單片機在智能儀器儀表中的應(yīng)用探究

黃巖

摘? 要：智能儀器儀表以其自身所具備的優(yōu)良性能，在諸多領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。為進一步提升智能儀器儀表的整體性能，可對單片機進行合理運用。基于此，文章從單片機的應(yīng)用優(yōu)勢分析入手，論述了智能儀器儀表中單片機的具體應(yīng)用。期望通過該文的研究能夠?qū)纹瑱C在智能儀器儀表中的推廣使用有所幫助。

關(guān)鍵詞：單片機? 智能儀器儀表? 設(shè)計應(yīng)用

中圖分類號：TP216 ? ?文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2020）02（c）-0032-02

1? 單片機的應(yīng)用優(yōu)勢分析

單片機是一種微型計算機系統(tǒng)，它的體積非常小，整體質(zhì)量較輕，造價相對較低，在智能儀器儀表中，單片機的應(yīng)用優(yōu)勢體現(xiàn)在如下幾個方面。

1.1 運算速度更快

智能儀器儀表中加入單片機之后，能夠使儀器儀表的數(shù)據(jù)運算速度獲得大幅度提升。在排除各種影響因素的前提條件下，智能儀器儀表進行測量計算，并完成相關(guān)操作的時間大約在0.1～0.5s之間，當(dāng)計算過程的復(fù)雜程度較高時，則要求儀器儀表具備函數(shù)計算能力。而單片機在智能儀器儀表中的應(yīng)用，不但能夠進一步提升運算速度，而且還能滿足復(fù)雜計算的需要。

1.2 控制更加穩(wěn)定

單片機自帶控制器，在智能儀器儀表中應(yīng)用之后，能夠?qū)崿F(xiàn)運行參數(shù)的實時監(jiān)控，儀器儀表的測量任務(wù)可由單片機來執(zhí)行，這樣可以簡化數(shù)字電路，并以二進制的方式完成控制，從而確保了控制過程的穩(wěn)定性。

1.3 輸入輸出能力更強

從智能儀器儀表的整體結(jié)構(gòu)上看，為滿足使用需要，其內(nèi)部構(gòu)造會做得比較復(fù)雜，包含大量的功能部件。在智能儀器儀表中對單片機進行應(yīng)用后，借助單片機接口芯片強大的I/O功能，可為儀器儀表的功能部件提供更加穩(wěn)定的運行條件，從而使各個部件之間能協(xié)調(diào)運轉(zhuǎn)。

2? 智能儀器儀表中單片機的具體應(yīng)用

為進一步提升智能儀器儀表的整體性能，可在設(shè)計過程中，對單片機進行合理應(yīng)用。下面重點對基于單片機的智能儀器儀表設(shè)計方法進行分析。

2.1 硬件設(shè)計

在基于單片機的智能儀器儀表設(shè)計中，單片機的選型和電路設(shè)計是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

（1）單片機選型。對單片機進行選擇時，應(yīng)當(dāng)滿足智能儀器儀表的使用需要，從各種類型的單片機中選取性價比最高的產(chǎn)品，在發(fā)揮單片機應(yīng)用優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，降低智能儀器儀表的開發(fā)成本。作為智能儀器儀表的控制器，必須保證所選的單片機具有強大的控制功能和較低的功耗。通過對市面上各種類型的單片機進行比較之后，最終決定選用MSP系列單片機，該系列單片機具有超強的處理能力和超快的運算速度，在RAM模式下，最低功耗能夠達到0.1μA，實時時鐘模式下的功耗約為2.5μA。不僅如此，該系列單片機的片內(nèi)資源非常豐富，能夠任意進行嵌套，使用更加靈活方便。

（2）電路設(shè)計。在基于單片機的智能儀器儀表硬件設(shè)計中，電路設(shè)計是重點環(huán)節(jié)，包括檢測電路、采樣放大電路和電流輸出電路。

①檢測電路的設(shè)計要點。對檢測電路進行設(shè)計的過程中，采用8路光耦隔離輸入電路，通過這樣的設(shè)計，能夠使智能儀器儀表具備PLC的一些功能，由此可以使儀器儀表的整體性能得到提升。同時，為避免各種干擾對電路穩(wěn)定運行的影響，可在設(shè)計時，將負(fù)載與前端進行有效隔離，借助分壓電路對光耦進行保護，加入低通濾波器對干擾進行濾除。

②采樣放大電路的設(shè)計要點。對輸入信號進行檢測是智能儀器儀表必須具備的功能之一，由于輸入信號的種類較多，不同的信號有著不同的性質(zhì)，所以需要有不同的檢測電路，鑒于此，在設(shè)計中采用多路開關(guān)選擇器，檢測相應(yīng)的信號。為進一步降低智能儀器儀表的開發(fā)成本，在數(shù)模轉(zhuǎn)換方式上，采用分時復(fù)用技術(shù)，由此可使多路開關(guān)選擇器上3個管腳的控制端能夠?qū)纹瑱C發(fā)出的控制信號進行分別接收，按照信號對應(yīng)的地址，選擇相應(yīng)的通道進入數(shù)模轉(zhuǎn)換器進行處理。此外，因檢測信號的放大倍數(shù)存在一定的區(qū)別，因此，設(shè)計4種程控放大器對輸入信號進行增益，具體的增益倍數(shù)可由軟件進行控制。

