多通道溫度循環監測儀

摘要：一種基於P87LPC764 和Pt100 的多通道溫度循環監測，功耗低且穩定性高。採用了串列A/D 轉換器件TLV2543、I2C 匯流排時鐘晶元PCF8563 和串列E2PROM 晶元CSI24WC256，將所測溫度數據根據時間存儲，通過串列口與PC 機配合，可實現溫度曲線恢復；實現了供電方式的熱切換，報警等諸多功能。

引言
    隨著現代工業的發展，各種生產流程中對溫度指標的要求越來越高。為了在不同的工業環境中實現對溫度的檢測和控制，人們利用不同的感測器，研製出了種類各異的溫度檢（監）測儀器，以適應於不同的場合。就溫度感測器而言，有熱電偶（S，B，K，T，E，J，N，R，Wre5-26 等），熱電阻（Cu50，Cu100，Pt100 等），熱敏電阻以及近些年出現的數字式溫度感測器（如DS18B20）等。在這眾多的溫度感測器中鉑電阻最穩定，測溫範圍也寬（－200℃～＋640℃）。鉑電阻是用高純度的鉑製成的溫度感測器，它不像一般的熱敏電阻的輸出有很大的非線性，因此是非常受歡迎的溫度感測器。在本溫度循環監測儀中，我們利用Pt100 作為測溫感測器，並用PHILIPS 公司推出的功能強大的51LPC 系列單片機作為主控CPU，並結合串列11 路12 位A/D 來完成多路溫度循環監測，做出的儀器體積小巧，功耗低，具有參數設置、超限報警、數據保存曲線恢復及聯網等諸多功能。

硬體設計
    硬體結構如圖1 所示。
 
    本系統採用PHILIPS 公司的51LPC 系列單片機P87LPC764 作為主控CPU，來完成多路溫度巡檢；採用了11 路串列A/D 轉換器件TLV2543，解析度達12bit；採用128×64 中文點陣液晶顯示器，實現了多級菜單設計，界面友好且功耗低；小鍵盤採用了4 鍵模式，與顯示器結合，可以完成有關參數的設置；採用了充電電池和外部電源兩種供電方式，在外部電源突然斷電的情況下，能實現電源的熱切換；I2C 匯流排上掛接PCF8563 時鐘晶元，給整個系統提供時間基準，並巧妙地利用其秒信號作為中斷觸發信號，能將CPU 從低功耗狀態喚醒；I2C匯流排上掛接串列E2PROM 晶元CSI24WC256，具有32K 位元組的存儲空間，既可完成設定參數和所測數據的實時存儲，從而為溫度的曲線恢復提供基礎，也可作為編程空間的一種有效擴充；採用了繼電器的常開和常閉觸點來實現信號報警，給用戶以極大的方便，而且可以用來控制加熱器、空調等反饋裝置，從而完成閉環控制系統該，該功能在電池供電時自動屏蔽掉，以節約電能；具有串列介面，能完成上、下位機的信息交換，可方便構成集散測控系統；上、下位機採用了研華協議，並採用組態軟體來完成數據顯示和曲線顯示，編程簡單直觀。

軟體設計
    系統要完成的功能較多，除了要正確採集溫度外，還要完成各項參數的設置，並送液晶屏幕顯示等等。因此，軟體設計採用了模塊化技術，以使程序結構清晰，修改簡單，可讀性強。整個軟體可分為如下的模塊，即顯示模塊、鍵盤處理模塊、串列通信模塊、數據存儲模
塊、數據採集處理模塊和主程序模塊等。
 
    主程序流程圖見圖2。其設計思想是這樣的：系統上電后，首先進行初始化和自檢，自檢完畢，屏幕出現自檢結果，此時系統處於等待狀態，一旦用戶按下“確定”鍵，系統將進入主工作界面，接著使能各級中斷，然後程序置位IDL，使系統進入低功耗模式，CPU 將由中斷喚醒。
    本設計中主要使用了下面三種中斷方式：
（1）外部中斷1 處理程序流程圖見圖3，主要思想是：根據設定的採樣間隔，完成數據的採集和處理，然後根據採樣數據進行報警越限的判斷、串列發送數據的更新，並送屏幕顯示。
（2）鍵盤中斷處理程序流程圖見4。在中斷處理程序中，首先清除鍵盤中斷標誌位，接著讀取鍵值並判斷是否為“設置”鍵，如果為“設置”鍵，進入設置狀態，否則返回。
（3）串列中斷程序流程圖見圖5，主要完成的任務是：接收上位機發送的命令。
 

