|
1 引言 隨著社會的發(fā)展，人們環(huán)保意識的增強(qiáng)，對建筑材料的要求越來越高，導(dǎo)熱系數(shù)作為衡量建筑材料保溫性能的重要指標(biāo)一直為人們所重視，因而開發(fā)設(shè)計(jì)出高精度絕熱材料導(dǎo)熱系數(shù)測量儀器十分必要。絕熱材料導(dǎo)熱系數(shù)測量基于一維穩(wěn)態(tài)傳熱原理，測出試件冷熱面的平均溫度（TC、TH）和穩(wěn)態(tài)加熱功率(P),由下式即可計(jì)算出導(dǎo)熱系數(shù):λ＝Pd/A(TH-TC),其中d為試件厚度，A為試件對應(yīng)主加熱器部分的橫截面積。整個(gè)測量系統(tǒng)主要由爐體和溫度、功率測控系統(tǒng)兩部分組成，爐體按國家標(biāo)準(zhǔn)的要求加工制造，大同小異，而溫度、功率測控系統(tǒng)則隨著電子技術(shù)的發(fā)展不斷更新。 溫度、功率測控系統(tǒng)的特點(diǎn)是要測量和控制多路溫度信號，判斷到達(dá)設(shè)定的狀態(tài)后再進(jìn)行計(jì)算。常見的設(shè)計(jì)方案是：用熱電偶或鉑電阻作溫度傳感器，輸出的模擬電信號經(jīng)過模擬放大和濾波，進(jìn)入高精度模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），再經(jīng)過單片機(jī)的判斷、計(jì)算，控制加熱電爐絲的功率，求出穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱情況下導(dǎo)熱系數(shù)、熱阻等材料熱特性參數(shù)值。這種方案較過去的模擬式測量系統(tǒng)已經(jīng)很先進(jìn)，但是仍存在精度不夠高、可靠性不夠好的缺點(diǎn)。筆者新近開發(fā)的絕熱材料導(dǎo)熱系數(shù)測定儀采用TI公司新近推出的具有增強(qiáng)型8051內(nèi)核的低功耗單片機(jī)MSC1212，其內(nèi)部集成了8通道高精度24位Δ-Σ ADC和4通道16位DAC，在保證測量精度的同時(shí)又大大簡化了外部電路，可靠性好。 MSC1212的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。MSC1212工作電壓2.7 V～5.25V，微控制器核是經(jīng)過優(yōu)化的8051內(nèi)核，在給定時(shí)鐘源的情況下，它的執(zhí)行速度比標(biāo)準(zhǔn)的8051內(nèi)核快三倍，從而使得器件可以在更低的外部時(shí)鐘頻率下工作，在功耗比標(biāo)準(zhǔn)的8051低的情況下，仍可達(dá)到相同的性能。同時(shí)，其片內(nèi)外設(shè)十分豐富，包括32位累加器、1個(gè)帶有FIFO的SPI串口、2個(gè)全雙工的UART、32個(gè)數(shù)字輸入輸出端、看門狗定時(shí)器、低電壓檢測、片內(nèi)上電復(fù)位、16位PWM、3個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、21個(gè)中斷源。 MSC1212集成了32kB的FLASH存儲器以及1.2kB的SRAM，其FLASH編程模式有串行和并行模式兩種，在上電復(fù)位期間通過ALE和PSEN信號的狀態(tài)來選擇。PSEN=0，ALE=1時(shí)是串行編程模式。PSEN=1，ALE=0時(shí)為并行編程模式。假如兩者都為1，則工作在用戶模式。兩者都為0是保留模式，沒有定義。MSC1212是帶ISP開發(fā)功能的單片機(jī)系統(tǒng)，與8051的指令集完全兼容，可以用已有的8051開發(fā)工具來開發(fā)MSC1212的軟件。主要的開發(fā)環(huán)境是匯編語言和C語言。 2 MSC1212模擬接口介紹 MSC1212的內(nèi)部集成的模擬接口是它優(yōu)于其他單片機(jī)的特征之一，在絕熱材料導(dǎo)熱系數(shù)測定儀中擔(dān)當(dāng)了重要角色，有必要先加以詳細(xì)介紹。 2.1 ADC結(jié)構(gòu)介紹 MSC1212的ADC是Δ-Σ型，由多路開關(guān)（MUX）、溫度檢測器、緩沖器、可編程增益放大器（PGA）、調(diào)制器、數(shù)字濾波器、電壓參考組成，有8個(gè)通道，10Hz數(shù)據(jù)輸出率時(shí)有效分辨率可達(dá)24位。 一般ADC都定義成對的輸入端，不可隨意改變，而 MSC1212的ADC輸入端可以由用戶通過設(shè)置ADMUX寄存器來定義，可以把8個(gè)通道的任何2個(gè)分別作為同相端和反相端，這種軟件設(shè)置使應(yīng)用變得十分靈活，某個(gè)通道可以在一次測量中用作同相輸入端，下一次測量中卻用作反相輸入端。例如ADMUX=0x01，則定義AIN0為同相輸入端，AIN1為反相輸入端。 