基于MSC1201微處理器的溫度控制系統的實(shí)現

1 引言

隨著(zhù)現代控制技術(shù)的發(fā)展，在工業(yè)控制領(lǐng)域需要對現場(chǎng)數據進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，在一些重要場(chǎng)合對數據采集的要求更高，例如在電廠(chǎng)、鋼鐵廠(chǎng)、化工領(lǐng)域的生產(chǎn)中都需要對大量數據進(jìn)行現場(chǎng)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、低成本的數據采集與控制系統。

為了方便地實(shí)現溫度采集與控制系統，筆者選用msc1201作為系統的mcu。msc1201是的德州儀器（ti）新推出的一款低噪聲、低成本數據采集微處理器，它具有的增強型8051內核，執行速度比標準8051內核快3倍，而功耗卻更低，msc1201中的adc的防噪性能為75nv，比市場(chǎng)上大多數獨立式adc都好，此外，msc1201的adc還可在功耗僅為3mv時(shí)達到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)異的數據采集控制系統。

比值設計的恒溫箱溫度控制系統的結構框圖如圖1所示。該恒溫箱主要用于電子設備的高溫實(shí)驗。通過(guò)小鍵盤(pán)設定實(shí)驗溫度和時(shí)間，達到定時(shí)后并能發(fā)出警告，箱體打開(kāi)后啟動(dòng)風(fēng)扇散熱，為了使溫度控制更加準確，在箱體內采用多點(diǎn)測溫，同時(shí)為了保證電子設備的均勻受熱，設計中采用步進(jìn)電機帶動(dòng)托盤(pán)使待測物在箱內轉動(dòng)，并在定時(shí)結束時(shí)停止轉動(dòng)。在恒溫箱工業(yè)時(shí)，箱內溫度通過(guò)數碼管顯示。定時(shí)剩余時(shí)間也通過(guò)數碼管顯示。

2 msc1201型微處理器

本設計采用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(shí)功耗為3mw。具有工業(yè)級的工業(yè)溫度范圍即－40℃－＋125℃。

模擬特性包括數據采集精度達到24位無(wú)損采集，工業(yè)頻率為10hz時(shí)有效分辨達到22位；片內可編程增益控制，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，極小的偏差漂移（0.02ppm/℃），放大漂移（0.5ppm/℃）使得系統具有較強的溫度適應能力。

數字功能包括具有與8051兼容的增強型處理器內核；擁有1kb自舉rom、256字節數據sram、4kb閃存具有安全保護措施；存儲器讀/寫(xiě)循環(huán)可達100萬(wàn)次，保存100年。

外部特征包括有16個(gè)通用i/o引腳、1個(gè)32位累加器、2個(gè)16位定時(shí)/計數器、可編程看門(mén)狗定時(shí)器、全雙工usart、spi、i2c接口；空閑狀態(tài)下消耗電流小于200μa，停止狀態(tài)下電流小于100na；中斷源多達20個(gè)，可以滿(mǎn)足一般工業(yè)現場(chǎng)的控制要求。msc201的結構框圖如圖2所示。

3 溫度采集系統的硬件組成
通常，為了組成一種溫度控制系統，采用如圖3所示的模塊化設計。
由圖3可見(jiàn)，從傳感器到cpu還有許多環(huán)節需要系統設計者來(lái)設計。但是采用msc1201型微處理器后許多環(huán)節就可以省略。如圖中虛線(xiàn)包含的部分，處理器自身已經(jīng)包含這些中間處理過(guò)程，只要設置相關(guān)寄存器就可以調整它們的參數。

3.1 溫度傳感器

在許多溫度采集系統中用熱敏電阻器作為測溫器件，然后通過(guò)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(lái)保存表格數據且會(huì )增加代碼長(cháng)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(xiàn)性使其高溫段和低溫段的測量誤差變化較大，而在多點(diǎn)測量時(shí)對每一種器件都要單獨調零，因而在應用時(shí)有許多局限。

在筆者設計的溫度檢測系統中，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(xiàn)性變化的規律給應用帶來(lái)很大方便，應用ad590時(shí)電源電壓的變化也會(huì )影響電流輸出，但電源電壓高時(shí)影響會(huì )小一些，因此電源電壓適當調高，圖4示出ad590與msc1201的連接，其中，
vout＝i/（t）×r＝273.2nv×（r1＋vr1）＋t×（r1＋vr1） （1）
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：
v（t）＝i（t）×（r1＋vr1）＝2.732v＋t×（r1＋vr1） （2）
圖4中r1與vr1串聯(lián)，通過(guò)調節vr1的阻值來(lái)獲得10kω的電阻值。沒(méi)有直接使用10kω的電阻器是為了提高系統測量精度。

