高性能无纸记录仪的研制
日期：2008-4-16 0:17:49 来源：Control Engineering China
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1概述
工业上常常需要记录温度、压力、流量等信息，常规模拟记录仪由于功能少、显示单一、需要记录笔的缺点，正被无纸记录仪取代。作为一款以微处理器为核心、集液晶汉字与图形显示为一体，具有无纸记录、实时性好、通用性好、精度高、带通信功能的智能化仪表，其市场广阔。目前许多厂商正将目光聚焦于记录仪的彩屏化、大容量存储、超大屏幕液晶显示等功能；然而对于用户来说，最关心的是精度与可靠性、性价比等仪表的综合性能，因此研究此类问题尤为关键。
2 设计方案
如图1，来自外部传感器的模拟信号（压力、温度、流量等）经过前端处理后进行A/D转换，经过信号隔离后送入单片机完成数据处理，由LCD显示当前的压力、温度、瞬时流量、累积流量等信息。通过键盘操作，可在各界面之间切换，分别显示各通道的实时、历史数据及曲线、报警情况、断电情况,以及每月、日、年度的累积流量。另外，提供通讯功能，可以通过和上位机通过串行口读写参数与运行数据，实现打印等信息交互。
3 硬件组成
如图1，由信号采集、MSP430F149（以下简称430）、液晶显示及键盘、数据存储、实时时钟、通讯等模块组成。
3.1 MSP430F149单片机[1]
MSP430F149是具有60K闪存ROM、2K RAM、 6个端口、2个16位计数器、两路UART通信端口、具有端口和计数等多种中断模式、5种省电模式的高集成单片机，特别适用于复杂仪表系统的开发。
3.2 信号采集模块
外部信号有标准电流、电阻、mV电压、频率信号等。当为模拟量时，为提高测量精度采用了4通道差分输入、自带仪表放大器、滤波器的16位精度、SPI接口的AD 芯片CS5523芯片，通过光耦隔离后和430进行通信。如图2(a)、（b）、(c)分别是输入为电流、热电偶mV电压、热电阻信号时的处理电路。其中当热电阻输入时，采用高精度双路精密电流源REF200提供,最终接入AD 采样端的信号U=UAN+-UAN-=(Rt+2r)I0-(R0+2r)I0=(Rt-R0)I0，可见消除了热电阻导线电阻r的影响，保证了较高的测量精度。当频率输入（如涡街流量计输出）时，采用光耦隔离后输入430的TIMERA计数模块进行脉冲计数。
3.3 液晶显示与键盘模块
采用3V、并口输入128*64点阵形液晶模块JM12864，实现图文的综合显示。采用2*3线接口，共6个按键，分别为前后追忆、通道、时标、确认、翻页，通过弱上拉和430的P2口相连，采用上升沿触发的方式产生中断通知430进行处理。
3.4 数据存储模块
为方便保存仪表参数，了解工艺参数历史，采用了两片EEPROM存储器24C512。一片用于存储通道运行数据，另一片用于分区存储密度、汉字及字符字模数据、系统参数、记录时间、掉电情况等信息，两片存储器通过弱上拉电阻并联于同一总线上。
3.5实时时钟模块
为了记录系统的掉电、当前时刻下的日、月、年累积流量，需要实时时钟信号。这里采用通用ds1302芯片作为时钟信号，由法拉电容作为备份电源。
4 软件设计
4.1 系统主程序及中断
如图3，主程序以检测时间间隔为主线，分别进行流量计算、实时信息记录等操作，同时处理各外部事件。如图4，中断程序检测各种中断（由TIMERB连续计数提供的0.5s采集定时、键盘、通信等中断），进行必要处理后记录此信息，发送标志到主程序等待处理。
4.2 数据采集
将芯片复位,检测并设定Configuration寄存器(包含转换模式、复位标志、放大器截止频率等参数),CSR（Channel-Setup寄存器,包括内部放大器增益、数据传输速率、通道、输入电压极性等设置）后，发送启动转换命令，等待转换完成(完成后SDO线会自动变为0)。需要注意的是在系统在高电平时读数，低电平时锁存数据，必须严格保证系统时序，否则将引起读写错乱。
4.3 流量计算
先根据流量模型（开方、线性等）得出流量计在工业状况下的体积流量,一般需要转化为工业标准状况下的流量,这里根据仪表设置中的流量补偿模式（一般气体，、温度/压力补偿、过热蒸汽、饱和蒸汽等），查表得到密度，计算标准流量，提高精度[2][3]。
4.4 液晶显示
包括数据和曲线显示，是通过将相应液晶点写为1或0(亮或暗)实现的。128列*64行点阵LCD在显示时是以字节方式进行操作的，一次写入1列8行（共8个点），因此在数据显示时，首先要将字符所对应的字模数据，以从左到右、从上到下（列序）的取模方法顺序写入表格中。在显示时查表将字模数据依次写入LCD即可。在显示曲线时，通过两点之间连折 线的方式进行,其过程如图5、图6所示。
4.5 键盘处理
负责界面切换（流量显示、实时/历史曲线、设定模式等界面）、菜单选择、参数设置（包括通道类型、量程、切除、报警设定，流量模型及系数K设定，流量补偿模式及公式参数值设置，通讯参数设置，密码设置，时间设置等）。
5 设计关键
5.1 合理的程序流程
（1）消息机制：系统需要处理的事件较多，有各种中断，若中断处理时间过长，则会使系统不能及时进行其它处理，导致系统错误。如若将流量计算程序置入数据采集定时中断处理程序中时，有时会使系统很难完成正常的串行通信。在此借鉴了WINDOWS系统消息处理机制，如4.1所述，即当系统发生外部中断时，只是进行很少的必要操作，然后将该中断作标记，由主程序空闲时检查此标志。
（2）菜单处理：将菜单按深度进行定位，系统共有三级菜单用Step[3]表示，根据Step[i]值判断当前菜单位置，增强软件的条理性。
5.2 数据存储效率
