電磁流量計中的單片機系統

電磁流量計中的單片機系統
   本測量的單片機系統用到的是TI公司的16位單片機MSP430F149，與晶振輸入模塊、復位電路、鍵盤模塊和LCD顯示模塊共同構成的單片機系統。該部分主要電路如圖3．4所示。圖3．4單片機主體電路
  3．3．1 MSP430F149的特點-中儀孔板流量計
   MSP430F149單片機是Ⅱ公司的一類具有16位總線的帶FLASH的單片機，由于其性價比和集成度高，受到廣大技術開發人員的青睞。MSP430F149單片機工作電壓為1．8V，在1MI-Iz時鐘條件下，工作電流僅有350aA；具有5種低功耗工作模式，在不同的工作模式下，工作電流可下降70aA．O．1 aA。MSP430F149單片機還具有強大的中斷功能，有上電中斷、復位中斷、看門狗中斷、錯誤寫操作中斷、定時器中斷、比較中斷、串口中斷、S／D轉換中斷、I／O端口中斷等。隨著自動控制的高速化和低功耗化，MSP430F149系列將會得到越來越多人的喜愛。正因為此單片機的良好性能，使得它在電子控制系統及智能化儀表儀器中都有著廣泛的應用。
   3．3．2 MSP430F 149的硬件結構
   MSP430F149單片機之所以具有這樣的特性是因為它特殊的硬件結構。它采用16位的總線，外設和內存統一編址，尋址范圍可達64K，還可以外擴展存儲器。具有統一的中斷管理，具有豐富的片上外圍模塊，片內有精密硬件乘法器、兩個16位定時器、一個14路的12位的模數轉換器、一個看門狗、6路I／O端口、兩路USART通信端口、內部具有60kB+256B的FLASH寄存器，2K數據存儲器，一個比較器、一個DCO內部振蕩器和兩個外部時鐘。MSP430F149的CPU內置16個寄存器，寄存器之間的操作僅需要一個指令周期，其中R0到R3 這四個寄存器可以用來當作程序計數器，堆棧指針或是狀態寄存器，剩下的都是通用寄存器。
   其系統基本構成如圖3．4所示。圖3．5內部功能板塊圖
  在此對其主要部分進行一些簡單的介紹：
  (1)孔板流量計之中斷請求及存儲器
   中斷請求在MSP430F149中得以廣泛的應用，它能夠快速的進入中斷程序，之后再返回中斷前的狀態，其時序為：PC執行程序一中斷允許置位_SR中的GIE 置位_EINT(中斷開)中斷到，中斷標志位(IFG)置位_從中斷向量表中讀取中斷程序的入口地址，進入中斷程序_執行中斷程序一中斷允許復位一I通TI中斷返回到原來地址。具體應用將會在應用程序中的到應用。MSP430F149單片機的片上存儲器共為64K，對存儲器的訪問可以用間接尋址，存儲器的空間分布如圖3．6所示： 0FH 0FFH 0100H 09FFH OA00H FCOH FFEOH 0H 010H 01FFH 0200H OFBFH 010FFH FFFFH SFR(特(I／O端(16位數據存專用為信息段中斷向殊功能寄口、8位外轉模儲區， FLASH 1 100H—-FF 量地址存器) 外轉模塊、RAM區引導區DFH為程序塊) TIMER 代段、FLASH型ADC) ROM區圖3．6存儲器空間分布
   (2)定時器和時鐘模塊
   MSP430F149中主要有看門狗、兩個16位的定時HA(Timer A)和定時器B (Timer B)等模塊。由于定時器的是16位的，則可以在秒數量級上定時，且具有2 個中斷向量，便于處理各種定時中斷。利用定時器的比較模式可以產生PWM(數字脈沖調制)波形輸出，再經過低通濾波器可以產生任意函數的波形，也就是說， 可以通過定時器的比較模式實現數模轉換功能。另外，定時器還具有捕獲模式，可以通過定時器的捕獲功能實現各種測量，比如脈沖寬度測量，如果和比較器結合， 還可以測量電阻、電容、電壓、電流、溫度等，只要能通過傳感轉換為時間長度的， 都可以通過定時器的捕獲定時功能實現值的測量。MSP430F149的時鐘可以自由選擇，它包括一個內部DCO時鐘和另外兩個外部時鐘，內部時鐘的頻率可達到lMHz。外部可以接兩個時鐘，一個可接鐘表晶振或標準晶振，另一個可以接時鐘頻率為8MHz的晶振，而8MHz也是單片機的工作頻率。內部數控晶振(DCO)允許單片機在6／ts的時間里由低功耗模式變為喚醒模式。對基礎時鐘的控制，只需要對相應的控制寄存器寫入相應的控制位就可以得到所需要的時鐘，且可以從相應的端口測的時鐘頻率。
