電磁流量計信號處理模塊

電磁流量計信號處理模塊
   3．1單片計80C196KC簡介
    近年來，單片機系統(tǒng)在工業(yè)自動化、生產(chǎn)過程控制，智能化儀器儀表等領(lǐng)域的應(yīng)用，有效地提高了生產(chǎn)效率，改善了工作條件，大大提高了控制質(zhì)量與經(jīng)濟效益。80C196KC單片機是一種嵌入式單片機，由于它的高性能的寄存器一寄存器結(jié)構(gòu)，CPU操作直接面向內(nèi)存所有數(shù)據(jù)寄存器，消除了某些單片機只用累加器作運算的瓶頸效應(yīng)，因而運算速度和數(shù)據(jù)吞吐能力大大提高。總線寬度可以控制為8 位或16位．它屬于MCS96系列單片機的HSIO系列，它的性能比Intel公司生產(chǎn)的80C196系列單片機的第二代產(chǎn)品性能要提高25％，它的A／D轉(zhuǎn)換器有8位和10 和兩種工作方式，不僅如此，它通過微代碼處理中斷事件，這樣可以大大減少CPU 響應(yīng)中斷服務(wù)的開銷。正因為80C196KC單片機的良好性能，使得它在汽車電子控制系統(tǒng)及智能化儀表儀器中有了廣泛的應(yīng)用[su2,s4,5"1j。
   3．1．1 80C196KC單片機適合于儀表開發(fā)的特點
   80C196KC單片機是Intel 16位單片機，采用了寄存器結(jié)構(gòu)。CPU的操作是在由寄存器陣列和SFR特殊功能寄存器所構(gòu)成的256字節(jié)寄存器空間進行的。這些寄存器都具有累加器的功能，可使CPU對運算前后的數(shù)據(jù)進行快速交換，同時又提供了高速的數(shù)據(jù)處理能力和輸入輸出能力。80C196KC單片機還具有以下特點，使之非常適于儀表的開發(fā)：
  1．A／D轉(zhuǎn)換有兩種方式，即10位方式和8位方式，我們采用了lO位方式以提高分辨率。當采用10位方式時，輸出結(jié)果為： ％rⅣ．1023×—Vav-A—NGND (3—1) .‰F—ANGND pk為輸入電壓，％EF為參考電壓，ANGND為地線的電壓；
  2．高效的指令系統(tǒng)。該指令系統(tǒng)可以對不帶符號數(shù)進行操作，有16位乘16 位和32位除16位的乘除指令，有符號擴展指令，還有數(shù)據(jù)規(guī)格化指令(有利于浮點運算)等等，這些都是它優(yōu)于MCS-51指令系統(tǒng)之處。
  3．具有六種尋址方式，提高了編程和數(shù)據(jù)處理的靈活性；最多可擴展40個I／0口，同時片內(nèi)的A／D轉(zhuǎn)換器可實現(xiàn)8路模擬量輸入，這有利于儀表的升級換代， 有利于在今后采用更多的傳感器來實現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入。
   3．1．2 80C196KC單片機的結(jié)構(gòu)
   80C196KC單片機是HSl0系列主流產(chǎn)品，由帶有高速輸入／輸出口的系統(tǒng)構(gòu)成， 是第二種CHMOS 196系列單片機。HSl0系列的主要特點是：可運行20MHz的工作主頻；可達1000B寄存器RAM；可動態(tài)配置8位或16位總線寬帶；16位看門構(gòu)定時器；快速寄存器一寄存器結(jié)構(gòu)；總線HOLD／HOLDA協(xié)議；16位定時器和16位計數(shù)器；8通道8位或10位A／D變換；外設(shè)事件服務(wù)器(PTS)：電源的閑置和掉電模式吣城】。圖3-1 80C196KC單片機的硬件總體框圖由上圖3-1該單片機的硬件總體框圖，可以知道，80C196KC的內(nèi)部EPROM／ROM 為16KB，內(nèi)部RAM為512字節(jié)，也有24字節(jié)的專用寄存器。其中PTS稱為外部設(shè)備事件服務(wù)器，能夠提供類似于DMA的響應(yīng)，大大減少了CPU的軟件開銷， 從而提高單片機的信息處理速度，F(xiàn)rs有5種運行方式，PTS矢量與15個中斷矢量相映像。下面就結(jié)合此硬件框圖，對本項目所要涉及到的主要單片機部分做一個介紹：
