一種基于PIC的便攜式測試記錄儀設(shè)計

基于PIC單片機的便攜式測試記錄儀(以下簡稱記錄儀)既有一般數(shù)據(jù)采集裝置的實時采集與保存功能，同時又能夠?qū)Σ杉瘮?shù)據(jù)進行實時處理、顯示和打印。適用于對采集速度要求不高、交流供電比較困難以及無須長期留人值班的場合。 以追求高可靠、低功耗、小體積設(shè)計思想的本記錄儀具有如下功能：對現(xiàn)場物理量進行實時采集、保存、處理與顯示;自動識別現(xiàn)場安裝的傳感器數(shù)量、傳感器號和量程;自動和手動兩種采集方式，自動采集適用于長期無人值班的固定場合，手動采集便于對分布在不同區(qū)域的物理量進行測試;與PC機通訊，可根據(jù)需要將采集數(shù)據(jù)下載至PC數(shù)據(jù)庫;實時打印;自檢功能，避免了系統(tǒng)運行過程中可能遇到本身無法容錯處理的異常事件而導(dǎo)致的死機現(xiàn)象。

1 硬件設(shè)計

1.1 總體設(shè)計原則 根據(jù)高可靠、低功耗、小體積的設(shè)計思想及應(yīng)用對象幾乎對采集速度無要求(此處指系統(tǒng)本身的采集速度已遠遠超過實際應(yīng)用要求)的特性，總體設(shè)計原則是： 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)空閑則立即使其進入低功耗休眠狀態(tài)，當需要時再用外部中斷予以喚醒。

1.2 硬件組成 根據(jù)總體設(shè)計原則，硬件組成如圖1所示。其中：單片機為美國MicroChip公司的中檔產(chǎn)品PIC16C74，+5V供電、4MHz主頻時功耗低于2mA;E2PROM存儲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#為傳感器識別片(以下簡稱識別片)，保存現(xiàn)場實際安裝的傳感器數(shù)量、傳感器號及量程。該芯片被設(shè)計在放大器板上，永久安裝于現(xiàn)場。傳感器號由4位數(shù)字組成，前2位表示組號，后2位表示傳感器組內(nèi)號。1# 為字典片，分為三個存儲區(qū)：第一存儲區(qū)被設(shè)置成高壽命寫入?yún)^(qū)，保存表頭參數(shù)，如疵點單元計數(shù)器、記錄計數(shù)器、記錄指針、自動采集時間等;第二存貯區(qū)為字典區(qū)，保存?zhèn)鞲衅餍拚禂?shù)、實時打印所涉及的漢字國標碼等，查找時以傳感器號為關(guān)鍵字進行指針定位;第三存儲區(qū)被定義為疵點單元地址隊列，保存在寫過程中遇到的疵點單元地址。2#～7# 為數(shù)據(jù)片，保存實時采集的數(shù)據(jù)。RS232口為最簡單的零調(diào)制3線經(jīng)濟型，具有雙重功能，接上TPμP_T微型打印機，則進行實時打印;接上PC機，則與PC進行全雙工通訊。A/D轉(zhuǎn)換器MAX189為串行、12位逐次逼近型，功耗75mW，最大轉(zhuǎn)換時間8.5μs。實時時鐘DS1302具有可編程涓流充電功能，能夠提供秒、分、時、日、月、星期、年至2100年，并且對閏年和小于31天的月份進行自動調(diào)節(jié)。鍵盤由手動、自動、通訊、打印、清零等五個觸摸按鍵組成，通過按鍵產(chǎn)生外部中斷喚醒單片機完成相應(yīng)功能。液晶顯示器(LCD)采用4位半靜態(tài)方式驅(qū)動，用來顯示處理后的結(jié)果以及系統(tǒng)運行過程中檢錯的代碼。32.768kHz晶振用于自動采集時產(chǎn)生定時中斷。 圖1 基于PIC單片機的便攜式測試記錄儀組成

1.3 工作原理 本記錄儀基本工作原理是：一旦系統(tǒng)完成某項工作后，立即進入低功耗休眠狀態(tài)，當需要時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。測試結(jié)果無論正常或錯誤均以代碼形式顯示在LCD上，進入休眠狀態(tài)。

