基于MSP430和MAX1452的溫度補(bǔ)償系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在工業(yè)控制中，各種電子器件由于溫度變化，經(jīng)常會(huì)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(gè)重要方面。本文采用MSP430單片機(jī)和MAX1452智能芯片，設(shè)計(jì)一個(gè)溫度補(bǔ)償電路系統(tǒng)，達(dá)到消除溫度漂移的目的。

1 溫度補(bǔ)償系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
1.1 使用的主要器件

MSP430FE425低功耗單片機(jī)、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(bǔ)償系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想

針對(duì)電子器件由于溫度變化引起的溫度漂移誤差，通過(guò)MSP430低功耗單片機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)，補(bǔ)償溫度漂移誤差，達(dá)到預(yù)期狀態(tài)下的溫度。

MAX1452芯片內(nèi)部有一個(gè)片內(nèi)溫度傳感器，這個(gè)傳感器測(cè)量MAX1452芯片在運(yùn)行環(huán)境下的溫度，MSP430低功耗單片機(jī)接受MAX1452 芯片上的溫度數(shù)據(jù)，根據(jù)已經(jīng)存儲(chǔ)在EEPROM內(nèi)的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行查找比較，找到相應(yīng)溫度下的溫度補(bǔ)償值，進(jìn)行粗調(diào)和細(xì)調(diào)，確定用于補(bǔ)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(diào)節(jié)的 MAX1452的編號(hào)，74LVC4245芯片是選擇對(duì)應(yīng)MAX1452芯片的輸入/輸出方向。

1.4 溫度補(bǔ)償系統(tǒng)的原理圖

圖1 溫度補(bǔ)償系統(tǒng)原理框圖

圖2 溫度補(bǔ)償系統(tǒng)電路圖

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要分為5個(gè)模塊：初始化模塊、顯示模塊、中斷模塊、調(diào)節(jié)模塊和通信模塊。

初始化模塊主要包含兩個(gè)子功能模塊：補(bǔ)償模塊和恢復(fù)模塊。

補(bǔ)償模塊：在上電時(shí)，從主計(jì)算機(jī)下載在不同溫度下的溫度漂移誤差補(bǔ)償?shù)臄?shù)據(jù)。

恢復(fù)模塊：在復(fù)位時(shí)，恢復(fù)MSP430斷電時(shí)的數(shù)據(jù)。

2.2 顯示模塊

本模塊主要包含6個(gè)子功能模塊：初始化數(shù)據(jù)模塊、拆分?jǐn)?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(duì)顯示模塊中使用的中間變量進(jìn)行初始化（即全部清零），防止上電或者數(shù)據(jù)改變后，存儲(chǔ)異常的數(shù)據(jù)，從而在顯示時(shí)出現(xiàn)異常。

拆分?jǐn)?shù)據(jù)模塊：液晶顯示器LCD的顯示是逐字符顯示的，所以對(duì)于多位數(shù)據(jù)的顯示，在顯示之前必須對(duì)多位數(shù)據(jù)進(jìn)行拆分，把一個(gè)多位數(shù)據(jù)拆成幾個(gè)個(gè)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(jìn)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(jìn)行溫度漂移誤差補(bǔ)償。本模塊即完成對(duì)多個(gè)個(gè)位數(shù)據(jù)組合成一個(gè)多位數(shù)的功能。

顯示初始化模塊：為了防止在顯示時(shí)，液晶顯示器LCD顯示異常數(shù)字或者代碼，需要對(duì)液晶顯示器LCD進(jìn)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(hào)（0～8），第5位字符顯示選擇補(bǔ)償溫度偏移誤差的位置（零點(diǎn)或滿(mǎn)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(hào)（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(gè)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(shè)置模塊。由于在MSP430單片機(jī)中，中斷是嵌套調(diào)用的，所以在各個(gè)子模塊之間沒(méi)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(diào)用關(guān)系。

2.3.1 狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

圖3 中斷狀態(tài)轉(zhuǎn)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(fù)位時(shí)，清除此前的所有中斷向量和中斷標(biāo)志位，防止程序在運(yùn)行過(guò)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(duì)中斷進(jìn)行判斷，并且做出相應(yīng)的響應(yīng)。在“顯示狀態(tài)”下，允許“功能”中斷；在“功能調(diào)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(diào)整狀態(tài)”下，允許的中斷與“功能調(diào)整狀態(tài)”相同。對(duì)于“復(fù)位”中斷，在三個(gè)工作狀態(tài)下都允許。

