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一、概述

工業(yè)上常常需要記錄溫度、壓力、流量等信息，常規(guī)模擬記錄儀由于功能少、顯示單一、需要記錄筆的缺點，正被無紙記錄儀取代。

作為一款以微處理器為核心、集液晶漢字與圖形顯示為一體，具有無紙記錄、實時性好、通用性好、精度高、帶通信功能的智能化儀表，其市場廣闊。目前許多廠商正將目光聚焦于無紙記錄儀的彩屏化、大容量存儲、超大屏幕液晶顯示等功能；然而對于用戶來說，最關心的是精度與可靠性、性價比等儀表的綜合性能，因此研究此類問題尤為關鍵，依據市場調查信息研制開發(fā)了高性能無紙記錄儀，提高了整體性能與可靠性。

二、設計方案

如下圖1，來自外部傳感器的模擬信號（壓力、溫度、流量等）經過前端處理后進行A/D轉換，經過信號隔離后送入單片機完成數據處理，由LCD顯示當前的壓力、溫度、瞬時流量、累積流量等信息。通過鍵盤操作，可在各界面之間切換，分別顯示各通道的實時、歷史數據及曲線、報警情況、斷電情況,以及每月、日、年度的累積流量。另外，提供通訊功能，可以通過和上位機通過串行口讀寫參數與運行數據，實現打印等信息交互。

三、硬件組成

如圖1，高性能無紙記錄儀由信號采集、MSP430F149（以下簡稱430）、液晶顯示及鍵盤、數據存儲、實時時鐘、通訊等模塊組成。

3.1MSP430F149單片機

MSP430F149是具有60K閃存ROM、2K RAM、 6個端口、2個16位計數器、兩路UART通信端口、具有端口和計數等多種中斷模式、5種省電模式的高集成單片機，特別適用于復雜儀表系統(tǒng)的開發(fā)。

3.2信號采集模塊

外部信號有標準電流、電阻、mV電壓、頻率信號等。當為模擬量時，為提高測量精度采用了4通道差分輸入、自帶儀表放大器、濾波器的16位精度、 SPI接口的AD 芯片CS5523芯片，通過光耦隔離后和430進行通信。如圖2(a)、（b）、(c)分別是輸入為電流、熱電偶mV電壓、熱電阻信號時的處理電路。其中當熱電阻輸入時，采用高精度雙路精密電流源REF200提供,最終接入AD 采樣端的信號U=UAN+-UAN-=(Rt+2r)I0-(R0+2r)I0=(Rt-R0)I0，可見消除了熱電阻導線電阻r的影響，保證了較高的測量精度。當頻率輸入（如渦街流量計輸出）時，采用光耦隔離后輸入430的TIMERA計數模塊進行脈沖計數。

3.3液晶顯示與鍵盤模塊

高性能無紙記錄儀采用3V、并口輸入128*64點陣形液晶模塊JM12864，實現圖文的綜合顯示。采用2*3線接口，共6個按鍵，分別為前后追憶、通道、時標、確認、翻頁，通過弱上拉和430的P2口相連，采用上升沿觸發(fā)的方式產生中斷通知430進行處理。

3.4數據存儲模塊

為方便保存儀表參數，了解工藝參數歷史，采用了兩片EEPROM存儲器24C512。一片用于存儲通道運行數據，另一片用于分區(qū)存儲密度、漢字及字符字模數據、系統(tǒng)參數、記錄時間、掉電情況等信息，兩片存儲器通過弱上拉電阻并聯于同一總線上。

3.5實時時鐘模塊

為了記錄系統(tǒng)的掉電、當前時刻下的日、月、年累積流量，需要實時時鐘信號。這里采用通用ds1302芯片作為時鐘信號，由法拉電容作為備份電源。

四、軟件設計

4.1 系統(tǒng)主程序及中斷

如圖3，主程序以檢測時間間隔為主線，分別進行流量計算、實時信息記錄等操作，同時處理各外部事件。如圖4，中斷程序檢測各種中斷（由TIMERB連續(xù)計數提供的0.5s采集定時、鍵盤、通信等中斷），進行必要處理后記錄此信息，發(fā)送標志到主程序等待處理。

4.2 數據采集

將芯片復位,檢測并設定Configuration寄存器(包含轉換模式、復位標志、放大器截止頻率等參數),CSR（Channel- Setup寄存器,包括內部放大器增益、數據傳輸速率、通道、輸入電壓極性等設置）后，發(fā)送啟動轉換命令，等待轉換完成(完成后SDO線會自動變?yōu)?)。需要注意的是在系統(tǒng)在高電平時讀數，低電平時鎖存數據，必須嚴格保證系統(tǒng)時序，否則將引起讀寫錯亂。

4.3 流量計算

先根據流量模型（開方、線性等）得出流量計在工業(yè)狀況下的體積流量,一般需要轉化為工業(yè)標準狀況下的流量,這里根據儀表設置中的流量補償模式（一般氣體，、溫度/壓力補償、過熱蒸汽、飽和蒸汽等），查表得到密度，計算標準流量，提高精度

