電磁流量計中的單片機(jī)系統(tǒng)
電磁流量計中的單片機(jī)系統(tǒng)
本測量的單片機(jī)系統(tǒng)用到的是TI公司的16位單片機(jī)MSP430F149，與晶振輸入模塊、復(fù)位電路、鍵盤模塊和LCD顯示模塊共同構(gòu)成的單片機(jī)系統(tǒng)。該部分主要電路如圖3．4所示。圖3．4單片機(jī)主體電路
3．3．1 MSP430F149的特點(diǎn)-中儀孔板流量計
MSP430F149單片機(jī)是Ⅱ公司的一類具有16位總線的帶FLASH的單片機(jī)，由于其性價比和集成度高，受到廣大技術(shù)開發(fā)人員的青睞。MSP430F149單片機(jī)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(jī)還具有強(qiáng)大的中斷功能，有上電中斷、復(fù)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(zhuǎn)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?yàn)榇藛纹瑱C(jī)的良好性能，使得它在電子控制系統(tǒng)及智能化儀表儀器中都有著廣泛的應(yīng)用。
3．3．2 MSP430F 149的硬件結(jié)構(gòu)
MSP430F149單片機(jī)之所以具有這樣的特性是因?yàn)樗厥獾挠布Y(jié)構(gòu)。它采用16位的總線，外設(shè)和內(nèi)存統(tǒng)一編址，尋址范圍可達(dá)64K，還可以外擴(kuò)展存儲器。具有統(tǒng)一的中斷管理，具有豐富的片上外圍模塊，片內(nèi)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(shù)轉(zhuǎn)換器、一個看門狗、6路I／O端口、兩路USART通信端口、內(nèi)部具有60kB+256B的FLASH寄存器，2K數(shù)據(jù)存儲器，一個比較器、一個DCO內(nèi)部振蕩器和兩個外部時鐘。MSP430F149的CPU內(nèi)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(dāng)作程序計數(shù)器，堆棧指針或是狀態(tài)寄存器，剩下的都是通用寄存器。
其系統(tǒng)基本構(gòu)成如圖3．4所示。圖3．5內(nèi)部功能板塊圖
在此對其主要部分進(jìn)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(yīng)用，它能夠快速的進(jìn)入中斷程序，之后再返回中斷前的狀態(tài)，其時序?yàn)椋篜C執(zhí)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(biāo)志位(IFG)置位_從中斷向量表中讀取中斷程序的入口地址，進(jìn)入中斷程序_執(zhí)行中斷程序一中斷允許復(fù)位一I通TI中斷返回到原來地址。具體應(yīng)用將會在應(yīng)用程序中的到應(yīng)用。MSP430F149單片機(jī)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(shù)據(jù)存專用為信息段中斷向殊功能寄口、8位外轉(zhuǎn)模儲區(qū)， FLASH 1 100H—-FF 量地址存器) 外轉(zhuǎn)模塊、RAM區(qū)引導(dǎo)區(qū)DFH為程序塊) TIMER 代段、FLASH型ADC) ROM區(qū)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(shù)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(chǎn)生PWM(數(shù)字脈沖調(diào)制)波形輸出，再經(jīng)過低通濾波器可以產(chǎn)生任意函數(shù)的波形，也就是說， 可以通過定時器的比較模式實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)各種測量，比如脈沖寬度測量，如果和比較器結(jié)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(zhuǎn)換為時間長度的， 都可以通過定時器的捕獲定時功能實(shí)現(xiàn)值的測量。MSP430F149的時鐘可以自由選擇，它包括一個內(nèi)部DCO時鐘和另外兩個外部時鐘，內(nèi)部時鐘的頻率可達(dá)到lMHz。外部可以接兩個時鐘，一個可接鐘表晶振或標(biāo)準(zhǔn)晶振，另一個可以接時鐘頻率為8MHz的晶振，而8MHz也是單片機(jī)的工作頻率。內(nèi)部數(shù)控晶振(DCO)允許單片機(jī)在6／ts的時間里由低功耗模式變?yōu)閱拘涯Ｊ健A(chǔ)時鐘的控制，只需要對相應(yīng)的控制寄存器寫入相應(yīng)的控制位就可以得到所需要的時鐘，且可以從相應(yīng)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(dú)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(jìn)行通信。