仪表要记录的通道历史数据较长，在有限的存储空间应高效利用所有存储区域。这里采用记录各通道数
据占通道量程比例的方式来压缩数据，将比例限定在0-65535之间（2个字节，对应0-100%）。对于数据要求不高的场合设定采用1个字节来表示。经多次实验知，可有效拓展记录长度。
5.3 数据运算的速度与精度
（1）虽然430可以进行浮点运算，但运算将会消耗大量资源，而且浮点数一般只能保留7位有效数字，因此在进行大数和小数运算时，会丢失许多有效位，使结果极不准确。笔者采用长整数记录有效数字，字符整数记录小数点位置组合表达数据的方式进行运算，有效提高了速度和精度。
（2）当外部信号为频率输入时，应将TIMERA配置为最大连续计数方式，仅在计数溢出后清除溢出标志，然后根据前后1s内两次脉冲之差（考虑是否溢出）得出脉冲数，否则可能会丢失脉冲。
（3）采集数据的准确性是影响精度的主要因素，必须保证CS5523参考电压的精度，并要求在电源稳定后采样；在进行通道切换后应把第一次转换结果抛弃，否则将会引起很大的干扰误差。即便如此，由于电路噪声、标准电阻使用环境及接线的影响有时还会导致采样不准，此时需要采用CS5523自身的校验方式去除失调电压，并通过软件进入校验模式，采用标准输入信号进行标定。
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1概述
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工业上常常需要记录温度、压力、流量等信息，常规模拟记录仪由于功能少、显示单一、需要记录笔的缺点，正被无纸记录仪取代。作为一款以微处理器为核心、集液晶汉字与图形显示为一体，具有无纸记录、实时性好、通用性好、精度高、带通信功能的智能化仪表，其市场广阔。目前许多厂商正将目光聚焦于记录仪的彩屏化、大容量存储、超大屏幕液晶显示等功能；然而对于用户来说，最关心的是精度与可靠性、性价比等仪表的综合性能，因此研究此类问题尤为关键。
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2 设计方案
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如图1，来自外部传感器的模拟信号（压力、温度、流量等）经过前端处理后进行A/D转换，经过信号隔离后送入单片机完成数据处理，由LCD显示当前的压力、温度、瞬时流量、累积流量等信息。通过键盘操作，可在各界面之间切换，分别显示各通道的实时、历史数据及曲线、报警情况、断电情况,以及每月、日、年度的累积流量。另外，提供通讯功能，可以通过和上位机通过串行口读写参数与运行数据，实现打印等信息交互。
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3 硬件组成
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如图1，由信号采集、MSP430F149（以下简称430）、液晶显示及键盘、数据存储、实时时钟、通讯等模块组成。
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MSP430F149是具有60K闪存ROM、2K RAM、 6个端口、2个16位计数器、两路UART通信端口、具有端口和计数等多种中断模式、5种省电模式的高集成单片机，特别适用于复杂仪表系统的开发。
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3.2 信号采集模块
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外部信号有标准电流、电阻、mV电压、频率信号等。当为模拟量时，为提高测量精度采用了4通道差分输入、自带仪表放大器、滤波器的16位精度、SPI接口的AD 芯片CS5523芯片，通过光耦隔离后和430进行通信。如图2(a)、（b）、(c)分别是输入为电流、热电偶mV电压、热电阻信号时的处理电路。其中当热电阻输入时，采用高精度双路精密电流源REF200提供,最终接入AD 采样端的信号U=UAN+-UAN-=(Rt+2r)I0-(R0+2r)I0=(Rt-R0)I0，可见消除了热电阻导线电阻r的影响，保证了较高的测量精度。当频率输入（如涡街流量计输出）时，采用光耦隔离后输入430的TIMERA计数模块进行脉冲计数。
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3.3 液晶显示与键盘模块
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采用3V、并口输入128*64点阵形液晶模块JM12864，实现图文的综合显示。采用2*3线接口，共6个按键，分别为前后追忆、通道、时标、确认、翻页，通过弱上拉和430的P2口相连，采用上升沿触发的方式产生中断通知430进行处理。
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3.4 数据存储模块
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为方便保存仪表参数，了解工艺参数历史，采用了两片EEPROM存储器24C512。一片用于存储通道运行数据，另一片用于分区存储密度、汉字及字符字模数据、系统参数、记录时间、掉电情况等信息，两片存储器通过弱上拉电阻并联于同一总线上。
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3.5实时时钟模块
