?????? 本文主要進行了一個超聲儀的控制系統(tǒng)的研究詳細介紹了控制器的軟硬件設(shè)計

?????? 采用了TI公司的MSP430單片機作為控制器的核心器件滿足目前儀器設(shè)計中低功耗、高度集成化和小型化的發(fā)展趨勢PC機的監(jiān)控軟件用VC++6.0開發(fā)單片機的程序用C設(shè)計通過RS-232C實現(xiàn)PC機和單片機的串口通信進而實現(xiàn)了控制器對超聲儀的控制功能

????? 1 引言

?????? 隨著計算機技術(shù)、微控制器和超聲技術(shù)的不斷發(fā)展超聲儀器的發(fā)展也十分迅速有著廣泛的應用和發(fā)展市場超聲學應用技術(shù)主要有兩個方面即功率超聲和檢測超聲由于功率超聲處理技術(shù)具有許多特點與其它處理技術(shù)比較能極大地提高處理速度和效率提高處理質(zhì)量和完成一般技術(shù)不能完成的處理工作本文的主要任務是研究應用于功率超聲儀的控制系統(tǒng)并對其的工作過程和工作狀態(tài)進行測控其主要功能包括:①調(diào)節(jié)驅(qū)動脈沖的占空比;②控制超聲儀運行時序;③ 檢測信號源頻率

????? 2 超聲儀控制系統(tǒng)框圖

?????? 超聲儀控制系統(tǒng)用于控制超聲儀的工作并檢測其信號源的頻率全要由PC機和超聲儀控制器組成控制器為一個智能測控儀器由MSP430單片機及其外圍電路組成PC機和MSP430單片機通過RS232-C完成串口通信控制系統(tǒng)框圖如圖l系統(tǒng)采用異步串行通信方式以RS-232C全雙工傳輸方式實現(xiàn)PC機和單片機之間的數(shù)據(jù)傳送從而達到PC機對單片機進行控制的目的實現(xiàn)超聲儀控制系統(tǒng)控制功能

圖1 超聲儀控制系統(tǒng)框圖

?????? 3 超聲儀控制系統(tǒng)硬件詳細設(shè)計

?????? 控制系統(tǒng)硬件部分由PC機和超聲儀控制器組成PC機選擇常用的微機即可滿足要求超聲儀控制器的設(shè)計是這個系統(tǒng)的核心整個控制器的硬件電路由MSP430及其接口電路組成

???? ? 1、電平轉(zhuǎn)換電路由于MSP430單片機的串門電平是TTL電平TTL電平特性與RS232的電氣特性不匹配為了使MSP430單片機的串口能與 RS-232C接口通信必須將串行口的電平進行轉(zhuǎn)換本系統(tǒng)中異步通信接口電路采用新型的電平轉(zhuǎn)換器件MAX3233EMAX3233E芯片內(nèi)部有一個電源電壓變換器可以把輸入的+3.3V電源電壓變換成為RS-232C輸出電平所需的±12V電壓采用此芯片接口的串行通信系統(tǒng)只需單一+ 3.3V電源

?????? 2、電源與晶振電路主要由7805和LM317組成集成三端穩(wěn)壓器7805的輸出端和共地端之間始終保持5V的穩(wěn)定電壓即7805的輸出電流在內(nèi)部電阻上的壓降始終是5V所以只要內(nèi)部電阻被確定7805的輸出電壓就確定并保持非常穩(wěn)定LM317L是可調(diào)整的三端正電壓穩(wěn)壓器在輸出電壓范圍為1.2伏到37伏時能夠提供超過100毫安的電流對于一個高可靠性的系統(tǒng)設(shè)計晶體的選擇非常重要尤其是設(shè)計帶有睡眠喚醒(往往用低電壓以求低功耗)的系統(tǒng)本電路選用8M和32768兩個外部晶振

?????? 3、復位與PWM輸出電路系統(tǒng)復位電路的設(shè)計一定要使系統(tǒng)能夠充分復位在各種復雜情況下穩(wěn)定可靠地工作復位性能不好會影響系統(tǒng)的正常運行本系統(tǒng)采用常用的上電復位電路能保證有充分的低電平時間由MSP430單片機的P4.3管腳輸出占空比和頻率可調(diào)的PWM波形輸出的信號經(jīng)施密特觸發(fā)器SN7414脈沖整形后再經(jīng)光耦TPL521隔離然后由J6的1腳輸出在MSP430中就是采用CCRO來控制周期T而用與定時器對應的CCR3 寄存器來控制可變占空比

?????? 4、開關(guān)量輸出電路PC機發(fā)出命令單片機由串口接收到PC機的指令然后執(zhí)行相應的操作完成由P1.4管腳輸出高低電平時間可以調(diào)整的開關(guān)量信號輸出的信號經(jīng)SN7414脈沖整形后再經(jīng)光耦TPL521隔離由J6的4腳輸出為了保證MSP430單片機系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性及更好地避免外界信號的干擾用TPL521對輸入輸出信號進行電氣隔離在光耦的4腳接上拉電阻起到加大驅(qū)動能力和抗干擾的作用電路圖如2所示

?圖2 整形電路與光耦隔離電路

???? (a) 7414整形電路?????????????????????????????

