一種便攜式多參數(shù)環(huán)境監(jiān)測儀器的設(shè)計(jì)
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２ 硬件設(shè)計(jì) 監(jiān)測儀主要由ＭＳＰ４３０單片機(jī)、測量轉(zhuǎn)換、鍵盤顯示、串口通信、電池電源等部分組成。電路中器件很少，功耗較低且功能強(qiáng)大。具體硬件電路原理圖如圖１所示。 ２．１ ＭＳＰ４３０單片機(jī) 單片機(jī)系統(tǒng)是監(jiān)測儀的核心，它完成儀器的功能設(shè)定、測量對象選擇、信號處理存儲、狀態(tài)信息顯示、數(shù)據(jù)通訊等功能。相對于ＭＣＳ５１、ＭＣＳ９６及ＰＩＣ１等系列，ＴＩ公司帶閃速存儲器的ＭＳＰ４３０Ｆ系列超低功耗單片機(jī)有著很大的優(yōu)勢。ＭＳＰ４３０Ｆ單片機(jī)有多種型號，其功能組合各異，能滿足不同應(yīng)用場合的要求。本設(shè)計(jì)采用ＭＳＰ４３０Ｆ４３７，它的主要特點(diǎn)２如下： %26;#183;工作電壓低（１．８～３．６Ｖ），電流?。ǎ玻福唉蹋粒保停龋顒幽Ｊ剑捣N低功耗模式；%26;#183;１６位ＲＩＳＣ架構(gòu)，２７條精簡指令，１２５ｎｓ指令周期；%26;#183;豐富的中斷源并可任意嵌套，用中斷請求將系統(tǒng)從備用狀態(tài)喚醒僅需６μｓ %26;#183;片內(nèi)看門狗及上電復(fù)位電路，可選時(shí)鐘源（ＸＴＡＬ１、ＸＴＡＬ２或內(nèi)部ＤＣＯ）；%26;#183;具有中斷功能的內(nèi)部比較器Ａ；%26;#183;雙向并行Ｉ／Ｏ口Ｐ１和Ｐ２（有中斷功能）及Ｐ３～Ｐ６口，多數(shù)口有復(fù)用功能； %26;#183;兩個１６位定時(shí)器Ａ、Ｂ，均各帶３個比較／捕獲模塊，每個模塊可獨(dú)立編程，用于產(chǎn)生定時(shí)脈沖，捕獲外部事件； %26;#183;片內(nèi)集成４%26;#215;３２段ＬＣＤ液晶驅(qū)動器，其外部引線復(fù)用Ｐ３～Ｐ５口；%26;#183;通用通信模塊ＵＡＲＳＴ０，軟件可選同步／異步方式； %26;#183;具有自動循環(huán)采集功能的８通道１２位ＡＤＣ１２，自帶采樣保持器和可選電壓基準(zhǔn)；%26;#183;ＪＴＡＧ接口或片內(nèi)ＢＯＯＴ ＲＯＭ使程序下載調(diào)試極其簡便，程序代碼由安全熔絲保護(hù)。 ＭＳＰ４３０Ｆ４３７不需加裝存儲器片內(nèi)自帶１Ｋ字節(jié)ＲＡＭ及在線可擦除編程３２Ｋ字節(jié)主Ｆｌａｓｈ＋２５６字節(jié)信息Ｆｌａｓｈ。片內(nèi)Ｆｌａｓｈ模塊包含３個控制寄存器、時(shí)序發(fā)生器、擦除／編程電壓發(fā)生器及Ｆｌａｓｈ存儲器本身。其中主Ｆｌａｓｈ分為每段５１２字節(jié)的段０～６３，信息Ｆｌａｓｈ分為每段１２８字節(jié)的段Ａ、Ｂ。ＭＳＰ４３０Ｆ４３７存儲器可存放大型數(shù)表，有高效的查表處理方法。本監(jiān)測儀安排段０～２３為程序代碼區(qū)、段２４為ＬＣＤ顯示字型表、段２５～３１存放校正和補(bǔ)償表格、段３２～６３為用戶采集數(shù)據(jù)保存區(qū)、段Ａ＋Ｂ存放各類參數(shù)。 