【正文】 圖 41 整機(jī)軟件流程圖 程序開始執(zhí)行時，先初始化單片機(jī)的資源外設(shè)，包括 A/D 工作模式、 I/O口配置、串口初始化、中斷、定時器、看門狗的設(shè)置等， 然后 載入測量數(shù)據(jù)存 43 儲器的儲存位置和該儀器測量的設(shè)置信息， 接下來 程序進(jìn)入等待鍵盤輸入和串口更新設(shè)置的循環(huán)中 。 整機(jī)軟件由主程序，采樣 濾波 子程序、顯示子程序、光柱控制顯示程序、按鍵處理子程序、菜單結(jié)構(gòu)程序、數(shù)據(jù)讀寫子程序、數(shù)據(jù)通訊子程序等組成。可靠性是系統(tǒng)軟件最重要的指標(biāo)之一， 具有 兩方面的 含 義 ：第一是運(yùn)行參數(shù)環(huán)境發(fā) 生變化時，軟件都能可靠運(yùn)行并給出正確結(jié)果。 4. 準(zhǔn)確性。 2. 實時性是本系統(tǒng)的基本要求。本設(shè)計就是采用這種模塊化的設(shè)計方法。為了滿足系統(tǒng)的要求，編制軟件時必須符合以下基本要求 [16]： 1. 易理解性、易維護(hù)性。當(dāng) P1 口用作模擬輸入時，它對應(yīng)于 ADμC812 內(nèi) 8 通道模數(shù)轉(zhuǎn)換的輸入端口 ADC0ADC7。所有 3 個定時器 /計數(shù)器均可配置作為定時器或計數(shù)器，此功能和普通單片機(jī)相同。若靜電造成 PSEN 引腳損傷，則 1kΩ 電阻不能將 PSEN 引腳拉低。下載電路如圖 326 所示。 圖 324 ADμC812 電源電路 FPGA 電源電路 本設(shè)計采用 TPSD301 芯片設(shè)計了電路為 FPGA 提供 + 與 +3V 的 穩(wěn)定直流電源。若在實際使用中，不須將 8 個通道 ADC 都用上， 將 P1 口用作數(shù)字輸入時，在檢測是否有輸入信號之前，須將 0 寫至對應(yīng)端口，然后再判斷。 當(dāng)單片機(jī)處于在線調(diào)試時，定時器 1 被占用，用戶在程序中必須將定時器屏蔽才能正常運(yùn)行，在線下載功能不受此影響。經(jīng)試驗證明，在 PSEN 引腳損傷不嚴(yán)重時，可通過把 PSEN 直接對地短路將其拉至低電平；但若損傷嚴(yán)重，則即使直接接地，器件仍然不能工作。 圖 323 ADμC812 下載電路 在對 ADμC812 進(jìn)行下載和調(diào)試時 發(fā)現(xiàn)的一些應(yīng)注意的問題及其解決辦法介紹如下 ： (1) PSEN 引腳 在具備 上述 RS232 接口電路之后，還需通過一個與地相連的 1kΩ 電阻將ADμC812 的 PSEN 引腳拉至低電平才能進(jìn)入在線調(diào)試和下載狀態(tài)。 74HC07 用來提供 LED 光柱條的段電流。 圖 321 FPGA 的存儲電路 FPGA 在常規(guī)狀態(tài)下需將 程序下載入 EP2LC20 進(jìn)行執(zhí)行或即時存儲。 WR為寫允許信號輸入線，低電平有效。 R_Out 和 G_Out 分別 驅(qū)動 光柱 紅色 和綠色LED 的 共陽極 ， 為動態(tài)掃描輸出端口 ； Seg_Out 驅(qū)動 LED 光柱 的 10 個數(shù) 據(jù)輸入端 (陰極 )?；谶@個原理實現(xiàn)了光柱顯示器的變色顯示。 結(jié)構(gòu)圖中的光柱 顯示器 為 100 線， 其顯示精度為 1%， 共采用 10 組 相同的光柱條組和而成。 其基本思想就 34 是 FPGA 接 收 到 單片機(jī) 控制信號以 及 顯示數(shù)據(jù) 后 ， 根據(jù) VHDL 語言實現(xiàn) 的 驅(qū)動邏輯 完成 顯示數(shù)據(jù)和控制信號的譯碼直接 驅(qū)動 LED 光柱 顯示器。 