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，單片機系統在工業自動化、生產過程控制，智能化儀器儀表等領域的應用，有效地提高了生產效率，改善了工作條件，大大提高了控制質量與經濟效益。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構，CPU操作直接面向內存所有數據寄存器，消除了某些單片機只用累加器作運算的瓶頸效應，因而運算速度和數據吞吐能力大大提高。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公司生產的80C196系列單片機的第二代產品性能要提高25％，它的A／D轉換器有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 響應中斷服務的開銷。正因為80C196KC單片機的良好性能，使得它在汽車電子控制系統及智能化儀表儀器中有了廣泛的應用[su2,s4,5"1j。
3．1．1 80C196KC單片機適合于儀表開發的特點
80C196KC單片機是Intel 16位單片機，采用了寄存器結構。CPU的操作是在由寄存器陣列和SFR特殊功能寄存器所構成的256字節寄存器空間進行的。這些寄存器都具有累加器的功能，可使CPU對運算前后的數據進行快速交換，同時又提供了高速的數據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：
1．A／D轉換有兩種方式，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。該指令系統可以對不帶符號數進行操作，有16位乘16 位和32位除16位的乘除指令，有符號擴展指令，還有數據規格化指令(有利于浮點運算)等等，這些都是它優于MCS-51指令系統之處。
3．具有六種尋址方式，提高了編程和數據處理的靈活性；最多可擴展40個I／0口，同時片內的A／D轉換器可實現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數據輸入。
3．1．2 80C196KC單片機的結構
80C196KC單片機是HSl0系列主流產品，由帶有高速輸入／輸出口的系統構成， 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；可動態配置8位或16位總線寬帶；16位看門構定時器；快速寄存器一寄存器結構；總線HOLD／HOLDA協議；16位定時器和16位計數器；8通道8位或10位A／D變換；外設事件服務器(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的內部EPROM／ROM 為16KB，內部RAM為512字節，也有24字節的專用寄存器。其中PTS稱為外部設備事件服務器，能夠提供類似于DMA的響應，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，Frs有5種運行方式，PTS矢量與15個中斷矢量相映像。下面就結合此硬件框圖，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、數據或由存儲器映射的外部設備占用。
外部存儲器或FOo 內宣母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字節的附加RAM，若企圖從這些單元執行指令，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，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RAM。這些RAM靠“垂直寄存器窗” 結構，也可以作為寄存器由RALU直接訪問，因而給程序設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的所有其他片內外設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系統結構中的之一是取消了常規的累加器結構，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。采用寄存器窗口技術，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構，窗口之間的轉換，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總線交換協議選通位。WSR： 圖3-3窗口選擇寄存器WSR
a、水平窗口結構，可以使直接尋址的專用寄存器的字節數大大增加，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字節映射到寄存器陣列的低24字節，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、垂直窗口結構，因為片內RAM512字節，其中低256字節可直接尋址，若不采用專門的措施，高256字節只能利用16位變址或間接尋址。這樣，高256字節就只能作為普通的片內RAM使用，而不能作寄存器使用了。采用了垂直窗口結構，就可以把512字節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，使得通用寄存器數增加了256個字節。垂直窗口技術把00H～IFFH共512個字節分為32 字節、64字節或128字節的窗口，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寄存器寫入適當的數據，就可以實現垂直窗的切換，寫入的數據是這樣規定的，W6、W5、W4窗口的大小，其中； W6W5W4=100 為32字節窗口=010 為“字節窗口=001 為128字節窗口W3～W0了窗口號，如圖3．3，窗口大小為32字節時，窗口號為0～15： 窗口號為64字節時，窗口號為0～7；窗口為128字節時，窗口號為0～3。垂直窗口技術可以大大加速程序運行速度和精簡程序結構。在中斷服務程序或子程序中，其優點尤其顯得突出。增添了新的256字節寄存器，使得每個服務程序都可能擁有自己的寄存器組，而在服務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。程序設計時，可以把488字節的片內RAM劃分為2類：一類是局部變量，屬各中斷服務程序或子程序專用，用垂直窗口技術進行切換；另一類是全局變量，用于各子程序和主程序之間傳遞結果數據，通常占用寄存器陣列的較低地址，不用窗口技術。
3．1．2．3中斷系統