在電路中，其他主要模塊的功能分配為：１６位定時(shí)器Ａ的比較／捕獲模塊０實(shí)現(xiàn)時(shí)分秒計(jì)時(shí)，比較／捕獲模塊１控制Ａ／Ｄ采樣周期；１６位定時(shí)器Ｂ可實(shí)現(xiàn)ＰＷＭ輸出，預(yù)留作控制口； ＡＤＣ１２用于環(huán)境參數(shù)測量；比較器Ａ作電池欠壓監(jiān)測；復(fù)用Ｐ３～Ｐ５口驅(qū)動ＬＣＤ液晶顯示器；通用通信模塊ＵＡＲＳＴ０實(shí)現(xiàn)ＲＳ４８５串行通信；預(yù)留ＪＴＡＧ接口以方便用戶對儀器更新升級。 ２．２ 測量轉(zhuǎn)換 ＭＳＰ４３０Ｆ４３７的ＡＤＣｌ２轉(zhuǎn)換模塊具有高速通用的特點(diǎn)，１２位的轉(zhuǎn)換精度能保證一般采樣的分辨率要求。它的８個外部模擬采樣通道可任意配置，轉(zhuǎn)換參考電平ＶＲ＋和ＶＲ－來自內(nèi)部或外部，也可以是兩者的組合；內(nèi)嵌的采樣／保持電路給用戶提供了對采樣時(shí)序的各種選擇，采樣時(shí)序可以通過軟件位、３種內(nèi)部或外部信號來直接控制。ＡＤＣｌ２有４種工作模式?？梢栽趩瓮ǖ郎蠈?shí)現(xiàn)單次轉(zhuǎn)換或多次轉(zhuǎn)換，在序列通道上實(shí)現(xiàn)單次轉(zhuǎn)換或重復(fù)轉(zhuǎn)換。對于序列通道轉(zhuǎn)換，采樣順序完全由用戶定義。 ＡＤＣ１２轉(zhuǎn)換結(jié)果保存在１６個轉(zhuǎn)換存儲寄存器ＡＤＣ１２ＭＥＭ０～ＡＤＣ１２ＭＥＭ１５中。其值如５式： ＮＡＤＣ＝４０９６%26;#215;（Ｖｉｎ－ＶＲ－）／ＶＲ＋－ＶＲ－５每個存儲寄存器有各自相應(yīng)的控制寄存器ＡＤＣ１２ＣＴＬ０～ＡＤＣ１２ＣＴＬ１５，可用軟件獨(dú)立配置采樣通道號及轉(zhuǎn)換所需參考電平。本監(jiān)測儀中，各環(huán)境參數(shù)傳感器的輸出經(jīng)Ｕ２前置放大后，送入Ａ０～Ａ３模擬輸入端。４路信號的轉(zhuǎn)換參考電平均取ＶＲ＋＝２．５Ｖ和ＶＲ－＝０Ｖ。ＡＤＣ１２工作模式設(shè)為序列通道單次轉(zhuǎn)換，每次轉(zhuǎn)換由定時(shí)器Ａ比較／捕獲模塊１的定時(shí)輸出ＯＵＴ１啟動。序列單次轉(zhuǎn)換完成后，將置位ＡＤＣ１２中斷請求。 序列通道為ＡＤＣ１２ＭＥＭ０～ＡＤＣ１２ＭＥＭ１２，對應(yīng)的控制寄存器ＡＤＣ１２ＣＴＬ０～ＡＤＣ１２ＣＴＬ１２中通道重復(fù)配置Ａ０～Ａ３。這樣等時(shí)間間隔內(nèi)每個環(huán)境參數(shù)可連續(xù)采樣３次，然后在ＡＤＣ１２中斷服務(wù)程序內(nèi)使用中值濾波得到轉(zhuǎn)換結(jié)果。 需要指出的是，ＡＤＣ１２的轉(zhuǎn)換內(nèi)核與參考電平發(fā)生器可分別進(jìn)入省電模式，為低功耗設(shè)計(jì)提供便利，而且進(jìn)一步降低功耗、延長傳感元件的使用壽命。測量電路的電源設(shè)置為單獨(dú)可控，由Ｕ３的ＯＵＴ２輸出供給，并通過單片機(jī)的Ｐ２．０來切合。 ２．３ 鍵盤顯示 ＭＳＰ４３０Ｆ４３７有６個帶復(fù)用功能的Ｐ１～Ｐ６雙向Ｉ／Ｏ口。其中Ｐ１、Ｐ２設(shè)置成輸入時(shí)，引腳上任何狀態(tài)變化都會觸發(fā)中斷。本設(shè)計(jì)將Ｐ３～Ｐ５復(fù)用于ＬＣＤ驅(qū)動，Ｐ１．０～Ｐ１．４作３%26;#215;２快速鍵盤。 為讀取按鍵值，首先設(shè)置端口功能。Ｐ１．０～Ｐ１．２為輸出口，依次輸出低電平；Ｐ１．３、Ｐ１．４為輸入口，開放中斷，選定下降沿觸發(fā)。