基于MSC1201微處理器的溫度控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

1 引言

隨著現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展，在工業(yè)控制領(lǐng)域需要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，在一些重要場(chǎng)合對(duì)數(shù)據(jù)采集的要求更高，例如在電廠、鋼鐵廠、化工領(lǐng)域的生產(chǎn)中都需要對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)采集，而溫度采集又是其中極為重要的部分，因此，需要一種高精度、低成本的數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)。

為了方便地實(shí)現(xiàn)溫度采集與控制系統(tǒng)，筆者選用msc1201作為系統(tǒng)的mcu。msc1201是的德州儀器（ti）新推出的一款低噪聲、低成本數(shù)據(jù)采集微處理器，它具有的增強(qiáng)型8051內(nèi)核，執(zhí)行速度比標(biāo)準(zhǔn)8051內(nèi)核快3倍，而功耗卻更低，msc1201中的adc的防噪性能為75nv，比市場(chǎng)上大多數(shù)獨(dú)立式adc都好，此外，msc1201的adc還可在功耗僅為3mv時(shí)達(dá)到1ks/s的采樣速率，因此，搭配合適的信號(hào)拾取元件就能組成一種性能優(yōu)異的數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)。

比值設(shè)計(jì)的恒溫箱溫度控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。該恒溫箱主要用于電子設(shè)備的高溫實(shí)驗(yàn)。通過(guò)小鍵盤設(shè)定實(shí)驗(yàn)溫度和時(shí)間，達(dá)到定時(shí)后并能發(fā)出警告，箱體打開(kāi)后啟動(dòng)風(fēng)扇散熱，為了使溫度控制更加準(zhǔn)確，在箱體內(nèi)采用多點(diǎn)測(cè)溫，同時(shí)為了保證電子設(shè)備的均勻受熱，設(shè)計(jì)中采用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)托盤使待測(cè)物在箱內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，并在定時(shí)結(jié)束時(shí)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。在恒溫箱工業(yè)時(shí)，箱內(nèi)溫度通過(guò)數(shù)碼管顯示。定時(shí)剩余時(shí)間也通過(guò)數(shù)碼管顯示。

2 msc1201型微處理器

本設(shè)計(jì)采用ti的msc1201型微處理器作為主處理器，msc1201的封裝形式為qfn－36，在3v供電時(shí)功耗為3mw。具有工業(yè)級(jí)的工業(yè)溫度范圍即－40℃－＋125℃。

模擬特性包括數(shù)據(jù)采集精度達(dá)到24位無(wú)損采集，工業(yè)頻率為10hz時(shí)有效分辨達(dá)到22位；片內(nèi)可編程增益控制，最高可將信號(hào)放大128倍；工作噪聲為75nv，片內(nèi)提供精確的參考電壓，具有偏差校正功能，片上溫度傳感器可以快速方便地組成檢測(cè)系統(tǒng)，極小的偏差漂移（0.02ppm/℃），放大漂移（0.5ppm/℃）使得系統(tǒng)具有較強(qiáng)的溫度適應(yīng)能力。

數(shù)字功能包括具有與8051兼容的增強(qiáng)型處理器內(nèi)核；擁有1kb自舉rom、256字節(jié)數(shù)據(jù)sram、4kb閃存具有安全保護(hù)措施；存儲(chǔ)器讀/寫循環(huán)可達(dá)100萬(wàn)次，保存100年。

外部特征包括有16個(gè)通用i/o引腳、1個(gè)32位累加器、2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器、可編程看門狗定時(shí)器、全雙工usart、spi、i2c接口；空閑狀態(tài)下消耗電流小于200μa，停止?fàn)顟B(tài)下電流小于100na；中斷源多達(dá)20個(gè)，可以滿足一般工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的控制要求。msc201的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

3 溫度采集系統(tǒng)的硬件組成
通常，為了組成一種溫度控制系統(tǒng)，采用如圖3所示的模塊化設(shè)計(jì)。
由圖3可見(jiàn)，從傳感器到cpu還有許多環(huán)節(jié)需要系統(tǒng)設(shè)計(jì)者來(lái)設(shè)計(jì)。但是采用msc1201型微處理器后許多環(huán)節(jié)就可以省略。如圖中虛線包含的部分，處理器自身已經(jīng)包含這些中間處理過(guò)程，只要設(shè)置相關(guān)寄存器就可以調(diào)整它們的參數(shù)。