   3．1．2．1存儲器空間
  80C196KC存儲器的布局圖示于圖3．2，其中0000H～01FFI-I單元和1FFFH～ 2080H單元是有專門用途的，所有其他單元可用于放置程序、數(shù)據(jù)或由存儲器映射的外部設(shè)備占用。
外部存儲器或FOo 內(nèi)宣母Rc嘿函卿RoM或p 外部存儲器一保留一PTs向量一中斷向量一ROIvl／EPROM密鑰p 保留一CCB， 保留一低端中斷向量一P3和P4。外部存儲器一附力口RA^垂一寄存器陣列和外部程序存儲器一OFFFF玨6000H√ 2080lj“ 205E田■ 204忸p 2030l|k 2020玨， 2019H√ 2018】jp 20141玉一2000m 1F，拿阻200l五一10DII．一圖3．2 80C196KC存儲器布局00H～1FFH單元包含寄存器陣列、專用寄存器和256字節(jié)的附加RAM，若企圖從這些單元執(zhí)行指令，那么指令將從外部存儲器取得。這其中，00H～017H是專用寄存器區(qū)，018H～0FFH是寄存器陣列，可由RALU直接訪問，宛如有232 個累加器。100H～1FFH是附加的256字節(jié)RAM。這些RAM靠“垂直寄存器窗” 結(jié)構(gòu)，也可以作為寄存器由RALU直接訪問，因而給程序設(shè)計帶來了很大的方便。另外，ooH～17H單元作為專用寄存器，除了P3和P4外，80C196KC的所有其他片內(nèi)外設(shè)裝置都由這些專用寄存器控制。80c196KC提供了3個水平寄存器窗，以增加專用寄存器空間，使得MCS--96系列芯片能保持向上兼容。具體包括水平窗0，水平窗1和水平窗15。
   3．1．2．2寄存器窗口
   MCS--96系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的之一是取消了常規(guī)的累加器結(jié)構(gòu)，使RALU 的操作可直接面向整個寄存器空間。由于采用的是8位尋址段，RALU在同一時刻可直接尋址的寄存器位256字節(jié)。采用寄存器窗口技術(shù)，靠簡單的切換寄存器窗口，使RALU可以訪問更多的寄存器。80C19KC采用了水平窗口和垂直窗口兩種結(jié)構(gòu)，窗口之間的轉(zhuǎn)換，由窗口選擇寄存器WSR的低7位控制，WSR的定義見圖3．3，其中位WSR．7(HODEN)是HOLD／HLDA總線交換協(xié)議選通位。WSR： 圖3-3窗口選擇寄存器WSR
  a、水平窗口結(jié)構(gòu)，可以使直接尋址的專用寄存器的字節(jié)數(shù)大大增加，3個水平窗口為：窗口0、1和15。切換水平窗口后，可以把水平窗口的24字節(jié)映射到寄存器陣列的低24字節(jié)，專用寄存器WSR的低4位用于選擇水平窗口，切換的辦法很簡單，只要把的水平窗口號寫到WSR的低4位，并使WSR的位4至位6為0就可以了；
