??? 摘? 要: 介紹用于工業(yè)熱工計量分度表計算及其它運算的一種便攜計算工具。本設(shè)計選擇滿足高速、大的程序容量需求的單片機(jī),并對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)作了說明。?
??? 關(guān)鍵詞: 熱工計量? 分度表計算? 高速單片機(jī)? 浮點計算
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??? 在電力、石化、鋼鐵等行業(yè)中大量使用各類標(biāo)準(zhǔn)或非標(biāo)準(zhǔn)的熱電阻與熱電偶。為保證測量精度,這些溫度測量器件需要定期檢定或校準(zhǔn)。計量工程師在檢定時,需要進(jìn)行大量的分度表計算。這類計算,尤其是標(biāo)準(zhǔn)溫度計的分度表計算,方法復(fù)雜、費時費力、容易出錯。有些單位因此編制了一些小程序配合計算,但基于微機(jī)的程序?qū)τ诖罅康默F(xiàn)場計算顯得很不方便,計量工程師迫切需要一種快速便捷的計算工具。?
??? 本熱工計量便攜計算工具采用兩組單片機(jī)作為計算與控制核心。一組芯片用于核心計算及基本控制,另一組芯片專門用于復(fù)雜的中文界面顯示,兩者之間通過SPI總線通訊。這種設(shè)計在系統(tǒng)成本增加不多的情況下,簡化了設(shè)計難度,提高了系統(tǒng)的可靠性。本熱工計量便攜計算工具可以完成標(biāo)準(zhǔn)熱電阻、標(biāo)準(zhǔn)熱電偶分度表轉(zhuǎn)換計算;工業(yè)熱電阻、熱電偶分度表轉(zhuǎn)換計算;變送器轉(zhuǎn)換計算;壓強(qiáng)、溫度等14類物理量約170種單位的轉(zhuǎn)換以及其它復(fù)雜的數(shù)學(xué)函數(shù)及浮點計算等,可以充分滿足計量工程師現(xiàn)場及實驗室的計算需求。?
1 計算需求?
??? 以比較復(fù)雜的標(biāo)準(zhǔn)鉑銠10—鉑熱電偶的分度表計算為例,分析對單片機(jī)計算功能的需求。計算方法依據(jù)ITS90國際溫標(biāo)及國家技術(shù)監(jiān)督局頒發(fā)的JJG75-95《標(biāo)準(zhǔn)鉑銠10—鉑熱電偶》計量檢定規(guī)程。與一般常規(guī)計算不同,熱電偶分度表計算具有步驟多、計算嵌套多以及需要大量的浮點乘法甚至指數(shù)計算等特點,計算精度為十進(jìn)制5位有效數(shù)字,ANSI規(guī)定的單精度浮點計算可以滿足精度要求。?
??? 考慮一般的計算情形,如果某標(biāo)準(zhǔn)S熱電偶鋅、銻、銅點熱電勢已知,測量某溫度場的溫度,用冰點器作為冷端補(bǔ)償,此時可以測量得到其熱電勢,需要計算此時的溫場溫度。下面是計算過程中用到的計算公式。?
??? 參考函數(shù),約有17次乘法及8次加法。?
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??? 插值函數(shù),有3次乘法及2次加法。?
??? ΔE(t)/μV=a+bt+ct2?
??? 系數(shù)計算,有9次乘法及6次加法。?
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??? 在計算中,需要對參考函數(shù)用二分法及線性插值法求其反函數(shù)的解,對一般的電壓點大約需要進(jìn)行12次參考函數(shù)調(diào)用?？紤]到其他運算,計算該溫度點大約需要做250次單精度浮點乘法計算以及140次單精度浮點加法計算。?
??? 如果考慮現(xiàn)場冷端補(bǔ)償溫度不為0℃的情況,上述計算次數(shù)需要加倍,即約500次單精度浮點乘法計算以及280次單精度浮點加法計算。?
2 選擇單片機(jī)?
2.1 計算精度及速度要求?
??? 考慮到計算精度(單精度浮點計算)的需求及價格因素,選擇使用8位單片機(jī)。?
??? 市面上有很多種類的8位單片機(jī),比較典型的有MCS51系列產(chǎn)品。選擇了INTEL 8031處理器作為選擇的判斷基礎(chǔ),使用6MHz石英晶體,用C51編制上述例子的計算程序。在實際計算中,測得完成一次完整的計算約需4秒。對于某些需要指數(shù)計算的例子,時間可長達(dá)10余秒。由于程序的編制水平不同,不同單片機(jī)的結(jié)構(gòu)、指令不同等諸多因素影響,無法精確計算各類8位單片機(jī)的運算時間,這個測試結(jié)果僅作為判斷的依據(jù)。?
??? 作為實際使用的產(chǎn)品,用戶可以接受的計算時間是1秒以內(nèi),因此必須采用高速8位單片機(jī)。?