  (3)I／O口
   MSP430F149有6個8位的FO I l，每一個都可以獨立控制，其中P1和P2端口具有中斷功能，一共可以接16個中斷源，還可以直接利用I／OEI的輸入輸出寄存器，直接對外進行通信。因為所有的I／Ol口都是和其他外設復用的，因此在用端口之前都要用功能選擇寄存器選定所用的功能是外設還是I／O口，選定之后還要在方向寄存器中確定輸出還是輸入。
  (4)比較器
   比較器在整個MSP430系列的單片機中應用都很多，它可以直接作為可轉換為參數的測量，如果加上定時器的捕獲功能，比較器的用途就會更廣泛。比較器屬于硬件型的，雖然很準確，但由于有軟件的控制，造成的時間誤差可能很大。因此存在一段時間的振蕩，這造成測量的誤差大，不能很精確。此外， 比較器的參考電平很方便，可以都自由相加，但不能超過片子的電壓3．3V， 否則不能正常工作。
   (5)USAl玎通信
   通用串行同步異步通信模塊是為了使MSP430F149實現多機通信用的，通過USART口連接到其它器件，可以實現單片機與其它器件工作電平的匹配串行通信，MSP430F149具有兩個通信口，且有同步和異步兩種方式，每一種方式都有獨立的幀格式和控制寄存器，只需要按照需要和幀格式寫入相應的寄存器就可以實現多機通信。由于MSP430F149的波特率產生比較自由，因此異步通信模式用的比較多。在本系統設計中用到了通用串行的SPI模式進行通信。
   3．3．3復位電路和振蕩電路設計
   (1)復位電路
   復位是單片機的初始化工作，復位后處理器CPU及單片機的其他功能部件都處在一個確定的初始狀態，并從這個狀態開始工作。每次上電時，單片機都應進行一次復位。復位電路如圖3．7所示，本系統設計用的復位芯片是MAXIM 公司的MAX809三管腳的微處理器復位芯片，它用于監控微控制器和其他邏輯系統的電源電壓，它可以在上電掉電和節電情況下向微控制器提供復位信號，當電源電壓低于預設的門檻電壓時，器件會發出復位信號直到在一段時間內電源電壓又恢復到高于門檻電壓為止，MAXS09有低電平有效的復位輸出。為了復位， 在電源、振蕩器和反偏置發生器已達到穩定之后，低電平有效的RST輸出至MAX809，當RST腳變低時，單片機就開始狀態周期的復位序列。復位序列會使一些寄存器初始化，會把內容裝載到芯片配置寄存器中。復位操作后，專用寄存器中將會置成相應的值，同時一些引腳也會置為相應初始的狀態值。
   (2)振蕩電路
   時鐘模塊是單片機*的部分，它維持系統的正常運轉。時鐘模塊可以使單片機實現不同的低功耗應用。作為時鐘振蕩電路，要提供單片機芯片內部各個部分的工作時鐘信號，同時也要為外接電路提供可靠的同步時鐘信號。振蕩電路的工作狀態直接影響到系統的性能。本系統設計中所用的MSP430F149，它主要是由高速晶體、低速晶體和數字控制振蕩器等構成的。它既可以使用外部時鐘源，同時也可以使用內部的時鐘振蕩器。本設計采用的是外接時鐘源的方法，且采用的高速晶體為主系統提供時鐘。具體的外圍振蕩電路的原理圖如圖3．8所示。圖3．8振蕩電路
   圖中主要包括以下幾個元件：8MHz的晶體振蕩器XTAL，相位調整電容C1， 增益調節電容C2。由于系統需求在較高的速率下運行，且保證精確的波特率， 所以選擇了外接高速晶體。對于外接電容，根據TI公司的單片機數據手冊給出的相關參數，選擇T56pF的電容。
   3．3．4鍵盤接口電路設計乜5’26’30’3訂
   鍵盤在CPU的應用系統中，可以實現外部設置輸入、工作模式選擇輸入、菜單翻閱等功能，它是人機交流的主要手段。在電磁流量計中，運用鍵盤可以調整和設置與流量相關的參數。在本系統設計中，采用三個按鍵來對儀表進行數據及命令的輸入，其接口電路如圖3．9所示。其中，SWl為箭頭向上的“數值增加鍵’’，它用來將某一位的數值產生0至1]9之間數字的循環變化；SW2為箭頭向左的“設定確認鍵”，它用于確認己經完成的設置，并使液晶顯示頁的功能菜單面轉向下一頁，最終直到液晶顯示屏幕顯示的初始狀態。SW3為箭頭向右的“進入設定鍵”，它用于調整和設置參數時的進入設定以及各級菜單之間的切換。鍵盤按鍵所用開關一般為金屬接點輕觸開關，利用了機械觸點的合、斷作用。由于機械觸點的彈性作用，一個按鍵開關在閉合和斷開的瞬間往往有一連串的抖動，抖動過程會引起電平信號的波動，這就有可能使得單片機錯誤的判斷為多次按鍵操作，而導致誤處理。為了確保CPU對一次按鍵動作只確認為按鍵一次，就必須消除按鍵的抖動影響。對于按鍵的抗抖動，通常有軟件和硬件兩種消除方法。圖3．9鍵盤接口電路
