基于MSP430和MAX1452的溫度補償系統(tǒng)設計

在工業(yè)控制中，各種電子器件由于溫度變化，經常會引起溫度漂移誤差，從而影響到電子器件的靈敏性和精確度，所以消除溫度漂移誤差就成為工業(yè)控制中的一個重要方面。本文采用MSP430單片機和MAX1452智能芯片，設計一個溫度補償電路系統(tǒng)，達到消除溫度漂移的目的。

1 溫度補償系統(tǒng)的硬件設計
1.1 使用的主要器件

MSP430FE425低功耗單片機、MAX1452、MAX4051、74LVC4245A（雙電源的電平移位器）、字符型液晶顯示器LCD、32768Hz晶振等。

1.2 溫度補償系統(tǒng)的設計思想

針對電子器件由于溫度變化引起的溫度漂移誤差，通過MSP430低功耗單片機進行調節(jié)，補償溫度漂移誤差，達到預期狀態(tài)下的溫度。

MAX1452芯片內部有一個片內溫度傳感器，這個傳感器測量MAX1452芯片在運行環(huán)境下的溫度，MSP430低功耗單片機接受MAX1452 芯片上的溫度數(shù)據(jù)，根據(jù)已經存儲在EEPROM內的溫度數(shù)據(jù)進行查找比較，找到相應溫度下的溫度補償值，進行粗調和細調，確定用于補償溫度漂移誤差的精確值，然后傳送回MAX1452芯片中，使電子器件的溫度漂移誤差得到抵消，從而可以顯示理想條件下的溫度。其中，MAX4051芯片是選擇需要調節(jié)的 MAX1452的編號，74LVC4245芯片是選擇對應MAX1452芯片的輸入/輸出方向。

1.4 溫度補償系統(tǒng)的原理圖

圖1 溫度補償系統(tǒng)原理框圖

圖2 溫度補償系統(tǒng)電路圖

本系統(tǒng)的軟件設計主要分為5個模塊：初始化模塊、顯示模塊、中斷模塊、調節(jié)模塊和通信模塊。

初始化模塊主要包含兩個子功能模塊：補償模塊和恢復模塊。

補償模塊：在上電時，從主計算機下載在不同溫度下的溫度漂移誤差補償?shù)臄?shù)據(jù)。

恢復模塊：在復位時，恢復MSP430斷電時的數(shù)據(jù)。

2.2 顯示模塊

本模塊主要包含6個子功能模塊：初始化數(shù)據(jù)模塊、拆分數(shù)據(jù)模塊、組合數(shù)據(jù)模塊、顯示初始化模塊、功能顯示模塊、溫度顯示模塊。

初始化數(shù)據(jù)模塊：主要功能是對顯示模塊中使用的中間變量進行初始化（即全部清零），防止上電或者數(shù)據(jù)改變后，存儲異常的數(shù)據(jù)，從而在顯示時出現(xiàn)異常。

拆分數(shù)據(jù)模塊：液晶顯示器LCD的顯示是逐字符顯示的，所以對于多位數(shù)據(jù)的顯示，在顯示之前必須對多位數(shù)據(jù)進行拆分，把一個多位數(shù)據(jù)拆成幾個個位數(shù)據(jù)，然后根據(jù)MSP430中液晶顯示器LCD的顯示規(guī)則進行顯示。

組合數(shù)據(jù)模塊：在液晶顯示器LCD的某位數(shù)據(jù)發(fā)生改變后，需要將改變后的數(shù)據(jù)保存并傳送到MAX1452，進行溫度漂移誤差補償。本模塊即完成對多個個位數(shù)據(jù)組合成一個多位數(shù)的功能。

顯示初始化模塊：為了防止在顯示時，液晶顯示器LCD顯示異常數(shù)字或者代碼，需要對液晶顯示器LCD進行清屏，這樣可以保證液晶顯示器LCD顯示的正確性。

功能顯示模塊：在液晶顯示器LCD的第6～4位字符顯示功能部分的數(shù)字代碼。其中，第6位字符顯示選擇的MAX1452的編號（0～8），第5位字符顯示選擇補償溫度偏移誤差的位置（零點或滿偏），第4位字符顯示選擇所顯示溫度的狀態(tài)（顯示狀態(tài)或修改狀態(tài)）。

溫度顯示模塊：在液晶顯示器LCD的第2～0位字符顯示溫度部分的數(shù)字代碼。其中，第2位字符表示符號（只有在0°C以下才顯示“－”）。第1～0位字符顯示溫度的數(shù)值。

2.3 中斷模塊

本模塊主要包含3個子功能模塊：中斷初始化模塊、中斷狀態(tài)判別模塊、中斷狀態(tài)設置模塊。由于在MSP430單片機中，中斷是嵌套調用的，所以在各個子模塊之間沒有明確層次先后順序，僅按照出現(xiàn)的先后順序確定其之間的相互調用關系。

2.3.1 狀態(tài)轉換圖

圖3 中斷狀態(tài)轉換圖

2.3.2 中斷初始化模塊

本模塊的主要功能是在上電或者復位時，清除此前的所有中斷向量和中斷標志位，防止程序在運行過程中造成異常。

2.3.3 中斷狀態(tài)判別模塊

在此模塊中，要對中斷進行判斷，并且做出相應的響應。在“顯示狀態(tài)”下，允許“功能”中斷；在“功能調整狀態(tài)”下，允許“移位”中斷、“循環(huán)加1” 中斷、“確定”中斷和“取消”中斷；在“溫度調整狀態(tài)”下，允許的中斷與“功能調整狀態(tài)”相同。對于“復位”中斷，在三個工作狀態(tài)下都允許。