4.4 液晶顯示

包括數據和曲線顯示，是通過將相應液晶點寫為1或0(亮或暗)實現的。128列*64行點陣LCD在顯示時是以字節(jié)方式進行操作的，一次寫入1 列8行（共8個點），因此在數據顯示時，首先要將字符所對應的字模數據，以從左到右、從上到下（列序）的取模方法順序寫入表格中。在顯示時查表將字模數據依次寫入LCD即可。在顯示曲線時，通過兩點之間連折線的方式進行,其過程如圖5、圖6所示。

4.5 鍵盤處理

負責界面切換（流量顯示、實時/歷史曲線、設定模式等界面）、菜單選擇、參數設置（包括通道類型、量程、切除、報警設定，流量模型及系數K設定，流量補償模式及公式參數值設置，通訊參數設置，密碼設置，時間設置等）。

五、設計關鍵

5.1 合理的程序流程

（1）消息機制：系統(tǒng)需要處理的事件較多，有各種中斷，若中斷處理時間過長，則會使系統(tǒng)不能及時進行其它處理，導致系統(tǒng)錯誤。如若將流量計算程序置入數據采集定時中斷處理程序中時，有時會使系統(tǒng)很難完成正常的串行通信。在此借鑒了WINDOWS系統(tǒng)消息處理機制，如4.1所述，即當系統(tǒng)發(fā)生外部中斷時，只是進行很少的必要操作，然后將該中斷作標記，由主程序空閑時檢查此標志。

（2）菜單處理：將菜單按深度進行定位，系統(tǒng)共有三級菜單用Step[3]表示，根據Step[i]值判斷當前菜單位置，增強軟件的條理性。

5.2 數據存儲效率

儀表要記錄的通道歷史數據較長，在有限的存儲空間應高效利用所有存儲區(qū)域。這里采用記錄各通道數據占通道量程比例的方式來壓縮數據，將比例限定在0-65535之間（2個字節(jié)，對應0-100%）。對于數據要求不高的場合設定采用1個字節(jié)來表示。經多次實驗知，可有效拓展記錄長度。

5.3 數據運算的速度與精度

（1）雖然430可以進行浮點運算，但運算將會消耗大量資源，而且浮點數一般只能保留7位有效數字，因此在進行大數和小數運算時，會丟失許多有效位，使結果極不準確。筆者采用長整數記錄有效數字，字符整數記錄小數點位置組合表達數據的方式進行運算，有效提高了速度和精度。

（2）當外部信號為頻率輸入時，應將TIMERA配置為最大連續(xù)計數方式，僅在計數溢出后清除溢出標志，然后根據前后1s內兩次脈沖之差（考慮是否溢出）得出脈沖數，否則可能會丟失脈沖。

（3）采集數據的準確性是影響精度的主要因素，必須保證CS5523參考電壓的精度，并要求在電源穩(wěn)定后采樣；在進行通道切換后應把第一次轉換結果拋棄，否則將會引起很大的干擾誤差。即便如此，由于電路噪聲、標準電阻使用環(huán)境及接線的影響有時還會導致采樣不準，此時需要采用CS5523自身的校驗方式去除失調電壓，并通過軟件進入校驗模式，采用標準輸入信號進行標定。

5.4 系統(tǒng)的可靠性

采取了以下實用的措施保證可靠性：

（1）干擾主要是通過電源和外部輸入引入的，為防止系統(tǒng)意外重起或死機，這里采用電源濾波器和光電耦合隔離的方式。

（2）采用看門狗保障系統(tǒng)在故障情況下自動恢復運行[。

（3）在對LCD和EEPROM寫入數據后，立刻讀出所寫數據進行校驗，保證數據傳輸正確。

（4）采用內部備份電源，掉電后自動保存所有數據并進入休眠狀態(tài)。

（5）理清程序結構，采用模塊化方法提高可移植性。

5.5 系統(tǒng)的適應性

由于工業(yè)測量介質的多樣化，介質標準密度表不盡相同，而且隨著傳感器技術的不斷進步，可能出現新型熱電偶或熱電阻。為增強系統(tǒng)的靈活性，在軟件上預留特殊的輸入類型，只要將設定在廠商模式下，即可通過串口向內部EEPROM寫入密度或分度表數據。

五、結論

本文作者創(chuàng)新點：以提高系統(tǒng)精度、可靠性和易用性為設計核心，采用了高精密自校驗的采集方案，軟件上借鑒了WINDOWS的消息機制，提出了采用整型數據代替浮點數運算等提高速度和效率的方案，并開放內部表格提高了系統(tǒng)的靈活性。通過實驗發(fā)現整機的精度可達到0.2%以上，且具有較好的人機接口、適應性和可靠性，因此應用前景廣闊。