  b、垂直窗口結(jié)構(gòu)，因為片內(nèi)RAM512字節(jié)，其中低256字節(jié)可直接尋址，若不采用專門的措施，高256字節(jié)只能利用16位變址或間接尋址。這樣，高256字節(jié)就只能作為普通的片內(nèi)RAM使用，而不能作寄存器使用了。采用了垂直窗口結(jié)構(gòu)，就可以把512字節(jié)RAM中的任何一個部分映射到00H～0FFFI空間中的頂部， 因而CPu就可以對它們直接尋址，即把被映射的部分當作寄存器使用，使得通用寄存器數(shù)增加了256個字節(jié)。垂直窗口技術(shù)把00H～IFFH共512個字節(jié)分為32 字節(jié)、64字節(jié)或128字節(jié)的窗口，利用垂直窗口切換指令，把的窗口映射到寄存器陣列(c10時～0FFrI)的頂部，如圖34： 圖3-4 80C196KC的垂直窗口向WSR寄存器寫入適當?shù)臄?shù)據(jù)，就可以實現(xiàn)垂直窗的切換，寫入的數(shù)據(jù)是這樣規(guī)定的，W6、W5、W4窗口的大小，其中； W6W5W4=100 為32字節(jié)窗口=010 為“字節(jié)窗口=001 為128字節(jié)窗口W3～W0了窗口號，如圖3．3，窗口大小為32字節(jié)時，窗口號為0～15： 窗口號為64字節(jié)時，窗口號為0～7；窗口為128字節(jié)時，窗口號為0～3。垂直窗口技術(shù)可以大大加速程序運行速度和精簡程序結(jié)構(gòu)。在中斷服務(wù)程序或子程序中，其優(yōu)點尤其顯得突出。增添了新的256字節(jié)寄存器，使得每個服務(wù)程序都可能擁有自己的寄存器組，而在服務(wù)程序的入口和出口處，可以用簡單的垂直窗口切換指令代替常用的入棧、出棧指令。程序設(shè)計時，可以把488字節(jié)的片內(nèi)RAM劃分為2類：一類是局部變量，屬各中斷服務(wù)程序或子程序?qū)Ｓ茫么怪贝翱诩夹g(shù)進行切換；另一類是全局變量，用于各子程序和主程序之間傳遞結(jié)果數(shù)據(jù)，通常占用寄存器陣列的較低地址，不用窗口技術(shù)。
   3．1．2．3中斷系統(tǒng)
  中斷系統(tǒng)向量框圖如圖3-5， 圖3-5中斷向量框圖下面就中斷系統(tǒng)框圖的圖示作一解釋，關(guān)于中斷源的概念是：外部設(shè)備或者是單片內(nèi)部的有關(guān)部分，為了實現(xiàn)某種需求而向CPU提出中斷申請，要求為其服務(wù)，這些中斷請求的發(fā)源地就稱為中斷源。80C196KC單片機總共提供了28個各中斷源，18個中斷向量。其中非屏蔽中斷NMI、軟件陷阱TRAP和非法操作碼中斷是3種特殊的中斷源，各占用了一個專門的中斷向量；其余25個中斷源分享另外15 個中斷向量。一臺功能很強的設(shè)備，總是希望它能為眾多的用戶服務(wù)，而且首先要為重要用戶服務(wù)，對于這么多的中斷源，有可能同時向cPU提出中斷申請，但是，在某～段時間內(nèi)，單片機只能為其中之一盡力。因此，科學管理和正確對待這些中斷源是一項十分重要的工作，在諸多中斷源同時提供請求時，CPU將首先為級別者服務(wù)。不論哪一個中斷申請者，當其要求得到響應(yīng)時，CPU總是去執(zhí)行某一段中斷服務(wù)程序，但事先必須找到該程序的入口地址，存放入口地址的單元又需要標明其地址，這便是中斷向量的概念，所有的中斷源都又自己固定的中斷向量，不可任意挪用或更改。，就我們現(xiàn)在做的項目而言，主要用到了三個中斷源， 分別是定時器中斷，中斷源代碼INT00，中斷向量是2000H，優(yōu)先權(quán)級別是O；高速輸入通道位O數(shù)據(jù)有效中斷，即HIS．0引腳中斷，中斷源代碼INT04，中斷向量是2008H，優(yōu)先權(quán)級別是4；外部中斷，中斷源代碼INT07，中斷向量200EH，優(yōu)先權(quán)級別為7。