电磁流量计中的单片机系统

电磁流量计中的单片机系统
   本测量的单片机系统用到的是TI公司的16位单片机MSP430F149，与晶振输入模块、复位电路、键盘模块和LCD显示模块共同构成的单片机系统。该部分主要电路如图3．4所示。图3．4单片机主体电路
  3．3．1 MSP430F149的特点-中仪孔板流量计
   MSP430F149单片机是Ⅱ公司的一类具有16位总线的带FLASH的单片机，由于其性价比和集成度高，受到广大技术开发人员的青睐。MSP430F149单片机工作电压为1．8V，在1MI-Iz时钟条件下，工作电流仅有350aA；具有5种低功耗工作模式，在不同的工作模式下，工作电流可下降70aA．O．1 aA。MSP430F149单片机还具有强大的中断功能，有上电中断、复位中断、看门狗中断、错误写操作中断、定时器中断、比较中断、串口中断、S／D转换中断、I／O端口中断等。随着自动控制的高速化和低功耗化，MSP430F149系列将会得到越来越多人的喜爱。正因为此单片机的良好性能，使得它在电子控制系统及智能化仪表仪器中都有着广泛的应用。
   3．3．2 MSP430F 149的硬件结构
   MSP430F149单片机之所以具有这样的特性是因为它特殊的硬件结构。它采用16位的总线，外设和内存统一编址，寻址范围可达64K，还可以外扩展存储器。具有统一的中断管理，具有丰富的片上外围模块，片内有精密硬件乘法器、两个16位定时器、一个14路的12位的模数转换器、一个看门狗、6路I／O端口、两路USART通信端口、内部具有60kB+256B的FLASH寄存器，2K数据存储器，一个比较器、一个DCO内部振荡器和两个外部时钟。MSP430F149的CPU内置16个寄存器，寄存器之间的操作仅需要一个指令周期，其中R0到R3 这四个寄存器可以用来当作程序计数器，堆栈指针或是状态寄存器，剩下的都是通用寄存器。
   其系统基本构成如图3．4所示。图3．5内部功能板块图
  在此对其主要部分进行一些简单的介绍：
  (1)孔板流量计之中断请求及存储器
   中断请求在MSP430F149中得以广泛的应用，它能够快速的进入中断程序，之后再返回中断前的状态，其时序为：PC执行程序一中断允许置位_SR中的GIE 置位_EINT(中断开)中断到，中断标志位(IFG)置位_从中断向量表中读取中断程序的入口地址，进入中断程序_执行中断程序一中断允许复位一I通TI中断返回到原来地址。具体应用将会在应用程序中的到应用。MSP430F149单片机的片上存储器共为64K，对存储器的访问可以用间接寻址，存储器的空间分布如图3．6所示： 0FH 0FFH 0100H 09FFH OA00H FCOH FFEOH 0H 010H 01FFH 0200H OFBFH 010FFH FFFFH SFR(特(I／O端(16位数据存专用为信息段中断向殊功能寄口、8位外转模储区， FLASH 1 100H—-FF 量地址存器) 外转模块、RAM区引导区DFH为程序块) TIMER 代段、FLASH型ADC) ROM区图3．6存储器空间分布
   (2)定时器和时钟模块
   MSP430F149中主要有看门狗、两个16位的定时HA(Timer A)和定时器B (Timer B)等模块。由于定时器的是16位的，则可以在秒数量级上定时，且具有2 个中断向量，便于处理各种定时中断。利用定时器的比较模式可以产生PWM(数字脉冲调制)波形输出，再经过低通滤波器可以产生任意函数的波形，也就是说， 可以通过定时器的比较模式实现数模转换功能。另外，定时器还具有捕获模式，可以通过定时器的捕获功能实现各种测量，比如脉冲宽度测量，如果和比较器结合， 还可以测量电阻、电容、电压、电流、温度等，只要能通过传感转换为时间长度的， 都可以通过定时器的捕获定时功能实现值的测量。MSP430F149的时钟可以自由选择，它包括一个内部DCO时钟和另外两个外部时钟，内部时钟的频率可达到lMHz。外部可以接两个时钟，一个可接钟表晶振或标准晶振，另一个可以接时钟频率为8MHz的晶振，而8MHz也是单片机的工作频率。内部数控晶振(DCO)允许单片机在6／ts的时间里由低功耗模式变为唤醒模式。对基础时钟的控制，只需要对相应的控制寄存器写入相应的控制位就可以得到所需要的时钟，且可以从相应的端口测的时钟频率。
