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1 引言 現在，世界正從工業化、機械化時代邁入信息化時代。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。由于信息源必須準確無誤或最大限度的少誤，所以現代儀器儀表都無不采用多種技術形式綜合集成，在高新技術發展的信息化時代，儀器儀表完全是現代化的綜合因素之一。 本文所設計的基于低功耗單片機的智能綜合儀表是基于智能化、數字化、網絡化新一代智能儀表的設計理念，采用智能調理、靈巧總線、工業網絡、液晶顯示、電子儲存技術，綜合指示儀表、調節儀表、積算儀表與記錄儀表功能，具有高測量控制精度、高可靠性穩定性的特點。采用高亮度LED背光192×64單色點陣液晶顯示屏，支持2通道通用模擬輸入、1通道模擬輸出和2通道的報警輸出。本文具體論述了智能綜合儀表的軟、硬件設計。 2 智能綜合儀表的硬件結構框圖 儀表硬件結構框圖如圖1所示。其硬件結構主要由電源、24V配電輸出、通用信號輸入、模擬信號輸出、報警輸出、液晶顯示接口、按鍵接口、外部存儲器接口、實時時鐘、RS485通信接口這九個部分組成。  圖1硬件結構框圖 3 智能綜合儀表的硬件詳細設計 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，非常適合作為該儀表的混合信號處理器。 3.1 通用信號輸入電路 輸入信號中有電壓信號、電流信號、還有電阻信號，對這些信號都能夠進行測量的輸入端，我們稱之為“通用輸入端口”，如圖2所示。電壓信號通過 input1和input3輸入，測量IN1電壓即測得電壓信號。電流信號從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，設引線電阻為 r，則: U1 = (R+r) × I (1) U2 = (R+2r) × I (2) 2 × (1) – (2), 得 由公式(3)可知PT100的阻值測量只跟U1、U2、I相關，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基準和電阻R4，可算得流經PT100的電流量，然后測得U1，即可計算得到PT100的阻值。 圖2 通用輸入端口 3.2 模擬信號輸出與點陣液晶顯示設計 智能綜合儀表的模擬量輸出是工業標準輸出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模轉換器(DAC)來做到的，但是目前許多單片機內部沒有集成DAC(包括MSP430F149)，即使有些單片機集成了 DAC，DAC的精度往往也不高。在高精度的應用中還是需要外接DAC，顯然這樣就增加了成本。但是幾乎所有的單片機(包括MSP430F149)都提供定時器或者PWM輸出功能。本儀表就是應用MSP430F149的PWM輸出，經過簡單的變換電路來實現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面光設計，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。整個液晶屏的工作電流僅為75mA，比普通點陣液晶屏要低的多，從而大大降低了整個系統的功耗。 3.3 實時時鐘設計 智能綜合儀表具有實時時鐘功能，實時時鐘芯片采用PhilipsPCF8563，具有極高的精確度。采用I2C總線接口，數度可達400KHZ。具有年份和閏年跟蹤。具有可編程警告器，低電壓監測器。計數器的計數范圍從秒到年，另外計數器/定時器可以用于精確地觸發定時應用。內部帶上電復位電路。帶操作時鐘的待機電流很低，在VDD=3.0V和Tamb=25下典型的功耗只有250nA。圖3是PCF8563應用電路圖。 圖3 PCF8563應用電路圖 3.4 按鍵接口與外部存儲器設計 儀表面板上一共有8個按鍵，分別是上、下、左、右、SET、ENTER和兩個特殊功能鍵。上、下、左、右四個鍵分別用來在畫面中向四個方向移動光標，上和下還具有數字的滾動功能，SET鍵用來激活畫面中相應的選項，ENTER鍵用來確認。特殊功能鍵1用來切換組態畫面和系統運行顯示畫面。特殊功能鍵2暫時保留。在設計中采用與液晶屏共用數據端口，通過74HC245來隔離。因為74HC245具有三態輸出功能，所以按鍵和液晶屏不會互相干擾。 儀表提供記錄功能，可以對每個通道的采樣數據每隔一定時間間隔(可設定)進行記錄。外部存儲數據的芯片使用戶JMEL公司的串行FLASH AT25F2048。它由3.3V供電。該芯片相對于NANDFLASH而言具有接口簡單的特點，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。它相對于E2PROM又具有容量大、接口簡單的特點。 AT25F2048容量為256K，一共分為四個段，每段64K字節。每頁256字節。它提供硬件寫保護和軟件寫保護，支持頁寫和字節寫模式，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總線作為一種多點差分數據傳輸的電氣規范，已經成為應用最廣泛的標準通信接口之一。RS485允許在一對雙絞線上進行多點雙向通信，它所具有的噪聲抑制能力、數據傳輸速率、電纜長度及可靠性是其他標準無法比擬的。RS485協議的技術指標:傳輸速率最大為10Mbit/s;最大距離為 1200m;最高為32個節點:單組雙絞線電纜上的雙向主從通信;并行連接的節點、多工通信。 圖4 RS485通信接口 RS485數據信號采用差分傳輸方式，也稱作平衡傳輸，它使用一對雙絞線，將其中一線定義為A，另一線定義為B，一般情況下，發送驅動器A, B之間的正電平在+2V"+6V，負電平在-2V"-6V。另有一個信號地C，在RS-485中還有一“使能”端�！笆鼓堋倍耸怯糜诳刂瓢l送驅動器與傳輸線的切斷與連接。當“使能”端起作用時，發送驅動器處于高阻狀態，它是有別于邏輯“1”與“0”的第三態。接收器也作與發送端相對的規定，收、發端通過平衡雙絞線將AA與BB對應相連，當在收端AB之間有大于+200mV的電平時，輸出正邏輯電平，小于-200mV時，輸出負邏輯電平。接收器接收平衡線上的電平范圍通常在200mV至6V之間。系統中RS485的驅動芯片采用SP485，電路連接圖如圖4所示。 4 儀表的系統軟件主要架構設計 系統軟件主要由系統初始化模塊、數據采樣模塊、數字濾波模塊、數據處理模塊、數字PID控制模塊、液晶驅動模塊、系統運行顯示模塊、系統組態顯示模塊、按鍵處理模塊、FLASH驅動模塊、數據追憶模塊、實時時鐘模塊、通信模塊組成。系統軟件結構圖5。對于各模塊詳細設計，由于篇幅原因這里不再詳細敘述。 圖5 系統軟件結構圖 本文作者創新點: 本文設計的智能綜合儀表從功能上來說具有以下幾個特點: 1、儀表具有多樣化的功能，它集記錄儀表、數顯儀表、積算儀表、調節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，應用范圍廣；3、儀表具有很好的實時性，能滿足用戶對實時性的需求；4、儀表具有標準化的總線接口。 |