當任何一個或多個中斷源同時產(chǎn)生由0一l的跳變信號時，跳變信號檢測器就會把它們的要求一向“中斷懸掛寄存器”報告，中斷懸掛寄存器實際上是“登記冊”，80C19KC單片機有兩個8位的中斷懸掛寄存器，只要是跳變信號檢測器介紹進來的來訪者，它都予以登記。所謂的登記，也就是寄存器的有關(guān)位寫上“1”，所有的中斷懸掛寄存器上置1的中斷，單片機都有權(quán)區(qū)別對待它們， 處理這項工作的就是兩個8位中斷屏蔽寄存器，中斷屏蔽寄存器中的每一位分別與一個固定的中斷源相對應(yīng)。某位為1，表示歡迎；反之，就是等待。那些通過了中斷屏蔽寄存器的中斷申請，最后還受程序狀態(tài)字寄存器PSW的第9位控制，就是圖3-5中的總允許位，當PSW的D。=1時，表示中斷允許，否則，中斷不能被執(zhí)行。如果中斷源信號最后允許通過，下面就是優(yōu)先權(quán)編碼的問題了，優(yōu)先權(quán)編碼器根據(jù)中斷源信號的級別進行評選，找出別者，CPU首先為其服務(wù)。把中斷源相對應(yīng)的中斷向量送上內(nèi)部數(shù)據(jù)總線上，CPU從中斷向量的存儲單元里得到中斷服務(wù)程序入口地址，從而執(zhí)行中斷服務(wù)程序，實現(xiàn)中斷調(diào)轉(zhuǎn)。
   3．2電磁流量計勵磁模塊
    本項目的勵磁電路是采用單片機控制的恒流源勵磁方式阻-明m】，其中，基本的恒流源勵磁電路如下圖3-6； 圖3-6基本恒流源勵磁電路這里，由K1、K2、K3和K4組成橋式開關(guān)，傳感器勵磁線圈接在橋式開關(guān)的對角線上。開關(guān)K1、K4和K2、K3分別受勵磁控制脈沖negative和positive的控制，(其中，negative接80e196kc單片機的P1—6引腳，positive接P1—4引腳) 交替地導通和截止。當開關(guān)K1和K4導通時(這時開關(guān)K3和K2截止)，電流由電源Ec自右向左流過勵磁線圈L、晶體管T和采樣電阻R；開關(guān)K3和K2導通時(這時開關(guān)K1和K4截止)，電流由電源Ec自左向右流過勵磁線圈上，晶體管T 和采樣電阻R。流過勵磁線圈的電流方向，隨控制開關(guān)negative和positive的變化而變化，電流的方向改變和控制脈沖一致，電流的大小由‘-B／R決定。由于本項目的勵磁方式是通過單片機來控制的，所以具有很好的可調(diào)性，根據(jù)對不同的流體的測量，可以設(shè)定不同的勵磁方式，以供用戶靈活的選擇。默認的，我們選擇了三值低頻勵磁波作為系統(tǒng)的勵磁方式。
   3．3智能型電磁流量計 A／D轉(zhuǎn)換模塊
    在計算機控制系統(tǒng)及各類用單片機(或微處理器)構(gòu)成的智能儀器儀表中， 所要用的外部模擬信號要進入計算機就必須要通過A／D轉(zhuǎn)換，變換為數(shù)字信號。而在本系統(tǒng)中，雖然所用的單片機80c196kc具有內(nèi)置的A／D轉(zhuǎn)換器，但其內(nèi)置的轉(zhuǎn)換器，只能將模擬電壓轉(zhuǎn)換成一個8位或10位的數(shù)字量，這對于電磁流量計來說，其精度和分辨率是達不到要求的，所以在這里，我們采用一種新型的12位低功耗模／數(shù)采樣轉(zhuǎn)換器ADS7806u，ADS7806u是美國BURR．BROWN公司所推出12位轉(zhuǎn)換器，它采用state-of-the．a(chǎn)rt CMOS結(jié)構(gòu)，可以在25us內(nèi)就完成數(shù)據(jù)的讀取和轉(zhuǎn)換，而它的功耗也就35roW，在輸入IkHZ的信號時，其最小信噪比可以達到72db，電壓方面，可提供3種方式，標準的±10v，0-5v，和0-4v。