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摘要: 本文主要進(jìn)行了一個超聲儀的控制系統(tǒng)的研究,詳細(xì)介紹了控制器的軟硬件設(shè)計(jì)。采用了TI公司的MSP430單片機(jī)作為控制器的核心器件滿足目前儀器設(shè)計(jì)中低功耗、高度集成化和小型化的發(fā)展趨勢。PC機(jī)的監(jiān)控軟件用VC++6.0開發(fā),單片機(jī)的程序用C設(shè)計(jì)。通過RS-232C實(shí)現(xiàn)PC機(jī)和單片機(jī)的串口通信,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了控制器對超聲儀的控制功能。
關(guān)鍵詞: MSP430單片機(jī); 串口通信; VC++6.0
1 引言
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微控制器和超聲技術(shù)的不斷發(fā)展,超聲儀器的發(fā)展也十分迅速,有著廣泛的應(yīng)用和發(fā)展市場。超聲學(xué)應(yīng)用技術(shù)主要有兩個方面,即功率超聲和檢測超聲。由于功率超聲處理技術(shù)具有許多特點(diǎn),與其它處理技術(shù)比較,能極大地提高處理速度和效率,提高處理質(zhì)量和完成一般技術(shù)不能完成的處理工作。本文的主要任務(wù)是研究應(yīng)用于功率超聲儀的控制系統(tǒng),并對其的工作過程和工作狀態(tài)進(jìn)行測控。其主要功能包括:①調(diào)節(jié)驅(qū)動脈沖的占空比;②控制超聲儀運(yùn)行時序;③檢測信號源頻率。
2 超聲儀控制系統(tǒng)框圖
超聲儀控制系統(tǒng)用于控制超聲儀的工作并檢測其信號源的頻率,全要由PC機(jī)和超聲儀控制器組成�？刂破鳛橐粋�智能測控儀器,由MSP430單片機(jī)及其外圍電路組成。PC機(jī)和MSP430單片機(jī)通過RS232-C完成串口通信,控制系統(tǒng)框圖如圖l。系統(tǒng)采用異步串行通信方式,以RS-232C全雙工傳輸方式實(shí)現(xiàn)PC機(jī)和單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳送,從而達(dá)到PC機(jī)對單片機(jī)進(jìn)行控制的目的,實(shí)現(xiàn)超聲儀控制系統(tǒng)控制功能。
圖1 超聲儀控制系統(tǒng)框圖
3 超聲儀控制系統(tǒng)硬件詳細(xì)設(shè)計(jì)
控制系統(tǒng)硬件部分由PC機(jī)和超聲儀控制器組成,PC機(jī)選擇常用的微機(jī)即可滿足要求,超聲儀控制器的設(shè)計(jì)是這個系統(tǒng)的核心。整個控制器的硬件電路由MSP430及其接口電路組成。
1、電平轉(zhuǎn)換電路。由于MSP430單片機(jī)的串門電平是TTL電平,TTL電平特性與RS232的電氣特性不匹配,為了使MSP430單片機(jī)的串口能與RS-232C接口通信,必須將串行口的電平進(jìn)行轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)中,異步通信接口電路采用新型的電平轉(zhuǎn)換器件MAX3233E。MAX3233E芯片內(nèi)部有一個電源電壓變換器,可以把輸入的+3.3V電源電壓變換成為RS-232C輸出電平所需的±12V電壓。采用此芯片接口的串行通信系統(tǒng)只需單一+3.3V電源。
2、電源與晶振電路。主要由7805和LM317組成,集成三端穩(wěn)壓器7805的輸出端和共地端之間始終保持5V的穩(wěn)定電壓,即7805的輸出電流在內(nèi)部電阻上的壓降始終是5V,所以只要內(nèi)部電阻被確定,7805的輸出電壓就確定并保持非常穩(wěn)定。LM317L是可調(diào)整的三端正電壓穩(wěn)壓器,在輸出電壓范圍為1.2伏到37伏時能夠提供超過100毫安的電流。對于一個高可靠性的系統(tǒng)設(shè)計(jì),晶體的選擇非常重要,尤其是設(shè)計(jì)帶有睡眠喚醒(往往用低電壓以求低功耗)的系統(tǒng)。本電路選用8M和32768兩個外部晶振。
