1.引言
工业化仪表,因其集信息的获取.转换.存储.传输.分析.处理及显示于一体而成为工业控制领域的基础和核心之一.随着计算机技术.微电子技术的发展,工业化仪表已逐渐发展成为具有微处理器系统的智能化仪表.便携式智能仪表因其携带方便.操作方便.界面友好.人机接口丰富.功耗低等特性,使得其在当今生活中越来越普及.
AVR XMEGA是8/16位AVR微处理器的升级版本.其采用Atmel picoPower技术,所有器件均可使用1.6V工作电压.MCU具有5霺唤醒时间和100nA的业界极低耗电量,其内部增加集成了全速USB?高速高精度模拟系统.DMA控制器和创新的事件系统,最大限度的提升了数据吞吐量和实时性能,并有效减轻了处理器负载.其集成度更高,更有效的降低了系统总功耗和成本.特别适宜计量.工业.医疗和消费领域的仪器仪表设备应用.
2.仪表设计总体框图
系统总体框图如图1所示,电源供电和复位电路构成了仪表的最小系统,本着仪表多用途,本设计加入了基于Zigbee技术的无线收发.USB数据通信.Flash存储扩展.字库芯片数据读取.数据采集.彩屏显示等功能.本文就将对此六个功能的外围电路及其实现进行详述.
3.仪表硬件设计
在仪表使用过程中,当两台仪表需要相互通信或者不便于与PC机进行有线连接的情况下,需要将数据进行无线传输.而能够进行无线传输也成为诸多仪器仪表适应多条件.多功能的体现.Zigbee是近年新兴的无线网络通信技术标准,功耗小.成本低,在应用中有着突出优势.其连接时间短,大大降低了通信数据的碰撞概率;最大可达到65535个网络节点,使得其具有优越的组网能力;其数据传输进行加密处理,因而具有较高的网络安全性能.综上可知,Zigbee无线传输技术具有较广泛的应用前景.
设计使用了AT86RF212芯片,它是一款低功耗.低电压700/800/900 MHz频段无线收发器,提供了天线和MCU之间的完整无线电接口,支持ZigBee技术IEEE 802.15.4标准,支持6LoW PAN技术与高数据传输速率的ISM的应用,其外围电路连接如图2所示.
3.2 信号采集电路设计
本模块使用TLV2543作为电压幅值的采集,在采集数据之前需进行必要的电压变换.芯片接口连接如图3所示.多路数据采集通道扩展了MCU的不足,在进行控制中可使用单路或多路通道信号采集,其具有11路转换通道,12bits的电压转换精度,最高可达10靤的转换速率.AD芯片使用单片机SPI1接口进行数据传输,其基准电压由REF3030芯片提供.
3.3 扩展字库电路设计
为了使仪表的应用范围更加广泛,设计加入了集通数码科技公司生产的GT23L16M2Y字符芯片,以满足显示时界面中的较多字符需要.其内部包含11×12点阵与15×16点阵,有对于多种制式汉字及字符的支持.单片机利用汉字源码的函数计算,得到汉字点阵在芯片中的地址,读取到点阵数据后,通过口线传输给单片机以供显示.芯片可选PLII与SPI接口,为了节约口线,本仪表使用SPI接口模式,与CPU的连接如图4所示.
3.4 数据存储电路设计
仪表在野外操作时,当需要采集数据较多而又无法将数据及时传输至上位机时,就需要大容量.掉电非易失的存储设备.在长期数据对比分析时,也需要保存较大批量的数据记录,单片机本身自带128K字节的flash存储和8K字节的SRAM存储以及2K字节的EEPROM存储单元.但在掉电之后,FLASH存储无法保存数据,需要一个大容量的存储空间开保留已经记录的批量数据.
本设计采用了Atmel公司生产的ATDB011D存储器,内部集成了1M字节的Flash存储,有最高达66MHz的数据存取速度,其使用SPI接口与单片机进行数据传输.与单片机的连接电路如图5所示.
3.5 USB通信接口设计
USB接口在仪器仪表的使用中以相当普遍,在与计算机进行直接数据传输过程中,其端口小巧.支持热插拔操作等特性,使得其成为众多便携仪表的首选.本设计使用CP2102芯片,将单片机串行端口转换为USB端口,作为一个虚拟端口使用,简化了通讯连接方式和单片机的程序设计.其与CP2101完全引脚兼容,其符合USB 2.0规范:最高全速(12Mbps);支持USB的挂起状态,可以和支持COM口的PC机连接通讯使用.集成的USB收发器无需外部电阻,外围电路简单,连接电路如图6所示.
3.6 显示接口电路
仪表的显示质量直接关乎用户的使用体验,传统仪表的屏幕多为单色或者尺寸较小,彩色屏幕可以在界面中对重要内容进行突出显示,增强用户的人机交互视觉效果.
仪表使用了型号HY32B彩色显示器,兼顾了显示速率.电量消耗和用户视觉效果.其搭载了3.2英寸TFT LCD彩色显示屏和驱动电路,显示分辨率为320×240,其接口有多种选择,包括3-线.4-线SPI和6/9/16-bits6800/8080并行接口以及6/16/18-bit RGB接口.为了提高数据传输速度,数据信号使用16位并行传输.接口如图7所示.
4.系统软件设计
系统的编译和仿真全部在Atmel公司提供的AVR Studio 6.0软件环境下,所有模块实现均使用C语言编写,利于系统的开发与移植.软件使用模块化和层次化结构设计,开发周期短.维护方便.系统的总体框图如图8所示.底层模块设计为各个基础器件的驱动与接口程序,包括无线连接协议.USB接口联通.AD采集驱动.数据存储.时钟存取接口.显示接口数据传输以及键盘按键判别等.第二层主要用于执行指定功能,包括电压.频率测量.记录查询.无线连接.数据存取及按键操作等的组合选项.顶层即对界面的显示中需要用到的相应功能,实现人机交互.
5.总结
Xmega作为一款较新型的高性能单片机,其应用和开发还有待进一步的挖掘.本文以实际项目应用为基础,给出了具体的外围电路设计及软件流程,为其在工业中的应用提供了一种参考.
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