一種可插拔的智能操作器的設(shè)計

一種可插拔的智能操作器的設(shè)計

1智能操作器的設(shè)計在能源、供水、電源等分布的微型計算機監(jiān)控系統(tǒng)中，能耗、水和氣體的測量主要是為了記錄表中和水中產(chǎn)生的脈沖信號。為獲得計量表的基值,需要操作人員到現(xiàn)場記錄,并人為地輸入到系統(tǒng)中。這是件耗時又耗人力的事情。為了解決這一問題,我們設(shè)計了一種可插拔的智能手持操作器(簡稱手操器),工作人員可在現(xiàn)場將表的基值通過手操器直接傳送給監(jiān)控級。該手操器還可廣泛用于智能儀表及數(shù)字控制器中,作為進行參數(shù)設(shè)定修改的友好人機設(shè)備。2監(jiān)控系統(tǒng)硬件原理圖手操器采用PC10編程器殼(外型尺寸180×76×29mm),由CPU、鍵盤、LED顯示、通訊及供電5部分組成,硬件原理圖如圖1所示。(1)x系列分散機單元系統(tǒng)采用AT89C2051單片機作為主控單元。89C2051是美國ATMEL公司推出的AT89CX系列單片機中結(jié)構(gòu)最緊湊、體積最小的單片機,片內(nèi)有2k字節(jié)閃爍存儲器,采用電擦除,最多可擦寫1000次,便于軟件升級和對不同應(yīng)用環(huán)境修改操作規(guī)程。除沒有外部程序存儲器和外部數(shù)據(jù)存儲器擴展功能外(無P0、P2口),它具備80C31單片機所有功能,并有兼容性好、價格低等特點。(2)前兩行為+第三行為鍵盤為3×5行列式,其中行占用89C2051的P1口低3位,列占用P1口高5位,前兩行為0～9數(shù)字鍵,第三行為5個功能鍵。在P1.0～P1.2口線上分別增加了一個二極管(D1～D3),這種設(shè)計可以防止不同行之間發(fā)生串鍵時P1.0、P1.1和P1.2中兩個端口間形成環(huán)流而對端口造成損壞。(3)顯示驅(qū)動系統(tǒng)手操器用8位LED進行顯示,最高位為綠色,用于顯示數(shù)據(jù)類型;其余為紅色,用于顯示數(shù)據(jù)大小。選用了MAX7219實現(xiàn)對LED的驅(qū)動控制,MAX7219是一種低功耗、單電源、串行輸入輸出的顯示驅(qū)動器,其內(nèi)部包括一個BCD譯碼器、16位移位寄存器、多位掃描電路、段和位的驅(qū)動器以及一個用于存儲每個LED段碼的8×8靜態(tài)RAM。MAX7219只占用89C2051的P3.3、P3.4和P3.5三條口線(分別與MAX7219的LOAD、CLK、DIN管腳相連),控制8位LED的顯示,因此本顯示驅(qū)動系統(tǒng)具有硬件結(jié)構(gòu)簡單、體積小的優(yōu)點。MAX7219的工作方式及對LED的控制是通過向相應(yīng)寄存器中寫入控制字來實現(xiàn)的,這些寄存器分別為暫停工作寄存器、關(guān)斷方式寄存器、譯碼方式寄存器、亮度控制寄存器、顯示位數(shù)寄存器、顯示狀態(tài)寄存器和8個數(shù)碼管驅(qū)動寄存器。CPU每次向MAX7219輸出16位二進制數(shù)據(jù),用D15(最高位)～D0(最低位)來表示,其格式為:D15～D12為任意的二進制碼,D11～D8為寄存器的地址,D7～D0為寫入寄存器的控制字。CPU寫數(shù)據(jù)時按由高位到低位的順序進行:P3.5用于按位輸出數(shù)據(jù);P3.4在P3.5每輸出1位時應(yīng)產(chǎn)生一個上升沿電平,MAX7219接到該上升沿后將P3.5輸出的數(shù)據(jù)讀入16位移位寄存器中,每讀入1位數(shù)據(jù),移位寄存器內(nèi)部各位順次向前移位;在16位數(shù)據(jù)均寫入移位寄存器后,P3.3產(chǎn)生一個上升沿電平,該信號使MAX7219將移位寄存器中的控制字寫入到相應(yīng)寄存器中,并對LED進行控制。(4)ro/txd和kxd本系統(tǒng)采用抗雷擊的SN75LBC184芯片實現(xiàn)RS-485串行通訊,該片內(nèi)A、B引腳接有高能量瞬變干擾保護裝置,能承受峰值為400W的過壓瞬變。89C2051的RXD和TXD分別與75LBC184的RO和DI相連,用于發(fā)送和接收數(shù)據(jù);89C2051的P3.7與75LBC184的DE相連,用于收發(fā)轉(zhuǎn)換的方向控制。為使手操器也能適應(yīng)于RS-232通訊環(huán)境,在通訊電路增加了MAX232通訊芯片,根據(jù)需要在兩種通訊芯片之間進行切換。