熱工計量便攜計算工具有設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：介紹用于工業(yè)熱工計量分度表計算及其它運算的一種便攜計算工具。本設(shè)計選擇滿足高速、大的程序容量需求的單片機，并對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)作了說明。

關(guān)鍵詞：熱工計量 分度表計算 高速單片機 浮點計算

在電力、石化、鋼鐵等行業(yè)中大量使用各類標(biāo)準(zhǔn)或非標(biāo)準(zhǔn)的熱電阻與熱電偶。為保證測量精度，這些溫度測量器件需要定期檢定或校準(zhǔn)。計量工程師在檢定時，需要進(jìn)行大量的分度表計算。這類計算，尤其是標(biāo)準(zhǔn)溫度計的分度表計算，方法復(fù)雜、費時費力、容易出錯。在些單位因此編制了一些小程序配合計算，但基于微機的程序?qū)τ诖罅康默F(xiàn)場計算顯得很不方便，計量工程師迫切需要一種快速便捷的計算工具。

本熱工計量便攜計算工具采用兩組單片機作為計算與控制核心。一組芯片用于核心計算及基本控制，另一組芯片專門用于復(fù)雜的中文界面顯示，兩者之間通過SPI總線通訊。這種設(shè)計在系統(tǒng)成本增加不多的情況下，簡化了設(shè)計難度，提高了系統(tǒng)的可靠性。本熱工計量便攜計算工具可以完成標(biāo)準(zhǔn)熱電阻、標(biāo)準(zhǔn)熱電偶分度表轉(zhuǎn)換計算；工業(yè)熱電阻、熱電偶分度表轉(zhuǎn)換計算；變送器轉(zhuǎn)換計算；壓強、溫度等14類物理量約170種單位的轉(zhuǎn)換以及其它復(fù)雜的數(shù)學(xué)函數(shù)及浮點計算等，可以充分滿足計量工程師現(xiàn)場及實驗室的計算需求。

1 計算需求

以比較復(fù)雜的標(biāo)準(zhǔn)鉑銠10—鉑熱電偶的分度表計算為例，分析對單片機計算功能的需求。計算方法依據(jù)ITS90國際溫標(biāo)及國家技術(shù)監(jiān)督局頒發(fā)的JJG75-95《標(biāo)準(zhǔn)鉑銠10—鉑熱電偶》計量檢定規(guī)程。與一般常規(guī)計算不同，熱電偶分度表計算具有步驟多、計算嵌套多以及需要大量的浮點乘法甚至指數(shù)計算等特點，計算精度為十進(jìn)制5位有效數(shù)字，ANSI規(guī)定的單精度浮點計算可以滿足精度要求。

考慮一般的計算情形，如果某標(biāo)準(zhǔn)S熱電偶鋅、銻、銅點熱電勢已知，測量某溫度場的溫度，用冰點器作為冷端補償，此時可以測量得到其熱電勢，需要計算此時的溫場溫度。下面是計算過程中用到的計算公式。

參考函數(shù)，約有17次乘法及8次加法。

插值函數(shù)，有3次乘法及2次加法。

ΔE（t）/μV=a+bt+ct 2

系數(shù)計算，有9次乘法及6次加法。

在計算中，需要對參考函數(shù)用二分法及線性插值法求其反函數(shù)的解，對一般的電壓點大約需要進(jìn)行12次參考函數(shù)調(diào)用。考慮到其他運算，計算該溫度點大約需要做250次單精度浮點乘法計算以及140次單精度浮點加法計算。

如果考慮現(xiàn)場冷端補償溫度不為0℃的情況，上述計算次數(shù)需要加倍，即約500次單精度浮點乘法計算以及280次單精度浮點加法計算。

2 選擇單片機

2.1 計算精度及速度要求

考慮到計算精度（單精度浮點計算）的需求及價格因素，選擇使用8位單片機。

市面上有很多種類的8位單片機，比較典型的有MCS51系列產(chǎn)品。選擇了INTEL 8031處理器作為選擇的判斷基礎(chǔ)，使用6MHz石英晶體，用C51編制上述例子的計算程序。在實際計算中，測得完成一次完整的計算約需4秒。對于某些需要指數(shù)計算的例子，時間可長達(dá)10余秒。由于程序的編制水平不同，不同單片機的結(jié)構(gòu)、指令不同等諸多因素影響，無法精確計算各類8位單片機的運算時間，這個測試結(jié)果僅作為判斷的依據(jù)。

