（检测技术与自动化装置专业论文）基于msp430的无磁热量表的研制及实现.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 日期：矽。年厶力日 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名： 垄筵尊 导师签名： 日期：加 ， ， 摘要 摘要 中国热量表的自行研制开始于上世纪的9 0 年代。二十一世纪初，国产的热量 表才真正走出实验室，进入到实际的安装环境中试用，2 - 3 年的应用下来，中国的 热量表厂家总结了很多实际经验。热量表主要由流量传感器、温度传感器和热量 计算构成。这段时间随着电子技术的飞速发展，热量计算模块逐渐成熟，热量表 的研究重点放在了转向提高测量精确度上，主要是提高流量测量和温度测量精确 度。 无磁热量表采用m s p 4 3 0 内部的旋转扫描模块( s c a ni f ) 和l c 无磁传感器进行 流量测量，避免了磁场引起的干扰。温度测量采用了2 4 位高精度a d 转换芯片 a d s l 2 4 8 和铂热电阻p t l 0 0 配合m s p 4 3 0 进行测量，提高了精度。系统选用低功耗 单片机m s p 4 3 0 f w 4 2 7 控制并计算热量，并通过m _ b u s 协议与远程上位机通信。最 后对保证测量精确度的算法等问题进行了讨论。 文中开篇阐述了热量表的发展概述和行业现状，肯定了热量表在工业发展过 程中的重要性和研制新型热量表的必要性。我们由无磁热量表中的无磁测量原理 引出了无磁热量表的流量测量方法，考虑到热量表所要实现的功能，提出了无磁 热量表的总体设计方案。然后介绍了无磁热量表的硬件电路部分的研制，并具体 介绍了流量测量、温度测量、m s p 4 3 0 f w 4 2 7 控制和热量计算模块、串口通信模块等 主要模块。接着介绍了无磁热量表的软件部分的研制，软件采用模块化编程，便 于调试、升级；最后对系统实际调试得到的数据进行了分析，可以看出无磁热量 表测量精度良好，并介绍了无磁热量表所需的参数设定及安装事项。 通过全文的介绍，可以清楚地了解无磁热量表的设计方案和过程。它具有结 构简单、功耗低、测量精度高等优点，综合性能也达到了预期目标，并且体积小， 用户操作简便。 关键词：无磁，热量表，流量测量，温度测量，l c 传感器，p t l 0 0 ，低功耗 a b s t r a c t a b s 仃a c t t o w a r d st h ee n do ft h e19 t hc e n t u r y , c h i n e s eb e g a nt od e v e l o po w nc a l o r i m e t e r c h i n e s e - m a d eb a t t e r y - p o w e r e dc a l o r i m e t e rr e a l l yg oo u to ft h el a b o r a t o r ya n di n t ot h e a c t u a li n s t a l l a t i o ne n v i r o n m e n tt r i a li nt h ee a r l yp e r i o do ft h e21s tc e n t u r y , a f t e rt w oo r t h r e e y e a r s o fp r a c t i c a l a p p l i c a t i o n o fs c i e n c ei n i n d u s t r y , c h i n e s ec a l o r i m e t e r m a n u f a c t u r e r ss u m m e du pal o to fp r a c t i c a le x p e r i e n c e c a l o r i m e t e rm a i n l yb e c o m p o s e do ft h ef l o ws e n s o r , t e m p e r a t u r es e n s o ra n di n t e g r a t o rc o m p o n e n t t h i st i m e w i mt h e r a p i dd e v e l o p m e n t o fe l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , t h ec a l o r i m e t e ri n t e g r a t o r c o m p o n e n th a sb e e nm a s t e r e db yt