當(dāng)ADMUX所有位置1時(shí)，將選中溫度檢測器工作，返回芯片溫度值，所以也可以把溫度檢測器看作ADC輸入的第9個(gè)通道。 緩沖器使能與否通過寄存器ADCON0（BUF位置1使能）控制，當(dāng)緩沖器使能時(shí)輸入阻抗是10GΩ，輸入電壓范圍變小，電流升高，沒有緩沖器時(shí)MSC1212的輸入阻抗是5MΩ/PGA。一般都要使能緩沖器，除非某一模擬輸入端電壓大于AVDD-1.5V。 通過改變寄存器ADCON0的低三位，可編程增益放大器（PGA）的增益可被設(shè)置為1、2、4、8、16、32、64和128。使用PGA可以提高ADC的有效分辨率。例如，當(dāng)PGA為1且采用5V量程時(shí)，ADC能分辨到1uV。PGA為128且采用40mV量程時(shí)，分辨到75nV。通過設(shè)置寄存器ODAC，PGA的模擬輸入可以通過高達(dá)其全量程一半的輸入來補(bǔ)償（即，若輸入電壓范圍是5V，則補(bǔ)償范圍是±2.5V），其中MSB是符號位，七個(gè)LSB提供補(bǔ)償?shù)拇笮 ＿@種補(bǔ)償并不影響ADC的噪聲特性和動態(tài)范圍。 調(diào)制器是一個(gè)單環(huán)2階Δ-Σ系統(tǒng)，其模擬信號采樣率（fMOD）由下式確定：fMOD=fOSC/(ACLK+1)/64，寄存器ACLK由用戶設(shè)置，若晶振頻率fOSC＝11.0592MHz， ACLK=8,則采樣率fMOD=19200Hz。知曉Δ-ΣADC原理的人都知道，這一采樣率并不是數(shù)字信號輸出率，數(shù)字信號輸出率（fDATA）等于模擬信號采樣率（fMOD）除以抽取因子（Decimation），抽取因子由用戶在寄存器ADCON2和ADCON3中定義，ADCON2為低8位，ADCON3為高3位。抽取因子越大，噪聲抑制能力越強(qiáng)。 調(diào)制器輸出經(jīng)過數(shù)字濾波器就成為所需要的數(shù)字信號，MSC1212配置了三種數(shù)字濾波器：快速建立型、sinc2型、sinc3型，在通道同步變化的情況下，濾波器建立時(shí)間依次為1個(gè)、2個(gè)、3個(gè)轉(zhuǎn)換周期；sinc型濾波器在整數(shù)倍fDATA頻率處有很好的陷波特性，快速建立型濾波器陷波特性不佳。自動模式在輸入通道或PGA改變時(shí)將sinc濾波器配置成最佳，剛轉(zhuǎn)換為一個(gè)新的輸入通道時(shí)，自動模式選擇需要4個(gè)轉(zhuǎn)換周期的建立時(shí)間，前2個(gè)周期用快速建立型濾波器，且第一個(gè)周期轉(zhuǎn)換結(jié)果丟棄不要，后兩個(gè)周期依次用sinc2型、sinc3型濾波器，之后一直用sinc3型濾波器，直到通道再次改變，這種方式充分利用了快速建立型濾波器的快速響應(yīng)特性和sinc3型濾波器良好的噪聲抑制特性。 多通道采樣通道突然變化時(shí)，輸出要稍作延遲才能正確反應(yīng)新通道輸入值，延遲時(shí)間依賴于使用的濾波器。由于通道轉(zhuǎn)換通常不與數(shù)據(jù)輸出間隙同步，所以還額外需要一個(gè)整周期才能準(zhǔn)確采樣。事實(shí)上這種不確定性導(dǎo)致獲得理想分辨率要多花費(fèi)一個(gè)轉(zhuǎn)換周期，即輸入通道突然變化時(shí)必須丟棄前1、2或3個(gè)轉(zhuǎn)換周期的結(jié)果。自動模式可以降低必須丟失的數(shù)據(jù)數(shù)目，但是也會降低分辨率。 當(dāng)多通道采樣時(shí)必須考慮建立時(shí)間以確定總的數(shù)據(jù)通過率，例如，數(shù)據(jù)輸出率（fDATA）為20Hz，濾波器采用sinc3型，采樣5個(gè)通道，那么每個(gè)通道的結(jié)果輸出率（fCH）為20/4/5=1Hz。事實(shí)上，最佳配置的評估是一種公平交易，不可能面面俱到。首要標(biāo)準(zhǔn)之一是確定轉(zhuǎn)換結(jié)果的有效位數(shù)目（ENOB）。如果需要ENOB＝18位，用三種濾波器皆可實(shí)現(xiàn)，對應(yīng)快速建立型、sinc2型、sinc3型，抽取因子分別為1800、500、200。假定調(diào)制器時(shí)鐘頻率（或模擬信號采樣率）是15625Hz，對應(yīng)數(shù)據(jù)輸出率（fDATA）分別為8.68、31.25、78.125 Hz，單通道的結(jié)果輸出率（fCH）分別為4.34（8.68/2）、10.41（31.25/3）、19.53（78.125/4）Hz，通道同步轉(zhuǎn)換時(shí)通道率分別為8.68（8.68/1）、15.625（31.25/2）、26.04（78.125/3）Hz。由此可見，這些"率"的大小基于一個(gè)合理的調(diào)制器時(shí)鐘速度。在許多應(yīng)用中，可以將數(shù)據(jù)通過率提高到上述數(shù)據(jù)的10倍。 