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端引入2.732v參考電壓即可得到隨攝氏溫度線(xiàn)性變化的輸出電壓。如圖4所示，調節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(xiàn)性變化的輸入信號。若設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(kāi)關(guān)

輸入多路選擇開(kāi)關(guān)屬于msc1201的內置功能模塊，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端輸入，并可通過(guò)交換差分輸入的正負端來(lái)消除誤差，在本系統中選用ain0輸入ad590的輸出電壓v（t），將2.732v作為差分信號負端輸入到ain1，msc1201可以自動(dòng)檢測這些信號輸入引腳是否開(kāi)路或短路。

另外，該電路還可以檢測自身溫度，當輸入多路選擇開(kāi)關(guān)的配置寄存器全部設為1時(shí)，電路內的測溫二極管就連接到adc的輸入端，此時(shí)其余輸入通道開(kāi)路，這有利于器件自身的保護，當芯片溫度過(guò)高時(shí)，可以通過(guò)強制電路進(jìn)入空閑模式使系統降溫。

通道可以通過(guò)寄存器admux來(lái)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內置可編程增益放大器（pga）的增益可以設為1、2、4、8、32、64、128。通過(guò)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(shí)，若pga增益設為1，則adc最小分辨率為1.5μv；當pga增益設為128、信號電壓范圍為±19mv時(shí)，adc的分辨率為75nv，改變pga增益會(huì )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(huì )對輸入信號產(chǎn)生影響。放大器的放大倍數由寄存器adcon0的低3位確定。

3.4 信號調理

在溫度檢測中，輸入環(huán)節會(huì )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的影響，需要對輸入信號進(jìn)行調理。

3.4.1 adc補償

通過(guò)使用寄存器odac，pga的模擬輸出可以獲得最高能夠達到測量電壓范圍一半的偏移補償。寄存器odac是8位，最高位為符號位，表示補償的正負，其余7位表示補償的大小。由于odac引入的只是對pga的模擬補償，因此并不影響adc的測量范圍。

3.4.2 adc校準

基于msc1201/02的數據采集系統的偏移和增益誤差可以通過(guò)校準來(lái)減小。寄存器adcon1的cal2：cal0可控制校準。每次校準需要7個(gè)tdata（數據采集時(shí)間）周期來(lái)完成。

完成校準必須在輸入端施加信號，再由器件計算出偏移量以補償系統偏差。在進(jìn)行系統偏移校正時(shí)，需要輸入0v或很小的電壓信號，并讀取輸出結果，如果結果為正，說(shuō)明轉換中存在正偏移誤差，應在結果中減去該偏移量。反之，如果結果為負，就要加上該偏移量。

系統增益校準需要輸出滿(mǎn)量程信號，并測量輸出結果來(lái)實(shí)現增益校準。增益校準實(shí)際上就是調整放大器的輸出信號斜率以補償實(shí)際輸出與理想輸出的誤差。
系統上電后就要進(jìn)行校準，而在電源電壓、參考電壓或pga增益發(fā)生變化時(shí)要重新進(jìn)行校準。當校準完成時(shí)，adc的中斷標志位變?yōu)楦唠娖?，在程序中可通過(guò)檢查該位來(lái)判斷校準是否完成，若校準完成，此時(shí)輸入數據才有效。

3.5 a/d轉換

在a/d轉換中的調制器是二階系統，調制器工作頻率為fmod，該頻率與faclk有關(guān)，而faclk可以在模擬時(shí)鐘寄存器（aclk）中設置，其關(guān)系式如下：

fmod＝fclk/[（aclk+1）64]＝faclk/64 （3）
整個(gè)a/d轉換的數據輸出率為：
fdata＝fmod/數據抽取率 （4）
數據抽取率從a/d轉換結果中取得數據的比率，如抽取率為10中取1，其含義就是調制器最近輸出的10個(gè)數據進(jìn)行處理（如取平均值），其結果就作為本次a/d轉換的結果。這里的處理工作是由數字濾波器完成的。

a/d轉換在缺省條件下使用內部2.5v作為參考電壓，此時(shí)agnd引腳必須連接refin－引腳。而refout/refin＋引腳應該通過(guò)1只0.1μf的電容器接地，同時(shí)電容器應盡量靠近引腳，msc1201也可以使用外部參考電壓，需要通過(guò)adc控制寄存器adcon0來(lái)進(jìn)行選擇。

