电磁流量计转换器的接口设计

 电磁流量计转换器的接口设计
  3．1单片机系统
   3．1．1单片机80C196KC简介
    本项目中，我们采用了基于80C196KC单片机的智能电磁流量计转换器作为系统的转换器。80C196KC单片机是寄存器一寄存器结构，CPU操作直接面向内存中的所有数据寄存器，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lO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151．52,“m】。
   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。
   一、80C196KC单片机适合于仪表开发的特点
   80C196KC单片机是Intell6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．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一51指令系统之处。
   2．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。
   二、80C196KC单片机的结构
   80c196Kc单片机是HSIO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。HSIO系列的主要特点是：可运行20E-Iz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位看门狗定时器；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。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，PTS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：
   1、存储器空间：
   80C196KC存储器的布局图示于图3．2，其中0000H～01FFH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。ooH～lFFH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，OOH～017I-I 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～IFFH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，00H～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。外部存储器或l，m 内部ROl址F_X-qgOb,f亘E一外部存储器一保留．， PTS向量。j 中断向量．， Ro厶量EPRoM密钥。保留一C(’B一保留， 低端中断向量。· P3和P4。， 外部存储器．， 附加RAM一寄存器阵列和外部程序存储器+ O}TT卫lL 6000m 2080I五p 205EHp 2040H_ 2030Hp 2020lip 2019H“ 2018王王o 2014Hd 2000I如1册I√ 200H一．tOOⅡp 图3．2 80C196KC存储器布局
   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为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WSIL7(HODEN)是HOLD／HLDA总线交换协议选通位。W8＆臣Ⅲ!工三工!卫口!工三母7 0。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I=1 0、l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OOH～OFFH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ooH～lFFH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(00H～oFFH)的顶部，如图3．4： 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64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O～15； 窗口号为64字节时，窗口号为O～7；窗口为128字节时，窗口号为O～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、中断系统
   中断系统向量框图如图3．5。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、软件陷图3．5中断向量框图
   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，在某一段时间内，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0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寸1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。=l 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。
   3．1．2 A／D转换电路设计