而且專用芯片 不能直接驅(qū)動三色光柱 LED 光柱顯示器。為了實現(xiàn) ADμC812 的下載電路和 RS485 總線的復(fù)用，在單片機(jī) 口和 DE、 RE管腳接入電阻 R2 R28， 當(dāng) 通訊端口 與 ADμC812 下載線相連時，則 RS485 總線 被 隔離 。一個平衡接收器只看到傳輸?shù)男盘?，噪聲被清除或者極大的消弱。 RS485 驅(qū)動器和接收器價格便宜，而且只需要一個單一的 +5V 電源來產(chǎn)生差動輸出。 ADμC812 片內(nèi)有一個全雙工的串行口，與 51 系列單片機(jī)串行口的功能完全相同， 其輸入輸出均為 TTL 電平，以此 接口直接進(jìn)行數(shù)據(jù) 傳輸，抗干擾性差，傳輸距離短，不適合工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用。 FM24C256 的 SCL、 SDA 直接與單片機(jī) SCLK、SDATA 相連 。 三位可編程地址 A A A0 是相同器件選擇地址 ， 最多可接 8 片相同器件 ， 通過編碼， 選取類型器件的某一片進(jìn)行操作 ； 最低位是讀 /寫控制位 ，R/W 位為高電平 時是讀操作 ， 為 低電平 時是 寫操作 ， 接下來發(fā)一個響應(yīng)位ACK。 該器件 提供多種不同 的讀寫 操作模式，以適應(yīng)不同的應(yīng)用 。 I2C 總線 時序 如圖 315 所示 S C LS D A1 2 3 8 9D 7 D 6 D 5 D 0 A C KD 1S T A R T S T O P 圖 315 I2C 總線時序圖 FM24C256 是一種 256KB 的鐵電存儲器 [11]，它和 AT24C256 容量等同，總線結(jié)構(gòu)兼容，但 FM24C256 的性能指標(biāo)遠(yuǎn)大于 AT24C256。 其總線協(xié)議 如下 ： 1. 僅當(dāng)總線不忙時， (SCL， SDA 均為高電平時 )方能啟動數(shù)據(jù)線 。 該芯片 數(shù)據(jù)傳輸 接口為 I2C 總線接口 。其中 EADRL 為當(dāng)前頁地址寄存器，即進(jìn)行數(shù)據(jù)存取的頁地址； EDATAlEDATA4 是 4 個數(shù)據(jù)寄存器組，用于保存讀、 寫 當(dāng)前頁 的 4 字節(jié)數(shù)據(jù) ； ECON 是 對存儲器讀寫、擦除的命令 寄存器 ： 值為 01H 讀命令、 02H 寫命令、 04H 校驗命令、 05H 擦除命令，以 上操作都是按頁 進(jìn)行 ， 06H 為全部擦除 ， 寫操作時間時間為 20ms。 對于儀器 內(nèi)部 設(shè)置狀態(tài) 的存儲 采用單片機(jī)內(nèi)部 640B 的 閃速 /電擦除數(shù)據(jù) 存儲器 ，完全能滿足應(yīng)用要求。 以上問題 將在軟件上進(jìn)行解決。 28 鍵盤輸入 通常情況下，鍵盤接口要 解決 下面三個主要問題 ： 1. 按鍵識別， 決定是否有鍵 按下，如有，則應(yīng)能夠識別出被按下的是哪一個按鍵。 LCD 液晶顯示器顯示有兩種顯示方法，一種為靜態(tài)顯示，硬件開銷大，引線多，功耗大，軟件開銷??；另一種為動態(tài)顯示，硬件開銷小，引線少，功耗小，但軟件復(fù)雜，占用 CPU 時間多。 LCD 顯示 12232F 是一種 內(nèi)置 8192 個 16*16 點漢字庫和 128 個 16*8 點 ASCII 字符集 圖形點陣液晶顯示器 ,它主要由行驅(qū)動器 / 列驅(qū)動器及 12232 全點陣液晶顯示器組成。 本章以下部分將詳細(xì)介紹硬件系統(tǒng) 各部分 的實現(xiàn)。 