【文章內(nèi)容簡介】 電路連接如圖8所示：圖8 時鐘模塊電路圖 Clock module circuit其中電容C3的取值范圍為1～20pF，備用電池可選用3V紐扣電池。當系統(tǒng)意外斷電時，備用電池給PCF8563供電，使其繼續(xù)工作。上電后單片機讀出的時間就不會因為斷電而發(fā)生錯誤。 顯示部分顯示模塊是人機接口的一個重要組成部分，友好的顯示界面能夠方便操作者的讀數(shù)和進行參數(shù)設(shè)定。本測量系統(tǒng)的顯示屏需要完成顯示測得的瞬時流量與累計流量，系統(tǒng)時間，并提供用戶簡單的參數(shù)設(shè)置界面。選用的顯示模塊為金鵬電子有限公司的低功耗OCMJ4X8C3液晶顯示模塊，其主要顯示參數(shù)如下：電源：～＋低功耗模式：30uA；顯示內(nèi)容：128列64行；顯示角度：6點鐘直視；LCD類型：STN；與MCU接口：8位并行/3位串行；配置有LED背光顯示功能；帶有自動啟動復(fù)位按鈕(reset)；一般來說采用并行連接方式具有速度快，CPU消耗低的特點，但是連線較串行復(fù)雜?？紤]到課題設(shè)計的渦輪流量計中MSP430單片機的外圍模塊比較多，占用了較多的接口，而MSP430F149的接口有限，所以顯示屏與單片機的連接方法選用為串行接口的連接方法。如圖9所示：圖9 LCD與單片機的連接 LCD connection with the MCU在設(shè)計中用單片機的三個普通I/O口與液晶模塊相連即可。CS為片選端，平時在LCD不用時可以置低，以降低功耗。SCLK為串行時序的輸入端，SID為數(shù)據(jù)輸入端，通過這兩個端口的配合，單片機就可以把要顯示的數(shù)據(jù)寫入LCD了。 按鍵設(shè)計按鍵電路考慮到設(shè)計的儀表主要用來測量流量，所以鍵盤并不需要很多按鍵。本系統(tǒng)設(shè)計了四個按鍵的鍵盤，即↑、↓、Cancel、Enter四個鍵，最多可完成8種任務(wù)。其中，各個鍵的功能為：（1）↑和↓鍵的功能相似，在菜單狀態(tài)時可以上下移動光標，選擇需要進入的功能。在進入某個功能后↑和↓起的作用主要是調(diào)整參數(shù)的大小，按一次↑鍵參數(shù)加一，而按一次↓鍵則參數(shù)減一。（2）Enter鍵為選擇功能鍵。按下Enter鍵，系統(tǒng)將進入某個選定的功能狀態(tài)。此時↑和↓鍵可以選擇需要修改的參數(shù)，按一次Enter鍵，進入修改參數(shù)狀態(tài)，狀態(tài)改完后按Cancel鍵則可推出。（3）Cancel鍵和Enter鍵功能相反。按下Cancel鍵可以推到當前菜單的上一級。系統(tǒng)采用中斷的方法來設(shè)計鍵盤，由于MSP430F147單片機的P1口具有中斷功能，所以采用 、。按鍵與單片機之間連接的原理圖如下圖10所示。圖10 按鍵電路原理圖 circuit schematics of keys RS485通訊部分在自動化領(lǐng)域，隨著分布式控制系統(tǒng)的發(fā)展，迫切需要一種總線能適合遠距離的數(shù)字通信。在RS422標準的基礎(chǔ)上，EIA研究出了一種支持多節(jié)點、遠距離和接收高靈敏度的RS485總線標準。RS485 標準采有用平衡式發(fā)送，差分式接收的數(shù)據(jù)收發(fā)器來驅(qū)動總線，具體規(guī)格要求：①接收器的輸入電阻RIN≥12kΩ②驅(qū)動器能輸出177。