摘? 要: 從軟、硬件設計和各功能部件測試等方面詳細介紹了基于PIC單片機的便攜式測試記錄儀的設計原理和具體實現方法。目前該產品已投入實際應用。
關鍵詞: 記錄儀? 驅動程序? 測試設計
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基于PIC單片機的便攜式測試記錄儀(以下簡稱記錄儀)既有一般數據采集裝置的實時采集與保存功能,同時又能夠對采集數據進行實時處理、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。
以追求高可靠、低功耗" title="低功耗">低功耗、小體積設計思想的本記錄儀具有如下功能:對現場物理量進行實時采集、保存、處理與顯示;自動識別現場安裝的傳感器數量、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域的物理量進行測試;與PC機通訊,可根據需要將采集數據下載至PC數據庫;實時打印;自檢功能,避免了系統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象。
1 硬件設計
1.1 總體設計原則
根據高可靠、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,盡量用軟件實現硬件功能,用中斷代替查詢工作方式;一旦系統空閑則立即使其進入低功耗休眠狀態,當需要時再用外部中斷予以喚醒。
1.2 硬件組成
根據總體設計原則,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),保存現場實際安裝的傳感器數量、傳感器號及量程。該芯片被設計在放大器板上,永久安裝于現場。傳感器號由4位數字組成,前2位表示組號,后2位表示傳感器組內號。1# 為字典片,分為三個存儲區:第一存儲區被設置成高壽命寫入區,保存表頭參數,如疵點單元計數器、記錄計數器、記錄指針、自動采集時間等;第二存貯區為字典區,保存傳感器修正系數、實時打印所涉及的漢字國標碼等,查找時以傳感器號為關鍵字進行指針定位;第三存儲區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# 為數據片,保存實時采集的數據。RS232口為最簡單的零調制3線經濟型,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" title="A/D">A/D轉換器MAX189為串行、12位逐次逼近型,功耗75mW,最大轉換時間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節。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位半靜態方式驅動,用來顯示處理后的結果以及系統運行過程中檢錯的代碼。32.768kHz晶振用于自動采集時產生定時中斷。
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1.3 工作原理
本記錄儀基本工作原理是:一旦系統完成某項工作后,立即進入低功耗休眠狀態,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,首先初始化有關寄存器和接口,然后自檢各功能部件。測試結果無論正常或錯誤均以代碼形式顯示在LCD上,進入休眠狀態。
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,以確立現場中實際安裝的傳感器數量、量程及數據片可寫空間。若數據片未寫滿,則從組內0通道傳感器開始,循環對現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:不是實時處理后結果,而是原始A/D轉換碼值)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據片中,接著對表頭參數進行修改,進入休眠狀態。
休眠狀態下,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─再喚醒的循環狀態,直到數據片被寫滿或人工干預結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,然后可根據工具條上的圖文進行等距、變距、選擇、數據下載、事后處理等操作。
休眠狀態下,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
休眠狀態下,當按清零鍵時,則清除數據片中保存的所有記錄,即使記錄指針指向數據片首址。
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動程序組成。
2.1 實時處理程序
實時處理程序調用相關驅動程序完成模擬量采集、數字濾波、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 驅動程序設計
驅動程序設計" title="程序設計">程序設計的基本思想是:首先完成相關接口、寄存器的初始化,然后根據具體物理部件產生微操作時序,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 驅動程序
