電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院 周益馳 習(xí)友寶

1.引言

工業(yè)化儀表，因其集信息的獲取、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)、傳輸、分析、處理及顯示于一體而成為工業(yè)控制領(lǐng)域的基礎(chǔ)和核心之一。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)化儀表已逐漸發(fā)展成為具有微處理器系統(tǒng)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(jī)接口豐富、功耗低等特性，使得其在當(dāng)今生活中越來(lái)越普及。

AVR XMEGA是8/16位AVR微處理器的升級(jí)版本。其采用Atmel picoPower技術(shù)，所有器件均可使用1.6V工作電壓。MCU具有5μS喚醒時(shí)間和100nA的業(yè)界極低耗電量，其內(nèi)部增加集成了全速USB、高速高精度模擬系統(tǒng)、DMA控制器和創(chuàng)新的事件系統(tǒng)，最大限度的提升了數(shù)據(jù)吞吐量和實(shí)時(shí)性能，并有效減輕了處理器負(fù)載。其集成度更高，更有效的降低了系統(tǒng)總功耗和成本。特別適宜計(jì)量、工業(yè)、醫(yī)療和消費(fèi)領(lǐng)域的儀器儀表設(shè)備應(yīng)用[1]。

2.儀表設(shè)計(jì)總體框圖

系統(tǒng)總體框圖如圖1所示，電源供電和復(fù)位電路構(gòu)成了儀表的最小系統(tǒng)，本著儀表多用途，本設(shè)計(jì)加入了基于Zigbee技術(shù)的無(wú)線收發(fā)、USB數(shù)據(jù)通信、Flash存儲(chǔ)擴(kuò)展、字庫(kù)芯片數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)采集、彩屏顯示等功能。本文就將對(duì)此六個(gè)功能的外圍電路及其實(shí)現(xiàn)進(jìn)行詳述。

3.儀表硬件設(shè)計(jì)

3.1 無(wú)線通信電路設(shè)計(jì)

在儀表使用過(guò)程中，當(dāng)兩臺(tái)儀表需要相互通信或者不便于與PC機(jī)進(jìn)行有線連接的情況下，需要將數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)線傳輸。而能夠進(jìn)行無(wú)線傳輸也成為諸多儀器儀表適應(yīng)多條件、多功能的體現(xiàn)。Zigbee是近年新興的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，功耗小、成本低，在應(yīng)用中有著突出優(yōu)勢(shì)。其連接時(shí)間短，大大降低了通信數(shù)據(jù)的碰撞概率；最大可達(dá)到65535個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，使得其具有優(yōu)越的組網(wǎng)能力；其數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行加密處理，因而具有較高的網(wǎng)絡(luò)安全性能。綜上可知，Zigbee無(wú)線傳輸技術(shù)具有較廣泛的應(yīng)用前景。

設(shè)計(jì)使用了AT86RF212芯片，它是一款低功耗、低電壓700/800/900 MHz頻段無(wú)線收發(fā)器，提供了天線和MCU之間的完整無(wú)線電接口，支持ZigBee技術(shù)IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，支持6LoW PAN技術(shù)與高數(shù)據(jù)傳輸速率的ISM的應(yīng)用，其外圍電路連接如圖2所示。

3.2 信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)

本模塊使用TLV2543作為電壓幅值的采集，在采集數(shù)據(jù)之前需進(jìn)行必要的電壓變換。芯片接口連接如圖3所示。多路數(shù)據(jù)采集通道擴(kuò)展了MCU的不足，在進(jìn)行控制中可使用單路或多路通道信號(hào)采集，其具有11路轉(zhuǎn)換通道，12bits的電壓轉(zhuǎn)換精度，最高可達(dá)10μs的轉(zhuǎn)換速率。AD芯片使用單片機(jī)SPI1接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，其基準(zhǔn)電壓由REF3030芯片提供。

3.3 擴(kuò)展字庫(kù)電路設(shè)計(jì)

為了使儀表的應(yīng)用范圍更加廣泛，設(shè)計(jì)加入了集通數(shù)碼科技公司生產(chǎn)的GT23L16M2Y字符芯片，以滿足顯示時(shí)界面中的較多字符需要。其內(nèi)部包含11×12點(diǎn)陣與15×16點(diǎn)陣，有對(duì)于多種制式漢字及字符的支持。單片機(jī)利用漢字源碼的函數(shù)計(jì)算，得到漢字點(diǎn)陣在芯片中的地址，讀取到點(diǎn)陣數(shù)據(jù)后，通過(guò)口線傳輸給單片機(jī)以供顯示。芯片可選PLII與SPI接口，為了節(jié)約口線，本儀表使用SPI接口模式，與CPU的連接如圖4所示。

3.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路設(shè)計(jì)

