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一、概述

工業(yè)上常常需要記錄溫度、壓力、流量等信息，常規(guī)模擬記錄儀由于功能少、顯示單一、需要記錄筆的缺點(diǎn)，正被無紙記錄儀取代。

作為一款以微處理器為核心、集液晶漢字與圖形顯示為一體，具有無紙記錄、實(shí)時(shí)性好、通用性好、精度高、帶通信功能的智能化儀表，其市場(chǎng)廣闊。目前許多廠商正將目光聚焦于無紙記錄儀的彩屏化、大容量存儲(chǔ)、超大屏幕液晶顯示等功能；然而對(duì)于用戶來說，最關(guān)心的是精度與可靠性、性價(jià)比等儀表的綜合性能，因此研究此類問題尤為關(guān)鍵，依據(jù)市場(chǎng)調(diào)查信息研制開發(fā)了高性能無紙記錄儀，提高了整體性能與可靠性。

二、設(shè)計(jì)方案

如下圖1，來自外部傳感器的模擬信號(hào)（壓力、溫度、流量等）經(jīng)過前端處理后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，經(jīng)過信號(hào)隔離后送入單片機(jī)完成數(shù)據(jù)處理，由LCD顯示當(dāng)前的壓力、溫度、瞬時(shí)流量、累積流量等信息。通過鍵盤操作，可在各界面之間切換，分別顯示各通道的實(shí)時(shí)、歷史數(shù)據(jù)及曲線、報(bào)警情況、斷電情況,以及每月、日、年度的累積流量。另外，提供通訊功能，可以通過和上位機(jī)通過串行口讀寫參數(shù)與運(yùn)行數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)打印等信息交互。

三、硬件組成

如圖1，高性能無紙記錄儀由信號(hào)采集、MSP430F149（以下簡(jiǎn)稱430）、液晶顯示及鍵盤、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、通訊等模塊組成。

3.1MSP430F149單片機(jī)

MSP430F149是具有60K閃存ROM、2K RAM、 6個(gè)端口、2個(gè)16位計(jì)數(shù)器、兩路UART通信端口、具有端口和計(jì)數(shù)等多種中斷模式、5種省電模式的高集成單片機(jī)，特別適用于復(fù)雜儀表系統(tǒng)的開發(fā)。

3.2信號(hào)采集模塊

外部信號(hào)有標(biāo)準(zhǔn)電流、電阻、mV電壓、頻率信號(hào)等。當(dāng)為模擬量時(shí)，為提高測(cè)量精度采用了4通道差分輸入、自帶儀表放大器、濾波器的16位精度、 SPI接口的AD 芯片CS5523芯片，通過光耦隔離后和430進(jìn)行通信。如圖2(a)、（b）、(c)分別是輸入為電流、熱電偶mV電壓、熱電阻信號(hào)時(shí)的處理電路。其中當(dāng)熱電阻輸入時(shí)，采用高精度雙路精密電流源REF200提供,最終接入AD 采樣端的信號(hào)U=UAN+-UAN-=(Rt+2r)I0-(R0+2r)I0=(Rt-R0)I0，可見消除了熱電阻導(dǎo)線電阻r的影響，保證了較高的測(cè)量精度。當(dāng)頻率輸入（如渦街流量計(jì)輸出）時(shí)，采用光耦隔離后輸入430的TIMERA計(jì)數(shù)模塊進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)。

3.3液晶顯示與鍵盤模塊

高性能無紙記錄儀采用3V、并口輸入128*64點(diǎn)陣形液晶模塊JM12864，實(shí)現(xiàn)圖文的綜合顯示。采用2*3線接口，共6個(gè)按鍵，分別為前后追憶、通道、時(shí)標(biāo)、確認(rèn)、翻頁，通過弱上拉和430的P2口相連，采用上升沿觸發(fā)的方式產(chǎn)生中斷通知430進(jìn)行處理。

3.4數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

為方便保存儀表參數(shù)，了解工藝參數(shù)歷史，采用了兩片EEPROM存儲(chǔ)器24C512。一片用于存儲(chǔ)通道運(yùn)行數(shù)據(jù)，另一片用于分區(qū)存儲(chǔ)密度、漢字及字符字模數(shù)據(jù)、系統(tǒng)參數(shù)、記錄時(shí)間、掉電情況等信息，兩片存儲(chǔ)器通過弱上拉電阻并聯(lián)于同一總線上。

