1 引言
隨著現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展，在工業(yè)控制領(lǐng)域需要對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行實時采集，在一些重要場合對數(shù)據(jù)采集的要求更高，例如在電廠、鋼鐵廠、化工領(lǐng)域的生產(chǎn)中都需要對大量數(shù)據(jù)進(jìn)行現(xiàn)場采集，而溫度采集又是其中極為重要的部分，因此，需要一種高精度、低成本的數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)。
為了方便地實現(xiàn)溫度采集與控制系統(tǒng)，筆者選用MSC1201作為系統(tǒng)的MCU。MSC1201是的德州儀器（TI）新推出的一款低噪聲、低成本數(shù)據(jù)采集微處理器，它具有的增強(qiáng)型8051內(nèi)核，執(zhí)行速度比標(biāo)準(zhǔn)8051內(nèi)核快3倍，而功耗卻更低，MSC1201中的ADC的防噪性能為75nV，比市場上大多數(shù)獨(dú)立式ADC都好，此外，MSC1201的ADC還可在功耗僅為3mV時達(dá)到1ks/s的采樣速率，因此，搭配合適的信號拾取元件就能組成一種性能優(yōu)異的數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)。
筆者設(shè)計的恒溫箱溫度控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。該恒溫箱主要用于電子設(shè)備的高溫實驗。通過小鍵盤設(shè)定實驗溫度和時間，達(dá)到定時后并能發(fā)出警告，箱體打開后啟動風(fēng)扇散熱，為了使溫度控制更加準(zhǔn)確，在箱體內(nèi)采用多點測溫，同時為了保證電子設(shè)備的均勻受熱，設(shè)計中采用步進(jìn)電機(jī)帶動托盤使待測物在箱內(nèi)轉(zhuǎn)動，并在定時結(jié)束時停止轉(zhuǎn)動。在恒溫箱工業(yè)時，箱內(nèi)溫度通過數(shù)碼管顯示。定時剩余時間也通過數(shù)碼管顯示。
2 MSC1201型微處理器
本設(shè)計采用TI的MSC1201型微處理器作為主處理器，MSC1201的封裝形式為QFN－36，在3V供電時功耗為3mW。具有工業(yè)級的工業(yè)溫度范圍即－40℃－＋125℃。
模擬特性包括數(shù)據(jù)采集精度達(dá)到24位無損采集，工業(yè)頻率為10Hz時有效分辨達(dá)到22位；片內(nèi)可編程增益控制，最高可將信號放大128倍；工作噪聲為75nV，片內(nèi)提供精確的參考電壓，具有偏差校正功能，片上溫度傳感器可以快速方便地組成檢測系統(tǒng)，極小的偏差漂移（0.02ppm/℃），放大漂移（0.5ppm/℃）使得系統(tǒng)具有較強(qiáng)的溫度適應(yīng)能力。
數(shù)字功能包括具有與8051兼容的增強(qiáng)型處理器內(nèi)核；擁有1KB自舉ROM、256字節(jié)數(shù)據(jù)SRAM、4KB閃存具有安全保護(hù)措施；存儲器讀/寫循環(huán)可達(dá)100萬次，保存100年。
外部特征包括有16個通用I/O引腳、1個32位累加器、2個16位定時/計數(shù)器、可編程看門狗定時器、全雙工USART、SPI、I2C接口；空閑狀態(tài)下消耗電流小于200μA，停止?fàn)顟B(tài)下電流小于100nA；中斷源多達(dá)20個，可以滿足一般工業(yè)現(xiàn)場的控制要求。MSC201的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。
3 溫度采集系統(tǒng)的硬件組成
通常，為了組成一種溫度控制系統(tǒng)，采用如圖3所示的模塊化設(shè)計。