儀表在野外操作時(shí)，當(dāng)需要采集數(shù)據(jù)較多而又無(wú)法將數(shù)據(jù)及時(shí)傳輸至上位機(jī)時(shí)，就需要大容量、掉電非易失的存儲(chǔ)設(shè)備。在長(zhǎng)期數(shù)據(jù)對(duì)比分析時(shí)，也需要保存較大批量的數(shù)據(jù)記錄，單片機(jī)本身自帶128K字節(jié)的flash存儲(chǔ)和8K字節(jié)的SRAM存儲(chǔ)以及2K字節(jié)的EEPROM存儲(chǔ)單元。但在掉電之后，F(xiàn)LASH存儲(chǔ)無(wú)法保存數(shù)據(jù)，需要一個(gè)大容量的存儲(chǔ)空間開保留已經(jīng)記錄的批量數(shù)據(jù)。

本設(shè)計(jì)采用了Atmel公司生產(chǎn)的ATDB011D存儲(chǔ)器，內(nèi)部集成了1M字節(jié)的Flash存儲(chǔ)，有最高達(dá)66MHz的數(shù)據(jù)存取速度，其使用SPI接口與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。與單片機(jī)的連接電路如圖5所示。

3.5 USB通信接口設(shè)計(jì)

圖1 儀表設(shè)計(jì)系統(tǒng)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(jī)的連接電路圖

USB接口在儀器儀表的使用中以相當(dāng)普遍，在與計(jì)算機(jī)進(jìn)行直接數(shù)據(jù)傳輸過(guò)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(shè)計(jì)使用CP2102芯片，將單片機(jī)串行端口轉(zhuǎn)換為USB端口，作為一個(gè)虛擬端口使用，簡(jiǎn)化了通訊連接方式和單片機(jī)的程序設(shè)計(jì)。其與CP2101完全引腳兼容，其符合USB 2.0規(guī)范：最高全速(12Mbps)；支持USB的掛起狀態(tài)，可以和支持COM口的PC機(jī)連接通訊使用。集成的USB收發(fā)器無(wú)需外部電阻，外圍電路簡(jiǎn)單，連接電路如圖6所示。

3.6 顯示接口電路

圖6 集成的USB收發(fā)器連接電路圖

圖7 數(shù)據(jù)信號(hào)接口圖

圖8 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)的總體框圖

儀表的顯示質(zhì)量直接關(guān)乎用戶的使用體驗(yàn)，傳統(tǒng)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(duì)重要內(nèi)容進(jìn)行突出顯示，增強(qiáng)用戶的人機(jī)交互視覺(jué)效果。儀表使用了型號(hào)HY32B彩色顯示器，兼顧了顯示速率、電量消耗和用戶視覺(jué)效果。其搭載了3.2英寸TFT LCD彩色顯示屏和驅(qū)動(dòng)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(shù)據(jù)傳輸速度，數(shù)據(jù)信號(hào)使用16位并行傳輸。接口如圖7所示。

4.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的編譯和仿真全部在Atmel公司提供的AVR Studio 6.0軟件環(huán)境下，所有模塊實(shí)現(xiàn)均使用C語(yǔ)言編寫，利于系統(tǒng)的開發(fā)與移植。軟件使用模塊化和層次化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，開發(fā)周期短、維護(hù)方便。系統(tǒng)的總體框圖如圖8所示。底層模塊設(shè)計(jì)為各個(gè)基礎(chǔ)器件的驅(qū)動(dòng)與接口程序，包括無(wú)線連接協(xié)議、USB接口聯(lián)通、AD采集驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、時(shí)鐘存取接口、顯示接口數(shù)據(jù)傳輸以及鍵盤按鍵判別等。第二層主要用于執(zhí)行指定功能，包括電壓、頻率測(cè)量、記錄查詢、無(wú)線連接、數(shù)據(jù)存取及按鍵操作等的組合選項(xiàng)。頂層即對(duì)界面的顯示中需要用到的相應(yīng)功能，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

5.總結(jié)

Xmega作為一款較新型的高性能單片機(jī)，其應(yīng)用和開發(fā)還有待進(jìn)一步的挖掘。本文以實(shí)際項(xiàng)目應(yīng)用為基礎(chǔ)，給出了具體的外圍電路設(shè)計(jì)及軟件流程，為其在工業(yè)中的應(yīng)用提供了一種參考。

[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]智能儀表技術(shù)及工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用發(fā)展探討[J].自動(dòng)化博覽,2009,06:44-47.

[3]林山霖.ZigBee技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀[J].零組件雜志,2004(155).

[4]周興華.AVR單片機(jī)C語(yǔ)言高級(jí)程序設(shè)計(jì)[M].北京:中國(guó)電力出版社,2008.