3.1 溫度傳感器

在許多溫度采集系統(tǒng)中用熱敏電阻器作為測(cè)溫器件，然后通過(guò)查表或附加電路得到輸出電壓與溫度的關(guān)系，查表需要一段存儲(chǔ)空間來(lái)保存表格數(shù)據(jù)且會(huì)增加代碼長(zhǎng)度，因此使用熱敏電阻器的成本較高。另一方面，由于熱敏電阻器輸出的非線性使其高溫段和低溫段的測(cè)量誤差變化較大，而在多點(diǎn)測(cè)量時(shí)對(duì)每一種器件都要單獨(dú)調(diào)零，因而在應(yīng)用時(shí)有許多局限。

在筆者設(shè)計(jì)的溫度檢測(cè)系統(tǒng)中，采用adi公司的ad590型溫度傳感器作為溫度測(cè)量元件，ad590是電流型傳感器，當(dāng)電源電壓為4v－30v使流經(jīng)器件的電流隨溫度的變化而變化。其溫度變化規(guī)律為1μa/k，表示以k氏溫度衡量溫度，溫度變化1℃電流變化1μa，這種線性變化的規(guī)律給應(yīng)用帶來(lái)很大方便，應(yīng)用ad590時(shí)電源電壓的變化也會(huì)影響電流輸出，但電源電壓高時(shí)影響會(huì)小一些，因此電源電壓適當(dāng)調(diào)高，圖4示出ad590與msc1201的連接，其中，
vout＝i/（t）×r＝273.2nv×（r1＋vr1）＋t×（r1＋vr1） （1）
從（1）式可以看出，ad590輸出電壓與溫度的關(guān)系，如果選擇（r1＋vr1）＝10kω，那么可得下式：
v（t）＝i（t）×（r1＋vr1）＝2.732v＋t×（r1＋vr1） （2）
圖4中r1與vr1串聯(lián)，通過(guò)調(diào)節(jié)vr1的阻值來(lái)獲得10kω的電阻值。沒(méi)有直接使用10kω的電阻器是為了提高系統(tǒng)測(cè)量精度。

由于溫度檢測(cè)的后級(jí)接收差分信號(hào)輸入，因此只需要在差分輸入的負(fù)端引入2.732v參考電壓即可得到隨攝氏溫度線性變化的輸出電壓。如圖4所示，調(diào)節(jié)vr3阻值使在ain1、ain3引腳上具有2.732v電壓即可生成隨攝氏溫度線性變化的輸入信號(hào)。若設(shè)計(jì)的后級(jí)是單端輸入，則只需在校正單元減去2.732v即可。

3.2 多路選擇開(kāi)關(guān)

輸入多路選擇開(kāi)關(guān)屬于msc1201的內(nèi)置功能模塊，可以接收差分輸入。如圖2所示，如果ain0選作差分輸入的正端輸入，則其他任意通道可以作為差分信號(hào)的負(fù)端輸入，并可通過(guò)交換差分輸入的正負(fù)端來(lái)消除誤差，在本系統(tǒng)中選用ain0輸入ad590的輸出電壓v（t），將2.732v作為差分信號(hào)負(fù)端輸入到ain1，msc1201可以自動(dòng)檢測(cè)這些信號(hào)輸入引腳是否開(kāi)路或短路。

另外，該電路還可以檢測(cè)自身溫度，當(dāng)輸入多路選擇開(kāi)關(guān)的配置寄存器全部設(shè)為1時(shí)，電路內(nèi)的測(cè)溫二極管就連接到adc的輸入端，此時(shí)其余輸入通道開(kāi)路，這有利于器件自身的保護(hù)，當(dāng)芯片溫度過(guò)高時(shí)，可以通過(guò)強(qiáng)制電路進(jìn)入空閑模式使系統(tǒng)降溫。

通道可以通過(guò)寄存器admux來(lái)選擇，如下所示：

其中，高4位決定差分正端輸入通道，而低4位決定負(fù)端輸入通道。

3.3 放大器

通常情況下檢測(cè)到的信號(hào)很微弱，需要進(jìn)行放大。而msc1201內(nèi)置可編程增益放大器（pga）的增益可以設(shè)為1、2、4、8、32、64、128。通過(guò)使用pga可以提高adc的有效分辨率。例如在信號(hào)電壓范圍為±2.5v時(shí)，若pga增益設(shè)為1，則adc最小分辨率為1.5μv；當(dāng)pga增益設(shè)為128、信號(hào)電壓范圍為±19mv時(shí)，adc的分辨率為75nv，改變pga增益會(huì)使放大器輸入阻抗變化，但通常放大器的輸入阻抗很高，一般不會(huì)對(duì)輸入信號(hào)產(chǎn)生影響。放大器的放大倍數(shù)由寄存器adcon0的低3位確定。

