-F型A/D轉(zhuǎn)換電路，動(dòng)態(tài)LCD液晶驅(qū)動(dòng)電路以及軟件狗定時(shí)器等硬件資源，為設(shè)計(jì)小型乃至便攜式智能化儀器儀表提供了極大的方便，全部硬件由傳感器+HT47C20+液晶片+少量阻容元件構(gòu)成。

圖1 HT47C20的兩通道R-F型A/D轉(zhuǎn)換電路

圖2 R-F型A/D轉(zhuǎn)換過程

圖3 (c)溫度θ和計(jì)算值Nt的關(guān)系曲線

圖4 用分段線性插值法處理θ-Nt 關(guān)系曲線

R-F型A/D
    圖1給出了HT47C20的兩通道R-F型A/D轉(zhuǎn)換電路的結(jié)構(gòu)。

    圖中，Timer A和Timer B是兩個(gè)16 位可編程計(jì)數(shù)器，其計(jì)數(shù)初值可以由程序設(shè)定。Timer A對系統(tǒng)時(shí)鐘(System Clock)或系統(tǒng)時(shí)鐘4分頻信號(System Clock/4)或?qū)崟r(shí)時(shí)鐘的溢出信號(RTC Output)計(jì)數(shù)；Timer B對通道1或通道2的RC振蕩電路產(chǎn)生的脈沖信號計(jì)數(shù)。下面我們以利用通道1構(gòu)成的溫度儀表為例，對其溫度測量原理和設(shè)計(jì)方法作一介紹。

利用圖2可以清晰地說明R-F型A/D轉(zhuǎn)換過程：
1.見圖2(a)，Timer B對參考電阻Rs、參考電容Cs組成的振蕩電路產(chǎn)生的振蕩脈沖計(jì)數(shù)，Timer A對系統(tǒng)時(shí)鐘計(jì)數(shù)。通過置位有關(guān)特殊功能寄存器相關(guān)位可使 Timer A、Timer B同時(shí)啟動(dòng)。Timer B由初值0000H-NS計(jì)數(shù)到0000H(溢出)；Timer A由初值0000H計(jì)到m，兩者同時(shí)停止計(jì)數(shù)。NS的數(shù)值要保證Timer B先溢出，這段時(shí)間即為閘門時(shí)間。

2.見圖2(b)，Timer A初值改為0000H-m, Timer B初值改為0000H。Timer B對傳感器(NTC熱敏電阻)電阻Rt、參考電容Cs組成的振蕩電路產(chǎn)生的振蕩脈沖計(jì)數(shù)，Timer A還是對系統(tǒng)時(shí)鐘計(jì)數(shù)。再次同時(shí)啟動(dòng)，當(dāng)Timer A溢出時(shí)兩者同時(shí)停止計(jì)數(shù)且申請中斷。可以看出兩次計(jì)數(shù)的閘門時(shí)間相等，此時(shí)Timer B的計(jì)數(shù)值為Nt。
從上述過程可以看出：NS·(1 /fs)=Nt·(1/ft)
所以 Nt=NS·ft/fs (1)
而 fs=1/(ks·Rs·Cs)
ft=1/(kt·Rt·Cs)
式中ks和kt是和電源電壓、環(huán)境溫度以及RsCs或RtCs乘積有關(guān)的常數(shù)(一般取 1.9~2.3)，此處可看作近似相等，故有：
ft/fs=Rs/Rt
將此式代入上述Nt的表達(dá)式中，可得：
Nt=NS·Rs/Rt (2)

    從上文可知，NS是Timer B在規(guī)定的閘門時(shí)間內(nèi)對參考電阻Rs、參考電容Cs組成的振蕩電路產(chǎn)生的振蕩脈沖的計(jì)數(shù)值，和Rs一樣，都是事先設(shè)定的常數(shù)。式(2)表示了計(jì)數(shù)值Nt和傳感器電阻Rt近似成反比，它們之間的關(guān)系如圖3(a)所示。