h em a j o r i t yo fm a n u f a c t u r e r s ，s ow eb e g a nt h es t u d y f o c u s e do nt h ec a l o r i m e t e rt oi m p r o v et h em e a s u r e m e n ta c c u r a c y , m a i n l yt oi m p r o v e f l o wm e a s u r e m e n ta n dt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ta c c u r a c y n ed e s i g no fl o wp o w e rn o n m a g n e t i cc a l o r i m e t e ri nt h i sp a p e r , w h i c hi sa i l a p p l i c a t i o no fl cf l o ws e n s o ra n dl o wp o w e rm c um s p 4 3 0w i t h i nt h er o t a t i n g s c a n n i n gm o d u l es c a n i ft om e a s u r et h ef l o w , a v o i d i n gt h ei n t e r f e r e n c ec a u s e db y m a g n e t i cf i e l d a n d t h es y s t e ms e l e c t s2 4 - b i th i g h - a c c u r a c ya dc o n v e r s i o nc h i p a d s12 4 8a n dp l a t i n u mt h e r m i s t o rf o rm e a s u r i n gt h et e m p e r a t u r e ，t oi m p r o v et h e p r e c i s i o ni n s t r u m e n t w eu s el o w p o w e rm s p 4 3 0 f w 4 2 7t oc o n t r o la n dc a l c u l a t et h e c a l o r i e s i tc o m m u n i c a t e sw i t ht h er e m o t et e r m i n a ls y s t e m t h r o u g h m - b u s i n t e r f a c e a n dw ee n s u r et h ea c c u r a c yo fm e a s u r e m e n ta l g o r i t h m sa n dd i s c u s so t h e r i s s u e s t b i sa r t i c l ed e s c r i b e st h ed e v e l o p m e n ta n dt h ei n d u s t r ya n a l y s i so ft h ec a l o r i m e t e r , a f f i r m e st h ei m p o r t a n c eo ft h ec a l o r i m e t e ri nt h ep r o c e s so fi n d u s t r i a ld e v e l o p m e n ta n d t h e n e c e s s i t y o fd e s i g n i n gn e wc a l o r i m e t e r w er a i s e st h e o v e r a l l d e s i g n o f n o n m a g n e t i cc a l o r i m e t e rp r o g r a ma c c o r d i n gt or e a l i z et h ef u n c t i o no ft h ec a l o r i m e t e r a f t e r , w ef o c u s e so nt h eh a r d w a r ec i r c u i td e s i g no ft h en o n m a g n e t i cc a l o r i m e t e r , a n d s p e c i f i c a l l yd e s c r i b et h ef l o wm e a s u r e m e n t , t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t ，c o n t r o la n dh e a t c a l c u l a t i o nm o d u l e ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o n sa n do t h e rm a i nm o d u l e s t h e nw ed e s c r i b e t h ed e v e l o p m e n to fs o f t w a r ec o m p o n e n t so ft h en o n m a g n e t i cc a l o r i m e t e r , s o f t w a r e u s e sam o d u l a rp r o g r a m m i n g ，e a s yt od e b u ga n du p g r a d e i nt h ee n d ，w ek n o wt h e i i a b s t r a c t s y s t e mm e a s u r e m e n ta c c u r a c yg o o dw i t ht h ea n a l y s i so fd a t ao b t a i n e df r o mt h es y s t e m d e b u g a n dt a l k i n ga b o u tt h ep a r a m e t e r sn e e d e dt os e tu p a n di n s t a l l a t i o ni s s u e s t h r o u g ht h ei n t r o d u e t i o no f t l l ea r t i c l e i ti sd e a ru n d e r s t a n d i n go ft h en o n - m a g n e t i c c a l o r i m e t e rd e s i g n sa n dp r o c e s s e s i ti ss i m p l es t r u c t u r e ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，h i g h p r e c i s i o nm e a s u r e m e n t ，o v e r a l lp e r f o r m a n c eh a sr e a c h e dt h ee x p e c t e dg o a l ，a n dt h e s m a l ls i z ea n du s e r - f i i e n d l yc o n v e n i e n t k e yw o r d s ：n o n m a g n e t i c ，c a l o r i m e t e r , f l o wm e a s u r e m e n t , t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t ，l c s e n s o r , p t10 0 ，l o wp o w e r 目录 目录 1 ：! 4 1 - 3 无磁热量表的低功耗方案6 1 4 本章小结7 第二章无磁热量表的硬件电路设计8 2 1 主控电路设计8 2 1 1m s p 4 3 0 f w 4 2 7 设置8 2 1 2 外围电路设计1 0 2 1 3 调试中的问题1 2 2 2 无磁流量测量模块设计1 3 2 2 1 无磁测量原理1 3 2 2 2 旋转检测模块( s c a ni f ) 设计一1 4 2 2 3 检测信号处理流程1 6 2 2 4 模块总体设计1 9 2 3 温度测量模块设计2 0 2 3 1 温度测量原理2 0 2 3 2 温度传感器设置2 1 2 3 3a d s l 2 4 8 设置2 3 2 3 4 模块总体设计2 5 2 4 电源模块设计2 7 2 5 存储模块设计2 8 i v 目录 2 6 键盘模块设计2 9 2 7 串口通信模块设计3 0 2 8 其他模块设计3 1 2 9 本章小结3 2 第三章无磁热量表的软件设计3 3 3 1 总体结构3 3 3 2 主程序3 4 3 3 流量子程序3 7 3 4 温度子程序4 0 3 5 热量计算子程序4 1 3 6 数据存储子程序4 1 3 7 键盘控制子程序4 4 3 8l c d 显示子程序4 6 3 9m b u s 通信子程序一4 7 3 1 0 其他辅助子程序一5 0 3 1 1 本章小结5 1 第四章系统测试与校正5 2 4 1 系统调试5 2 4 1 1 硬件调试5 2 4 1 2 软件调试5 3 4 2 现场测试方法5 3 4 3 流量校正5 4 4 3 1 校正前数据5 4 4 3 2 校正方案5 6 4 - 3 3 校正后数据5 8 4 4 温度校正5 9 v 目录 6 0 6 ( ) 61 6 3 6 4 6 6 r a m 的映射表6 7 6 8 v i 第一章绪论 第一章绪论 1 1 热量表的发展概述和行业现状 1 1 1 热量表的发展概述 二十一世纪初，国家的相关部门提出了新的热量计量方法，关于城镇供热体 制改革试点工作的指导意见。