基于Atmel控制器和在系統(tǒng)可編程技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)字儀表系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)

Atmel公司的控制器以其集成度高、在線調(diào)試方便等特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于工程實(shí)踐領(lǐng)域，文中以某武器系統(tǒng)的前期預(yù)研為背景，討論了數(shù)字儀表系統(tǒng)的軟硬件實(shí)現(xiàn)過(guò)程，其主要功能包含：實(shí)時(shí)采集配電箱系統(tǒng)的6路正負(fù)模擬電壓值及作戰(zhàn)環(huán)境溫度，并通過(guò)MSl2232B型液晶模塊動(dòng)態(tài)式顯示。

1 軟件特性

隨著C語(yǔ)言在嵌入式系統(tǒng)中的廣泛運(yùn)用，軟件系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、復(fù)雜性設(shè)計(jì)要求也越來(lái)越高，用通常的單任務(wù)無(wú)限循環(huán)結(jié)構(gòu)與中斷服務(wù)子程序相配合的編程思想已難以完成相關(guān)的軟件設(shè)計(jì)或?qū)崿F(xiàn)較為困難，RTOS（多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)）是現(xiàn)階段較為流行的處理方式。

RTOS的基本設(shè)計(jì)思想是將多種系統(tǒng)輸入和處理要求，按功能做成不同的任務(wù)函數(shù)體，并分配適當(dāng)?shù)膬?yōu)先級(jí)，參考Windows系統(tǒng)的多線程處理機(jī)制，將CPU執(zhí)行時(shí)間劃分成若干區(qū)段，每個(gè)任務(wù)函數(shù)體對(duì)應(yīng)一個(gè)時(shí)間片段．在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)執(zhí)行完后允許切換到另一個(gè)任務(wù)，因各時(shí)間段非常短，表現(xiàn)的是多任務(wù)實(shí)時(shí)處理特性。因?yàn)槿蝿?wù)并非同時(shí)執(zhí)行且具備跳轉(zhuǎn)特性，所以整個(gè)項(xiàng)目管理文件內(nèi)可以有多個(gè)無(wú)限循環(huán)結(jié)構(gòu)，且省略了main入口函數(shù)，這是RTOS最大的特色。文中以Keil集成開(kāi)發(fā)環(huán)境為平臺(tái)，利用RTX5l Tiny版本來(lái)完成整個(gè)軟件設(shè)計(jì)過(guò)程。

ISP（在系統(tǒng)可編程）是一種適合Atmel系列器件的Flash技術(shù)，通過(guò)PC的LPT標(biāo)準(zhǔn)并行接口，能實(shí)時(shí)地將Intel格式的源程序代碼下載到微控制器的相應(yīng)存儲(chǔ)區(qū)域。ISP的最大特點(diǎn)是簡(jiǎn)化了調(diào)試過(guò)程，提高了軟件系統(tǒng)的可維護(hù)性，使其具備了在線升級(jí)特性。而且整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程省去了反復(fù)插拔電路的操作。

2 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

本系統(tǒng)硬件主要包括如下幾個(gè)模塊：AT89S52型主控制器、ADC0809型模／數(shù)轉(zhuǎn)換、MSl2232B型液晶顯示器、溫度傳感器及語(yǔ)音報(bào)警等。其中AT89S52型微處理器主要完成外圍器件的硬件控制及相關(guān)數(shù)據(jù)解算，ADC0809采集6路模擬信號(hào)并輸入主控制器，MSl2232B完成數(shù)字及相關(guān)標(biāo)識(shí)字符的顯示，配電系統(tǒng)的電壓波動(dòng)超出預(yù)定指標(biāo)時(shí)由語(yǔ)音模塊給出相應(yīng)的報(bào)警信息。

2.1 主控制器模塊

主控制器是Atmel公司生產(chǎn)的AT89S52型單片微控制器，與常規(guī)C51系列相比，其突出特點(diǎn)是具有8KB閃速式存儲(chǔ)器（降低了對(duì)外擴(kuò)存儲(chǔ)器的要求）、256B RAM內(nèi)存（可容納更多局部變量）、8個(gè)中斷源及ISP在線可編程特性。

