（通信与信息系统专业论文）便携式冷却系统无纸记录仪的设计.pdf

大连卿工大学硕士学位论文 摘要 工业现场数据的采集、记录和分析一直是工业控制中的重要问题。老式的记录仪通 常采用机械结构带动纸轴旋转，用记号笔在纸上记录数据的幅值或有效值点。其数据精 度低、响应速度慢、数据不易保存等缺点显而易见。本系统采用“数据采集海量存储 无线远传”的方案实现工业现场数据的记录，具有操作灵活、精度高、速度快、数据分 析方便等优点，已经应用于大型冷却系统的数据记录中。 系统采用具有a r mc o r t e x m 3 内核的s t m 3 2 微拧! 制器实现，分为模拟量采集模块、 数字量采集模块和主控模块共3 种模块。除主控模块外，采集模块可以实现灵活组合和 扩展。 数字量采集模块采用s t m 3 2 片上脉冲输入捕获单元实现，模拟量采集模块采用 s t m 3 2 片上1 2 位的a d 转换器实现。在系统的过程通道中，数字信号经过隔离、整形 等操作后输入到微控制器的脉冲捕获单元进行测频；而模拟信号经过信号转换、放大等 操作后输入到微控制器的a d d 转换器中进行转换。同时，模拟信号采集模块的设计还兼 顾了热电偶传感器的非线性信号的冷端补偿和线性化。 系统的海量存储功能由s d 卡和f a t 文件系统实现。s d 卡是一种基于f l a s h 存 储技术的大容量存储介质，其大量数据读写速度快且容量大，非常适合大数据量的采集 系统使用。f a t 文件系统的移植保证了采集的数据被写入指定的文件，进而能被上位机 软件读取和处理。 系统主摔模块利上位机的通信采用无线通信方式进行，选用n r f 2 4 0 1 单片无线通 信芯片实现。系统的上位机软件通过串口通信控件将设置命令和数据下传给主控模块， 对采集模块的参数进行设置。 综上，系统的设计完全可以满足预计的采集功能和精度，并可以在大型冷却系统工 业现场中稳定运行。 关键词：无纸记录仪；数据采集；s d 卡；n r f 2 4 0 1 便携式冷却系统无纸记录仪的设计 d e s i g no f ap o r t a b l en o n p a p e rr e c o r d e rf o rt h ec o o l i n gs y s t e m a b s t r a c t t h ec o l l e c t i o n ，r e c o r d i n ga n da n a l y s i so ft h ed a t af r o mi n d u s t r i a lf i e l dt a k e sa v e r y i m p o r t a n tp l a c e i nac o n t r o ls y s t e m t h eo l dr e c o r d e r su s u a l l yu s ep a p e r - a x i sd r i v e nb y s p e c i a lm e c h a n i s m ，w i t hm a r k e ro np a p e r t h ed i s a d v a n t a g et h a tt h ea c c u l a c yw a sl o w ，t h e r e s p o n s ew a ss l o w ，a n dt h ed a t aw a sn o te a s yt ok e e pi so b v i o u s t h es y s t e mu s e s ”d a t a a c q u i s i t i o n m a s ss t o r a g e w i r e l e s sc o m n m n i c a t i o n ”o p t i o nt oa c h i e v ei n d u s t r i a ld a t a r e c o r d s ，a n di ti so ff l e x i b l eo p e r a t i o n ，h i g ha c c u t 。a c y ，h i g hs p e e da n dc o n v e n i e n c eo fd a t a a n a l y s i s i th a sb e e nu s e di nl a r g ec o o l i n gs y s t e m s t h es y s t e mu s e st h es t m 3 2m i c r o c o n t r o i i e r sw i t ht h ea r mc o r t e x m 3c o r e i ti sd i v i d e d i n t oa n a l o ga c q u i s i t i o nm o d u l e ，d i g i t a la c q u i s i t i o nm o d u l ea n dt h em a i nc o n t r o lm o d u l e i n a d d i t i o nt om a i l ac o n t l o lm o d