作為實際使用的產(chǎn)品，用戶可以接受的計算時間是1秒以內(nèi)，因此必須采用高速8位單片機。

2.2 程序存儲容量及其它要求

本熱工計量便攜計算工具設(shè)計功能較多，程序較大，使用C語言編程，生成代碼較多。先在INTEL 8031上完成包含輸入輸出的上述計算的完整程序，生成代碼長度約4KB，完成全部功能，最終程序代碼長度約為80KB。相對于一般嵌入式微處理器應(yīng)用，此程序代碼相對較多。為精簡系統(tǒng)以及保密的要求，采用片內(nèi)集成ROM或FLASH程序存儲器的單片機，要求其程序存儲器容量在80KB以上。

由于設(shè)計功能較多，需要實時保存大約2KB的參數(shù)，即需要2KB以上的EEPROM實時保存數(shù)據(jù)。另外需要帶SPI總線接口以達(dá)到快速數(shù)據(jù)顯示的目的，對其它如I/O口數(shù)量等沒有特殊的需求。

2.3 選擇結(jié)果

ATMEL公司的ATmega103單片機是基于RISC結(jié)構(gòu)、內(nèi)置FLASH的單片機，采用Harvard流水線結(jié)構(gòu)，一個時鐘周期可以執(zhí)行一條指令。ATmega103時鐘頻率為6MHz，由于采用8位RISC結(jié)構(gòu)，速度可以接近1MIPS/MHz，是同樣頻率傳統(tǒng)MCS51系列單片機速度的十幾倍。經(jīng)過測試，可以在0.1秒內(nèi)完成上述的測試運算，在速度上完全達(dá)到了用戶期望值。

ATmega103內(nèi)置128KB的程序FLASH，完全滿足所需的程序存儲空間。本熱工計量便攜計算工具最終完成后程序存儲量為76KB。ATmega103內(nèi)置2KB的EEPROM，足夠存儲中間參數(shù)，其他特性也使得電路設(shè)計更加簡潔。此外，可以使用效率較高的C語言編程。

經(jīng)過多方比較，最終選擇了ATmega103單片機作為核心計算及基本控制處理器。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

3.1 硬件結(jié)構(gòu)

本熱工計量便攜計算工具原理框圖如圖1所示。

在硬件設(shè)計中，較有特點的電路設(shè)計說明如下：

電源部分采用MAX713的智能鎳鎘電池充電電路。MAX713是使用較為廣泛的智能充電芯片，設(shè)計靈活，使用功率MOSFET組成低功耗的開關(guān)型電源，可以在充電的同時為系統(tǒng)供電。穩(wěn)壓部分采用MAX639。MAX639特別適合9V供電，本身帶有低電壓檢測功能。圖2是穩(wěn)壓及電壓監(jiān)控電路部分。

圖2中，VOLT_IN端是電源輸入端，也是MAX713電壓輸出端。ON_OFF端是開關(guān)機鍵。該端接地開機，Q1導(dǎo)通，為MAX639供電，輸出VCC穩(wěn)壓5V。CPU初始化時將TURN OFF PC7端置高電平，Q2導(dǎo)通，保持Q1持續(xù)導(dǎo)通。在開機狀態(tài)下，按開關(guān)機鍵，ON_OFF端接地，OFF INT0外部中斷端電平拉低，CPU響應(yīng)中斷后檢測PA7端，PA7端為低電平表示有關(guān)機請求，此時將TURN OFF PC7端置低電平，Q2截止，Q1截止，實現(xiàn)關(guān)機。圖2中，LOW BATT PA6是低電壓復(fù)位輸出端。

本系統(tǒng)鍵盤按鍵較多（37鍵），但是為了降低成本，同時充分利用ATmega103現(xiàn)有的I/O口，采用了矩陣鍵盤設(shè)計。特別之處是采用中斷鍵盤響應(yīng)，統(tǒng)一處理按鍵信號、關(guān)機信號及低電壓檢測信號，由于AVR單片機有內(nèi)部上拉電阻，因此簡化了電路設(shè)計。

3.2 軟件結(jié)構(gòu)

由于系統(tǒng)程序較大，采用了模塊化編程，充分利用C語言豐富的現(xiàn)成庫函數(shù)以簡化程序設(shè)計。圖3是系統(tǒng)軟件框圖。