3.4 信號(hào)調(diào)理

在溫度檢測(cè)中，輸入環(huán)節(jié)會(huì)不可避免的引入某些誤差，使輸入信號(hào)產(chǎn)生不同程度的畸變。為了消除這些誤差對(duì)系統(tǒng)的影響，需要對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行調(diào)理。

3.4.1 adc補(bǔ)償

通過(guò)使用寄存器odac，pga的模擬輸出可以獲得最高能夠達(dá)到測(cè)量電壓范圍一半的偏移補(bǔ)償。寄存器odac是8位，最高位為符號(hào)位，表示補(bǔ)償?shù)恼?fù)，其余7位表示補(bǔ)償?shù)拇笮?。由于odac引入的只是對(duì)pga的模擬補(bǔ)償，因此并不影響adc的測(cè)量范圍。

3.4.2 adc校準(zhǔn)

基于msc1201/02的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的偏移和增益誤差可以通過(guò)校準(zhǔn)來(lái)減小。寄存器adcon1的cal2：cal0可控制校準(zhǔn)。每次校準(zhǔn)需要7個(gè)tdata（數(shù)據(jù)采集時(shí)間）周期來(lái)完成。

完成校準(zhǔn)必須在輸入端施加信號(hào)，再由器件計(jì)算出偏移量以補(bǔ)償系統(tǒng)偏差。在進(jìn)行系統(tǒng)偏移校正時(shí)，需要輸入0v或很小的電壓信號(hào)，并讀取輸出結(jié)果，如果結(jié)果為正，說(shuō)明轉(zhuǎn)換中存在正偏移誤差，應(yīng)在結(jié)果中減去該偏移量。反之，如果結(jié)果為負(fù)，就要加上該偏移量。

系統(tǒng)增益校準(zhǔn)需要輸出滿量程信號(hào)，并測(cè)量輸出結(jié)果來(lái)實(shí)現(xiàn)增益校準(zhǔn)。增益校準(zhǔn)實(shí)際上就是調(diào)整放大器的輸出信號(hào)斜率以補(bǔ)償實(shí)際輸出與理想輸出的誤差。
系統(tǒng)上電后就要進(jìn)行校準(zhǔn)，而在電源電壓、參考電壓或pga增益發(fā)生變化時(shí)要重新進(jìn)行校準(zhǔn)。當(dāng)校準(zhǔn)完成時(shí)，adc的中斷標(biāo)志位變?yōu)楦唠娖?，在程序中可通過(guò)檢查該位來(lái)判斷校準(zhǔn)是否完成，若校準(zhǔn)完成，此時(shí)輸入數(shù)據(jù)才有效。

3.5 a/d轉(zhuǎn)換

在a/d轉(zhuǎn)換中的調(diào)制器是二階系統(tǒng)，調(diào)制器工作頻率為fmod，該頻率與faclk有關(guān)，而faclk可以在模擬時(shí)鐘寄存器（aclk）中設(shè)置，其關(guān)系式如下：

fmod＝fclk/[（aclk+1）64]＝faclk/64 （3）
整個(gè)a/d轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)輸出率為：
fdata＝fmod/數(shù)據(jù)抽取率 （4）
數(shù)據(jù)抽取率從a/d轉(zhuǎn)換結(jié)果中取得數(shù)據(jù)的比率，如抽取率為10中取1，其含義就是調(diào)制器最近輸出的10個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理（如取平均值），其結(jié)果就作為本次a/d轉(zhuǎn)換的結(jié)果。這里的處理工作是由數(shù)字濾波器完成的。

a/d轉(zhuǎn)換在缺省條件下使用內(nèi)部2.5v作為參考電壓，此時(shí)agnd引腳必須連接refin－引腳。而refout/refin＋引腳應(yīng)該通過(guò)1只0.1μf的電容器接地，同時(shí)電容器應(yīng)盡量靠近引腳，msc1201也可以使用外部參考電壓，需要通過(guò)adc控制寄存器adcon0來(lái)進(jìn)行選擇。

3.6 數(shù)字濾波

數(shù)字濾波可以使用快速設(shè)置濾波器、sinc2或sinc3濾波器。
為了使系統(tǒng)的a/d轉(zhuǎn)換具有低噪聲、響應(yīng)快速的優(yōu)點(diǎn)，筆者按以下策略來(lái)選擇濾波通道：當(dāng)數(shù)據(jù)輸入通道改變時(shí)，系統(tǒng)將在接下來(lái)的2次轉(zhuǎn)換中使用快速設(shè)定濾波器，而其中第一次的轉(zhuǎn)換結(jié)果又將舍棄。緊接著依次使用sinc2或sinc3濾波器以改善噪聲性能。