???? (b) 光耦隔離電路

?????? 5、頻率檢測與JTAG接口電路該檢測電路用于檢測外來頻率信號信號經(jīng)由J5的4腳輸入3腳接地該信號由7414整形后送入149的 P1.2管腳當頻率檢測命令到來時用看門狗打開P1.2管腳的中斷功能看門狗作定時器P1.2管腳每發(fā)生一次管腳中斷就計數(shù)一次當一秒的時間到時看門狗就關(guān)掉P1.2管腳的中斷功能這樣得到的數(shù)值就是檢測到的頻率值將可編程接口與MSP430對應的引腳相接接口另一端接JTAG仿真器 就可以實現(xiàn)在線編程向電路板上MSP430重新下載程序

?????? 6、液晶顯示控制電路設(shè)計單片機通過向液晶顯示控制器寫入指令及其參數(shù)來實現(xiàn)對顯示效果的控制液晶顯示控制器控制部的主要工作是將單片機寫到顯示存儲器的數(shù)據(jù)以某種形式傳給液晶顯示驅(qū)動系統(tǒng)僅有驅(qū)動系統(tǒng)是不能實現(xiàn)液晶顯示器件顯示的還需要有控制電路提供驅(qū)動系統(tǒng)所必須的掃描時序信號和顯示數(shù)據(jù)SED1335液晶控制板是用于單片機與液晶模塊之間控制的控制板它接收來自單片機的指令和數(shù)據(jù)并產(chǎn)生相應的時序及數(shù)據(jù)控制液晶模塊的顯示可用于所有適合SED1335的液晶模塊SED1335硬件分為:CPU接口部、內(nèi)部控制部和驅(qū)動LCD的驅(qū)動部如圖3所示

圖3 SED1335硬件原理圖

?????? 4 超聲儀控制軟件設(shè)計

?????? 超聲儀控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計分為兩部分包括PC機監(jiān)控軟件設(shè)計和單片機程序設(shè)計PC機監(jiān)控軟件采用功能強大的VC進行開發(fā)主要考慮到控制功能的復雜性和靈活性單片機程序設(shè)計在一個新型的開發(fā)平臺上進行的

?????? 4.1 PC機監(jiān)控軟件設(shè)計

?????? PC機監(jiān)控軟件是控制系統(tǒng)的管理軟件它根據(jù)我們提出的控制系統(tǒng)的技術(shù)要求來負責發(fā)出相應的命令控制控制器進行相應的操作進而控制超聲儀的工作作為智能測控系統(tǒng)其強大的控制功能及控制的靈活性都離不開軟件的支持在本程序異步通信中收、發(fā)雙方必須事先規(guī)定兩件事:一是字符格式即規(guī)定字符各部分所占的位數(shù)是否采用奇偶校驗以及校驗的方式(偶校驗還是奇校驗)等的通信協(xié)議;二是采用的波特率以及時鐘頻率和波特率的比例關(guān)系

?????? PC機監(jiān)控軟件包括以下幾個程序:開關(guān)量輸出開始開關(guān)量輸出暫停開關(guān)量輸出時間調(diào)節(jié)PWM信號輸出PWM信號停止PWM頻率調(diào)節(jié)PWM占空比調(diào)節(jié)實時頻率檢測間斷頻率檢測選定程序運行時刻退出程序運行下面是它的軟件框圖4

圖4 PC機監(jiān)控軟件框圖

?????? 4.2 單片機程序設(shè)計

?????? 單片機的程序由主程序和若干子程序組成程序用C語言編寫實現(xiàn)了串口通信、開關(guān)量輸出、PWM信號輸出、頻率檢測及液晶顯示的功能由于篇幅限制此處僅介紹主程序與PWM輸出程序

?????? 1、單片機的主要任務是接收PC機發(fā)來的數(shù)據(jù)并作相應的回應當單片機一旦接收到一個數(shù)據(jù)立刻根據(jù)所得數(shù)據(jù)進行判斷以決定需要進行什么操作當操作完成之后向PC機返回一些數(shù)據(jù)以報告所操作器件當前的運作狀態(tài)然后再回到數(shù)據(jù)的檢測循環(huán)中去單片機采用中斷方式接收和發(fā)送數(shù)據(jù)主程序中先進行初始化當F1agWord的0位非0時即檢測到有數(shù)據(jù)的接收然后進入CommandProcess流程完成各個子程序的功能;當檢測到 FdetectDone(頻率檢測完成)信號時調(diào)用SendOut函數(shù)將檢測到的頻率值送給PC機和LCD框圖如圖5

圖5 主程序框圖

??????? 2、單片機的程序中PWM-Propo_ Adj、PWM-Frequ_ Adj函數(shù)分別完成占空比和頻率的調(diào)節(jié)占空比從0到100可調(diào)頻率從0.1到10Hz可調(diào)程序中采取增計數(shù)模式輸出模式3 (PWM置位/復位)這種輸出模式輸出在TBR的值等于TBCCR3時為高電平直到TBR的值增加到TBCCR0我們定義高電平的占空比為 ProportionProportion/100=(TBCCR0-TBCCR3)/TBCCR0TBCCR3= TBCCR0* (100-Proportion)/100

???????頻率調(diào)節(jié)采取分段調(diào)節(jié)的方法在1-10Hz步長為1采用時鐘頻率為32768 Hz;在0.5-0.9步長為0.1采用時鐘頻率32768 Hz;在0.1-0.4步長為0.1將時鐘頻率32768Hz經(jīng)過8分頻方能滿足要求以上兩點是程序中值得注意的技巧具體分析如下:選用時鐘頻率為 32768 Hz時如果要輸出的頻率值為1Hz則TBCCRO中的值為32768那么如果要輸出的頻率值

???????為2Hz則TBCCRO中的值為32768/2在本程序中單片機根據(jù)PC機滑塊的位置變化來控制輸出PWM信號的頻率值

???????本文作者創(chuàng)新點

???????本文進行了基于MSP430的超聲儀控制系統(tǒng)研究主要利用MSP430系列單片機開發(fā)工具進行了單片機的程序設(shè)計完成了一個智能測控系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計通過整個系統(tǒng)的研究體現(xiàn)了MSP430FLASH系列單片機的特點適合用在低功耗場合和小型化儀器中