开封市中仪流量仪表有限公司
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阅读：146发布时间：2021-12-25
电磁流量计信号处理模块
3．1单片计80C196KC简介
近年来，单片机系统在工业自动化、生产过程控制，智能化仪器仪表等领域的应用，有效地提高了生产效率，改善了工作条件，大大提高了控制质量与经济效益。80C196KC单片机是一种嵌入式单片机，由于它的高性能的寄存器一寄存器结构，CPU操作直接面向内存所有数据寄存器，消除了某些单片机只用累加器作运算的瓶颈效应，因而运算速度和数据吞吐能力大大提高。总线宽度可以控制为8 位或16位．它属于MCS96系列单片机的HSIO系列，它的性能比Intel公司生产的80C196系列单片机的第二代产品性能要提高25％，它的A／D转换器有8位和10 和两种工作方式，不仅如此，它通过微代码处理中断事件，这样可以大大减少CPU 响应中断服务的开销。正因为80C196KC单片机的良好性能，使得它在汽车电子控制系统及智能化仪表仪器中有了广泛的应用[su2,s4,5"1j。
3．1．1 80C196KC单片机适合于仪表开发的特点
80C196KC单片机是Intel 16位单片机，采用了寄存器结构。CPU的操作是在由寄存器阵列和SFR特殊功能寄存器所构成的256字节寄存器空间进行的。这些寄存器都具有累加器的功能，可使CPU对运算前后的数据进行快速交换，同时又提供了高速的数据处理能力和输入输出能力。80C196KC单片机还具有以下特点，使之非常适于仪表的开发：
1．A／D转换有两种方式，即10位方式和8位方式，我们采用了lO位方式以提高分辨率。当采用10位方式时，输出结果为： ％rⅣ．1023×—Vav-A—NGND (3—1) .‰F—ANGND pk为输入电压，％EF为参考电压，ANGND为地线的电压；
2．高效的指令系统。该指令系统可以对不带符号数进行操作，有16位乘16 位和32位除16位的乘除指令，有符号扩展指令，还有数据规格化指令(有利于浮点运算)等等，这些都是它优于MCS-51指令系统之处。
3．具有六种寻址方式，提高了编程和数据处理的灵活性；最多可扩展40个I／0口，同时片内的A／D转换器可实现8路模拟量输入，这有利于仪表的升级换代， 有利于在今后采用更多的传感器来实现数据输入。
3．1．2 80C196KC单片机的结构
80C196KC单片机是HSl0系列主流产品，由带有高速输入／输出口的系统构成， 是第二种CHMOS 196系列单片机。HSl0系列的主要特点是：可运行20MHz的工作主频；可达1000B寄存器RAM；可动态配置8位或16位总线宽带；16位看门构定时器；快速寄存器一寄存器结构；总线HOLD／HOLDA协议；16位定时器和16位计数器；8通道8位或10位A／D变换；外设事件服务器(PTS)：电源的闲置和掉电模式吣城】。图3-1 80C196KC单片机的硬件总体框图由上图3-1该单片机的硬件总体框图，可以知道，80C196KC的内部EPROM／ROM 为16KB，内部RAM为512字节，也有24字节的专用寄存器。其中PTS称为外部设备事件服务器，能够提供类似于DMA的响应，大大减少了CPU的软件开销， 从而提高单片机的信息处理速度，Frs有5种运行方式，PTS矢量与15个中断矢量相映像。下面就结合此硬件框图，对本项目所要涉及到的主要单片机部分做一个介绍：
3．1．2．1存储器空间
80C196KC存储器的布局图示于图3．2，其中0000H～01FFI-I单元和1FFFH～ 2080H单元是有专门用途的，所有其他单元可用于放置程序、数据或由存储器映射的外部设备占用。
外部存储器或FOo 内宣母Rc嘿函卿RoM或p 外部存储器一保留一PTs向量一中断向量一ROIvl／EPROM密钥p 保留一CCB， 保留一低端中断向量一P3和P4。外部存储器一附力口RA^垂一寄存器阵列和外部程序存储器一OFFFF珏6000H√ 2080lj“ 205E田■ 204忸p 2030l|k 2020珏， 2019H√ 2018】jp 20141玉一2000m 1F，拿阻200l五一10DII．一图3．2 80C196KC存储器布局00H～1FFH单元包含寄存器阵列、专用寄存器和256字节的附加RAM，若企图从这些单元执行指令，那么指令将从外部存储器取得。这其中，00H～017H是专用寄存器区，018H～0FFH是寄存器阵列，可由RALU直接访问，宛如有232 个累加器。100H～1FFH是附加的256字节RAM。这些RAM靠“垂直寄存器窗” 结构，也可以作为寄存器由RALU直接访问，因而给程序设计带来了很大的方便。另外，ooH～17H单元作为专用寄存器，除了P3和P4外，80C196KC的所有其他片内外设装置都由这些专用寄存器控制。80c196KC提供了3个水平寄存器窗，以增加专用寄存器空间，使得MCS--96系列芯片能保持向上兼容。具体包括水平窗0，水平窗1和水平窗15。