3.7 cpu

msc1201內(nèi)置的flash具有100萬(wàn)次的讀寫次數(shù)，數(shù)據(jù)可以保存100年，可以自由地在flash中劃分?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)和程序存儲(chǔ)區(qū)。msc1201擁有自舉rom，256字節(jié)ram、128字節(jié)特殊功能寄存器，具有4組bank工作寄存器，當(dāng)前程序只使用一組bank寄存器。通過(guò)改變當(dāng)前bank寄存器可以快速切換程序上下文環(huán)境。這些設(shè)計(jì)極大方便了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

由于msc1201系列處理器使用更高效的15型處理器核心，所以在使用相同外部時(shí)鐘的情況下它的指令執(zhí)行速度比標(biāo)準(zhǔn)51型處理器快1.5－3倍，在使用相同的代碼和外部時(shí)鐘的情況下該處理器的吞吐量比標(biāo)準(zhǔn)51型處理器高2.5倍。
因此，工作于33mhz的msc1201處理器運(yùn)行能力等于工作于82.5mhz的8051核，這將有助于設(shè)計(jì)者降低處理器的運(yùn)行頻率，降低系統(tǒng)功耗并減小系統(tǒng)噪聲。

3.8 顯示模塊

作為系統(tǒng)輸出，采用2個(gè)sr120281型4位7段式led模塊顯示檢測(cè)到的溫度和定時(shí)剩余時(shí)間。該模塊含4個(gè)數(shù)碼管，采用共陰極連接。模塊中4位數(shù)碼管的陽(yáng)極引腳并聯(lián)，通過(guò)陰極選擇需要點(diǎn)亮的數(shù)碼管。led的陽(yáng)極驅(qū)動(dòng)采用motorola公司的mc14495型譯碼驅(qū)動(dòng)器來(lái)完成，利用bic－8718型驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生4位數(shù)碼管的位選擇信號(hào)。每次點(diǎn)亮1位數(shù)碼管，通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)倪x通順序，利用人的視覺(jué)殘留即可得到1次顯示中4位數(shù)碼管同時(shí)點(diǎn)亮的效果。

4 溫度控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件的復(fù)雜度與其所要完成的任務(wù)密切相關(guān)。本系統(tǒng)主要用于小型恒溫箱的溫度控制，需要控制的對(duì)象有加熱裝置的開(kāi)關(guān)、風(fēng)機(jī)的開(kāi)關(guān)和帶動(dòng)托盤旋轉(zhuǎn)的步進(jìn)電機(jī)等。使用者通過(guò)按鍵設(shè)定恒溫箱的工作溫度和工作時(shí)間，定時(shí)到時(shí)，加熱器關(guān)閉并告警。還有一些顯示控制及對(duì)小鍵盤輸入的響應(yīng)處理。其程序包含以下幾部分：鍵盤掃描子程序、溫度信號(hào)采集子程序、顯示控制子程序、電機(jī)控制子程序、繼電器控制子程序和通信子程序。圖5所示是系統(tǒng)的軟件流程。

5 pc與溫度控制系統(tǒng)的通信

對(duì)于一種溫度采集與控制系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)完畢后可能要使用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，當(dāng)需要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行更加復(fù)雜的數(shù)學(xué)分析運(yùn)算和對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行海量存儲(chǔ)時(shí)，與pc主機(jī)的通信非常重要。筆者利用max232電路實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與pc主機(jī)的串行通信，并設(shè)計(jì)了上位機(jī)軟件。pc主機(jī)每隔30s與下位機(jī)通信一次以獲得溫度數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)存入access數(shù)據(jù)庫(kù)中，便于日后查詢。

利用vc完成上位機(jī)軟件，在vc中通過(guò)使用mscomm控件來(lái)完成串口通信，在接收到數(shù)據(jù)后通過(guò)dao方法訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、查找、排序等操作。由于篇幅限制，具體過(guò)程恕不贅述。

6 結(jié)束語(yǔ)

基于msc1201型微處理器的溫度數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)采用了新型處理器，在應(yīng)用中節(jié)省了大量的硬件設(shè)計(jì)工作，縮短了設(shè)計(jì)周期，以較小的成本完成了多點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集與控制。