一(yī)，概述(shù)

工(gōng)業上常常需要(yào)記錄(lù)溫度(dù)，壓力(lì)，流(liú)量等信息，常規模擬記(jì)錄儀由(yóu)於功能少，體(tǐ)現單一(yī)，需要記(jì)錄(lù)筆的缺點，正被無(wú)紙記(jì)錄儀(yí)取(qǔ)代。

作(zuò)為一款以微(wēi)處理器為(wéi)核(hé)心(xīn)，集液晶漢(hàn)字(zì)與圖(tú)形體(tǐ)現(xiàn)為一體，具有(yǒu)無(wú)紙記錄，實(shí)時性(xìng)好，通用性(xìng)好(hǎo)，精(jīng)度高(gāo)，帶通(tōng)信功能的(dí)智能化(huà)儀表，其(qí)市場(cháng)廣闊(kuò)。目前(qián)許多廠商正將目光聚焦於(yú)無(wú)紙記錄儀的彩(cǎi)屏(píng)化，大容量存儲，超大(dà)屏幕液晶體(tǐ)現等(děng)功(gōng)能；然而對(duì)於(yú)用戶(hù)來說(shuō)，zui關心的是(shì)精度與可靠(kào)性，性價比等儀(yí)表的(dí)綜(zōng)合(hé)性能(néng)，因(yīn)此研(yán)究此(cǐ)類(lèi)標題尤為關鍵，紹(shào)興(xīng)中(zhōng)儀依(yī)據(jù)市(shì)場調查信(xìn)息(xī)研(yán)製(zhì)開發了高(gāo)性(xìng)能(néng)無(wú)紙記錄(lù)儀，提高(gāo)了(liǎo)整(zhěng)體性能與可(kě)靠性。

二(èr)，設計方(fāng)案

如下(xià)圖1，來自外部傳(chuán)感(gǎn)器的模擬信號(hào)（壓力，溫度，流量等）經(jīng)過(guò)前端(duān)處(chǔ)理(lǐ)後(hòu)進行A/D轉換(huàn)，經(jīng)過(guò)信(xìn)號隔離(lí)後送入(rù)單片(piàn)機(jī)完成數據處理，由LCD體現當前的(dí)壓力，溫度(dù)，瞬時(shí)流量(liáng)，累積流量(liáng)等(děng)信息。通(tōng)過鍵盤操(cāo)作(zuò)，可(kě)在(zài)各界(jiè)麵之(zhī)間(jiān)切換(huàn)，分(fēn)別體現各(gè)通道的(dí)實時，歷史數(shù)據(jù)及(jí)曲(qū)綫(xiàn)，報警情況(kuàng)，斷(duàn)電(diàn)情況(kuàng),以及每月，日，年度的(dí)累積流量。另外，提供通(tōng)訊(xùn)功(gōng)能，可以(yǐ)通過(guò)和(hé)上位機通過串行(háng)口讀寫(xiě)參數與(yǔ)運(yùn)行數(shù)據，實現打(dǎ)印(yìn)等信(xìn)息交(jiāo)互(hù)。

三，硬(yìng)件(jiàn)組成

如圖(tú)1，高(gāo)性能無(wú)紙(zhǐ)記錄儀由(yóu)信號采(cǎi)集，MSP430F149（以(yǐ)下簡稱(chēng)430），液晶體現(xiàn)及(jí)鍵盤，數據存(cún)儲(chǔ)，實(shí)時時(shí)鐘，通訊(xùn)等模(mó)塊組(zǔ)成。

3.1MSP430F149單片機

MSP430F149是具(jù)有60K閃(shǎn)存ROM，2K RAM， 6個(gè)端口(kǒu)，2個(gè)16位(wèi)計(jì)數器(qì)，兩路UART通信端(duān)口，具有(yǒu)端口和計數等多種(zhǒng)製止模式，5種(zhǒng)省電(diàn)模(mó)式(shì)的(dí)高集(jí)成(chéng)單(dān)片機(jī)，特(tè)別(bié)適用(yòng)於復(fù)雜儀表係(xì)統(tǒng)的(dí)開發。

