摘 要: 目前傳統(tǒng)分析儀表正在更新?lián)Q代，向數(shù)字化，智能化方向邁進(jìn)。本文設(shè)計(jì)了一種基于Intel 80C196kc單片機(jī)的便攜式智能儀器監(jiān)控平臺(tái)，并且系統(tǒng)的介紹了該嵌入式監(jiān)控平臺(tái)的軟硬件設(shè)計(jì)及其功能。該平臺(tái)采用模塊化設(shè)計(jì)，包括譯碼電路、LCD液晶顯示、鍵盤、A/D采樣電路、I2C總線儲(chǔ)存器、時(shí)鐘芯片等。監(jiān)控平臺(tái)的軟件系統(tǒng)采用C程序設(shè)計(jì)。 關(guān)鍵字: 監(jiān)控平臺(tái);單片機(jī);儀器 Abstract: At present, traditional analytical instrument is becoming more and more digital and intelligent. A portable, Multi-component, analytical instrument, intelligent platform for survey and control based on SCM——Intel 80C196kc is designed in this paper. And then, the hardware and software design and the function of this platform are introduced in detail. The platform adopts modularizing design including coding circuit、LCD、keyboard、A/D sampling、I2C bus memorizer、clock CMOS chip, and so on. Keywords: Monitoring and Controlling System; SoC; Instruments 1 引言 　　工業(yè)燃燒過程所釋放出的煙氣是現(xiàn)代城市大氣污染源，煙氣檢測是大氣環(huán)境檢測中必要的項(xiàng)目，它是確定重點(diǎn)污染源并對污染源進(jìn)行檢測和控制的基本手段。為了控制燃燒過程的燃燒空氣比，提高燃燒效率，節(jié)約能源，減少大氣污染，必須可靠地測量煙氣中各種氣體的含量。本文針對煙氣分析，介紹了一種基于Intel單片機(jī)的智能儀器監(jiān)控平臺(tái)。 2 監(jiān)控平臺(tái)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 　　硬件配置應(yīng)針對分析檢測器的不同組合方式可在各模塊中選擇，如該平臺(tái)用于二組分分析時(shí)，則只接入兩路的操作回路和信號回路，其他兩路不接，由于硬件模塊的獨(dú)立特性，配合軟件的系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置功能，系統(tǒng)完全可以正常工作，未接入的回路對工作回路不產(chǎn)生影響。監(jiān)控平臺(tái)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。 [align=center] 圖1 監(jiān)控平臺(tái)硬件結(jié)構(gòu)圖[/align] 3 各功能模塊硬件詳細(xì)設(shè)計(jì) 　　3.1 單片機(jī)的選擇與存儲(chǔ)器模塊設(shè)計(jì) 　　智能儀器的核心是單片微機(jī)，其性能對整個(gè)嵌入系統(tǒng)性能有重要影響。選擇時(shí)既要考慮到工業(yè)應(yīng)用的背景、功能具有一定先進(jìn)性和高可靠性，又須滿足分析儀器多品種、小批量的功能平臺(tái)要求，易于開發(fā)移植和更新?lián)Q代。為此，確定Intel公司的80C196kc芯片作為分析儀器信息處理單片，構(gòu)造便攜式儀器監(jiān)控平臺(tái)。 　　