手持式儀器中核心模塊通用功能函數(shù)設(shè)計(jì)

近年來，隨著金屬加工、航空航天、地質(zhì)勘探、礦山測(cè)繪、金屬冶煉、電子產(chǎn)品等眾多前沿領(lǐng)域不斷發(fā)展與興起，金屬材料檢測(cè)行業(yè)的市場需求驅(qū)動(dòng)因素也在不斷增長。據(jù)智研咨詢《2024-2030年中國金屬材料檢測(cè)行業(yè)市場競爭力分析及投資前景預(yù)測(cè)報(bào)告》中統(tǒng)計(jì)，我國金屬材料檢測(cè)市場規(guī)模從2016年的293.5億元增長至2023年的406.99億元，其中：鋼鐵材料檢測(cè)市場規(guī)模增長至140.23億元，有色金屬檢測(cè)市場規(guī)模增長至266.76億元。這表明在我國近年各項(xiàng)政策支持下，金屬材料檢測(cè)行業(yè)有望迎來穩(wěn)定發(fā)展期。其中，手持式光譜儀作為金屬材料檢測(cè)賽道的強(qiáng)勢(shì)分支，憑借攜帶方便，現(xiàn)場檢測(cè)，快速無損，分析速度快等綜合優(yōu)勢(shì)，大大提高了檢測(cè)效率，受到各大產(chǎn)業(yè)廣泛應(yīng)用。

與西方發(fā)達(dá)國家相比，我國金屬材料檢測(cè)行業(yè)發(fā)展歷史較短，從初期至今大約僅經(jīng)歷了半個(gè)世紀(jì)。但隨著我國正式加入世界貿(mào)易組織后，在受到外資檢測(cè)機(jī)構(gòu)沖擊以及我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展所帶來強(qiáng)大檢測(cè)金屬材料需求的雙重因素作用下，我國金屬材料檢測(cè)行業(yè)進(jìn)入了光速發(fā)展階段。在此情形下，國產(chǎn)手持式光譜儀品牌森沙儀器根據(jù)市場現(xiàn)實(shí)與潛在需求，創(chuàng)新研發(fā)出HX-5手持式光譜儀，該產(chǎn)品在檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性方向獲得了進(jìn)一步提升，成功搶占國內(nèi)手持式光譜儀市場先機(jī)。

手持式儀器是嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)的重要領(lǐng)域，手持式儀器具有便于攜帶、操作方便、LCD顯示清晰等優(yōu)點(diǎn)。本文結(jié)合手持式電量測(cè)量儀開發(fā)項(xiàng)目，設(shè)計(jì)了以MSP430F449為核心的手持式儀器。系統(tǒng)采用16位A/D轉(zhuǎn)換器AD7705和128×64像素LCD圖形顯示器設(shè)計(jì)互動(dòng)式圖形用戶界面，用于顯示測(cè)量結(jié)果數(shù)字和圖形。符合人體工程學(xué)的按鍵和易于操作的菜單，實(shí)現(xiàn)了儀器的4按鍵圖形菜單操作。設(shè)計(jì)了對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理并實(shí)時(shí)存儲(chǔ)的應(yīng)用軟件。儀器具有測(cè)量精度高、數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)、信息容量大、智能化、體積小、功耗低等特點(diǎn)，適合于電池供電的工作環(huán)境。

1 核心模塊硬件設(shè)計(jì)

1.1 16位嵌入式處理器MSP430F449單片機(jī)

德州儀器公司的MSP430系列單片機(jī)是一種16位超低功耗微處理器，低供電電壓范圍為1.8～3.6 V，1 MHz時(shí)鐘運(yùn)行時(shí)耗電電流在O.1～400 μA之間，并具有多種低功耗模式，關(guān)斷模式下耗電僅為0.1μA;從中斷請(qǐng)求到CPU喚醒只要6μs;具有豐富的片內(nèi)資源。本系統(tǒng)中選用的是MSP430F449單片機(jī)，該單片機(jī)具有5種節(jié)電模式(LPM0～LPM4)，1 MHz下工作電流O.1～280μA，具有2個(gè)16位和1個(gè)8位定時(shí)器;具有1個(gè)12位A/D轉(zhuǎn)換器，2個(gè)串行通信接口，可通過軟件選擇UART/SPI模式;Flash存儲(chǔ)器多達(dá)60 KB，RAM多達(dá)2 KB。手持式儀器核心模塊基本組成的硬件電路框圖如圖l所示。