(5)電源+vd轉(zhuǎn)換由于印刷電路板面積較小,很難單獨配置電源,因此借用外圍設(shè)備的電源,經(jīng)過升壓或降壓芯片轉(zhuǎn)化為+5V電壓為各芯片供電。本系統(tǒng)用MAX738將外圍12V降為5V。3軟件方案的設(shè)計為了提高通用性,軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)。程序分4個模塊,即鍵盤程序、顯示程序、通訊程序和主程序。(1)關(guān)鍵鍵的讀取鍵盤程序分為查鍵和鍵處理兩部分:查鍵程序采用行列掃描方式,檢測是否有鍵按下并讀取鍵值,程序還具有防止串鍵、按鍵連發(fā)等功能;鍵處理程序判斷按鍵種類并轉(zhuǎn)向相應(yīng)的處理程序。(2)顯示模塊的實現(xiàn)顯示程序模塊由顯示驅(qū)動程序、功能鍵與顯示的接口程序及與數(shù)字鍵結(jié)合的7位數(shù)字移位顯示程序組成。a.顯示驅(qū)動程序顯示驅(qū)動程序包括CPU將控制字寫入MAX7219內(nèi)部寄存器的程序(框圖如圖2所示)以及多種顯示效果子程序。根據(jù)工作環(huán)境的需要,通過改變MAX7219寄存器的控制字可以靈活地實現(xiàn)不同的顯示效果,例如多位閃爍顯示、1位閃爍顯示、顯示位數(shù)控制、顯示亮度控制等。以多位閃爍顯示子程序為例,可通過改變關(guān)斷方式寄存器的值來實現(xiàn),程序框圖如圖3所示。b.功能鍵與顯示的接口程序用戶不僅可以通過鍵盤錄入數(shù)據(jù)、修改數(shù)據(jù)、控制通訊,而且操作時的狀態(tài)和結(jié)果可以按不同的效果實時顯示。為便于用戶操作,在程序中將5個功能鍵設(shè)計為一鍵一意,并為每個功能鍵編制了顯示的接口程序。我們將5個功能鍵中的3個定義為“清除”、“確認”和“通訊”鍵;另兩個鍵定義為數(shù)據(jù)的特征鍵,按特征鍵則最高位色LED顯示數(shù)據(jù)的特征。在輸入數(shù)據(jù)時LED為閃爍顯示(用戶可自行選擇顯示效果),當(dāng)確認輸入正確后,按“確認”鍵,LED停止閃爍,將數(shù)據(jù)保存到通訊緩沖區(qū)內(nèi);如發(fā)現(xiàn)輸入不正確,按“清除”鍵將數(shù)據(jù)從RAM和LED中清掉。按“通訊”鍵則將數(shù)據(jù)發(fā)送給監(jiān)控級,顯示內(nèi)容見通訊程序。c.移位顯示程序用戶輸入數(shù)據(jù)時,該程序?qū)崿F(xiàn)了LED顯示位數(shù)與輸入數(shù)據(jù)位數(shù)(最多7位)一致的移位顯示。我們在RAM中設(shè)計了地址指針、計數(shù)單元和輸入數(shù)據(jù)的存儲區(qū),在顯示移位前,指針指向第一次輸入數(shù)據(jù)(最高位)所在存儲單元,計數(shù)單元記錄當(dāng)前數(shù)據(jù)輸入的個數(shù)。程序步驟為:第一步用戶按數(shù)字鍵后,CPU將新鍵值順次置入存儲區(qū),計數(shù)單元加1;第二步程序確定指針?biāo)笖?shù)據(jù)存儲單元應(yīng)顯示在第幾位數(shù)碼管并取數(shù)譯碼顯示;第三步如果當(dāng)前輸入數(shù)據(jù)已全部顯示則執(zhí)行第四步,否則指針指向下一位數(shù)據(jù)所在存儲單元重復(fù)第二步驟;第四步指針重新指向數(shù)據(jù)最高位所在單元并結(jié)束。(3)通訊故障的自診斷和顯示故障是制定通訊程序規(guī)范的基礎(chǔ)上的電路設(shè)計規(guī)范通訊采用89C2051單片機的通訊模式3,波特率為9600b/s。89C2051的P3.7需要預(yù)先設(shè)置,來選擇本次通訊是發(fā)送還是接收數(shù)據(jù)。另外,程序可對通訊中的4種故障進行自診斷,并顯示故障類型。4種故障分別為:顯示ERROR1,表示與上位機握手失敗;顯示ERROR2,表示與上位機握手成功,但發(fā)送數(shù)據(jù)后上位機沒有響應(yīng);顯示ERROR3,表示校驗和不正確;顯示ERROR4,表示本次輸入數(shù)據(jù)的大小超出規(guī)定的范圍。程序框圖如圖4所示。(4)用戶體驗?zāi)K的實現(xiàn)主程序除對89C2051的PSW、定時器、通訊方式及MAX7219進行初始化外,其余部分可根據(jù)用戶的需要通過調(diào)用上述3個模塊來實現(xiàn)。4模塊化通訊軟件綜上所述不難看出,