3．1．2．2寄存器窗口
MCS--96系统结构中的之一是取消了常规的累加器结构，使RALU 的操作可直接面向整个寄存器空间。由于采用的是8位寻址段，RALU在同一时刻可直接寻址的寄存器位256字节。采用寄存器窗口技术，靠简单的切换寄存器窗口，使RALU可以访问更多的寄存器。80C19KC采用了水平窗口和垂直窗口两种结构，窗口之间的转换，由窗口选择寄存器WSR的低7位控制，WSR的定义见图3．3，其中位WSR．7(HODEN)是HOLD／HLDA总线交换协议选通位。WSR： 图3-3窗口选择寄存器WSR
a、水平窗口结构，可以使直接寻址的专用寄存器的字节数大大增加，3个水平窗口为：窗口0、1和15。切换水平窗口后，可以把水平窗口的24字节映射到寄存器阵列的低24字节，专用寄存器WSR的低4位用于选择水平窗口，切换的办法很简单，只要把的水平窗口号写到WSR的低4位，并使WSR的位4至位6为0就可以了；
b、垂直窗口结构，因为片内RAM512字节，其中低256字节可直接寻址，若不采用专门的措施，高256字节只能利用16位变址或间接寻址。这样，高256字节就只能作为普通的片内RAM使用，而不能作寄存器使用了。采用了垂直窗口结构，就可以把512字节RAM中的任何一个部分映射到00H～0FFFI空间中的顶部， 因而CPu就可以对它们直接寻址，即把被映射的部分当作寄存器使用，使得通用寄存器数增加了256个字节。垂直窗口技术把00H～IFFH共512个字节分为32 字节、64字节或128字节的窗口，利用垂直窗口切换指令，把的窗口映射到寄存器阵列(c10时～0FFrI)的顶部，如图34： 图3-4 80C196KC的垂直窗口向WSR寄存器写入适当的数据，就可以实现垂直窗的切换，写入的数据是这样规定的，W6、W5、W4窗口的大小，其中； W6W5W4=100 为32字节窗口=010 为“字节窗口=001 为128字节窗口W3～W0了窗口号，如图3．3，窗口大小为32字节时，窗口号为0～15： 窗口号为64字节时，窗口号为0～7；窗口为128字节时，窗口号为0～3。垂直窗口技术可以大大加速程序运行速度和精简程序结构。在中断服务程序或子程序中，其优点尤其显得突出。增添了新的256字节寄存器，使得每个服务程序都可能拥有自己的寄存器组，而在服务程序的入口和出口处，可以用简单的垂直窗口切换指令代替常用的入栈、出栈指令。程序设计时，可以把488字节的片内RAM划分为2类：一类是局部变量，属各中断服务程序或子程序专用，用垂直窗口技术进行切换；另一类是全局变量，用于各子程序和主程序之间传递结果数据，通常占用寄存器阵列的较低地址，不用窗口技术。
3．1．2．3中断系统
中断系统向量框图如图3-5， 图3-5中断向量框图下面就中断系统框图的图示作一解释，关于中断源的概念是：外部设备或者是单片内部的有关部分，为了实现某种需求而向CPU提出中断申请，要求为其服务，这些中断请求的发源地就称为中断源。80C196KC单片机总共提供了28个各中断源，18个中断向量。其中非屏蔽中断NMI、软件陷阱TRAP和非法操作码中断是3种特殊的中断源，各占用了一个专门的中断向量；其余25个中断源分享另外15 个中断向量。一台功能很强的设备，总是希望它能为众多的用户服务，而且首先要为重要用户服务，对于这么多的中断源，有可能同时向cPU提出中断申请，但是，在某～段时间内，单片机只能为其中之一尽力。因此，科学管理和正确对待这些中断源是一项十分重要的工作，在诸多中断源同时提供请求时，CPU将首先为级别者服务。不论哪一个中断申请者，当其要求得到响应时，CPU总是去执行某一段中断服务程序，但事先必须找到该程序的入口地址，存放入口地址的单元又需要标明其地址，这便是中断向量的概念，所有的中断源都又自己固定的中断向量，不可任意挪用或更改。，就我们现在做的项目而言，主要用到了三个中断源， 分别是定时器中断，中断源代码INT00，中断向量是2000H，优先权级别是O；高速输入通道位O数据有效中断，即HIS．