u l e ，t i ma c q u i s i t i o nr n o d u l ec a nb ea c h i e v e df l e x i b l yc o m b i n e d a n de x p a n d e d t i l ed i g i t a la c q u i s i t i o nm o d u l eu s e ss t m 3 2o n c h i p p u l s ei n p u tc a p t u r eu n i t ，a n dt h e a n a l o ga c q u i s i t i o nm o d u l eu s e ss t m 3 20 1 1 一c h i p 12 一b i ta dc o n v e r t e r i nt h ep r o c e s sc h a n n e l o ft h es y s t e m ，d i g i t a ls i g n a lt i n o u g ht h e i s o l a t i o nc i r c u i ta n dp l a s t i cc i r c u i te n t e r st i l ep u l s e c a p t u r eu n i to ft h em i c r o c o n t l o i l e r f o rt h ef i e q u e n c ym e a s u l 。e m e n t ，a n dt i l ea n a l o gs i g n a l t h r o u g ht i l es i g n a lc o n v e l s i o nc i r c u i ta n da m p l i f i c a t i o nc i r c u i te n t e r st h em i c l 。o c o n t t 。o i l e r s a dc o n v e r s i o nd e v i c e m e a n w h i l e ，t h ea n a l o gs i g n a la c q u i s i t i o nm o d u l ei sa l s od e s i g n e dt o a c h i e v ec o l dj u n c t i o nc o m p e n s a t i o na n dl i n e a r i z a t i o nf o rt h et h e r m o c o u p l es e n s o rw i t hn o n l i n e a rs i g n a l t h em a s ss t o r a g ef u n c t i o no ft h es y s t e mi si m p l e m e n t e db ys dc a r da n df a tf i l es y s t e m s dc a r di sal a r g e c a p a c i t ys t o r a g em e d i u mb a s e do nf l a s hm e m o r yt e c l m o l o g y ，w i t hh i g h s p e e di nt h el a r g ea m o u n to fd a t ar e a da n dw r i t t e n ，w h i c hi sf i tf o rl a r g ea r n o u n t so fd a t a a c q u i s i t i o ns y s t e m s f a tf i l es y s t e r ne n s u r et h a tt h ed a t ac o l l e c t e di sw r i t t e nt ot h es p e c i f i e d f i l ew hi c hc a nb er e a da n dp r o c e s s e db yt h eh o s tc o m p u t e rs o f t w a r e c 0 1 1 1 m l l n i c a t i o nb c t w e c nt h cm a i nc o n t r o lm o d u l ea n dt h eh o s tc o m p u t e l u s e sw i t e l e s s c o m m u n i c a t i o nn l a n n e t ，i nw h i c hn r f 2 4 01s i n g l ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nc h i pi ss e l e c t e d i t t l a n s m i t st h ec o m m a n da n dd a t ad o w nt ot h em a i nc o n t r o lm o d u l et h r o