基于单片机的工业测量显示终端设计

2014-03-21李俊锋

仪表技术与传感器 2014年3期

李俊锋，张　亚

(中北大学机电工程学院，山西太原　030051)

0　引言

一般工业现场对工艺过程量的测量都对应各种仪表或指示装置，比如流量计、压力表、温度计，指示尺寸位移量的如百分表，千分尺等，这些指示装置测量原理、指示方式都不同。随着生产过程的发展，过程控制水平对检测技术的要求越来越高，需要将这些工艺过程量数字化显示，自动存储，网络化管理。这是检测技术应用的发展方向。

文中详细论述了针对工业现场使用而开发设计的一种将偏移量转化为电量，并通过触摸屏直观显示，模块化设计实现多种功能的测量显示终端系统的设计过程。

1　多功能测量显示终端的系统组成

工业生产现场需要的测量显示装置必须指示结果稳定清晰，操作简单，设定参数方便，维修更换快速，同时显示多通道数据，数据能存储和传输。

根据这些基本要求，系统采用广泛使用的工业级TFT液晶显示器件及匹配的触摸屏，作为触控显示单元，采用低功耗单片机作为控制器，采用可更换接口的信号调理模块的方式，实现多种测量功能。

系统的原理组成方框图如图1所示。

图1　多功能测量显示终端的系统组成

由图1所示，多功能显示终端系统由TFT液晶显示单元、通讯接口、传感量输入及信号调理模块，以及存储系统组成。其中显示单元和传感信号调理单元，根据应用的要求不同，选装不同功能或规格的部件，相对具有独立性或多样性的特点。其余部件如时钟系统、电源系统、存储系统等与单片机结合较为紧密，且电路设计相对稳定，故系统将这几个部分集中在一块驱动主板上。

存储系统采用I2C总线的存储器件，具有操作简单、扩展方便的特点，电源系统为各个模块提供稳定的电源，具有稳压，过流保护的基本功能，提供+5 V、+3．3 V两组电源。时钟系统利用外接无源晶振为单片机提供8 MHz的主时钟。选用MSP430F14系列单片机，其复位方式为低电平复位方式。驱动主板提供两路RS232C标准的全双工异步通信接口。一路提供外接通信接口，如连接PC或WIFI 模块，或ZIGBEE模块，实现无线通信。另一路用于显示单元与单片机的通信。

系统中，多通道传感量输入接口是为统一接驳各种传感量的标准接口，如外接半桥式电感传感器，或外接气动传感器的输出电压信号。信号调理实现传感器的激励，输入信号的放大，滤波及抗干扰，限幅处理，然后输入到单片机的模拟量输入通道进行12位的A/D转换。

在显示终端的外接输入端口接驳不同类型的传感器输入量，对A/D前端的信号调理电路做相应的调整，实现了多功能的扩展。

2　系统硬件设计

2．1显示系统的选择及设计

显示系统是终端的重要部分，系统选用了内带控制器的TFT液晶屏，其64K真彩色的TFT HMI内部的控制器与外部控制器的按RS232C标准通信，数据传输的波特率可以选择1 200～115 200 bit/s，工作电压为5～26 V，工作温度范围为-20～70 ℃，带有32 MB的字库，可以自建字符库，可供用户使用的存储空间为32 MB，可预置的图片空间为96 MB．这些基本的技术指标表明该类型的触摸屏系统可以实现多界面显示，满足工业应用。

2．2驱动主板的设计

2．2．1驱动主板系统的组成

驱动主板系统的组成如图2所示。由图2可以看出，驱动主板系统的主要包括JTAG 接口，24C64为核心组成的存储模块电路，ADC 前端一阶滤波电路，以及由MAX323为核心组成的RS232串口电平转换电路。各部分电路以TI MSP430F14X系列单片机为核心，单片机内核部件只是该次设计必须用到的部件，MSP430F14X系列单片机是16bit总线低功耗内带FLASH的单片机，内部带看门狗部件，硬件上保证程序可靠稳定运行，丰富的内部部件资源可以减少外部电路的设计，是针对仪器仪表行业应用的开发的单片机芯片。