本監(jiān)控平臺(tái)選用的是ATMEL公司生產(chǎn)的32k字節(jié)的閃速存儲(chǔ)器29C256，工作電壓為5v，一旦工作電壓低于3.8V時(shí)禁止編程功能。它既有SRAM的速度和易擦寫性，又能像EEPROM那樣掉電后保持?jǐn)?shù)據(jù)和在線可寫特性，具有讀寫功能，掉電下可保存數(shù)據(jù)。硬件設(shè)計(jì)方法如圖2所示。80C196kc的P4口作為地址的高位使用，P3口作為地址的低位和8位數(shù)據(jù)線分時(shí)使用，74LS373用于低位地址鎖存。 [align=center] 圖2 存儲(chǔ)器硬件電路設(shè)計(jì)[/align] 　　3.2 A/D采樣及數(shù)據(jù)處理模塊 　　80C196kc片內(nèi)A/D模塊共有8路采樣通道，精度為10位（其中可靠精度為8位），本監(jiān)控平臺(tái)已用其中兩路：其中一路用于熱電偶測溫，若檢測到熱電偶通道電壓異常，即報(bào)警提示熱電偶開路;另一路用于儀器電池電壓檢測，檢測結(jié)果通過液晶顯示器顯示，便于用戶隨時(shí)了解電池電量，以免電壓過低對傳感器造成損害;其余六路待用。片外選用的是MAXIM公司生產(chǎn)的12位A/D采樣芯片——MAX197，負(fù)責(zé)完成6路不同傳感器的信號采樣及環(huán)境溫度、煙氣溫度的檢測。該芯片是28腳的雙列直插封裝，工作電壓為5V，有8個(gè)模擬輸入口，完成一次轉(zhuǎn)化的時(shí)間為6μS。 　　由于經(jīng)分析儀器傳感器轉(zhuǎn)換后的電信號是0～1V，顯然不能用內(nèi)部參考電壓模式進(jìn)行采樣，所以系統(tǒng)選用外部參考電壓方式。但是作者在實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)，外部參考電壓不能過低。試驗(yàn)表明，當(dāng)外部參考低于1V時(shí)，在輸入的模擬量在90 mV以下時(shí)，采樣的結(jié)果明顯不準(zhǔn)確，有很嚴(yán)重的非線性，甚至出現(xiàn)明顯死區(qū)。所以監(jiān)控平臺(tái)在傳感器與A/D采樣芯片之間加入了放大器，將傳感器傳給A/D采樣芯片的信號放大至0～2V，通過計(jì)算可知此時(shí)的外部參考電壓VREF=2/1.2207=1.6384V，事實(shí)證明這種方法起到了良好的作用，A/D采樣芯片發(fā)揮了良好的性能，滿足了監(jiān)控平臺(tái)的要求。 　　3.3 LCD液晶顯示模塊 　　LCD液晶顯示器是人機(jī)界面的重要窗口，也是本監(jiān)控平臺(tái)的特色之一，本平臺(tái)所有人機(jī)交互功能皆通過LCD結(jié)合鍵盤完成。鍵盤采用的是2×4觸摸按鍵設(shè)計(jì)，占用CPU的6個(gè)I/O口，其中一個(gè)按鍵與儀器啟動(dòng)電路相連，成為該分析儀器的啟動(dòng)鍵。液晶顯示器采用的是240×128點(diǎn)陣式大屏幕寬視角液晶顯示器（LCD），顯示模塊的外部接口引腳共有21個(gè)，其中Pin18腳為顯示字符的字體選擇引腳，接高電平則顯示的字體為8×6，接低電平則顯示的字體為8×8。該液晶屏內(nèi)置驅(qū)動(dòng)器T6963C及周邊電路，具有硬件初始化功能。 　　LCD的Pin4腳為顯示區(qū)域?qū)Ρ榷日{(diào)節(jié)管腳，接入電壓可以在-6V～18V之間調(diào)節(jié)。本監(jiān)控平臺(tái)選用MAXIM公司生產(chǎn)8引腳雙列直插封裝的MAX749芯片來提供液晶屏的輝度調(diào)節(jié)的震蕩電壓。該芯片是專為LCD對比度電壓調(diào)節(jié)而設(shè)計(jì)的，其輸出電壓具有良好的可調(diào)性，可以通過數(shù)字控制、電位調(diào)節(jié)、PWM控制工三種方法實(shí)現(xiàn)。起工作電路如圖3。 [align=center] 圖3 MAX749工作電路設(shè)計(jì)[/align] 　　3.4 紅外打印及串口通訊模塊 　　根據(jù)紅外打印協(xié)議，打印模塊硬件部分主要由紅外物理層包括紅外收發(fā)器及編解碼硬件電路實(shí)現(xiàn)。