25 圖 310 ADμC812 的引腳排列 由于 ADμC812 上述的 優(yōu)越性能， 再加上 ADμC812 可通過串口進(jìn)行程序的下載，而無須專用的編程器，有利于 簡化系統(tǒng)設(shè)計、編程和調(diào)試， 在保證精度的條件下，采用最簡單的硬件實現(xiàn) 系統(tǒng) ， 有利于提高 系統(tǒng)性能以及 縮小儀器的 體積， 該系統(tǒng) 是一種方便、快捷、 廉價的數(shù)字控制系統(tǒng)設(shè)計模式 。 5. 片內(nèi)外設(shè)備： UART 串行接口 I/O；與 I2C 兼容的串行口和 SPI 串行總線；看門 狗定時器；電源監(jiān)視器。 ADμC812 主要包括以下幾部分功能 [9,10]： 1. 模擬 I/O： 8 通道 12 位高精度 ADC，高速 200kSps；片內(nèi) 40 106/℃電壓基準(zhǔn)； 2 個 12 位電壓 DAC；一個片內(nèi)溫度傳感器 。通過二個肖特基二極管保證運(yùn)算放大器輸出不會高于 VDD 或低于 GND，從而保護(hù)ADμC812 芯片。本課題中采用加入電容器的方法，即不增加軟件負(fù)擔(dān)，又不需要高成本的快速運(yùn)放，就可實現(xiàn)信號的穩(wěn)定。輸入通道電路原理如圖 38 所示。其框圖如圖 37 所示： 21 78C R E F外 部 參 考 源內(nèi) 部 基 準(zhǔn)A D C 0A D C 711 4A I NM U X采 樣保 持1 2 位 A D轉(zhuǎn) 換 和校 準(zhǔn) 單 元控 制 器 圖 37 使用片外基準(zhǔn)電源 ADC 原理 采用單片機(jī)內(nèi)部的內(nèi)置 A/D 實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，在簡 化硬件電路， AD 控制及軟件編程方面有自己獨特的優(yōu)勢。 在項目開發(fā)的初期，必須做出單片機(jī)的最初選 擇。濾波器電路采用低通有源濾波器，如圖 36 所示。該電路的信號輸出幅值表示測量位移量的大小，信號的輸出的正負(fù)，則實現(xiàn)了傳感器銜鐵位移大小和方向的判斷。 U0 為傳感器輸出信號， V2 為與振蕩信號同相的方波信號?？?證明，在前級 A1和 A2 參數(shù)匹配，即它們外部電路參數(shù)相同且其電氣特性也相同的情況下，兩個輸入端的失調(diào)所導(dǎo)致的輸出是互相抵消的。通過調(diào)整電路參數(shù)實現(xiàn)與電感傳感器性能的最佳匹配。將此點壓信號 送入微處理器，經(jīng)過微處理器處理后送顯示器，并與用戶的預(yù)先設(shè)定的值進(jìn)行比較，超限報警，并對 數(shù) 據(jù)進(jìn)行濾波、存儲、顯示， 使之 能與計算機(jī)進(jìn)行通訊。 硬件框架的設(shè)計 電子柱量儀的測量原理就是通過電感傳感器將位移量轉(zhuǎn)換為電感量的變化，測頭與電感線圈內(nèi)的磁芯相連。 6． 硬件結(jié)構(gòu)應(yīng)結(jié)合應(yīng)用軟件方案一并考慮。 2． 設(shè)計時努力采用最新的一些技術(shù)。因此，提高整個儀器的測量精度的關(guān)鍵是提高傳感器的測量精度 [7]。據(jù)條件可得，單線圈 式傳感器 的輸出為： ? ?223433411 ( / ) ( / ) [ 1 /( 1 ) ]0 .1 12 5 1 ( 2 5 / 2 5 ) ( 2 .2 / 2 .0 ) [ 1 /( 0 .9 9 9 9 7 1 ) ]14 1 01 1 .2 1 3 .3 3 1 041 0 4 .0 0 2 1 01 4 .0 3 1 0cc c c rlLL l l l r r ????????????????? ? ?? ? ? ?? ? ? ??? 而假如采用差動式傳感器，則輸出值為： ? ?22343342 11 ( / ) ( / ) [ 1 /( 1 ) ]0 . 