2.2 液晶顯示模塊

MSl2232B屬于圖形點(diǎn)陣系列的顯示器件，具有雙行顯示功能，其點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)為122×32，通過(guò)AT89s52給出必要的數(shù)據(jù)和指令來(lái)操作MSl2232B主、輔控制器，從而完成圖形、字符等相關(guān)信息的顯示。該液晶顯示模塊還具有較強(qiáng)的通用性．用戶用少量元件就可以構(gòu)成一個(gè)完整的LCD系統(tǒng)。電路連接如圖1所示。

2.3 A／D數(shù)據(jù)采集模塊

由于本系統(tǒng)涉及多路模擬信號(hào)，故選擇了AD（20809型通用模／數(shù)轉(zhuǎn)換器，它采用逐次逼近方式完成A／D轉(zhuǎn)換過(guò)程，其片內(nèi)帶有8路模擬開(kāi)關(guān)，能自動(dòng)鎖存信號(hào)，輸入電壓范圍是0V～+5V，因?yàn)樵撈骷妮敵鼍哂?TrL三態(tài)鎖存緩沖器結(jié)構(gòu)，所以可以直接連人單片微控制器的I／O口。相關(guān)的接口連接如圖2所示。

需要說(shuō)明的是，在本系統(tǒng)6路電源信號(hào)中只有一路負(fù)電源信號(hào)符合ADC0809 0V～5v的輸入特性，因此必須配備相應(yīng)的反相電路，則通過(guò)LM358型運(yùn)算放大器來(lái)完成。利用LM358還可以擴(kuò)展監(jiān)測(cè)范圍（以降低測(cè)量精度為前提），這對(duì)于精度要求不太高的場(chǎng)合是可行的。圖2中PC817型光耦用于檢測(cè)負(fù)電壓信號(hào)，當(dāng)IN4為低電平信號(hào)時(shí)對(duì)應(yīng)負(fù)電壓信號(hào)，此時(shí)在MSl2232B的相應(yīng)行位置給出“-”號(hào)標(biāo)志，這不僅解決了正負(fù)電壓同行顯示的兼容性問(wèn)題，而且減少了軟件設(shè)計(jì)量（由6路簡(jiǎn)化為3路），同時(shí)使系統(tǒng)實(shí)時(shí)性相應(yīng)提升。

2.4 溫度傳感器模塊

DS18820是Dallas公司推出的l—Wire式數(shù)字溫度傳感器，它能實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的溫度數(shù)據(jù)，并將相應(yīng)的值轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸出。該溫度傳感器與AT89S52的連接如圖3所示。

2.5 語(yǔ)音報(bào)警模塊

該模塊主要實(shí)現(xiàn)異常情況下告警信息的輸出，只要配電箱電壓信號(hào)的波動(dòng)值超出一定的范圍，音頻告警裝置即給出不同的頻率信號(hào)使蜂鳴器發(fā)聲，以提示相關(guān)操作人員注意。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

按RTOS系統(tǒng)的程序結(jié)構(gòu)要求，軟件工程主要由如下4部分組成：初始化、數(shù)據(jù)采集與A／D轉(zhuǎn)換、顯示子程序、溫度監(jiān)測(cè)與告警模塊。

如果將初始化設(shè)置為任務(wù)0，那么除了要完成相應(yīng)的硬件配置與變量賦初值外，還必須啟動(dòng)所有其他任務(wù)，另外，因?yàn)槌跏蓟^(guò)程只須進(jìn)行一次，所以Task 0還應(yīng)當(dāng)刪除其自身。具體的程序代碼如下所示：

void Init（void）_task_Intia l

{

variable=0；

LcdInitialO；

ClrScreenO；

0s_create_task（AI）C0809I）ata）；

os_create_task（DS18820Temperate）；

0s_create_task（LCMI）ISPlay）；

0s_delete_task（Intial）；

}

其中相關(guān)的宏定義變量值為：

#define Intial O

#define ADC0809Data 1

#define DSl 8820Temperate 2

#define LCMDisplay 3

在Keil集成開(kāi)發(fā)環(huán)境下調(diào)試本程序時(shí)，除了要包括相應(yīng)的頭文件（rtx51tny．h）外，還必須設(shè)置好相應(yīng)的環(huán)境參數(shù)值。

3.1 數(shù)模轉(zhuǎn)換子程序

數(shù)據(jù)采集與A／D轉(zhuǎn)換子程序主要對(duì)配電箱傳來(lái)的模擬信號(hào)進(jìn)行采樣、量化及返回值處理。軟件編程時(shí)的電氣時(shí)序及相關(guān)技術(shù)要求如圖4所示。