3.2信號(hào)采(cǎi)集(jí)模(mó)塊

外(wài)部信(xìn)號(hào)有標(biāo)準電(diàn)流(liú)，電阻(zǔ)，mV電壓，頻(pín)率(shuài)信(xìn)號等(děng)。當為(wéi)模擬量時，為提(tí)高測(cè)量(liáng)精(jīng)度(dù)采用(yòng)了4通道差分(fēn)輸(shū)入，自帶儀表(biǎo)放大器(qì)，濾波(bō)器(qì)的(dí)16位(wèi)精度， SPI接(jiē)口的(dí)AD 芯(xīn)片CS5523芯片，通過(guò)光耦隔離(lí)後和430進行通信。如圖(tú)2(a)，（b），(c)分(fēn)別(bié)是(shì)輸入為電(diàn)流(liú)，熱電偶(ǒu)mV電壓，熱(rè)電阻信號時的處理(lǐ)電路。其中當熱電(diàn)阻(zǔ)輸入時，采(cǎi)用高精度(dù)雙路精密電(diàn)流源REF200提供,zui終接入AD 采(cǎi)樣端(duān)的(dí)信號U=UAN+-UAN-=(Rt+2r)I0-(R0+2r)I0=(Rt-R0)I0，可(kě)見(jiàn)消除了熱電阻(zǔ)導綫(xiàn)電(diàn)阻(zǔ)r的影(yǐng)響，保(bǎo)證了較(jiào)高的測量精度(dù)。當(dāng)頻率輸入（如(rú)渦街流(liú)量(liáng)計(jì)輸出）時，采用光(guāng)耦(ǒu)隔離(lí)後(hòu)輸(shū)入(rù)430的TIMERA計數模(mó)塊進行脈衝計數(shù)。

3.3液晶體現與鍵盤(pán)模塊(kuài)

高(gāo)性能無(wú)紙記錄儀采(cǎi)用3V，並口(kǒu)輸入128*64點(diǎn)陣形液(yè)晶模塊JM12864，實現圖文的綜合體(tǐ)現。采用(yòng)2*3綫接口(kǒu)，共6個按鍵，分別為前後追(zhuī)憶，通道，時(shí)標，確認(rèn)，翻頁，通(tōng)過(guò)弱上拉和430的P2口(kǒu)相(xiāng)連(lián)，采用上升(shēng)沿觸發的方式(shì)產生製止通知430進行(háng)處理。

3.4數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊(kuài)

為方便保存儀(yí)表(biǎo)參數，了解工(gōng)藝(yì)參(cān)數歷史，采用(yòng)了兩(liǎng)片(piàn)EEPROM存(cún)儲器(qì)24C512。一片用於存儲通道(dào)運(yùn)行(háng)數(shù)據(jù)，另(lìng)一(yī)片(piàn)用(yòng)於(yú)分區存儲密(mì)度(dù)，漢(hàn)字(zì)及字符字(zì)模(mó)數據，係統(tǒng)參數(shù)，記(jì)錄時(shí)間(jiān)，掉(diào)電(diàn)情況等信(xìn)息，兩片存(cún)儲(chǔ)器通過弱上(shàng)拉(lā)電(diàn)阻並(bìng)聯(lián)於同一(yī)總綫(xiàn)上(shàng)。

3.5實時時鐘(zhōng)模(mó)塊(kuài)

為了記(jì)錄係統的(dí)掉電(diàn)，當前時刻下(xià)的日，月，年(nián)累積流量(liáng)，需(xū)要實時時(shí)鐘信(xìn)號。這裏采用(yòng)通用ds1302芯(xīn)片(piàn)作(zuò)為時鐘(zhōng)信號(hào)，由法拉電容(róng)作(zuò)為(wéi)備份電源(yuán)。

四，軟件設計

4.1 係統(tǒng)主(zhǔ)程(chéng)序(xù)及製(zhì)止

如圖(tú)3，主程序(xù)以(yǐ)檢(jiǎn)測時間間隔為(wéi)主綫(xiàn)，分(fēn)別(bié)進行(háng)流量(liáng)計算，實(shí)時(shí)信(xìn)息(xī)記錄(lù)等操(cāo)作，同時處(chǔ)理(lǐ)各外(wài)部事件。如(rú)圖4，製止程序檢測各(gè)種製止(zhǐ)（由TIMERB連續計(jì)數提(tí)供的0.5s采(cǎi)集定(dìng)時，鍵(jiàn)盤(pán)，通信(xìn)等(děng)製止），進行(háng)必(bì)要(yào)處理後記錄此(cǐ)信息，發送標(biāo)誌到主程序(xù)等(děng)待(dài)處理。

