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1、三、方案设计3.1总体方案3.1.1系统总体描述系统工作主要流程为：由电压和电流传感器对检测点进行采样，取得实时电 压和电流信号，经过放大、整流滤波等预处理后送A/D转换电路进行转换，系 统将转换后的数据存储及运算，并将数据实时显示，操作者可观测各个参数的变 化，通过通信电路，将所测得的数据送上位PC机进行数据再处理，最后综合显 示。3.1.2系统硬件设计方案电路板上主要为微控制器CPU(MSP430F169型微控制器)系统模块、多路采 样保持器及A/D转换电路、显示电路、通信电路；接入信号由传感器接口接入， 经过信号处理电路、整流滤波电路的处理后送给单片机。电源模块分两部分，一 路由交流22
2、0V接入，经转换后分别提供12V、+5V、+3.3V三种模拟电源， 另一路由开关电源提供+ 5V、+ 3.3V数字电来自5Q设计网 源，供运放、各器件和微控制器使用。板与板间采用扁平 电缆联接，传感器接口采用航空插头可靠联接，并以屏蔽线接到传感器。3.1.3系统软件设计方案硬件电路设计完成后，系统能否实现相应的功能还要依赖于软件来实现。系 统能否正常可靠地工作，除了硬件的合理设计外，与功能完善的软件设计是分不 开的。本文软件设计采用C430语言完成系统的整个流程控制以及运算处理等工 作。主要有以下几个重要方面：(1) 编写AD采样程序，实现传感器数据采集的功能；(2) 编写串口通信程序，实现检
3、测仪与上位PC机的通话；(3) 编写其他程序，实现检测仪实时显示、功能设定等功能。3.1.4上位PC机软件设计方案本文研制开发的检测仪采用RS-232接口与PC机通信，空气压缩机的各个 参数的现场数据采样后上传来自5Q设计网至 PC机，同 样也可修改工作参数及实时显示，还可将参数的变化过程以曲线图显示及打印， 检测过程也只需一台笔记本电脑即可，方便快捷。根据实际的工作要求，上位PC机检测系统软件的主要功能有：(1) 各个参数的存储及显示：从检测开始到结束，所测得的每个数据都可以 存储到PC机的硬盘中，并能同检测仪本身一样，可实时显示数据。(2) 实时观察参数变化：各个参数可单独显示变化曲线，供
4、操作者实时观测； 也可将同种类型的参数变化在同一来自5Q设计网画面显 示，便于直观反映测试效果。(3) 保存曲线变化画面：在上位机界面设计了保存按钮，可随时将参数的变 化曲线保存至PC机中，方便调试分析及不同状态下的检测效果比较。(4) 数值大小变化显示：除了实时显示当前参数值外，还可将本次测试过程 中参数的最大值与最小值也在面板上显示，便于参考对比。(5) 提供良好的人机界面：上位机人机界面程序在 Windows系统下采用 Visual Basic语言编制，通过VB环境的MSComm控件实现控制器与PC机之间 的通信，通过ADO控件实现数据库的存储与调用，通过PC机自身的API函数 BitB
5、lt实现效果曲线的绘制。3.2硬件设计3.2.1硬件系统设计原则作为一个实现功能丰富、元器件复杂、工作独立的单片机系统，功能需求确 定的情况下重要考虑的就是系统的硬件电路设计。一个单片机应用系统的硬件电路设计包含有两部分内容，一部分是系统扩 展，即单片机的功能单元，如ROM、RAM、I/O 口、定时/计数器、中断系统等 容量不能满足应用系统的要求时，必须在片外进行扩展，选择适当的芯片，设计 相应的电路。二是系统配置，即按照系统功能要求配置外围设备，如键盘、显示 器、打印机、A/D、D/A转换器等，要设计合适的接口电路8 9。本课题在硬件系统的扩展和配置设计中遵循以下原则：(1) 尽可能选择典型
6、电路，并符合单片机的常规用法。为硬件系统的标准化、 模块化打下良好的基础；(2) 系统的扩展与外围设备配置的水平应充分满足应用系统的功能要求，并 留有适当的余地，以便进行二次开发；(3) 硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。硬件结构与软件方案会产生相 互影响，考虑的原则是：软件能实现的功能尽可能由软件来实现，以简化硬件结 构。但必须注意，由软件实现的硬件功能，其响应时间要比直接用硬件实现来得 长，而且占用CPU的时间(比如延时程序)；(4) 整个系统的性能要尽量做到性能匹配，例如选用品振频率较高时，存储 器的存取时间有限，应该选择允许存取速度较高的芯片；选择CMOS芯片单片 机构成低功耗系统时
7、，系统中所有的芯片都应该选择低功耗的产品；(5) 可靠性及抗干扰设计是硬件系统设计不可缺少的一部分，它包括芯片、 器件选择、去耦滤波、印刷电路板布线、通道隔离等；(6) 单片机外接电路较多时，必须考虑器件驱动能力。驱动能力不足时，系 统工作不可靠。3.2.2硬件总体结构组成系统硬件的总体设计思想是：以微控制器为核心，辅以功能强大的外围模拟、 数字电路功能模块，实现从多路数据的采集，通过取平均值、样条插值，测得参 数的数值，进行存储并实时显示，同时将数据上传至上位机，实现检测过程的自 动化。根据工程需求，从整个系统的信号通道类型入手，可设计硬件系统图如图 3.1所示：图3.1硬件系统图3.2.3
8、.1单片机晶振电路设计图5低频晶振电路MSP430F149基础时钟模块有3个时钟输入源：低频时钟源LFXT1CLK、高 频时钟源XT2CLK、数字控制RC振荡器DCOCLK.使用32.768KHz晶振，连接到XIN和XOUT引脚，满足低速晶体振荡器 LFXT1的使用要求。使用4MHz晶振，连接到XT2IN和XT2OUT引脚，满足高 速品体振荡器XT2的使用要求。3.2.3.2单片机复位电路设计单片机采用上电自动复位的方式，通过电阻、电容构成电路，与RST引脚 连接，向单片机提供稳定的低电平复位信号。图6复位电路3.2.4 A/D转换模块制和智能仪表等应用系统中，控制或测量对象的有关变量，往往是
9、一些连续 变化的模拟量，如温度、压力、流量、速度等物理量。利用传感器把各种物理量 测量出来，转换为电信号，还必须经过模数(A/D)变成数字量，这样才能被单片 机处理。模数转换的性能参数主要有转换精度和转换速度等。其中转换精度常用分辨 率和转换误差来表示。分辨率是A/D转换器能够分辨最小信号的能力，表示输 出数字量变化一个相邻数码所需输入模拟电压的变化量，它定义为转换器的满刻 度电压与2n的比值，其中n为ADC的位数。例如12位的ADC的分辨率就是 12位，或者说分辨率为VPS/212；转换误差是转换结果相对于理论值的误差， 常用一个单位分辨率LSB的倍数表示；转换时间是指ADC模块完成一次模拟数 字转换所需要的时间，转换时间越短，越能适应输入信号的变化。转换时间与 ADC模块的结构、位数有关。双积分ADC转换慢，而逐次比较型ADC转换较 快16。
