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利用MAXQ3210進(jìn)行環(huán)境監(jiān)視 摘要：在MAXQ系列以及其他嵌入式微控制器中，MAXQ3210獨(dú)具特色。它把基于EEPROM的代碼和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、壓電喇叭驅(qū)動(dòng)器、9V穩(wěn)壓器集成在低引腳數(shù)封裝內(nèi)。高性能的16位RISC核使其運(yùn)行速度快，并且省電。由于是基于MAXQ10核，MAXQ3210不同于其他的MAXQ微控制器，它采用的是8位累加器，而不是16位累加器。MAXQ3210非常適合于需要較少I/O引腳和一些智能控制的許多應(yīng)用。本文討論它在環(huán)境監(jiān)視中的應(yīng)用。 MAXQ3210的特性及其監(jiān)視功能MAXQ3210包含2kB EEPROM程序存儲(chǔ)器、128字節(jié)EEPROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、64字節(jié)RAM存儲(chǔ)器。其內(nèi)置的9V穩(wěn)壓器簡(jiǎn)化了電池供電電路。它也為其他電路元件輸出5V電源。在調(diào)試方面，它用內(nèi)置的JTAG調(diào)試引擎取代了昂貴的外部仿真器。 MAXQ3210集成了用于環(huán)境監(jiān)視的外圍部件。當(dāng)環(huán)境條件不安全和發(fā)生變化時(shí)，它能夠通過(guò)壓電喇叭驅(qū)動(dòng)器和大電流LED驅(qū)動(dòng)器等外圍部件進(jìn)行告警。這些外圍部件在簡(jiǎn)單的保安系統(tǒng)、煙霧警報(bào)器、溫度監(jiān)視器和運(yùn)動(dòng)檢測(cè)器等應(yīng)用中很實(shí)用。 此外，MAXQ3210為環(huán)境監(jiān)視電路提供了多種接口選項(xiàng)。其內(nèi)部的電壓比較器可以監(jiān)視外部電路輸出的隨外部環(huán)境變化的電壓值。其外部電路可以很簡(jiǎn)單，比如測(cè)量溫度的熱敏電阻；也可以較復(fù)雜，比如測(cè)量電容充電時(shí)間的斜率式模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。 除了電壓比較器外，MAXQ3210也可以通過(guò)數(shù)字I/O口監(jiān)視外部電路。例如，當(dāng)環(huán)境條件超出范圍時(shí)，外部監(jiān)視電路可以通過(guò)中斷引腳向MAXQ3210發(fā)送中斷請(qǐng)求信號(hào)。MAXQ3210也可以使用串行通信協(xié)議，通過(guò)數(shù)字I/O口與測(cè)量距離和照明情況的外部IC電路進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。 監(jiān)視系統(tǒng)的軟件架構(gòu)通常，為MAXQ3210編寫的應(yīng)用程序都很簡(jiǎn)短，足以用MAXQ匯編語(yǔ)言編寫。下面列舉的應(yīng)用程序用MAX-IDE工具包編寫。MAX-IDE是一個(gè)由Dallas Semiconductor免費(fèi)提供的開發(fā)環(huán)境，為MAXQ系列微控制器提供了一個(gè)匯編和調(diào)試環(huán)境。圖1示出了一個(gè)環(huán)境監(jiān)視應(yīng)用的基本架構(gòu)。 圖1. MAXQ3210的環(huán)境監(jiān)視主程序循環(huán)在大部分時(shí)間內(nèi)處于休眠狀態(tài)，定期喚醒后去讀取并分析傳感器輸出。 啟動(dòng)后，微控制器首先要經(jīng)過(guò)一個(gè)初始化過(guò)程，將相關(guān)寄存器和配置位按照應(yīng)用要求進(jìn)行設(shè)置。如果微控制器初次加電，可能還需要一些額外的操作，例如制造商設(shè)定的一些測(cè)試和配置。經(jīng)過(guò)初始化和加電檢測(cè)后，應(yīng)用程序進(jìn)入主循環(huán)體，開始測(cè)量和響應(yīng)外部環(huán)境的變化。首先，應(yīng)用程序通過(guò)電壓比較器或數(shù)字I/O口讀取環(huán)境信息，并分析環(huán)境條件是否超出范圍。接下來(lái)，進(jìn)行系統(tǒng)診斷，如檢測(cè)外部電路、測(cè)量電池電壓、核實(shí)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)EEPROM中的永久性故障信息等等。隨后，應(yīng)用程序檢查狀態(tài)信息，其中包括告警(如低電池)和提示信息(如溫度過(guò)高)。