以MSP430F149為核心的溫度檢測儀的硬件模塊和軟件設(shè)計

摘要：溫度檢測儀主要是對溫度進(jìn)行檢測，對溫度的靈敏作出及時的反應(yīng)。以MSP430F149為核心的溫度檢測儀成本較低，功耗低，有很高的可靠性，對周圍環(huán)境抗干擾的能力也較強，對溫度的變化反應(yīng)靈敏，這就得益于其內(nèi)部的硬件模塊和軟件設(shè)計，能夠應(yīng)用于不同的環(huán)境，據(jù)不同的需要應(yīng)用在多類的溫度檢測系統(tǒng)中。這里從其硬件模塊和軟件設(shè)計對其特點進(jìn)行分析、論證。
關(guān)鍵詞：MSP430F149；檢測系統(tǒng)；硬件；軟件；低功耗

0 引言
    蘭州大型的綜合工程重離子加速器——冷卻存儲環(huán)(HIFRL-CSR)是國家科學(xué)重點工程之一，在其內(nèi)部控制系統(tǒng)里存在著大量的測量溫度的場合，這些場合依靠約束離子的行為發(fā)揮CSR主環(huán)中的磁場作用，在磁場中，這些帶電粒子束有時處于聚焦?fàn)顟B(tài)，有時則處于傳輸狀態(tài)，且磁場性能的好壞對束流品質(zhì)有直接影響。
    由于磁鐵的溫度與磁場性能及安全密切相關(guān)。磁鐵的線圈中通過電流時，會產(chǎn)生很高的溫度，因此，對其溫度的測量是一項非常重要的工作。以MSP430F149為核心的溫度檢測儀基于此要求進(jìn)行設(shè)計，并投入使用，是一款成本低并且性能良好的測溫儀。

1 溫度測量原理
1．1 溫度測量的流程分析
    在該設(shè)計中，測溫范圍應(yīng)控制在20～70℃范圍內(nèi)，且測溫精度約為±1℃；當(dāng)溫度高于70℃時，則發(fā)出自動報警提示。目前，大多數(shù)溫度監(jiān)測系統(tǒng)精度較低，程序響應(yīng)的時間都比較慢，僅能監(jiān)測到8路。而在此設(shè)計中擬用8個開關(guān)進(jìn)行模擬，這樣就可以實現(xiàn)監(jiān)測到64路。這樣，在該電路中，可以主要測量其電橋溫度，利用A／D轉(zhuǎn)換器實行轉(zhuǎn)換，僅需采取VCO和單片機接口即可實現(xiàn)。
    當(dāng)溫度信號發(fā)出時，選擇Pt100傳感器，其鉑電阻的阻值會隨著溫度的變化而發(fā)生變化，并且會呈現(xiàn)一定的函數(shù)關(guān)系，Pt100傳感器利用這一特點，實現(xiàn)測溫功能。其中，溫度與阻值之間的關(guān)系可表示為：
   
1．2 溫度測量的參數(shù)分析
    一般情況下，將溫度測量控制在-200～+800℃，允許偏差為：A級±(0．15+0．002|t|)，B級±(0．30+0．005|t|)；其中，熱電阻最小的置入深度不得低于2DO mm；響應(yīng)時間控制在30 s范圍內(nèi)；允許通過的電流不大于5 mA。除此以外，溫度傳感器Pt100還具有穩(wěn)定性能好、抗振動、測量準(zhǔn)確性高、耐受高壓的優(yōu)點。
    Pt100溫度傳感器測量系統(tǒng)的流程圖如圖1所示。