0引脚中断，中断源代码INT04，中断向量是2008H，优先权级别是4；外部中断，中断源代码INT07，中断向量200EH，优先权级别为7。当任何一个或多个中断源同时产生由0一l的跳变信号时，跳变信号检测器就会把它们的要求一向“中断悬挂寄存器”报告，中断悬挂寄存器实际上是“登记册”，80C19KC单片机有两个8位的中断悬挂寄存器，只要是跳变信号检测器介绍进来的来访者，它都予以登记。所谓的登记，也就是寄存器的有关位写上“1”，所有的中断悬挂寄存器上置1的中断，单片机都有权区别对待它们， 处理这项工作的就是两个8位中断屏蔽寄存器，中断屏蔽寄存器中的每一位分别与一个固定的中断源相对应。某位为1，表示欢迎；反之，就是等待。那些通过了中断屏蔽寄存器的中断申请，最后还受程序状态字寄存器PSW的第9位控制，就是图3-5中的总允许位，当PSW的D。=1时，表示中断允许，否则，中断不能被执行。如果中断源信号最后允许通过，下面就是优先权编码的问题了，优先权编码器根据中断源信号的级别进行评选，找出别者，CPU首先为其服务。把中断源相对应的中断向量送上内部数据总线上，CPU从中断向量的存储单元里得到中断服务程序入口地址，从而执行中断服务程序，实现中断调转。
3．2电磁流量计励磁模块
本项目的励磁电路是采用单片机控制的恒流源励磁方式阻-明m】，其中，基本的恒流源励磁电路如下图3-6； 图3-6基本恒流源励磁电路这里，由K1、K2、K3和K4组成桥式开关，传感器励磁线圈接在桥式开关的对角线上。开关K1、K4和K2、K3分别受励磁控制脉冲negative和positive的控制，(其中，negative接80e196kc单片机的P1—6引脚，positive接P1—4引脚) 交替地导通和截止。当开关K1和K4导通时(这时开关K3和K2截止)，电流由电源Ec自右向左流过励磁线圈L、晶体管T和采样电阻R；开关K3和K2导通时(这时开关K1和K4截止)，电流由电源Ec自左向右流过励磁线圈上，晶体管T 和采样电阻R。流过励磁线圈的电流方向，随控制开关negative和positive的变化而变化，电流的方向改变和控制脉冲一致，电流的大小由‘-B／R决定。由于本项目的励磁方式是通过单片机来控制的，所以具有很好的可调性，根据对不同的流体的测量，可以设定不同的励磁方式，以供用户灵活的选择。默认的，我们选择了三值低频励磁波作为系统的励磁方式。
3．3智能型电磁流量计 A／D转换模块
在计算机控制系统及各类用单片机(或微处理器)构成的智能仪器仪表中， 所要用的外部模拟信号要进入计算机就必须要通过A／D转换，变换为数字信号。而在本系统中，虽然所用的单片机80c196kc具有内置的A／D转换器，但其内置的转换器，只能将模拟电压转换成一个8位或10位的数字量，这对于电磁流量计来说，其精度和分辨率是达不到要求的，所以在这里，我们采用一种新型的12位低功耗模／数采样转换器ADS7806u，ADS7806u是美国BURR．BROWN公司所推出12位转换器，它采用state-of-the．art CMOS结构，可以在25us内就完成数据的读取和转换，而它的功耗也就35roW，在输入IkHZ的信号时，其最小信噪比可以达到72db，电压方面，可提供3种方式，标准的±10v，0-5v，和0-4v。在数字输出方面，有并行及串行两种方式，具有很大的灵活性。在这里，我们采用的是并行输出的方式[3“z,55“J。接口电路如下： 图3—7与单片机的并行接口电路由上图3-7，D7’D0是接在数据总线上，Rc脚接单片机的P2-7，BYTE接的是单片机PI-0，叫SY(2 4脚)接的是外部中断INTR(P2—2)，因为BUSY脚是表示转换的结束，所以这里我们用中断来更方便的读取数据，一旦BUSY脚变为高电平， 就产生中断，在中断服务程序里面，完成对转换数据的读取。该转换器具体的过程为：首先，Cs和RC脚变低至少40ns，启动转换器转换模拟信号，BUSY脚电平拉低表示开始转换，直到转换器内部输出寄存器数据得到更新，即转换完成，在BUSY脚保持低电平时，所有的转换指令将不被响应，另外，在BUSY脚变高前，CS 和Rc脚必须已经为高，否则新一轮的转换会在转换数据还没有足够的时间被读取的情况下，就开始又一次的转换了。在这里，因为我们说的是并行输出，所以ExT／INT(8脚)和DATACLK(18脚)就保持低电平，而SD^TA(19脚)就悬空。在转换完成以后，BUSY脚电平自动拉高，这样，在C S脚的下降沿即把转换结果输出到数据总线上，因为我们转换的结果是1 2位的，所以要分两次读取，而这个功能是由BYTE(21)脚来实现，当BYTE(21)脚是低电平时，数据总线上输出高8位，反之，输出低4位。