由圖3可見，從傳感器到CPU還有許多環(huán)節(jié)需要系統(tǒng)設(shè)計者來設(shè)計。但是采用MSC1201型微處理器后許多環(huán)節(jié)就可以省略。如圖中虛線包含的部分，處理器自身已經(jīng)包含這些中間處理過程，只要設(shè)置相關(guān)寄存器就可以調(diào)整它們的參數(shù)。
3.1 溫度傳感器
在許多溫度采集系統(tǒng)中用熱敏電阻器作為測溫器件，然后通過查表或附加電路得到輸出電壓與溫度的關(guān)系，查表需要一段存儲空間來保存表格數(shù)據(jù)且會增加代碼長度，因此使用熱敏電阻器的成本較高。另一方面，由于熱敏電阻器輸出的非線性使其高溫段和低溫段的測量誤差變化較大，而在多點測量時對每一種器件都要單獨(dú)調(diào)零，因而在應(yīng)用時有許多局限。
在筆者設(shè)計的溫度檢測系統(tǒng)中，采用ADI公司的AD590型溫度傳感器作為溫度測量元件，AD590是電流型傳感器，當(dāng)電源電壓為4V－30V使流經(jīng)器件的電流隨溫度的變化而變化。其溫度變化規(guī)律為1μA/K，表示以K氏溫度衡量溫度，溫度變化1℃電流變化1μA，這種線性變化的規(guī)律給應(yīng)用帶來很大方便，應(yīng)用AD590時電源電壓的變化也會影響電流輸出，但電源電壓高時影響會小一些，因此電源電壓適當(dāng)調(diào)高，圖4示出AD590與MSC1201的連接，其中，
從（1）式可以看出，AD590輸出電壓與溫度的關(guān)系，如果選擇（R1＋VR1）＝10KΩ，那么可得下式：
圖4中R1與VR1串聯(lián)，通過調(diào)節(jié)VR1的阻值來獲得10kΩ的電阻值。沒有直接使用10kΩ的電阻器是為了提高系統(tǒng)測量精度。
由于溫度檢測的后級接收差分信號輸入，因此只需要在差分輸入的負(fù)端引入2.732V參考電壓即可得到隨攝氏溫度線性變化的輸出電壓。如圖4所示，調(diào)節(jié)VR3阻值使在AIN1、AIN3引腳上具有2.732V電壓即可生成隨攝氏溫度線性變化的輸入信號。若設(shè)計的后級是單端輸入，則只需在校正單元減去2.732V即可。
3.2 多路選擇開關(guān)
輸入多路選擇開關(guān)屬于MSC1201的內(nèi)置功能模塊，可以接收差分輸入。如圖2所示，如果AIN0選作差分輸入的正端輸入，則其他任意通道可以作為差分信號的負(fù)端輸入，并可通過交換差分輸入的正負(fù)端來消除誤差，在本系統(tǒng)中選用AIN0輸入AD590的輸出電壓V（T），將2.732V作為差分信號負(fù)端輸入到AIN1，MSC1201可以自動檢測這些信號輸入引腳是否開路或短路。
另外，該電路還可以檢測自身溫度，當(dāng)輸入多路選擇開關(guān)的配置寄存器全部設(shè)為1時，電路內(nèi)的測溫二極管就連接到ADC的輸入端，此時其余輸入通道開路，這有利于器件自身的保護(hù)，當(dāng)芯片溫度過高時，可以通過強(qiáng)制電路進(jìn)入空閑模式使系統(tǒng)降溫。
通道可以通過寄存器ADMUX來選擇，如下所示：
其中，高4位決定差分正端輸入通道，而低4位決定負(fù)端輸入通道。
3.3 放大器
通常情況下檢測到的信號很微弱，需要進(jìn)行放大。而MSC1201內(nèi)置可編程增益放大器（PGA）的增益可以設(shè)為1、2、4、8、32、64、128。通過使用PGA可以提高ADC的有效分辨率。例如在信號電壓范圍為±2.5V時，若PGA增益設(shè)為1，則ADC最小分辨率為1.5μV；當(dāng)PGA增益設(shè)為128、信號電壓范圍為±19mV時，ADC的分辨率為75nV，改變PGA增益會使放大器輸入阻抗變化，但通常放大器的輸入阻抗很高，一般不會對輸入信號產(chǎn)生影響。放大器的放大倍數(shù)由寄存器ADCON0的低3位確定。
3.4 信號調(diào)理
在溫度檢測中，輸入環(huán)節(jié)會不可避免的引入某些誤差，使輸入信號產(chǎn)生不同程度的畸變。為了消除這些誤差對系統(tǒng)的影響，需要對輸入信號進(jìn)行調(diào)理。
3.4.1 ADC補(bǔ)償