當(dāng)有鍵按下時(shí)，在Ｐ１口中斷服務(wù)程序內(nèi)，完成去抖動延時(shí)、鍵值讀取等功能，得到的鍵值交后續(xù)程序處理。 片內(nèi)ＬＣＤ驅(qū)動器可工作于靜態(tài)及２～４多選四種模式，最多可接４%26;#215;３２＝１２８段液晶。圖１中Ｒ３３、Ｒ２３、Ｒ１３、Ｒ０３引腳設(shè)定模擬偏置電壓，提供驅(qū)動能力，典型接線為電阻分壓ＶＲ３３＝ＶＣＣ、ＶＲ２３＝２／３ＶＣＣ、ＶＲ１３＝１／３ＶＣＣ、ＶＲ０３＝０Ｖ；Ｓ０～Ｓ３１為段輸出（每段３μＡ）；ＣＯＭ０～ＣＯＭ３為公共輸出，接ＬＣＤ背極。對ＬＣＤ的軟件控制極其簡單，它有一個控制寄存器ＬＣＤＣＴＬ，定義工作模式及電流消耗。２０個顯示存儲器ＬＣＤＭ（使用１６個）存放１２８段要顯示的狀態(tài)信息，其內(nèi)容可采用高效的尋址方式查顯示字型表獲得。 單片機(jī)根據(jù)控制鍵的命令信息，可分別選擇儀器“測量／通信”使用方式、“單次／循環(huán)”采集類型，并可按鍵校時(shí)、設(shè)置參數(shù)、啟動采集、數(shù)據(jù)存儲確定等。ＬＣＤ顯示屏可由定制、時(shí)分、超量程和電池欠電告警組成１%26;#215;３２段，剩余３%26;#215;３２為多用顯示區(qū)，可依次顯示操作提示、工作狀態(tài)、環(huán)境參數(shù)測量結(jié)果，從而大大方便了用戶。 ２．４ 串口通信 為了對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行深入處理（如統(tǒng)計(jì)分析、打印存檔、繪制曲線圖表等），需將數(shù)據(jù)從檢測儀送至計(jì)算機(jī)中。數(shù)據(jù)傳輸使用ＭＳＰ４３０Ｆ４３７的標(biāo)準(zhǔn)ＵＳＡＲＴ通信模塊（復(fù)位ＳＹＮＣ＝０選擇異步功能），并外接低功耗器件ＭＡＸ４８５Ｅ，構(gòu)成一個半雙工ＲＳ４８５串行通信口。 為提高通信的可靠性，便于儀器與其它智能設(shè)備組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)控制功能，本監(jiān)測儀使用異步通信的地址位多機(jī)通信格式。異步幀由１起始位、８數(shù)據(jù)位、１地址位、１停止位組成，波特率編程為９６００ｂｐｓ。ＵＳＡＲＴ通信模塊的地址位多機(jī)通信協(xié)議如圖２所示。 通信時(shí)，先置ＲＳ４８５處于接收狀態(tài)，并置接收喚醒中斷允許位ＵＲＸＷＩＥ＝１（此時(shí)只有地址字符能觸發(fā)接收中斷）。當(dāng)接收到一個地址位置位的字符時(shí)，通信模塊的接收器被激活，字符送入ＵＲＸＢＵＦ，同時(shí)接收中斷標(biāo)志ＵＲＸＩＦＧ置位。在串口接收中斷服務(wù)程序內(nèi)可以檢驗(yàn)收到的地址，如果匹配，置ＵＲＸＷＩＥ＝０，單片機(jī)將讀取數(shù)據(jù)塊的后續(xù)數(shù)據(jù)；如果地址不匹配，則等待下一地址字符的到來。 ＲＳ４８５接收到主機(jī)命令后，轉(zhuǎn)入發(fā)送狀態(tài)，先置控制字符地址位的ＴＸＷａｋｅ＝１。當(dāng)?shù)刂纷址模肝粩?shù)據(jù)從ＵＴＸＢＵＦ傳送至發(fā)送器時(shí)，ＴＸＷａｋｅ位裝入待發(fā)送字符的地址位，每一字符發(fā)送完，ＴＸＷａｋｅ位被自動清除，引起發(fā)送中斷ＵＴＸＩＦＧ。在串口發(fā)送中斷服務(wù)程序內(nèi)，用戶可依次發(fā)送完數(shù)據(jù)塊，再重置ＲＳ４８５接收狀態(tài)。
