基于低功耗单片机的智能综合仪表设计
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1 引言
现在，世界正从工业化、机械化时代迈入信息化时代。仪器仪表作为一种信息工具，起着不可或缺的信息源的作用。由于信息源必须准确无误或最大限度的少误，所以现代仪器仪表都无不采用多种技术形式综合集成，在高新技术发展的信息化时代，仪器仪表完全是现代化的综合因素之一。
本文所设计的基于低功耗单片机的智能综合仪表是基于智能化、数字化、网络化新一代智能仪表的设计理念，采用智能调理、灵巧总线、工业网络、液晶显示、电子储存技术，综合指示仪表、调节仪表、积算仪表与记录仪表功能，具有高测量控制精度、高可靠性稳定性的特点。采用高亮度LED背光192×64单色点阵液晶显示屏，支持2通道通用模拟输入、1通道模拟输出和2通道的报警输出。本文具体论述了智能综合仪表的软、硬件设计。
2 智能综合仪表的硬件结构框图
仪表硬件结构框图如图1所示。其硬件结构主要由电源、24V配电输出、通用信号输入、模拟信号输出、报警输出、液晶显示接口、按键接口、外部存储器接口、实时时钟、RS485通信接口这九个部分组成。
图1硬件结构框图
3 智能综合仪表的硬件详细设计
智能综合仪表以MSP430F149作为主处理芯片。MSP430F149是一种低功耗的单片机，非常适合作为该仪表的混合信号处理器。
3.1 通用信号输入电路
输入信号中有电压信号、电流信号、还有电阻信号，对这些信号都能够进行测量的输入端，我们称之为“通用输入端口”，如图2所示。电压信号通过input1和input3输入，测量IN1电压即测得电压信号。电流信号从input2和input3输入，通过测量IN2和IN3的电压，已知电阻R5的阻值，可得到电流的输入值。测量PT100，PT100以三线制接入。三线制接法是为了消除因引线长短带来的误差，可由以下算式得，设引线电阻为r，则:
U1 = (R+r) × I (1)
U2 = (R+2r) × I (2)
2 × (1) – (2), 得
(3)
由公式(3)可知PT100的阻值测量只跟U1、U2、I相关，这样就消除了引线带来的误差，从公式中可得PT100的精度由U1、U2的测量精度。具体测量方法如下:首先测得U2电压值，已知5V基准和电阻R4，可算得流经PT100的电流量，然后测得U1，即可计算得到PT100的阻值。
图2 通用输入端口
3.2 模拟信号输出与点阵液晶显示设计
智能综合仪表的模拟量输出是工业标准输出4-20mA。要得到4-20mA可以通过1-5SV模拟电压输出通过V-I变换电路得到。而得到1-5V模拟电压输出大部分是通过数模转换器(DAC)来做到的，但是目前许多单片机内部没有集成DAC(包括MSP430F149)，即使有些单片机集成了DAC，DAC的精度往往也不高。在高精度的应用中还是需要外接DAC，显然这样就增加了成本。但是几乎所有的单片机(包括MSP430F149)都提供定时器或者PWM输出功能。本仪表就是应用MSP430F149的PWM输出，经过简单的变换电路来实现DAC，这大大降低AO部分的成本、减少了体积，并提高了精度。
液晶屏选择Truly公司的MSC-G19264DYSY-070W STN屏，该屏的象素是192×128，供电电压为3.3V，符合MSP430F149的I/O口电平范围，可以非常方便连接。背光采用了5V供电的高亮度比D面光设计，使显示的画面即使在能见度很低的情况下看起来也非常亮、非常清晰。它的工作范围为-20-70℃，在智能综合仪表的工作温度范围(0-55℃)之内。整个液晶屏的工作电流仅为75mA，比普通点阵液晶屏要低的多，从而大大降低了整个系统的功耗。
3.3 实时时钟设计