其中物理層編解碼采用了惠普公司紅外3/16的編解碼芯片——hp-7001，此芯片使用1.63μs或者3/16脈沖模式收發(fā)信號，可對波特率編程。紅外收發(fā)器采用安捷倫的hsdl-3610，它全兼容IrDA 1.1，最高傳輸速率可達(dá)4Mbps,連接距離大于1.5米且耗電較少。考慮到單片機(jī)80C196kc的串行接口要用于數(shù)據(jù)通訊,所以改用HSO、HSI實(shí)現(xiàn)紅外打印的類串口數(shù)據(jù)輸出輸入。由于80C196kc和hp7001的接收發(fā)送腳都是TTL電平，可直接相連，無需MAX232等電平轉(zhuǎn)換芯片?？紤]到9600bps是紅外通訊協(xié)議的基本波特率，故80C196kc以及hp-7001和hsdl-3610都采用9600bps進(jìn)行通訊。 　　串口通信使用了80C196kc的串行數(shù)據(jù)接口，采用RS-232方式，由MAX232實(shí)現(xiàn)串行信號的電平轉(zhuǎn)換。采用8位數(shù)據(jù)位、一位停止位、無奇偶校驗(yàn)位的傳輸方式，提供4800、9600、19200三種波特率供用戶選擇，以適用于計(jì)算機(jī)通訊的需要。通訊時(shí)只需用在儀器與計(jì)算機(jī)之間用串口線連接，運(yùn)行相應(yīng)程序，即可完成數(shù)據(jù)的傳輸。該通信只傳送已存入flash中的歷史采樣數(shù)據(jù)，最多一次可傳送40組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)均包括所有采樣參數(shù)、計(jì)算參數(shù)及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)的系統(tǒng)參數(shù)（如日期時(shí)間、燃料類型等）。 　　3.5 電源啟動(dòng)及轉(zhuǎn)換模塊 [align=center] 圖4 電源啟動(dòng)及轉(zhuǎn)換電路[/align] 　　由于便攜式分析儀器采用蓄電池供電，減少整機(jī)電流和待機(jī)電流、降低損耗變得極為重要。傳感器部分的工作電壓為12V，而單片系統(tǒng)采用5V供電，因此，控制平臺(tái)選用了直-交-直變換模塊完成電源轉(zhuǎn)換。選用XR031電壓轉(zhuǎn)換模塊，其轉(zhuǎn)換效率達(dá)80%。啟動(dòng)電路采用CMOS芯片，組成帶施密特整形的flip-flop電路，由儀器鍵盤上的啟動(dòng)鍵控制開、關(guān)機(jī)。關(guān)機(jī)狀態(tài)下電池仍對該部分電路供電，其電流極小，約為4～8微安，工作狀態(tài)下CPU內(nèi)部A/D采樣模塊對其進(jìn)行電壓檢測，當(dāng)電壓低于設(shè)定時(shí)，置輸出端口為有效電平，該電平經(jīng)微分電路產(chǎn)生+12V尖脈沖觸發(fā)flip-flop電路翻轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)行關(guān)機(jī)。本監(jiān)控系統(tǒng)正常工作時(shí)功耗電流為50～60mA（LCD背光關(guān)閉，不包括泵電流），整機(jī)電流最大為140mA（LCD背光開啟）。電源轉(zhuǎn)換及啟動(dòng)硬件設(shè)計(jì)如圖4。 　　3.6 時(shí)鐘模塊 　　本次設(shè)計(jì)采用了一塊實(shí)時(shí)鐘芯片DS12C887，它是微機(jī)中常用的時(shí)鐘芯片。該芯片是24腳雙列直插封裝的一個(gè)集成組件，組件中包含石英晶體、鋰電池、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、日歷時(shí)鐘、報(bào)警時(shí)鐘、和128個(gè)字節(jié)的RAM，其中15個(gè)字節(jié)用作實(shí)時(shí)鐘的控制寄存器，其余113個(gè)字節(jié)可作普通RAM使用，其中數(shù)據(jù)也可以十年不丟失，DS12C887的年月日、時(shí)分秒等信息都放在內(nèi)部寄存器中。 