單片機(jī)在超聲控制系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

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

?????? 采用了TI公司的MSP430單片機(jī)作為控制器的核心器件滿足目前儀器設(shè)計(jì)中低功耗、高度集成化和小型化的發(fā)展趨勢(shì)PC機(jī)的監(jiān)控軟件用VC++6.0開(kāi)發(fā)單片機(jī)的程序用C設(shè)計(jì)通過(guò)RS-232C實(shí)現(xiàn)PC機(jī)和單片機(jī)的串口通信進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了控制器對(duì)超聲儀的控制功能

????? 1 引言

?????? 隨著計(jì)算機(jī)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(yīng)用和發(fā)展市場(chǎng)超聲學(xué)應(yīng)用技術(shù)主要有兩個(gè)方面即功率超聲和檢測(cè)超聲由于功率超聲處理技術(shù)具有許多特點(diǎn)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(wù)是研究應(yīng)用于功率超聲儀的控制系統(tǒng)并對(duì)其的工作過(guò)程和工作狀態(tài)進(jìn)行測(cè)控其主要功能包括:①調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)脈沖的占空比;②控制超聲儀運(yùn)行時(shí)序;③ 檢測(cè)信號(hào)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(cè)其信號(hào)源的頻率全要由PC機(jī)和超聲儀控制器組成控制器為一個(gè)智能測(cè)控儀器由MSP430單片機(jī)及其外圍電路組成PC機(jī)和MSP430單片機(jī)通過(guò)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(shí)現(xiàn)PC機(jī)和單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳送從而達(dá)到PC機(jī)對(duì)單片機(jī)進(jìn)行控制的目的實(shí)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(xì)設(shè)計(jì)

?????? 控制系統(tǒng)硬件部分由PC機(jī)和超聲儀控制器組成PC機(jī)選擇常用的微機(jī)即可滿足要求超聲儀控制器的設(shè)計(jì)是這個(gè)系統(tǒng)的核心整個(gè)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(jī)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(jī)的串口能與 RS-232C接口通信必須將串行口的電平進(jìn)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(gè)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(shí)能夠提供超過(guò)100毫安的電流對(duì)于一個(gè)高可靠性的系統(tǒng)設(shè)計(jì)晶體的選擇非常重要尤其是設(shè)計(jì)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(gè)外部晶振

?????? 3、復(fù)位與PWM輸出電路系統(tǒng)復(fù)位電路的設(shè)計(jì)一定要使系統(tǒng)能夠充分復(fù)位在各種復(fù)雜情況下穩(wěn)定可靠地工作復(fù)位性能不好會(huì)影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行本系統(tǒng)采用常用的上電復(fù)位電路能保證有充分的低電平時(shí)間由MSP430單片機(jī)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(hào)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(lái)控制周期T而用與定時(shí)器對(duì)應(yīng)的CCR3 寄存器來(lái)控制可變占空比

?????? 4、開(kāi)關(guān)量輸出電路PC機(jī)發(fā)出命令單片機(jī)由串口接收到PC機(jī)的指令然后執(zhí)行相應(yīng)的操作完成由P1.4管腳輸出高低電平時(shí)間可以調(diào)整的開(kāi)關(guān)量信號(hào)輸出的信號(hào)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(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性及更好地避免外界信號(hào)的干擾用TPL521對(duì)輸入輸出信號(hào)進(jìn)行電氣隔離在光耦的4腳接上拉電阻起到加大驅(qū)動(dòng)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(cè)與JTAG接口電路該檢測(cè)電路用于檢測(cè)外來(lái)頻率信號(hào)信號(hào)經(jīng)由J5的4腳輸入3腳接地該信號(hào)由7414整形后送入149的 P1.2管腳當(dāng)頻率檢測(cè)命令到來(lái)時(shí)用看門狗打開(kāi)P1.2管腳的中斷功能看門狗作定時(shí)器P1.2管腳每發(fā)生一次管腳中斷就計(jì)數(shù)一次當(dāng)一秒的時(shí)間到時(shí)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(cè)到的頻率值將可編程接口與MSP430對(duì)應(yīng)的引腳相接接口另一端接JTAG仿真器 就可以實(shí)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(jì)單片機(jī)通過(guò)向液晶顯示控制器寫入指令及其參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jī)寫到顯示存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)以某種形式傳給液晶顯示驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)僅有驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是不能實(shí)現(xiàn)液晶顯示器件顯示的還需要有控制電路提供驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)所必須的掃描時(shí)序信號(hào)和顯示數(shù)據(jù)SED1335液晶控制板是用于單片機(jī)與液晶模塊之間控制的控制板它接收來(lái)自單片機(jī)的指令和數(shù)據(jù)并產(chǎn)生相應(yīng)的時(shí)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(dòng)LCD的驅(qū)動(dòng)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(jì)

