測量儀器儀表設計和實現(xiàn) 機械制造專業(yè)

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1、摘要 測量儀器儀表包括壓力測量儀器的總的發(fā)展趨勢是高性能、數(shù)字化、集成化、智能化、網絡化。氣缸壓力表對汽車有著重要意義，氣缸壓力是發(fā)動機正常運轉的一個重要參數(shù)，傳統(tǒng)的指針式壓力表存在指針擺動誤差較大等固有缺陷，而本文所涉及到數(shù)控壓力表系統(tǒng)是將單片機作為自身的主控內核，并且通過數(shù)字化的液晶顯示器作為其顯示端口，對所有目標的數(shù)控都實現(xiàn)了基于單片機的智能化模式。而且也可以讓用戶得到準確度很高的數(shù)據(jù)信息。 本文有關設計的最直接目的就是要在減少設備投入和所占用空間的前提下，全面提升該設備的使用廣泛性以及自身系統(tǒng)運轉的穩(wěn)定性，精確性和可靠性電池供電、長壽命、低功耗、低成本數(shù)字式、耐震壓力表的設計目的出

2、發(fā)具有一定的使用價值。 本論文所設計的相關儀表測量系統(tǒng)在收集壓力數(shù)據(jù)信息時所依靠的主控核心為MSP430單片機，并且通過和液晶顯示器的共同搭配來實現(xiàn)相關數(shù)據(jù)的收集和展現(xiàn)功能。這里所依靠的這一款MSP430單片機在計算速度，能耗和設備開發(fā)簡易程度方面都有著很明顯的優(yōu)勢，這也讓整個控制系統(tǒng)的設計流程變得更加簡單易行。經過調試的結果表明該設計方案可行，能過實現(xiàn)汽車氣缸壓力檢測采集和顯示。 關鍵詞：電子式氣缸壓力表，單片機，壓力信息采集 第一章緒論 1．1壓力與壓力測量 單位面積物體表面所承受的針對這一物體所施加的力叫做壓力。 這樣的力大抵可以分為絕對壓力和相對壓力兩種類型，其中的絕對壓力

3、指的是流體所受到的單向的壓力。而相對壓力則是兩兩壓力之間產生的力量差；通常來講，即時的現(xiàn)場大氣壓可以作為一項可以參照的壓力標準，當絕對壓力減去參考壓力得到的壓力差為正值時，那么對應的相對壓力即為表壓（gauge pressure）；若絕對壓力減去參考壓力得到的壓力差為負值，則相對壓力就可被稱為負壓或者真空度。 針對壓力的計量單位會因為其使用的不同科目而有所差別，目前國際通用的壓力計量單位是帕斯卡；在熱工學所需要的所有參數(shù)中，壓力參數(shù)的地位十分重要，在工業(yè)生產，日常生活乃至科學研究的過程中經常都要用到各種氣壓和液壓的相關測量活動。針對壓力測量的需求和實踐充斥著我們的日常生活，可以說每時每刻都在

4、進行，不管是何種領域只要存在著對氣壓乃至液壓的具體使用，那么壓力的測量必然相伴出現(xiàn)；對各類壓力的測算和操控是多種智能化自動化的工業(yè)生產控制在實現(xiàn)過程中不可缺少的一環(huán)；不管是車船飛機這樣的交通手段，還是醫(yī)療天氣乃至空調制冷這樣的生活必需，無數(shù)的領域內部都會使用到壓力測量。而且一部分的另類測量活動和壓力測量之間可以實現(xiàn)轉化和互換。比如測量儲油罐內部原油的具體數(shù)量時，就可以通過對罐底油壓測量結果的運算而獲得具體結果。 在工業(yè)活動中對液壓或者氣壓進行工業(yè)自動化測量時就需要用到壓力測量儀表（壓力表或者壓力計），這種測量表不僅可以顯示或記錄即時的壓力數(shù)據(jù)，還可以和警示或者控制設備搭配使用。 1643年

5、，意大利人托里拆利首先測定標準的大氣壓力值為760毫米汞柱，奠定了液柱式壓力測量儀表的基礎。1847年，法國人波登(Eugene Bourdon)制成波登管壓力表，由于結構簡單、實用，很快在工業(yè)中獲得廣泛應用，一直是常用的壓力測量儀表。 誕生于上世紀初的遠傳壓力表和電接壓力表將一直以來的壓力數(shù)據(jù)遠程傳送和對超標壓力的警示和管控難點予以攻克。 基于各類彈性零件在壓力作用下會產生形變的原理研制出來的壓力測量儀表即為彈性式壓力測量儀表。按照內部配備的彈性零件的種類來劃分，則這一類壓力測量儀表包括彈簧管式、膜片式、膜盒式以及波紋管式幾類。如果按照相應的功效進行劃分則可以被分為遠傳式，電接點式和指示