u g ht h es e r i a l c o m m u n i c a t i o nc o n t r o lt os e tt h ea r g u l n e n to ft i ma c q u i s i t i o nm o d u l e t os u mu p ，t h es y s t e mg e t sh i g ha c c u r a c y i tc a l lw o r k si nl a r g ei n d u s t r i a lc o o l i n gs y s t e m s k e yw o r d s ：n o n p a p e rr e c o r d e r ；d a t as a m p l i n g ；s dc a r d ；n r f 2 4 0 1 一i t 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： 作者签名： 导师签名： 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文题目：隆数! 垒聋盘燃麴蔓塞吐 作者签名：豳缝日期：姐年j l 月j 厶日 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 本系统为便携式冷却系统用无纸记录仪，属于工业检测记录仪表范畴。与传统的数 据记录仪表不同，本系统采用“数据采集海量存储无线远传”的设计思路实现，参考 当前市场上常用的智能记录仪器的原理并加以创新，从而保证其运行的高度可靠性和稳 定性。 1 1显示记录仪表的现状及发展趋势 在工业测量中，检测的参数往往需要被转化为容易识别的方式，如指针的指示、光 柱的长度、数字表格、图形、图像等等。这些功能需要显示记录仪表来完成，显示记录 仪表与装置也是自动控制和检测系统中必不可少的环节。 记录仪表是显示记录仪表的一个分支，一般分为有纸记录仪表和无纸记录仪表两 种。有纸记录仪一般是模拟仪表，通过电动机的旋转和指针笔的指示在纸轴上留下数据 的轨迹，该轨迹就是被测参数随时问变化的曲线。这种记录仪内部结构复杂，机械活动 部件较多，易出现机械故障，使用进程中还需定期更换记录纸和记录笔，长期运行费用 相对较高，这种仪表信号输入固定，在工厂里安装好后通道的信号方式和量程范围就不 能改变【l 】。近年来，无纸记录仪开始逐渐占领记录仪表市场。无纸记录仪一般是具有 c p u 、存储器和简单外部设备的智能仪表，它在实时显示检测量的同时，会将检测到的 数据保存到非易失介质中。需要查询的时候，只需要输入查询的起止时间，便可以方便 的看到数据或曲线。 在现代过程控制和生产管理中，微机化是自动显示和记录仪表的必然趋势【2 】。目前， 许多厂家的记录仪表都采用“数据采集一海量存储”作为无纸记录仪的解决方案。 数据采集是选用高精度的a d 转换器( 或v f 转换器) ，通过嵌入式控制器控制其 采样，并配合各种软件算法，实现被测量的精确测量。由于微处理器的存在，无纸记录 仪可以完成常规记录以外的一些特殊功能。例如，各种传感器的线性补偿、各种温度传 感器的冷端补偿、多量程的自适应调节、放大电路的零点漂移补偿以及各种设备之间的 通信等等。 海量存储是选用大容量的非易失存储介质来存储数据采集模块采集到的数据。这些 非易失存储介质往往是磁盘、光盘等。近些年，随着f l a s h 技术的发展和成熟，越来 越多的基于f l a s h 存储器的存储介质被应用到记录仪表中来，u 盘、c f 卡、s d 卡等 存储器在记录仪上应用非常广泛。同时，嵌入式文件系统被引入了记录仪器中，采集到 的数据直接被处理成可以被上位机识别的文件，更加容易复制、分析和处理。 便携式冷却系统无纸记录仪的设计 数据记录仪表目前主要的发展方向有两个，一是符合现场总线的仪表，二是高速数 据采集型仪表【3 】。可见，数据记录仪未来的发展趋势仍然是趋向小型化、高速化、通用 化和网络化。 1 2 系统主要功能要求 在工业现场，需要检测的物理量多种多样，但信号的形式基本分为数字信号和模拟 信号两种。数字信号往往是传感器和变送器产生的频率信号，而模拟信号通常的形式有： 0 5 v 电压信号( 国产d d z i i 型仪表) 、0 1 0 m a 电流信号( 国产d d z i i 型仪表) 、1 5 v 电压信号( 国产d d z 1 1 1 型仪表) 、4 2 0 m a 电流信号( 国产d d z 1 1 1 型仪表) 。 同时，记录仪通常还配有单独热电偶输入通道，有的与模拟通道复用，通过软件配 置信号类型。而不同型号的热电偶信号也不尽相同，这位检测记录仪器的设计增加了难 度。 除此之外，有些数据记录仪内部还集成了测量电桥，可以接入3 5 0q 的电阻应变片， 同时，部分智能仪表还配备有遥测模块，可以通过无线模块实现应变量的远程遥测。 本系统需要设计1 0 路模拟通道，要求可以采集标准的模拟信号、3 5 0q 的应变片信 号和j 、k 型的热电偶信号；设计5 路数字通道，要求可以采集1 h z - 2 k h z 的频率信号。 