对供暖比较集中的城市、小区，试用单户热量计费 的制度。很多仪表厂以为国家开始试行单独热量计量之后，将给自己带来巨大的 利润，可是市场的反应并不热烈。 首先热量计量的精确度方面，还有很多技术问题等待解决，另外热量表的安 装环境复杂，用户的在小区内不同的方位、不同的楼层、是否朝阳、暖气开的大 小等外部因素影响用户热量的使用量。所以每户单独的热量计量还无法达到要求 的精确度，无法形成统一行业规范。在新的“十一五 计划中国家已经将包含供 热节能的建筑节能提上日程【l 】，因此大力推行供热体制改革，实行单户供热计量已 经不可避免，势在必行。 现在市场上的相当一部分热量表都产自国外，因为其相对成熟的热量计量技 术和完善的热量计量体系以及生产和使用上的经验，给中国的热量计量行业带来 新的转机。 上个世纪末，我们根据中国供热体制的现状，学习了国外热量表的生产和研 制过程中的经验教训开始自主研发热量表。刚开始的热量表都是在原有的流量计 基础上改装的，并且大多功能多样，可以同时计量热水和冷水等。但是由于中国 的热水计量的管道设备、流体含量等整个计量体系相对欧洲各国比较落后，其中 热水含有的杂质较多，接触空气后造成管道被铁锈等杂质侵蚀，给测量造成较大 的误差，严重影响了热量在计算时的准确度，让国内的热量表的研究陷入了困境 之中。并且因为当时国内不论材料还是仪表行业，其生产水平都比较薄弱【2 】，影响 了热量表和其基表的生产，所以当时我国的热量表的无法形成统一的计量规范。 直到本世纪初，国家相关部门参照各国的热量表的相关文件，并结合我国的 国情和该行业现状，陆续公布相关文件确定了热量表的的测量规范【3 】。相信伴随着 各种规范的公布，将给国内的热量的研发、生产行业带来新的活力，增加国内仪 电子科技大学硕士学位论文 表在市场上的的竞争力，使其走向i 虱夕t - 市场。 1 1 2 热量表的行业现状 通常研制的热量表，主要由热量测量、流量测量、热量计算构成。九十年代 末，国内的热量表大多是由先前有的流量计加装外国购置的铂电阻p t l 0 0 改造形 成。首先在流量计的机械表的表盘上安装磁钢，然后在周围安装传感器，当两者 靠近时传感器就传送一个脉冲给流量表。所以当时研究的重点放在了热量计算的 研究上。建设部领导了部分企业借鉴了国外相对成熟的技术，对其进行了联合研 制【2 】。根据我国基本情况，成功完成了冷热量度表的开发，可以同时完成热水和冷 水的测量。 随着热量计算部分研究的逐渐成熟，热量表的研究重点开始转向提高测量精 确度上。 增加流量测量和温度测量的准确度是减小热量表误差的主要途径。而流量测 量精度的提高不光要靠高精度的后端处理，还要靠高精确的前端信号采集。 目前在流量测量时经常使用的传感器，主要有下面几种： ( 1 ) 干簧管 五六年前，国内的大部分热量表都选用干簧管做传感器。其结构非常简单， 设计方便，并且成本低，无需单独供电，测量精度可以通过相关的软硬件校正得 以提高。当与低功耗的控制芯片搭配时，较易实现低功耗的流量测量。但是其检 测时有触点接触，所以寿命短【2 】。 ( 2 ) 霍尔元件 霍尔元件恰恰与干簧管相反，其需要外部供电，并且在检测高速旋转的叶轮 时，需要更高的频率激发霍尔元件，这就需要比较大的能量，所以其功耗大，不 是单纯运用低功耗控制芯片就可以改变的。但是它为无触点，工作寿命长，因没 有机械部分所以抗震性强，因惯性小所以频率可以保持i o m 以上。所以，霍尔元 件在工业的应用领域也逐渐增大【4 j 。 ( 3 ) 韦根传感器 韦根传感器无需外部供电，体积小，成本也较低，因对触发速度没要求所以 功耗低，没有机械触点使用时间长，所以现在它的应用范围也逐渐变大【5 1 。 但是我们使用上述办法对热水的流量进行检测时，因为测量的热水较脏，含 有较多的铁等杂质，所以造成了种种问题： 2 第一章绪论 ( 1 ) 刚安装后，热量表经厂家校正后测量准确，但是因为这些传感器都是进 行有磁的流量信号，所以经常吸附热水的铁等杂质，杂质暴露在外硬化后增加了 转盘转动阻力，使转盘的转速比正常转速慢，降低了转盘的灵敏度【6 】，则仪表无法 正常工作，测量出现较大误差，造成其使用年限变短。 ( 2 ) 使用上述元件的流量表抗干扰性不强。