7V的共模電壓③輸入端的電容≤50pF④在節(jié)點數(shù)為32個，配置了120Ω的終端電阻的情況下，（終端電阻的大小與所用雙絞線的參數(shù)有關(guān)）⑤接收器的輸入靈敏度為200mV（即（V+）（V）≥，表示信號“0”；（V+）（V）≤，表示信號“1”）因為RS485的遠距離、多節(jié)點（32個）以及傳輸線成本低的特性，使得EIARS485成為工業(yè)應(yīng)用中數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖走x標準。本系統(tǒng)采用MAX3485作為RS485接口芯片，該芯片的主要技術(shù)參數(shù)為：工作電源為3~,工作電流1mA，數(shù)據(jù)傳輸率為12Mbps。當驅(qū)動60Ω負載（RS485網(wǎng)絡(luò)終端匹配電阻120Ω的并聯(lián)值）峰值電流可達50mA。本系統(tǒng)采用MSP430F147單片機包含了兩個USART模塊，可以很方便的和MAX3485連接。再RS485通訊過程中MAX3485芯片把信號轉(zhuǎn)變成RS485標準需要的電平發(fā)送到計算機或端，從計算機或終端接收數(shù)據(jù)然后發(fā)送給USART。原理圖如圖11所示圖11 RS485原理圖 circuit schematics of RS485圖中，作為通信電路的數(shù)據(jù)接收。，作為通信電路的數(shù)據(jù)輸出。 存儲單元在智能流量計中存儲單元用來存儲系統(tǒng)的配置信息、運行狀態(tài)信息等。包括流量總量、歷史流速、氣體溫度、壓力等。當用戶或管理人員需要查看流量表的信息時，MCU從存儲單元中讀取相關(guān)信息并將其顯示在LCD上。AT24C01是ATMEL公司出品的采用I2C總線接口的串行E2PROM，內(nèi)建128x8存儲序列，最高可達1MHz 串行時鐘頻率，電壓范圍寬（~）。芯片在低壓的工業(yè)與商業(yè)應(yīng)用中進行了最優(yōu)化，每字節(jié)擦寫次數(shù)可達10萬次、數(shù)據(jù)可保存100年。具體電路圖如圖12所示。圖12 串行存儲器電路 The circuit of Serial memoryAT24C01的第7管腳（寫保護管腳）接地，使該芯片始終處于可以進行寫的狀態(tài)。A0、A1和A2都接地，表示該器件的地址為000。由于I2C是總線工作方式，該總線上還掛有PCF8563時鐘芯片，所以總線上的每個器件都應(yīng)該有相應(yīng)的地址，這樣才能實現(xiàn)尋址操作。4 渦輪流量計積算儀系統(tǒng)軟件設(shè)計 軟件總體構(gòu)成在編制程序時，采用了“自頂向下”的程序設(shè)計方法，即從整體到局部，最后到細節(jié)。這種程序設(shè)計思路將注意力集中到程序的總體邏輯結(jié)構(gòu)上面，只要總體邏輯結(jié)構(gòu)正確，再復(fù)雜的程序也可以按劃分出來的邏輯功能模塊逐個設(shè)計出來。整個程序設(shè)計分如下三個步驟：1. 總體規(guī)劃。包括設(shè)計軟件整體結(jié)構(gòu)，劃分子程序模塊。2. 具體實現(xiàn)。即模塊化編程，用程序語言把子程序模塊一一實現(xiàn)。把每個子程序模塊設(shè)計成只有一個入口和一個出口。這樣一來，各個程序模塊可分別設(shè)計，從而使程序的調(diào)試、修改和維護都變得比較容易。3. 總體組合。即結(jié)構(gòu)化編程，使用結(jié)構(gòu)良好的轉(zhuǎn)移和調(diào)用，將子程序模塊有效地組合成一個整體，使流程明確地從一個程序模塊轉(zhuǎn)移到下一個程序模塊。 