在時(shí)序圖中，上升沿清空量化結(jié)果寄存器內(nèi)的值，下降沿啟動(dòng)，A／D轉(zhuǎn)換；采樣啟動(dòng)脈沖的高電平狀態(tài)至少應(yīng)維持100μs；EOC變?yōu)榈碗娖奖硎巨D(zhuǎn)換過(guò)程正在進(jìn)行，且啟動(dòng)信號(hào)的硬件遲滯效應(yīng)時(shí)間至少應(yīng)為10μs；MSB對(duì)應(yīng)AT89S52并口的：P0.7，LSB對(duì)應(yīng)P0.0。

關(guān)鍵部分的程序源代碼及注釋如下：

unsigned int AI）C0809（void）

{

unsigned int wait=“3”；

ChannelChooseA=1；

ChannelChooseB=0；

ChannelChooseC=0；

ADStartPulse=0；

ADStartPulse=1；//產(chǎn)生A/D轉(zhuǎn)換的啟動(dòng)脈沖

（上升沿部分）

delay（）；／／保證啟動(dòng)脈沖的高電平寬度

至少大于100μs

ADStartPulse=0；／／產(chǎn)生A／D轉(zhuǎn)換的啟動(dòng)脈沖

（下降沿部分）

wait--；

wait--； ／／指令延時(shí)以保證達(dá)到：EOC

變?yōu)榈碗娖剿璧挠布t滯要求。

‘whilefADConvertEOC==0）：

return（Result）；／將A／［）轉(zhuǎn)換后的量化值返

回到主函數(shù)中。

}

3.2 液晶顯示模塊

MSl2232B型圖形點(diǎn)陣液晶顯示（LCM）模塊左右分為Master和Slave控制器，上下共分4頁(yè)，左邊列地址為0-61，右邊列地址為0-61，對(duì)該器件的操作關(guān)鍵是按時(shí)序圖正確配置好主、輔控制器的工作狀態(tài)。利用AT89S52訪問(wèn)LCM時(shí)有二種常用的方法，即存儲(chǔ)器映射寄存器尋址和模擬接口時(shí)序，本系統(tǒng)采用后一種方法。主要函數(shù)模塊源代碼分析：

void MasterWriteD（unsigned char Ramdata）

//向Master控制器寫(xiě)數(shù)據(jù)

{

ReadOrWrite=0；

InstructionOrData=1；

MasterEl=1；

P0=Ramdata；

MasterEl：0；

}

void MasterWriteI（unsigned char Ramdata）

//向Master控制器寫(xiě)指令

{

ReadOrWrite=0；

InstructionOrData=0；

MasterEl=1；

P0=Ramdata；

MasterE1=O;

}

void ReadState（void） //檢測(cè)主、輔控制器工作狀態(tài)

{

ReadOrWrite=1；

InstructionOrData=0；

MasterEl=1：

SlaveE2=1；

PO=0xff；

while（BusStateBusy==1）；

}

void SetPage（unsigned char page0，unsigned char pagel）

{

MasterWriteI（0xb8 | pagel）；

SlaveWriteI（0xb8 | page0）；

}

void SetColumn（unsigned char address0，unsigned char addressl）

{

MasterWriteI（0x3f & addressl）；

SlaveWfiteI（0x3f & address0）；

}

／／在主控制器操作的左邊LCM屏上顯示一列信息（由8個(gè)像素點(diǎn)構(gòu)成）

void MasterPutChar（unsigned char masterchar）

{

ReadState（）；

MasterWriteD（masterchar）；

}

一般說(shuō)來(lái)。AT89S52的RAM存儲(chǔ)空間是有限的，而圖形或字符的點(diǎn)陣代碼（可以下載相關(guān)的應(yīng)用插件，由．bmp文件或字符自動(dòng)生成）如果太大，放置到RAM區(qū)會(huì)出現(xiàn)內(nèi)存不足的告警提示，為此可按如下方式處理：