因?yàn)樗械腎／Ol口都是和其他外設(shè)復(fù)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(shè)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(jī)中應(yīng)用都很多，它可以直接作為可轉(zhuǎn)換為參數(shù)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(zhǔn)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(shí)現(xiàn)多機(jī)通信用的，通過USART口連接到其它器件，可以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)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(dú)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(yīng)的寄存器就可以實(shí)現(xiàn)多機(jī)通信。由于MSP430F149的波特率產(chǎn)生比較自由，因此異步通信模式用的比較多。在本系統(tǒng)設(shè)計中用到了通用串行的SPI模式進(jìn)行通信。
3．3．3復(fù)位電路和振蕩電路設(shè)計
(1)復(fù)位電路
復(fù)位是單片機(jī)的初始化工作，復(fù)位后處理器CPU及單片機(jī)的其他功能部件都處在一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作。每次上電時，單片機(jī)都應(yīng)進(jìn)行一次復(fù)位。復(fù)位電路如圖3．7所示，本系統(tǒng)設(shè)計用的復(fù)位芯片是MAXIM 公司的MAX809三管腳的微處理器復(fù)位芯片，它用于監(jiān)控微控制器和其他邏輯系統(tǒng)的電源電壓，它可以在上電掉電和節(jié)電情況下向微控制器提供復(fù)位信號，當(dāng)電源電壓低于預(yù)設(shè)的門檻電壓時，器件會發(fā)出復(fù)位信號直到在一段時間內(nèi)電源電壓又恢復(fù)到高于門檻電壓為止，MAXS09有低電平有效的復(fù)位輸出。為了復(fù)位， 在電源、振蕩器和反偏置發(fā)生器已達(dá)到穩(wěn)定之后，低電平有效的RST輸出至MAX809，當(dāng)RST腳變低時，單片機(jī)就開始狀態(tài)周期的復(fù)位序列。復(fù)位序列會使一些寄存器初始化，會把內(nèi)容裝載到芯片配置寄存器中。復(fù)位操作后，專用寄存器中將會置成相應(yīng)的值，同時一些引腳也會置為相應(yīng)初始的狀態(tài)值。
(2)振蕩電路
時鐘模塊是單片機(jī)*的部分，它維持系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。時鐘模塊可以使單片機(jī)實(shí)現(xiàn)不同的低功耗應(yīng)用。作為時鐘振蕩電路，要提供單片機(jī)芯片內(nèi)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(tài)直接影響到系統(tǒng)的性能。本系統(tǒng)設(shè)計中所用的MSP430F149，它主要是由高速晶體、低速晶體和數(shù)字控制振蕩器等構(gòu)成的。它既可以使用外部時鐘源，同時也可以使用內(nèi)部的時鐘振蕩器。本設(shè)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(tǒng)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(diào)整電容C1， 增益調(diào)節(jié)電容C2。由于系統(tǒng)需求在較高的速率下運(yùn)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(jù)TI公司的單片機(jī)數(shù)據(jù)手冊給出的相關(guān)參數(shù)，選擇T56pF的電容。
3．3．4鍵盤接口電路設(shè)計乜5’26’30’3訂
鍵盤在CPU的應(yīng)用系統(tǒng)中，可以實(shí)現(xiàn)外部設(shè)置輸入、工作模式選擇輸入、菜單翻閱等功能，它是人機(jī)交流的主要手段。在電磁流量計中，運(yùn)用鍵盤可以調(diào)整和設(shè)置與流量相關(guān)的參數(shù)。在本系統(tǒng)設(shè)計中，采用三個按鍵來對儀表進(jìn)行數(shù)據(jù)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(shù)值增加鍵’’，它用來將某一位的數(shù)值產(chǎn)生0至1]9之間數(shù)字的循環(huán)變化；SW2為箭頭向左的“設(shè)定確認(rèn)鍵”，它用于確認(rèn)己經(jīng)完成的設(shè)置，并使液晶顯示頁的功能菜單面轉(zhuǎn)向下一頁，最終直到液晶顯示屏幕顯示的初始狀態(tài)。SW3為箭頭向右的“進(jìn)入設(shè)定鍵”，它用于調(diào)整和設(shè)置參數(shù)時的進(jìn)入設(shè)定以及各級菜單之間的切換。鍵盤按鍵所用開關(guān)一般為金屬接點(diǎn)輕觸開關(guān)，利用了機(jī)械觸點(diǎn)的合、斷作用。