軟件開發(fā)環(huán)境渦輪流量計系統(tǒng)軟件主要用C語言編制。目前單片機C語言編程是單片機開發(fā)中比較流行的語言。這是由于C語言有其內(nèi)在的優(yōu)點，與匯編語言相比，C有以下的優(yōu)點：對單片機的指令系統(tǒng)不需要太了解寄存器分配、不同存貯器的尋址及數(shù)據(jù)類型等細節(jié)可由編譯器管理程序有規(guī)范的結(jié)構(gòu)，可分為不同的函數(shù)，這種方式可使程序結(jié)構(gòu)化具有將可變的選擇與特殊操作組合在一起的能力，改善了程序的可讀性。編程及調(diào)試時間顯著縮短，從而提高效率，已編好的程序可容易地植入新程序，因為它具有方便的模塊化編程技術(shù)，輕易的完成復(fù)雜的數(shù)學運算。MSP430系列單片機使用IAR Workbench系統(tǒng)，它的編譯器提供C語言的標準特性，還具有許多為MSP430單片機專門設(shè)計的開發(fā)工具。IAR Workbench是一款集編輯、編譯、調(diào)試、下載于一體的集成開發(fā)環(huán)境。它提供以下特性：與 ANSI規(guī)格一致可應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)的標準函數(shù)庫具有可選用的源代碼IEEE兼容的浮點算法對 MSP430特殊性能的有力擴展包括高效的I/0用戶代碼與匯編子程序連接長識別符多達255個有效字符多達 32000個外部符號快速編譯避免暫時文件或覆蓋的overlays基本存儲器的設(shè)計編譯時嚴格的模塊接口類型檢查程序源的LINTlike檢查可選擇的代碼速度或大小的最佳化易于理解的出錯和警告消息與 CSPY高級調(diào)試器兼容4. 目標支持靈活的變量分配不需要匯編語言的中斷函數(shù)使用處理器專用擴展時保持可移植性的Pragma偽指令 流量計系統(tǒng)總體概述C語言支持結(jié)構(gòu)化編程，它的模塊化結(jié)構(gòu)給編程帶來了極大的方便。智能流量計系統(tǒng)的應(yīng)用程序主要是由主程序和中斷處理程序組成，其中主程序又由多個子程序所組成。主程序包括：系統(tǒng)初始化子程序、配置運行參數(shù)子程序、LCD顯示子程序等；中斷處理子程序包括：流量檢測子程序、溫度壓力檢測子程序、流量補償算法子程序、按鍵輸入子程序、存儲配置數(shù)據(jù)子程序、通訊子程序等。流量計初次上電時系統(tǒng)初始化，顯示當前時間，歷史流量數(shù)據(jù)，壓力、溫度和電池電量。用戶可以選擇數(shù)據(jù)清零或保持不變。如果電池電量過低，系統(tǒng)報警，提醒用戶更換電池。在無操作的情況下延時一段時間后LCD自動關(guān)閉顯示，進入低功耗模式3（LPM3）。當發(fā)生中斷事件，CPU從低功耗模式中被喚醒，并判斷是何種中斷事件，進而進入中斷處理程序。若是時鐘信號喚醒CPU，則通過渦輪轉(zhuǎn)速、溫度、壓力值計算出標況下的氣體流量，并將流量值和當前時間存入FLASH中，然后流量表重新進入低功耗模式。若是有按鍵按下，則通過中斷喚醒CPU后調(diào)用按鍵子程序，根據(jù)按下的功能鍵顯示當前的瞬時流量、累積流量、溫度、壓力、運行時間等信息。若在一段時間內(nèi)無按鍵按下則又進入低功耗模式。完畢后進入低功耗模式。若是用戶通過菜單選擇了R485，系統(tǒng)將調(diào)用相應(yīng)的通訊子程序自動將當前或是歷史流量信息發(fā)送給上位機。若是流量傳感器報警，流量計報警并關(guān)閉電動閥，存儲報警標志，延時一段時間后進入低功耗模式。