PIC單片機設計的便攜式測試記錄儀

以追求高可靠、低功耗、小體積設計思想的本記錄儀具有如下功能:對現(xiàn)場物理量進行實時采集、保存、處理與顯示;自動識別現(xiàn)場安裝的傳感器數(shù)量、傳感器號和量程;自動和手動兩種采集方式,自動采集適用于長期無人值班的固定場合,手動采集便于對分布在不同區(qū)域的物理量進行測試;與PC機通訊,可根據(jù)需要將采集數(shù)據(jù)下載至PC數(shù)據(jù)庫;實時打印;自檢功能,避免了系統(tǒng)運行過程中可能遇到本身無法容錯處理的異常事件而導致的死機現(xiàn)象。

基于PIC單片機的便攜式測試記錄儀(以下簡稱記錄儀)既有一般數(shù)據(jù)采集裝置的實時采集與保存功能,同時又能夠?qū)Σ杉瘮?shù)據(jù)進行實時處理、顯示和打印。

適用于對采集速度要求不高、交流供電比較困難以及無須長期留人值班的場合。

1 硬件設計

1.1 總體設計原則

根據(jù)高可靠、低功耗、小體積的設計思想及應用對象幾乎對采集速度無要求(此處指系統(tǒng)本身的采集速度已遠遠超過實際應用要求)的特性,總體設計原則是: 元器件采用低功耗、寬范圍工作電源的CMOS集成電路;總線采用口線少的串行總線;允許情況下,盡量用軟件實現(xiàn)硬件功能,用中斷代替查詢工作方式;一旦系統(tǒng)空閑則立即使其進入低功耗休眠狀態(tài),當需要時再用外部中斷予以喚醒。

1.2 硬件組成

根據(jù)總體設計原則,硬件組成如圖1所示。其中:單片機為美國MicroChip公司的中檔產(chǎn)品PIC16C74,+5V供電、4MHz主頻時功耗低于2mA;E2PROM存儲陣列由超低工作電壓(+2.5V～+5.5V)、具有可編程選擇多種特性的8KB智能化電可擦除存貯器24LC65芯片組成。其中,0#為傳感器識別片(以下簡稱識別片),保存現(xiàn)場實際安裝的傳感器數(shù)量、傳感器號及量程。該芯片被設計在放大器板上,永久安裝于現(xiàn)場。傳感器號由4位數(shù)字組成,前2位表示組號,后2位表示傳感器組內(nèi)號。1# 為字典片,分為三個存儲區(qū):第一存儲區(qū)被設置成高壽命寫入?yún)^(qū),保存表頭參數(shù),如疵點單元計數(shù)器、記錄計數(shù)器、記錄指針、自動采集時間等;第二存貯區(qū)為字典區(qū),保存?zhèn)鞲衅餍拚禂?shù)、實時打印所涉及的漢字國標碼等,查找時以傳感器號為關(guān)鍵字進行指針定位;第三存儲區(qū)被定義為疵點單元地址隊列,保存在寫過程中遇到的疵點單元地址。2#~7# 為數(shù)據(jù)片,保存實時采集的數(shù)據(jù)。RS232口為最簡單的零調(diào)制3線經(jīng)濟型,具有雙重功能,接上TPμP_T微型打印機,則進行實時打印;接上PC機,則與PC進行全雙工通訊。A/D轉(zhuǎn)換器MAX189為串行、12位逐次逼近型,功耗75mW,最大轉(zhuǎn)換時間8.5μs。實時時鐘DS1302具有可編程涓流充電功能,能夠提供秒、分、時、日、月、星期、年至2100年,并且對閏年和小于31天的月份進行自動調(diào)節(jié)。鍵盤由手動、自動、通訊、打印、清零等五個觸摸按鍵組成,通過按鍵產(chǎn)生外部中斷喚醒單片機完成相應功能。液晶顯示器(LCD)采用4位半靜態(tài)方式驅(qū)動,用來顯示處理后的結(jié)果以及系統(tǒng)運行過程中檢錯的代碼。32.768kHz晶振用于自動采集時產(chǎn)生定時中斷。

