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基于PIC單片機(jī)的便攜式測(cè)試記錄儀設(shè)計(jì)
以追求高可靠、低功耗、小體積設(shè)計(jì)思想的本記錄儀具有如下功能：對(duì)現(xiàn)場(chǎng)物理量進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、保存、處理與顯示；自動(dòng)識(shí)別現(xiàn)場(chǎng)安裝的傳感器數(shù)量、傳感器號(hào)和量程；自動(dòng)和手動(dòng)兩種采集方式，自動(dòng)采集適用于長(zhǎng)期無(wú)人值班的固定場(chǎng)合，手動(dòng)采集便于對(duì)分布在不同區(qū)域的物理量進(jìn)行測(cè)試；與ＰＣ機(jī)通訊，可根據(jù)需要將采集數(shù)據(jù)下載至ＰＣ數(shù)據(jù)庫(kù)；實(shí)時(shí)打印；自檢功能，避免了系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中可能遇到本身無(wú)法容錯(cuò)處理的異常事件而導(dǎo)致的死機(jī)現(xiàn)象。
１ 硬件設(shè)計(jì)
１．１ 總體設(shè)計(jì)原則
根據(jù)高可靠、低功耗、小體積的設(shè)計(jì)思想及應(yīng)用對(duì)象幾乎對(duì)采集速度無(wú)要求（此處指系統(tǒng)本身的采集速度已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)實(shí)際應(yīng)用要求）的特性，總體設(shè)計(jì)原則是： 元器件采用低功耗、寬范圍工作電源的ＣＭＯＳ集成電路；總線采用口線少的串行總線；允許情況下，盡量用軟件實(shí)現(xiàn)硬件功能，用中斷代替查詢工作方式；一旦系統(tǒng)空閑則立即使其進(jìn)入低功耗休眠狀態(tài)，當(dāng)需要時(shí)再用外部中斷予以喚醒。
１．２ 硬件組成
根據(jù)總體設(shè)計(jì)原則，硬件組成如圖１所示。其中：?jiǎn)纹瑱C(jī)為美國(guó)ＭｉｃｒｏＣｈｉｐ公司的中檔產(chǎn)品ＰＩＣ１６Ｃ７４，＋５Ｖ供電、４ＭＨｚ主頻時(shí)功耗低于２ｍＡ；Ｅ２ＰＲＯＭ存儲(chǔ)陣列由超低工作電壓（＋２．５Ｖ～＋５．５Ｖ）、具有可編程選擇多種特性的８ＫＢ智能化電可擦除存貯器２４ＬＣ６５芯片組成。其中，０＃為傳感器識(shí)別片（以下簡(jiǎn)稱(chēng)識(shí)別片），保存現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際安裝的傳感器數(shù)量、傳感器號(hào)及量程。該芯片被設(shè)計(jì)在放大器板上，永久安裝于現(xiàn)場(chǎng)。傳感器號(hào)由４位數(shù)字組成，前２位表示組號(hào)，后２位表示傳感器組內(nèi)號(hào)。１＃ 為字典片，分為三個(gè)存儲(chǔ)區(qū)：第一存儲(chǔ)區(qū)被設(shè)置成高壽命寫(xiě)入?yún)^(qū)，保存表頭參數(shù)，如疵點(diǎn)單元計(jì)數(shù)器、記錄計(jì)數(shù)器、記錄指針、自動(dòng)采集時(shí)間等；第二存貯區(qū)為字典區(qū)，保存?zhèn)鞲衅餍拚禂?shù)、實(shí)時(shí)打印所涉及的漢字國(guó)標(biāo)碼等，查找時(shí)以傳感器號(hào)為關(guān)鍵字進(jìn)行指針定位；第三存儲(chǔ)區(qū)被定義為疵點(diǎn)單元地址隊(duì)列，保存在寫(xiě)過(guò)程中遇到的疵點(diǎn)單元地址。２＃～７＃ 為數(shù)據(jù)片，保存實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)。