6、式三類。彈性式壓力測量儀表的最大優(yōu)點在于簡便但是耐用的結構材質以及很寬廣的壓力測試范圍，因此也是多類型壓力測量表中最為普遍應用的種類。 電子測量式壓力表的內核部件主要是壓力傳感器，在測量時會將自身感受到的被測試壓力通過一定規(guī)律的電信號加以反映。其具體可分為壓力傳感器，壓力變送器和數(shù)字式壓力表三類。如果輸出的電信號屬于標準規(guī)格(4～20mA直流電流、1～5V直流電壓)，時，則該設備為壓力變送器，如果將傳感器和信號處理系統(tǒng)以及顯示屏配合使用，則該設備為電子數(shù)字壓力表。如果將控制和記錄裝置和壓力表本身裝配到一起，則整套壓力測量設備就擁有了對數(shù)據(jù)收集處理以及打印以及控制方面的多項自動化功能。 目前

7、存在著多種多樣的壓力傳感器，具體而言包括電位器類、壓阻類、霍爾類、電感類、電壓類以及振動類等。這些傳感器的精準程度可以達到0.01級別，測壓跨度可以為10pa到700pa不等。 1．2壓力測量的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 壓力測量的大范圍實踐應用催生了大量的多種類壓力測量需求，這也間接推動了壓力測量活動的不斷進步。除了校準用的標準化壓力測量以外，在工業(yè)生產和科學探索中，彈性和電子式壓力測量儀表依然是最為廣泛使用的兩類儀表。雖然多年的演進過程讓彈性壓力測量儀表有了很大的適用范圍和足夠成熟的制造技術，但是它在現(xiàn)今不斷提升的自動化進程影響下已經難以獲得更大的發(fā)展前景，其地位也開始逐漸被電子式壓力測量儀

8、表所取代，而以傳感器及二次儀表技術為代表的電子式壓力測量儀表的相關技術現(xiàn)在已經取得了巨大的飛躍。 作為一種讓無數(shù)人高度關注的高新技術，傳感器技術的發(fā)展速度可以用難以置信來形容，而且它已經成為了當今科技飛躍的重要代名詞。和傳感器技術有關的多種新型材料和工藝流程同樣被嫁接到了壓力傳感器的研發(fā)過程當中，其中光導纖維、陶瓷材料、單晶硅、多晶硅、碳化硅、藍寶石、金剛石等材料得到廣泛的應用，在半導體集成電路制造中應用的微機械加工技術。 壓力傳感器的應用發(fā)展條件因為不同的適用領域而出現(xiàn)了多頭發(fā)展的趨勢。例如：高溫壓力傳感器就適用于對高溫度目標的壓力測量以及在高溫工作環(huán)境下進行測量，這里提一下由德國IME

9、S公司開發(fā)的HTT-01高溫傳感器，這樣的傳感器在耐熱、抗沖擊、抗循環(huán)負載等方面有著很強的優(yōu)勢，而且作為一種膜式應變傳感器的HTT-01可以承受高達1700℃的高溫，因此其具體應用地點也為諸如往復壓縮機、汽柴油引擎氣缸以及高壓燃料系統(tǒng)這樣的高溫高壓目標。 有時為了檢測高速變化的動態(tài)壓力趨勢，就需要用到具備高動態(tài)性質的壓電式傳感器，該類型傳感器具有小巧簡單的外部構造，在無需外接電源的狀態(tài)下就可以呈現(xiàn)足夠的高精準性和相應頻率，可以測量動態(tài)壓力趨勢，因此其應用目標基本上都屬于空氣動力，爆炸學以及引擎內燃壓力的測量等等。有效測量范圍為∞700pa到0再到70mpa不等，并能達到千分之一的精準度。

10、將壓力數(shù)據(jù)通過光波進行輸送的光纖壓力傳感器對于電磁和電氣擾動，以及靜電和腐蝕性物質有著很好的抵抗力，而且不會產生靜電打火，所以十分適合于在高壓和燃爆系數(shù)高的環(huán)境中進行測量。而且其架構簡單，并且有很好的精準度和靈敏性，這種適合于微小空間測量的特性讓其被廣泛關注并得到了全面提升。 美國Micron Instruments生產的MPl00、MPl01型壓力變送器就是兩類適用于微小空間工作的小型壓力傳感器，其不到一毫米的通徑讓它在極小的空間內暢行無阻。 齊平膜傳感器適合于對粘稠物體的壓力測量；量程0-25pa的超低壓力傳感器和700mpa量程的超高壓力傳感器可以用于大范圍的壓力測量；另外還存在著抗

11、腐蝕以及多相流狀態(tài)的壓力傳感器等。 與壓力傳感器不分伯仲的壓力二次儀表同樣也取得了飛躍式的發(fā)展，這里提到的二次儀表屬于扣掉敏感零件之后執(zhí)行壓力信號擴張、轉化、傳送和展示功能的相關零部件，不過在實踐過程中，部分壓力測量儀表的敏感零件和二次儀表是不可分割的。對于二次儀表的發(fā)展趨勢，大體可以被概括為標準化、數(shù)字化、集成化、智能化和網絡化五點。 (1)標準化 這一條主要指的是標準化的輸出信號模式，普通的壓力傳感器所輸出的信號都十分微弱，甚至還會出現(xiàn)傳輸?shù)姆蔷€性狀態(tài)，所以基于提升采集和顯示傳感器所輸出數(shù)據(jù)的便捷性考慮，就西藥通過信號調理線路將傳感器所輸出的壓力信號轉化為標準化的，適用于復雜即時工業(yè)