3.5實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊

為了記錄系統(tǒng)的掉電、當(dāng)前時(shí)刻下的日、月、年累積流量，需要實(shí)時(shí)時(shí)鐘信號(hào)。這里采用通用ds1302芯片作為時(shí)鐘信號(hào)，由法拉電容作為備份電源。

四、軟件設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)主程序及中斷

如圖3，主程序以檢測(cè)時(shí)間間隔為主線，分別進(jìn)行流量計(jì)算、實(shí)時(shí)信息記錄等操作，同時(shí)處理各外部事件。如圖4，中斷程序檢測(cè)各種中斷（由TIMERB連續(xù)計(jì)數(shù)提供的0.5s采集定時(shí)、鍵盤、通信等中斷），進(jìn)行必要處理后記錄此信息，發(fā)送標(biāo)志到主程序等待處理。

4.2 數(shù)據(jù)采集

將芯片復(fù)位,檢測(cè)并設(shè)定Configuration寄存器(包含轉(zhuǎn)換模式、復(fù)位標(biāo)志、放大器截止頻率等參數(shù)),CSR（Channel- Setup寄存器,包括內(nèi)部放大器增益、數(shù)據(jù)傳輸速率、通道、輸入電壓極性等設(shè)置）后，發(fā)送啟動(dòng)轉(zhuǎn)換命令，等待轉(zhuǎn)換完成(完成后SDO線會(huì)自動(dòng)變?yōu)?)。需要注意的是在系統(tǒng)在高電平時(shí)讀數(shù)，低電平時(shí)鎖存數(shù)據(jù)，必須嚴(yán)格保證系統(tǒng)時(shí)序，否則將引起讀寫錯(cuò)亂。

4.3 流量計(jì)算

先根據(jù)流量模型（開方、線性等）得出流量計(jì)在工業(yè)狀況下的體積流量,一般需要轉(zhuǎn)化為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)狀況下的流量,這里根據(jù)儀表設(shè)置中的流量補(bǔ)償模式（一般氣體，、溫度/壓力補(bǔ)償、過熱蒸汽、飽和蒸汽等），查表得到密度，計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)流量，提高精度

4.4 液晶顯示

包括數(shù)據(jù)和曲線顯示，是通過將相應(yīng)液晶點(diǎn)寫為1或0(亮或暗)實(shí)現(xiàn)的。128列*64行點(diǎn)陣LCD在顯示時(shí)是以字節(jié)方式進(jìn)行操作的，一次寫入1 列8行（共8個(gè)點(diǎn)），因此在數(shù)據(jù)顯示時(shí)，首先要將字符所對(duì)應(yīng)的字模數(shù)據(jù)，以從左到右、從上到下（列序）的取模方法順序?qū)懭氡砀裰小Ｔ陲@示時(shí)查表將字模數(shù)據(jù)依次寫入LCD即可。在顯示曲線時(shí)，通過兩點(diǎn)之間連折線的方式進(jìn)行,其過程如圖5、圖6所示。

4.5 鍵盤處理

負(fù)責(zé)界面切換（流量顯示、實(shí)時(shí)/歷史曲線、設(shè)定模式等界面）、菜單選擇、參數(shù)設(shè)置（包括通道類型、量程、切除、報(bào)警設(shè)定，流量模型及系數(shù)K設(shè)定，流量補(bǔ)償模式及公式參數(shù)值設(shè)置，通訊參數(shù)設(shè)置，密碼設(shè)置，時(shí)間設(shè)置等）。

五、設(shè)計(jì)關(guān)鍵

5.1 合理的程序流程

（1）消息機(jī)制：系統(tǒng)需要處理的事件較多，有各種中斷，若中斷處理時(shí)間過長(zhǎng)，則會(huì)使系統(tǒng)不能及時(shí)進(jìn)行其它處理，導(dǎo)致系統(tǒng)錯(cuò)誤。如若將流量計(jì)算程序置入數(shù)據(jù)采集定時(shí)中斷處理程序中時(shí)，有時(shí)會(huì)使系統(tǒng)很難完成正常的串行通信。在此借鑒了WINDOWS系統(tǒng)消息處理機(jī)制，如4.1所述，即當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生外部中斷時(shí)，只是進(jìn)行很少的必要操作，然后將該中斷作標(biāo)記，由主程序空閑時(shí)檢查此標(biāo)志。

（2）菜單處理：將菜單按深度進(jìn)行定位，系統(tǒng)共有三級(jí)菜單用Step[3]表示，根據(jù)Step[i]值判斷當(dāng)前菜單位置，增強(qiáng)軟件的條理性。