2 12 5 1 ( 2 5 / 2 5 ) ( 2 . 2 / 2 . 0 ) [ 1 /( 0 . 9 9 9 9 7 1 ) ]18 1 01 1 . 2 1 3 . 3 3 1 081 0 8 . 0 0 4 1 01 4 . 0 3 1 0cc c c rlLL l l l r r ????????????????? ? ?? ? ? ?? ? ? ??? 由以上計算可以得出： (1) 差動式比單線圈式靈敏度提高了一倍； (2) 要提高靈敏度，應(yīng)使線圈與鐵芯尺寸比值 cll 和 crr 盡量小，但另一方面 cll 趨向于 1 時，傳感器的非線性誤差會增加 ； (3) 選用鐵芯的導(dǎo)磁率 r? 大的材料也可以提高靈敏度； (4) LL/? 與 cc ll /? 成正比若被測量與 cl? 成正比，則 L? 與被測量也成正比。 12 圖 22 螺管型差動傳感器 由圖可知，線圈中放入圓柱形銜鐵，也是一個可變自感。螺管型互感式傳感器，雖然其靈敏度較低，但其示值范圍大，自由行程可任意安排，制造裝配也較為方便，因而獲得了廣泛的應(yīng)用。 互感式傳感器的類型與自感式傳感器的極為相似。螺管型則結(jié)構(gòu)簡單 ，制造轉(zhuǎn)配容易 ，由于空氣隙大 ，磁路的磁阻高，靈敏度低，但線性范圍大。 電感 式 傳感器的分類 首先電感傳感器可分為自感式和互感式兩種。這類傳感器的主要特征是具有電感繞組。而 有些傳感器，轉(zhuǎn)換元件不止一個，要經(jīng)過若干次轉(zhuǎn)換 。 10 基本 轉(zhuǎn)換電路：將電感變化量接入基本轉(zhuǎn)換電路（簡稱 轉(zhuǎn)換電路）， 便可轉(zhuǎn)換成電量輸出。 傳感器一般由敏感元 件 、傳感元件 、基本轉(zhuǎn)換電路三部分組成 [5]，組成框圖 如圖 21 所示： 圖 21 傳感器 組成框圖 敏感元件 ：它是直接感受被測量，并輸出與被測量成確定關(guān)系的某一物理量的元件。 9 第 2章 傳感器測量原理 傳感器的定義 及構(gòu)成 傳感器在我國國家標(biāo)準(zhǔn)（ GB7665— 1987）中的定義是：“能夠感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律 轉(zhuǎn)換 成可用輸入信號 的器件或裝置”。并能通過計算機(jī)對測量結(jié)果進(jìn)行操作和實時顯示。在測量值位于預(yù)警公差帶范圍內(nèi) LED 光柱顯示綠色，超出預(yù)警公差帶但未到達(dá)報警公差帶時 LED 光柱顯示黃色，位于報警公差帶時 LED 光柱顯示紅色。 隨著時代的進(jìn)步，國內(nèi)的工業(yè)生產(chǎn)大量應(yīng)用電子柱測微儀的趨勢已經(jīng)形成，這必將硬氣量儀專業(yè)廠為了趕上國外先進(jìn)水平，替代進(jìn)口量儀的國產(chǎn)化而加速工作。在我國，不僅開創(chuàng)了巨大的新興市場，而且應(yīng)用面越來越廣泛。由于電子工業(yè)不斷地發(fā)展，電子柱測微儀價格下降，目前在美國購買一臺普通型電感式電子柱測微儀的售價為 500 至 600 美元，與浮標(biāo)式氣動量儀的價格相差無幾，這也是電子柱測微儀在國外能迅速得到推廣的一個重要原因。七十年代末，國外在顯示領(lǐng)域又推出了等離子雙光柱自動掃描顯示裝置，即 PDP 顯示板，它具有亮度強(qiáng)、體積小、功耗低及顯示面積和視角大等優(yōu)點，但價格比發(fā)光二極管要昂貴。電感量儀的寬度一般為 250 毫米，如果需要多臺合在一起時，將超出檢驗人員的視野。那么取而代之的電子柱量儀是什么呢？實際上電子柱就是一種顯示裝置，最早于 1974年由美國的 Bendix 公 司發(fā)明，測量時由氣電轉(zhuǎn)換器將氣壓轉(zhuǎn)換成電壓信號，經(jīng)驅(qū)動電路把 51 只發(fā)光二極管中的一