12、生產活動所使用的測量控制專用型號。這樣的標準型號可以讓采集控制系統(tǒng)的具體設計過程內不用考慮壓力傳感器本身的激勵和信號輸送模式以及其輸送范圍和非線性狀態(tài)，這樣的標準模塊化處理讓整個系統(tǒng)設計過程更加快捷。 (2)數(shù)字化 除了上面提到的信號標準化以外，二次儀表還呈現(xiàn)出了數(shù)字化的發(fā)展趨勢，具體而言就是未來的二次儀表輸出的內容將更多以數(shù)字量而非模擬量的模式呈現(xiàn)，數(shù)字將會成為顯示和輸出的主流，這樣一來，放大電路，AID轉換和微型CPU將會被加裝進入壓力傳感器模塊。讓壓力測量信息通過數(shù)字化模式基于某一類通訊協(xié)議實現(xiàn)對象為主控計算機的數(shù)據(jù)傳輸，這樣一種把各類數(shù)字化的傳感器輸出信號基于現(xiàn)場總線相互連接的模式

13、，以必然是未來測控系統(tǒng)的一種發(fā)展主流。 (3)集成化、智能化 基于傳感器和微型控制設備技術的演進，以及不斷推進的測壓系統(tǒng)智能集成化水準，讓智能集成傳感器的構成發(fā)生了巨大的變化，從簡單的傳感裝置發(fā)展成為了將傳感裝置，信號調理線路，微信CPU以及輔助配件共同架構的芯片集成塊，這樣的芯片集成塊在某些時候還會加裝多類型敏感配備，從而在診斷矯正、溫度補償、數(shù)據(jù)處理、網絡通訊乃至多類型數(shù)據(jù)測定方面都有了用武之地，而且在成本和產量的優(yōu)化上也有了不可比擬的優(yōu)勢。舉例來說，美國LUCAS、NOVASENSOR公司開發(fā)的血壓傳感器現(xiàn)在就已經達到了周產萬只的規(guī)模。 (4)網絡化 基于測控系統(tǒng)的多通道架構需求

14、，網絡化也是壓力測量模塊在未來的一個必然發(fā)展趨勢，而且這樣的趨勢因為現(xiàn)場總線的出現(xiàn)而變得更加明顯，需要說明的是現(xiàn)場總線在全球自動化領域的地位已經炙手可熱。所謂的現(xiàn)場總線，就是連接現(xiàn)場各類智能儀表和主控設備兩者之間的一種雙邊開放式數(shù)字多站點通信網絡，這一系統(tǒng)的存在讓測控系統(tǒng)的現(xiàn)場架構變得更有靈活性，數(shù)字化的信號在現(xiàn)場總線內部不會產生任何損失，所以更方便于搭建散布式的壓力測控系統(tǒng)。 1.1本課題研究背景及意義 隨著人類社會的發(fā)展,汽車已成為人們出行的必要工具,而隨著汽車技術的不斷發(fā)展,汽車在使用過程中,隨著使用時間的延長或行駛里程的增加,其故障也會頻繁出現(xiàn),為了確定汽車在使用時技術狀況良好,就

15、要求我們對汽車的各項使用性能做檢測。氣缸壓力是發(fā)動機一個十分重要的數(shù)據(jù),它能決定發(fā)動機的多項性能發(fā)揮，可以說與大多數(shù)的發(fā)動機性能之間都有著很大的關系。氣缸的壓力只要達不到標準，那么就可以從規(guī)范角度否定掉所有的發(fā)動機性能。汽車發(fā)動機的動力水準和經濟程度和氣缸壓力的水準成正相關，一旦下降必然會讓汽車本身動力困難且更加耗油，還會帶來一連串的故障。 而隨著科技的進步，相應的基礎檢測設備也應同步升級和高效應用。傳統(tǒng)的指針式氣缸壓力表存在指針擺動誤差較大，讀數(shù)不直觀不便捷等固有缺陷，已不適用汽車氣缸壓力的檢測，而電子式數(shù)顯壓力表數(shù)據(jù)讀取高效便捷，有更好的穩(wěn)定性，精確性和可靠性，更可以減小體積和擴大適用范

16、圍。 本課題設計的電子式氣缸壓力表針對現(xiàn)代汽車的檢測與維修，在現(xiàn)有成熟技術和成本控制理論的基礎上來對氣缸壓力數(shù)據(jù)的收集輸送以及顯示問題加以解決。 1.2 國內外現(xiàn)狀 汽車發(fā)動機氣缸壓力信號的采集，就是通過傳感器的相關技術在不拆裝汽車發(fā)動機的原則下驗證發(fā)動機的具體性能并實現(xiàn)對故障點及其產生原因的排查。在很早一段時間里，采集汽車發(fā)動機氣缸壓力的信號的活動因為當時不發(fā)達的傳感器和電子測量水平的緣故面臨著很大的困難。對汽車發(fā)動機故障的判斷主要都依靠人力來進行。處于汽車維修工序一線的人員在自身維修經驗的引導下，通過聽，觸或者發(fā)動的方式來檢測汽車的性能和故障點，因此工作人員的經驗很大程度上決定了檢測