   在各类用单片机构成的智能仪器仪表中，外部模拟信号要进入单片机就必须要通过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，这对于本项目所设计的电磁流量计来说，其精度和分辨率达不到要求。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35mW，在输入lkHZ的信号时，其最小信噪比可以达到72曲，电压方面，可提供3种方式，标准的±10v，0．5v，和O-4v。A／D基准电压的精度和稳定性是保证A／D转换精度的重要条件，我们这里的5v基准电源由外部电路单独提供。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[31．32．55’5sl。接口电路如图3．6： 图3．6与单片机的并行接口电路
   由上图3．6，D7～D0是接在数据总线(MD0-MD7)上，用来读取转换后的数据。RC脚接单片机的P2．7，BYTE接的是单片机P1-0，BUSY(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。ADS7806u的片选信号通过地址总线由CPLD内译码电路产生。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脚保持低电平对，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sDA=rA(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。
   3．1．3键盘接口设计
   在电磁流量计中，我们采用4个按键来对仪表进行数据及命令的输入，其接口电路如图3．7所示p6-49,60】。图3．7键盘接口电路
   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。电路工作原理：按键的一端常为高，当有按键按下时相应管脚置低，通过与非门产生高有效信号，与非门输出接单片机中断引脚HSl0(HSl0 高有效)，当有中断请求信号时单片机中断调用相应中断予程序，送出三态门的地址信号，使三态门导通通过数据总线读出按键信号，送入单片机中进行处理。
   3．1．4 LCD接口设计
   一、液晶模块介绍
   在电磁流量计中，我们采用128x64的图形点阵液晶显示模块来显示累积流量、瞬时流量等数据信息。液晶显示模块(LCM)，它是将液晶显示器件、驱动及控制电路、以及温度补偿、驱动电源、背光等辅助电路组合在一起的一种相对独立的显示器件和设备。通常液晶显示器件本身引线众多，而且要将这些引线与驱动、控制等电路连接才能用于显示信息，因此生产厂家在制造液晶显示器件的同时，也将与之对应的驱动、控制等电路做成PCB板，然后用压框和导带或导电橡胶将液晶显示器件固定在PCB板上，从而组合形成液晶显示模块。图3．8是我们采用的MSC．G12864DYSY-1W型液晶模块的结构图，由图中可以看出该液晶模块集成了两个KS0108B显示驱动控制器和一个KS0107B显示驱动器，两个KS0108B分别控制左右两个半屏(64x64)像素点的显示，KS0107B作为64行的行驱动控制145,61J。SLK l“f VOLl"RSTJB }c站I csI nB7l嗽I抛，I坤4 1勰；}嫩I DBI l∞ol E wI Es VO l啪I v轱l 图3．8 MSC-G12854DYSY一1w型液晶模块的结构图
   二、接口电路设计
   MSC．G12864DYsYlW液晶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。就接口技术来讲通常要考虑两个问题，其一是接口的逻辑设计，其二就是接口的时序设计。液晶模块与微处理器的连接方式我们采用的是直接控制方式，即将液晶显示模块的接口作为存储器或I／O设备直接挂在系统总线上，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，实际的接口电路如图3．9所示。单片机通过高位地址P4．3(A11)控制CS2， P4．2(A10)控制CSl，以选通液晶显示屏上各区的KS0109B控制器；同时单片机用P4．1(A9)作为RS信号用来控制内部寄存器的选择，用P4．0(AS)作为R／W信号控制数据总线(MD0--MD7)的信号流向；LCD的片选信号CS_LCD(实际上是模块内图3．9 LCD接口电路部KS0108B的片选信号)由地址总线通过译码产生，译码电路在CPLD内实现； 电位器R5用于显示对比度的调节
   3．1．5通信模块设计MAX485 ＆墅垒!—913 1 1§}I 120 图3．10 RS485总线接口
   为了适应仪表网络化的发展方向，在系统设计时我们要根据实际需要为电磁流量计配备合适的通信接口。在当今单片机系统的通信中，RS．232和RS．485标准总线应用广泛，技术也成熟。为了使电磁流量计的应用范围更加广泛， 我们选用RS-485标准总线来实现仪表和外部系统的通信，其接13电路如图3．10 ]ifi：示[62--64]。
   在图3．10所示的通信接口电路中，我们选用MAX485作为系统的通信接口芯片。MAX485是MAⅪM公司推出的支持RS-485协议的低功耗收发器，其数据传输速率可达2．5Mbps。它内部有一个输入接收器和一个输出驱动器，具有输入接收器和输出驱动器使能管脚。当不使能时，输入接收器和输出驱动器处于高阻态。输入接收器和输出驱动器可抗±15KV的静电冲击。驱动器具有短路电流限制，并且可以由温控切换电路将输出置为高阻态，以防止过大的功率损耗对器件造成损害。输入接收器具有故障自动保护功能，以确保在输入开路时驱动器也裂蔫霹援能输出高电平信号。基于以上特点，MAX485芯片非常适用于符合RS-485标准总线的通信。