1.3.2 采 集 本記錄儀有自動和手動兩種采集方式。 休眠狀態(tài)下，當按手動鍵時則進入手動采集過程。首先讀識別片和字典片，以確立現(xiàn)場中實際安裝的傳感器數(shù)量、量程及數(shù)據(jù)片可寫空間。若數(shù)據(jù)片未寫滿，則從組內(nèi)0通道傳感器開始，循環(huán)對現(xiàn)場中實際安裝的所有傳感器進行采集、處理、顯示，直至當再按一次手動鍵時，方將傳感器號、量程、最近一次采集值(注意不是實時處理后結(jié)果，而是原始A/D轉(zhuǎn)換碼值)以及采集時刻的日歷信息─年、月、日、時、分、秒等組成的記錄寫入記錄指針指向的數(shù)據(jù)片中，接著對表頭參數(shù)進行修改，進入休眠狀態(tài)。 休眠狀態(tài)下，當按自動鍵時則進入自動采集過程。首先開放定時中斷，然后進入采集─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)片被寫滿或人工干預(yù)結(jié)束自動采集過程為止。上述喚醒由外部中斷完成，其單片機從休眠狀態(tài)到喚醒工作之間的時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間間隔相同。與其相反，變距則每次采集的時間間隔隨采集次數(shù)的增多而變長或縮短，視實際應(yīng)用需要而確定。本記錄儀出廠設(shè)置為等距1小時，即每間隔1小時采集1次。

1.3.3 通訊和打印 休眠狀態(tài)下，當按通訊鍵時，進入和PC通訊過程。首先由PC端Win98下的專門處理軟件完成串口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)的自動配置，然后可根據(jù)工具條上的圖文進行等距、變距、選擇、數(shù)據(jù)下載、事后處理等操作。 休眠狀態(tài)下，當按打印鍵后，則在TPμP_T微型打印機上打印出所有保存的記錄。

1.3.4 清 零 休眠狀態(tài)下，當按清零鍵時，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 本記錄儀軟件由實時處理程序和組成記錄儀諸功能部件的驅(qū)動程序組成。 2.1 實時處理程序 實時處理程序調(diào)用相關(guān)驅(qū)動程序完成模擬量采集、數(shù)字濾波、插值運算、實時顯示、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為：傳感器號，量程，采集值，年，月，日，時，分，秒。

2.2 驅(qū)動程序設(shè)計 驅(qū)動程序設(shè)計的基本思想是：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)生微操作時序，并對操作過程中遇到的異常事件進行容錯處理。

2.2.1 讀/寫E2PROM 驅(qū)動程序 I2C總線由時鐘線(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/寫啟動信號(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，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/寫結(jié)束信號(SCL保持高電平，SDA從低變高產(chǎn)生上升沿)。如果為寫操作，每寫完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，表示該字節(jié)數(shù)據(jù)已被可靠寫入。以上微操作通過匯編語言編程實現(xiàn)。 本記錄儀以記錄方式讀/寫數(shù)據(jù)片。因此，對寫來說，首先讀字典片，以便用其中的表頭參數(shù)判斷當前數(shù)據(jù)片是否已寫滿。若已寫滿，則在LCD上顯示無寫空間標記代碼，然后返回休眠狀態(tài);否則，將記錄寫入記錄指針所指向的數(shù)據(jù)片中，同時對表頭參數(shù)進行修改。在寫過程中，重要的是處理疵點單元。盡管24LC65在寫過程中出現(xiàn)的疵點概率極少，但若不正確處理，則會導(dǎo)致目標數(shù)據(jù)丟失甚至出現(xiàn)系統(tǒng)死機現(xiàn)象。作者曾采用數(shù)據(jù)輪詢技術(shù)進行容錯處理，收到了良好的效果。其基本思想是：每當在數(shù)據(jù)線上寫完1字節(jié)數(shù)據(jù)后，便反復(fù)查詢24LC65回送的應(yīng)答信號，但最多不超過50次(此數(shù)足夠24LC65寫入時間);

若超過查詢次數(shù)仍無應(yīng)答信號，便認為該單元為疵點單元，將其地址記入疵點單元地址隊列，并使疵點單元計數(shù)器加1，然后在下一比鄰單元繼續(xù)寫入原數(shù)據(jù)。如果連續(xù)兩單元為疵點單元，則認為整個芯片有問題，此時，在LCD上顯示該單元所在的芯片號(芯片號參見圖1)，然后，返回休眠狀態(tài)。 對讀來說，首先判斷數(shù)據(jù)片是否為空。若為空，則在LCD上顯示無記錄標記代碼，然后返回休眠狀態(tài)。否則，繼續(xù)判斷數(shù)據(jù)片是否有疵點，如果無疵點，則從數(shù)據(jù)片首址開始按序讀出所有記錄;否則，在按序讀記錄過程中，根據(jù)疵點單元地址隊列內(nèi)容，跳過所有疵點單元，以保證讀出的記錄連續(xù)、真實、可靠。

2.2.2 采集驅(qū)動程序設(shè)計 A/D轉(zhuǎn)換器MAX189所帶串口與單片機PIC16C74的SPI口完全兼容。因此，在A/D轉(zhuǎn)換完成后，只要啟動單片機SPI口產(chǎn)生13個同步時鐘脈沖便可連續(xù)兩次從SPI數(shù)據(jù)緩沖器上獲得12位轉(zhuǎn)換結(jié)果。由于本記錄儀采集的參數(shù)個數(shù)依現(xiàn)場安裝的傳感器數(shù)不同而不同，因此，驅(qū)動程序必須能予以自動識別。圖2為采集驅(qū)動程序流程，其基本設(shè)計思想是：首先讀識別片，以確定實際安裝的傳感器數(shù)量，然后從0通道傳感器開始進行采集，直到實際安裝的最后一個傳感器采集完畢為止。圖2中：CHAN：通道寄存器;COUNT：傳感器數(shù)量寄存器。