17、活動的準確程度。雖然這樣的檢測無需太多的高科技設備儀表就可以輕松完成，但顯然存在著低效率，長時間和易誤判的嚴重缺點。 后來，一些針對汽車壓力傳感器以及引擎的測量設備儀表在電子測量技術的演進過程中被人們運用于實踐活動。即指針式氣缸壓力表，極大的提高了檢測效率，上世紀80年代的微控制裝備，信號處理以及自動化浪潮催生了以微控設備為核心的汽車性能測試和故障排查系統(tǒng)，這些系統(tǒng)在獲取傳感器輸出的各類性能信息之后，通過對信息的放大調理進行相關的采集和處理流程，從而通過相應的處理結果來檢測汽車發(fā)動機的即時運轉情況。 1.3課題研究的主要內容和論文內容安排 1.3.1 研究內容 1）對現(xiàn)有的數(shù)據(jù)采集顯示

18、系統(tǒng)進行探討，做出初步設計 2）根據(jù)初步設計，以單片機為數(shù)據(jù)采集基準部件，從傳感器輸出的氣缸壓力信號經過預處理及A/D轉換顯示到液晶屏上 3）根據(jù)模塊，電路設計，制作數(shù)據(jù)采集與顯示 4）編寫適當程序，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與顯示 1.2.2 論文內容安排 第一章為緒論部分，簡要闡述該課題的研究背景與意義第～章簡述了壓力測量的發(fā)展歷史，壓力測量在生產生活中的重要作用，壓力測量儀器的分類及各自的特點，舉例說明了壓力測量儀器的發(fā)展現(xiàn)狀，分析了壓力測量儀器的主要發(fā)展趨勢和方向。 第二章為系統(tǒng)總體設計方案 第三章為系統(tǒng)硬件設計部分。設計系統(tǒng)內部的硬件電路，對MSP340單片機及其外圍電路的設計模式進

19、行了介紹 第四章系統(tǒng)軟件設計，細節(jié)化設計了系統(tǒng)的軟件流程。 第五章調試系統(tǒng)。本次設計方案通過調試證明了可行性。 第六章為總結 第二章系統(tǒng)總體設計方案 2.1設計需求分析 1、系統(tǒng)硬件具有便攜性、低功耗的特點，能夠實現(xiàn)對氣缸壓力傳感器輸出信號的調理和采集。 2、能對采集的數(shù)據(jù)進行分析和處理。 數(shù)字壓力表基本模塊 2.2設計思路 對系統(tǒng)的總體設計是系統(tǒng)設計的全局化目的，通過初期的硬件篩選確認了一個簡單的系統(tǒng)設計方案，并且在后期加入了硬件可行程度的考量。在反復的論證以后，總體設計方案內部的數(shù)字壓力表的內核的單片機部件選擇美國德州公司生產的MSP430低耗能單片機，并

20、相應遴選了同樣具備耗能和投入相對較低的儲存裝置，放大裝置以及液晶顯示器等一系列元件（具體選擇對象見3.1）,以下為總設計方案。 圖2.3是本系統(tǒng)的基本組成架構，壓力傳感器和放大器的所需要控制和電能均來源于處于處于核心地位的單片機，傳感器發(fā)出的壓力信號在經過電信號轉化以后，會被放大器擴大到足以使和A/D轉換的電壓幅度，這一電壓會在430單片機的A/D轉換器上進行轉化并最終形成所需要的數(shù)字量。然后數(shù)字量會在單片機內部經過基于外部儲存的校準數(shù)據(jù)的運算過程得到相應的壓力數(shù)據(jù)并在液晶顯示器內部加以顯示。在運算過程中，測量數(shù)據(jù)和標準壓力數(shù)據(jù)之間會相互對應，外設的儲存裝置內部存儲有備用的校準數(shù)據(jù)。經過穩(wěn)壓

21、處理以后的電池將長期安裝在儀表內進行為單片機，顯示器以及存儲設備提供電能的工作。 2.2 Fig．2．3 Schematic Diagram ofthe System Design 圖2.4為全局化的軟件方案，在通電初始化結束以后，系統(tǒng)會斷掉傳感器和放大器的電源同時進入功率節(jié)省模式，之后進入同先期設置的采樣時間相匹配的延時循環(huán)，這一循環(huán)的及時過程將維持一個采樣周期。之后系統(tǒng)將從功率節(jié)省模式中退出并同時將電能接入傳感器和放大器進行測量和A/D轉化，以及數(shù)據(jù)的運算處理和顯示器顯示，測量顯示完成后將跳回節(jié)電模式并循環(huán)進入下一采樣周期，如此重復整個的運作過程。 3．1元件選擇 功率節(jié)省和省

22、錢亦是元件遴選的唯一準側，基于前文可知，基于長效化的穩(wěn)壓器，單片機以及儲存設備以及顯示器的工作特性，在具體的設備遴選過程中必須考量其在未采樣時間內的電流消耗，也就是說遴選這四大元件的標準高低將直接決定設備本身是否保有超過730天的工作壽命。 3．1．1單片機的選擇 單片機的選擇在整個系統(tǒng)中的設計中至關重要，傳統(tǒng)的單片機在靜態(tài)的時候也會消耗較大的電流，無法滿足系統(tǒng)低功耗的要求，例如ATMEL公司的AT89LV51單片機，在3V供電(f=12MHz)的情況下，活動模式下電流消耗為5．5mA，休息模式下電流消耗為ImA，電流隨著工作頻率的下降而下降，但仍然無法達到電池提供系統(tǒng)連續(xù)運轉做需要的電能