4 監(jiān)控平臺(tái)的軟件設(shè)計(jì) 　　監(jiān)控平臺(tái)的軟件系統(tǒng)采用C程序設(shè)計(jì)，使用C96編譯器，版本為5.3版。盡管該編譯器占用程序空間比匯編語言編譯器大，但程序開發(fā)周期大大減少，調(diào)試效率及可讀性均明顯優(yōu)于匯編語言，且原程序可更加方便地移植于其他型號芯片中，便于產(chǎn)品的更新?lián)Q代。 　　本監(jiān)控平臺(tái)軟件系統(tǒng)為多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，主要分為人機(jī)界面、串口通訊、數(shù)據(jù)處理、紅外打印、操作控制五大功能模塊，軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。由于系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，各模塊自成體系，可獨(dú)立調(diào)試，有利于系統(tǒng)集成也便于形成其他分析儀器的監(jiān)控程序。本軟件系統(tǒng)支持中英文兩種版本的界面供用戶操作選擇，其LCD顯示頁面達(dá)60多個(gè)，字庫漢字超過250個(gè)，編譯后程序代碼約為52Kb。 [align=center] 圖5 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)[/align] 　　整個(gè)軟件系統(tǒng)使用超循環(huán)系統(tǒng)（Super-Loops）結(jié)構(gòu)，應(yīng)用程序是一個(gè)無限循環(huán)，循環(huán)中調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)完成規(guī)定的操作，程序依次檢查系統(tǒng)的每一個(gè)輸入條件，一旦條件成立就進(jìn)行相應(yīng)的處理，這部分可以看成任務(wù)級處理。中斷服務(wù)程序處理異步事件，這部分看成中斷級處理。本系統(tǒng)包括A/D采樣、HSO實(shí)時(shí)中斷、HSO事件中斷、串行通訊等模塊，為保證實(shí)時(shí)性，中斷服務(wù)程序只包含標(biāo)志處理，其隱含功能如采樣值的濾波，HSO事件排隊(duì)均由任務(wù)級處理。實(shí)時(shí)多任務(wù)按任務(wù)級別分類處理，在各界面處理模塊中均包含時(shí)間事件處理模塊，以確保定時(shí)事件處理。 本文作者創(chuàng)新點(diǎn)： 　　強(qiáng)大的CPU和良好的模塊性使本監(jiān)控平臺(tái)的研究為智能分析儀器提供了具有ARC功能的設(shè)計(jì)平臺(tái)，通過軟硬件模塊的選擇可基本實(shí)現(xiàn)各種不同需求的組合式分析儀。系統(tǒng)提高了分析儀器本身的自動(dòng)化水平，分析儀器的自動(dòng)校準(zhǔn)和診斷。 參考文獻(xiàn): 　　[1] 朱升每.在線多組分分析儀器智能監(jiān)控平臺(tái)的研究[D].南京：南京工業(yè)大學(xué)，2004. 　　[2] QD-500系列在線多組分煙氣分析儀（資料）[DB/CD].南京南分分析儀器有限公司.2004. 　　[3] 郭占龍. 基于單片機(jī)的智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 微計(jì)算機(jī)信息, 2007, 2-2: 115-116 　　[4] 張利鋒.用80c196實(shí)現(xiàn)便攜式分析儀的紅外打印功能[J].微計(jì)算機(jī)應(yīng)用2005（3）：234-238. 　　[5] 徐愛卿.Intel 16位單片機(jī)[M].修訂版.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002.