    熱敏電阻本身的電阻-溫度關(guān)系曲線如圖3(b)所示，通過圖形變換可以得到被測溫度和計(jì)數(shù)值Nt之間的關(guān)系曲線如圖3(c)所示。

    用分段線性插值法對被測溫度和計(jì)數(shù)值Nt之間的關(guān)系曲線進(jìn)行處理，即可從計(jì)數(shù)值Nt計(jì)算出對應(yīng)的被測溫度。

    把圖4的q-Nt關(guān)系曲線分成若干段，每段曲線用一段對應(yīng)的折線來代替。相對于每一段折線，可求出q-N的線性函數(shù)：
q = a· Nt+b
式中：a為該段折線的斜率，b為截距。

    值得指出的是，利用HT47C20片內(nèi)的兩個(gè)通道R-F型A/D轉(zhuǎn)換電路作溫度測量，Timer B對外部RC振蕩電路的兩次計(jì)數(shù)，使用同一個(gè)振蕩電容Cs(即參考電容)。從式(2)可以看出：計(jì)數(shù)值Nt和電容Cs沒有直接關(guān)系，因此當(dāng)電容量受環(huán)境溫度變化時(shí)不會(huì)影響測溫結(jié)果。這一點(diǎn)對提高儀器的系統(tǒng)測量精度是非常有意義的。

圖5 主程序和中斷服務(wù)程序的軟件流程

圖6 顯示緩沖區(qū)布局及相關(guān)引腳

圖 7 HT47C20構(gòu)成的簡單儀表電路

R-F型A/D轉(zhuǎn)換構(gòu)成溫度測量儀表的軟件流程
    圖5給出了利用HT47C20的片內(nèi)R-F型A/D轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成溫度測量儀表的軟件流程。

    HT47C20片內(nèi)動(dòng)態(tài)液晶顯示電路包含顯示緩沖區(qū)和驅(qū)動(dòng)輸出電路兩部分。顯示緩沖區(qū)占用內(nèi)部RAM 40H~53H單元地址(在系統(tǒng)不使用液晶顯示電路時(shí)可作為普通RAM單元使用)，任何用間接尋址方式寫入顯示緩沖區(qū)的字形碼都將直接(經(jīng)驅(qū)動(dòng)輸出電路)使液晶顯示屏顯示相應(yīng)的字符。圖6表示了顯示緩沖區(qū)的布局以及各存儲單元和芯片外部相關(guān)引腳的對應(yīng)關(guān)系。

    從圖6可以看出，顯示緩沖區(qū)各存儲單元僅低4位有效，整個(gè)顯示電路經(jīng)芯片內(nèi)部掩膜選擇可外接20*2、20*3或19*4(即1/2duty、1/3duty或1/4duty)的C型液晶顯示器。

    圖7是用HT47C20為核心部件構(gòu)成的非常簡單的儀表硬件電路，圖中僅畫出一個(gè)測量通道In0,如果把另一個(gè)測量通道In1也利用起來，不需要增加外電路就可以同時(shí)測量兩路模擬量。可以看出其性價(jià)比非一般單片機(jī)電路可比。

結(jié)語
    HT47系列除了HT47C20外，和它結(jié)構(gòu)、功能相同的還有HT47C20L(掩膜/低功耗版)，HT47R20(OTP版)。值得指出的是盛群半導(dǎo)體公司最新推出的新品HT47C10在結(jié)構(gòu)上作了不少簡化，如片內(nèi)程序存儲器，數(shù)據(jù)存儲器容量，液晶顯示電路的驅(qū)動(dòng)筆劃數(shù)量適當(dāng)減少，R-F型A/D轉(zhuǎn)換通道減少為一個(gè)，但在某些應(yīng)用場合其性價(jià)比卻更高一些。

參考文獻(xiàn)
1 盛群.(Holtek)半導(dǎo)體公司. HT47C20產(chǎn)品技術(shù)資料
2 茅力群，宋加仁. 用VB5.0實(shí)現(xiàn)的非線性曲線的線性化處理.計(jì)量技術(shù)，2000(2)