電子科技大學電子工程學院 周益馳 習友寶
工業化儀表,因其集信息的獲取、轉換、存儲、傳輸、分析、處理及顯示于一體而成為工業控制領域的基礎和核心之一。隨著計算機技術、微電子技術的發展,工業化儀表已逐漸發展成為具有微處理器系統的智能化儀表[2]。便攜式智能儀表因其攜帶方便、操作方便、界面友好、人機接口豐富、功耗低等特性,使得其在當今生活中越來越普及。
AVR XMEGA是8/16位AVR微處理器的升級版本。其采用Atmel picoPower技術,所有器件均可使用1.6V工作電壓。MCU具有5μS喚醒時間和100nA的業界極低耗電量,其內部增加集成了全速USB、高速高精度模擬系統、DMA控制器和創新的事件系統,最大限度的提升了數據吞吐量和實時性能,并有效減輕了處理器負載。其集成度更高,更有效的降低了系統總功耗和成本。特別適宜計量、工業、醫療和消費領域的儀器儀表設備應用[1]。
系統總體框圖如圖1所示,電源供電和復位電路構成了儀表的最小系統,本著儀表多用途,本設計加入了基于Zigbee技術的無線收發、USB數據通信、Flash存儲擴展、字庫芯片數據讀取、數據采集、彩屏顯示等功能。本文就將對此六個功能的外圍電路及其實現進行詳述。
在儀表使用過程中,當兩臺儀表需要相互通信或者不便于與PC機進行有線連接的情況下,需要將數據進行無線傳輸。而能夠進行無線傳輸也成為諸多儀器儀表適應多條件、多功能的體現。Zigbee是近年新興的無線網絡通信技術標準,功耗小、成本低,在應用中有著突出優勢。其連接時間短,大大降低了通信數據的碰撞概率;最大可達到65535個網絡節點,使得其具有優越的組網能力;其數據傳輸進行加密處理,因而具有較高的網絡安全性能。綜上可知,Zigbee無線傳輸技術具有較廣泛的應用前景。
設計使用了AT86RF212芯片,它是一款低功耗、低電壓700/800/900 MHz頻段無線收發器,提供了天線和MCU之間的完整無線電接口,支持ZigBee技術IEEE 802.15.4標準,支持6LoW PAN技術與高數據傳輸速率的ISM的應用,其外圍電路連接如圖2所示。
本模塊使用TLV2543作為電壓幅值的采集,在采集數據之前需進行必要的電壓變換。芯片接口連接如圖3所示。多路數據采集通道擴展了MCU的不足,在進行控制中可使用單路或多路通道信號采集,其具有11路轉換通道,12bits的電壓轉換精度,最高可達10μs的轉換速率。AD芯片使用單片機SPI1接口進行數據傳輸,其基準電壓由REF3030芯片提供。
為了使儀表的應用范圍更加廣泛,設計加入了集通數碼科技公司生產的GT23L16M2Y字符芯片,以滿足顯示時界面中的較多字符需要。其內部包含11×12點陣與15×16點陣,有對于多種制式漢字及字符的支持。單片機利用漢字源碼的函數計算,得到漢字點陣在芯片中的地址,讀取到點陣數據后,通過口線傳輸給單片機以供顯示。芯片可選PLII與SPI接口,為了節約口線,本儀表使用SPI接口模式,與CPU的連接如圖4所示。
儀表在野外操作時,當需要采集數據較多而又無法將數據及時傳輸至上位機時,就需要大容量、掉電非易失的存儲設備。在長期數據對比分析時,也需要保存較大批量的數據記錄,單片機本身自帶128K字節的flash存儲和8K字節的SRAM存儲以及2K字節的EEPROM存儲單元。但在掉電之后,FLASH存儲無法保存數據,需要一個大容量的存儲空間開保留已經記錄的批量數據。
本設計采用了Atmel公司生產的ATDB011D存儲器,內部集成了1M字節的Flash存儲,有最高達66MHz的數據存取速度,其使用SPI接口與單片機進行數據傳輸。與單片機的連接電路如圖5所示。
圖1 儀表設計系統總體框圖
圖2 外圍電路連接圖
圖3 芯片接口連接圖
圖4 與CPU的連接圖
圖5 與單片機的連接電路圖
USB接口在儀器儀表的使用中以相當普遍,在與計算機進行直接數據傳輸過程中,其端口小巧、支持熱插拔操作等特性,使得其成為眾多便攜儀表的首選。本設計使用CP2102芯片,將單片機串行端口轉換為USB端口,作為一個虛擬端口使用,簡化了通訊連接方式和單片機的程序設計。其與CP2101完全引腳兼容,其符合USB 2.0規范:最高全速(12Mbps);支持USB的掛起狀態,可以和支持COM口的PC機連接通訊使用。集成的USB收發器無需外部電阻,外圍電路簡單,連接電路如圖6所示。
圖6 集成的USB收發器連接電路圖
圖7 數據信號接口圖
圖8 系統軟件設計系統的總體框圖
儀表的顯示質量直接關乎用戶的使用體驗,傳統儀表的屏幕多為單色或者尺寸較小,彩色屏幕可以在界面中對重要內容進行突出顯示,增強用戶的人機交互視覺效果。儀表使用了型號HY32B彩色顯示器,兼顧了顯示速率、電量消耗和用戶視覺效果。其搭載了3.2英寸TFT LCD彩色顯示屏和驅動電路,顯示分辨率為320×240,其接口有多種選擇,包括3-線、4-線SPI和6/9/16-bits 6800/8080并行接口以及6/16/18-bit RGB接口。為了提高數據傳輸速度,數據信號使用16位并行傳輸。接口如圖7所示。
系統的編譯和仿真全部在Atmel公司提供的AVR Studio 6.0軟件環境下,所有模塊實現均使用C語言編寫,利于系統的開發與移植。軟件使用模塊化和層次化結構設計,開發周期短、維護方便。系統的總體框圖如圖8所示。底層模塊設計為各個基礎器件的驅動與接口程序,包括無線連接協議、USB接口聯通、AD采集驅動、數據存儲、時鐘存取接口、顯示接口數據傳輸以及鍵盤按鍵判別等。第二層主要用于執行指定功能,包括電壓、頻率測量、記錄查詢、無線連接、數據存取及按鍵操作等的組合選項。頂層即對界面的顯示中需要用到的相應功能,實現人機交互。
Xmega作為一款較新型的高性能單片機,其應用和開發還有待進一步的挖掘。本文以實際項目應用為基礎,給出了具體的外圍電路設計及軟件流程,為其在工業中的應用提供了一種參考。
[1]吳小平.智能儀表的發展現狀研究[J].常州職業信息技術學院學報,2008,7(1):19-23.
[2]智能儀表技術及工業自動化應用發展探討[J].自動化博覽,2009,06:44-47.
[3]林山霖.ZigBee技術發展現狀[J].零組件雜志,2004(155).
[4]周興華.AVR單片機C語言高級程序設計[M].北京:中國電力出版社,2008.