3 測試設(shè)計 測試設(shè)計是通過測試程序完成對記錄儀本身各功能硬件的性能測試。測試程序獨立于實際應(yīng)用程序，在單獨的單片機中，使用時只要拔掉記錄儀模板上的單片機而用其代之即可。測試程序設(shè)計的基本思想是：首先根據(jù)不同測試對象(即部件)產(chǎn)生不同的測試數(shù)據(jù)和測試期望數(shù)據(jù)，然后以測試數(shù)據(jù)為入口參數(shù)，調(diào)度相關(guān)驅(qū)動程序產(chǎn)生目標數(shù)據(jù)，最后用測試期望數(shù)據(jù)與目標數(shù)據(jù)進行比較，以此判斷所測硬件性能之良劣。

3.1 E2PROM測試設(shè)計 E2PROM測試需要與PC機通訊。其基本原理是：首先產(chǎn)生8種測試數(shù)據(jù)：0x00、0xff、0x55、0xaa、0x0f、0xf0、0x5a、0xa5(0x表示16進制數(shù))，然后分別以此8種測試數(shù)據(jù)為入口參數(shù)，交替調(diào)度寫、讀E2PROM驅(qū)動程序3次(即先寫后讀3次)。每讀一次，與測試期望數(shù)據(jù)(此處測試數(shù)據(jù)與測試期望數(shù)據(jù)相同)進行比較，若不相等，則對相應(yīng)片錯誤計數(shù)器加1。測試結(jié)果實時地顯示在記錄儀LCD和PC機上。LCD只顯示總錯誤個數(shù)，PC機則依次顯示、保存總錯誤個數(shù)及錯誤單元地址。

3.2 A/D測試設(shè)計 A/D測試也需要與PC機通訊。由于本記錄儀最多可采集8路傳感器參數(shù)，因此，測試程序?qū)︽I盤重新定義如下：當手動、自動、通訊、打印、清零鍵有鍵按下時，對應(yīng)測試0～4通道傳感器;當手動、自動、通訊鍵其中之一與清零鍵同時按下時，則對應(yīng)測試5～7通道傳感器。測試只對放大器滿量程的10%、50%、90%等3點進行采集。其原理是：首先，測試程序掃描鍵盤，當掃描到有鍵按下時，則調(diào)度采集驅(qū)動程序?qū)υ撴I盤定義的通道傳感器進行連續(xù)采集，采集結(jié)果不作任何處理，實時地顯示在記錄儀LCD和PC機上。LCD只顯示當前的A/D轉(zhuǎn)換碼值，PC機則顯示并保存當前A/D轉(zhuǎn)換碼值、各點最大、最小轉(zhuǎn)換碼值及兩者絕對差值。技術(shù)人員可以此判斷前向通道(傳感器、放大器、A/D)工作性能的好壞。筆者曾連續(xù)測試0通道傳感器6個半小時，發(fā)現(xiàn)最大碼差為9，表明前向通道工作相當穩(wěn)定。

3.3 實時時鐘測試設(shè)計 實時時鐘DS1302測試需要借助PC機完成。其測試原理是：首先PC機上的測試程序讀PC系統(tǒng)日歷信息─年、月、日、時、分、秒、星期，并進行發(fā)送。記錄儀在接收后，立即調(diào)度寫DS1302驅(qū)動程序?qū)⒔邮盏腜C系統(tǒng)日歷信息寫入DS1302相關(guān)功能寄存器中，并使DS1302以此為時基進行計時。此后，進入記錄儀發(fā)送、PC接收的無限循環(huán)狀態(tài)，即：每隔10ms，記錄儀調(diào)度一次讀DS1302驅(qū)動程序，并將獲得的最近日歷信息予以迅速發(fā)送;而處于接收狀態(tài)的PC接收后，立即與PC系統(tǒng)當前日歷信息進行比較，如此循環(huán)，直到人工干預(yù)結(jié)束測試為止。在上述測試過程中，記錄儀LCD只實時地顯示日歷信息的分、秒兩位，PC機則實時地顯示記錄儀和PC機兩端完整的日期、時間及兩者比較差。另外，通過觀察記錄儀LCD上顯示的分、秒位變化，也可初步判定DS1302的性能。筆者曾連續(xù)運行該測試程序24小時，偏差極小，足以滿足本系統(tǒng)的需要。

4 實際應(yīng)用 本記錄儀已投入實際應(yīng)用一年多，其可靠性、穩(wěn)定性、操作性和精度均受用戶歡迎。不足之處是：目前功耗還比較大，作者在+12V供電時測得電流為45.5mA尚需進一步改進。