ＲＳ２３２口為最簡(jiǎn)單的零調(diào)制３線經(jīng)濟(jì)型，具有雙重功能，接上ＴＰμＰ＿Ｔ微型打印機(jī)，則進(jìn)行實(shí)時(shí)打�。唤由希校脵C(jī)，則與ＰＣ進(jìn)行全雙工通訊。Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器ＭＡＸ１８９為串行、１２位逐次逼近型，功耗７５ｍＷ，最大轉(zhuǎn)換時(shí)間８．５μｓ。實(shí)時(shí)時(shí)鐘ＤＳ１３０２具有可編程涓流充電功能，能夠提供秒、分、時(shí)、日、月、星期、年至２１００年，并且對(duì)閏年和小于３１天的月份進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。鍵盤(pán)由手動(dòng)、自動(dòng)、通訊、打印、清零等五個(gè)觸摸按鍵組成，通過(guò)按鍵產(chǎn)生外部中斷喚醒單片機(jī)完成相應(yīng)功能。液晶顯示器（ＬＣＤ）采用４位半靜態(tài)方式驅(qū)動(dòng)，用來(lái)顯示處理后的結(jié)果以及系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中檢錯(cuò)的代碼。３２．７６８ｋＨｚ晶振用于自動(dòng)采集時(shí)產(chǎn)生定時(shí)中斷。
圖1 基于PIC單片機(jī)的便攜式測(cè)試記錄儀組成
１．３ 工作原理
本記錄儀基本工作原理是：一旦系統(tǒng)完成某項(xiàng)工作后，立即進(jìn)入低功耗休眠狀態(tài)，當(dāng)需要時(shí)再由外部中斷予以喚醒。
１．３．１ 加電初始化
加電后，首先初始化有關(guān)寄存器和接口，然后自檢各功能部件。測(cè)試結(jié)果無(wú)論正�；蝈e(cuò)誤均以代碼形式顯示在ＬＣＤ上，進(jìn)入休眠狀態(tài)。
１．３．２ 采 集
本記錄儀有自動(dòng)和手動(dòng)兩種采集方式。
休眠狀態(tài)下，當(dāng)按手動(dòng)鍵時(shí)則進(jìn)入手動(dòng)采集過(guò)程。首先讀識(shí)別片和字典片，以確立現(xiàn)場(chǎng)中實(shí)際安裝的傳感器數(shù)量、量程及數(shù)據(jù)片可寫(xiě)空間。若數(shù)據(jù)片未寫(xiě)滿，則從組內(nèi)０通道傳感器開(kāi)始，循環(huán)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)中實(shí)際安裝的所有傳感器進(jìn)行采集、處理、顯示，直至當(dāng)再按一次手動(dòng)鍵時(shí)，方將傳感器號(hào)、量程、最近一次采集值（注意?不是實(shí)時(shí)處理后結(jié)果，而是原始Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換碼值）以及采集時(shí)刻的日歷信息─年、月、日、時(shí)、分、秒等組成的記錄寫(xiě)入記錄指針指向的數(shù)據(jù)片中，接著對(duì)表頭參數(shù)進(jìn)行修改，進(jìn)入休眠狀態(tài)。
休眠狀態(tài)下，當(dāng)按自動(dòng)鍵時(shí)則進(jìn)入自動(dòng)采集過(guò)程。首先開(kāi)放定時(shí)中斷，然后進(jìn)入采集─保存─休眠─喚醒─再采集─再保存─再休眠─再喚醒的循環(huán)狀態(tài)，直到數(shù)據(jù)片被寫(xiě)滿或人工干預(yù)結(jié)束自動(dòng)采集過(guò)程為止。上述喚醒由外部中斷完成，其單片機(jī)從休眠狀態(tài)到喚醒工作之間的時(shí)間間隔有等距和變距兩種形式可供選擇。所謂等距即每次采集的時(shí)間間隔相同。與其相反，變距則每次采集的時(shí)間間隔隨采集次數(shù)的增多而變長(zhǎng)或縮短，視實(shí)際應(yīng)用需要而確定。本記錄儀出廠設(shè)置為等距１小時(shí)，即每間隔１小時(shí)采集１次。
