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1 引言
現(xiàn)在，世界正從工業(yè)化、機械化時代邁入信息化時代。儀器儀表作為一種信息工具，起著不可或缺的信息源的作用。由于信息源必須準(zhǔn)確無誤或最大限度的少誤，所以現(xiàn)代儀器儀表都無不采用多種技術(shù)形式綜合集成，在高新技術(shù)發(fā)展的信息化時代，儀器儀表完全是現(xiàn)代化的綜合因素之一。
本文所設(shè)計的基于低功耗單片機的智能綜合儀表是基于智能化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化新一代智能儀表的設(shè)計理念，采用智能調(diào)理、靈巧總線、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)、液晶顯示、電子儲存技術(shù)，綜合指示儀表、調(diào)節(jié)儀表、積算儀表與記錄儀表功能，具有高測量控制精度、高可靠性穩(wěn)定性的特點。采用高亮度LED背光192×64單色點陣液晶顯示屏，支持2通道通用模擬輸入、1通道模擬輸出和2通道的報警輸出。本文具體論述了智能綜合儀表的軟、硬件設(shè)計。
2 智能綜合儀表的硬件結(jié)構(gòu)框圖
儀表硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。其硬件結(jié)構(gòu)主要由電源、24V配電輸出、通用信號輸入、模擬信號輸出、報警輸出、液晶顯示接口、按鍵接口、外部存儲器接口、實時時鐘、RS485通信接口這九個部分組成。
圖1硬件結(jié)構(gòu)框圖
3 智能綜合儀表的硬件詳細設(shè)計
智能綜合儀表以MSP430F149作為主處理芯片。MSP430F149是一種低功耗的單片機，非常適合作為該儀表的混合信號處理器。
3.1 通用信號輸入電路
輸入信號中有電壓信號、電流信號、還有電阻信號，對這些信號都能夠進行測量的輸入端，我們稱之為“通用輸入端口”，如圖2所示。電壓信號通過 input1和input3輸入，測量IN1電壓即測得電壓信號。電流信號從input2和input3輸入，通過測量IN2和IN3的電壓，已知電阻 R5的阻值，可得到電流的輸入值。測量PT100，PT100以三線制接入。三線制接法是為了消除因引線長短帶來的誤差，可由以下算式得，設(shè)引線電阻為 r，則:
U1 = (R+r) × I (1)
U2 = (R+2r) × I (2)
2 × (1) – (2), 得
(3)
由公式(3)可知PT100的阻值測量只跟U1、U2、I相關(guān)，這樣就消除了引線帶來的誤差，從公式中可得PT100的精度由U1、U2的測量精度。具體測量方法如下:首先測得U2電壓值，已知5V基準(zhǔn)和電阻R4，可算得流經(jīng)PT100的電流量，然后測得U1，即可計算得到PT100的阻值。
圖2 通用輸入端口
3.2 模擬信號輸出與點陣液晶顯示設(shè)計
智能綜合儀表的模擬量輸出是工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)輸出4-20mA。要得到4-20mA可以通過1-5SV模擬電壓輸出通過V-I變換電路得到。而得到1-5V 模擬電壓輸出大部分是通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)來做到的，但是目前許多單片機內(nèi)部沒有集成DAC(包括MSP430F149)，即使有些單片機集成了 DAC，DAC的精度往往也不高。在高精度的應(yīng)用中還是需要外接DAC，顯然這樣就增加了成本。但是幾乎所有的單片機(包括MSP430F149)都提供定時器或者PWM輸出功能。本儀表就是應(yīng)用MSP430F149的PWM輸出，經(jīng)過簡單的變換電路來實現(xiàn)DAC，這大大降低AO部分的成本、減少了體積，并提高了精度。
液晶屏選擇Truly公司的MSC-G19264DYSY-070W STN屏，該屏的象素是192×128，供電電壓為3.3V，符合MSP430F149的I/O口電平范圍，可以非常方便連接。背光采用了5V供電的高亮度比D面光設(shè)計，使顯示的畫面即使在能見度很低的情況下看起來也非常亮、非常清晰。它的工作范圍為-20-70℃，在智能綜合儀表的工作溫度范圍(0- 55℃)之內(nèi)。整個液晶屏的工作電流僅為75mA，比普通點陣液晶屏要低的多，從而大大降低了整個系統(tǒng)的功耗。