1.3 工作原理

本記錄儀基本工作原理是:一旦系統(tǒng)完成某項工作后,立即進入低功耗休眠狀態(tài),當需要時再由外部中斷予以喚醒。

1.3.1 加電初始化

加電后,首先初始化有關(guān)寄存器和接口,然后自檢各功能部件。測試結(jié)果無論正?；蝈e誤均以代碼形式顯示在LCD上,進入休眠狀態(tài)。

1.3.2 采 集

本記錄儀有自動和手動兩種采集方式。

休眠狀態(tài)下,當按手動鍵時則進入手動采集過程。首先讀識別片和字典片,以確立現(xiàn)場中實際安裝的傳感器數(shù)量、量程及數(shù)據(jù)片可寫空間。若數(shù)據(jù)片未寫滿,則從組內(nèi)0通道傳感器開始,循環(huán)對現(xiàn)場中實際安裝的所有傳感器進行采集、處理、顯示,直至當再按一次手動鍵時,方將傳感器號、量程、最近一次采集值(注意:不是實時處理后結(jié)果,而是原始A/D轉(zhuǎn)換碼值)以及采集時刻的日歷信息─年、月、日、時、分、秒等組成的記錄寫入記錄指針指向的數(shù)據(jù)片中,接著對表頭參數(shù)進行修改,進入休眠狀態(tài)。

休眠狀態(tài)下,當按自動鍵時則進入自動采集過程。首先開放定時中斷,然后進入采集─保存─休眠─喚醒─再采集─再保存─再休眠─再喚醒的循環(huán)狀態(tài),直到數(shù)據(jù)片被寫滿或人工干預結(jié)束自動采集過程為止。上述喚醒由外部中斷完成,其單片機從休眠狀態(tài)到喚醒工作之間的時間間隔有等距和變距兩種形式可供選擇。所謂等距即每次采集的時間間隔相同。與其相反,變距則每次采集的時間間隔隨采集次數(shù)的增多而變長或縮短,視實際應用需要而確定。本記錄儀出廠設置為等距1小時,即每間隔1小時采集1次。

1.3.3 通訊和打印

休眠狀態(tài)下,當按通訊鍵時,進入和PC通訊過程。首先由PC端Win98下的專門處理軟件完成串口1(若記錄儀與PC Com1口相連)或串口2(若記錄儀與PC Com2口相連)的自動配置,然后可根據(jù)工具條上的圖文進行等距、變距、選擇、數(shù)據(jù)下載、事后處理等操作。

休眠狀態(tài)下,當按打印鍵后,則在TPμP_T微型打印機上打印出所有保存的記錄。

1.3.4 清 零

休眠狀態(tài)下,當按清零鍵時,則清除數(shù)據(jù)片中保存的所有記錄,即使記錄指針指向數(shù)據(jù)片首址。

　　2 軟件設計

　　本記錄儀軟件由實時處理程序和組成記錄儀諸功能部件的驅(qū)動程序組成。

　　2.1 實時處理程序

　　實時處理程序調(diào)用相關(guān)驅(qū)動程序完成模擬量采集、數(shù)字濾波、插值運算、實時顯示、記錄合成及記錄保存。本記錄儀采用的記錄格式從高至低依序為:傳感器號,量程,采集值,年,月,日,時,分,秒。

　　2.2 驅(qū)動程序設計

　　驅(qū)動程序設計的基本思想是:首先完成相關(guān)接口、寄存器的初始化,然后根據(jù)具體物理部件產(chǎn)生微操作時序,并對操作過程中遇到的異常事件進行容錯處理。

　　2.2.1 讀/寫E2PROM 驅(qū)動程序

　　I2C總線由時鐘線(SCL)和數(shù)據(jù)線(SDA)組成。根據(jù)I2C總線協(xié)議,將圖1所采用的24LC65芯片的讀/寫操作按操作順序分解為:使總線處于空閑狀態(tài)(SCL、SDA均為高電平);發(fā)送讀/寫啟動信號(SCL保持高電平,SDA從高變低產(chǎn)生下降沿);在數(shù)據(jù)線SDA上讀或?qū)憯?shù)據(jù)位(SCL高電平時,SDA狀態(tài)為有效的讀或?qū)憯?shù)據(jù)位,SDA狀態(tài),即0或1的變化必須在 SCL低電平期間完成);發(fā)送讀/寫結(jié)束信號(SCL保持高電平,SDA從低變高產(chǎn)生上升沿)。如果為寫操作,每寫完1字節(jié)數(shù)據(jù)后,24LC65在數(shù)據(jù)線SDA上回送握手應答信號,表示該字節(jié)數(shù)據(jù)已被可靠寫入。以上微操作通過匯編語言編程實現(xiàn)。

