【文章內(nèi)容簡介】 、總線標(biāo)準(zhǔn)化、高可靠性及安全性、開發(fā)虛擬傳感器和網(wǎng)絡(luò)傳感器、研制單片測溫系統(tǒng)等高科技的方向迅速發(fā)展。 隨著國家對城鎮(zhèn)供熱采暖采用熱量計量的不斷推廣，熱量表項目將成為一項高科技、高效益的投資項目，將帶動起一個年產(chǎn)值幾百億的新興產(chǎn)業(yè)群，并且它的持續(xù)發(fā)展期在1 5年以上。在國家有關(guān)政策的引導(dǎo)下，目前，全國各地正在進(jìn)行供熱分戶改造，未來幾年內(nèi)，國家將逐步實行按甩熱量分戶計量收費，屆時將會催生一個非常龐大的實時在線供熱表市場。因此，戶用熱量計是給暖商品化必不可少的工具，也是建筑節(jié)能的一項重要措，隨著供暖事業(yè)的發(fā)展必將得到普遍應(yīng)用。無線溫度傳感器作為熱表的一部分，用來測量回水溫度。 本設(shè)計中的無線溫度傳感器是測量回水溫度的部件，以解決目前國內(nèi)外熱量表生產(chǎn)單位普遍采用的有線采集回水溫度帶來的施工安裝不便及可靠性低這一突出的共性問題。以適應(yīng)我國民用計量儀表使用的實際現(xiàn)狀，達(dá)到節(jié)約能源和供需平衡的目的。2 方案論證 總體方案設(shè)計數(shù)字化無線溫度傳感器的設(shè)計應(yīng)包含兩個部分：一部分是溫度測量(發(fā)射)電路，一部分是溫度處理(接收)電路。溫度測量部分由傳感器、MCU、和無線發(fā)射模塊構(gòu)成。溫度處理部分由無線接收模塊、MCU、與上位機通訊的接口電路構(gòu)成。其系統(tǒng)原理框圖如下所示：12CI/O溫度傳感器發(fā)射模塊圖1 溫度測量部分原理框圖接收模塊上位機USART12C圖2 溫度處理部分原理框圖 傳感器方案 溫度傳感器的種類很多，選擇的空間就很廣闊，可以使用熱電偶，熱電阻等測溫元件，也可以選用集成溫度傳感器。 方案一：采用AD590作為傳感器。AD590是AD公司利用PN結(jié)正向電流與溫度的關(guān)系制成的電流輸出型兩端溫度傳感器。這種器件在被測溫度一定時，相當(dāng)于一個恒流源。該器件具有良好的線性和互換性，測量精度高，并具有消除電源波動的特性。即使電源在515V之間變化，其電流只是在l以下作微小變化。但是AD590是集成模擬傳感器，需要進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換才能與控制器連接。 方案二：選用單線數(shù)字溫度傳感器DSl8B20，它與其他傳感器相比有以下幾個優(yōu)點：(1)單總線，節(jié)省I／O 口線；(2)數(shù)字化，內(nèi)部自帶A／D，編程方便；(3)集成度高，外圍硬件電路簡單；(4)精度高，℃；本設(shè)計中選用DS18B20作為溫度傳感器。 微處理器方案 方案一：主機采用以89C51系列單片機為核心的微控制器完成對無線發(fā)射接收模塊的控制，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的采集。由于受單片機指令運行速度的影響，影響到它的數(shù)據(jù)采集能力，而且它不具有低功耗狀態(tài)，不能滿足低功耗的要求。 方案二：以高速數(shù)字信號處理器(DSP)TMS320F240為中央處理單元，配以極少的外圍電路構(gòu)成了檢測器的核心控制部件。本方案的主要優(yōu)點： ①速度快，執(zhí)行速度達(dá)到20MIPS，幾乎所有的指令可以在50ns的單周期內(nèi)完成，如此高的性能非常適合實時數(shù)據(jù)采集。 ②硬件結(jié)構(gòu)簡單，具有豐富的可編程多路復(fù)用I／O引腳，能實現(xiàn)對溫度傳感器、鍵盤顯示接口、輸出打印接口的編程功能。 ③軟件編程靈活，可采用C語言與匯編語言混合編程。 但其價格昂貴，功能強大，用在此處屬于大材小用。 