若流量計電池能量不足，LCD顯示“電量不足”符號，提示用戶更換電池。睡眠及喚醒智能流量計系統(tǒng)時用了兩個不同的工作模式：活動模式、低功耗模式3。通過狀態(tài)寄存器的4位控制位：CPUOff，OSCOff，SCG0，SCG1控制CPU的工作模式。CPUOff =O，OscOff= O，SCG0=O，SCG1=O時系統(tǒng)處于活動模式中。CPUOff=1，OscOff=O，SCGO=1，SCG1=1時系統(tǒng)處于低功耗模式3（LPM3）中。系統(tǒng)進入低功耗模式3的指令很簡單：LPM3；然而從低功耗模式3返回到活動模式就比較復(fù)雜了。這是因為如果一個允許的中斷喚醒CPU后，就會進入中斷服務(wù)程序，開始以下處理：SR和PC保存入堆棧，保存了中斷事件發(fā)生時的現(xiàn)場而后SR中的工作模式控制位CPUOff，OscOff，SCGO，SCG1自動被復(fù)位從中斷返回后，PC指向下一條指令。這時候保存的SR將被恢復(fù)，系統(tǒng)又將處于低功耗模式，禁止了CPU的活動，PC所指的指令無法執(zhí)行。為了使程序從SR中的CPUOff或OscOff置位的指令之后的地址繼續(xù)執(zhí)行，中斷服務(wù)程序必須將保存在堆棧中CPUOff，OscOff，SCGO，SCG1位清除。這樣，當執(zhí)行RETI指令后，SR從堆棧推出，CPU就又進入了活動模式。例：；主程序……；初始化操作開始……；……；初始化完畢BIS GIE+CPUOff，SR；主程序中設(shè)置低功耗模式0L1 操作1L2 操作2……；中斷子程序…………；中段處理結(jié)束BIC CPUOff，0(SP)；設(shè)置SR為活動模式RETI；中斷返回，系統(tǒng)進入活動模式……主程序執(zhí)行到低功耗模式0處，停止操作。L1，L2語句不執(zhí)行。之后中斷事件保存PC（L1指令地址）和SR（低功耗模式0），中斷喚醒CPU，執(zhí)行中斷處理子程序，由于在中斷處理子程序中將堆棧的SR設(shè)置為活動模式，所以中斷返回指令RETI執(zhí)行后，CPU處于活動狀態(tài)，可以從PC指向的L1指令處開始繼續(xù)執(zhí)行……除此之外，中斷服務(wù)程序還負責判斷中斷源，即是時鐘喚醒還是有按鍵按下，并作相應(yīng)的處理。 渦輪脈沖采集部分渦輪脈沖的數(shù)量和頻率是氣體流量和流速的反映，本測量儀表利用MSP430單片機的捕獲/比較模塊方便準確的完成了采集工作，簡化了外圍電路，提高了可靠性。MSP43單片機有多個相同的捕獲/比較模塊，當捕獲事件發(fā)生時將引起中斷。每個捕獲/比較寄存器都能被軟件用于時間標記，可用于各種目的，例如：①測量軟件程序所用時間②測量硬件事件之時間③測量系統(tǒng)頻率本測量系統(tǒng)的軟件設(shè)計思路是當捕獲模塊捕獲到霍爾傳感器發(fā)出的脈沖后進入中斷程序，在中斷程序中設(shè)置變量N，每次進入中斷程序N便加1，N即為脈沖數(shù)；每次進入中斷同時讀取定時器A的值，并用檔次A的值減去上一次的值，即可得到兩次脈沖的間隔時間；把累計100個脈沖間隔時間相加便得到這100個脈沖的總時間，進而可以方便的求出渦輪的轉(zhuǎn)速。 實時時鐘程序模塊實時時鐘中斷服務(wù)子程序的功能是為系統(tǒng)提供1S單位的時鐘，系統(tǒng)的瞬時流量、累積流量的計算和顯示，都是在該時鐘的協(xié)調(diào)下完成的。PCF8563是PHILIPS公司的PCF8563，這是一款工業(yè)級內(nèi)含I2C總線接口功能的具有極低功耗的多功能時鐘/日歷芯片，它允許器