　　本記錄儀以記錄方式讀/寫數(shù)據(jù)片。因此,對寫來說,首先讀字典片,以便用其中的表頭參數(shù)判斷當前數(shù)據(jù)片是否已寫滿。若已寫滿,則在LCD上顯示無寫空間標記代碼,然后返回休眠狀態(tài);否則,將記錄寫入記錄指針所指向的數(shù)據(jù)片中,同時對表頭參數(shù)進行修改。在寫過程中,重要的是處理疵點單元。盡管24LC65在寫過程中出現(xiàn)的疵點概率極少,但若不正確處理,則會導致目標數(shù)據(jù)丟失甚至出現(xiàn)系統(tǒng)死機現(xiàn)象。作者曾采用數(shù)據(jù)輪詢技術(shù)進行容錯處理,收到了良好的效果。其基本思想是:每當在數(shù)據(jù)線上寫完1字節(jié)數(shù)據(jù)后,便反復查詢24LC65回送的應答信號,但最多不超過50次(此數(shù)足夠24LC65寫入時間);若超過查詢次數(shù)仍無應答信號,便認為該單元為疵點單元,將其地址記入疵點單元地址隊列,并使疵點單元計數(shù)器加1,然后在下一比鄰單元繼續(xù)寫入原數(shù)據(jù)。如果連續(xù)兩單元為疵點單元,則認為整個芯片有問題,此時,在LCD上顯示該單元所在的芯片號(芯片號參見圖1),然后,返回休眠狀態(tài)。

　　對讀來說,首先判斷數(shù)據(jù)片是否為空。若為空,則在LCD上顯示無記錄標記代碼,然后返回休眠狀態(tài)。否則,繼續(xù)判斷數(shù)據(jù)片是否有疵點,如果無疵點,則從數(shù)據(jù)片首址開始按序讀出所有記錄;否則,在按序讀記錄過程中,根據(jù)疵點單元地址隊列內(nèi)容,跳過所有疵點單元,以保證讀出的記錄連續(xù)、真實、可靠。

　　2.2.2 采集驅(qū)動程序設計

　　A/D轉(zhuǎn)換器MAX189所帶串口與單片機PIC16C74的SPI口完全兼容。因此,在A/D轉(zhuǎn)換完成后,只要啟動單片機SPI口產(chǎn)生13個同步時鐘脈沖便可連續(xù)兩次從SPI數(shù)據(jù)緩沖器上獲得12位轉(zhuǎn)換結(jié)果。由于本記錄儀采集的參數(shù)個數(shù)依現(xiàn)場安裝的傳感器數(shù)不同而不同,因此,驅(qū)動程序必須能予以自動識別。圖2為采集驅(qū)動程序流程,其基本設計思想是:首先讀識別片,以確定實際安裝的傳感器數(shù)量,然后從0通道傳感器開始進行采集,直到實際安裝的最后一個傳感器采集完畢為止。圖2中:CHAN:通道寄存器;COUNT:傳感器數(shù)量寄存器。

　　3 測試設計

　　測試設計是通過測試程序完成對記錄儀本身各功能硬件的性能測試。測試程序獨立于實際應用程序,在單獨的單片機中,使用時只要拔掉記錄儀模板上的單片機而用其代之即可。測試程序設計的基本思想是:首先根據(jù)不同測試對象(即部件)產(chǎn)生不同的測試數(shù)據(jù)和測試期望數(shù)據(jù),然后以測試數(shù)據(jù)為入口參數(shù),調(diào)度相關(guān)驅(qū)動程序產(chǎn)生目標數(shù)據(jù),最后用測試期望數(shù)據(jù)與目標數(shù)據(jù)進行比較,以此判斷所測硬件性能之良劣。