图2　驱动主板组成

2．2．2存储模块的电路设计

驱动主板需要保存系统设定的数据和用户设定的数据，掉电后数据不能丢失，MSP430内部的FLASH 存储器未提供用户使用的数据存储区。所以需要设计外部的数据存储模块，考虑易用性及成本要求，选用了I2C总线接口的串行存储芯片24C64，该芯片有64 KB存储空间，可供存储8 K字节的数据。该芯片说明如图3所示。

图3存储芯片说明

AT24C64通过SDA，SCL脚外接到I2C总线上，芯片A0～A2的引脚电平决定了芯片在总线上的地址编码，WP脚提供了写入保护，防止异常擦写操作，保护内部的数据。MSP430F14x 系列的单片机不含I2C总线控制器，设计采用单片机的GPIO脚模拟I2C总线时序的方法，实现了对存储芯片的操作。AT24C64芯片读写时序如图4所示。

图4　AT24C64芯片读写时序图

2．2．3存储模块的电路设计

MSP430F14X系列单片机内部含有1个8通道12位的ADC 模块，通过软件的配置用户可以方便地使用，由传感器信号调理电路输入到单片机输入端的信号混叠有低频及高频的干扰信号，由于测量系统对信号的高频部分不需要响应，ADC的通过频率大于100Hz就可以满足测量系统的要求，所以输入到单片机的ADC引脚前需要做一阶低频滤波，经计算和测试，ADC前端电路的设计电路如图5所示。

图5　ADC前端滤波电路

2．2．4通讯模块电路的设计

采用MAX3232芯片将TTL 电平转换为RS232标准的电平，单片机通讯电路示意简图如图6所示。

图6　通讯模块电路信号流程图

使用MSP430F14x 的UART0与UART1模块，结合MAX3232芯片，实现系统设计要求的两个通道的串行通讯要求，在单片机的中断系统中，UART0优先级高于UART1，所以将通道1与TFT触屏显示单元相接。通道2用于对外传PC或外接无线通讯模块传输数据。

3　主板驱动软件的设计

多功能测量显示终端是在MSP430单片机的控制下运行的，单片机内有60 KB的用户程序FLASH，SRAM为2 048 byte．经过编译的用户程序由JTAG 接口烧录入芯片。用户的程序实现控制任务的要求。显示终端系统的软件框图如图7所示。

图7　显示终端系统软件模块框图

由图7可以看出软件系统关联紧密的是任务调度模块、串口中断通讯模块、显示单元控制模块。各模块的软件设计如下：

存储模块的设计：存储单元的操作是读写通过单片机的GPIO操作存储器硬件24C64芯片，读写芯片按I2C总线时序的要求完成。本模块软件系统的核心是是通过控制GPIO的电平及时序来模拟总线时序。存储模块完成测量项目中基本参数、校准参数、用户设定参数的读写操作。

ADC模块的软件设计：ADC12模块是单片机内部的功能部件，使用前需要对其进行初始化操作，针对MSP430F14x系列，初始化中启动了ADC转换，单片机的中断系统等待ADC完成转换，转换结果需要通过ADC中断程序的赋值操作，将结果值传给全局变量，供程序调用。

显示单元的控制模块：显示单元的串口控制模块是利用针对TFT显示单元的指令集来开发的。该指令集的主要功能有字符显示，图片显示，绘图操作，显示系统设置等几类。每类功能，有10多项专用指令。

串口通讯软件模块：串口通讯模块是针对单片机与外接器件数据通讯需求而设计的，使用两个串口通道，通道一用于串口屏通讯，通道二用于对其他器件的通讯，该模块的主要函数是串口初始化函数，接收中断函数。其中，接收中断函数用于处理从显示单元控制器串口发送过来的字符信息，包含有命令字和坐标位置等数据，是实现触控操作的关键，该信息必须正确的解码，用于单片机对整个程序做出相应的调度。