由于機(jī)械觸點(diǎn)的彈性作用，一個按鍵開關(guān)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(jī)錯誤的判斷為多次按鍵操作，而導(dǎo)致誤處理。為了確保CPU對一次按鍵動作只確認(rèn)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(shù)據(jù)的精確性提出了很高的要求，本設(shè)計中采用了軟件和硬件相結(jié)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(lián)了一個0．1肚的電容，然后接上一個10K上拉電阻，在硬件設(shè)計上起到了鍵盤抗抖動作用，在接口電路實(shí)現(xiàn)上比較簡單。在軟件方面，在次檢測到有鍵按下時，執(zhí)行一段延時子程序后，再確認(rèn)電平是否仍保持閉合狀態(tài)時的電平，如果保持閉合狀態(tài)的電平，則確認(rèn)真正有鍵按下，進(jìn)行相應(yīng)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(tǒng)本身來說，鍵盤所采取的工作方式是中斷掃描，當(dāng)某一個按鍵按下時，單片機(jī)就會接受到一個指令， 產(chǎn)生一個外部中斷，然后執(zhí)行外部中斷服務(wù)程序，達(dá)到控制要求。所以三個按鍵與單片機(jī)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(shè)計刪
單片機(jī)系統(tǒng)中的主要顯示模式有：發(fā)光二極管、數(shù)碼管(LED)、液晶顯示(LCD)等。液晶作為一種顯示器件，以其*的優(yōu)勢廣泛應(yīng)用于各種測量儀器設(shè)備中。與其他顯示模式相比，液晶顯示器具有顯示質(zhì)量高、不會閃爍、采用數(shù)字式接口、和單片機(jī)的連接簡單等特點(diǎn)。
(1)液晶模塊介紹
在本系統(tǒng)設(shè)計的電磁流量計中，系統(tǒng)所以采用128x64的圖形點(diǎn)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(shù)據(jù)信息。通常LCD接口電路上用到的實(shí)際上是集成化的液晶顯示器，因?yàn)橐壕э@示器件本身引線比較的多，而且要將這些引線與驅(qū)動、控制等電路連接才能用于顯示信息。因此生產(chǎn)廠家在制造液晶顯示器件的同時，也將與之對應(yīng)的驅(qū)動、控制等電路做成PCB板，然后用壓框和導(dǎo)帶或?qū)щ娤鹉z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(qū)動及控制電路、以及溫度補(bǔ)償、驅(qū)動電源、背光等輔助電路組合在一起的一種相對獨(dú)立的顯示器件和設(shè)備。同時，它具有耗電低，驅(qū)動電壓低(正負(fù)幾伏)，結(jié)構(gòu)空間小且有效面積大、體薄小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于儀器儀表的應(yīng)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(jié)構(gòu)圖
如圖3．10是HFl286481型液晶模塊的結(jié)構(gòu)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(qū)動控制器和一個KS0107顯示驅(qū)動控制器，兩個KS0108分別作為128YU的列驅(qū)動控制芯片，KS0107作為64行的行驅(qū)動控制芯片。
(2)接口電路設(shè)計
HFl286481液晶模塊的對外接口實(shí)質(zhì)上就是KS0108和KS0107控制器與CPU 的接口。在本系統(tǒng)設(shè)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(shè)備直接與系統(tǒng)總線相連，CPU以控制存儲器或I／O設(shè)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(qū)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(nèi)部寄存器的選擇，D／I為高電平時DATA顯示數(shù)據(jù)，D／I為低電平時DATA指令數(shù)據(jù)；P2．4作為R／W信號控制數(shù)據(jù)總線的信號流向，R／W高電平時為讀LCD內(nèi)部數(shù)據(jù)，剛W低電平時為寫數(shù)據(jù)至ULCD，數(shù)據(jù)總線則直接與微處理器的數(shù)據(jù)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(diào)節(jié)，在本系統(tǒng)采用的是10Kf2～ 20K．O的變阻器。擴(kuò)展閱讀：開封中儀流量儀表有限公司專業(yè)生產(chǎn)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(biāo)準(zhǔn)孔板流量計、標(biāo)準(zhǔn)孔板、一體化孔板流量計、標(biāo)準(zhǔn)噴嘴流量計、長徑噴嘴流量計、標(biāo)準(zhǔn)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?jiān)L問開封中儀網(wǎng)站：
會員1.png)