因为上述元件都是有磁元件，当 附近有别的磁场时，其采集到的信号是不准的，导致流量测量出现较大误差，仪 表不能正常工作。 ( 3 ) 另外，上述传感器都存在功耗问题。如韦根、干簧管等传感器，虽然无 期需外部供电，但其在热水带动转盘转动时从转盘上获得能量，转盘和叶轮是一 体的，传感器从转盘上获得能量增加了叶轮的阻力，导致转盘的灵敏程度下降。 而在仪表测量中提高叶轮的精密度是提高测量精度的重要因素，所以影响了热量 表的流量测量精度。 ( 4 ) 还有，这些传感器对应的磁铁长期工作在热水环境下，磁力逐渐减弱， 影响信号采集的可靠程度。 综上所述，在进行热量表和智能热量表设计时，要尽量避免选用有磁传感器 进行流量测量，只有当无适合的传感器时通过一些补偿校正实现流量测量。因此 实现无磁流量测量，迫在眉睫。 无磁传感器是由传感器的不同传感方式定义划分的，其利用感应传导的方式。 利用l c 的阻尼振荡特性，在不接触的情况下通过检测转盘上l c 传感器与金属片 的不同相对位置来确定转盘的运动状况。 无磁流量测量方面，目前比较成熟的是利用t i 公司生产的t m s 3 7 2 3 b 芯片进 行无磁流量检测。t m s 3 7 2 3 b 芯片实现的无磁流量测量，解决了有磁传感器在热 水测量时受磁场影响带来的一系列问题。用t m s 3 7 2 3 b 结合低功耗控制芯片，理 论上可以达到高精度，但是其外部电路使用的元器件较多，工艺要求高，导致系 统功耗较大，硬件电路复杂，极不容易控制其电路性能，增加了设计难度，降低 了系统稳定性。 针对上面问题，t i 新推出的一款无磁流量测量芯片m s p 4 3 0 f w 4 2 7 ，不需要 复杂的外围电路设计，直接使用内部自带的旋转测量模块s c a ni f 结合l c 传感 器来测量流体的转动速度和方向。并且m s p 4 3 0 f w 4 2 7 有5 种低功耗工作模式， 工作时功耗最低可达0 1 衅。另外，该无磁流量测量表，检测精度高，不受磁场干 扰，工作稳定。 温度测量时，大部分厂家采用铂热电阻进行温度检测，但是做出来的精确度 电子科技大学硕士学位论文 并不相同。因为测量温度的精度并不完全取决于铂热电阻的精确度，还跟a d 转 换芯片有密切关系。而怎样设计出一款漂移较小、精度较高、工作比较稳定的a d 转换电路，一直是测量的关注目标。 1 2 无磁热量表的总体方案 如1 1 节所述，无磁热量表主要有温度测量、流量测量、热量计算部分组成。 从功能方面考虑，我们要完成流量测量、温度测量，并根据流量和温度计算累计 热量。从功耗方面考虑，要实现系统的低功耗，这将在1 3 小结详细介绍。 无磁热量表中，流量测量采有无磁流量测量，并选2 4 位a d 配合p t l 0 0 进行 进水管道和出水管道的高精度温度测量，根据测得的流量和进水温度、回水温度 计算累计热量，计算方法在3 5 小节阐述，并通过m b u s 协议与上位机进行通信。 在无磁流量测量的方案选择时，考虑到设计中要求的低功耗、高精度、以及 成本等问题，文中直接选用内部带有旋转测量功能s c a ni f 模块的低功耗主控芯 片m s p 4 3 0 f w 4 2 7 结合常用的l c 传感器，代替t m s 3 7 2 3 b 芯片进行无磁流量测 量。其设计电路简单，功耗低，抗干扰能力强，稳定性好，价格低廉。 其整个系统的框图如图1 1 。 图1 - 1 系统框图 低功耗无磁热量表按模块功能进行设计，主要有流量测量模块，温度测量模 块，m s p 4 3 0 f w 4 2 7 控制及计算热量模块，外围存储器模块，l c d 显示模块，m b u s 通信模块，键盘控制模块，电源模块等。 系统选用无磁非接触式l c 传感器结合m s p 4 3 0 f w 4 2 7 内部旋转扫描接口 4 第一章绪论 s c a ni f 进行无磁测量。机械转动信号经过非接触l c 传感器，转换为电信号送给 m s p 4 3 0f w 4 2 7 内部的s c a ni f 模块，s c a ni f 模块根据其状态表计算出流体的 流速和方向。系统中m s p 4 3 0 f w 4 2 7 将低功耗的m c u 、旋转测量模块组合后集成 到其内部，延长了使用时间，同时还提高了测量的精度和系统的稳定性。l c 传感 器的设计选用了感应传导也就是无磁的方式，降低了热水中铁等杂质对前端信号 采集的干扰。转盘方面采用多流束结构，热水从不同的方向冲击转盘，其所承受 的力度平衡，故测量结果的精度较好。并在热水进口管道安装过滤网对热水中的 较大杂质进行过滤，减低了杂质对热量表的损坏。为了减小系统本身的误差，外 围叶轮和转盘轴的质量应尽可能的小。 温度测量分别用2 只特性相同的薄膜铂电阻p t l 0 0 完成。