3．4电磁流量计按键模块
在键盘接口电路方面【4“幢“，我们采用了如下图3-8所式的电路结构形式： VCC 图3—8键盘接n电路我们用4个按键来对仪表进行数据及命令的输入，电路中的四个键，分别为加一键、移位键、设定键、确定键，具体来说就是，对于参数的设定，在正常计量状态或报警状态下按“确定键”进入，通过不断的按“设定键”来设定各级之间的切换。当要设定具体的某一级参数时，通过“移位键”在当前屏幕显示位之间切换，通过“加一键”使当前位上的数值加一。完成设定以后，应按“确定键” 退出，回到正常的计量状态。在本项目中，我们对键值的读取是通过中断来控制的，当某一个按键按下时，或门产生一个信号，作用于单片机，产生一个外部中断，在外部中断服务程序里，通过一定的延迟，去除键盘的前沿抖动，然后对键盘进行读取，用这种方法读取键值，基本可以做到正确的判断与键值的读取。并且接口电路简单，占用CPU的时间也少，而对于程序的设计，也是很方便的。
3．5 智能电磁流量计LCD液晶显示模块
LCD具有耗电低，驱动电压低(正负几伏)，结构空间小而有效面积大、体薄物轻等优点，广泛用于仪器仪表的应用中。在我们这个流量计的设计中，采用了TRULY SEMICONDUCTORS LTD的MSD-G12864点阵图形示液晶显示器来显示累积流量、瞬时流量等数据信息，MGl2864液晶显示模块自带两个KS0108B和一个显示驱动控制器，两个KS0108B分别控制左右两个半屏(64X64)象素点的显示，KS0107B 作为用64行的行驱动控制似川．其内部结构如下图3-9所示： 啪●一BLvOC BU跚图3-9 MGl2864液晶显示模块结构框图其中VSS表示逻辑地连接端，提供工作电源参考地；VCC表示供电电源连接端，提供LCD工作的电源；LCDVIN表示LCD工作电源输入端，提供LCD工作的电源：RS表示内部功能寄存器选择信号，提供内部功能选择的输入端，当RS =H时，为选择数据寄存器，当RS=L时，为选择命令或状态寄存器；R／W表示读／写操作控制端，提供读／写操作的输入信号，R／W=H为读操作，R／W=L为写操作；E表示片选使能，提供选通工作的输入信号，高低平有效；DB0～DB7为内部数据总线，提供数据输入，输出的信息交换通道；CSl表示片选输入端，提供KS0108B(1)片选信号；CS2亦表示片选输入端，提供KS0108B(2)片选信号； RSTB表示复位控制输入端，低电平有效：VOUT表示驱动电压输出端，提供uD 驱动电压输出；BLVCC表示背光电源输入端，提供背光电路的电源；BLGND表示背光地，提供背光电路的参考地。MGl2864液晶模块简单的工作原理可以表述为：MGl2864液晶模块经数据总线接收外部微处理器发来的指令和数据，并存入内部的指令或数据寄存器中，在这些控制指令的控制下，行、列驱动器对128×64点阵的LCD显示屏进行控制， 从而实现所需信息的显示． MGl2864液晶显示模块的对外接口实质上就是KS0108B及KS0107B控制器与微处理器的接口。利用MGl2864液晶显示模块文本或图形，就其接口技术来讲， 通常需要考虑两个问题，其一就是接口的逻辑设计，其二就是接口的时序设计。接口的逻辑设计就是根据MGl2864液晶显示模块提供的接口信号，结合微处理器系统读写外部I／O设备的操作方式，设计出微处理器系统控制液晶显示模块的硬件接口电路；接口的时序设计就是根据已设计好的硬件接口电路，根据微处理器系统操作外部I／O设备的读写时序，设计出可以满足液晶显示模块读写时序要求的实现时序，若硬件接口电路不能满足时序要求，则需对硬件电路进行适当修改或增加可编程接口电路。通常，MGl2864液晶显示模块与微处理器的连接方式有两种，一种是直接控制方式，另一种是间接控制方式。直接控制方式就是将液晶显示模块的接口作为存储器或I／O设备直接挂在微处理器总线上，微处理器以控制存储器或I／O设备的方式操作液晶显示模块的工作。间接控制方式就是微处理器通过自身的或系统中的并行接口与液晶显示模块连接，以达到对液晶显示模块的控制。对于本项目的研究，我们采用的是直接控制方式，具体的电路连接方式为：P31(A9)作为RS 信号控制寄存器的选择，P30(AS)作为R／W信号控制数据总线的数据流向，DB0～ DB7接P4，P33(A11)接CSl，P32(A10)接CS2。
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