２．５ 電源控制 本儀器采用１節(jié)３．６Ｖ／４Ａｈ鋰離子電池。為保證多路供電及模擬信號測量的精度，設(shè)計(jì)了以ＡＤＰ３３０２ＡＲ１雙低壓差線性電源穩(wěn)壓芯片Ｕ３為主的電源控制電路，完成以下功能： %26;#183;電源通斷。按鍵盤“ＯＮ”鍵，Ｕ３的ＳＤ１腳為高電平，ＯＵＴ１腳輸出儀器所需主電源Ｖｃｃ，單片機(jī)Ｐ１．５腳送來高電平互鎖信號，使“ＯＮ”鍵松開后，ＯＵＴ１維持輸出；按鍵盤“ＯＦＦ”鍵，單片機(jī)Ｐ１．５腳送出低電平關(guān)斷ＯＵＴ１腳輸出；Ｕ３的ＯＵＴ２腳輸出模擬測量電路所需的３Ｖ，測量電源可單獨(dú)切合，由單片機(jī)Ｐ２．０腳的電平控制。 %26;#183;電池電壓監(jiān)測。Ｕ３的加載電壓應(yīng)不低于３Ｖ否則不能正常工作。單片機(jī)的片內(nèi)比較器Ａ有多個基準(zhǔn)，選擇其中之一０．５%26;#215;ＶＣＣ＝１．５Ｖ電池正極通過分壓電阻直連比較器輸入腳ＣＡ０。當(dāng)電池電壓低于設(shè)定值時(shí)觸發(fā)比較器Ａ中斷 在中斷服務(wù)程序內(nèi)，驅(qū)動ＬＣＤ告警顯示，提示用戶對電池進(jìn)行充電（使用外部充電適配器）。 %26;#183;自動關(guān)機(jī)。每次測試完畢，如果不再操作，則通過定時(shí)器比較／捕獲０中斷計(jì)時(shí)；５分鐘后，單片機(jī)Ｐ１．５腳送出低電平，ＯＵＴ１腳輸出０Ｖ，從而切斷儀器電源實(shí)現(xiàn)自動關(guān)機(jī)。 ３ 軟件設(shè)計(jì) 檢測儀的軟件用ＭＳＰ４３０匯編語言編制。為了方便程序調(diào)試和提高可靠性，軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)，主要由初始化程序、主程序、子程序、參數(shù)表格等組成。 ３．１ 軟件功能與特點(diǎn) 單片機(jī)系統(tǒng)上電后，進(jìn)入初始化程序，完成片內(nèi)各模塊的設(shè)置、清ＬＣＤ存儲器、端口設(shè)定等初始化工作，然后轉(zhuǎn)入主程序，開啟中斷，循環(huán)設(shè)置低功耗模式并執(zhí)行空操作。本軟件設(shè)計(jì)的一大特點(diǎn)是采用中斷事件驅(qū)動技術(shù)，其目的在于降低功耗。在主程序設(shè)置ＬＰＭ０低功耗模式（５５μＡ）后，ＣＰＵ即被禁止，外圍模塊維持活動，并等待各類中斷事件。如有中斷，ＣＰＵ被喚醒并執(zhí)行各種中斷服務(wù)子程序完成事件處理。 每次執(zhí)行完中斷服務(wù)子程序返回，在主程序中又重置ＬＰＭ０低功耗模式，并等待下一個中斷事件的到來。如此往復(fù)，可使系統(tǒng)多數(shù)時(shí)間處于低功耗運(yùn)行。 本設(shè)計(jì)另一特點(diǎn)是利用ＭＳＰ４３０Ｆ４３７的高效查表功能，編制了氣體濃度測量的非線性校正和濕度補(bǔ)償表格，極大地提高了程序運(yùn)行速度和采集精度。表格的生成是在有限個數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上通過拉格朗日插值進(jìn)行曲線擬合３獲得。具體步驟如下： １在濕度５％ＲＨ情況下測量典型氣敏傳感器在不同氣體濃度點(diǎn)Ｃ時(shí)，ＡＤＣ１２轉(zhuǎn)換存儲寄存器中對應(yīng)的數(shù)字量結(jié)果ＮＣ。