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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，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、實時性好、通用性好、精度高、帶通信功能的智能化儀表，其市場廣闊。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、超大屏幕液晶顯示等功能；然而對于用戶來說，最關(guān)心的是精度與可靠性、性價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)計方案

如下圖1，來自外部傳感器的模擬信號（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)過信號隔離后送入單片機完成數(shù)據(jù)處理，由LCD顯示當(dāng)前的壓力、溫度、瞬時流量、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時、歷史數(shù)據(jù)及曲線、報警情況、斷電情況,以及每月、日、年度的累積流量。另外，提供通訊功能，可以通過和上位機通過串行口讀寫參數(shù)與運行數(shù)據(jù)，實現(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采集、MSP430F149（以下簡稱430）、液晶顯示及鍵盤、數(shù)據(jù)存儲、實時時鐘、通訊等模塊組成。

3.1MSP430F149單片機

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

3.2信號采集模塊

外部信號有標(biāo)準(zhǔn)電流、電阻、mV電壓、頻率信號等。當(dāng)為模擬量時，為提高測量精度采用了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、熱電阻信號時的處理電路。其中當(dāng)熱電阻輸入時，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，保證了較高的測量精度。當(dāng)頻率輸入（如渦街流量計輸出）時，采用光耦隔離后輸入430的TIMERA計數(shù)模塊進(jìn)行脈沖計數(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點陣形液晶模塊JM12864，實現(xiàn)圖文的綜合顯示。采用2*3線接口，共6個按鍵，分別為前后追憶、通道、時標(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存儲器24C512。一片用于存儲通道運行數(shù)據(jù)，另一片用于分區(qū)存儲密度、漢字及字符字模數(shù)據(jù)、系統(tǒng)參數(shù)、記錄時間、掉電情況等信息，兩片存儲器通過弱上拉電阻并聯(lián)于同一總線上。

3.5實時時鐘模塊

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

四、軟件設(shè)計

4.1 系統(tǒng)主程序及中斷

如圖3，主程序以檢測時間間隔為主線，分別進(jìn)行流量計算、實時信息記錄等操作，同時處理各外部事件。如圖4，中斷程序檢測各種中斷（由TIMERB連續(xù)計數(shù)提供的0.5s采集定時、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)送啟動轉(zhuǎn)換命令，等待轉(zhuǎn)換完成(完成后SDO線會自動變?yōu)?)。需要注意的是在系統(tǒng)在高電平時讀數(shù)，低電平時鎖存數(shù)據(jù)，必須嚴(yán)格保證系統(tǒng)時序，否則將引起讀寫錯亂。

4.3 流量計算

先根據(jù)流量模型（開方、線性等）得出流量計在工業(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)置中的流量補償模式（一般氣體，、溫度/壓力補償、過熱蒸汽、飽和蒸汽等），查表得到密度，計算標(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)液晶點寫為1或0(亮或暗)實現(xiàn)的。128列*64行點陣LCD在顯示時是以字節(jié)方式進(jìn)行操作的，一次寫入1 列8行（共8個點），因此在數(shù)據(jù)顯示時，首先要將字符所對應(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�。在顯示時查表將字模數(shù)據(jù)依次寫入LCD即可。在顯示曲線時，通過兩點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、實時/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、報警設(shè)定，流量模型及系數(shù)K設(shè)定，流量補償模式及公式參數(shù)值設(shè)置，通訊參數(shù)設(shè)置，密碼設(shè)置，時間設(shè)置等）。

五、設(shè)計關(guān)鍵

5.1 合理的程序流程

（1）消息機制：系統(tǒng)需要處理的事件較多，有各種中斷，若中斷處理時間過長，則會使系統(tǒng)不能及時進(jìn)行其它處理，導(dǎo)致系統(tǒng)錯誤。如若將流量計算程序置入數(shù)據(jù)采集定時中斷處理程序中時，有時會使系統(tǒng)很難完成正常的串行通信。在此借鑒了WINDOWS系統(tǒng)消息處理機制，如4.1所述，即當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生外部中斷時，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)共有三級菜單用Step[3]表示，根據(jù)Step[i]值判斷當(dāng)前菜單位置，增強軟件的條理性。

5.2 數(shù)據(jù)存儲效率

儀表要記錄的通道歷史數(shù)據(jù)較長，在有限的存儲空間應(yīng)高效利用所有存儲區(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個字節(jié)，對應(yīng)0-100%）。對于數(shù)據(jù)要求不高的場合設(shè)定采用1個字節(jié)來表示。經(jīng)多次實驗知，可有效拓展記錄長度。

5.3 數(shù)據(jù)運算的速度與精度

（1）雖然430可以進(jìn)行浮點運算，但運算將會消耗大量資源，而且浮點數(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)運算時，會丟失許多有效位，使結(jié)果極不準(zhǔn)確。筆者采用長整數(shù)記錄有效數(shù)字，字符整數(shù)記錄小數(shù)點位置組合表達(dá)數(shù)據(jù)的方式進(jìn)行運算，有效提高了速度和精度。

（2）當(dāng)外部信號為頻率輸入時，應(yīng)將TIMERA配置為最大連續(xù)計數(shù)方式，僅在計數(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還會導(dǎo)致采樣不準(zhǔn)，此時需要采用CS5523自身的校驗方式去除失調(diào)電壓，并通過軟件進(jìn)入校驗?zāi)Ｊ�，采用�?biāo)準(zhǔn)輸入信號進(jìn)行標(biāo)定。

5.4 系統(tǒng)的可靠性

采取了以下實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，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)在故障情況下自動恢復(fù)運行[。

（3）在對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，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：以提高系統(tǒng)精度、可靠性和易用性為設(shè)計核心，采用了高精密自校驗的采集方案，軟件上借鑒了WINDOWS的消息機制，提出了采用整型數(shù)據(jù)代替浮點數(shù)運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。通過實驗發(fā)現(xiàn)整機的精度可達(dá)到0.2%以上，且具有較好的人機接口、適應(yīng)性和可靠性，因此應(yīng)用前景廣闊。