在數(shù)字輸出方面，有并行及串行兩種方式，具有很大的靈活性。在這里，我們采用的是并行輸出的方式[3“z,55“J。接口電路如下： 圖3—7與單片機的并行接口電路由上圖3-7，D7’D0是接在數(shù)據(jù)總線上，Rc腳接單片機的P2-7，BYTE接的是單片機PI-0，叫SY(2 4腳)接的是外部中斷INTR(P2—2)，因為BUSY腳是表示轉(zhuǎn)換的結(jié)束，所以這里我們用中斷來更方便的讀取數(shù)據(jù)，一旦BUSY腳變?yōu)楦唠娖剑?就產(chǎn)生中斷，在中斷服務(wù)程序里面，完成對轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的讀取。該轉(zhuǎn)換器具體的過程為：首先，Cs和RC腳變低至少40ns，啟動轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換模擬信號，BUSY腳電平拉低表示開始轉(zhuǎn)換，直到轉(zhuǎn)換器內(nèi)部輸出寄存器數(shù)據(jù)得到更新，即轉(zhuǎn)換完成，在BUSY腳保持低電平時，所有的轉(zhuǎn)換指令將不被響應(yīng)，另外，在BUSY腳變高前，CS 和Rc腳必須已經(jīng)為高，否則新一輪的轉(zhuǎn)換會在轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)還沒有足夠的時間被讀取的情況下，就開始又一次的轉(zhuǎn)換了。在這里，因為我們說的是并行輸出，所以ExT／INT(8腳)和DATACLK(18腳)就保持低電平，而SD^TA(19腳)就懸空。在轉(zhuǎn)換完成以后，BUSY腳電平自動拉高，這樣，在C S腳的下降沿即把轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出到數(shù)據(jù)總線上，因為我們轉(zhuǎn)換的結(jié)果是1 2位的，所以要分兩次讀取，而這個功能是由BYTE(21)腳來實現(xiàn)，當BYTE(21)腳是低電平時，數(shù)據(jù)總線上輸出高8位，反之，輸出低4位。
   3．4電磁流量計按鍵模塊
   在鍵盤接口電路方面【4“幢“，我們采用了如下圖3-8所式的電路結(jié)構(gòu)形式： VCC 圖3—8鍵盤接n電路我們用4個按鍵來對儀表進行數(shù)據(jù)及命令的輸入，電路中的四個鍵，分別為加一鍵、移位鍵、設(shè)定鍵、確定鍵，具體來說就是，對于參數(shù)的設(shè)定，在正常計量狀態(tài)或報警狀態(tài)下按“確定鍵”進入，通過不斷的按“設(shè)定鍵”來設(shè)定各級之間的切換。當要設(shè)定具體的某一級參數(shù)時，通過“移位鍵”在當前屏幕顯示位之間切換，通過“加一鍵”使當前位上的數(shù)值加一。完成設(shè)定以后，應(yīng)按“確定鍵” 退出，回到正常的計量狀態(tài)。在本項目中，我們對鍵值的讀取是通過中斷來控制的，當某一個按鍵按下時，或門產(chǎn)生一個信號，作用于單片機，產(chǎn)生一個外部中斷，在外部中斷服務(wù)程序里，通過一定的延遲，去除鍵盤的前沿抖動，然后對鍵盤進行讀取，用這種方法讀取鍵值，基本可以做到正確的判斷與鍵值的讀取。并且接口電路簡單，占用CPU的時間也少，而對于程序的設(shè)計，也是很方便的。
   3．5 智能電磁流量計LCD液晶顯示模塊