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4 软件设计
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4.1 系统主程序及中断
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如图3，主程序以检测时间间隔为主线，分别进行流量计算、实时信息记录等操作，同时处理各外部事件。如图4，中断程序检测各种中断（由TIMERB连续计数提供的0.5s采集定时、键盘、通信等中断），进行必要处理后记录此信息，发送标志到主程序等待处理。
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4.2 数据采集
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4.3 流量计算
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先根据流量模型（开方、线性等）得出流量计在工业状况下的体积流量,一般需要转化为工业标准状况下的流量,这里根据仪表设置中的流量补偿模式（一般气体，、温度/压力补偿、过热蒸汽、饱和蒸汽等），查表得到密度，计算标准流量，提高精度[2][3]。
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4.4 液晶显示
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包括数据和曲线显示，是通过将相应液晶点写为1或0(亮或暗)实现的。128列*64行点阵LCD在显示时是以字节方式进行操作的，一次写入1列8行（共8个点），因此在数据显示时，首先要将字符所对应的字模数据，以从左到右、从上到下（列序）的取模方法顺序写入表格中。在显示时查表将字模数据依次写入LCD即可。在显示曲线时，通过两点之间连折 线的方式进行,其过程如图5、图6所示。
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4.5 键盘处理
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负责界面切换（流量显示、实时/历史曲线、设定模式等界面）、菜单选择、参数设置（包括通道类型、量程、切除、报警设定，流量模型及系数K设定，流量补偿模式及公式参数值设置，通讯参数设置，密码设置，时间设置等）。
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5 设计关键
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5.1 合理的程序流程
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（1）消息机制：系统需要处理的事件较多，有各种中断，若中断处理时间过长，则会使系统不能及时进行其它处理，导致系统错误。如若将流量计算程序置入数据采集定时中断处理程序中时，有时会使系统很难完成正常的串行通信。在此借鉴了WINDOWS系统消息处理机制，如4.1所述，即当系统发生外部中断时，只是进行很少的必要操作，然后将该中断作标记，由主程序空闲时检查此标志。
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（2）菜单处理：将菜单按深度进行定位，系统共有三级菜单用Step[3]表示，根据Step[i]值判断当前菜单位置，增强软件的条理性。
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5.2 数据存储效率
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仪表要记录的通道历史数据较长，在有限的存储空间应高效利用所有存储区域。这里采用记录各通道数
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5.3 数据运算的速度与精度
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（1）虽然430可以进行浮点运算，但运算将会消耗大量资源，而且浮点数一般只能保留7位有效数字，因此在进行大数和小数运算时，会丢失许多有效位，使结果极不准确。笔者采用长整数记录有效数字，字符整数记录小数点位置组合表达数据的方式进行运算，有效提高了速度和精度。
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（2）当外部信号为频率输入时，应将TIMERA配置为最大连续计数方式，仅在计数溢出后清除溢出标志，然后根据前后1s内两次脉冲之差（考虑是否溢出）得出脉冲数，否则可能会丢失脉冲。
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（3）采集数据的准确性是影响精度的主要因素，必须保证CS5523参考电压的精度，并要求在电源稳定后采样；在进行通道切换后应把第一次转换结果抛弃，否则将会引起很大的干扰误差。即便如此，由于电路噪声、标准电阻使用环境及接线的影响有时还会导致采样不准，此时需要采用CS5523自身的校验方式去除失调电压，并通过软件进入校验模式，采用标准输入信号进行标定。
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