  (3)I／O口
   MSP430F149有6个8位的FO I l，每一个都可以独立控制，其中P1和P2端口具有中断功能，一共可以接16个中断源，还可以直接利用I／OEI的输入输出寄存器，直接对外进行通信。因为所有的I／Ol口都是和其他外设复用的，因此在用端口之前都要用功能选择寄存器选定所用的功能是外设还是I／O口，选定之后还要在方向寄存器中确定输出还是输入。
  (4)比较器
   比较器在整个MSP430系列的单片机中应用都很多，它可以直接作为可转换为参数的测量，如果加上定时器的捕获功能，比较器的用途就会更广泛。比较器属于硬件型的，虽然很准确，但由于有软件的控制，造成的时间误差可能很大。因此存在一段时间的振荡，这造成测量的误差大，不能很精确。此外， 比较器的参考电平很方便，可以都自由相加，但不能超过片子的电压3．3V， 否则不能正常工作。
   (5)USAl玎通信
   通用串行同步异步通信模块是为了使MSP430F149实现多机通信用的，通过USART口连接到其它器件，可以实现单片机与其它器件工作电平的匹配串行通信，MSP430F149具有两个通信口，且有同步和异步两种方式，每一种方式都有独立的帧格式和控制寄存器，只需要按照需要和帧格式写入相应的寄存器就可以实现多机通信。由于MSP430F149的波特率产生比较自由，因此异步通信模式用的比较多。在本系统设计中用到了通用串行的SPI模式进行通信。
   3．3．3复位电路和振荡电路设计
   (1)复位电路
   复位是单片机的初始化工作，复位后处理器CPU及单片机的其他功能部件都处在一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。每次上电时，单片机都应进行一次复位。复位电路如图3．7所示，本系统设计用的复位芯片是MAXIM 公司的MAX809三管脚的微处理器复位芯片，它用于监控微控制器和其他逻辑系统的电源电压，它可以在上电掉电和节电情况下向微控制器提供复位信号，当电源电压低于预设的门槛电压时，器件会发出复位信号直到在一段时间内电源电压又恢复到高于门槛电压为止，MAXS09有低电平有效的复位输出。为了复位， 在电源、振荡器和反偏置发生器已达到稳定之后，低电平有效的RST输出至MAX809，当RST脚变低时，单片机就开始状态周期的复位序列。复位序列会使一些寄存器初始化，会把内容装载到芯片配置寄存器中。复位操作后，专用寄存器中将会置成相应的值，同时一些引脚也会置为相应初始的状态值。
   (2)振荡电路
   时钟模块是单片机的部分，它维持系统的正常运转。时钟模块可以使单片机实现不同的低功耗应用。作为时钟振荡电路，要提供单片机芯片内部各个部分的工作时钟信号，同时也要为外接电路提供可靠的同步时钟信号。振荡电路的工作状态直接影响到系统的性能。本系统设计中所用的MSP430F149，它主要是由高速晶体、低速晶体和数字控制振荡器等构成的。它既可以使用外部时钟源，同时也可以使用内部的时钟振荡器。本设计采用的是外接时钟源的方法，且采用的高速晶体为主系统提供时钟。具体的外围振荡电路的原理图如图3．8所示。图3．8振荡电路
   图中主要包括以下几个元件：8MHz的晶体振荡器XTAL，相位调整电容C1， 增益调节电容C2。由于系统需求在较高的速率下运行，且保证精确的波特率， 所以选择了外接高速晶体。对于外接电容，根据TI公司的单片机数据手册给出的相关参数，选择T56pF的电容。
   3．3．4键盘接口电路设计乜5’26’30’3订
   键盘在CPU的应用系统中，可以实现外部设置输入、工作模式选择输入、菜单翻阅等功能，它是人机交流的主要手段。在电磁流量计中，运用键盘可以调整和设置与流量相关的参数。在本系统设计中，采用三个按键来对仪表进行数据及命令的输入，其接口电路如图3．9所示。其中，SWl为箭头向上的“数值增加键’’，它用来将某一位的数值产生0至1]9之间数字的循环变化；SW2为箭头向左的“设定确认键”，它用于确认己经完成的设置，并使液晶显示页的功能菜单面转向下一页，最终直到液晶显示屏幕显示的初始状态。SW3为箭头向右的“进入设定键”，它用于调整和设置参数时的进入设定以及各级菜单之间的切换。键盘按键所用开关一般为金属接点轻触开关，利用了机械触点的合、断作用。由于机械触点的弹性作用，一个按键开关在闭合和断开的瞬间往往有一连串的抖动，抖动过程会引起电平信号的波动，这就有可能使得单片机错误的判断为多次按键操作，而导致误处理。为了确保CPU对一次按键动作只确认为按键一次，就必须消除按键的抖动影响。对于按键的抗抖动，通常有软件和硬件两种消除方法。图3．9键盘接口电路