1.2 Flash數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器

由于系統(tǒng)要存放大量的數(shù)據(jù)，因此需要大容量的存儲(chǔ)芯片。可選用的存儲(chǔ)芯片主要有EEPROM、Flash、FRAM等類型。FRAM存儲(chǔ)器雖然擦寫次數(shù)無限制但其價(jià)格昂貴，EEPROM、Flash型存儲(chǔ)芯片雖有擦寫次數(shù)的限制但價(jià)格較低，其中Flash存儲(chǔ)容量更大。本文選用AT45DB041B串行Flash芯片作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。AT45DB041B與AT45DB04l、AT45DB041A完全兼容，但供電電壓更低，為2.5～3.6 V或者2.7～3.6 V，功耗更低，且封裝尺寸和引腳數(shù)更少。該存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)頁容量為4 Mb，共分為2 048頁，每頁容量為264字節(jié)，此外還具有2個(gè)264字節(jié)的緩存(BUFFERl、BUFFER2)，在主存被編程時(shí)仍可接收數(shù)據(jù)。它采用SPI串口模式0～3可與任何單片機(jī)或微機(jī)進(jìn)行通信，幾乎無需外接元器件。電路開發(fā)較為簡單，而且數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大，安全性較好。

1.3 16位A/D轉(zhuǎn)換器AD7705

模數(shù)轉(zhuǎn)換器選擇ADI公司的16位∑一△A/D轉(zhuǎn)換器AD7705。該器件提供雙三通道、低成本、高分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換功能。由于采用∑一△結(jié)構(gòu)并具有可編程增益放大器，應(yīng)用于低頻測(cè)量的模擬前端，可以直接接收來自傳感器的低電壓輸入信號(hào)，實(shí)現(xiàn)16位無丟失代碼并產(chǎn)生串行的數(shù)字輸出。當(dāng)電源電壓為3.3 V，基準(zhǔn)電壓為1.225V時(shí)，可處理O～10mV或O～1.225 V的單極性模擬輸入信號(hào);雙極性模擬輸入信號(hào)范圍是±10 mV及±1.225V，無需外部儀表放大器，簡化了儀器硬件電路的設(shè)計(jì)。AD7705工作電壓為2.7～3.3 V，與系統(tǒng)CPUMSP430F449的3.3 V端口電壓兼容，可直接與MSP430F1449連接。AD7705的CMOS功耗極低，3 V電壓時(shí)最大功耗為1 mW。器件帶有節(jié)電模式，方便電池供電。AD7705能確保14位的準(zhǔn)確度，分辨率達(dá)到小數(shù)點(diǎn)后4位，滿足系統(tǒng)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)小數(shù)點(diǎn)后3位的準(zhǔn)確性要求。在本儀器核心電路設(shè)計(jì)中，采用MSP430F449的并行口模擬SPI串行口時(shí)序，實(shí)現(xiàn)對(duì)AD7705的操作。在AD7705的PCB設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)避免在器件下布置數(shù)字信號(hào)線，否則會(huì)導(dǎo)致片內(nèi)噪聲成倍增加。同時(shí)，應(yīng)注意模擬地與和數(shù)字地在一點(diǎn)接地。

1.4 128×64 LCD顯示器

液晶模塊選用北京青云創(chuàng)新科技發(fā)展公司的LCMl28645ZK液晶模塊，顯示內(nèi)容為128×64點(diǎn)陣，外形尺寸為93 mm×70 mm×13 mm，視域尺寸為70.7 mm×38.8 mm，顯示類型為STN黃綠模式，正向顯示，控制器為ST7920，工作電壓3.3 V，和微處理器供電電壓兼容。該模塊自帶8 000多GBl、GB2中文漢字字庫，具有8位、4位并行編程模式和3線串行編程模式。引腳定義如表1所列。串行編程模式下所需I/O口線少，硬件連接簡單。本系統(tǒng)即采用串行編程模式。

2 核心模塊通用功能函數(shù)設(shè)計(jì)

核心模塊設(shè)計(jì)了通用功能函數(shù)，便于編寫應(yīng)用程序時(shí)調(diào)用。通用功能函數(shù)在IAR Embedded Workbench環(huán)境下采用C語言設(shè)計(jì)開發(fā)。