23、需求，所以在多次比較以后，本設計將美國德州公司生產的MSP340單片機作為設計用單片機，在這一系列的16超功率節(jié)省單片機內部加裝了A/D轉換裝置，因此屬于針對智能儀表以及便攜式電池能源設備的專門性設計。 3，1．1．1 MSP430F1121簡介 如圖3．2為MSP430F1121的管腳分配圖。 MSP430F1121是一個20腳SOWB封裝芯片，該型號單片機為Flash型，可反復編程，片內有4K字節(jié)程序存儲器和128字節(jié)的RAM。MSP430F1121內集成了可用于斜坡A／D轉換(Slope A／D)的比較器A(Comparator A)和功能強大的計時器A(Timer A

24、)。片內配有兩組I／O口P1和P2(每個I／O都是多功能復用的)、 1、獨特的時鐘系統(tǒng)，低工作電壓與超低的功耗。 MSP430的工作電壓范圍為1.8V~3.6V，特別是在2.2V, 1MHz主頻下，它的活動模式工 作電流僅為280 T} = lV * T f281: RAM數(shù)據(jù)保持方式下耗電僅0.1 uA } IO輸入端口的漏電流最大僅SOnAo MSP430系列單片機具有獨特的時鐘系統(tǒng)設計，包括基本時鐘系統(tǒng)和鎖頻環(huán)(FLL和FLL+)時鐘系統(tǒng)或DCO數(shù)字振蕩器時鐘系統(tǒng)。CPU和對單片機外設每塊所依賴的時鐘信號從多種類型的時鐘系統(tǒng)內發(fā)出，這些信號的開關都是通過對應的寄存

25、裝置以及外部命令來實現(xiàn)的，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的功率節(jié)省目的，而且多類型的工作模式可以依據(jù)功能模塊的實際使用狀態(tài)來選擇激活。 除此以外，該系列單片機可以通過矢量終端的模式實現(xiàn)對十幾個中斷源的支持同時允許隨意套嵌行為的存在，只需要通過Gu就可以利用中斷指令喚醒CPU處理器，對于外部出現(xiàn)的中斷時間指令可以通過功率節(jié)省編程技術在功率節(jié)省的同時實現(xiàn)快速響應。單片機的功率節(jié)省目的不能通過性能上的折扣來交換，一般采用W/MIPS(瓦特/百萬指令每秒)來衡量微處理器的功耗，MSP430系列單片機在活動模式下，這個指標的值為250uA/MIPS，相對于傳統(tǒng)的MCS51單片機10 mA -20mA/MIPS而言，最好

26、的功率節(jié)省效果和最好的運轉性能并不會發(fā)生沖突。除了考慮單片機自身的功耗以外，整個系統(tǒng)的功耗也需要被重點關注，如果單片機本身存在很大的漏電流，則系統(tǒng)的功耗也會很高。本設計所使用的MSP430單片機，存在于輸入端口的漏電電流極值為50nA，這已經超出了其他類型的單片機的漏電流最低極限。所以可以指導該系列單片機已經從很多角度證明了其良好的系統(tǒng)功率節(jié)省性，最佳功率節(jié)省單片機當之無愧。 2、運算處理速度快，通過寄存器，可設置單片機工作的時鐘源。 系統(tǒng)發(fā)布指令的速度會因為XT2高速晶振的運行而得到很大提升，單個的及其周期和時鐘周期相互對應，也就是說8M的系統(tǒng)主時鐘只對應1/8us的及其

27、周期，單片機的內部多類型計算都接納數(shù)據(jù)和片上存儲設備的參與，同時運作一個高效高速的查表處理辦法。因此在開發(fā)條件和測試條件上的優(yōu)勢十分明顯。 MSF430系列單片機可分為OTF型、FLASH型和ROM型3種類型的器件，國內目前運行較多的單片機類型為FLASH型。其他兩種型號的相應元件必須通過專門的仿真系統(tǒng)才能存在，F(xiàn)LASH型單片機內配屬的JTAG調試端口可以將目標代碼直接載入單片機內部，并通過相應接口實現(xiàn)對單步或連續(xù)的單片機程序編碼的運轉控制以及對CPU的讀取工作，這樣一來，應用程序的編寫和調試都在一個綜合化的軟件條件下完成，因此提升了軟件開發(fā)人員編寫和測試程序的簡便性。全套的程序編

28、輯和測試只依靠一個單純的JTAG仿真端口基于C語言進行，省掉了專門的程序編寫設備。 3．1．1．2 MSP430F1121單片機開發(fā)工具 符號化編程，程序匯編和C語言程序混編都可以通過MSP430單片機來完成，而且這一款單片機與多種第三方應用程序軟件存在支持關系。MSP430F1121配套的開發(fā)工具是由德國IAR System公司開發(fā)的IAREmbeddedWorkbenchforMSP430Kickstart這是一個綜合性的開發(fā)環(huán)境，可以同時完成程序的編寫、翻譯、橋接、測試以及FLASH編寫等多種功能，圖3.4所顯示的程序測試就是這一環(huán)境下完成的，程序可以通過這一工具軟件直接下載到單片機