   由于電磁流量計的流量測量對數據的精確性提出了很高的要求，本設計中采用了軟件和硬件相結合的抗抖動方法。硬件方面，使三個按鍵連接上RC電路： 分別并聯了一個0．1肚的電容，然后接上一個10K上拉電阻，在硬件設計上起到了鍵盤抗抖動作用，在接口電路實現上比較簡單。在軟件方面，在次檢測到有鍵按下時，執行一段延時子程序后，再確認電平是否仍保持閉合狀態時的電平，如果保持閉合狀態的電平，則確認真正有鍵按下，進行相應處理工；反之，則是誤操作。從而消除了按鍵抖動的影響。對于系統本身來說，鍵盤所采取的工作方式是中斷掃描，當某一個按鍵按下時，單片機就會接受到一個指令， 產生一個外部中斷，然后執行外部中斷服務程序，達到控制要求。所以三個按鍵與單片機的具有中斷功能的P1．5、P1．6、P1．7端口相連。
   3．3．5 LCD接口電路設計刪
   單片機系統中的主要顯示模式有：發光二極管、數碼管(LED)、液晶顯示(LCD)等。液晶作為一種顯示器件，以其*的優勢廣泛應用于各種測量儀器設備中。與其他顯示模式相比，液晶顯示器具有顯示質量高、不會閃爍、采用數字式接口、和單片機的連接簡單等特點。
  (1)液晶模塊介紹
  在本系統設計的電磁流量計中，系統所以采用128x64的圖形點陣液晶顯示模塊來顯示瞬時流量、正反向的累計流量、流向指示等數據信息。通常LCD接口電路上用到的實際上是集成化的液晶顯示器，因為液晶顯示器件本身引線比較的多，而且要將這些引線與驅動、控制等電路連接才能用于顯示信息。因此生產廠家在制造液晶顯示器件的同時，也將與之對應的驅動、控制等電路做成PCB板，然后用壓框和導帶或導電橡膠將液晶顯示器件固定在PCB板上，從而組合形成液晶顯示模塊(LCM)。它是將液晶顯示器件、驅動及控制電路、以及溫度補償、驅動電源、背光等輔助電路組合在一起的一種相對獨立的顯示器件和設備。同時，它具有耗電低，驅動電壓低(正負幾伏)，結構空間小且有效面積大、體薄小、重量輕等優點，廣泛用于儀器儀表的應用中。HFl286481型液晶顯示模塊的引腳定義如表3．1所示：圖3．10液晶模塊的結構圖
   如圖3．10是HFl286481型液晶模塊的結構圖，可以看出該液晶顯示模塊集成了三星公司的兩個KS0108顯示驅動控制器和一個KS0107顯示驅動控制器，兩個KS0108分別作為128YU的列驅動控制芯片，KS0107作為64行的行驅動控制芯片。
   (2)接口電路設計
   HFl286481液晶模塊的對外接口實質上就是KS0108和KS0107控制器與CPU 的接口。在本系統設計中液晶顯示模塊與CPU采用的是直接控制方式，即將液晶顯示模塊的接口作為存儲器或I／O設備直接與系統總線相連，CPU以控制存儲器或I／O設備的方式來控制液晶顯示模塊的工作，具體的接口電路如圖3．11所示。CPU 圖3．11液晶顯示接口電路LCM
   CPU通過高位地址P2．1端口控fl；lJCS2，P2．2端口控帶IJCSl，以選通液晶顯示屏上各區的KS0108控制器，CS2選擇芯片(左半屏)信號，CSl選擇芯片(右半屏) 信號，高電平有效；同時CPU用P2．5端口作為D／I信號用來控制內部寄存器的選擇，D／I為高電平時DATA顯示數據，D／I為低電平時DATA指令數據；P2．4作為R／W信號控制數據總線的信號流向，R／W高電平時為讀LCD內部數據，剛W低電平時為寫數據至ULCD，數據總線則直接與微處理器的數據總線直接相連。同時還須為LCDiII上電位器IU用于顯示對比度的調節，在本系統采用的是10Kf2～ 20K．O的變阻器。擴展閱讀：開封中儀流量儀表有限公司專業生產電磁流量計、孔板流量計、渦街流量計、文丘里流量計、V錐流量計、V型錐流量計、噴嘴流量計、插入式電磁流量計、智能電磁流量計、分體式電磁流量計、一體式電磁流量計、標準孔板流量計、標準孔板、一體化孔板流量計、標準噴嘴流量計、長徑噴嘴流量計、標準噴嘴、長徑噴嘴、插入渦街流量計、智能渦街流量計，更多信息請訪問開封中儀網站：