通過使用寄存器ODAC，PGA的模擬輸出可以獲得最高能夠達(dá)到測量電壓范圍一半的偏移補(bǔ)償。寄存器ODAC是8位，最高位為符號位，表示補(bǔ)償?shù)恼?fù)，其余7位表示補(bǔ)償?shù)拇笮 Ｓ捎贠DAC引入的只是對PGA的模擬補(bǔ)償，因此并不影響ADC的測量范圍。
3.4.2 ADC校準(zhǔn)
基于MSC1201/02的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的偏移和增益誤差可以通過校準(zhǔn)來減小。寄存器ADCON1的CAL2：CAL0可控制校準(zhǔn)。每次校準(zhǔn)需要7個Tdata（數(shù)據(jù)采集時間）周期來完成。
完成校準(zhǔn)必須在輸入端施加信號，再由器件計算出偏移量以補(bǔ)償系統(tǒng)偏差。在進(jìn)行系統(tǒng)偏移校正時，需要輸入0V或很小的電壓信號，并讀取輸出結(jié)果，如果結(jié)果為正，說明轉(zhuǎn)換中存在正偏移誤差，應(yīng)在結(jié)果中減去該偏移量。反之，如果結(jié)果為負(fù)，就要加上該偏移量。
系統(tǒng)增益校準(zhǔn)需要輸出滿量程信號，并測量輸出結(jié)果來實現(xiàn)增益校準(zhǔn)。增益校準(zhǔn)實際上就是調(diào)整放大器的輸出信號斜率以補(bǔ)償實際輸出與理想輸出的誤差。
系統(tǒng)上電后就要進(jìn)行校準(zhǔn)，而在電源電壓、參考電壓或PGA增益發(fā)生變化時要重新進(jìn)行校準(zhǔn)。當(dāng)校準(zhǔn)完成時，ADC的中斷標(biāo)志位變?yōu)楦唠娖剑诔绦蛑锌赏ㄟ^檢查該位來判斷校準(zhǔn)是否完成，若校準(zhǔn)完成，此時輸入數(shù)據(jù)才有效。
3.5 A/D轉(zhuǎn)換
在A/D轉(zhuǎn)換中的調(diào)制器是二階系統(tǒng)，調(diào)制器工作頻率為fMOD，該頻率與fACLK有關(guān)，而fACLK可以在模擬時鐘寄存器（ACLK）中設(shè)置，其關(guān)系式如下：
fMOD＝fCLK/[（ACLK+1）64]＝fACLK/64 （3）
整個A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)輸出率為：
fDATA＝fMOD/數(shù)據(jù)抽取率 （4）
數(shù)據(jù)抽取率從A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果中取得數(shù)據(jù)的比率，如抽取率為10中取1，其含義就是調(diào)制器最近輸出的10個數(shù)據(jù)進(jìn)行處理（如取平均值），其結(jié)果就作為本次A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果。這里的處理工作是由數(shù)字濾波器完成的。
A/D轉(zhuǎn)換在缺省條件下使用內(nèi)部2.5V作為參考電壓，此時AGND引腳必須連接REFIN－引腳。而REFOUT/REFIN＋引腳應(yīng)該通過1只0.1μF的電容器接地，同時電容器應(yīng)盡量靠近引腳，MSC1201也可以使用外部參考電壓，需要通過ADC控制寄存器ADCON0來進(jìn)行選擇。
3.6 數(shù)字濾波
數(shù)字濾波可以使用快速設(shè)置濾波器、Sinc2或Sinc3濾波器。
為了使系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換具有低噪聲、響應(yīng)快速的優(yōu)點，筆者按以下策略來選擇濾波通道：當(dāng)數(shù)據(jù)輸入通道改變時，系統(tǒng)將在接下來的2次轉(zhuǎn)換中使用快速設(shè)定濾波器，而其中第一次的轉(zhuǎn)換結(jié)果又將舍棄。緊接著依次使用Sinc2或Sinc3濾波器以改善噪聲性能。
3.7 CPU