另外，可以另外扩展2 0 路模拟通道和5 路数字通道。各通道采样频率为1 h z 一5 0 k h z 可 调。 系统支持单臂、半桥和全桥三种形式的3 5 0q 应变片信号输入。 系统模拟通道输入温度信号时可实现各通道独立冷端补偿和非线性补偿。 系统需要具有数据保护功能，断电后数据不会丢失。重新上电后，数据可以继续传 输。 系统需要具有耐粉尘、耐高温( 环境温度5 0 c ) 、耐低温( 环境温度- 1 0 c ) 、耐 颠簸、抗电磁干扰的特性。 系统采用l c d 显示，人机界面友好，系统可通过无线接口与上位机通信。提供数 据采集设置软件，便于操作，能通过计算机输入校准信息，数据采集输出的数据整合成 能被上位机读取的文件形式。 1 3 系统检测精度要求 系统的检测精度要求如表1 1 ，其中精度误差均为满量程最大误差。 大连理工大学硕士学位论文 表1 1 系统精度要求 t a b 1 1 a c c u r a c y o f t h es y s t e m 传感器信号 满景程精度要求 单路应变信号 全桥应变信号 压力信号 光电转速信号 加速度信号 热电偶信号 5 0 3 3 7 4 2 6 2 0 8 0 5 6 8 1 1 8 1 4 系统的整体构成 本系统由主控模块、数字信号采集模块和模拟信号采集模块三部分组成，三种模块 通过r s 2 3 2 总线进行通信。这里，主控模块负责显示和设置参数，而两种信号的采集 模块负责采集和存储数据。 系统的整体框图如图1 1 。 r s 2 3 2 总线 ； “7 一 ；i 鑫羹 | | | 霎| | | 茎j 雯】_ | 薹| 薹j 一垂； ! - il 。_ l 一_ ； ； l 挎模块 ：i ：数7 - 聚缓模块 ； i：i 传绉器 | 一一一一一。 一一一9 ： 。；无线通信模块j 一 避纯攒 ； r 一一一一一一一一一一 ”一一一一一一 图1 1 系统结构框图 f i g 1 1 d i a g r a mo ft h es y s t e m 一3 一 一：薹锗模块 一 厂陬蠖础l 一 ；，；j 、 一徽徽黻黼凇一燃一 一愀一|薹_懈一一一 一救火电路 一黝一 霜舌量 ： 一 “ 一 一转换电路t 一 便携式冷却系统无纸记录仪的设计 1 5 本论文研究的主要内容 本论文以冷却系统用无纸记录仪为背景，重点介绍了基于“数据采集海量存储无 线远传”设计思路的系统实现方案。论文的主要研究内容如下： ( 1 ) 讨论控制器和人机接口的实现方法，重点介绍s t m 3 2 微控制器的各种通用 外设以及基于r a 8 8 0 3 控制的3 2 0 x 2 4 0 液晶模块。 ( 2 ) 讨论系统过程通道的设计与实现，重点介绍模拟采集通道和数字采集通道的 原理和硬件实现，同时介绍了s t m 3 2 的片上模数转换器和脉冲捕获单元的使用方法， 并讨论了不同传感器信号的转换和补偿问题。 ( 3 ) 讨论系统海量存储的实现方法，重点介绍s d 卡的存储原理和f a t 文件系统 的移植和实现。 ( 4 ) 讨论系统各模块间通信的解决方案以及系统同上位机无线通信的解决方案。 大连理工大学硕士学位论文 2 控制器及人机接口的设计与实现 本系统采用意法半导体( s t ) 公司的s t m 3 2 系列微处理器。s t m 3 2 系列3 2 位闪 存微控制器使用来自a r m 公司具有突破性的c o r t e x m 3 内核，该内核是专门设计与满 足集高性能、低功耗、实时应用、具有竞争性价格于一体的嵌入式领域的要求【4 1 。 2 1s t m 3 2 系列微控制器 s 刚3 2 系列微控制器采用3 2 位的a r mc o r t e x - m 3 内核，主要特点如下： ( 1 )最高工作频率为7 2 m h z ； ( 2 ) 具有单周期硬件乘法器和除法器； ( 3 )3 2 k b 1 2 8 k b 闪存程序存储器，6 k b 至2 0 k b 的s r a m ； ( 4 )多重自举功能； ( 5 )2 0 至3 6 伏供电和i o 管脚； ( 6 )上电断电复位( p o i 冲d r ) 、可编程电压监测器( p v d ) 、掉电监测器； ( 7 ) 内嵌4 1 6 m h z 高速晶体振荡器； ( 8 ) 内嵌经出厂调校的8 m h z 的r c 振荡器； ( 9 ) 内嵌4 0 k h z 的r c 振荡器； ( 1 0 ) 内嵌p l l 为c p u 提供时钟； ( 1 1 )2 个1 2 位模数转换器，l 邮转换时间( 1 6 通道) ； ( 1 2 )串行线调试( s w d ) 和j t a g 接口； ( 1 3 )7 通道d m a 控制器，支持的外设：定时器、a d c 、s p i 、1 2 c 和u s a r t ： ( 1 4 ) 所有i o 口可以映像到1 6 个外部中断。 s 删3 2 的整体结构框图如图2 1 。 本系统使用的主要模块包括时钟发生器、实时时钟r t c 、中断、d m a 控制器、a d 转换器、r 兀m 定时器、u s a r t 模块等。这里重点介绍复位和时钟控制模块、实时时钟r t c 和备份寄存器b k p 。 