方案三：以PIC系列單片機作為中央處理單元，本方案具有前兩個方案無法取代的優(yōu)點： 1) 選型靈活，PIC系列從低到高有幾十個型號，可以滿足各種需要。 2) 精簡指令使其執(zhí)行效率大為提高。 3) 睡眠和低功耗模式。雖然PIC在這方面已不能與新型的TI—MSP430相比，但在大多數(shù)應(yīng)用場合還是能滿足需要的?；诘凸牡脑O(shè)計要求，本設(shè)計中采用，PIC系列單片機作為中央處理單元。 射頻模塊方案方案一：采用PTR2000作為無線收發(fā)模塊，其集成度相對較高，外圍硬件電路簡單，收發(fā)一體，但因為是無線通信，在通信過程中易受干擾，誤碼率高。方案二：采用PTR4000作為無線收發(fā)模塊，它含有CRC硬件校驗，當(dāng)PTR4000接收到數(shù)據(jù)與攝制的本機地址一致且CRC效驗正確時，才把接收到的數(shù)據(jù)以中斷方式傳給CPU，誤碼率低，與PTR2000相比較，其可靠性高。本設(shè)計中采用PTR4000作為無線收發(fā)模塊。 串行通訊方案 方案一:采用RS422A標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了差分平衡的電氣接口，它采用平衡驅(qū)動和差分接收的方法。這相當(dāng)于兩個單端驅(qū)動器，輸入同一信號時，其中一個驅(qū)動器的輸出永遠(yuǎn)是另一個驅(qū)動器的反向信號。 方案二:采用RS485接口，它是RS422A的變型，它與RS422A的區(qū)別在于：RS422A為全雙工，采用兩對平衡差分信號線；而RS485為半雙工，采用一對平衡差分信號線。RS485對于多站互連是十分方便的。RS485標(biāo)準(zhǔn)允許最多并聯(lián)32臺驅(qū)動器和32臺接收器。總線兩端接匹配電阻(100Ω左右)，驅(qū)動器負(fù)載為54Ω?！發(fā)，在+“O’’?！發(fā)，在+“0’’。RS485傳輸速率最高為10Mbit/s，最大電纜長度為1200米。 方案三：采用RS232C接口。它是異步串行通訊中應(yīng)用最廣泛的標(biāo)準(zhǔn)總線，它包括了按位串行傳輸?shù)碾姎夂蜋C械方面的規(guī)定。適用于數(shù)據(jù)終端設(shè)備和數(shù)據(jù)通訊設(shè)備之間的接口。本設(shè)計中采用RS232C接口進(jìn)行異步通訊即可滿足要求。3 硬件原理與實現(xiàn) 在微控制器(Microcontroller)應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛的今天，各個領(lǐng)域的應(yīng)用也向微控制器廠商提出了更高要求，希望速度更快、功耗更低、體積更小、價格更廉以及組成系統(tǒng)時所需要的外圍器件更少；隨著越來越多的各種非電子工程技術(shù)人員的應(yīng)用需求，他們想把微控制器作為嵌入式部件應(yīng)用到自己熟悉的領(lǐng)域，還提出簡單易學(xué)用的要求，用戶的需求就是商家的市場和動力，老的半導(dǎo)體廠商順應(yīng)潮流不斷推出新品種，新的半導(dǎo)體廠商則后來居上，把越來越多的外圍接口器件集成到片內(nèi)，功能越來越強、性能越來越高。迄今為止，至少有35家半導(dǎo)體廠商的微控制器進(jìn)入中國市場。應(yīng)該說，每一個廠商的微控制器能在市場上占有一定份額，肯定有它存在的道理，即各個不同公司的芯片有它自己的特點才能吸引住有特定要求的部分用戶。在這眾多的五彩繽紛的微控制器中，美國Microchip技術(shù)公司的PIC系列微控制器則異軍突起，獨樹一幟。它率先推出采用精簡指令集計算機RISC(Reduced Instruction Set Computer)、哈佛（Harvard）雙總線和兩級指令流水線結(jié)構(gòu)的高性能價格比的8位嵌入式控制器（Embedded Controller)。其高速度（每條指令最快可達(dá)160ns）、低電壓（最低工作電壓可為2V）、低功耗（3V，32kHz時15181。