PIC18F452的設計研究

介紹一種測頻儀的設計方案，并將此儀器應用到云南天文臺麗江2.4m望遠鏡圓頂溫度的測量工作中。詳細闡述了PIC18F452自帶的CCP模塊的測頻原理，同時(shí)給出了儀器軟硬件的設計思路，最后在Proteus中對系統進(jìn)行了仿真測試。測試結果表明了該方案的可行性。該儀器的研制也為西部望遠鏡的選址工作提供了一種有效的測量工具。

通過(guò)頻率的測量來(lái)間接地獲取溫度數據是檢測天文望遠鏡圓頂溫度的常用方法。頻率信號不但具有較強的抗干擾能力，而且易于傳輸。因此將望遠鏡圓頂附近的溫度傳感器所產(chǎn)生的電信號轉換為頻率信號，然后對頻率信號進(jìn)行測量和采集，最終再通過(guò)一些確定的函數關(guān)系把頻率值轉換為溫度值。該方案與直接測量溫度的方法相比，可操作性更強。

1 PIC18F452的測頻原理

PIC18F452是美國Microchip公司生產(chǎn)的一款高性能的8位單片機，其片上資源十分豐富，本文設計的測頻儀就是使用該單片機的CCP1(捕捉/比較/脈寬調制)模塊的捕捉功能來(lái)實(shí)現的，CCP1模塊工作在捕捉模式下的功能框圖如圖1所示。

在捕捉模式下，每當CCP引腳上有下列事件之一發(fā)生時(shí)：每個(gè)下降沿發(fā)生、每個(gè)上升沿發(fā)生、每4個(gè)上升沿發(fā)生、每16個(gè)上升沿發(fā)生，CCP R1H：CCPR1L就會(huì )捕捉TMR1或TMR3寄存器的16位計數值，即記錄下事件發(fā)生的時(shí)刻，使用CCP模塊的這個(gè)功能就可以實(shí)現頻率的測量。

使用PIC18F452進(jìn)行頻率測量的原理如圖2所示：設置CCP模塊工作于捕捉模式，并且讓它在每個(gè)上升沿捕捉一次數據，由相鄰兩個(gè)上升沿到來(lái)的時(shí)間差就可以得到被測脈沖的周期，從而也就得到了脈沖的頻率。

2 測頻儀的軟硬件設計

2.1 硬件電路設計

測頻儀的硬件電路主要包括兩個(gè)方面：頻率測量電路和數據通信電路。頻率測量是指使用PIC18F452的CCP模塊測量外部脈沖信號的頻率；數據通信是指將測量得到的數據通過(guò)串口傳至PC機進(jìn)行處理。測頻儀的硬件電路如圖3所示。

2.2 軟件設計

軟件的主要功能就是設置相關(guān)的功能模塊來(lái)配合硬件實(shí)現頻率的采集與數據的上傳，為了達到實(shí)時(shí)采集的目的，CCP模塊使用中斷方式進(jìn)行捕捉。測頻儀與PC機采用主從式通信，PIC18F452根據PC機發(fā)來(lái)的不同指令進(jìn)行相關(guān)的操作，指令共有兩種：開(kāi)始采集和停止采集。當接收到“開(kāi)始采集”命令時(shí)，PIC18F452就啟動(dòng)CCP模塊進(jìn)行頻率的測量并把測量結果通過(guò)串口上傳到PC機；當接收到“停止采集”的命令時(shí)，PIC18F452就關(guān)閉CCP模塊，同時(shí)停止上傳數據，然后繼續等待上位機的命令。測頻儀的軟件流程圖如圖4所示。

3 仿真分析

使用軟件仿真的方法不但可以在理論上驗證設計的可行性，而且也降低了開(kāi)發(fā)的成本和開(kāi)發(fā)難度，這種技術(shù)在基于單片機的開(kāi)發(fā)中是非常有用的。

Proteus是英國Labcenter公司開(kāi)發(fā)的一款電路分析與實(shí)物仿真軟件，可以仿真、分析多種模擬器件和集成電路，功能非常強大，同時(shí)該軟件還支持多種型號的單片機，如AVR，PIC，MCS-51等。更可貴的是該軟件可以與Microchip公司的MPLAB集成開(kāi)發(fā)環(huán)境進(jìn)行無(wú)縫連接，從而也可以進(jìn)行程序的單步調試，整個(gè)操作也十分簡(jiǎn)單，只要用MPLAB將源程序編譯成HEX文件導人到Proteus中的電路圖中即可繼續仿真測試，測試所用的電路原理圖如圖5所示。

關(guān)于這個(gè)仿真原理圖有以下幾點(diǎn)需要說(shuō)明：

(1)仿真的目的是為了驗證所關(guān)心的CCP模塊的工作情況，所以圖中省略了PIC18F452的晶振電路和復位電路，其實(shí)它們都不會(huì )影響程序運行的結果。
(2)串口通信部分所使用的仿真元件(COMPIM)不需要進(jìn)行電平轉換，只要安裝上虛擬串口并設置仿真元件的相關(guān)屬性就可以實(shí)現Proteus中的PIC18F452與PC機進(jìn)行通信，所以圖中省略了MAX232電平轉換芯片。
(3)COMPIM僅僅是提供一種物理連接上的映射關(guān)系，所以這里的RxD引腳和TxD引腳的連接方式是按照對應關(guān)系連接的，在實(shí)際的硬件電路中還是要按照硬件電路圖(見(jiàn)圖3)去連線(xiàn)。

當以上工作進(jìn)行完畢之后，就可以對設計的電路進(jìn)行仿真調試了，程序的仿真結果如圖6所示。

從圖6可以看出，PIC18F452已經(jīng)測出了設定的幾個(gè)輸入頻率的數值，仿真結果表明該方案可行。

4 硬件電路的測試

仿真通過(guò)之后，就可以按照圖3搭建硬件電路來(lái)進(jìn)行硬件的運行測試。在此使用VB 6.0來(lái)編寫(xiě)上位機軟件，同時(shí)配合Access數據庫來(lái)存儲PIC18F452上傳的頻率數據。系統的運行效果如圖7，圖8所示。

5 結語(yǔ)

目前，測頻儀已經(jīng)被成功地應用到了云南天文臺麗江2.4 m圓頂的溫度采集工作中。今后還會(huì )對儀器進(jìn)行擴展和完善(例如，在儀器上增加數據存儲模塊)，到時(shí)該儀器將可以適應野外的工作環(huán)境，這對于即將開(kāi)始的西部望遠鏡的選址工作具有非?，F實(shí)的意義。