中斷系統向量框圖如圖3-5， 圖3-5中斷向量框圖下面就中斷系統框圖的圖示作一解釋，關于中斷源的概念是：外部設備或者是單片內部的有關部分，為了實現某種需求而向CPU提出中斷申請，要求為其服務，這些中斷請求的發源地就稱為中斷源。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。一臺功能很強的設備，總是希望它能為眾多的用戶服務，而且首先要為重要用戶服務，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，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。不論哪一個中斷申請者，當其要求得到響應時，CPU總是去執行某一段中斷服務程序，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，優先權級別是O；高速輸入通道位O數據有效中斷，即HIS．0引腳中斷，中斷源代碼INT04，中斷向量是2008H，優先權級別是4；外部中斷，中斷源代碼INT07，中斷向量200EH，優先權級別為7。當任何一個或多個中斷源同時產生由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，單片機都有權區別對待它們， 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。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，中斷不能被執行。如果中斷源信號最后允許通過，下面就是優先權編碼的問題了，優先權編碼器根據中斷源信號的級別進行評選，找出別者，CPU首先為其服務。把中斷源相對應的中斷向量送上內部數據總線上，CPU從中斷向量的存儲單元里得到中斷服務程序入口地址，從而執行中斷服務程序，實現中斷調轉。
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，傳感器勵磁線圈接在橋式開關的對角線上。開關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K1和K4導通時(這時開關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K3和K2導通時(這時開關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性，根據對不同的流體的測量，可以設定不同的勵磁方式，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的勵磁方式。
3．3智能型電磁流量計 A／D轉換模塊
在計算機控制系統及各類用單片機(或微處理器)構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轉換，變換為數字信號。而在本系統中，雖然所用的單片機80c196kc具有內置的A／D轉換器，但其內置的轉換器，只能將模擬電壓轉換成一個8位或10位的數字量，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／數采樣轉換器ADS7806u，ADS7806u是美國BURR．BROWN公司所推出12位轉換器，它采用state-of-the．art CMOS結構，可以在25us內就完成數據的讀取和轉換，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是接在數據總線上，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腳是表示轉換的結束，所以這里我們用中斷來更方便的讀取數據，一旦BUSY腳變為高電平， 就產生中斷，在中斷服務程序里面，完成對轉換數據的讀取。該轉換器具體的過程為：首先，Cs和RC腳變低至少40ns，啟動轉換器轉換模擬信號，BUSY腳電平拉低表示開始轉換，直到轉換器內部輸出寄存器數據得到更新，即轉換完成，在BUSY腳保持低電平時，所有的轉換指令將不被響應，另外，在BUSY腳變高前，CS 和Rc腳必須已經為高，否則新一輪的轉換會在轉換數據還沒有足夠的時間被讀取的情況下，就開始又一次的轉換了。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腳的下降沿即把轉換結果輸出到數據總線上，因為我們轉換的結果是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，當BYTE(21)腳是低電平時，數據總線上輸出高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所式的電路結構形式： VCC 圖3—8鍵盤接n電路我們用4個按鍵來對儀表進行數據及命令的輸入，電路中的四個鍵，分別為加一鍵、移位鍵、設定鍵、確定鍵，具體來說就是，對于參數的設定，在正常計量狀態或報警狀態下按“確定鍵”進入，通過不斷的按“設定鍵”來設定各級之間的切換。當要設定具體的某一級參數時，通過“移位鍵”在當前屏幕顯示位之間切換，通過“加一鍵”使當前位上的數值加一。完成設定以后，應按“確定鍵” 退出，回到正常的計量狀態。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，或門產生一個信號，作用于單片機，產生一個外部中斷，在外部中斷服務程序里，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，驅動電壓低(正負幾伏)，結構空間小而有效面積大、體薄物輕等優點，廣泛用于儀器儀表的應用中。在我們這個流量計的設計中，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、瞬時流量等數據信息，MGl2864液晶顯示模塊自帶兩個KS0108B和一個顯示驅動控制器，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行的行驅動控制似川．其內部結構如下圖3-9所示： 啪●一BLvOC BU跚圖3-9 MGl2864液晶顯示模塊結構框圖其中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表示內部功能寄存器選擇信號，提供內部功能選擇的輸入端，當RS =H時，為選擇數據寄存器，當RS=L時，為選擇命令或狀態寄存器；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為內部數據總線，提供數據輸入，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表示驅動電壓輸出端，提供uD 驅動電壓輸出；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液晶模塊經數據總線接收外部微處理器發來的指令和數據，并存入內部的指令或數據寄存器中，在這些控制指令的控制下，行、列驅動器對128×64點陣的LCD顯示屏進行控制， 從而實現所需信息的顯示． MGl2864液晶顯示模塊的對外接口實質上就是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，就其接口技術來講， 通常需要考慮兩個問題，其一就是接口的邏輯設計，其二就是接口的時序設計。接口的邏輯設計就是根據MGl2864液晶顯示模塊提供的接口信號，結合微處理器系統讀寫外部I／O設備的操作方式，設計出微處理器系統控制液晶顯示模塊的硬件接口電路；接口的時序設計就是根據已設計好的硬件接口電路，根據微處理器系統操作外部I／O設備的讀寫時序，設計出可以滿足液晶顯示模塊讀寫時序要求的實現時序，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信號控制數據總線的數據流向，DB0～ DB7接P4，P33(A11)接CSl，P32(A10)接CS2。