unsigned char code Dotn［］=lOxOO，Ox00，0x30，

0x00，0x30，Ox00，Ox00，0x00}；

即將點(diǎn)陣代碼通過(guò)code關(guān)鍵字限定后放于ROM區(qū)域內(nèi)。

3.3 DS18820的1-Wire子程序

DS18820的突出優(yōu)點(diǎn)是將現(xiàn)場(chǎng)采集的環(huán)境溫度直接以數(shù)字形式輸出，這樣可以省去后續(xù)的信號(hào)放大及模／數(shù)轉(zhuǎn)換部分，構(gòu)建外圍電路的元件少且相對(duì)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)成本低廉；1-Wire接口與AT89S52通信，其結(jié)構(gòu)便于多點(diǎn)測(cè)量且易于擴(kuò)展；測(cè)溫范圍寬（-550℃～1250℃）且精度高。

對(duì)l-Wire的操作關(guān)鍵是軟件時(shí)序的處理，對(duì)于不同的晶體振蕩器其延時(shí)參數(shù)是不同的，本系統(tǒng)以12MHz為例給出如下主要程序代碼：

bit DallassReset（void）

{

unsigned char presence=“0”；

DallassDataout=1; ／／發(fā)出復(fù)位脈沖前先釋

放總線

delay（10）；

DallassDataout=0；

delay（240）；／／保證延時(shí)在4801μs～9601μs之間

DaUassDataout=1；

delay（35）；

Dresence=DallassDataout；

delay（60）；

return（presence）；

}

//寫(xiě)時(shí)序從主控制器把總線拉低時(shí)開(kāi)始

void writeCommand（unsigned char command）

{

unsigned char count；

for（count=O；count＜8；count++）

{

DallassDataout=0；

if（command&0x01==1）

{

DallassDataout=1；

／／寫(xiě)“1”時(shí)序在將總線拉低后，AT89S52主控制器必須在15μs內(nèi)釋放總線，所以此語(yǔ)句之前不能有較長(zhǎng)時(shí)間的延時(shí)語(yǔ)句

}

delay（35）；／／無(wú)論寫(xiě)“1”還是寫(xiě)“0”時(shí)序都必須有至少601as的低電平 DallassDataout=“1”；//總線恢復(fù)的過(guò)程

command=command＞＞1；

}

}

//讀時(shí)序從主控制器將總線拉低至少1μs后釋放總線的時(shí)刻開(kāi)始

unsigned char readdata（void）

{

unsigned char value；

unsigned char midtemp=“0”；

for（value=0；value＜8；Value++）

{

I DallassDataout=“0”；

midtemp=midtemp＞＞1；

-nop_O；

_nop_O；

DallassDataout=1；

//讀時(shí)序時(shí)，控制器必須在15μs內(nèi)釋放總線，然后采樣總線狀態(tài)，所以此語(yǔ)句之前不能延時(shí)太長(zhǎng)的時(shí)間的延時(shí)語(yǔ)句

if（DallassDataout==1）

{

midtemp=midtemp | 0x80；

／／因?yàn)閙idtemp初始被賦值為0，所以如果采樣總線狀態(tài)為0則不必處理，0會(huì)自動(dòng)被返回

}

delay（35）；

//延時(shí)70μs完成此次Bit

位讀時(shí)序過(guò)程，為下一次讀作準(zhǔn)備

}

return（midtemp）；

}

void delay（unsigned char out）

{

unsigned char in；

for（in=out；in＞O；in--）；

}

4 ISP的結(jié)構(gòu)原理

將ISP功能集成到成型的PCB上就可以實(shí)現(xiàn)程序的實(shí)時(shí)更新與升級(jí)操作，其結(jié)構(gòu)原理如圖5所示，這對(duì)于復(fù)雜工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)顯然是很方便的，也是切實(shí)可行的。

5 結(jié)論

隨著智能儀器儀表技術(shù)的發(fā)展，顯示模塊的液晶化已成為一種較為流行的趨勢(shì)。本文給出的軟硬件設(shè)計(jì)方案已在某武器系統(tǒng)的調(diào)試過(guò)程中得到正確、可靠、穩(wěn)定的運(yùn)行。它不僅克NT模似儀表體積大、故障率高的缺陷，而且由于運(yùn)用了RTOS技術(shù)，使數(shù)據(jù)檢測(cè)的敏捷度得到大幅提升。另外，ISP功能的在線集成也為系統(tǒng)功能的擴(kuò)充預(yù)留了空間。

責(zé)任編輯：gt