5.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)效率

儀表要記錄的通道歷史數(shù)據(jù)較長(zhǎng)，在有限的存儲(chǔ)空間應(yīng)高效利用所有存儲(chǔ)區(qū)域。這里采用記錄各通道數(shù)據(jù)占通道量程比例的方式來壓縮數(shù)據(jù)，將比例限定在0-65535之間（2個(gè)字節(jié)，對(duì)應(yīng)0-100%）。對(duì)于數(shù)據(jù)要求不高的場(chǎng)合設(shè)定采用1個(gè)字節(jié)來表示。經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)知，可有效拓展記錄長(zhǎng)度。

5.3 數(shù)據(jù)運(yùn)算的速度與精度

（1）雖然430可以進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算，但運(yùn)算將會(huì)消耗大量資源，而且浮點(diǎn)數(shù)一般只能保留7位有效數(shù)字，因此在進(jìn)行大數(shù)和小數(shù)運(yùn)算時(shí)，會(huì)丟失許多有效位，使結(jié)果極不準(zhǔn)確。筆者采用長(zhǎng)整數(shù)記錄有效數(shù)字，字符整數(shù)記錄小數(shù)點(diǎn)位置組合表達(dá)數(shù)據(jù)的方式進(jìn)行運(yùn)算，有效提高了速度和精度。

（2）當(dāng)外部信號(hào)為頻率輸入時(shí)，應(yīng)將TIMERA配置為最大連續(xù)計(jì)數(shù)方式，僅在計(jì)數(shù)溢出后清除溢出標(biāo)志，然后根據(jù)前后1s內(nèi)兩次脈沖之差（考慮是否溢出）得出脈沖數(shù)，否則可能會(huì)丟失脈沖。

（3）采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性是影響精度的主要因素，必須保證CS5523參考電壓的精度，并要求在電源穩(wěn)定后采樣；在進(jìn)行通道切換后應(yīng)把第一次轉(zhuǎn)換結(jié)果拋棄，否則將會(huì)引起很大的干擾誤差。即便如此，由于電路噪聲、標(biāo)準(zhǔn)電阻使用環(huán)境及接線的影響有時(shí)還會(huì)導(dǎo)致采樣不準(zhǔn)，此時(shí)需要采用CS5523自身的校驗(yàn)方式去除失調(diào)電壓，并通過軟件進(jìn)入校驗(yàn)?zāi)Ｊ剑�采用�?biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)進(jìn)行標(biāo)定。

5.4 系統(tǒng)的可靠性

采取了以下實(shí)用的措施保證可靠性：

（1）干擾主要是通過電源和外部輸入引入的，為防止系統(tǒng)意外重起或死機(jī)，這里采用電源濾波器和光電耦合隔離的方式。

（2）采用看門狗保障系統(tǒng)在故障情況下自動(dòng)恢復(fù)運(yùn)行[。

（3）在對(duì)LCD和EEPROM寫入數(shù)據(jù)后，立刻讀出所寫數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，保證數(shù)據(jù)傳輸正確。

（4）采用內(nèi)部備份電源，掉電后自動(dòng)保存所有數(shù)據(jù)并進(jìn)入休眠狀態(tài)。

（5）理清程序結(jié)構(gòu)，采用模塊化方法提高可移植性。

5.5 系統(tǒng)的適應(yīng)性

由于工業(yè)測(cè)量介質(zhì)的多樣化，介質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)密度表不盡相同，而且隨著傳感器技術(shù)的不斷進(jìn)步，可能出現(xiàn)新型熱電偶或熱電阻。為增強(qiáng)系統(tǒng)的靈活性，在軟件上預(yù)留特殊的輸入類型，只要將設(shè)定在廠商模式下，即可通過串口向內(nèi)部EEPROM寫入密度或分度表數(shù)據(jù)。

五、結(jié)論

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：以提高系統(tǒng)精度、可靠性和易用性為設(shè)計(jì)核心，采用了高精密自校驗(yàn)的采集方案，軟件上借鑒了WINDOWS的消息機(jī)制，提出了采用整型數(shù)據(jù)代替浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算等提高速度和效率的方案，并開放內(nèi)部表格提高了系統(tǒng)的靈活性。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)整機(jī)的精度可達(dá)到0.2%以上，且具有較好的人機(jī)接口、適應(yīng)性和可靠性，因此應(yīng)用前景廣闊。