4.2 數(shù)據(jù)采(cǎi)集

將(jiāng)芯片(piàn)復位,檢(jiǎn)測(cè)並(bìng)設定(dìng)Configuration寄(jì)存器(包含(hán)轉(zhuǎn)換(huàn)模式，復位標(biāo)誌(zhì)，放(fàng)大器(qì)截止(zhǐ)頻(pín)率等(děng)參(cān)數(shù)),CSR（Channel- Setup寄存(cún)器(qì),包(bāo)括(kuò)內(nèi)部放(fàng)大器增益(yì)，數(shù)據(jù)傳輸速率(shuài)，通道(dào)，輸入電壓(yā)極(jí)性(xìng)等(děng)設(shè)置(zhì)）後(hòu)，發送(sòng)啟動轉換(huàn)命令(líng)，等(děng)待轉換完成(chéng)(完成後SDO綫(xiàn)會(huì)自動變(biàn)為0)。需要(yào)過(guò)細的是在係統在(zài)高(gāo)電平時讀數，低電(diàn)平(píng)時(shí)鎖存數(shù)據，必(bì)須(xū)嚴格保證係統(tǒng)時序(xù)，否則(zé)將引起讀寫(xiě)錯(cuò)亂(luàn)。

4.3 流量計(jì)算(suàn)

先根據流(liú)量(liáng)模型（開方，綫性等）得(dé)出流量計在工(gōng)業(yè)狀況下的體(tǐ)積(jī)流量,一般需(xū)要(yào)轉化為工業標準(zhǔn)狀(zhuàng)況下(xià)的(dí)流(liú)量,這裏(lǐ)根(gēn)據(jù)儀(yí)表設置中的(dí)流量(liáng)補償模式（一(yī)般氣(qì)體，，溫度(dù)/壓力補償，過(guò)熱(rè)蒸汽，飽和蒸(zhēng)汽等），查表得到(dào)密度，計算(suàn)標(biāo)準流量，提高(gāo)精(jīng)度

4.4 液(yè)晶體現

包(bāo)括數(shù)據和(hé)曲(qū)綫體現，是通過將(jiāng)相應液(yè)晶點(diǎn)寫為(wéi)1或(huò)0(亮或暗(àn))實現的。128列(liè)*64行點陣LCD在體現時是(shì)以字(zì)節方式進行操作(zuò)的(dí)，一次(cì)寫(xiě)入(rù)1 列(liè)8行（共8個點），因此(cǐ)在數(shù)據體現(xiàn)時(shí)，首先要將字(zì)符所對(duì)應(yīng)的(dí)字(zì)模數據(jù)，以從左到右(yòu)，從上到(dào)下（列序(xù)）的取(qǔ)模(mó)方(fāng)法(fǎ)順序(xù)寫入表格(gé)中(zhōng)。在(zài)體現時查表將(jiāng)字模數據依(yī)次(cì)寫(xiě)入(rù)LCD即可。在體(tǐ)現(xiàn)曲(qū)綫時(shí)，通(tōng)過兩點之(zhī)間連(lián)折(zhē)綫(xiàn)的方(fāng)式進行(háng),其(qí)過程如圖5，圖6所示。

4.5 鍵(jiàn)盤處理(lǐ)

負(fù)責(zé)界(jiè)麵(miàn)切換（流(liú)量體現，實(shí)時/歷史曲綫，設(shè)定(dìng)模式(shì)等界麵），菜(cài)單選(xuǎn)擇(zé)，參數設置(zhì)（包(bāo)括通道類型，量(liáng)程(chéng)，切除(chú)，報警(jǐng)設定，流量模型及(jí)係數K設(shè)定，流(liú)量補(bǔ)償模式及公式(shì)參數值(zhí)設置，通訊(xùn)參數設置(zhì)，密碼設置，時(shí)間(jiān)設置等(děng)）。

五，設(shè)計關(guān)鍵(jiàn)

5.1 合理的程序流程(chéng)