3.6 數字濾波

數字濾波可以使用快速設置濾波器、sinc2或sinc3濾波器。
為了使系統的a/d轉換具有低噪聲、響應快速的優(yōu)點(diǎn)，筆者按以下策略來(lái)選擇濾波通道：當數據輸入通道改變時(shí)，系統將在接下來(lái)的2次轉換中使用快速設定濾波器，而其中第一次的轉換結果又將舍棄。緊接著(zhù)依次使用sinc2或sinc3濾波器以改善噪聲性能。

3.7 cpu

msc1201內置的flash具有100萬(wàn)次的讀寫(xiě)次數，數據可以保存100年，可以自由地在flash中劃分數據存儲區和程序存儲區。msc1201擁有自舉rom，256字節ram、128字節特殊功能寄存器，具有4組bank工作寄存器，當前程序只使用一組bank寄存器。通過(guò)改變當前bank寄存器可以快速切換程序上下文環(huán)境。這些設計極大方便了系統的設計。

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(shí)鐘的情況下它的指令執行速度比標準51型處理器快1.5－3倍，在使用相同的代碼和外部時(shí)鐘的情況下該處理器的吞吐量比標準51型處理器高2.5倍。
因此，工作于33mhz的msc1201處理器運行能力等于工作于82.5mhz的8051核，這將有助于設計者降低處理器的運行頻率，降低系統功耗并減小系統噪聲。

3.8 顯示模塊

作為系統輸出，采用2個(gè)sr120281型4位7段式led模塊顯示檢測到的溫度和定時(shí)剩余時(shí)間。該模塊含4個(gè)數碼管，采用共陰極連接。模塊中4位數碼管的陽(yáng)極引腳并聯(lián)，通過(guò)陰極選擇需要點(diǎn)亮的數碼管。led的陽(yáng)極驅動(dòng)采用motorola公司的mc14495型譯碼驅動(dòng)器來(lái)完成，利用bic－8718型驅動(dòng)電路產(chǎn)生4位數碼管的位選擇信號。每次點(diǎn)亮1位數碼管，通過(guò)選擇適當的選通順序，利用人的視覺(jué)殘留即可得到1次顯示中4位數碼管同時(shí)點(diǎn)亮的效果。

4 溫度控制系統的軟件設計

系統軟件的復雜度與其所要完成的任務(wù)密切相關(guān)。本系統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(kāi)關(guān)、風(fēng)機的開(kāi)關(guān)和帶動(dòng)托盤(pán)旋轉的步進(jìn)電機等。使用者通過(guò)按鍵設定恒溫箱的工作溫度和工作時(shí)間，定時(shí)到時(shí)，加熱器關(guān)閉并告警。還有一些顯示控制及對小鍵盤(pán)輸入的響應處理。其程序包含以下幾部分：鍵盤(pán)掃描子程序、溫度信號采集子程序、顯示控制子程序、電機控制子程序、繼電器控制子程序和通信子程序。圖5所示是系統的軟件流程。

5 pc與溫度控制系統的通信

對于一種溫度采集與控制系統，實(shí)驗完畢后可能要使用實(shí)驗數據，當需要對現場(chǎng)數據進(jìn)行更加復雜的數學(xué)分析運算和對數據進(jìn)行海量存儲時(shí)，與pc主機的通信非常重要。筆者利用max232電路實(shí)現系統與pc主機的串行通信，并設計了上位機軟件。pc主機每隔30s與下位機通信一次以獲得溫度數據，并將這些數據存入access數據庫中，便于日后查詢(xún)。

利用vc完成上位機軟件，在vc中通過(guò)使用mscomm控件來(lái)完成串口通信，在接收到數據后通過(guò)dao方法訪(fǎng)問(wèn)數據庫實(shí)現對數據的存儲、查找、排序等操作。由于篇幅限制，具體過(guò)程恕不贅述。

6 結束語(yǔ)

基于msc1201型微處理器的溫度數據采集與控制系統采用了新型處理器，在應用中節省了大量的硬件設計工作，縮短了設計周期，以較小的成本完成了多點(diǎn)溫度數據的實(shí)時(shí)采集與控制。