29、內部并且通過JTAG直接進行線上的是和調整，在該環(huán)境運作的同時，寄存設備以及內存里面的數(shù)據(jù)都可以被查閱或增刪修改。系統(tǒng)不管是在單步還是斷點狀態(tài)下都可以實現(xiàn)最快的運轉速度，此外系統(tǒng)的編輯界面內還可以提示運轉過程中的當前變量值，因此降低了程序開發(fā)的難度。 3．1．2液晶顯示器的選擇 長沙太陽人電子的SMS0408被選為本次設計所使用的液晶顯示器，如圖3.5所顯示的顯示器是一個大規(guī)格字體的高液晶西安市區(qū)塊，高度約為18毫米，人們可以遠距離看清顯示器上清晰顯示的各類數(shù)據(jù)；工作溫度為-20～50。C，使用溫度范圍較寬，適合于系統(tǒng)的要求。該模塊工作電流在3v工作時只有20A，因為實踐狀態(tài)下的數(shù)據(jù)會反復

30、改變，無法顯示所得數(shù)據(jù)段，所以真正意義上的電流消耗只有10-19A，符合設計的需要。 3．1．3存儲器的選擇 對電壓的測量過程基于加裝Slope A/D的MSP430F1121單片機的存在，因此遵循的也是非線性的工作原理，所以必須將可能會在測量時需要使用的相關校準數(shù)據(jù)事先加以儲存從而規(guī)避這樣的非線性。同時需要注意到，該系列單片機內部只存在有單獨的看門狗定時器以及Timer A,且這兩個定時器的測量及時均已采樣時間為基準，所以看門狗就并未存在于系統(tǒng)之中，這樣一來單片機就不會具備充足的運轉可靠性。正因為如此，在本設計種的存儲器環(huán)節(jié)選擇了自帶可編程看門狗功能的E2PROM X25043存儲器。該

31、型號基于CMOS工藝的存儲器的靜態(tài)功耗在10A以下，通過2.7V-5.5V的電源來維持其低功耗運轉，且可以將看門狗程序加入集成配置。 3，1。4傳感器的選擇 按照前文概述，目前有多種類型的壓力傳感器出現(xiàn)在市場上，因此處于對投入和系統(tǒng)性能的綜合考慮，在本設計種選擇了壓阻型陶瓷壓力傳感器，在不讓性能大打折扣的原則下，讓所選產品盡可能擁有足夠的低廉價格和較高的橋路電阻和內阻，就可以通過降低工作電流來降低功耗。在對充斥于市場的多種產品進行選擇的過程中，處于價格和提貨時間的綜合考量，我們并未鎖定單獨一家，而是將若干家符合要求的供貨商作為備選貨源。傳感器的性能主要決定于橋路電阻、敏銳性、溫度系數(shù)三個因

32、素。因此選擇的具體標準即為高靈敏度和低溫度系數(shù)的壓力傳感器，且該傳感器必須有超過8KΩ的橋路電阻。 3．1．5放大器的選擇 A/D轉換器的輸入內容為放大后的傳感器mV級輸出信號，所以必須要將低功耗和低投入同時作為遴選放大器的原則，而且電池供電的設定又限制了放大器單源供電的性能狀態(tài)，其工作電壓必須符合電池電壓，不過多點校準的低投入設計方案不會對線性的放大器指標提出太高要求。所以在這里并沒有采用投入較高的專門化儀表放大器，而是選擇了和單片機同樣出產公司的TLV2211放大器。圖3.6即為其封裝示意圖。 3．1．6穩(wěn)壓器的選擇 選擇電池供電模式注定系統(tǒng)電壓會隨著電池的不斷消耗而降低，一部分電

33、器元件的工作性能會因為電壓的變化而變化，所以系統(tǒng)處于維持測量精確度的考慮需要一個穩(wěn)定的電源來規(guī)避電壓的不斷下降的問題。而且工作電壓和低功耗元件的功耗水平之間呈正相關，所以出于減少功耗和延長電池使用時間的考慮，故加裝了一個能夠降低系統(tǒng)運轉電壓的穩(wěn)壓器于系統(tǒng)內部，因為外部儲存設備的輸入工作需要2.7V的電壓，因此將工作電壓設置為2.8V就可以實現(xiàn)功耗的最小化。這里的穩(wěn)壓器選擇MAXIM公司出產的MAX884線性低電壓差穩(wěn)壓器。 3．2信號調理與A／D轉換電路的設計 壓力傳感器傳出的信號屬于mV級別，且會因為傳感器靈敏性和零點的不同而發(fā)生變化，所以必須將其調理到符合A/D轉換器要求的信號輸入范圍

