電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院 周國(guó)華 習(xí)友寶

1.引言

工業(yè)化儀表是集信息獲取、轉(zhuǎn)換、處理、存儲(chǔ)、傳輸于一體的重要技術(shù)工具，包括分析儀表、檢測(cè)儀表、執(zhí)行與控制儀表等幾大類，也有將幾部分功能集成在一起的儀表，是工業(yè)控制領(lǐng)域的基礎(chǔ)和核心之一[1]。21世紀(jì)以來(lái)，儀表制造迅速發(fā)展，規(guī)模也越來(lái)越大，成為我國(guó)制造業(yè)發(fā)展最快的行業(yè)之一[2]；現(xiàn)在，儀表的發(fā)展水平已經(jīng)成了顯示國(guó)家綜合國(guó)力的標(biāo)志之一，各發(fā)達(dá)國(guó)家都在大力發(fā)展儀表的科技水平。

UC32A0512是一款先進(jìn)的32位的AVR單片機(jī)，采用單電源3.3V供電，最高運(yùn)行頻率66MHz，可獨(dú)立設(shè)置CPU和外設(shè)的時(shí)鐘頻率，支持支持全速USB2.0協(xié)議以及On-The-Go(OTG)全速及低速協(xié)議，支持10M/100M以太網(wǎng)介質(zhì)訪問(wèn)控制子層協(xié)議接口(MAC)，片內(nèi)自帶高速FLASH和SRAM，集成了SPI、USART、TWI通信接口。其豐富的片上資源為儀表功能的擴(kuò)展提供了巨大的便利條件。

2.電路總體框圖

儀表電路總體框圖如圖1所示，時(shí)鐘源及復(fù)位電路、電源、JTAG接口組成了單片機(jī)的最小系統(tǒng)，保證系統(tǒng)的正常啟動(dòng)運(yùn)行。鍵盤(pán)和顯示屏作為人機(jī)交互的接口，其余三部分為本文重點(diǎn)介紹的外圍電路。

圖1 儀表電路總體框圖

3.外圍電路設(shè)計(jì)

3.1 flash存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)

該模塊主要用來(lái)存儲(chǔ)儀表采集的電壓值和其他擴(kuò)展電路的采集信息，這些信息要供給操作人員以后查看，或傳至上位機(jī)，所以要保證信息在儀表掉電后不丟失。UC32A0512單片機(jī)自帶512KB的flash存儲(chǔ)和64KB的SRAM存儲(chǔ)：flash用來(lái)存儲(chǔ)單片機(jī)程序，單片機(jī)運(yùn)行時(shí)，只能從中讀取指令和固定的數(shù)據(jù)，不能進(jìn)行寫(xiě)操作；SRAM用來(lái)存放單片機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的臨時(shí)數(shù)據(jù)，雖然可隨時(shí)讀寫(xiě)，但不具備掉電保護(hù)功能。所以儀表系統(tǒng)必須外接一個(gè)主存儲(chǔ)器，保證采集到的各種數(shù)據(jù)不會(huì)掉電丟失。

AT45DB161D是ATMEL公司的16M bytes的flash存儲(chǔ)器，與單片機(jī)采用SPI接口進(jìn)行連接，如圖2所示。CS為SPI片選信號(hào)，低電平有效，SCK、SI、SO為SPI的時(shí)鐘、數(shù)據(jù)輸入輸出管腳[3]。RESET管腳連接單片機(jī)的復(fù)位管腳，當(dāng)出現(xiàn)低電平時(shí)，flash芯片停止所有讀寫(xiě)操作，直到RESET管腳出現(xiàn)高電平為止。WP管腳為存儲(chǔ)器寫(xiě)保護(hù)使能端，為低電平時(shí)，對(duì)存儲(chǔ)器內(nèi)受保護(hù)區(qū)域的所有操作都將被忽視，本設(shè)計(jì)將其連接到高電平，必要時(shí)可以軟件控制對(duì)受保護(hù)區(qū)域的操作。