2 1 1 s t m 3 2 的复位和时钟控制 s t m 3 2 共有3 种形式的复位：系统复位、电源复位和备份区复位。 系统复位将复位除时钟控制寄存器( c s r ) 中的复位标志和备份区域的寄存器外所 有的寄存器。通常，系统复位由外部复位、看门狗复位、软件复位和低功耗管理复位信 号触发。 便携式冷却系统无纸记录仪的设计 t r c e c l k t r a c e d o ：3 l n 嘟 v d d a v 8 s p a l l 5 ：o 】 p 域1 5 ：o 】 p c i l 5 ：0 1 p d i s o p 目1 5 ：0 1 4 c h 8 r l n d 8 3c o m p l c h e s 日脯a n d b 日n m o 斟m l s o s c k n s s r x t x c t s s m a r t c a r d v r e f + v m ；f f f 。_ ：7 2 m h z g p o m a 7c h a n n e l s 8 u p p l y p o r ，p d r p v d v v a k e u p g p i o a g p l 0 8 g p i d c g p i o d g p l o e 1 1 m 1 u s a r t l 1 2 b f la d c l 1 2 h i ta d c 2 e m ps e n s o r l 憎c e c o n t r o l i er r 哪 誉 苗 秀 盂 引f 蛐1 2 8 k b 至i 汕t s f l a m 2 0 旧 p o 懒 v o l tr e g 3 v t 0 18 v o v d d o v d d 鬻p c l k l 疆蜱 只c 日m h 2 曰c4 0k h z o 、，d 06 a h b 2 a p b 2 h b 2 p b l s t a n d b y m t e r r a c e e v b t f 1 x t a l 3 2k r t cb a c k u p a w i j m 口 b a c 叫pi n t l 耐a c t l m 2 t i m 3 t l m 4 u s a r t 2 u 8 a r t 3 b x c a n u s 8 2 ，o f s s r m5 1 2 b w w d g 图2 1s t m 3 2 整体结构框图 f i g 2 1d i a g r a mo f s t m 3 2s t r u c t u r e v = 2 t o3 6 v v s o o s c _ i n 0 8 co l i t o s c 3 2 _ 1 n o s c 3 2 _ o u t 4 a 姗i e 4 a 咖e 1 5 4c h a n n e l a i 就, t x ，c r s ，r t s 。 c k s r n a c l c , a r d r x l - c t s f i r s o k , 9 帆甜t c 硎 嬲 i s o s c k n s s 8 乩。s d a s m b a u s b d p c a n j x u s b d i v i , c a nr x 电源复位由上电掉电复位( p o i 泖d r 复位) 触发。发生电源复位后，除备份区域 外的所有寄存器均复位。 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 备份区域由主电源和备用电池供电。当供电正常时，备份区域仅由其控制寄存器 ( i 地cb d c r ) 的b d l 迟t 位触发软件复位。当主电源和备用电池均不供电时，其中一 个电源的突然上电也会引起备份区域的复位。 s 刑3 2 的系统时钟可来自3 个不同的时钟源：h i s 振荡器时钟、h s e 振荡器时钟、 p l l 时钟。每个时钟源都可以在不需要时关闭，以降低系统整体功耗。 外部设备还具有下面两个二级时钟源( 4 】： 3 2 k h z 的低速内部r c 振荡器( l s ir c ) 用来驱动独立的看门狗和选择性的驱动用 于从停止待机模式自动唤醒的r t c ：3 2 7 6 8 l ( h z 的低速外部晶振( l s e ) 来选择性驱动 实时时钟r t c 。 h s e 时钟为高速外部时钟信号，既可以通过控制器的o s ci n 和o s co u t 引脚跨 接4 1 6 m h z 的无源晶体振荡器，也可以只通过o s ci n 接入一个最高为2 5 m h z 占空比 为5 0 的外部时钟信号。h s e 是否稳定靠时钟控制寄存器( r c cc r ) 中的h s e r d y 标志位指示。启动时，时钟直至硬件置位该位后才能释放。h s e 振荡器也可以通过控制 寄存器r c cc r 中的h s e o n 位来打开或禁用。 。h i s 时钟信号由控制器内部的r c 振荡产生，频率为8 m h z ，既可作为系统时钟， 也可以2 分频后作为p l l 的输入。h i s 时钟不需要任何外围器件即可实现，不过其频率 精度较低，需要校验。