李俊鋒，張　亞

(中北大學機電工程學院，山西太原　030051)

0　引言

一般工業(yè)現(xiàn)場對工藝過程量的測量都對應各種儀表或指示裝置，比如流量計、壓力表、溫度計，指示尺寸位移量的如百分表，千分尺等，這些指示裝置測量原理、指示方式都不同。隨著生產過程的發(fā)展，過程控制水平對檢測技術的要求越來越高，需要將這些工藝過程量數(shù)字化顯示，自動存儲，網絡化管理。這是檢測技術應用的發(fā)展方向。

文中詳細論述了針對工業(yè)現(xiàn)場使用而開發(fā)設計的一種將偏移量轉化為電量，并通過觸摸屏直觀顯示，模塊化設計實現(xiàn)多種功能的測量顯示終端系統(tǒng)的設計過程。

1　多功能測量顯示終端的系統(tǒng)組成

工業(yè)生產現(xiàn)場需要的測量顯示裝置必須指示結果穩(wěn)定清晰，操作簡單，設定參數(shù)方便，維修更換快速，同時顯示多通道數(shù)據，數(shù)據能存儲和傳輸。

根據這些基本要求，系統(tǒng)采用廣泛使用的工業(yè)級TFT液晶顯示器件及匹配的觸摸屏，作為觸控顯示單元，采用低功耗單片機作為控制器，采用可更換接口的信號調理模塊的方式，實現(xiàn)多種測量功能。

系統(tǒng)的原理組成方框圖如圖1所示。

圖1　多功能測量顯示終端的系統(tǒng)組成

由圖1所示，多功能顯示終端系統(tǒng)由TFT液晶顯示單元、通訊接口、傳感量輸入及信號調理模塊，以及存儲系統(tǒng)組成。其中顯示單元和傳感信號調理單元，根據應用的要求不同，選裝不同功能或規(guī)格的部件，相對具有獨立性或多樣性的特點。其余部件如時鐘系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、存儲系統(tǒng)等與單片機結合較為緊密，且電路設計相對穩(wěn)定，故系統(tǒng)將這幾個部分集中在一塊驅動主板上。

存儲系統(tǒng)采用I2C總線的存儲器件，具有操作簡單、擴展方便的特點，電源系統(tǒng)為各個模塊提供穩(wěn)定的電源，具有穩(wěn)壓，過流保護的基本功能，提供+5 V、+3．3 V兩組電源。時鐘系統(tǒng)利用外接無源晶振為單片機提供8 MHz的主時鐘。選用MSP430F14系列單片機，其復位方式為低電平復位方式。驅動主板提供兩路RS232C標準的全雙工異步通信接口。一路提供外接通信接口，如連接PC或WIFI 模塊，或ZIGBEE模塊，實現(xiàn)無線通信。另一路用于顯示單元與單片機的通信。

系統(tǒng)中，多通道傳感量輸入接口是為統(tǒng)一接駁各種傳感量的標準接口，如外接半橋式電感傳感器，或外接氣動傳感器的輸出電壓信號。信號調理實現(xiàn)傳感器的激勵，輸入信號的放大，濾波及抗干擾，限幅處理，然后輸入到單片機的模擬量輸入通道進行12位的A/D轉換。

在顯示終端的外接輸入端口接駁不同類型的傳感器輸入量，對A/D前端的信號調理電路做相應的調整，實現(xiàn)了多功能的擴展。

2　系統(tǒng)硬件設計

2．1顯示系統(tǒng)的選擇及設計

顯示系統(tǒng)是終端的重要部分，系統(tǒng)選用了內帶控制器的TFT液晶屏，其64K真彩色的TFT HMI內部的控制器與外部控制器的按RS232C標準通信，數(shù)據傳輸?shù)牟ㄌ芈士梢赃x擇1 200～115 200 bit/s，工作電壓為5～26 V，工作溫度范圍為-20～70 ℃，帶有32 MB的字庫，可以自建字符庫，可供用戶使用的存儲空間為32 MB，可預置的圖片空間為96 MB．這些基本的技術指標表明該類型的觸摸屏系統(tǒng)可以實現(xiàn)多界面顯示，滿足工業(yè)應用。

2．2驅動主板的設計

2．2．1驅動主板系統(tǒng)的組成

驅動主板系統(tǒng)的組成如圖2所示。由圖2可以看出，驅動主板系統(tǒng)的主要包括JTAG 接口，24C64為核心組成的存儲模塊電路，ADC 前端一階濾波電路，以及由MAX323為核心組成的RS232串口電平轉換電路。各部分電路以TI MSP430F14X系列單片機為核心，單片機內核部件只是該次設計必須用到的部件，MSP430F14X系列單片機是16bit總線低功耗內帶FLASH的單片機，內部帶看門狗部件，硬件上保證程序可靠穩(wěn)定運行，豐富的內部部件資源可以減少外部電路的設計，是針對儀器儀表行業(yè)應用的開發(fā)的單片機芯片。