如果環(huán)境情況要求執(zhí)行一些動(dòng)作，有以下一些選項(xiàng)我們將在下面討論：驅(qū)動(dòng)喇叭發(fā)聲，使LED閃爍，通過(guò)I/O引腳和其他設(shè)備通信，或者簡(jiǎn)單地把告警信息存入數(shù)據(jù)EEPROM以便后續(xù)分析。 簡(jiǎn)單的監(jiān)視應(yīng)用軟件可以下載為開發(fā)環(huán)境監(jiān)視系統(tǒng)而編寫的簡(jiǎn)單應(yīng)用程序。該程序是在MAXQ3210評(píng)估工具上編寫和測(cè)試的。一個(gè)按鈕被用來(lái)切換告警和正常狀態(tài)。喇叭發(fā)聲表示告警。 該環(huán)境監(jiān)視應(yīng)用的主循環(huán)體在下面幾段中給出。用于環(huán)境監(jiān)視的狀態(tài)機(jī)非常簡(jiǎn)單：獲取傳感器輸出并分析它是否超出了某種門限(溫度太高，空氣中煙霧濃度太大等)。如果超出邊界，則發(fā)出告警。 MainLoop: move DP[0], #CONDITION_FLAG ; see if we are alarming move ACC, @DP[0] ; read the alarm flag jump z, MainLoop_NoSignal ; skip next code if not alarming ; ; If our condition is above threshold, see if it is ; time to sound the horn ; call CheckSignalTime ; see if it is time to sound the horn jump nz, ReadAndSleep ; back to sleep if no signal call SignalCondition ; sound horn, light LEDs, etc. jump ReadAndSleep ; let's go to sleep now ; ; In a real sensor, we still want to take readings even if we are ; signaling. We need to check to see if environmental conditions ; have returned to normal. ; MainLoop_NoSignal: call CheckForSelfTest ; time to run periodic diagnostics? jump z, ReadAndSleep ; skip if not time yet call SelfTest ; perform self diagnostics ReadAndSleep: call ReadSensor ; get a 'sensor reading' call AnalyzeSensor ; see if condition out of threshold jump Sleep ; put the device into low power mode 其中的SelfTest為系統(tǒng)診斷子程序。系統(tǒng)診斷子程序用于監(jiān)視電池電壓和外部電路的異常情況。在SelfTest中也很適合實(shí)現(xiàn)一個(gè)計(jì)時(shí)器，用它來(lái)跟蹤MAXQ3210投入運(yùn)行的時(shí)間，從而計(jì)算外部傳感器系統(tǒng)的工作壽命。 該應(yīng)用程序說(shuō)明了MAXQ微控制器外圍部件的易操作性，以及如何節(jié)省代碼的存儲(chǔ)空間和執(zhí)行周期。例如，僅需用一個(gè)單比特來(lái)開關(guān)喇叭。 SoundTheHorn: move HORN_DRIVER, #1 move LC[0], #10 call DelayMilliseconds move HORN_DRIVER, #0 ret 電源管理功耗是環(huán)境監(jiān)視應(yīng)用中最為重要的一個(gè)因素，因?yàn)樗ǔＪ怯呻姵毓╇姷摹AXQ3210提供低功耗停止模式和電池欠壓監(jiān)視器。 定期檢測(cè)外部環(huán)境條件時(shí)，應(yīng)用程序可以用兩種方式喚醒處于低功耗停止模式的MAXQ3210，使其執(zhí)行代碼。這兩種方式分別是外部中斷或定時(shí)器喚醒。在等待外部電路觸發(fā)條件的應(yīng)用中，外部中斷方式比較合適。比如，在等待開門或熱敏電阻上的壓降超出門限時(shí)，就應(yīng)該采用外部中斷。 喚醒定時(shí)器是另外一種使MAXQ3210脫離停止模式的方式。喚醒功能在前面的應(yīng)用案例中已有討論：外部監(jiān)視電路喚醒MAXQ3210，使其檢測(cè)外部環(huán)境條件，必要時(shí)進(jìn)行響應(yīng)，然后再返回到停止模式。圖2示出了這種工作方式的電流消耗模式。