Pressure Measuring and Controlling System with Bus Structure based on Microcontroller

摘要: 现场总线控制系统的推广和应用，迫切需要自主开发总线型智能仪表来替代传统仪表。本文选用带有CAN总线接口的68HCS12系列微控制器和MPX5000系列压力传感器，开发了一种基于微控制器的总线型压力测控系统。硬件设计方面主要包括微控制器模块、传感器模块、液晶显示模块、通信模块、电源模块以及仪表的抗干扰措施的设计;软件方面运用模块化设计方法，绘制了程序流程图，采用汇编语言与C语言混合编写。

关键字: 测控系统；微控制器；压力；总线

Abstract: The application of the CAN control system requires intelligent instrument based on CAN to take the place of traditional instrument. In order to meet with requirements of fieldbus instruments, an pressure measuring and controlling system based on microprocessor with fieldbus technology is developed. It is exploited using MPX5000 series pressure sensor and 68HCS12 series microcontroller with CAN interface. For the hardware design, it introduced several modules including the microcontroller module, the sensor module, the LCD module, the communication module, the power module and the anti-jamming measures. The software is programmed via C and assembly language.

Keywords: Measuring and Controlling System; Microcontroller; Pressure; Bus

1 引言

目前在我国测控系统中大量使用的仍是传统的模拟仪表。但是随着信息技术和自动化领域的飞速发展，传统仪表存在的缺点和不足日益明显，越来越满足不了用户的要求。随着计算机技术、控制器技术、通信技术和显示技术的发展，特别是其中的微处理器技术和集成电路技术的飞速发展，过程控制发展到了刚刚起步的现场总线控制系统FCS。本文围绕硬件设计与软件开发，设计了一种基于微控制器的总线型压力测控系统。

2 硬件部分设计

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图1 仪表电路原理图

基于微控制器的总线型压力测控系统的硬件部分由微控制器模块、传感器模块、通信模块、显示模块和电源模块组成，其电路框图如图1所示。

2.1 微控制器模块

单片微型计算机，简称单片机，是将中央处理单元(CPU)、存储器(RAM, ROM,EPROM, EEPROM, FLASH等)、接口(并行I/O、串行I/O、高速I/O、定时/计数器、A/D转换器、网络接口等)等集成在单个芯片内的高集成度器件。因其性能特点而广泛应用于汽车、家电、及工业控制领域，所以也称之为微控制器。微控制器是智能测量仪表的核心，在硬件设计时应首先考虑微控制器的选择，然后再确定与之配套的外围器件。

本设计选择MOTOROLA公司生产的68HCS12系列的MC9S12DP256B微控制器及其仿真板。该微控制器具有很好的品质。

2.2 传感器模块

为使设计工作简单可靠，我们采用了MPX5000系列的MPX5999D型号压力传感器。MPXS000系列压力传感器是全集成化的压力传感器，它除了具有以上系列压力传感器的功能外(如温度补偿和校准功能)，还增加了放大器信号调节功能，将电压信号放大处理，这样就可以和任何带A/D转换器的微控制器直接相连，进行模数转换。信号的放大调节是由一个4级放大网络完成的，这个网络采用线性双极性工艺、薄膜金属化技术以及交互式激光微调技术，代表着传感器技术目前的世界水平。

MPX5999D的压力测量范围为0~1000KPa，对应的输出电压范围为0.2~4.7V，压力和电压两者成线性关系。因被测信号的频率较低，其电压输出端经RC低通滤波电路滤除高频噪声，然后送入微控制器内部的A/D转换模块(与引脚PAD01相连)。为消除系统干扰，5V电源采用接地电容加以去藕滤波。MPX5999D与外围电路的连接如图2所示。

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图2 MPX5999D的外围电路

2.3 液晶显示模块

设计中我们选用了2(行)×8(字符/行)液晶显示模块，它是由字符型显示屏(LCD),控制驱动主电路HD44780、扩展驱动电路HD44100、少量电阻电容元件及结构件等装配在PCB板上而成。其内部具有80个字节的RAM，具有标准的接口特性，适配68HCS12系列的操作时序。该模块采用+5V单电源供电，体积小、重量轻、功耗低、可靠性高。

LCD模块工作在8位数据总线模式，8个通用端口用作数据线(DB0-DB7)，3个通用端口用作控制线(R/W, RS及E )。LCD模块与外围器件的电路连接如图3所示，其中LCD的8根数据线DBO-DB7与微控制器A口的8个引脚PA0-PA7相连，3个控制线R/W, RS及E与B口的前三个引脚PBO-PB2相连，LCD电源信号线间串接的可变电阻用来调节LCD显示模块液晶显示屏上字符的亮度。