MSC1212或整個(gè)系統(tǒng)的失調(diào)和增益誤差可以通過校準(zhǔn)來減少。校準(zhǔn)可以通過寄存器ADCON1相應(yīng)位來控制，每一個(gè)校準(zhǔn)過程需要7個(gè)tDATA來完成，因此總共需要14個(gè)tDATA來完成失調(diào)和增益校準(zhǔn)。系統(tǒng)校準(zhǔn)要求適當(dāng)?shù)男盘柤拥捷斎攵耍唧w地，系統(tǒng)失調(diào)校準(zhǔn)需要"零"差分輸入信號以估計(jì)待消除的失調(diào)，系統(tǒng)增益校準(zhǔn)則需要正的滿量程輸入信號以產(chǎn)生一個(gè)消除系統(tǒng)中增益誤差的值。上電后或者溫度、緩沖器、PGA中任何一個(gè)發(fā)生變化時(shí)都將執(zhí)行校準(zhǔn)。使用自動模式或者sinc3型濾波器有利于校準(zhǔn)。校準(zhǔn)將消除ODAC的影響，因此，對ODAC寄存器的改變必須在校準(zhǔn)之后進(jìn)行。校準(zhǔn)完成之后，ADC的中斷位置為1，說明校準(zhǔn)完成，數(shù)據(jù)有效。 MSC1212的電壓參考可以是內(nèi)部（上電后默認(rèn)）的或外部的。電壓參考是通過寄存器ADCON0（EVREF位）來選擇的，內(nèi)部電壓參考可以是1.25V或2.5V（AVDD=4.5V～5.25V），由寄存器ADCON0的VREFH位來定義。假如不使用內(nèi)部電壓參考，應(yīng)將其關(guān)閉以降低功耗和噪聲。REFOUT引腳與AGND之間應(yīng)接0.1uF的電容。外部電壓參考是差分的，通過引腳REF IN+和REF IN-之間的電壓差體現(xiàn)出來，任一引腳的絕對電壓可以在AGND到AVDD之間變化，然而差分電壓不能超過2.6V。 ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果保存在ADRESL/ ADRESM/ ADRESH寄存器中。MSC1212內(nèi)部還有4個(gè)求和/移位寄存器SUMR0～3和1個(gè)求和/移位控制寄存器SS CON，可以對ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行累加平均從而進(jìn)一步降低噪聲提高分辨率。 2.2 DAC結(jié)構(gòu)介紹 MSC1210的16位DAC是T型電阻網(wǎng)絡(luò)型DAC，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。輸入DAC寄存器的值（D，取0～65535）與輸出模擬量（VDAC）的關(guān)系為：VDAC＝VREF*D/65536，其中VREF是DAC電壓參考，可以選擇內(nèi)部REFOUT/REFIN+電壓或電源電壓AVDD，VREF與AVDD共同制約VDAC（IDAC）輸入代碼的范圍，其關(guān)系如表1所示。DAC的軌－軌輸出型緩沖放大器可以輸出AGND～AVDD的電壓，可以驅(qū)動2kΩ//1000pF的負(fù)載。加以外部電路，DAC也可輸出±VREF的電壓，例如圖3所示電路，VO＝VREF（D/32768－1）。
2.3 多通道數(shù)據(jù)采集程序示例 // A/D Conversion for 8 single ended channels，0-5V on inputs AIN0 to AIN7，AINCOM = 2.5V #include #include #include #define LSB 298.0232e-9 extern unsigned long positive(void); //return the 3 byte adres to R4567 (MSB~LSB) void main(void) { unsigned long int xdata result, dummy; unsigned char k, pga, chan; unsigned int decimation; float voltage; CKCON = 0; // 0 MOVX cycle stretch PDCON = 0x14; // turn on ADC-Vref, SPI and Systimers printf("\nMSC1210 ADC Conversion Test\n\n"); printf("\nSingle-Ended 0V to 5V inputs, AINCOM="2".5V\n\n"); printf("Chan. Dec. rate Hex Value Voltage\n"); / * Setup ADC */ ADMUX = 0x08; //(AIN+ = AIN0), (AIN- = AINCOM) ACLK = 9; // ACLK = 11,0592,000/10 = 1,105,920 Hz // modclock = 1,105,920/64 = 17,280 Hz pga = 0; ADCON0 = 0x38 | pga; // Vref