2 溫度測量系統(tǒng)的硬件模塊
    在該設(shè)計中，主要采用由美國德州儀器公司生產(chǎn)的16位單片機——MSP430F149，它具有運行速度快、處理能力強、功耗低的優(yōu)點，其工作時的電壓為1．8～3．6 V。內(nèi)部的CPU在運行過程中，會發(fā)出正交精簡的指令集，通過寄存器可實現(xiàn)各種各樣的運算，且具備一些中斷源，可隨意嵌套。如果系統(tǒng)處于省電狀態(tài)，用于中斷的請求和喚醒僅需要6μs。
    此外，MSP430F149還有很多片上外圍模塊，以12位A／D轉(zhuǎn)換器為例，具備內(nèi)部參考源，可保持采樣進(jìn)行并實現(xiàn)自動掃描等功能；在16位定時器TimerA中，共有四種工作模式，可以在實現(xiàn)多個捕獲功能時發(fā)揮外部比較的功能；其中48個I／O口具備獨立編程的能力，兩個串行接口可實現(xiàn)USART0和USART1之間的通信；另外，在FLASH存儲器中，最高存儲容量約為60KB，可完成近10萬次擦寫。
2．1 溫度測量系統(tǒng)硬件模塊的組成
    此系統(tǒng)硬件模塊由數(shù)據(jù)采集單元、通信接口單元和鍵盤顯示單元三個部分組成。
2．2 溫度測量系統(tǒng)硬件模塊的工作原理
2．2．1 數(shù)據(jù)采集
    在此沒計中，橋式電路由Pt100傳感器和電阻組成，能把Pt100由于溫度變化而產(chǎn)生的阻值變化，轉(zhuǎn)化為電壓變化，并輸入到運算放大器中，當(dāng)信號被放大后，再進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換。由于現(xiàn)場應(yīng)用的條件較惡劣，而測量過程中的精度要求較高，因此一部分已經(jīng)放大的信號，可采取電壓與頻率之間的轉(zhuǎn)換技術(shù)實現(xiàn)A／D轉(zhuǎn)換，再將這種方法測量的數(shù)據(jù)輸入到ROM表中，對MSP430F149中的A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果實行線性補償。
    在橋式電路甲，導(dǎo)線電阻的連接可能產(chǎn)生測量誤差，為了避免這種情況，可采取三線連接法。此外橋式測溫電路中的電壓波動現(xiàn)象，可能造成測量結(jié)果的誤差，因此應(yīng)采取+10V基準(zhǔn)電壓實現(xiàn)電橋電路的供電工作，以此加強對電橋電路中的電壓波動限制。電橋電路如圖2所示。

    在壓控振蕩器LM331中，可實現(xiàn)電壓與頻率之間的轉(zhuǎn)換。作為一種芯片，它具備如下特點：可自由轉(zhuǎn)化模擬電壓，將其置換為可實現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸、可直接輸入計算機、抗干擾能力極強的脈沖串。利用MSP430F149單片機中的Timer模塊，可檢測其輸出頻率大小，以完成A／D之間的轉(zhuǎn)換功能。在壓控振蕩器LM331中，可使用其溫度補償功能，并具有極強的溫度穩(wěn)定性。另外，在該器件的脈沖輸出過程中，可兼容多種邏輯形式，既可采取單電源供電，也可采取雙電源供電，其中基電壓控制在5～40 V范圍內(nèi)，最大非線性誤差控制在0．01％內(nèi)。
    經(jīng)相關(guān)實驗證明，壓控振蕩器LM331的電壓與頻率關(guān)系式表示如下：
    f0=KVi
    式中：K=Rs／(2．09Rt·Ct·RL)；Rs=Rs1+Rs2。
    因為MSP430F149是16位的計數(shù)器，所以在此設(shè)計中就選用的具體參數(shù)為：Rs=33 kΩ，Rt=6．8 kΩ，Ct=2 200 pF，RL=100kΩ。由于Rs，Rt，Ct，RL對f0的轉(zhuǎn)換產(chǎn)生直接影響，其計算結(jié)果也會有所區(qū)別。因此，在該組電路中，主要采用精密電阻計算，電容則選用漏電流偏小的云母電容。
    LM331的電路原理圖如圖3所示。