技術要點
（1）低功耗設計
    本儀器的低功耗設計貫穿整個設計的方方面面。首先是CPU 的選擇上，51LPC 系列的CPU具有較寬的操作電壓（2.7～6.0V），而其晶振也分為高、中、低三檔，並且可以選擇內部晶振，在選擇合適的電壓和晶振的情況下，其功耗可以降到微安級（如工作電壓為3.3V，工作頻率為20～100kHz 時，功耗範圍為9～44μA[1]）；由於可以選擇內部晶振和內部複位，其外圍器件減少，功耗自然可以降低；即使使用了較高的晶振頻率，由於CPU 內部有一個特殊功能寄存器DIVM 可以對時鐘分頻，從而達到節電目的.
    由於P87LPC764 還具有空閑和掉電兩種省電模式。本設計中用到了空閑模式，在初始化和自檢過後，儀器進入空閑模式，並設計了兩個中斷對其喚醒，一個中斷為鍵盤中斷，另一個為時鐘中斷，時鐘中斷信號來自於PCF8563。中斷髮生事處理中斷，中斷處理完畢又進入空閑狀態。
    在顯示方式上採用了128×64 點陣的OCMJ 中文模塊系列液晶圖文顯示器，它內含 GB2312 16*16 點陣國標一級簡體漢字和ASCII8*8 及8*16 點陣英文字型檔，用戶輸入區位碼或ASCII 碼即可實現文本顯示。眾所周知，液晶顯示採用的是被動顯示，與主動發光的器件相比，其正常的耗電量是極低的。
    在其他元器件的選用上，盡量採用低功耗器件，例如時鐘晶元PCF8563，其典型值為0.25μA（VDD=3.0V,Tamb=25oC）；而存儲晶元CSI24WC256 是一個256K 串列CMOS 的E²PROM，只有8 個管腳的小封裝結構比同類的并行晶元耗電量降低；而邏輯器件一律採用CMOS 器件。

（2）雙電源供電與熱切換
    該模塊主要是為整個系統提供電源支持，採用的是雙電源供電模式。在圖6 中，外部供電電源VDD 電壓為6V。BT1 外接4 節1.2V 的充電電池。在外部VDD 供電時，VDD 通過D1 和D2 對外部整個系統供電，同時經過R7 和D3 為BT1 提供約25mA 的充電電流；當外部VDD 掉電后，P1.5 口線被拉低，系統將自動切換進入內部供電狀態，由充電電池BT1 通過D4 為整個系統供電，屏幕上會自動進行“外部供電”與“內部供電”顯示字樣的轉換。這種雙電源供電模式，實現了供電電源的熱切換，從而保證了溫度採集的連續性，並通過關閉液晶背光電源和報警狀態等一些耗電的操作，延長了電池使用壽命。
註：二極體D1、D2、D3 的壓降為0.7V，D4 為0.3V；
 
（3）I2C 匯流排介面、串口與溫度曲線恢復
    要實現溫度的曲線恢復，必須具備兩個條件：一個是要有嚴格按時間存儲的有效數據；另一個是具有將數據調出的硬體介面與協議。在本系統中，第一個條件是由具有I2C 匯流排介面的晶元PCF8563（時鐘保證）和CSI24WC256（數據存儲）來保證的；第二個條件是該系統具有RS-232 介面及相應的協議來完成的。
    I2C 匯流排是PHILIPS 公司推出的晶元間串列數據傳輸匯流排，2 根線（SDA、SCL）即可實現完善的全雙工同步數據傳送，能夠十分方便地構成多機系統和外圍器件擴展系統。I2C 器件是把I2C 的協議植入器件的I/O 介面，使用時器件直接掛到I2C 匯流排上,這一特點給設計應用系統帶來了極大的便利。I2C 器件無須片選信號，是否選中是由主器件發出的I2C 從地址決定的，而I2C 器件的從地址是由I2C 匯流排委員會實行統一發配。PHILIPS 公司在其產品P87LPC764 中集成了I2C 匯流排介面，可以和所有具有I2C 匯流排介面的其他元器件方便相連，這對於只具有20 管腳的CPU 的系統擴展提供了方便。在該系統中，時鐘晶元PCF8563 和CSI24WC256 都是具有I2C 匯流排介面的晶元，並使用了周立功公司提供的I2C 軟體包，故其編程非常簡單。
    時鐘晶元PCF8563
    PCF8563 是PHILIPS 公司推出的一款工業級的內含I²C 匯流排介面功能的具有極低功耗的多功能時鐘/日曆晶元。它具有多種報警功能、定時器功能、時鐘輸出功能以及中斷功能，它的兩線制I²C 匯流排通訊方式，使外圍電路極其簡潔，實用。
PCF8563 的特性：