A）、較大的輸入輸出電流直接驅(qū)動LED（灌電流可達(dá)25mA）、一次性編程OTP（One Time Programmable）芯片的低價位（最低的不到6元人民幣）、小體積（8引腳）、指令簡單易學(xué)易用等，都體現(xiàn)了微控制器工業(yè)發(fā)展的新趨勢。該公司推出了三個不同層次系列、幾十種產(chǎn)品來滿足不同的產(chǎn)品設(shè)計需要，這三個系列微控制器的每一種型號的芯片都含有片內(nèi)程序存儲器，而且它們的指令系統(tǒng)向上兼容，用戶可以根據(jù)需要選擇具有各種不同外圍接口功能、不同封裝形式和不同電壓范圍的芯片；該公司還可以提供完整的可兼容的開發(fā)工具套件和世界范圍的現(xiàn)場應(yīng)用支持，所以這個系列的微控制器在市場上極具強勁的競爭力，在全球都可以看到PIC微控制器從辦公自動化設(shè)備、消耗電子產(chǎn)品、電訊通信、智能儀器儀表、到汽車電子、金融電子、工業(yè)控制等不同領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。PIC系列微控制器在世界微控制器市場份額排名逐年上升，在8位微控制器市場，已從1990年的第20位提高到1996年的第5位，以至成為一種新的8位微控制器的世界標(biāo)準(zhǔn)和最有影響力的主流嵌入式控制器。 PIC系列微控制器硬件結(jié)構(gòu)特點1． 精簡指令集計算機(RISClikeReduced Instruction Set Computerlike)結(jié)構(gòu)Microchip技術(shù)公司具有先進(jìn)的類RISC結(jié)構(gòu)的PIC系列微控制器的簡潔性，為8位微計算機市場設(shè)立了一種事實上的新的性能標(biāo)準(zhǔn)。為了達(dá)到獨一無二的高速性能，PIC微控制器采用了小型機設(shè)計結(jié)構(gòu)。先進(jìn)的類RISC結(jié)構(gòu)體現(xiàn)在每一條高效率和功能強大的指令上。三個系列微控器的指令都是單字的寬字位指令：低檔、中檔和高檔系列的指令位數(shù)分別為114和16位，且分別只有335和58條指令，它們向上兼容其指令系統(tǒng)除了程序分支指令是單字雙周期指令外，其它指令都是單周期、單字指令，在這些指令中，沒有功能相交叉的指令，使所有的指令具有簡潔性；而一般CISC(Complex Instruction Set Computer)結(jié)構(gòu)的微控制器通常有50到110條多字節(jié)多周期的指令。單字節(jié)指令提高了軟件編碼的效率和減少了所需要的程序存儲單元，使系統(tǒng)具有高處理性能和突出性能。另外，由于所用指令數(shù)較少和較簡潔，編程任務(wù)和調(diào)試相對就比較容易，而且學(xué)習(xí)和實現(xiàn)都非?？臁Ｔ谙嗤闆r上，PIC微控制器所需要的編碼比一般要少一半，其指令的高效率又可使編碼開發(fā)時間節(jié)約30％。 (1) 指令流水線結(jié)構(gòu)可以在一個周期內(nèi)同時完成一條指令的執(zhí)行和下一條指令的取指。最大限度地提高了每個內(nèi)部時鐘周期的效率。 (2) 高速的指令執(zhí)行時間，在20MHz時鐘情況下達(dá)到200ns，在25MHz時可達(dá)到160ns。在單周期內(nèi)可以對I／O 口的任一位直接進(jìn)行位操作。 程序分支指令CALL、GOTO和在PCL上的操作需要兩個周期的執(zhí)行時間，在20MHz的情況下為400ns。 (3) 由于采用寬字指令，在相同情況下，程序量大為減少，形成的代碼是一般微控制器的一半。2． 哈佛(Harvard)雙總線結(jié)構(gòu) 其存儲結(jié)構(gòu)是基于哈佛雙總線概念，數(shù)據(jù)的指令傳輸總線完全分開以避免出現(xiàn)典型的普通CISC設(shè)計中經(jīng)常出現(xiàn)的處理瓶勁問題。 