2．2．2 通信接口
    在MSP430F149中配有通用的通信串行接口，可允許7位、8位串行位流。串行位流主要以預(yù)設(shè)速率進(jìn)行，且由外部時鐘確定的速度做出移入或移出動作。MSP430F149傳送單片機和上位機之間的數(shù)據(jù)，應(yīng)通過RS 485接發(fā)器進(jìn)行接收或發(fā)送；再通過嵌入式網(wǎng)關(guān)ATmega128接入以太網(wǎng)，實現(xiàn)用戶的遠(yuǎn)程訪問功能。其中，數(shù)據(jù)通信方式為全雙工、4線形式，波特率約57 600b／s，通過MSP430F149單片機中的P口實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送。
2．2．3 鍵盤顯示
    通過鍵盤接口，可完成行列掃描。在系統(tǒng)工作過程中，MCU會持續(xù)查詢、檢查按鍵是否按下，造成工作效率低下。因此，在設(shè)計中，應(yīng)考慮采取I／O口形式，來完成鍵盤輸入的中斷。MSP430F149單片機中P1口和P2口都可以用來處理外部事件中斷問題，與高效率、精確化工作要求正好相符。在MSP430F149單片機中，將鍵盤接入P2口，極大地提高了工作效率。
    在該沒計中，采取主控制驅(qū)動支撐顯示單元，通過HD44780液晶顯示完成整個工作。這種模塊形式，具有結(jié)構(gòu)緊湊、輕巧，便于裝配等優(yōu)勢，同時擁有標(biāo)準(zhǔn)化接口，確保各種性能的充分發(fā)揮。除了可以顯示192個標(biāo)準(zhǔn)字符之外，還可完成8個自定義特殊字符的顯示。

3 軟件設(shè)計
3．1 軟件設(shè)計的語言
    MSP430F149單片機可以采用C語言編程完成整個程序設(shè)汁工作，其程序設(shè)計提高了開發(fā)調(diào)試效率。由于采用C語言編程，其所產(chǎn)生的文檔資料容易理解，而且便于移動使用。C語言編程應(yīng)用在MSP430系列中時，與標(biāo)準(zhǔn)C語言編程具有較高兼容性。且在軟件設(shè)計過程中，可選擇模塊化方法，確保程序結(jié)構(gòu)一目了然，對今后系統(tǒng)的進(jìn)一步擴展提供了非常重要的參考作用。
3．2 軟件設(shè)計的模塊
    在軟件模塊設(shè)計中，其主要程序為：主程序、通信模塊、顯示模塊、鍵盤處理模塊、Timer計數(shù)模塊、A／D轉(zhuǎn)換模塊等。當(dāng)系統(tǒng)在工作狀態(tài)下，對程序?qū)嵭谐跏蓟幚恚?dāng)完成這一程序后，進(jìn)入巡回模式。如果在此過程中發(fā)生了中斷事件，則可自動判斷中斷源位置，并連接相關(guān)的中斷服務(wù)。軟件流程圖如圖4所示。

4 結(jié)語
    在該系統(tǒng)中，主要采用鉑電阻Pt100，具備較強的可靠性，且線性度較好，已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，在測量環(huán)境的高精密度上發(fā)揮著重要的作用。
    以MSP430F149為核心的溫度檢測儀對溫度有著靈敏的反應(yīng)，其中用來采集的控制器具有成本低、功耗低、抗干擾能力很強的特點，可以滿足不同的需要，因此MSP430F149為核心的溫度檢測儀，可以在各種溫度檢測系統(tǒng)中應(yīng)用。
    在現(xiàn)場條件極其惡劣的情況下，MSP430F149系統(tǒng)中采用壓頻間的轉(zhuǎn)換技術(shù)來實現(xiàn)A／D的轉(zhuǎn)換，避免了直接用MSP430中的A／D轉(zhuǎn)換引起測量誤差較大的缺點。此設(shè)計的創(chuàng)新點就是在工作程序中采用了查表法，這樣可以對測量值進(jìn)行線性化的補償，測量精度得到了提高。