?????? 超聲儀控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)分為兩部分包括PC機(jī)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)和單片機(jī)程序設(shè)計(jì)PC機(jī)監(jiān)控軟件采用功能強(qiáng)大的VC進(jìn)行開(kāi)發(fā)主要考慮到控制功能的復(fù)雜性和靈活性單片機(jī)程序設(shè)計(jì)在一個(gè)新型的開(kāi)發(fā)平臺(tái)上進(jìn)行的

?????? 4.1 PC機(jī)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

?????? PC機(jī)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(lái)負(fù)責(zé)發(fā)出相應(yīng)的命令控制控制器進(jìn)行相應(yīng)的操作進(jìn)而控制超聲儀的工作作為智能測(cè)控系統(tǒng)其強(qiáng)大的控制功能及控制的靈活性都離不開(kāi)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(yàn)以及校驗(yàn)的方式(偶校驗(yàn)還是奇校驗(yàn))等的通信協(xié)議;二是采用的波特率以及時(shí)鐘頻率和波特率的比例關(guān)系

?????? PC機(jī)監(jiān)控軟件包括以下幾個(gè)程序:開(kāi)關(guān)量輸出開(kāi)始開(kāi)關(guān)量輸出暫停開(kāi)關(guān)量輸出時(shí)間調(diào)節(jié)PWM信號(hào)輸出PWM信號(hào)停止PWM頻率調(diào)節(jié)PWM占空比調(diào)節(jié)實(shí)時(shí)頻率檢測(cè)間斷頻率檢測(cè)選定程序運(yùn)行時(shí)刻退出程序運(yùn)行下面是它的軟件框圖4

圖4 PC機(jī)監(jiān)控軟件框圖

?????? 4.2 單片機(jī)程序設(shè)計(jì)

?????? 單片機(jī)的程序由主程序和若干子程序組成程序用C語(yǔ)言編寫實(shí)現(xiàn)了串口通信、開(kāi)關(guān)量輸出、PWM信號(hào)輸出、頻率檢測(cè)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(jī)的主要任務(wù)是接收PC機(jī)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)并作相應(yīng)的回應(yīng)當(dāng)單片機(jī)一旦接收到一個(gè)數(shù)據(jù)立刻根據(jù)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷以決定需要進(jìn)行什么操作當(dāng)操作完成之后向PC機(jī)返回一些數(shù)據(jù)以報(bào)告所操作器件當(dāng)前的運(yùn)作狀態(tài)然后再回到數(shù)據(jù)的檢測(cè)循環(huán)中去單片機(jī)采用中斷方式接收和發(fā)送數(shù)據(jù)主程序中先進(jìn)行初始化當(dāng)F1agWord的0位非0時(shí)即檢測(cè)到有數(shù)據(jù)的接收然后進(jìn)入CommandProcess流程完成各個(gè)子程序的功能;當(dāng)檢測(cè)到 FdetectDone(頻率檢測(cè)完成)信號(hào)時(shí)調(diào)用SendOut函數(shù)將檢測(cè)到的頻率值送給PC機(jī)和LCD框圖如圖5

圖5 主程序框圖

??????? 2、單片機(jī)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(jì)數(shù)模式輸出模式3 (PWM置位/復(fù)位)這種輸出模式輸出在TBR的值等于TBCCR3時(shí)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(zhǎng)為1采用時(shí)鐘頻率為32768 Hz;在0.5-0.9步長(zhǎng)為0.1采用時(shí)鐘頻率32768 Hz;在0.1-0.4步長(zhǎng)為0.1將時(shí)鐘頻率32768Hz經(jīng)過(guò)8分頻方能滿足要求以上兩點(diǎn)是程序中值得注意的技巧具體分析如下:選用時(shí)鐘頻率為 32768 Hz時(shí)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(jī)根據(jù)PC機(jī)滑塊的位置變化來(lái)控制輸出PWM信號(hào)的頻率值

???????本文作者創(chuàng)新點(diǎn)

???????本文進(jìn)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(jī)開(kāi)發(fā)工具進(jìn)行了單片機(jī)的程序設(shè)計(jì)完成了一個(gè)智能測(cè)控系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)通過(guò)整個(gè)系統(tǒng)的研究體現(xiàn)了MSP430FLASH系列單片機(jī)的特點(diǎn)適合用在低功耗場(chǎng)合和小型化儀器中