3、復(fù)位與PWM輸出電路。系統(tǒng)復(fù)位電路的設(shè)計(jì)一定要使系統(tǒng)能夠充分復(fù)位,在各種復(fù)雜情況下穩(wěn)定可靠地工作,復(fù)位性能不好會影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。本系統(tǒng)采用常用的上電復(fù)位電路,能保證有充分的低電平時間。由MSP430單片機(jī)的P4.3管腳輸出占空比和頻率可調(diào)的PWM波形。輸出的信號經(jīng)施密特觸發(fā)器SN7414脈沖整形后再經(jīng)光耦TPL521隔離,然后由J6的1腳輸出。在MSP430中就是采用CCRO來控制周期T,而用與定時器對應(yīng)的CCR3寄存器來控制可變占空比。
4、開關(guān)量輸出電路。PC機(jī)發(fā)出命令,單片機(jī)由串口接收到PC機(jī)的指令,然后執(zhí)行相應(yīng)的操作,完成由P1.4管腳輸出高低電平時間可以調(diào)整的開關(guān)量信號。輸出的信號經(jīng)SN7414脈沖整形后再經(jīng)光耦TPL521隔離,由J6的4腳輸出。為了保證MSP430單片機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性及更好地避免外界信號的干擾,用TPL521對輸入輸出信號進(jìn)行電氣隔離。在光耦的4腳接上拉電阻,起到加大驅(qū)動能力和抗干擾的作用。電路圖如2所示。
(a) 7414整形電路
圖2 整形電路與光耦隔離電路
5、頻率檢測與JTAG接口電路。該檢測電路用于檢測外來頻率信號,信號經(jīng)由J5的4腳輸入,3腳接地,該信號由7414整形后送入149的P1.2管腳。當(dāng)頻率檢測命令到來時,用看門狗打開P1.2管腳的中斷功能,看門狗作定時器。P1.2管腳每發(fā)生一次管腳中斷就計(jì)數(shù)一次,當(dāng)一秒的時間到時,看門狗就關(guān)掉P1.2管腳的中斷功能,這樣得到的數(shù)值就是檢測到的頻率值。將可編程接口與MSP430對應(yīng)的引腳相接,接口另一端接JTAG仿真器,就可以實(shí)現(xiàn)在線編程,向電路板上MSP430重新下載程序。
6、液晶顯示控制電路設(shè)計(jì)。單片機(jī)通過向液晶顯示控制器寫入指令及其參數(shù),來實(shí)現(xiàn)對顯示效果的控制。液晶顯示控制器控制部的主要工作是將單片機(jī)寫到顯示存儲器的數(shù)據(jù)以某種形式傳給液晶顯示驅(qū)動系統(tǒng),僅有驅(qū)動系統(tǒng)是不能實(shí)現(xiàn)液晶顯示器件顯示的,還需要有控制電路提供驅(qū)動系統(tǒng)所必須的掃描時序信號和顯示數(shù)據(jù)。SED1335液晶控制板是用于單片機(jī)與液晶模塊之間控制的控制板,它接收來自單片機(jī)的指令和數(shù)據(jù),并產(chǎn)生相應(yīng)的時序及數(shù)據(jù)控制液晶模塊的顯示,可用于所有適合SED1335的液晶模塊。SED1335硬件分為:CPU接口部、內(nèi)部控制部和驅(qū)動LCD的驅(qū)動部,如圖3所示。
圖3 SED1335硬件原理圖
4 超聲儀控制軟件設(shè)計(jì)
超聲儀控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)分為兩部分,包括PC機(jī)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)和單片機(jī)程序設(shè)計(jì)。PC機(jī)監(jiān)控軟件采用功能強(qiáng)大的VC進(jìn)行開發(fā),主要考慮到控制功能的復(fù)雜性和靈活性。單片機(jī)程序設(shè)計(jì)在一個新型的開發(fā)平臺上進(jìn)行的。
4.1 PC機(jī)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)
PC機(jī)監(jiān)控軟件是控制系統(tǒng)的管理軟件,它根據(jù)我們提出的控制系統(tǒng)的技術(shù)要求來負(fù)責(zé)發(fā)出相應(yīng)的命令,控制控制器進(jìn)行相應(yīng)的操作,進(jìn)而控制超聲儀的工作。作為智能測控系統(tǒng),其強(qiáng)大的控制功能及控制的靈活性,都離不開軟件的支持。在本程序異步通信中,收、發(fā)雙方必須事先規(guī)定兩件事:一是字符格式,即規(guī)定字符各部分所占的位數(shù),是否采用奇偶校驗(yàn)以及校驗(yàn)的方式(偶校驗(yàn)還是奇校驗(yàn))等的通信協(xié)議;二是采用的波特率以及時鐘頻率和波特率的比例關(guān)系。
