基于低功耗单片机的智能综合仪表设计.doc

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1、资资料来源料来源电子下载网下下载时间载时间2010-8-16 18:26:50本文地址本文地址http:/ 引言引言现在，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

2、度、高可靠性稳定性的特点。采用高亮度LED背光19264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 智能智能综综合合仪仪表的硬件表的硬件结结构框构框图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 智能智能综综合合仪仪表的硬件表的硬件详细设计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

3、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

4、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

5、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PW M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192128，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

6、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

7、。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J

8、MEL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NANDFLAS H。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

9、。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

10、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 仪仪表的系表的系统软统软件主要架构件主要架构设计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

11、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本文作者创创新点新点: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。推荐阅读：(按住 Ctrl 鼠标左键点击标题可以打开详细内容)1、IC检测方法2、什么是遥感技术3、什么是无线网址4、制冷设备维修技巧5、什么是色温6、手机RF设计问答7、微波简史8、微波小知识9、卫星导航知识10、卫星与遥感技术