系统复位后，出厂的校验值会装载到时钟控制寄存器( r c cc r ) 的h s i c a l 7 ：0 位中。与h s e 类似，h i s 在r c cc r 寄存器中也有h i s r d y 标志位指 示其是否稳定。同时，也有h i s o n 位来控制h i s 的打开或禁用。 微控制器的内部有p l l 可将h i s 时钟或h s e 时钟倍频。p i 工在使用前必须配置好， 当p l l 启动之后，配置好的参数将不能被修改。 l s e 振荡器是一个3 2 7 6 8 k h z 的低速外部晶体，它是实时时钟的高精度专用时钟源。 通过设置备份区域控制寄存器( r c cb d c r ) 的l s e o n 位可以打开或禁用l s e 。同时， 在r c cb d c r 寄存器中也有l s e r d y 标志可以指示l s e 晶体是否稳定。 l s ir c 振荡器是一个低功耗的时钟源，可以为独立看门狗( 1 w d g ) 和自动唤醒单 元( a w u ) 运行在停止和待机模式时提供时钟。它可以通过设置控制状态寄存器 ( r c cc s r ) 的l s i o n 位来打开或者禁用。与l s e 类似，r c cc s r 寄存器中也有一 个l s i i m y 位指示l s i 是否稳定。 系统复位后，h i s 振荡器被选择为系统时钟。更改系统时钟的选择必须遵循“先设 置，后切换的原则，即当一个时钟被选择为系统时钟时，它必须处于准备好的状态。 如果尚未准备好，那么切换必须等待时钟准备好才能进行。 便携式冷却系统无纸记录仪的设计 2 1 2 实时时钟r t c 实时时钟是一个独立的定时器，在相应的软件配置下，可以提供时钟日历等功能。 r t c 核和实时时钟配置寄存器( b c cb d c r ) 处于备份区域，因此，在复位或者从待 机模式唤醒时，r t c 的设置和时间会被保存。 r t c 是一个带预分频器的3 2 位可编程计数器，分频因子可以高达2 2 0 。在中断系统 中，r t c 有3 个可屏敲的中断：闹钟中断、秒中断和溢出中断。 r t c 带有两个单独的复位，既可以通过a p b l 接口由系统复位，还可以通过备份区 域复位。在系统复位或电源复位发生时，r t c p r l 、r t c a l r 、r t c _ c n t 和r t c d i v 寄存器并不发生复位，这些寄存器只能通过备份区域的复位信号来复位。 以上提到的三个寄存器必须在r t c 进入配置模式的情况下才能被设置。进入r t c 的配置模式需要r t cc r l 寄存器中的c n f 位置位完成。另外，对r t c 寄存器的写操 作必须等前一次的写操作完成后才能进行。为了使软件能够检测到这种情况，r t c c r 寄存器中的r t o f f 状态为专门用来指示寄存器是否正在进行更新，仅当r t o f f 状态位 值为1 时才能向r t c 寄存器中写入数据。 配置的过程如下旺 ( 1 )轮询r t o f f 位，直至其为1 ； ( 2 ) 置位c n f 位进入配置模式； ( 3 )写r t c 寄存器； ( 4 )c n f 清零退出配置模式； ( 5 )轮询r t o f f 位，直至其为l 。 r t c 的初始化程序段如下： r c c _ a p b 1p e r i p h c l o c k c m d ( r c c _ a p b1p e r i p h _ p w r i r c c _ a p b1p e r i p h k p ， e n a b l e ) ：腋能p w r 和b k p 时钟 p w rb a c k u p a c c e s s c m d ( e n a b l e ) ；允许访问b k p 区域 b k pd e l n i t ( ) ；复位b k p 区域 r c cl s e c o n f i g ( r c cl s e0 n ) ： 使能l s e 时钟 w h i l e ( r c cg e t f l a g s t a t u s ( r c cf l a gl s e r d y ) 一r e s e t ) 等待l s e 稳定 r c ci u c l k c o 觚g ( r c cr t c c l k s o u r c el s e ) ； r c c _ r t c c l k c m d ( e n a b l e ) ； 臌择l s e 为r t c 时钟源 使能r t c 时钟 大连理工大学硕士学位论文 r t c _ w a i t f o r s y n c h r o ( ) , 等待r t c 同步 r t c 等待寄存器写操作结束_ w a i t f o r l a s t t a s k 0 ； r t c r t c _ i t c o n f i g ( r t ci ts e c ，e n a b l e ) ；使能r t c 秒中断 r t c等待 寄存器写操作结束_ w a i t f o r l a s t t a s k 0 ； r t c r t c设置 预分频_ s e t p r e s c a l e r ( 3 2 7 ) ； r t c p e r i o d = ( 3 2 7 6 8k h z ) ( 3 2 7 + i ) r t c 等待 寄存器写操作结束w a i t f o r l a s t t a s k 0 ； r t c 2 1 3 备份寄存器b k p 备份寄存器共有2 0 字节，每1 6 位做为一个寄存器编址，共1 0 个寄存器。