１．３．３ 通訊和打印
休眠狀態(tài)下，當(dāng)按通訊鍵時(shí)，進(jìn)入和ＰＣ通訊過(guò)程。首先由ＰＣ端Ｗｉｎ９８下的專(zhuān)門(mén)處理軟件完成串口１（若記錄儀與ＰＣ Ｃｏｍ１口相連）或串口２（若記錄儀與ＰＣ Ｃｏｍ２口相連）的自動(dòng)配置，然后可根據(jù)工具條上的圖文進(jìn)行等距、變距、選擇、數(shù)據(jù)下載、事后處理等操作。
休眠狀態(tài)下，當(dāng)按打印鍵后，則在ＴＰμＰ＿Ｔ微型打印機(jī)上打印出所有保存的記錄。
１．３．４ 清 零
休眠狀態(tài)下，當(dāng)按清零鍵時(shí)，則清除數(shù)據(jù)片中保存的所有記錄，即使記錄指針指向數(shù)據(jù)片首址。
２ 軟件設(shè)計(jì)
本記錄儀軟件由實(shí)時(shí)處理程序和組成記錄儀諸功能部件的驅(qū)動(dòng)程序組成。
２．１ 實(shí)時(shí)處理程序
實(shí)時(shí)處理程序調(diào)用相關(guān)驅(qū)動(dòng)程序完成模擬量采集、數(shù)字濾波、插值運(yùn)算、實(shí)時(shí)顯示、記錄合成及記錄保存。本記錄儀采用的記錄格式從高至低依序?yàn)椋簜鞲衅魈?hào)，量程，采集值，年，月，日，時(shí)，分，秒。
２．２ 驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)
驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)的基本思想是：首先完成相關(guān)接口、寄存器的初始化，然后根據(jù)具體物理部件產(chǎn)生微操作時(shí)序，并對(duì)操作過(guò)程中遇到的異常事件進(jìn)行容錯(cuò)處理。
２．２．１ 讀／寫(xiě)Ｅ２ＰＲＯＭ 驅(qū)動(dòng)程序
Ｉ２Ｃ總線由時(shí)鐘線（ＳＣＬ）和數(shù)據(jù)線（ＳＤＡ）組成。根據(jù)Ｉ２Ｃ總線協(xié)議，將圖１所采用的２４ＬＣ６５芯片的讀／寫(xiě)操作按操作順序分解為：使總線處于空閑狀態(tài)（ＳＣＬ、ＳＤＡ均為高電平）；發(fā)送讀／寫(xiě)啟動(dòng)信號(hào)（ＳＣＬ保持高電平，ＳＤＡ從高變低產(chǎn)生下降沿）；在數(shù)據(jù)線ＳＤＡ上讀或?qū)憯?shù)據(jù)位（ＳＣＬ高電平時(shí)，ＳＤＡ狀態(tài)為有效的讀或?qū)憯?shù)據(jù)位，ＳＤＡ狀態(tài)，即０或１的變化必須在 ＳＣＬ低電平期間完成）；發(fā)送讀／寫(xiě)結(jié)束信號(hào)（ＳＣＬ保持高電平，ＳＤＡ從低變高產(chǎn)生上升沿）。如果為寫(xiě)操作，每寫(xiě)完１字節(jié)數(shù)據(jù)后，２４ＬＣ６５在數(shù)據(jù)線ＳＤＡ上回送握手應(yīng)答信號(hào)，表示該字節(jié)數(shù)據(jù)已被可靠寫(xiě)入。以上微操作通過(guò)匯編語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)。
本記錄儀以記錄方式讀／寫(xiě)數(shù)據(jù)片。因此，對(duì)寫(xiě)來(lái)說(shuō)，首先讀字典片，以便用其中的表頭參數(shù)判斷當(dāng)前數(shù)據(jù)片是否已寫(xiě)滿。若已寫(xiě)滿，則在ＬＣＤ上顯示無(wú)寫(xiě)空間標(biāo)記代碼，然后返回休眠狀態(tài)；否則，將記錄寫(xiě)入記錄指針?biāo)赶虻臄?shù)據(jù)片中，同時(shí)
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