34、。如圖3．7，S1為傳感器的輸出范圍，s2為由于傳感器的差異造成的輸出可能的最大范圍，s3為A／D轉換器輸入的范圍，s4是為了適應各種條件的變化且輸入范圍內已經存在安全區(qū)間，實現(xiàn)s2和s3之間的匹配就是信號調理線路所要達到的具體功能。 放大器的信號輸出和A/D轉換器的信號輸入所需要的信號強度相符即為信號調理的最好情況，也是系統(tǒng)達到最好精確度的條件。躺妥放大器的信號輸出范圍超出了A/D轉換器的輸入范圍則會讓系統(tǒng)壓縮器測量范圍，反之則會拉低系統(tǒng)對壓力測量的精確度。但是出于對傳感器，放大器以及A/D轉換器等系統(tǒng)元件可能遭遇的時間或溫度浮動變化的考慮，必須要有足夠的系統(tǒng)適宜空間來滿足這些變化以提升系

35、統(tǒng)的環(huán)境適應能力。在設計數(shù)字壓力標的過程中，始終存在著額定的壓力傳感器超壓安全指數(shù)，所以需要在測量量程最高極限以上加上一部分超額測量和壓力顯示空間，這里設置為量程上限的一成，超過一成即為超壓錯誤，在最低的測量零點應該也設置一定的浮動空間，讓壓力即時到達零點也可以存在一部分能夠顯示的漂移后壓力值，這些空間的設置都需要在對零點和最高量程極限的設置過程中加以考慮。 壓力信號通過一個電阻橋路放大器從傳感器內部放大傳出，目前存在多種類型的電阻橋路放大器，包括專屬化的單運或者雙運的儀表放大電路，這里處于對投入的節(jié)省以及數(shù)字壓力表1%的精度考慮選擇相加比更好的單運放大器，圖3.8即為其電路的工作原理

36、。 2．4斜率A／D轉換的設計及分析 壓力表采用了430單片機內部集成的特殊A／D轉換器(Slope A／D)， SlopeA／D測量電壓信號的工作原理如圖。 系統(tǒng)內部各模塊的工作原理及其軟硬件的實施在上一章中都有所說明，這一次將從全局角度介紹軟件的設計流程。 在了解單個系統(tǒng)模塊的軟件實現(xiàn)模式以后，讓全局化的軟件設計難度大大降低，因為模塊化就是軟件設計過程中一項重要的理念，將一個大的軟件設計任務予以細分，并對這些細分后的小型任務子程序進行分別化的同時編寫，最終將寫好的子程序根據(jù)全局規(guī)程予以總裝，從而完成整個大的編程任務。這樣的編程理念特別適合于編寫

37、需要反復運作的子程序，因為程序本身有著很慢，明了的結構，而且空間也可以被大大節(jié)省。在這一章里只會對全局化的程序設計流程和還未來得及介紹的模塊進行闡述，已有內容不再贅述。 數(shù)字壓力表的程序采用匯編語言編制，程序包括兩種工作狀態(tài)，系統(tǒng)初始化后，程序進入測量程序循環(huán)，如果校準按鍵按下，則程序進入校準工作狀態(tài)。 5.1 MSP430單片機開發(fā)環(huán)境 5.1.1 MSP430系列單片機開發(fā)環(huán)境 IAR系統(tǒng)公司創(chuàng)建于1983年，到現(xiàn)在已經走過30多個年頭。在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)和服務領域，該公司一直是世界領先的佼佼者，其開發(fā)出來的IAR Embedded Workbench集成開發(fā)環(huán)境因為簡單易學的

38、操作和無比強大的功能而風靡全球。在國內，針對MSP430單片機所進行軟件開發(fā)活動大多數(shù)都使用了IAR Embedded Workbench for MSP430集成化開發(fā)環(huán)境，該環(huán)境可以支持項目管理，編程及測試以及代碼下載等活動，有很強的專業(yè)性。兼具C++拓展功能的環(huán)境可以實現(xiàn)C++在模板和SLI上面的內嵌運作，環(huán)境內部的程序編譯和調試裝置簡便使用且功能強大，因此是一種專業(yè)的嵌入式應用開發(fā)工具。 5.1.2 MSP系列單片機開發(fā)流程 (1)確定任務 1）確認項目要求，并全面探討準備開發(fā)的產品在功能、指標、投入方面的各種可行性。 2）確認產品開發(fā)截止日期。 （2）總體設計 1）

39、遴選機型：按照設計目標確定內核組件； 2）按照未來使用環(huán)境確認元件的規(guī)格以及功耗等多重標準； 3）分類確認全局化軟硬件設計工作分配及其計劃。 (3)硬件設計 1）根據(jù)功能要求將諸如液晶或數(shù)碼管顯示模式，儲存類型以及時鐘數(shù)目頻率，I/O通訊接口等多類型外設配置加以確認。 2）完成工作原理和線路分布圖 3）購買元件，完成電路元件的組裝焊接并測試。 (4)軟件設計 1）將相應數(shù)學模型，運算模式和數(shù)據(jù)架構加以建立； 2）設計完成全局系統(tǒng)架構； 3）完成流程圖繪制； 4）對每個子程序模塊進行設計編寫； 5）測試，高仿，固定。 (5)樣機聯(lián)調 1）軟硬件綜