备份寄 存器处于备份区域，在外部电源v d d 被切断之后，可以由外接电池提供的v b a t 提供 电源。在复位之后，备份寄存器中的数据不随主控制器的其他寄存器一起复位，而是单 独归属备份区域复位控制，此时备份寄存器和r t c 的访问被禁止，防止被意外访问和 写入。在电源控制寄存器( p w rc r ) 中的d b p 位置位时，备份区域的数据才能被访 问。 在本系统中，备份寄存器主要用于保护一些需要预置的系统参数和日期时间等断电 需要保存的信息。 2 2 人机接口的设计和实现 系统的显示采用l c d 模块实现，输入的按键配置在s t m 3 2 的外部中断上。l c d 模块具有分辨率高、显示信息量大、驱动简单等优点，非常适合应用于智能仪表的设计 中。用户可以通过按键和l c d 实现单机设置，同时也可以通过l c d 观察被测参数的变 化及工业现场的情况。 2 2 1 基于r a 8 8 0 3 控制的3 2 0 2 4 0 液晶模块 本系统的显示部分选用基于r a 8 8 0 3 控制的3 2 0 2 4 0 液晶模块。r a 8 8 0 3 是一个双 图层中英文文字与绘图模式的点矩阵液晶显示( l c d ) 控制器，可支持最大3 2 0 2 4 0 点的l c d 面板，其内建5 1 2 k b 的字型码，可以显示中文字型、数字符号、英日欧文等 字母。r a 8 8 0 3 芯片的驱动方法也非常简单，只要通过控制器对r a 8 8 0 3 写入中英文字 型码，就可以直接在l c d 面板上显示中英文字型，而不需要以绘图方式来处理中英文 的显示。 这里为了使电路设计简单，选用带升压电路的l c d 模块。表2 1 为l c d 模块和微 控制器接口的管脚定义。 便携武冷却系统无纸记录仪的设计 表2 1l c d 模块和微控制器接口的管脚定义 t a b 2 1p i n sd e f i n eo fl c dm o d u l e r a 8 8 0 3 可以设置数据宽度为4 位或8 位，通过设置芯片上s y sd b 引脚选择，低 电平为4 位数据，高电平为8 位数据。因为r a 8 8 0 3 内部的缓存器大多是8 位的架构， 因此如果使用4 位的数据总线接口，控制器将会花较多的时间去存取r a 8 8 0 3 内部的缓 存器。当选择4 位数据作传输模式时，r a 8 8 0 3 和控制器的接口只用d 3 一d 0 ，d 7 - d 4 悬 空，同时每一个8 位的指令或数据将被分为两个4 位数据进行传送，先高4 位，后低4 位。本系统选择8 位数据总线。 初始化液晶模块的程序段如下： l c dc m d w r i t e ( 0 x 0 0 ，o x c s ) ；设定显示工作模式 l c dc m d w r i t e ( 0 x 01 ，0 x f1 ) ： l c dc m d w r i t e ( 0 xl0 0 x 6 b ) ； l c dc m d w r i t e ( 0 xll ，0 x 2 2 ) ： l c dc m d w r i t e ( 0 x 2 0 ，0 x 2 7 ) ： l c dc m d w r i t e ( 0 x 3 0 o x e f ) ； l c dc m d w r i t e ( 0 x 4 0 o x o o ) ； l c dc m d w r i t e ( 0 x 5 0 0 x 0 0 ) ； 设定系统时钟，本系统为4 m h z 脯标相关信息 设定光标高度与行距 设定上作窗口右边位置 设定工作窗口底边位置 设定工作窗口左边位置 设定工作窗口顶边位置 大连理工大学硕士学位论文 l c d _ c m d w r i t e ( 0 x 21 ，0 x 2 7 ) , l c dc m d w r i t e ( 0 x 3l ，0 x e f ) ： l c dc m d w r i t e ( 0 x 41 o x o o ) ； l c dc m d w r i t e ( 0 x 5l ，o x o o ) ； 体系统使用液晶为3 2 0 2 4 0 ， l c dc m d w r i t e ( 0 x 6 0 o x o o ) ； l c dc m d w r i t e ( 0 x 7 0 o x o o ) ； l c d 0 x 0 6 ) ； l c d 0 x 0 6 ) ； l c d _ c m d w r i t e ( 0 x 81 ，o x o c ) ； 2 2 2 按键输入的实现 设定显示窗口右边位置 设定显示窗口底边位置 设定显示窗口左边位置 设定显示窗口项边位置 工作窗口与显示窗口设成一样 假定光标s e g m e n t 地址 设定光标c o m m o n 地址 光标闪烁时间设定 设定x c k 信号周期 缓存器 0 x 8l 】必须设成0 x 0 c 系统的人机接口输入部分由按键完成，按键部分由于其特殊的机械结构，在按动时 会出现机械抖动，如图2 2 。 