PC機(jī)監(jiān)控軟件包括以下幾個程序:開關(guān)量輸出開始,開關(guān)量輸出暫停,開關(guān)量輸出時間調(diào)節(jié),PWM信號輸出,PWM信號停止,PWM頻率調(diào)節(jié),PWM占空比調(diào)節(jié),實(shí)時頻率檢測,間斷頻率檢測,選定程序運(yùn)行時刻,退出程序運(yùn)行。下面是它的軟件框圖4。
圖4 PC機(jī)監(jiān)控軟件框圖
4.2 單片機(jī)程序設(shè)計(jì)
單片機(jī)的程序由主程序和若干子程序組成,程序用C語言編寫,實(shí)現(xiàn)了串口通信、開關(guān)量輸出、PWM信號輸出、頻率檢測及液晶顯示的功能。由于篇幅限制,此處僅介紹主程序與PWM輸出程序。
1、單片機(jī)的主要任務(wù)是接收PC機(jī)發(fā)來的數(shù)據(jù)并作相應(yīng)的回應(yīng)。當(dāng)單片機(jī)一旦接收到一個數(shù)據(jù),立刻根據(jù)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷,以決定需要進(jìn)行什么操作。當(dāng)操作完成之后,向PC機(jī)返回一些數(shù)據(jù),以報(bào)告所操作器件當(dāng)前的運(yùn)作狀態(tài),然后再回到數(shù)據(jù)的檢測循環(huán)中去。單片機(jī)采用中斷方式接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。主程序中,先進(jìn)行初始化,當(dāng)F1agWord的0位非0時,即檢測到有數(shù)據(jù)的接收,然后進(jìn)入CommandProcess流程,完成各個子程序的功能;當(dāng)檢測到FdetectDone(頻率檢測完成)信號時,調(diào)用SendOut函數(shù)將檢測到的頻率值送給PC機(jī)和LCD,框圖如圖5。
圖5 主程序框圖
2、單片機(jī)的程序中PWM-Propo_ Adj、PWM-Frequ_ Adj函數(shù)分別完成占空比和頻率的調(diào)節(jié),占空比從0到100可調(diào),頻率從0.1到10Hz可調(diào)。程序中采取增計(jì)數(shù)模式,輸出模式3 (PWM置位/復(fù)位)。這種輸出模式輸出在TBR的值等于TBCCR3時為高電平,直到TBR的值增加到TBCCR0。我們定義高電平的占空比為Proportion,Proportion/100=(TBCCR0-TBCCR3)/TBCCR0,TBCCR3= TBCCR0* (100-Proportion)/100。
頻率調(diào)節(jié)采取分段調(diào)節(jié)的方法,在1-10Hz步長為1,采用時鐘頻率為32768 Hz;在0.5-0.9步長為0.1,采用時鐘頻率32768 Hz;在0.1-0.4步長為0.1,將時鐘頻率32768Hz經(jīng)過8分頻方能滿足要求,以上兩點(diǎn)是程序中值得注意的技巧。具體分析如下:選用時鐘頻率為32768 Hz時,如果要輸出的頻率值為1Hz,則TBCCRO中的值為32768。那么如果要輸出的頻率值
為2Hz,則TBCCRO中的值為32768/2。在本程序中,單片機(jī)根據(jù)PC機(jī)滑塊的位置變化來控制輸出PWM信號的頻率值。
本文作者創(chuàng)新點(diǎn)
本文進(jìn)行了基于MSP430的超聲儀控制系統(tǒng)研究,主要利用MSP430系列單片機(jī)開發(fā)工具,進(jìn)行了單片機(jī)的程序設(shè)計(jì),完成了一個智能測控系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。通過整個系統(tǒng)的研究,體現(xiàn)了MSP430FLASH系列單片機(jī)的特點(diǎn),適合用在低功耗場合和小型化儀器中。
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66821730(技術(shù)支持)