傳統(tǒng)的馮諾依曼結(jié)構(gòu)的計算機是在同一個存儲空間取指令和數(shù)據(jù)(即普林斯頓結(jié)構(gòu))，兩者不能同時進(jìn)行，故限制了工作帶寬。而在哈佛結(jié)構(gòu)的計算機中，指令和數(shù)據(jù)空間是完全分開的。一個用于指令，一個用于數(shù)據(jù)。由于可以對程序和數(shù)據(jù)同時進(jìn)行訪問，所以提高了數(shù)據(jù)吞吐率。正因為在PIC系列微控制器中采用了哈佛雙總線結(jié)構(gòu)，所以與常見的微控制器不同的一點是：程序和數(shù)據(jù)總線可以采用不同的寬度。數(shù)據(jù)總線都是8位的，但低檔、中檔和高檔系列的指令總線位數(shù)分別為114和16位。圖3是表示兩種不同結(jié)構(gòu)的示意圖。 CPU程序和數(shù)據(jù)存儲 CPU數(shù)據(jù)存儲程序存儲 哈佛結(jié)構(gòu)圖3 兩種不同結(jié)構(gòu)的示意圖3．兩級指令流水線結(jié)構(gòu)PIC系列微控制器的取指和執(zhí)行采用指令流水線結(jié)構(gòu)(見圖4)，當(dāng)一條指令被執(zhí)行時允許下一條指令同時被取出，使得在每個時鐘周期可以獲得最高效率。 在大多數(shù)在大多數(shù)微控制器中，取指和指令執(zhí)行都是順序進(jìn)行的。而在指令流水線結(jié)構(gòu)中，取指和指令執(zhí)行在時間上是相互重疊的，所以才可能實現(xiàn)單周期指令。只有涉及到改變程序計數(shù)器PC（Progran Counter）值的程序分支指令（例如GOTO、CALL或?qū)C寫操作）等才需要兩個周期。 周期0 周期1 周期2 周期3 周期4執(zhí)行1取指1執(zhí)行2取指2取指3執(zhí)行3執(zhí)行4取指4圖4 指令流水線結(jié)構(gòu)示意圖PIC的結(jié)構(gòu)特點還體現(xiàn)在寄存器組上（見圖5)。所有的寄存器，包括I/0口、定時器和程序計數(shù)器等都是采用RAM結(jié)構(gòu)形式，而且都只需要一個周期就可以完成訪問和操作。而大多數(shù)其它微控制器都有需要兩個以上的周期才能改變寄存器的內(nèi)容。INSDTMROPCLSTATUSFSRPORTA其他專用寄存器通用寄存器GPRA L UW寄存器圖5 寄存器組示意圖 PIC系列微控制器技術(shù)性能特點1高速度由于PIC系列控制器所用的寬字單周期指令、哈佛雙總線和PISC結(jié)構(gòu)，其數(shù)據(jù)吞吐率最高可達(dá)6MIPS(即每秒鐘可執(zhí)行600萬條指令)，這幾乎是其它大多數(shù)8位微控制器速度的4倍。 2實時執(zhí)行 對時間要求苛刻的應(yīng)用，例如電機控制、高速I/O或串行數(shù)據(jù)位流操作等，PIC系列微控制器可以提供一種新的低成本的解決方案。利用PIC高性能算法處理能力的實時性可以取代低效率的存儲操作和精確度不高的查表法。設(shè)計師還可以用PIC微控制器，通過對其編程來取代那些低檔的門陣列、PLD、膠合(G1ue Logic)邏輯和多芯片狀態(tài)機等設(shè)計來進(jìn)一步開發(fā)其高性能價格比的優(yōu)點，PIC微控制器除了其價格優(yōu)勢外，設(shè)計師還可以得到多方面的可編程靈活性、強有力的控制器功能和節(jié)約空間的諸多好處。3 低功耗 由于采用全靜態(tài)CMOS設(shè)計，電源操作能耗很低，但非?？煽?。因為片內(nèi)有上電復(fù)位電路、監(jiān)視定時器電路和RC振蕩器電路選擇等，所以就不需要增加價格較高的片外支持的功能元器件，從而降低了系統(tǒng)成本和系統(tǒng)功耗。PIC的小晶片尺寸加上MICROCHIP先進(jìn)的CMOS技術(shù)使芯片具有很寬的性能范圍以及低工作電流(典型值：在