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图3 LCD模块的外围电路图

2.4 电源模块

本总线型压力测控系统工作时使用+5 V和+12V直流电源，因此需要将总线提供的标准+24V转化为所需的电源。电源电路是引入强干扰的主要通道，瞬间干扰可以通过电源线窜入CPU系统，所以首先使用DC/DC隔离器进行电源隔离，再采用LM2575模块将+24V电源分别降为+5V和+12V。

LM2575系列开关稳压集成电路是美国国家半导体公司生产的集成稳压电路，是传统三端式稳压集成电路的理想替代产品。它内部集成了一个固定的振荡器，只须极少外围器件便可构成一种高效的稳压电路;大大减小了散热片的体积，或在大多数情况下不需散热片;内部有完善的保护电路，包括电流限制及热关断电路等;芯片可提供外部控制引脚。

2.5 通信模块

CAN总线控制器MSCAN的输入输出必须通过CAN收发器转换成CAN标准电平，才能连接到CAN通信介质(双绞线)上;CAN收发器还能输出CAN总线所要求的大电流，同时具有大电流保护功能，可以使CAN控制器MSCAN免遭故障节点或总线的破坏。根据以上两点通信需求，我们在设计过程中选择使用了MC33388型号的CAN收发器。

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图4 MC33388典型应用原理电路

MC33388典型应用电路图如图4所示。MC33388的四种操作模式都可以使用。MC33388的VDD通过一个带有禁止输入引脚的外部调压器供电。除了TX和RX连接到微控制器的CAN模块外，MC33388需要3个附加信号EN, STB, NERR连接到标准的微控制器I/O端口。MC33388的唤醒引脚连接到一个外部信号开关上。MC33388允许信号开关配置，通过上拉或下拉电阻连接到VBAT或接地。插入一个串联电阻主要是限制在转换脉冲期间的输入电流。推荐在MC33388的VBAT和VDD线上接去耦电容，这些电容可以与其它同一印刷板的设备共享。R1和R2的阻值由网络的终端电阻和节点个数决定，为了更好的操作，两者必须相等。如果选择500Ω的终端电阻，系统包括32个节点，则R1和R2每个将为16kΩ。 CANH和CANL引脚可以直接连接到CAN总线上，两者之间插入电感可以提高辐射和敏感度的电磁兼容性。

3 软件部分的设计

软件运用模块化设计方法，采用汇编语言与C语言混合编写，包括主程序和中断程序两部分，由七大模块组成:初始化模块、数据采集模块、数据处理模块、显示模块、控制模块、通信中断模块、系统测试模块。

系统上电后首先对RAM区进行自检，RAM区主要存储采样数据、计算数据、网络变量及报文。对每个存储单元分别写入特征数据00H, 55H, AAH, FFH，然后读出存储内容，如果写入的内容和读出的内容一致，说明这个存储单元读写功能正常。自检完毕后，开始对测控系统进行初始化，接下来微控制器循环采样压力值，并进行A/D转换，然后对转换后的数据进行数字滤波，通过压力传感器输入-输出线性方程进行电压值到压力值的转换，根据预先的设置以特定的单位显示压力，并通过控制算法计算出控制量。总线通信部分采用中断方式，包括现场保护，通信处理分支程序以及现场的恢复。测控系统的软件框图(包括主程序和通信中断程序)如图5所示。

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图5 系统的软件框图

4 仪表抗干扰设计

由于基于微控制器的总线型压力测控系统需要安装在现场，工作环境比较恶劣，而工作信号又是相对较弱的电信号，因此易受到各种干扰的影响。因此，在设计上应该采取必要的抗干扰措施，以提高仪表的稳定性和可靠性。

1、硬件抗干扰措施: (1) 使用低通滤波器;(2) 采用DC/DC隔离电源;(3) 采用光电耦合隔离;(4) 模拟公共地线和数字公共地线分开走线，单点汇接。

2、软件抗干扰措施: (1) 加入空指令;(2) 设置看门狗电路;(3) 加入数字滤波法。

本文作者创新点: 本文开发了基于微控制器的总线型压力测控系统，实现了真正意义上现场测量仪表信息化。该仪表是在68HCS12系列微控制器的基础上开发而成的。该微控制器指令系统丰富，中断和响应速度快，处理异常情况的能力强，且功耗低，抗干扰能力强。该微控制器的另一突出特点是具有较强的功能部件，内嵌了A/D转换及CAN控制器MSCAN等多种模块。