2.3.4 中斷狀態(tài)設置模塊

本模塊的主要功能是在“顯示狀態(tài)”、“功能調整狀態(tài)”和“溫度調整狀態(tài)”之間改變時，對溫度補償系統(tǒng)所正在運行的狀態(tài)做出相應的標識，以便在程序運行過程中，檢測到相應的狀態(tài)，做出相應的判斷和響應。

本模塊主要包含4個子功能模塊：循環(huán)移位模塊、循環(huán)加1模塊、確定模塊和取消模塊。

循環(huán)移位模塊：主要實現(xiàn)對液晶顯示器LCD顯示數(shù)字的移位控制，通過按鍵實現(xiàn)在液晶顯示器LCD顯示數(shù)字進行循環(huán)移動。

循環(huán)加1模塊：實現(xiàn)液晶顯示器LCD顯示數(shù)字的加法操作，通過按鍵在不同的數(shù)字區(qū)間內進行循環(huán)加1。

確定模塊：主要進行大量的控制和數(shù)據(jù)操作，還要調用中斷模塊和通信模塊的功能，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的傳輸和處理，同時改變溫度補償系統(tǒng)的運行狀態(tài)。

取消模塊：主要放棄對已經在液晶顯示器LCD上改變的數(shù)據(jù)進行操作，返回改變前的狀態(tài)，同時改變溫度補償系統(tǒng)的運行狀態(tài)。

2.5 通信模塊

在溫度補償系統(tǒng)中，本模塊實現(xiàn)了MSP430和MAX1452之間的通信。通過調用本模塊，MSP430實現(xiàn)對MAX1452的控制和數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)對溫度漂移誤差的補償。

本模塊主要有7個子功能模塊：初始化模塊、重初始化模塊、讀模塊、寫模塊、數(shù)據(jù)計算模塊、地址查找模塊、控制模塊。

初始化模塊：根據(jù)MAX1452的通信協(xié)議，本模塊的功能是在在上電或者復位時對MAX1452進行初始化。

重初始化模塊：根據(jù)MAX1452的通信協(xié)議，本模塊是在MSP430與MAX1452進行通信之前（非上電或者復位情況下），對MAX1452進行初始化，保證傳輸數(shù)據(jù)的正確性。

圖4讀模塊的流程圖

圖5寫模塊的流程圖

讀模塊：根據(jù)MAX1452的通信協(xié)議，在從MAX1452讀出數(shù)據(jù)時，需要有特定的數(shù)據(jù)格式，本模塊實現(xiàn)從MAX1452讀出數(shù)據(jù)，并且將MAX1452中特定的數(shù)據(jù)傳輸格式，轉化為便于計算或顯示使用的數(shù)據(jù)格式的功能。流程圖如圖4所示。

寫模塊：根據(jù)MAX1452的通信協(xié)議，在從MAX1452寫入數(shù)據(jù)時，需要有特定的數(shù)據(jù)格式，本模塊實現(xiàn)將計算或顯示數(shù)據(jù)轉化為MAX1452的特定的數(shù)據(jù)傳輸格式，并寫入到MAX1452的功能。流程圖如圖5所示。

數(shù)據(jù)計算模塊：本模塊的主要功能是對從MAX1452讀入的數(shù)據(jù)與MAX1452中EEPROM的數(shù)據(jù)進行計算，得出需要達到理想狀態(tài)下的所要補償?shù)臏囟鹊拇_切值。

地址查找模塊：根據(jù)MAX1452的通信協(xié)議，在溫度補償過程中，需要根據(jù)公式，查找不同溫度狀況下零點和滿偏的溫度補償值的地址，然后讀出相應的數(shù)據(jù)。本功能模塊主要實現(xiàn)查找地址的功能。

控制模塊：本模塊的主要功能是根據(jù)MAX1452的通信協(xié)議，對其控制指令進行封裝，使其完成固定的功能，便于進行調用。

本文創(chuàng)新點：利用MSP430低功耗單片機和MAX1452芯片，設計溫度補償系統(tǒng)的結構以及此系統(tǒng)中的中斷轉換狀態(tài)。

此系統(tǒng)在調試過程中得到以下補償數(shù)據(jù)，如表1所示。

在此系統(tǒng)的設計過程中，盡管在一定程度上實現(xiàn)了對溫度漂移誤差的的補償，但是，補償?shù)倪^程是以手動調節(jié)完成的，在實時性方面存在一定的不足，有待進一步研究。

表1 溫度補償數(shù)據(jù)

【1】沈建華，楊艷琴，翟驍曙等編，MSP430系列16位超低功耗單片機實踐與系統(tǒng)設計[M]，清華大學出版社，2005年4月。

【2】魏小龍編，MSP430系列單片機接口技術及系統(tǒng)設計實例[M]，北京航空航天大學出版社，2002年。

【3】胡大可編，MSP430系列單片機C語言程序設計與開發(fā)[M]，北京航空航天大學出版社，2003年1月。

【4】王成江，王安敏，張玉華，基于MAX1452 的超細顆粒機械加工中振動的測試，電子產品世界[J/OL]，2002年Z2期。

【5】劉玉宏，MSP430單片機C語言和匯編語言混合編程，微計算機信息[J/OL]，2003年第19卷第10期56頁。

【6】張景元，陳平，一種基于單片機的多功能數(shù)字鐘，微計算機信息[J/OL]，2005年第21卷第9－2期136頁。