（1）消息機製：係統(tǒng)需(xū)要處理的(dí)事(shì)件(jiàn)較多，有(yǒu)各種製止，若製(zhì)止(zhǐ)處理時(shí)間過(guò)長，則(zé)會(huì)使係統不能及(jí)時(shí)進(jìn)行其(qí)它(tā)處(chǔ)理，導致係統錯(cuò)誤(wù)。如(rú)若(ruò)將流量計(jì)算程序(xù)置入數(shù)據采集定(dìng)時製止處(chǔ)理(lǐ)程序(xù)中(zhōng)時(shí)，無(wú)意會(huì)使係統很難(nán)完成正常的(dí)串行(háng)通(tōng)信。在此借(jiè)鑒了(liǎo)WINDOWS係(xì)統(tǒng)消息(xī)處(chǔ)理機製，如4.1所(suǒ)述，即當係統發(fā)生外(wài)部(bù)製(zhì)止時，隻是進(jìn)行很少的(dí)必要(yào)操作，然後(hòu)將(jiāng)該(gāi)製(zhì)止作(zuò)標記，由主程(chéng)序(xù)空(kōng)閒時(shí)檢查(chá)此標誌。

（2）菜(cài)單處理：將菜單按深度(dù)進行定位，係(xì)統共(gòng)有三(sān)級菜單(dān)用Step[3]吐(tǔ)露(lòu)體現，根據Step[i]值判斷(duàn)當前菜(cài)單位(wèi)置，增強(qiáng)軟件(jiàn)的條(tiáo)理性。

5.2 數據(jù)存儲(chǔ)聽從(cóng)

儀(yí)表要(yào)記錄的通道(dào)歷史數據(jù)較(jiào)長(cháng)，在有(yǒu)限的存儲(chǔ)空間應高效(xiào)利(lì)用(yòng)所有存儲區(qū)域(yù)。這裏(lǐ)采用記錄各通道(dào)數據占(zhān)通道(dào)量(liáng)程(chéng)比例(lì)的方式來壓縮數據，將(jiāng)比(bǐ)例限定在(zài)0-65535之(zhī)間(jiān)（2個字節，對(duì)應(yīng)0-100%）。對於(yú)數據(jù)要求不高的場(cháng)合設(shè)定采用1個(gè)字(zì)節(jié)來吐露體現。經多次(cì)實(shí)驗(yàn)知(zhī)，可(kě)有效(xiào)拓(tuò)展記(jì)錄長(cháng)度。

5.3 數(shù)據運(yùn)算的速度與(yǔ)精(jīng)度(dù)

（1）雖(suī)然430可以進行浮點運算(suàn)，但運(yùn)算(suàn)將(jiāng)會消(xiāo)耗大量(liáng)資源，而且浮點(diǎn)數一(yī)般隻(zhī)能保留7位有效數(shù)字，因(yīn)此在(zài)進(jìn)行(háng)大(dà)數(shù)和(hé)小(xiǎo)數(shù)運算(suàn)時(shí)，會(huì)丟失許(xǔ)多有(yǒu)效(xiào)位，使結(jié)果極(jí)不精確。筆者采(cǎi)用長整數(shù)記錄(lù)有(yǒu)效數(shù)字，字符(fú)整數記(jì)錄小數(shù)點位(wèi)置組合(hé)表達數(shù)據的(dí)方式(shì)進(jìn)行(háng)運算，有(yǒu)效(xiào)提高(gāo)了速度和精度。

（2）當(dāng)外部信號(hào)為(wéi)頻率輸入時(shí)，應將TIMERA配置為zui大連續(xù)計(jì)數(shù)方(fāng)式，僅(jǐn)在計數(shù)溢(yì)出(chū)後清除(chú)溢(yì)出(chū)標(biāo)誌(zhì)，然後(hòu)根(gēn)據前後(hòu)1s內兩次脈衝之(zhī)差（考(kǎo)慮是(shì)否(fǒu)溢出）得出脈衝(chōng)數，否則可能會丟(diū)失(shī)脈衝。