③電流輸出電路的設(shè)計要點。目前，大部分智能儀器儀表在電流輸出上采用的都是集成芯片，由于這種芯片的價格較為昂貴，因此，本著降低開發(fā)成本的目的，在設(shè)計中，采用脈沖寬度調(diào)制的方式，對電流信號進行輸出。同時，為對干擾進行有效抑制，在該電路的設(shè)計中，利用光電耦合器，對數(shù)字量與模擬量進行隔離，通過二極管進行單向保護。在電流輸入電路中，單片機運行時所產(chǎn)生的脈沖寬度調(diào)制信號會通過光電耦合器完成輸入，經(jīng)由濾波器對干擾進行濾除。

2.2 軟件設(shè)計

為確保基于單片機的智能儀器儀表的運行安全性和穩(wěn)定性，應(yīng)當(dāng)對軟件程序的編制予以重視。在此次設(shè)計中，選用安全性較高的C語言對軟件程序進行編輯。

（1）主程序設(shè)計要點。在基于單片機的智能儀器儀表中，主程序是軟件核心，其能夠?qū)Ω鱾€子程序進行控制，實現(xiàn)相關(guān)的功能，如測量、數(shù)據(jù)分析與處理、結(jié)果顯示與輸出等等。主程序可對寄存器、端口、串行存儲器中的數(shù)據(jù)進行讀取，并對儀器儀表的工作狀態(tài)進行保存。

（2）監(jiān)控程序的設(shè)計要點。此次設(shè)計的智能儀器儀表中，各個功能模塊的執(zhí)行方式為輪詢檢測，由此能夠防止混亂的情況發(fā)生。當(dāng)監(jiān)控程序檢測到時間，在完成數(shù)模轉(zhuǎn)換之后，如果監(jiān)控位置并未達到要求，此時主程序會進入循環(huán)檢測等待狀態(tài)，直至識別到相應(yīng)的程序為止。

2.3 通信協(xié)議

現(xiàn)階段，現(xiàn)場總線協(xié)議中較為常用的是Modbus協(xié)議，在對數(shù)據(jù)信息進行傳輸時，可以采用的模式有兩種：一種是RTU（遠程終端）;另一種是ASCII（美國信息交換標(biāo)準(zhǔn)代碼）。在此次設(shè)計中，對通信協(xié)議進行選取時，采用的是后者，即ASCII，由此實現(xiàn)與上位PC機的實時通信。該通信模式下，數(shù)據(jù)信息中每8個字節(jié)會被作為2個ASCII字符發(fā)送。之所以選擇這種模式，主要是因為，字符的發(fā)送時間間隔較短，約為1s左右，由此不會出現(xiàn)錯誤的情況，確保了數(shù)據(jù)通信的可靠性。

2.4 功能測試

基于單片機的智能儀器儀表除了具有強大的功能之外，還能對多路信號進行同時接入。下面以溫度控制作為測試對象，對加入單片機的智能儀器儀表的使用效果進行測試。在對現(xiàn)場溫度進行檢測時，選用的是熱電阻溫度傳感裝置，通過繼電器對加熱進行控制，借助ASCII與上位PC機進行通信，可在液晶顯示器上，對溫度監(jiān)控效果進行實時顯示。此次設(shè)計的智能儀器儀表以MSP系列單片機作為核心，從而使儀器儀表的運行更加穩(wěn)定，經(jīng)測試各項功能均可以正常實現(xiàn)，進一步提升了儀器儀表的性能。

3? 結(jié)語

綜上所述，為在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上，進一步提升智能儀器儀表的整體性能，可在設(shè)計過程中，對單片機進行合理應(yīng)用。借助單片機運算速度快、控制能力強等特點，可以使智能儀器儀表的功能變得更加強大，從而滿足不同領(lǐng)域的使用需要。在未來一段時期，應(yīng)當(dāng)加大對單片機的研究力度，通過技術(shù)優(yōu)化，使單片機逐步完善，從而為智能儀器儀表的開發(fā)提供支撐。

參考文獻

[1] 楊琳，李媛，馮爽，等.基于ARM的網(wǎng)絡(luò)化智能儀表的設(shè)計與研究[J].計算技術(shù)與自動化，2018（12）：143-145.

[2] 趙亞楠.西門子：打造數(shù)字化智能儀表 引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展新勢頭[J].自動化博覽，2018（10）：90-92.

[3] 陳凱.智能儀器儀表技術(shù)應(yīng)用及展望[J].中國新通信，2018（8）：79-81.

[4] 劉佳.智能儀器儀表中單片機的抗干擾措施[J].工程技術(shù)研究，2018（6）：62-64.