MSC1201內(nèi)置的FLASH具有100萬次的讀寫次數(shù)，數(shù)據(jù)可以保存100年，可以自由地在FLASH中劃分?jǐn)?shù)據(jù)存儲區(qū)和程序存儲區(qū)。MSC1201擁有自舉ROM，256字節(jié)RAM、128字節(jié)特殊功能寄存器，具有4組bank工作寄存器，當(dāng)前程序只使用一組bank寄存器。通過改變當(dāng)前bank寄存器可以快速切換程序上下文環(huán)境。這些設(shè)計極大方便了系統(tǒng)的設(shè)計。
由于MSC1201系列處理器使用更高效的15型處理器核心，所以在使用相同外部時鐘的情況下它的指令執(zhí)行速度比標(biāo)準(zhǔn)51型處理器快1.5－3倍，在使用相同的代碼和外部時鐘的情況下該處理器的吞吐量比標(biāo)準(zhǔn)51型處理器高2.5倍。
因此，工作于33MHz的MSC1201處理器運(yùn)行能力等于工作于82.5MHz的8051核，這將有助于設(shè)計者降低處理器的運(yùn)行頻率，降低系統(tǒng)功耗并減小系統(tǒng)噪聲。
3.8 顯示模塊
作為系統(tǒng)輸出，采用2個SR120281型4位7段式LED模塊顯示檢測到的溫度和定時剩余時間。該模塊含4個數(shù)碼管，采用共陰極連接。模塊中4位數(shù)碼管的陽極引腳并聯(lián)，通過陰極選擇需要點亮的數(shù)碼管。LED的陽極驅(qū)動采用MOTOROLA公司的MC14495型譯碼驅(qū)動器來完成，利用bic－8718型驅(qū)動電路產(chǎn)生4位數(shù)碼管的位選擇信號。每次點亮1位數(shù)碼管，通過選擇適當(dāng)?shù)倪x通順序，利用人的視覺殘留即可得到1次顯示中4位數(shù)碼管同時點亮的效果。
4 溫度控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計
系統(tǒng)軟件的復(fù)雜度與其所要完成的任務(wù)密切相關(guān)。本系統(tǒng)主要用于小型恒溫箱的溫度控制，需要控制的對象有加熱裝置的開關(guān)、風(fēng)機(jī)的開關(guān)和帶動托盤旋轉(zhuǎn)的步進(jìn)電機(jī)等。使用者通過按鍵設(shè)定恒溫箱的工作溫度和工作時間，定時到時，加熱器關(guān)閉并告警。還有一些顯示控制及對小鍵盤輸入的響應(yīng)處理。其程序包含以下幾部分：鍵盤掃描子程序、溫度信號采集子程序、顯示控制子程序、電機(jī)控制子程序、繼電器控制子程序和通信子程序。圖5所示是系統(tǒng)的軟件流程。
5 PC與溫度控制系統(tǒng)的通信
對于一種溫度采集與控制系統(tǒng)，實驗完畢后可能要使用實驗數(shù)據(jù)，當(dāng)需要對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行更加復(fù)雜的數(shù)學(xué)分析運(yùn)算和對數(shù)據(jù)進(jìn)行海量存儲時，與PC主機(jī)的通信非常重要。筆者利用MAX232電路實現(xiàn)系統(tǒng)與PC主機(jī)的串行通信，并設(shè)計了上位機(jī)軟件。PC主機(jī)每隔30s與下位機(jī)通信一次以獲得溫度數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)存入ACCESS數(shù)據(jù)庫中，便于日后查詢。
利用VC完成上位機(jī)軟件，在VC中通過使用MSComm控件來完成串口通信，在接收到數(shù)據(jù)后通過DAO方法訪問數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的存儲、查找、排序等操作。由于篇幅限制，具體過程恕不贅述。
6 結(jié)束語
基于MSC1201型微處理器的溫度數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)采用了新型處理器，在應(yīng)用中節(jié)省了大量的硬件設(shè)計工作，縮短了設(shè)計周期，以較小的成本完成了多點溫度數(shù)據(jù)的實時采集與控制。