從中可以看出，在大部分時(shí)間內(nèi)，MAXQ3210微控制器處于低功耗休眠模式。當(dāng)MAXQ3210從休眠模式醒來(lái)后電流消耗增大。此時(shí)正是高性能MAXQ核的用武之處。MAXQ3210能夠更快地完成任務(wù)，在高功耗狀態(tài)下停留的時(shí)間更短，而更多的時(shí)間處于低功耗休眠模式。 圖2. 監(jiān)視應(yīng)用程序在大部分時(shí)間內(nèi)休眠以節(jié)省功耗，它定期醒來(lái)并快速運(yùn)行。 由于電池是大多數(shù)監(jiān)視應(yīng)用中的關(guān)鍵部件，檢測(cè)電池是否快用完很重要。MAXQ3210通過(guò)檢測(cè)一個(gè)寄存器狀態(tài)位來(lái)判斷電池電壓是否低于門限。這個(gè)門限被固定于7.7V，這正是9V電池瀕臨耗盡時(shí)的電壓。在這個(gè)電平下，電池還有一定的電量，可保障MAXQ3210繼續(xù)運(yùn)行一段時(shí)間。低功耗應(yīng)用系統(tǒng)，比如煙霧警報(bào)系統(tǒng)，可以在電池電壓低于門限后工作幾天或幾周，并不斷發(fā)出低電壓告警信號(hào)。 數(shù)據(jù)EEPROMMAXQ3210的128字節(jié)數(shù)據(jù)EEPROM極大地方便了應(yīng)用程序，可使應(yīng)用程序存儲(chǔ)永久性的配置和狀態(tài)數(shù)據(jù)，即使在電源失效或去掉電池后也可保持這些數(shù)據(jù)。永久性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)可用于以下這些目的。 改進(jìn)性能。稍微不能滿足性能指標(biāo)要求的系統(tǒng)(比如，測(cè)距儀測(cè)量的距離稍微偏短)可以存儲(chǔ)永久性配置信息，以使軟件能夠補(bǔ)償外部電路的偏差。這種措施可以使已被棄用的設(shè)備被重新利用或出售。 動(dòng)作配置及用戶化。MAXQ3210應(yīng)用系統(tǒng)可以按照特定環(huán)境或用戶的要求定制。比如，環(huán)境監(jiān)視系統(tǒng)可以被配置為大型網(wǎng)絡(luò)的一部分，當(dāng)測(cè)量值超過(guò)門限時(shí)，該系統(tǒng)不但自己鳴喇叭告警，而且還可向其他設(shè)備發(fā)出警報(bào)。通過(guò)配置，生產(chǎn)廠家可以使能或禁止這種網(wǎng)絡(luò)功能。 工作期限。用于環(huán)境監(jiān)視的傳感器和測(cè)量電路可能會(huì)隨著使用期限而劣化。通過(guò)修改EEPROM中的數(shù)據(jù)，應(yīng)用程序可以確定電路必須被替換的時(shí)間。比如，在使用5年后，監(jiān)視系統(tǒng)可以自動(dòng)禁止自己工作，并通過(guò)鳴喇叭或點(diǎn)亮LED提示自己不能再工作。 環(huán)境監(jiān)視應(yīng)用火災(zāi)和煤氣警報(bào)器等住宅安全系統(tǒng)是典型的環(huán)境監(jiān)視應(yīng)用。MAXQ3210完全可以實(shí)現(xiàn)這些功能，但是它比煙霧警報(bào)專用微控制器更通用。利用本文前面介紹的環(huán)境監(jiān)視程序架構(gòu)，可以開發(fā)出各種應(yīng)用系統(tǒng)。在下面列舉的安全應(yīng)用中，有些應(yīng)用是為了防止或減少公司或家庭的損失，其余的應(yīng)用是為了方便用戶。 為了防止家庭或辦公室遭受水災(zāi)，可以為地下室安裝水位監(jiān)視系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以利用濕度傳感器或類似于衛(wèi)生間沖洗水箱的裝置來(lái)檢測(cè)水位。當(dāng)水溢出或超過(guò)一定水位時(shí)，傳感器或浮漂觸發(fā)外部中斷，MAXQ3210鳴喇叭，發(fā)出警報(bào)。此外，MAXQ3210可以和公司或家庭網(wǎng)絡(luò)通信，把警報(bào)發(fā)給公司或家庭成員。 溫度監(jiān)視是另一種可能的應(yīng)用。超市冰柜或運(yùn)輸車?yán)鋬鲕噹麅?nèi)的溫度不能過(guò)高。為此，可以用簡(jiǎn)單的熱敏電阻和MAXQ3210構(gòu)成監(jiān)視系統(tǒng)。當(dāng)冷卻器內(nèi)的食物溫度超過(guò)安全界線時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)。這種監(jiān)視系統(tǒng)有許許多多的用途，比如，用于監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)室設(shè)備、保藏藝術(shù)品、飲料以及其他易腐爛物品的溫度。 監(jiān)視應(yīng)用的目的也可能是為了方便用戶。