• 寬電壓範圍1.0～5.5V,複位電壓標準值Vlow=0.9V；
• 超低功耗：典型值為0.25μA,VDD=3.0V,Tamb=25oC；
• 可編程時鐘輸出頻率為：32/768KHz、1024Hz、32Hz、1Hz；
• 四種報警功能和定時器功能；
• 內含複位電路、振蕩器電容和掉電檢測電路；
• 開漏中斷輸出；
• 400kHzI2C 匯流排（VDD=1.8-5.5V）。其從地址：讀0A3H，寫0A2H。

    電路在系統中的連接方式如圖7 所示。
 
    圖中，32.768K 的晶振是標準晶振，作為晶元定時基準；SCL 和SDA 分別與P87LPC764的對應腳連接，而其第7 腳CLKOUT 經過初始化設置使其輸出頻率為1Hz 的時鐘作為中斷觸發條件，可以喚醒低功耗狀態，經判斷後進入溫度採集、判斷、顯示、存儲等處理。

CSI24WC256
    該晶元是一個256K 串列CMOS 的E²PROM。內部含有32768 個位元組。CATALYST 公司的先進CMOS 技術實際上減少了器件的功耗。CSI24WC256 有一個64 位元組的頁寫緩衝器。該晶元與CPU 的連接非常簡單，如圖8 所示。
 
    該晶元在系統中具有兩大功能：首先是對於系統運行過程中的一些重要數據，如採樣時間，顯示方式等參數進行存儲，而在每次上電時都會調出這些參數，並根據這些參數運行程序；其次是所測溫度值的存儲，由於I²C 匯流排同時掛接時鐘晶元PCF8563，將採樣時間和採樣數據對應存儲，這些存儲的數據可以通過串口被上位機調用，從而可以實現溫度曲線恢復功能。

串列介面
    為實現系統與上位機之間的串列通信，在硬體結構上採用了單電源轉換晶元ICL232，ICL232 是一個雙組驅動/接收器，它內含一個電容性電壓發生器，可在單5V 電源供電時提供EIA/TIA-232-E 電平，如圖9 所示。該晶元的第2 腳輸出大約+9V 左右的電壓，該條件在基準電壓的獲取上將使用。
 

（4）模數轉換模塊
    由於P87LPC764 管腳少，無匯流排系統，若採用并行的A/D 轉換顯然是不合適的；考慮溫度是緩變數，同時兼顧兼顧介面方便和轉換精度，在本系統中採用了具有11 路模擬輸入介面，解析度為12 位，介面方式為串列的逐次逼近式模數轉換器TLV2543。TLV2543 和微處理器之間只有4 根I/O 口線連接，即圖中網路標號為/CS、CLK、DTAI 和DTAO 的4 個管腳分別與CPU 的P0.2、P0.3、P0.5 和P0.6 相連，這對提高P87LPC767 管腳的利用率非常重要。
 
TLV2543 各管腳定義如下：
▪AIN0～AIN10 （1～9，11，12）:11 路模擬信號輸入端
▪ /CS （15）： 片選端
▪ DATA INPUT (17)： 串列數據輸入端
▪ DATA OUT （16）： 三態串列輸出端，用於A/D 轉換結果輸出
▪ EOC （19）： 轉換結束端
▪ GND （10）： 地
▪ I/O CLOCK （18）： 輸入、輸出時鐘端
▪ REF+端 （14）： 正基準電壓端
▪ REF-端 （13）： 負基準電壓端
▪ VCC 端 （20）： 正電源端

（5）“竊電”技術與基準電源的獲得
要提高A/D 的轉換精度，必須為TLV2543 提供精密的基準電壓，為了達到這一目的，不增加硬體成本的同時，成功運用了“竊電”技術。由於單電源晶元ICL232 內部具有泵壓電路，在其第2 腳輸出了穩定的+9V 左右的電壓，利用該電壓，與TL431 組成了精密的穩壓電路，其輸出的+5V 電壓為TLV2543 模數轉換器提供了可靠的基準電壓，從而在最大程度上保證了模數轉換器的轉換精度，這樣既充分利用了系統本身的資源，又沒有增加額外器件。實踐證明，由於TLV2543 轉換時基準所需電流極小，不會影響正常的串口通信。
TL431 的輸出電壓由它兩端外接的兩個電阻決定的，計算公式為：
V0=（1+R2/R3）Vref=(1+1K/1K)×2.5V=5V （公式1）
圖11 中的R2 和R3 均為阻值為1K 的高精度、低溫漂電阻，TL431 的第1 腳輸出電壓標準的2.5V 電壓，即為公式1 中的Vref =2.5V。