測試中在１０～３００ｐｐｍ范圍內(nèi)等距離取１０個濃度點(diǎn)； ２使用曲線擬合的方法并結(jié)合關(guān)系式３，擬合出５％ＲＨ時(shí)數(shù)字量ＮＣ與氣體濃度Ｃ間的連續(xù)曲線將曲線按１ｐｐｍ的間隔離散化后存入段２５中； ３分別在２０％ＲＨ、３５％ＲＨ、５０％ＲＨ、６５％ＲＨ、８０％ＲＨ、９５％ＲＨ的濕度下重復(fù)上述測量與數(shù)據(jù)處理過程形成６條不同濕度下的ＮＣ～Ｃ的非線性曲線，存入段２６～３１中。需要注意：正常時(shí)采樣得到數(shù)字量ＮＣ和當(dāng)前濕度值后，先查該濕度所在范圍對應(yīng)的上下兩條曲線 即根據(jù)ＮＣ并使用線性插值得到上下兩個氣體濃度值再根據(jù)當(dāng)前濕度并使用線性插值得到濕度補(bǔ)償后的最終氣體濃度值。 ３．２ 軟件流程舉例 本檢測儀的程序眾多。限于篇幅，僅介紹有特色的Ｆｌａｓｈ數(shù)據(jù)保存子程序以及較為關(guān)鍵的ＡＤＣ１２子程序。 ＭＳＰ４３０Ｆ４３７可通過ＪＴＡＧ接口或片內(nèi)ＢＯＯＴ ＲＯＭ下載調(diào)試修改程序，甚至允許用戶程序在運(yùn)行中將采集處理的數(shù)據(jù)快速安全地保存到Ｆｌａｓｈ存儲器中，而無須任何外接器件。數(shù)據(jù)保存采用快速的段寫入方法和寫字節(jié)序列模式，寫入電流?。ǎ常恚粒?，寫入速度快（≤２５ｍｓ／５１２字節(jié)，遠(yuǎn)超過串行ＥＥＰＲＯＭ的頁寫速度５ｍｓ／１６字節(jié)），１０萬寫入次數(shù)，１００年數(shù)據(jù)保存。每次采集處理完畢，即將１６字節(jié)／批數(shù)據(jù)“批號—時(shí)間—環(huán)境參數(shù)” 存入段３２～６３。圖３為１６字節(jié)數(shù)據(jù)存入的程序框圖，其中Ｌｏｃｋ、Ｂｕｓｙ、ＳＥＧ ＷＲＴ、ＷＲＴ、Ｗａｉｔ是Ｆｌａｓｈ控制寄存器內(nèi)涉及編程的各控制位或狀態(tài)位。 ＡＤＣ１２子程序用于環(huán)境參數(shù)測量。當(dāng)按下測量鍵或采樣時(shí)間到，定時(shí)器Ａ的ＯＵＴ１啟動序列通道單次轉(zhuǎn)換，ＡＤＣ１２自行按Ａ０～Ａ３的采樣順序循環(huán)采集各環(huán)境參數(shù)，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果保存到存儲寄存器ＡＤＣ１２ＭＥＭ０～ＡＤＣ１２ＭＥＭ１１中。序列轉(zhuǎn)換完成后，將置位ＡＤＣ１２中斷請求標(biāo)志ＡＤＣＩＦＧ。 單片機(jī)響應(yīng)中斷進(jìn)入ＡＤＣ１２子程序后，先關(guān)閉測量電源以降低功耗，再讀取存儲寄存器ＡＤＣ１２ＭＥＭ０～ＡＤＣ１２ＭＥＭ１１中的轉(zhuǎn)換結(jié)果，并使用中值濾波得到各環(huán)境參數(shù)對應(yīng)的測量數(shù)字值。結(jié)合關(guān)系式１２４依次計(jì)算溫度、濕度、光照度的最終結(jié)果；對于氣體濃度，則使用上述查表格的過程得到結(jié)果。各環(huán)境參數(shù)的測量結(jié)果緩存至ＲＡＭ區(qū)，查顯示字型表得顯示代碼并存入ＬＣＤ存儲器，最后判定各環(huán)境參數(shù)是否超限并刷新ＬＣＤ存儲器中告警部分。 
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