On, Vref="2".5V, Buff on, BOD off, pga="1" decimation = 1728; // 10 Hz ADCON2 = decimation & 0xFF; // LSB of decimation ADCON3 =(decimation>>8) & 0x07; // MSB of decimation ADCON1 = 0x01; // bipolar, auto, self calibration (offset, gain) for (chan=0; chan<8 ; chan++) // Channels Loop { ADMUX = (char)(chan<<4) | 8; // AINP = chan, AINN = AINCOM for (k=0; k<4; k++) // Wait for Four conversions for filter to settle after calibration { while (!(AIE & 0x20)); // Wait for data ready dummy = positive(); // Dummy read to clear ADCIRQ } while (!(AIE & 0x20)) {} // Wait for next result result = positive(); printf ("\n%3bd %7d %5dHz ", chan,decimation,17280/decimation); voltage = result * LSB; printf ("%12lx %f ", result,voltage); } Channels Loop printf("\n FINISHED \n-----------\n"); while(1) ; } //main 3 基于MSC1212的單片機(jī)溫度測控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 基于MSC1212的單片機(jī)溫度測控系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。整個(gè)系統(tǒng)可分為溫度測量、溫度控制、人機(jī)對話、與主機(jī)通信等部分。串口通訊可以把測量數(shù)據(jù)存儲在主機(jī)上，供日后參考，還可以給出導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化的函數(shù)曲線或者分析非穩(wěn)態(tài)傳熱情況下的熱特性。異常報(bào)警、液晶顯示、按鍵、打印電路保證了人機(jī)對話界面的友好，體現(xiàn)了系統(tǒng)的智能性。
3.1 溫度測量 MSC1212內(nèi)部集成了8通道24位高精度Δ-Σ ADC，雖然Δ-Σ ADC的數(shù)據(jù)率很低，但是溫度是緩變信號，用Δ-Σ ADC完全可以滿足要求。本系統(tǒng)所測溫度范圍為-30℃～150℃，用熱電偶測量，要求最大測溫誤差不得超過0.1℃（對應(yīng)大約0.004mV），而MSC1212的ADC輸入范圍為0V～5V（參考電壓選擇2.5V時(shí)），在10Hz數(shù)據(jù)率時(shí)可達(dá)22位有效輸出，充分滿足測量要求，不必加任何模擬放大電路，只要加一個(gè)緩沖器就可以了。熱電偶冷端溫度即環(huán)境溫度由數(shù)字式溫度傳感器測量供熱電偶冷端補(bǔ)償和環(huán)境溫度記錄與顯示。 3.2 溫度控制 MSC1212實(shí)時(shí)測得冷熱板溫度并與用戶設(shè)定的溫度比較，結(jié)合PID控制和模糊控制算法，通過程序控制各路DAC輸出一定的電壓信號（0-5V），分別控制主副加熱器電源電壓（0-48V連續(xù)輸出）、半導(dǎo)體制冷器電源電流（0-25A連續(xù)輸出），電路十分簡單，功率控制的速度和精度同時(shí)得到提高。 3.3 軟件設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能是實(shí)時(shí)采集各路溫度信號和主加熱器電爐絲的電壓電流信號，按照算法要求進(jìn)行功率控制，監(jiān)控溫度傳感器、主副加熱器、半導(dǎo)體制冷器保護(hù)水浴等正常工作，人機(jī)對話以及與主機(jī)通訊等。系統(tǒng)軟件采用模塊化編程結(jié)構(gòu)，由主程序和參數(shù)設(shè)定、系統(tǒng)標(biāo)定、異常報(bào)警、數(shù)據(jù)處理、串口通訊、鍵盤、顯示、打印等子程序組成。系統(tǒng)功能框圖如圖5所示。 4 結(jié)束語 綜上所述，MSC1212單片機(jī)具有豐富的片內(nèi)資源，尤其是內(nèi)置高精度ADC、DAC，使之在本絕熱材料導(dǎo)熱系數(shù)測定儀中的應(yīng)用不但提高了測量精度，而且大大簡化了硬件電路，可以推廣應(yīng)用于其他測控系統(tǒng)中。 |