2 只铂热电阻分别位 于供热管路的进水口和出水口。采集到两路管路的温度对应的电压后，因为要求 温度精度高，所以经2 4 位a d 转换得到对应电压的数字量，送给m s p 4 3 0 f w 4 2 7 运算电阻值，在对用存储空间的温度电阻线性表中利用查表法和插值法计算出温 度值。温度测量时选用导通式供电模式，有热水流过时，开启温度测量电源并测 量。 在测量完瞬时流量和进水温度、回水温度后，利用m s p 4 3 0 f w 4 2 7 计算出单 位时间的瞬时热量，累加得累计热量。如果该表作为扩展冷水表使用时，则可选 择计算其累计流量。 采用f m 2 4 c l 6 4 作为外部存储器，擦写次数接近无穷，保存时间也很长，确 保了数据保存的可靠性。通过键盘进行初始数据的设置和现场控制操作，设置所 用到得参数如流量传感器设置、温度设置等，测量后，进行相应的保存和清零热 量，便于校正、修改参数等工作。通讯接口通过i c 卡、射频卡、m b u s3 种通信 方式与远端设备通信，文中选用的是m b u s 总线。 设计完成后，该无磁热量表具有以下特点： ( 1 ) 功耗低。系统按1 3 小节中完成方案后，工作电流仅为0 5 m a ，进入待 机模式后，电流更小为lo o g a ，实现系统低功耗设计。 ( 2 ) 转盘和叶轮生产的要求较高，减小了整个系统能够避免的误差值，提高 了流量精确度。 ( 3 ) 选用功耗较低的存储器，系统中每1 秒保存一次数据，确保突然断电时， 数据能够完整的保存。 ( 4 ) 高精度的无磁流量测量，经过流量校正后相对误差不超过1 5 ，量程可 达1 ：3 0 ，始动流量较小。 电子科技大学硕士学位论文 ( 5 ) 远程通信端口，可与远端设备实现实时通信，也可实现远程抄表。 在安装时，要注意一般把无磁热量表安装在进水回路，因为这样可以减轻偷 取热能的现象，对热量费用的规范计算有很大帮助。 1 3 无磁热量表的低功耗方案 长久以来，功耗问题一直是影响仪表进步的重要原因之一。低功耗设计可实 现仪表的节能、稳定、方便使用的目标。文中无磁热量表的低功耗设计主要从以 下几个方面着手研究。 ( 1 ) 元件与电路设计 在设计中选用尽可能少的集成度高的低功耗元件。用最少的元件实现系统功 能，这样其功耗会较低。 选用低功耗芯片m s p 4 3 0 f w 4 2 7 作为主控m c u ，在1m h z 和2 2v 情况下工 作时功耗为0 2 m a 。 液晶屏是专门定制的l c d ，工作电压较低为3 3 v ，当每5 0 0 m s 写入一次时， 测量电流为6 5 肛a ，消耗较小。 选择存储器时，一般存储空间大、总线宽、传输快的功能较好，但同时消耗 功率也较大。比较两者，因系统中读取速度要求不高，所以选用低功耗铁电存储 器f m 2 4 c l 6 4 ，其为1 2 c 通信方式，功耗较低。 键盘电路中的按键选择常开型，在不工作时，设置为开路状态，功耗较小。 温度检测时，当无热水流过时，断开电源，实现分时供电。给p t l 0 0 提供的 激励的恒流源选择的电流要尽量小，文中为1 0 0 p a ，消耗较小。并且选用低功耗 a d 转换芯片a d s l 2 4 8 ，也减小了功耗。 ( 2 ) 软件管理设计 软件设计时，首先要尽量选择运算较短的指令，减小了功耗。 再次要充分利用不同时钟源的切换，在满足运行速率的条件下，尽可能降低 m c u 的运行频率，减小功耗。 并且通过软件实现对各个模块选用分时分区供电的方法，在使用时打开供电 时能，不用时断开，以节约电源。即当外围模块或m c u 一定时间无操作时，切断 电源或使其进入低功耗，减小空闲损耗。m s p 4 3 0 f w 4 2 7 包括5 种低功耗模式 l p m 0 5 ，一定时间内无中断时进入低功耗模式，最小工作电流为0 5 衅。在有操 作时，唤醒时间很短只需要6 1 x s 。对存储器、l c d 显示、温度测量模块，在未用时 6 第一章绪论 切断电源，降低了功耗。 在程序执行时，有用到间隔操作的，尽可能少使用延时程序，而选用中断方 式，以减小了m c u 的操作时间。 l c d 选用静态显示，m c u 进入低功耗时持续显示直到下次刷新，这样减小了 m c u 的操作时间。 在系统的m b u s 通信时，其波特率设置应尽可能大，以便减小传送时间。并 且在选择传输方式时，比较r t u 、a s c i i2 ，在同样波特率时r t u 传输数据较多， 所以选择前者。在使用u a r t 模块传送数据时，采用响应中断的方式，不需循环 等待，提高了通信速率。 把部分硬件功能用软件来实现。如仪表中的滤波电路，在改进时可以通过软 件滤波来实现，把功耗降了下来。 ( 3 ) 供电电源设计 设计时，电源的供电效率、功耗是实现系统低功耗的重要因素之一。