40、合測試； 2）軟硬件糾錯調整； 3）再次對軟硬件進行各種環(huán)境情況下的多項試驗。 5．1系統(tǒng)初始化程序 主程序開始啟動循環(huán)之前必須通過必要的系統(tǒng)程序初始化操作。具體的流程如下。 ●關閉存在于單片機內部的看門狗程序。 ●將單片機內的WDT設置為定時器狀態(tài)，定時設置為四分之一秒，且包容WDT內斷。 ●將所有I/O端口調至輸入狀態(tài)以降低功耗。 ●初始化E2PROM，設定位于E2PROM內的看門狗定時為1．4S。 ●將校準數(shù)據(jù)從E2PROM中讀出并存入內存。 ●啟動E2PROM看門狗程序。 ●將E2PROM的片選端CS置為1，使E2PROM進入待機(standby power

41、mode) 模式，以降低功耗。 ●將校準按鈕調至中斷允許狀態(tài)。 ●將總體中斷允許(GIE General Interrupt Enable)值設置為1。 5．2程序的主循環(huán)框架 圖5.1顯示了主要的程序循環(huán)架構，系統(tǒng)程序在經過一系列初始化準備流程之后就進入了這一運轉循環(huán)，這一主循環(huán)的功能是對采樣時間和測量進程進行控制，對放電時間比例進行運算，通過查表處理相應數(shù)據(jù)和線性插值，最終顯示數(shù)據(jù)。如此反復，不斷循環(huán)。主程序的循環(huán)可以所示被響應按鍵打斷，并切入校準程序。 5．3校準程序 測量狀態(tài)是數(shù)字壓力標的正常運行狀態(tài)，響應中斷是校準模式的唯一啟動方法，在本次設計中，KEY CAL是所選擇P

42、1.7校準按鍵輸入的定義位置。也就是說校準程序會在KEY CAL中斷服務程序出進入，中斷后的操作如： ●對按鍵進行防震抗干擾檢查。 ●進入活動狀態(tài)(AM Active Mode)。 ●關閉E2PROM看門狗軟件。 ●對校準狀態(tài)進入與否進行判斷，若已經進入，則在校準過程中按下KEY CAL按鈕終止校準，且不經過目標為E2PROM的校準數(shù)據(jù)存儲過程完成復位和測量狀態(tài)的恢復，同時循環(huán)逐個校準。 5.4lcd顯示 二進制是通常的單片機存儲器或寄存器的數(shù)據(jù)存在方式，所以必須將顯示之前的數(shù)據(jù)進行BCD編碼轉換，程序內部的存儲區(qū)域內有具體的編碼對照表，編碼轉換通過查表模式完成。但是最后依

43、然要通過7段碼的再轉換之后按照字節(jié)順序儲存于LCD顯示緩沖地帶，并觸發(fā)TRANSRAM程序將數(shù)據(jù)展現(xiàn)出來；自然地，小數(shù)點，進位以及負數(shù)等多種數(shù)字變化都必須加以考量。圖5.3即為轉換流程。 5．5放電計時子程序 電容電壓Vo必須在Slope A/D轉換過程中進行運算。0.25V的參考電壓應為放大器輸出電壓在減壓放電以后所要達到的值。 5．6等待延時子程序 處于功耗最低化的考量，利用Timer A比較寄存器CR2來對充電等待的延時程序時間進行計算，且系統(tǒng)按照LPMO模式進行等待運行，下列為具體程序： 第六章結論 在本文內，汽車內部發(fā)送機氣缸壓力數(shù)據(jù)的調理，收集和儲藏都是

44、通過針對壓力傳感器輸出的相應模擬信號的對應操作來完成的。傳感器輸出的模擬型號在調理電路內經過雜波濾除和放大之后進入后面的處理程序?；贛PS430單片機的處理電路將放大的處理后的模擬信號進行了基于AD的數(shù)字信號轉化，并通過上位機進行后續(xù)的數(shù)據(jù)整理，這一數(shù)據(jù)手機系統(tǒng)的具體設計思路計劃在本論文中予以了詳細介紹。在設計硬件線路時，本論文所涉及的測量儀表使用了高性能低功耗的德州公司MSP430系列單片機，該單片機融合了12C和SPI現(xiàn)場總線，UART強化端口以及看門狗等多種組件，讓外部設備結構得到了最大的簡化。同時也讓本設計測量儀表的系統(tǒng)界面得到了精簡，而且系統(tǒng)的總體功耗因為單片機的節(jié)能特性而大大降低

45、，顯示和鍵盤線路在系統(tǒng)內部也起到了方便測試的作用。單片機系統(tǒng)的自身特性在系統(tǒng)內部被充分用于I/O口端口和電路結構的合理緊密安排，在小巧的外部結構下隱藏著簡單的操作流程和很高的使用價值。 參考文獻 1．蔣思敬，姚士春，壓力計量[M]，北京：中國計量出版社，1991，1-5 2．蔡其?。?，機械量測量【M】，北京：機械工業(yè)出版社，1984，207—235 3．楊澤寬，王魁漢，熱工測試技術【M]，沈陽：東北工學院出版社，1987，182—201 2．洪寶林，力學計量[M】，北京：原子能出版社，2002，434．446 3．秦曾煌，電工學，[M】，北京：高等教育出版社，1981，209—225

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