   3．2励磁电路
   本项目的励磁电路是采用单片机控制的恒流源励磁方式nJI．21驯，其中，基本的恒流源励磁电路如下图3．11：图3．11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80c196ke单片机的Pl一6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Ee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，电流的大小由厶=乓／e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系统抗干扰设计
   由于本系统需在恶劣的现场环境中使用，对抗干扰性和可靠性具有较高的要求，因此在系统开发和设计过程中，将提高系统抗干扰性和可靠性作为一项重要的内容。根据本系统特点和已往系统开发经验，以下主要从硬件优化方面讨论如何提高系统的抗干扰性和可靠性。
   一、PCB的抗干扰设计
   印制电路板的抗干扰设计与具体电路有着密切的关系，这里仅就我们在PCB 设计中采用的的几项措施做一些说明。
  l、电源线设计
  根据印制线路板电流的大小，尽量加租电源线宽度，减少环路电阻。同时、使电源线、地线的走向和数据传递的方向一致，这样有助于增强抗噪声能力。
  2、地线设计
   地线设计的原则是；1)数字地与模拟地分开。若线路板上既有逻辑电路又有线性电路，应使它们尽量分开。低频电路的地应尽量采用单点并联接地，实际布线有困难时可部分串联后再并联接地。高频电路宣采用多点串联接地，地线应短而租，高频元件周围尽量用栅格状大面积地覆铜。2)接地线应尽量加粗。若接地线用很细的线条，则接地电位随电流的变化而变化，使抗嗓性能降低。因此应将接地线加粗，使它能通过三倍于印制板上的允许电流。3)接地线构成闭环路。只由数字电路组成的印制板，其按地电路布成环路大多能提高抗噪声能力。
   3、退藕电容配置
   PCB设计的常规做法之一是在印制板的各个关键部位配置适当的退藕电容。退藕电容的一般配置原则是：1)电源输入端跨接10～100uf的电解电容器。2)原则上每个集成电路芯片都应布置一个0．01pf的瓷片电容，如遇印制板空隙不够，可每和8个芯片布置一个l～lOpf的但电容。3)对于抗噪能力弱、关断时电源变化大的器件，如RAM、ROM存储器件，应在芯片的电源线和地线之间直接接入退藕电容。4)电容引线不能太长，尤其是高频旁路电容不能有引线。
   二、程序运行监视电路设计147】
   程序运行监视通常都由各种类型的程序监视定时器WDT(WatchDog Timer)， 俗称“看门狗”。WDT可保证程序非正常运行，如程序。飞逸”、“死机”时，能及时进入复位状态。图3．12所示是一个外部WDT电路示意。WDT是一个带有清除端CLR及溢出信号0F输出的定时器。定时器由脉冲源岛，、循环计数器组成。易。，提供循环计数器的计数脉冲。图3．12 MCU外部WDT电路示意图WDT工作原理如下。首先设计好定时器的定时时间写，使巧大于程序正常运行循环时间。程序正常运行时，在其路径上、设置若干个循环计数器清零脉冲输出指令，这样，在程序正常运行时，即在正常运行循环时间内，循环计数器不断被清零，不会产生溢出信号，单片机不会复位。如果程序运行失常导致死机时， I／O口无法输出清零信号，定时器到达％时，产生溢出复位信号，强使单片机复位。
   三、总线的抗干扰设计
   总线是单片机和外部各种接口芯片进行数据交换的通道，总线的可靠性，直接关系到系统的可靠性，采取以下措施，可有效提高总线的抗力。
   1、采用三态门式总线驱动器提高总线的抗力
   当单片机的负载超过I／O口的驱动能力时需要驱动器，总线驱动器可以采用T1’L型三态门缓冲器74LS244或74LS245，三态缓冲器能减少分布电容与电感对总线工作的影响，其总线的抗力比OC门大约大lO倍。
   2、总线接受端加施密特电路作缓冲器抗干扰
   当两块印制板之间用长电缆连接，若接受端直接采用门电路，则由于信号经长距离传输后会耦合一些噪声，加上印刷板上的噪声共同作用，危害很大，在接受端PCB加施密特电路来作缓冲器，可以滤出外部噪声，提高总线的抗力。
   3、使用上拉电阻克服总线瞬间不稳定
   用三态输出器件构成的总线，在三态驱动器(D)都是高阻抗时是不稳定的，一是由于易感应外来干扰，同时接受器的输入电流将给总线的寄生电容充电到高电平，所有接在总线上的接受器都不稳定，一点点外来干扰就可能振荡。当两个相位相反的控制信号在时间上存在偏差时，一个由低电平变高电平的瞬间另一个还来不及由高变低，两个均是高阻状态。这一高阻状态瞬间，如果总线的负载是T1L 电路，它将因自身的泄漏电流使总线电压不稳定；若负载全是CMOS或NMOS 电路，则有几百兆欧很容易耦合干扰。当我们对总线采用上拉时，可使总线在此瞬间处于稳定的高电位，从而增强了总线的抗力。数据总线的上拉电阻一般取3．3—10翮Q，在我们的设计中采用9个管脚的4．71【排阻，非常方便的实现总线的上拉。
   3．4本章小结
   本章在前一章提出总体结构方案的基础上，重点对电磁流量计的励磁发生电路、单片机系统及其接口电路进行了设计和分析，并给出各部分的接口电路，最后讨论了系统的硬件抗干扰设计。扩展阅读：开封中仪流量仪表有限公司专业生产电磁流量计、孔板流量计、涡街流量计、文丘里流量计、V锥流量计、V型锥流量计、喷嘴流量计、插入式电磁流量计、智能电磁流量计、分体式电磁流量计、一体式电磁流量计、标准孔板流量计、标准孔板、一体化孔板流量计、标准喷嘴流量计、长径喷嘴流量计、标准喷嘴、长径喷嘴、插入涡街流量计、智能涡街流量计，更多信息请访问开封中仪网站：