圖2　驅動主板組成

2．2．2存儲模塊的電路設計

驅動主板需要保存系統(tǒng)設定的數(shù)據和用戶設定的數(shù)據，掉電后數(shù)據不能丟失，MSP430內部的FLASH 存儲器未提供用戶使用的數(shù)據存儲區(qū)。所以需要設計外部的數(shù)據存儲模塊，考慮易用性及成本要求，選用了I2C總線接口的串行存儲芯片24C64，該芯片有64 KB存儲空間，可供存儲8 K字節(jié)的數(shù)據。該芯片說明如圖3所示。

圖3存儲芯片說明

AT24C64通過SDA，SCL腳外接到I2C總線上，芯片A0～A2的引腳電平決定了芯片在總線上的地址編碼，WP腳提供了寫入保護，防止異常擦寫操作，保護內部的數(shù)據。MSP430F14x 系列的單片機不含I2C總線控制器，設計采用單片機的GPIO腳模擬I2C總線時序的方法，實現(xiàn)了對存儲芯片的操作。AT24C64芯片讀寫時序如圖4所示。

圖4　AT24C64芯片讀寫時序圖

2．2．3存儲模塊的電路設計

MSP430F14X系列單片機內部含有1個8通道12位的ADC 模塊，通過軟件的配置用戶可以方便地使用，由傳感器信號調理電路輸入到單片機輸入端的信號混疊有低頻及高頻的干擾信號，由于測量系統(tǒng)對信號的高頻部分不需要響應，ADC的通過頻率大于100Hz就可以滿足測量系統(tǒng)的要求，所以輸入到單片機的ADC引腳前需要做一階低頻濾波，經計算和測試，ADC前端電路的設計電路如圖5所示。

圖5　ADC前端濾波電路

2．2．4通訊模塊電路的設計

采用MAX3232芯片將TTL 電平轉換為RS232標準的電平，單片機通訊電路示意簡圖如圖6所示。

圖6　通訊模塊電路信號流程圖

使用MSP430F14x 的UART0與UART1模塊，結合MAX3232芯片，實現(xiàn)系統(tǒng)設計要求的兩個通道的串行通訊要求，在單片機的中斷系統(tǒng)中，UART0優(yōu)先級高于UART1，所以將通道1與TFT觸屏顯示單元相接。通道2用于對外傳PC或外接無線通訊模塊傳輸數(shù)據。

3　主板驅動軟件的設計

多功能測量顯示終端是在MSP430單片機的控制下運行的，單片機內有60 KB的用戶程序FLASH，SRAM為2 048 byte．經過編譯的用戶程序由JTAG 接口燒錄入芯片。用戶的程序實現(xiàn)控制任務的要求。顯示終端系統(tǒng)的軟件框圖如圖7所示。

圖7　顯示終端系統(tǒng)軟件模塊框圖

由圖7可以看出軟件系統(tǒng)關聯(lián)緊密的是任務調度模塊、串口中斷通訊模塊、顯示單元控制模塊。各模塊的軟件設計如下：

存儲模塊的設計：存儲單元的操作是讀寫通過單片機的GPIO操作存儲器硬件24C64芯片，讀寫芯片按I2C總線時序的要求完成。本模塊軟件系統(tǒng)的核心是是通過控制GPIO的電平及時序來模擬總線時序。存儲模塊完成測量項目中基本參數(shù)、校準參數(shù)、用戶設定參數(shù)的讀寫操作。

ADC模塊的軟件設計：ADC12模塊是單片機內部的功能部件，使用前需要對其進行初始化操作，針對MSP430F14x系列，初始化中啟動了ADC轉換，單片機的中斷系統(tǒng)等待ADC完成轉換，轉換結果需要通過ADC中斷程序的賦值操作，將結果值傳給全局變量，供程序調用。

顯示單元的控制模塊：顯示單元的串口控制模塊是利用針對TFT顯示單元的指令集來開發(fā)的。該指令集的主要功能有字符顯示，圖片顯示，繪圖操作，顯示系統(tǒng)設置等幾類。每類功能，有10多項專用指令。

串口通訊軟件模塊：串口通訊模塊是針對單片機與外接器件數(shù)據通訊需求而設計的，使用兩個串口通道，通道一用于串口屏通訊，通道二用于對其他器件的通訊，該模塊的主要函數(shù)是串口初始化函數(shù)，接收中斷函數(shù)。其中，接收中斷函數(shù)用于處理從顯示單元控制器串口發(fā)送過來的字符信息，包含有命令字和坐標位置等數(shù)據，是實現(xiàn)觸控操作的關鍵，該信息必須正確的解碼，用于單片機對整個程序做出相應的調度。

4　結束語

文中詳細介紹了一種多功能測量顯示終端的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的設計過程。該顯示終端是一種新型的測量設備，有較為廣闊的市場前景。設計中只包含了基本的功能，使用者可以根據現(xiàn)場的具體情況和需要完善測量顯示終端的功能。

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