　　3.1 E2PROM測試設計

　　E2PROM測試需要與PC機通訊。其基本原理是:首先產(chǎn)生8種測試數(shù)據(jù):0x00、0xff、0x55、0xaa、0x0f、0xf0、0x5a、0xa5(0x表示16進制數(shù)),然后分別以此8種測試數(shù)據(jù)為入口參數(shù),交替調(diào)度寫、讀E2PROM驅(qū)動程序3次(即先寫后讀3次)。每讀一次,與測試期望數(shù)據(jù)(此處測試數(shù)據(jù)與測試期望數(shù)據(jù)相同)進行比較,若不相等,則對相應片錯誤計數(shù)器加1。測試結(jié)果實時地顯示在記錄儀LCD和PC機上。LCD只顯示總錯誤個數(shù),PC機則依次顯示、保存總錯誤個數(shù)及錯誤單元地址。

　　3.2 A/D測試設計

　　A/D測試也需要與PC機通訊。由于本記錄儀最多可采集8路傳感器參數(shù),因此,測試程序?qū)︽I盤重新定義如下:當手動、自動、通訊、打印、清零鍵有鍵按下時,對應測試0～4通道傳感器;當手動、自動、通訊鍵其中之一與清零鍵同時按下時,則對應測試5～7通道傳感器。測試只對放大器滿量程的10%、50%、90%等3點進行采集。其原理是:首先,測試程序掃描鍵盤,當掃描到有鍵按下時,則調(diào)度采集驅(qū)動程序?qū)υ撴I盤定義的通道傳感器進行連續(xù)采集,采集結(jié)果不作任何處理,實時地顯示在記錄儀LCD和PC機上。LCD只顯示當前的A/D轉(zhuǎn)換碼值,PC機則顯示并保存當前A/D轉(zhuǎn)換碼值、各點最大、最小轉(zhuǎn)換碼值及兩者絕對差值。技術(shù)人員可以此判斷前向通道(傳感器、放大器、A/D)工作性能的好壞。筆者曾連續(xù)測試0通道傳感器6個半小時,發(fā)現(xiàn)最大碼差為9,表明前向通道工作相當穩(wěn)定。

　　3.3 實時時鐘測試設計

　　實時時鐘DS1302測試需要借助PC機完成。其測試原理是:首先PC機上的測試程序讀PC系統(tǒng)日歷信息─年、月、日、時、分、秒、星期,并進行發(fā)送。記錄儀在接收后,立即調(diào)度寫DS1302驅(qū)動程序?qū)⒔邮盏腜C系統(tǒng)日歷信息寫入DS1302相關(guān)功能寄存器中,并使DS1302以此為時基進行計時。此后,進入記錄儀發(fā)送、PC接收的無限循環(huán)狀態(tài),即:每隔10ms,記錄儀調(diào)度一次讀DS1302驅(qū)動程序,并將獲得的最近日歷信息予以迅速發(fā)送;而處于接收狀態(tài)的PC接收后,立即與PC系統(tǒng)當前日歷信息進行比較,如此循環(huán),直到人工干預結(jié)束測試為止。在上述測試過程中,記錄儀LCD只實時地顯示日歷信息的分、秒兩位,PC機則實時地顯示記錄儀和PC機兩端完整的日期、時間及兩者比較差。另外,通過觀察記錄儀LCD上顯示的分、秒位變化,也可初步判定DS1302的性能。筆者曾連續(xù)運行該測試程序24小時,偏差極小,足以滿足本系統(tǒng)的需要。

　　4 實際應用

　　本記錄儀已投入實際應用一年多,其可靠性、穩(wěn)定性、操作性和精度均受用戶歡迎。不足之處是:目前功耗還比較大,作者在+12V供電時測得電流為45.5mA,尚需進一步改進。

　　參考文獻

　　1 竇振忠. PIC系列單片機原理和程序設計.北京:北京航空航天大學出版社,1998

　　2 王福瑞. 單片機測控系統(tǒng)設計大全. 北京:北京航空航天大學出版社,1999

　　3 王幸之. 單片機應用系統(tǒng)抗干擾技術(shù). 北京:北京航空航天大學出版社,2000