（3）采集數(shù)據(jù)的精確(què)性(xìng)是影響(xiǎng)精(jīng)度的緊張因(yīn)素，必(bì)須保證CS5523參考電(diàn)壓(yā)的(dí)精度(dù)，並要求(qiú)在電源穩定後采樣；在進行(háng)通道(dào)切換(huàn)後(hòu)應把di一次轉(zhuǎn)換(huàn)結果(guǒ)拋(pāo)棄(qì)，否(fǒu)則將(jiāng)會(huì)引起很大的(dí)幹擾(rǎo)誤(wù)差。即便(biàn)如此，由於電(diàn)路噪(zào)聲，標(biāo)準電(diàn)阻使用(yòng)環境及接綫的(dí)影響無(wú)意還會(huì)導(dǎo)致采樣(yàng)不(bù)準(zhǔn)，此(cǐ)時(shí)需要采用CS5523自身的校(xiào)驗方(fāng)式(shì)去除失調電壓，並(bìng)通過軟件進入(rù)校驗模式，采(cǎi)用(yòng)標準(zhǔn)輸入信號進行(háng)標(biāo)定。

5.4 係統(tǒng)的(dí)可(kě)靠性

采(cǎi)取了(liǎo)以下(xià)實用的(dí)措施(shī)保證(zhèng)可(kě)靠性：

（1）幹擾(rǎo)緊張是通(tōng)過電源和(hé)外部輸入引(yǐn)入的，為(wéi)防止係統意(yì)外(wài)重起(qǐ)或(huò)死機，這(zhè)裏(lǐ)采用電(diàn)源濾(lǜ)波(bō)器和光電(diàn)耦合隔(gé)離(lí)的(dí)方式(shì)。

（2）采(cǎi)用看門(mén)狗保障係(xì)統在(zài)故障情況下自動(dòng)恢復(fù)運(yùn)行(háng)[。

（3）在對(duì)LCD和(hé)EEPROM寫(xiě)入(rù)數據後(hòu)，立刻讀出所寫(xiě)數(shù)據(jù)進(jìn)行校(xiào)驗，保(bǎo)證數(shù)據傳(chuán)輸正確(què)。

（4）采用(yòng)內部備份電源，掉電(diàn)後自(zì)動(dòng)保(bǎo)存所有(yǒu)數(shù)據並進(jìn)入(rù)休眠(mián)狀態(tài)。

（5）理(lǐ)清(qīng)程序結構，采(cǎi)用(yòng)模塊化(huà)方(fāng)法提高可移(yí)植性。

5.5 係統的適應性(xìng)

由於(yú)工(gōng)業(yè)測(cè)量介(jiè)質(zhì)的多樣化，介(jiè)質標準(zhǔn)密(mì)度表(biǎo)不(bù)盡相通，而且(qiě)隨著傳感器(qì)技術(shù)的(dí)不斷(duàn)進步(bù)，可能出現(xiàn)新型(xíng)熱(rè)電(diàn)偶或(huò)熱電阻。為增強係(xì)統的(dí)靈活(huó)性，在軟件(jiàn)上預(yù)留(liú)分外(wài)的輸入(rù)類型，隻要(yào)將設定在(zài)廠(chǎng)商模式下，即可通過(guò)串口向內部(bù)EEPROM寫(xiě)入密(mì)度(dù)或分度(dù)表數(shù)據。

五，結(jié)論

本(běn)文作(zuò)者創(chuàng)新點：以(yǐ)提高係(xì)統精(jīng)度，可(kě)靠性和易用(yòng)性為設計核心(xīn)，采用(yòng)了(liǎo)高精(jīng)密自(zì)校驗(yàn)的采(cǎi)集(jí)方(fāng)案，軟件上借(jiè)鑒了WINDOWS的(dí)消息(xī)機(jī)製，提出了采用整(zhěng)型(xíng)數據(jù)代(dài)替(tì)浮(fú)點(diǎn)數(shù)運算(suàn)等(děng)提(tí)高速(sù)度和(hé)聽從(cóng)的(dí)方案，並開(kāi)放(fàng)內部(bù)表(biǎo)格提高了係(xì)統(tǒng)的靈(líng)活(huó)性。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發現(xiàn)整機的精(jīng)度(dù)可(kě)達(dá)到(dào)0.2%以上，且(qiě)具有(yǒu)較好的人(rén)機接口，適應性和可靠性，因此應(yīng)用前景廣闊(kuò)。

參考文獻

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