图2 2 按键的机械抖动 f i g 2 2 m e c h a n i c a lj i t t e ro f k e y s 控制器的程序需要设计去抖动程序，通过延时，避开抖动的时段，读取电平稳定的 部分。同时，将按键的电平接入s t m 3 2 的外部中断，处理程序可以在中断中完成。 s 刑3 2 的外部中断系统非常灵活，它打破了普通单片机设置外部中断引脚的传统， 而是在内部设置1 9 个边沿检测器接入中断控制器，外部的5 个1 6 位g p i o 可以配置到 其中的1 6 个检测器上。每个中断线都可以独立触发和屏蔽，同时每个中断线都具有专 门的状态位。 配置硬件中断的具体步骤是：首先配置中断线的屏蔽位( e x t il m r ) ，然后配置 中断线的触发标志位( e x t ir t s t 和e x t if t s r ) ，最后配置控制n v i ci r q 通道映 射到外部中断寄存器( e x l r i ) 的使能和屏蔽位以使能来自1 9 条中断线上的某个中断能 够被正确的应答。 便携武冷却系统无纸记录仪的设计 外部中断的配置程序段如下： g p i o _ e x t i l i n e c o n f i g ( g p i o _ p o r t s o u r c e g p i o d ，g p i o _ p i n s o u r c e 4 ) ； 配置p d 4 脚为外部中断 e x l r i j n i t s t r u c t u r e e x t i _ l i n e = e x t i _ l i n e 4 ； 选择中断4 e x t i i n i t s t r u c t u r e e x t i m o d e = e x t i _ m o d e _ i n t e r r u p t ； 中断模式 e x t i i n i t s t r u c t u r e e x t i _ t r i g g e r = e x t i _ t r i g g e r _ f a l l i n g ； 下降沿触发 e x t i i n i t s t r u c t u r e e x t i _ l i n e c m d = e n a b l e ； 使能中断线 e x t i 按上面的配置初始化中断_ i n i t ( & e x t l i n i t s t r u c t u r e l l ) ；e x t i _ g e n e r a t e s w i n t e r r u p t ( e x l i n e 4 ) ；生成软件中断 2 3 本章小结 本章重点介绍系统采用的微控制器及人机接口的实现。系统主要微控制器采用 s t m 3 2 系列a r m 处理器实现，同时根据系统需要，研究了r t c 时钟和b k p 备份区域 寄存器的操作方法。人机接口的显示部分采用基于r a 8 8 0 3 控制的3 2 0 2 4 0 分辨率的 l c d 模块实现，而输入部分采用按键接入处理器外部中断引脚实现。实现了系统人机接 口友好且操作简便的预期目标。 大连理工大学硕士学位论文 3 系统过程通道的设计与实现 计算机控制系统一般由传感器、主控单元和过程通道组成。所谓过程通道，是指仪 表与工业现场交互的接口电路，是系统设计的最主要、最核心的部分，系统的整体框架 都是围绕着过程通道展开的。下面分别介绍两种信号采集模块的过程通道设计。 3 1数字采集模块的结构原理与硬件实现 数字信号通常为频率信号。频率信号又称脉冲信号，一般由涡轮流量计、涡街流量 计、光电码盘等传感器产生。数字信号的基本特征是： ( 1 ) 由工业现场传送到计算机，通常伴随机械性的抖动和波形的失真。 ( 2 ) 容易干扰其他模拟器件和电路。 ( 3 ) 信号的幅值、频率等参数相对复杂。 鉴于上述三点特征，设计数字量采集的过程通道如图3 1 所示： 传 感 器 信 号 图3 1数字量输入过程通道组成框图 f i g 3 1d i a g r a mo fd i g i t a li n p u tc h a n n e l 去 系 统 总 线 r i ，i2 k 。n=!婴竖p至兰二；蓦；_j；f_二三三兰一“iuhc琶f,40106p一,m。 便携式冷却系统无纸记录仪的设计 其前端采用无源的r c 滤波电路，之后用光耦t l p l 8 1 将传感器信号和处理器电路 隔离，后端为c d 4 0 1 0 6 施密特触发器构成的整形电路。实验观察，经过过程通道的处 理，频率信号可以满足采集要求。 3 2s t m 3 2 带输入捕获功能的定时器