   LCD具有耗電低，驅(qū)動電壓低(正負幾伏)，結(jié)構(gòu)空間小而有效面積大、體薄物輕等優(yōu)點，廣泛用于儀器儀表的應(yīng)用中。在我們這個流量計的設(shè)計中，采用了TRULY SEMICONDUCTORS LTD的MSD-G12864點陣圖形示液晶顯示器來顯示累積流量、瞬時流量等數(shù)據(jù)信息，MGl2864液晶顯示模塊自帶兩個KS0108B和一個顯示驅(qū)動控制器，兩個KS0108B分別控制左右兩個半屏(64X64)象素點的顯示，KS0107B 作為用64行的行驅(qū)動控制似川．其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖3-9所示： 啪●一BLvOC BU跚圖3-9 MGl2864液晶顯示模塊結(jié)構(gòu)框圖其中VSS表示邏輯地連接端，提供工作電源參考地；VCC表示供電電源連接端，提供LCD工作的電源；LCDVIN表示LCD工作電源輸入端，提供LCD工作的電源：RS表示內(nèi)部功能寄存器選擇信號，提供內(nèi)部功能選擇的輸入端，當RS =H時，為選擇數(shù)據(jù)寄存器，當RS=L時，為選擇命令或狀態(tài)寄存器；R／W表示讀／寫操作控制端，提供讀／寫操作的輸入信號，R／W=H為讀操作，R／W=L為寫操作；E表示片選使能，提供選通工作的輸入信號，高低平有效；DB0～DB7為內(nèi)部數(shù)據(jù)總線，提供數(shù)據(jù)輸入，輸出的信息交換通道；CSl表示片選輸入端，提供KS0108B(1)片選信號；CS2亦表示片選輸入端，提供KS0108B(2)片選信號； RSTB表示復位控制輸入端，低電平有效：VOUT表示驅(qū)動電壓輸出端，提供uD 驅(qū)動電壓輸出；BLVCC表示背光電源輸入端，提供背光電路的電源；BLGND表示背光地，提供背光電路的參考地。MGl2864液晶模塊簡單的工作原理可以表述為：MGl2864液晶模塊經(jīng)數(shù)據(jù)總線接收外部微處理器發(fā)來的指令和數(shù)據(jù)，并存入內(nèi)部的指令或數(shù)據(jù)寄存器中，在這些控制指令的控制下，行、列驅(qū)動器對128×64點陣的LCD顯示屏進行控制， 從而實現(xiàn)所需信息的顯示． MGl2864液晶顯示模塊的對外接口實質(zhì)上就是KS0108B及KS0107B控制器與微處理器的接口。利用MGl2864液晶顯示模塊文本或圖形，就其接口技術(shù)來講， 通常需要考慮兩個問題，其一就是接口的邏輯設(shè)計，其二就是接口的時序設(shè)計。接口的邏輯設(shè)計就是根據(jù)MGl2864液晶顯示模塊提供的接口信號，結(jié)合微處理器系統(tǒng)讀寫外部I／O設(shè)備的操作方式，設(shè)計出微處理器系統(tǒng)控制液晶顯示模塊的硬件接口電路；接口的時序設(shè)計就是根據(jù)已設(shè)計好的硬件接口電路，根據(jù)微處理器系統(tǒng)操作外部I／O設(shè)備的讀寫時序，設(shè)計出可以滿足液晶顯示模塊讀寫時序要求的實現(xiàn)時序，若硬件接口電路不能滿足時序要求，則需對硬件電路進行適當修改或增加可編程接口電路。通常，MGl2864液晶顯示模塊與微處理器的連接方式有兩種，一種是直接控制方式，另一種是間接控制方式。直接控制方式就是將液晶顯示模塊的接口作為存儲器或I／O設(shè)備直接掛在微處理器總線上，微處理器以控制存儲器或I／O設(shè)備的方式操作液晶顯示模塊的工作。間接控制方式就是微處理器通過自身的或系統(tǒng)中的并行接口與液晶顯示模塊連接，以達到對液晶顯示模塊的控制。對于本項目的研究，我們采用的是直接控制方式，具體的電路連接方式為：P31(A9)作為RS 信號控制寄存器的選擇，P30(AS)作為R／W信號控制數(shù)據(jù)總線的數(shù)據(jù)流向，DB0～ DB7接P4，P33(A11)接CSl，P32(A10)接CS2。