I2C總線由時鐘線(SCL)和數據線(SDA)組成。根據I2C總線協議,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(SCL、SDA均為高電平);發送讀/寫啟動信號(SCL保持高電平,SDA從高變低產生下降沿);在數據線SDA上讀或寫數據位(SCL高電平時,SDA狀態為有效的讀或寫數據位,SDA狀態,即0或1的變化必須在 SCL低電平期間完成);發送讀/寫結束信號(SCL保持高電平,SDA從低變高產生上升沿)。如果為寫操作,每寫完1字節數據后,24LC65在數據線SDA上回送握手應答信號,表示該字節數據已被可靠寫入。以上微操作通過匯編語言編程實現。
本記錄儀以記錄方式讀/寫數據片。因此,對寫來說,首先讀字典片,以便用其中的表頭參數判斷當前數據片是否已寫滿。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;否則,將記錄寫入記錄指針所指向的數據片中,同時對表頭參數進行修改。在寫過程中,重要的是處理疵點單元。盡管24LC65在寫過程中出現的疵點概率極少,但若不正確處理,則會導致目標數據丟失甚至出現系統死機現象。作者曾采用數據輪詢技術進行容錯處理,收到了良好的效果。其基本思想是:每當在數據線上寫完1字節數據后,便反復查詢24LC65回送的應答信號,但最多不超過50次(此數足夠24LC65寫入時間);若超過查詢次數仍無應答信號,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,并使疵點單元計數器加1,然后在下一比鄰單元繼續寫入原數據。如果連續兩單元為疵點單元,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。
對讀來說,首先判斷數據片是否為空。若為空,則在LCD上顯示無記錄標記代碼,然后返回休眠狀態。否則,繼續判斷數據片是否有疵點,如果無疵點,則從數據片首址開始按序讀出所有記錄;否則,在按序讀記錄過程中,根據疵點單元地址隊列內容,跳過所有疵點單元,以保證讀出的記錄連續、真實、可靠。
2.2.2 采集驅動程序設計
A/D轉換器MAX189所帶串口與單片機PIC16C74的SPI口完全兼容。因此,在A/D轉換完成后,只要啟動單片機SPI口產生13個同步時鐘脈沖便可連續兩次從SPI數據緩沖器上獲得12位轉換結果。由于本記錄儀采集的參數個數依現場安裝的傳感器數不同而不同,因此,驅動程序必須能予以自動識別。圖2為采集驅動程序流程,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:傳感器數量寄存器。
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3 測試設計
測試設計" title="測試設計">測試設計是通過測試程序" title="測試程序">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:首先根據不同測試對象(即部件)產生不同的測試數據和測試期望數據,然后以測試數據為入口參數,調度相關驅動程序產生目標數據,最后用測試期望數據與目標數據進行比較,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:首先產生8種測試數據:0x00、0xff、0x55、0xaa、0x0f、0xf0、0x5a、0xa5(0x表示16進制數),然后分別以此8種測試數據為入口參數,交替調度寫、讀E2PROM驅動程序3次(即先寫后讀3次)。每讀一次,與測試期望數據(此處測試數據與測試期望數據相同)進行比較,若不相等,則對相應片錯誤計數器加1。測試結果實時地顯示在記錄儀LCD和PC機上。LCD只顯示總錯誤個數,PC機則依次顯示、保存總錯誤個數及錯誤單元地址。
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,因此,測試程序對鍵盤重新定義如下: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,則調度采集驅動程序對該鍵盤定義的通道傳感器進行連續采集,采集結果不作任何處理,實時地顯示在記錄儀LCD和PC機上。LCD只顯示當前的A/D轉換碼值,PC機則顯示并保存當前A/D轉換碼值、各點最大、最小轉換碼值及兩者絕對差值。技術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。筆者曾連續測試0通道傳感器6個半小時,發現最大碼差為9,表明前向通道工作相當穩定。
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系統日歷信息─年、月、日、時、分、秒、星期,并進行發送。記錄儀在接收后,立即調度寫DS1302驅動程序將接收的PC系統日歷信息寫入DS1302相關功能寄存器中,并使DS1302以此為時基進行計時。此后,進入記錄儀發送、PC接收的無限循環狀態,即:每隔10ms,記錄儀調度一次讀DS1302驅動程序,并將獲得的最近日歷信息予以迅速發送;而處于接收狀態的PC接收后,立即與PC系統當前日歷信息進行比較,如此循環,直到人工干預結束測試為止。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。筆者曾連續運行該測試程序24小時,偏差極小,足以滿足本系統的需要。
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。
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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. 單片機應用系統抗干擾技術. 北京:北京航空航天大學出版社,2000