2.1 Flash數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器函數(shù)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用MSP430F449的P3口對(duì)Flash存儲(chǔ)器AT45DB041B進(jìn)行控制，它和MSP430F449的連接如圖2所示。P3.6連接片選端，P3.5連接串行時(shí)鐘端，P3.4連接串行數(shù)據(jù)輸入端，P3.3連接串行數(shù)據(jù)輸出端，配合P3.O和P3.1的操作實(shí)現(xiàn)對(duì)存儲(chǔ)器的讀寫等操作。(編者注：部分核心函數(shù)見本刊網(wǎng)站。)

2.2 核心模塊LCD顯示函數(shù)設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)內(nèi)，單片機(jī)MSP430F449通過P5口與液晶模塊LCMl28645ZK串行通信，P5.7接液晶的RS(CS)端，P5.6接液晶的R/W(STD)端，P5.5接液晶的SCLK端，如圖3所示。P4.7通過1個(gè)三極管構(gòu)成開關(guān)電路來控制液晶是否供電，達(dá)到系統(tǒng)最低功耗的目的。(編者注：部分關(guān)鍵函數(shù)的設(shè)計(jì)見本刊網(wǎng)站。)

2.3 核心模塊A/D轉(zhuǎn)換函數(shù)設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)內(nèi)，單片機(jī)MSP430F449與AD7705的接線原理如圖4所示，P2.O連接SCLK端，P2.1連接CS選擇端，P2.2連接DIN端，P2.3連接DOUT端，P2.4連接DRDY端，2路輸入采用差分輸入方式。通過訪問AD7705的8個(gè)寄存器實(shí)現(xiàn)對(duì)AD7705的所有操作：

①通信寄存器。所有對(duì)器件的通信必須從寫通信寄存器開始。上電或復(fù)位后，默認(rèn)為等待指令，寫入通信寄存器。由通信寄存器選擇位RS2～RS0指定下次訪問的寄存器。R/W位選擇下次是讀操作還是寫操作，輸入通道選擇位CHl、CHO選擇輸入模擬通道。

②設(shè)置寄存器?？勺x/寫的8位寄存器，用于設(shè)置工作模式、增益、極性、緩沖器控制和濾波器同步。

③時(shí)鐘寄存器。可讀/寫的8位寄存器，用于設(shè)置有關(guān)AD7705運(yùn)行頻率參數(shù)和A/D轉(zhuǎn)換輸出更新速率。

④數(shù)據(jù)寄存器。16位只讀寄存器，存放AD7705最新的轉(zhuǎn)換結(jié)果。

⑤測(cè)試寄存器、零標(biāo)度校準(zhǔn)寄存器、滿標(biāo)度校準(zhǔn)寄存器等。用于測(cè)試和存放校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，可用來分析噪聲和轉(zhuǎn)換誤差。部分核心函數(shù)如下：

2.4 核心模塊電源設(shè)計(jì)

電源設(shè)計(jì)是手持式儀器系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，本課題權(quán)衡低功耗、低成本、穩(wěn)定可靠等諸多因素。由電源芯片LMlll7—3.3提供MSP430F449微處理器的集成I/O和Flash、A/D、128×64像素LCD等外設(shè)的工作電源;LMlll7—5超低壓降線性穩(wěn)壓電源芯片實(shí)現(xiàn)電池電壓到5 V的轉(zhuǎn)換，并由HZD05—12D12模塊為前端傳感器提供±12 V電源。其中HZD05—12D12為雙路輸出，均衡負(fù)載直流 直流雙輸出模塊，輸入電壓范圍9～18 V，輸出電壓±12 V，額定輸出電流±O.21 A。系統(tǒng)電源電路如圖5所示。

該電路可以滿足系統(tǒng)不同部件的供電需求。儀器由外接AC電源變換/充電器或內(nèi)置12.6 V的鋰電池組供電。

結(jié) 語

本文討論手持式儀器核心電路的硬件和軟件設(shè)計(jì)。采用MSP430F449作為手持式儀器的控制核心，用LCMl28645ZK LCD模塊作為儀器顯示器。采用16位A/D轉(zhuǎn)換器AD7705，設(shè)計(jì)多通道、高性能、高精度的測(cè)量部件。手持式儀器核心電路還設(shè)計(jì)了可提供3.3 V、5V、±12V的4路電壓的電源模塊。此手持式儀器核心電路系統(tǒng)已用于手持式電量測(cè)量儀中。實(shí)踐證明，該系統(tǒng)具有手持式使用、測(cè)量精度高、數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)、功耗低、電池供電等特點(diǎn)。本文介紹的MSP430的手持式儀器核心模塊硬件軟件具有通用性，可直接應(yīng)用于手持式儀器中。