2.3.4 中斷狀態(tài)設(shè)置模塊

本模塊的主要功能是在“顯示狀態(tài)”、“功能調(diào)整狀態(tài)”和“溫度調(diào)整狀態(tài)”之間改變時(shí)，對(duì)溫度補(bǔ)償系統(tǒng)所正在運(yùn)行的狀態(tài)做出相應(yīng)的標(biāo)識(shí)，以便在程序運(yùn)行過(guò)程中，檢測(cè)到相應(yīng)的狀態(tài)，做出相應(yīng)的判斷和響應(yīng)。

本模塊主要包含4個(gè)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(shí)現(xiàn)對(duì)液晶顯示器LCD顯示數(shù)字的移位控制，通過(guò)按鍵實(shí)現(xiàn)在液晶顯示器LCD顯示數(shù)字進(jìn)行循環(huán)移動(dòng)。

循環(huán)加1模塊：實(shí)現(xiàn)液晶顯示器LCD顯示數(shù)字的加法操作，通過(guò)按鍵在不同的數(shù)字區(qū)間內(nèi)進(jìn)行循環(huán)加1。

確定模塊：主要進(jìn)行大量的控制和數(shù)據(jù)操作，還要調(diào)用中斷模塊和通信模塊的功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的傳輸和處理，同時(shí)改變溫度補(bǔ)償系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。

取消模塊：主要放棄對(duì)已經(jīng)在液晶顯示器LCD上改變的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，返回改變前的狀態(tài)，同時(shí)改變溫度補(bǔ)償系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。

2.5 通信模塊

在溫度補(bǔ)償系統(tǒng)中，本模塊實(shí)現(xiàn)了MSP430和MAX1452之間的通信。通過(guò)調(diào)用本模塊，MSP430實(shí)現(xiàn)對(duì)MAX1452的控制和數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度漂移誤差的補(bǔ)償。

本模塊主要有7個(gè)子功能模塊：初始化模塊、重初始化模塊、讀模塊、寫(xiě)模塊、數(shù)據(jù)計(jì)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(fù)位時(shí)對(duì)MAX1452進(jìn)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(jìn)行通信之前（非上電或者復(fù)位情況下），對(duì)MAX1452進(jìn)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(xiě)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(shí)，需要有特定的數(shù)據(jù)格式，本模塊實(shí)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(zhuǎn)化為便于計(jì)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(xiě)模塊：根據(jù)MAX1452的通信協(xié)議，在從MAX1452寫(xiě)入數(shù)據(jù)時(shí)，需要有特定的數(shù)據(jù)格式，本模塊實(shí)現(xiàn)將計(jì)算或顯示數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為MAX1452的特定的數(shù)據(jù)傳輸格式，并寫(xiě)入到MAX1452的功能。流程圖如圖5所示。

數(shù)據(jù)計(jì)算模塊：本模塊的主要功能是對(duì)從MAX1452讀入的數(shù)據(jù)與MAX1452中EEPROM的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得出需要達(dá)到理想狀態(tài)下的所要補(bǔ)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(bǔ)償過(guò)程中，需要根據(jù)公式，查找不同溫度狀況下零點(diǎn)和滿(mǎn)偏的溫度補(bǔ)償值的地址，然后讀出相應(yīng)的數(shù)據(jù)。本功能模塊主要實(shí)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(duì)其控制指令進(jìn)行封裝，使其完成固定的功能，便于進(jìn)行調(diào)用。

本文創(chuàng)新點(diǎn)：利用MSP430低功耗單片機(jī)和MAX1452芯片，設(shè)計(jì)溫度補(bǔ)償系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以及此系統(tǒng)中的中斷轉(zhuǎn)換狀態(tài)。

此系統(tǒng)在調(diào)試過(guò)程中得到以下補(bǔ)償數(shù)據(jù)，如表1所示。

在此系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，盡管在一定程度上實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度漂移誤差的的補(bǔ)償，但是，補(bǔ)償?shù)倪^(guò)程是以手動(dòng)調(diào)節(jié)完成的，在實(shí)時(shí)性方面存在一定的不足，有待進(jìn)一步研究。

表1 溫度補(bǔ)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(jī)實(shí)踐與系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M]，清華大學(xué)出版社，2005年4月。

【2】魏小龍編，MSP430系列單片機(jī)接口技術(shù)及系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例[M]，北京航空航天大學(xué)出版社，2002年。

【3】胡大可編，MSP430系列單片機(jī)C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)[M]，北京航空航天大學(xué)出版社，2003年1月。

【4】王成江，王安敏，張玉華，基于MAX1452 的超細(xì)顆粒機(jī)械加工中振動(dòng)的測(cè)試，電子產(chǎn)品世界[J/OL]，2002年Z2期。

【5】劉玉宏，MSP430單片機(jī)C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混合編程，微計(jì)算機(jī)信息[J/OL]，2003年第19卷第10期56頁(yè)。

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