智能综合仪表具有实时时钟功能，实时时钟芯片采用PhilipsPCF8563，具有极高的精确度。采用I2C总线接口，数度可达400KHZ。具有年份和闰年跟踪。具有可编程警告器，低电压监测器。计数器的计数范围从秒到年，另外计数器/定时器可以用于精确地触发定时应用。内部带上电复位电路。带操作时钟的待机电流很低，在VDD=3.0V和Tamb=25下典型的功耗只有250nA。图3是PCF8563应用电路图。
图3 PCF8563应用电路图
3.4 按键接口与外部存储器设计
仪表面板上一共有8个按键，分别是上、下、左、右、SET、ENTER和两个特殊功能键。上、下、左、右四个键分别用来在画面中向四个方向移动光标，上和下还具有数字的滚动功能，SET键用来激活画面中相应的选项，ENTER键用来确认。特殊功能键1用来切换组态画面和系统运行显示画面。特殊功能键2暂时保留。在设计中采用与液晶屏共用数据端口，通过74HC245来隔离。因为74HC245具有三态输出功能，所以按键和液晶屏不会互相干扰。
仪表提供记录功能，可以对每个通道的采样数据每隔一定时间间隔(可设定)进行记录。外部存储数据的芯片使用户JMEL公司的串行FLASH AT25F2048。它由3.3V供电。该芯片相对于NANDFLASH而言具有接口简单的特点，采用三线制的SPI接口，可以很方便地和MSP430F149连接。并且在容量满足要求的情况下，成本要大大低于NANDFLASH。它相对于E2PROM又具有容量大、接口简单的特点。AT25F2048容量为256K，一共分为四个段，每段64K字节。每页256字节。它提供硬件写保护和软件写保护，支持页写和字节写模式，可擦除10000次，符合本智能综合仪表的使用年限。
3.5 RS485通信
RS485总线作为一种多点差分数据传输的电气规范，已经成为应用最广泛的标准通信接口之一。RS485允许在一对双绞线上进行多点双向通信，它所具有的噪声抑制能力、数据传输速率、电缆长度及可靠性是其他标准无法比拟的。RS485协议的技术指标:传输速率最大为10Mbit/s;最大距离为1200m;最高为32个节点:单组双绞线电缆上的双向主从通信;并行连接的节点、多工通信。
图4 RS485通信接口
RS485数据信号采用差分传输方式，也称作平衡传输，它使用一对双绞线，将其中一线定义为A，另一线定义为B，一般情况下，发送驱动器A, B之间的正电平在+2V~+6V，负电平在-2V~-6V。另有一个信号地C，在RS-485中还有一“使能”端。“使能”端是用于控制发送驱动器与传输线的切断与连接。当“使能”端起作用时，发送驱动器处于高阻状态，它是有别于逻辑“1”与“0”的第三态。接收器也作与发送端相对的规定，收、发端通过平衡双绞线将AA与BB对应相连，当在收端AB之间有大于+200mV的电平时，输出正逻辑电平，小于-200mV时，输出负逻辑电平。接收器接收平衡线上的电平范围通常在200mV至6V之间。系统中RS485的驱动芯片采用SP485，电路连接图如图4所示。
4 仪表的系统软件主要架构设计
系统软件主要由系统初始化模块、数据采样模块、数字滤波模块、数据处理模块、数字PID控制模块、液晶驱动模块、系统运行显示模块、系统组态显示模块、按键处理模块、FLASH驱动模块、数据追忆模块、实时时钟模块、通信模块组成。系统软件结构图5。对于各模块详细设计，由于篇幅原因这里不再详细叙述。
图5 系统软件结构图
本文作者创新点:
本文设计的智能综合仪表从功能上来说具有以下几个特点: 1、仪表具有多样化的功能，它集记录仪表、数显仪表、积算仪表、调节仪表的多种功能于一身；2、仪表具有高模拟量输入输出精度，应用范围广；3、仪表具有很好的实时性，能满足用户对实时性的需求；4、仪表具有标准化的总线接口。
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