在符合 元件工作电压要求时，尽可能减小供电电压，其越小，消耗越少。如m s p 4 3 0 f w 4 2 7 的最小经典电路，当v c c 从3 6 v 变为2 2 v 时，消耗从0 5 m a 降为0 2 m a 。同时 要考虑到供电的稳定性问题，防止因为电压变化引起误操作，所以电源供压还要 满足系统的稳定性要求。 系统中r s - 4 8 5 接口与m c u 供电电压不一致，选用转换效率较高的d c d c 芯片来供电，提高电源的供电效率。但是要注意滤除输出电压的纹波，以及转换 不同电平。 系统设计完毕后，正常工作时，电流为0 s m a ，在m s p 4 3 0 f w 4 2 7 进入低功 耗模式及未用到的模块断电时，电流为l o o g a 。一个3 6 v ，1 9 a h 的锂电池可连续 使用不低于6 年，实现了低功耗设计。 1 4 本章小结 本章首先介绍了热量表的发展方向和研究意义，引出了无磁热量表的行业现 状。接着根据无磁热量表的具体功能和其低功耗要求，与以往无磁热量表的方案 比较后，确定了总体设计方案与低功耗设计方案，最后给出了该系统的优点。 7 电子科技大学硕士学位论文 第二章无磁热量表的硬件电路设计 无磁热量表的硬件部分是按模块进行设计的，主要包括了m s p 4 3 0 f w 4 2 7 控 制和计算热量模块，流量测量模块，温度测量模块，电源模块，存储模块，键盘 控制模块，m b u s 远传模块，l c d 显示模块等其他外围模块。 2 1 主控电路设计 系统选用m s p 4 3 0 f w 4 2 7 控制系统并完成热量计算，其为t i 推出的含有旋转 测量模块的低功耗的混合信号控制器。其为1 6 位的精简指令结构7 1 ，可以实现更 高的运算速率。 电压的操作范围为1 8 v - 3 6 v 。 功耗很低。当1 m h z 和2 2 v 的情况下，功耗为2 0 0 衅，进入低功耗模式下， 最小工作电流为0 1 衅。 有5 种m c u 低功耗的模式，l p m 0 4 。 系统最快能在6 p s 内从低功耗模式恢复。 自带了用于无磁流量测量的旋转测量s c a ni f 单元。 有具有捕捉i l k 较功能的1 6 位的t i m e r - a 、t i m e r - b 。 可以驱动9 6 段液晶显示。 可以实现同步串口通信【8 】。 2 1 1m s p 4 3 0 f w 4 2 7 设置 方案中选用主控芯片m s p 4 3 0 f w 4 2 7 ，我们根据其要实现的功能，分配各引脚 作用，如下图2 - 1 。 第二章无磁热量表的硬件电路设计 图2 1m s p 4 3 0 电路图 1 ，6 4 口a v c c 、d v c c 由系统转换后的3 3 v 供电，并通过一个1 0 心电解 电容和0 1 心电容接地，进行滤波和去耦。并且在画p c b 板时，0 1 心电容应该尽 可能的离m s p 4 3 0 f w 4 2 7 近些。 8 ，9 口x i n 、x o u t 用来接外部的x t a l l 、x t a l 2 口，接入外部的晶振 3 2 7 6 8 h z ，为芯片提供工作所需的时钟。 11 口s i f c o m 接s c a ni f 的两个传感器s e n s o r 0 ，s e n s o r l 的一端，为传感 器公共端，提供中值电压a v c c 2 。在其和s i f v s s 之间放一个滤波电容，大小为 4 7 0 i 正。 1 2 ，1 3 ，3 7 ，3 8 ，3 9 等i o 口p p o w 接扩展模块的压力检测的开始使能控制， 因为每个i o 口电流最大为6 m a ，而外部压力传感器需要至少2 0m a 才能驱动， 所以选几个i o 一并驱动。 1 9 ，2 0 ，2 1 ，2 2 口接铁电存储器f m 2 4 c l 6 4 的s d a ，s c l ，w p ，v p p ，进 行读写操作，完成数据存储。 2 7 ，2 8 ，2 9 ，3 0 口分别接液晶显示的c s 、c s 2 、) l ，r 、d a t a 口，向液晶显 示模块写入数据并最终显示。 3 1 ，3 2 ，3 3 ，3 4 口接键盘模块的p k 、r t 、c h 、o k 口，用来设置系统用 的参数和读取相关键盘操作。 9 电子科技大学硕士学位论文 4 3 ，4 4 ，4 5 ，4 6 ，4 71 2 接温度测量用的模数转换芯片a d s l 2 4 8 的s t a r t 、 d r d y 、d o u t 、d i n 、s c l k 口，与其进行s p i 通信，设置a d s l 2 4 8 寄存器的功 能并读取温度测量数据。 4 91 2 1p o u t 用于扩展外部的脉冲输出。 