2.2 程序存儲容量及其它要求?
??? 本熱工計量便攜計算工具設(shè)計功能較多,程序較大,使用C語言編程,生成代碼較多。先在INTEL 8031上完成包含輸入輸出的上述計算的完整程序,生成代碼長度約為4KB,完成全部功能,最終程序代碼長度約為80KB。相對于一般嵌入式微處理器應(yīng)用,此程序代碼相對較多。為精簡系統(tǒng)以及保密的要求,采用片內(nèi)集成ROM或FLASH程序存儲器的單片機(jī),要求其程序存儲器容量在80KB以上。?
??? 由于設(shè)計功能較多,需要實時保存大約2KB的參數(shù),即需要2KB以上的EEPROM實時保存數(shù)據(jù)。另外需要帶SPI總線接口以達(dá)到快速數(shù)據(jù)顯示的目的,對其它如I/O口數(shù)量等沒有特殊的需求。?
2.3 選擇結(jié)果?
??? ATMEL公司的ATmega103單片機(jī)是基于RISC結(jié)構(gòu)、內(nèi)置FLASH的單片機(jī),采用Harvard流水線結(jié)構(gòu),一個時鐘周期可以執(zhí)行一條指令。ATmega103時鐘頻率為6MHz,由于采用8位RISC結(jié)構(gòu),速度可以接近1MIPS/MHz,是同樣頻率傳統(tǒng)MCS51系列單片機(jī)速度的十幾倍。經(jīng)過測試,可以在0.1秒內(nèi)完成上述的測試運算,在速度上完全達(dá)到了用戶期望值。?
??? ATmega103內(nèi)置128KB的程序FLASH,完全滿足所需的程序存儲空間。本熱工計量便攜計算工具最終完成后程序存儲量為76KB。ATmega103內(nèi)置2KB的EEPROM,足夠存儲中間參數(shù),其他特性也使得電路設(shè)計更加簡潔。此外,可以使用效率較高的C語言編程。?
??? 經(jīng)過多方比較,最終選擇了ATmega103單片機(jī)作為核心計算及基本控制處理器。?
3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理?
3.1 硬件結(jié)構(gòu)?
??? 本熱工計量便攜計算工具原理框圖如圖1所示。?
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??? 在硬件設(shè)計中,較有特點的電路設(shè)計說明如下:?
??? 電源部分采用MAX713的智能鎳鎘電池充電電路。MAX713是使用較為廣泛的智能充電芯片,設(shè)計靈活,使用功率MOSFET組成低功耗的開關(guān)型電源,可以在充電的同時為系統(tǒng)供電。穩(wěn)壓部分采用MAX639。MAX639特別適合9V供電,本身帶有低電壓檢測功能。圖2是穩(wěn)壓及電壓監(jiān)控電路部分。?
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??? 圖2中,VOLT_IN端是電源輸入端,也是MAX713電壓輸出端。ON_OFF端是開關(guān)機(jī)鍵。該端接地開機(jī),Q1導(dǎo)通,為MAX639供電,輸出VCC穩(wěn)壓5V。CPU初始化時將TURN OFF PC7端置高電平,Q2導(dǎo)通,保持Q1持續(xù)導(dǎo)通。在開機(jī)狀態(tài)下,按開關(guān)機(jī)鍵,ON_OFF端接地,OFF INT0外部中斷端電平拉低,CPU響應(yīng)中斷后檢測PA7端,PA7端為低電平表示有關(guān)機(jī)請求,此時將TURN OFF PC7端置低電平,Q2截止,Q1截止,實現(xiàn)關(guān)機(jī)。圖2中,LOW BATT PA6是低電壓復(fù)位輸出端。?
??? 本系統(tǒng)鍵盤按鍵較多(37鍵),但是為了降低成本,同時充分利用ATmega103現(xiàn)有的I/O口,采用了矩陣鍵盤設(shè)計。特別之處是采用中斷鍵盤響應(yīng),統(tǒng)一處理按鍵信號、關(guān)機(jī)信號及低電壓檢測信號,由于AVR單片機(jī)有內(nèi)部上拉電阻,因此簡化了電路設(shè)計。?
3.2 軟件結(jié)構(gòu)?
??? 由于系統(tǒng)程序較大,采用了模塊化編程,充分利用C語言豐富的現(xiàn)成庫函數(shù)以簡化程序設(shè)計。圖3是系統(tǒng)軟件框圖。?
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參考文獻(xiàn)?
1 國家技術(shù)監(jiān)督局計量司編.1990年國際溫標(biāo)宣貫手冊.北京:中國計量出版社,1990?
2 國家技術(shù)監(jiān)督局.中華人民共和國國家計量檢定規(guī)程 JJG75-95 標(biāo)準(zhǔn)鉑銠10-鉑熱電偶?
3 宋建國.AVR單片機(jī)原理及應(yīng)用. 北京:北京航空航天大學(xué)出版社,1998