當(dāng)寵物、小孩或入侵者進(jìn)入家庭的禁區(qū)時(shí)，由MAXQ3210構(gòu)成的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)器可以向主人發(fā)出警報(bào)。當(dāng)然，該檢測(cè)器應(yīng)該可以通過(guò)按鈕來(lái)開關(guān)。 MAXQ3210也很適合實(shí)現(xiàn)一個(gè)輔助泊車裝置。它可以根據(jù)距離探測(cè)電路測(cè)量的距離使喇叭發(fā)出不同的警報(bào)聲音。這種系統(tǒng)需要一些配置和智能處理。在車庫(kù)內(nèi)停車時(shí)，系統(tǒng)能夠幫助車主防止碰撞墻壁，但用戶并不希望他們從探測(cè)電路前面走過(guò)時(shí)系統(tǒng)鳴喇叭警告。為此，可用軟件實(shí)現(xiàn)延遲，當(dāng)系統(tǒng)初次探測(cè)到移動(dòng)時(shí)，軟件可以讓系統(tǒng)等待兩秒鐘看是否有進(jìn)一步的移動(dòng)。若無(wú)，這可能是有人在傳感器前面走動(dòng)。也可以通過(guò)按鈕來(lái)開關(guān)系統(tǒng)；這樣可以避免用戶在車庫(kù)內(nèi)工作時(shí)系統(tǒng)不斷地發(fā)出警告。 評(píng)估工具M(jìn)AXQ3210評(píng)估工具(EV kit)是開發(fā)原型應(yīng)用系統(tǒng)的理想平臺(tái)(參見(jiàn)圖3)。它使用9V電源或電池，用兩個(gè)按鈕分別來(lái)復(fù)位和產(chǎn)生中斷信號(hào)，用一個(gè)10針JTAG接頭訪問(wèn)硬件調(diào)試程序，可以顯示和調(diào)整MAXQ3210的寄存器、存儲(chǔ)器和堆棧。I/O引腳由一個(gè)便利的2 x 20針接頭引出，靠近原型區(qū)以便于測(cè)試外部電路。 板上壓電喇叭和LED可被用作應(yīng)用中的測(cè)試信號(hào)和發(fā)生設(shè)備。默認(rèn)狀態(tài)下，壓電喇叭輸出經(jīng)過(guò)阻尼的聲音―響亮，但不刺耳。也可通過(guò)跳線來(lái)短路阻尼電路，使喇叭發(fā)出最強(qiáng)的85dB音量。 MAXQ3210評(píng)估工具可以配合MAX-IDE使用。它支持MAXQ3210的硬件調(diào)試引擎，可進(jìn)行源代碼級(jí)的調(diào)試和監(jiān)視內(nèi)存。 圖3. MAXQ3210評(píng)估工具配備有壓電喇叭、LED和9V電池座，支持完整的應(yīng)用開發(fā)。 MAXQ3210的優(yōu)點(diǎn)總結(jié)如上所述，MAXQ3210在環(huán)境監(jiān)視應(yīng)用中有諸多優(yōu)點(diǎn)。其中的主要優(yōu)點(diǎn)之一是高集成度。監(jiān)視應(yīng)用所需的元件基本上都被集成到了芯片上(包括電壓比較器、喇叭和LED驅(qū)動(dòng)器等)，因此省去了不少外部元件。高集成度降低了系統(tǒng)的費(fèi)用，提高了系統(tǒng)的可靠性，減少了需要測(cè)試的元件數(shù)量。而且，單片化的方案所需的連線更少，縮短了電路板的測(cè)試時(shí)間。單片方案也意味著印刷板更小、成本更低。 MAXQ3210的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是高性能，低功耗。單周期MAXQ核和大量的寄存器空間允許應(yīng)用程序更高效地保存數(shù)據(jù)并更迅速地執(zhí)行任務(wù)。MAXQ3210在更多的時(shí)間內(nèi)處于低功耗休眠模式，而執(zhí)行代碼的時(shí)間更少。 最后，MAXQ3210的電池監(jiān)視功能和數(shù)據(jù)EEPROM便于實(shí)現(xiàn)靈巧、自我監(jiān)視的應(yīng)用。電池快耗盡時(shí)器件可警告用戶。此外，系統(tǒng)還可跟蹤其元件的壽命，實(shí)現(xiàn)有計(jì)劃的設(shè)備更新。 結(jié)論MAXQ3210是一款MAXQ微控制器的低引腳數(shù)實(shí)現(xiàn)，用于不需要高檔微控制器提供的外設(shè)的應(yīng)用。雖然MAXQ3210是環(huán)境監(jiān)視系統(tǒng)的理想方案，但它也是一個(gè)通用的、高性能、節(jié)能型微控制器，能夠?yàn)樵S多應(yīng)用提供智能和互動(dòng)能力。 值得注意的是，雖然本文只討論了MAXQ3210在環(huán)境監(jiān)視中的應(yīng)用，實(shí)際上它的應(yīng)用范圍要廣闊得多。利用其數(shù)據(jù)EEPROM、支持捕獲、比較和PWM操作的16位定時(shí)器、以及高性能MAXQ微控制器核，MAXQ3210可以應(yīng)用在許多領(lǐng)域。 |