圖2 flash存儲(chǔ)電路

3.2 數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)

該模塊由A/D轉(zhuǎn)換器TLC3548對(duì)模擬電壓進(jìn)行采集。與單片機(jī)采用SPI接口，如圖3所示，PA15～PA18分別為單片機(jī)SPI1接口的SCK、MOSI、MISO、CS1引腳。EOC/INT引腳為A/D轉(zhuǎn)換完成標(biāo)志位，使能為EOC功能時(shí)，轉(zhuǎn)換結(jié)束后輸出高電平，使能為INT功能時(shí)，轉(zhuǎn)換結(jié)束后輸出低電平。CSTART和FS分別為外部采樣觸發(fā)信號(hào)、用于DSP接口的幀同步輸入信號(hào)，本設(shè)計(jì)用不到這些功能，故將其連接到固定的高電平。

芯片參考電壓為引腳REFP與REFM電壓之差，其參考類型由BGAP引腳和模擬地之間的補(bǔ)償電容決定：接0.1u電容時(shí)為外部參考，電壓由REFP引腳輸入；接0.1u和10u并聯(lián)時(shí)為內(nèi)部4V基準(zhǔn)電壓[4]。為了提高參考電壓的穩(wěn)定性，本設(shè)計(jì)采用內(nèi)部基準(zhǔn)作為參考電壓。

圖3 A/D轉(zhuǎn)換器

3.3 串口通信電路設(shè)計(jì)

手持儀表在測(cè)量完信號(hào)后，需要把測(cè)量結(jié)果以數(shù)據(jù)包的形式發(fā)送給計(jì)算機(jī)，方便操作人員對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行保存和分析，因此，需要為儀表和計(jì)算機(jī)選擇一個(gè)合適的通信接口。UC3A0512單片機(jī)集成有全雙工的串行通用收發(fā)機(jī)，能夠?qū)崿F(xiàn)異步串行數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。同時(shí)，考慮到一般儀表系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量都不大，速度要求也不高，所以選擇RS-232C標(biāo)準(zhǔn)異步串行接口作為通信接口。

計(jì)算機(jī)的串口使用RS-232C電平標(biāo)準(zhǔn)，在數(shù)據(jù)接收端和發(fā)送端，邏輯“1”電平在-3～-15V，邏輯“0”電平在+3～+15V。而單片機(jī)使用的是TTL電平，所以為了保證正常通信，必須在計(jì)算機(jī)和單片機(jī)間進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換[5]。本設(shè)計(jì)選擇了MAXIM公司的MAX3232CSE芯片，并采用常用的9針串口（DB9），使用三線制接法，即DB9的2腳接單片機(jī)數(shù)據(jù)輸出腳，3腳接計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)輸出腳，5腳接公共地，具體電路如圖4所示。

圖4 串口通信電路

4.總結(jié)

針對(duì)新型32位AVR單片機(jī)，本文給出了部分具體的外圍電路，為新型單片機(jī)在工業(yè)儀表中的應(yīng)用提供了參考，具有較大的實(shí)用價(jià)值。

[1]吳小平.智能儀表的發(fā)展現(xiàn)狀研究[J].常州職業(yè)信息技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2008,7(1):19-23.

[2]趙陽(yáng)華.我國(guó)儀器儀表產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀、問(wèn)題及政策研究[J].中國(guó)儀器儀表,2009,3:29-33.

[3]徐春生,王太勇,鄧輝等.串行DataFlash在便攜式片上數(shù)采系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].機(jī)械與電子,2005,7:74-76.

[4]丁海松,張道信,馬良川.基于DSP與TLC3548的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2010,12(23):68-70.

[5]孫建華,趙曉典,高永飛.PC機(jī)與單片機(jī)的串口通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].軟件導(dǎo)刊,2010,9:47-48.