5 1 ，5 2 ，5 3 口连接m a x 4 8 5 的d e 、r x d 、t x d 口，控制m a x 4 8 5 的完 成m b u s 远程通信。 5 4 ，5 5 ，5 6 ，5 7 口接j t a g 接口的t d o 、t d i 、t m s 、t c k 口，实现仿真 器对芯片进行烧写、调试。 5 8 口接复位电路的r s t 口，通过此口来控制m s p 4 3 0 f w 4 2 7 进行复位。 5 9 ，6 0 口s i f c h o 、s i f c h l 分别接s c a ni f 的两个传感器s e n s o r o 、s e n s o r l 的另一端，负责产生激励并进行测量。 并且未用到的i o 口，为了防止引入干扰，统一设为输出管脚。 2 1 2 外围电路设计 m s p 4 3 0 f w 4 2 7 的外围电路设计，主要是复位电路、晶振电路、j t a g 下载电 路的设计。 首先是复位电路【9 1 ，常用的有两种方式，阻容上电复位、使用复位芯片。因为 系统中只是短时间的电路复位且不要求太精密，所以选用简单的阻容上电复位， 电容和电阻选择1 0 0 k 和1 0 n f 。主要用于m s p 4 3 0 f w 4 2 7 假死时便于初始化使其 重新工作。复位电路图如图2 2 。首先将r s t n m i 口设为复位模式，当开关断开 时，m s p 4 3 0 f w 4 2 7 的r s t n m i 口的电平为高电平，此时无作用；当开关闭合时， r s t n m i 口的电平为低电平，此时芯片内部会产生上电复位信号p o r ，对 m s p 4 3 0 f w 4 2 7 进行复位。也可以通过软件复位，即在启动看门狗时，向看门狗写 入错误的数据。 节 图2 - 2m s p 4 3 0 f w 4 2 7 复位电路图 在晶振电路中，考虑到内部的d c o 准确度不高，所以选用外部的晶振，频率 1 0 第二章无磁热量表的硬件电路设计 为3 2 7 6 8 h z 。使用外部的晶振校正内部d c o ，然后利用内部f l l + 倍频d c o 到8 m ， 以便实现m s p 4 3 0 f w 4 2 7 与a d s l 2 4 8 之间的s p i 通信。其具体的晶振电路如下图 2 3 。 图2 3m s p 4 3 0 f w 4 2 7 晶振电路图 仿真器，市面上常用的有u s b 接口的l s d f e t 4 3 0 u i f 和并口的 l s d f e t 4 3 0 p i f ，我们选用l s d f e t 4 3 0 u i f ，可以在线实现系统的仿真、编译及 调试，可以由u s b 口供电，提供3 3 v 、3 0 0 m a 的电源【l o 】。支持l 恹4 3 0 、q u a d r a v o x 、 n o i c e 、c r o s s w o r k s 等多种环境下的仿真、调试、单步运行、断点设置、编译等： 支持j t a g 、s b w 接口。软件我们选用i a r3 4 2 版本。 v 图2 - 4j t a g 与主板连接图 j t a g 接口与m s p 4 3 0 f w 4 2 7 所在的主板的连接方法如图2 - 4 ，j t a g 的第1 ， 3 ，5 ，7 ，9 ，1 1 脚分别和m s p 4 3 0 的t d o t d i ，t d f v p p ，t m s ，t c k ，g n d ， r s t n m i 相连。对于m s p 4 3 0 x 4 x x 系列m c u ，8 口t e s t v p p 引脚不需要连接。 第2 ，4 口与m s p 4 3 0 f w 4 2 7 有两种连接方法。一是假如仿真过程中，主板无外部 电源，电源须由仿真器提供，则将j t a g 的2 口与主板上的m s p 4 3 0 的v c c 连接， 如图2 4 中j 2 接法，这时仿真器提供主板上的所需的电源，大小为3 3 v 、3 0 0 m a ； 二是假如仿真过程中，主板有外部电源v c c ，且可以给仿真器供电，则将j t a g 电子科技大学硕士学位论文 的4 口与主板上的外部电源v c c 连接，如图中j 1 接法，这时主板上的外部电源 v c c 给仿真器供电，大小可以选2 7 3 6 v 。注意：如果主板有供电电源就是情况 二，一定不能将j t a g 的2 口与主板的外部电源v c c 连接，因为仿真器的电源电 平与外部电源电平v c c 不一致，容易造成仿真器损坏。选用第二接法时，仿真时 主板不需外部电源v c c ，实验室调试时主板需要接外部电源v c c 给主板供电，并 且此时一定要断开仿真器与护板的连接否则会造成仿真器损坏，所以为了避免在 工作过程中粗心操作，我们直接选用第一种