   由于电磁流量计的流量测量对数据的精确性提出了很高的要求，本设计中采用了软件和硬件相结合的抗抖动方法。硬件方面，使三个按键连接上RC电路： 分别并联了一个0．1肚的电容，然后接上一个10K上拉电阻，在硬件设计上起到了键盘抗抖动作用，在接口电路实现上比较简单。在软件方面，在次检测到有键按下时，执行一段延时子程序后，再确认电平是否仍保持闭合状态时的电平，如果保持闭合状态的电平，则确认真正有键按下，进行相应处理工；反之，则是误操作。从而消除了按键抖动的影响。对于系统本身来说，键盘所采取的工作方式是中断扫描，当某一个按键按下时，单片机就会接受到一个指令， 产生一个外部中断，然后执行外部中断服务程序，达到控制要求。所以三个按键与单片机的具有中断功能的P1．5、P1．6、P1．7端口相连。
   3．3．5 LCD接口电路设计删
   单片机系统中的主要显示模式有：发光二极管、数码管(LED)、液晶显示(LCD)等。液晶作为一种显示器件，以其*的优势广泛应用于各种测量仪器设备中。与其他显示模式相比，液晶显示器具有显示质量高、不会闪烁、采用数字式接口、和单片机的连接简单等特点。
  (1)液晶模块介绍
  在本系统设计的电磁流量计中，系统所以采用128x64的图形点阵液晶显示模块来显示瞬时流量、正反向的累计流量、流向指示等数据信息。通常LCD接口电路上用到的实际上是集成化的液晶显示器，因为液晶显示器件本身引线比较的多，而且要将这些引线与驱动、控制等电路连接才能用于显示信息。因此生产厂家在制造液晶显示器件的同时，也将与之对应的驱动、控制等电路做成PCB板，然后用压框和导带或导电橡胶将液晶显示器件固定在PCB板上，从而组合形成液晶显示模块(LCM)。它是将液晶显示器件、驱动及控制电路、以及温度补偿、驱动电源、背光等辅助电路组合在一起的一种相对独立的显示器件和设备。同时，它具有耗电低，驱动电压低(正负几伏)，结构空间小且有效面积大、体薄小、重量轻等优点，广泛用于仪器仪表的应用中。HFl286481型液晶显示模块的引脚定义如表3．1所示：图3．10液晶模块的结构图
   如图3．10是HFl286481型液晶模块的结构图，可以看出该液晶显示模块集成了三星公司的两个KS0108显示驱动控制器和一个KS0107显示驱动控制器，两个KS0108分别作为128YU的列驱动控制芯片，KS0107作为64行的行驱动控制芯片。
   (2)接口电路设计
   HFl286481液晶模块的对外接口实质上就是KS0108和KS0107控制器与CPU 的接口。在本系统设计中液晶显示模块与CPU采用的是直接控制方式，即将液晶显示模块的接口作为存储器或I／O设备直接与系统总线相连，CPU以控制存储器或I／O设备的方式来控制液晶显示模块的工作，具体的接口电路如图3．11所示。CPU 图3．11液晶显示接口电路LCM
   CPU通过高位地址P2．1端口控fl；lJCS2，P2．2端口控带IJCSl，以选通液晶显示屏上各区的KS0108控制器，CS2选择芯片(左半屏)信号，CSl选择芯片(右半屏) 信号，高电平有效；同时CPU用P2．5端口作为D／I信号用来控制内部寄存器的选择，D／I为高电平时DATA显示数据，D／I为低电平时DATA指令数据；P2．4作为R／W信号控制数据总线的信号流向，R／W高电平时为读LCD内部数据，刚W低电平时为写数据至ULCD，数据总线则直接与微处理器的数据总线直接相连。同时还须为LCDiII上电位器IU用于显示对比度的调节，在本系统采用的是10Kf2～ 20K．O的变阻器。扩展阅读：开封中仪流量仪表有限公司专业生产电磁流量计、孔板流量计、涡街流量计、文丘里流量计、V锥流量计、V型锥流量计、喷嘴流量计、插入式电磁流量计、智能电磁流量计、分体式电磁流量计、一体式电磁流量计、标准孔板流量计、标准孔板、一体化孔板流量计、标准喷嘴流量计、长径喷嘴流量计、标准喷嘴、长径喷嘴、插入涡街流量计、智能涡街流量计，更多信息请访问开封中仪网站：