采用了TI公司的MSP430單片機(jī)作為控制器的核心器件滿足目前儀器設(shè)計(jì)中低功耗、高度集成化和小型化的發(fā)展趨勢。PC機(jī)的監(jiān)控軟件用VC++6.0開發(fā),單片機(jī)的程序用C設(shè)計(jì)。通過RS-232C實(shí)現(xiàn)PC機(jī)和單片機(jī)的串口通信,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了控制器對超聲儀的控制功能。 1 引言 　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微控制器和超聲技術(shù)的不斷發(fā)展,超聲儀器的發(fā)展也十分迅速,有著廣泛的應(yīng)用和發(fā)展市場。超聲學(xué)應(yīng)用技術(shù)主要有兩個(gè)方面,即功率超聲和檢測超聲。由于功率超聲處理技術(shù)具有許多特點(diǎn),與其它處理技術(shù)比較,能極大地提高處理速度和效率,提高處理質(zhì)量和完成一般技術(shù)不能完成的處理工作。本文的主要任務(wù)是研究應(yīng)用于功率超聲儀的控制系統(tǒng),并對其的工作過程和工作狀態(tài)進(jìn)行測控。其主要功能包括:①調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)脈沖的占空比;②控制超聲儀運(yùn)行時(shí)序;③ 檢測信號(hào)源頻率。 2 超聲儀控制系統(tǒng)框圖 　　超聲儀控制系統(tǒng)用于控制超聲儀的工作并檢測其信號(hào)源的頻率,全要由PC機(jī)和超聲儀控制器組成。控制器為一個(gè)智能測控儀器,由MSP430單片機(jī)及其外圍電路組成。PC機(jī)和MSP430單片機(jī)通過RS232-C完成串口通信,控制系統(tǒng)框圖如圖l。系統(tǒng)采用異步串行通信方式,以RS-232C全雙工傳輸方式實(shí)現(xiàn)PC機(jī)和單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳送,從而達(dá)到PC機(jī)對單片機(jī)進(jìn)行控制的目的,實(shí)現(xiàn)超聲儀控制系統(tǒng)控制功能。 3 超聲儀控制系統(tǒng)硬件詳細(xì)設(shè)計(jì) 　　控制系統(tǒng)硬件部分由PC機(jī)和超聲儀控制器組成,PC機(jī)選擇常用的微機(jī)即可滿足要求,超聲儀控制器的設(shè)計(jì)是這個(gè)系統(tǒng)的核心。整個(gè)控制器的硬件電路由MSP430及其接口電路組成。 　　1、電平轉(zhuǎn)換電路。由于MSP430單片機(jī)的串門電平是TTL電平,TTL電平特性與RS232的電氣特性不匹配,為了使MSP430單片機(jī)的串口能與 RS-232C接口通信,必須將串行口的電平進(jìn)行轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)中,異步通信接口電路采用新型的電平轉(zhuǎn)換器件MAX3233E。MAX3233E芯片內(nèi)部有一個(gè)電源電壓變換器,可以把輸入的+3.3V電源電壓變換成為RS-232C輸出電平所需的±12V電壓。采用此芯片接口的串行通信系統(tǒng)只需單一+ 3.3V電源。 　　2、電源與晶振電路。主要由7805和LM317組成,集成三端穩(wěn)壓器7805的輸出端和共地端之間始終保持5V的穩(wěn)定電壓,即7805的輸出電流在內(nèi)部電阻上的壓降始終是5V,所以只要內(nèi)部電阻被確定,7805的輸出電壓就確定并保持非常穩(wěn)定。LM317L是可調(diào)整的三端正電壓穩(wěn)壓器,在輸出電壓范圍為1.2伏到37伏時(shí)能夠提供超過100毫安的電流。對于一個(gè)高可靠性的系統(tǒng)設(shè)計(jì),晶體的選擇非常重要,尤其是設(shè)計(jì)帶有睡眠喚醒（往往用低電壓以求低功耗）的系統(tǒng)。本電路選用8M和32768兩個(gè)外部晶振。 　　3、復(fù)位與PWM輸出電路。系統(tǒng)復(fù)位電路的設(shè)計(jì)一定要使系統(tǒng)能夠充分復(fù)位,在各種復(fù)雜情況下穩(wěn)定可靠地工作,復(fù)位性能不好會(huì)影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。本系統(tǒng)采用常用的上電復(fù)位電路,能保證有充分的低電平時(shí)間。由MSP430單片機(jī)的P4.3管腳輸出占空比和頻率可調(diào)的PWM波形。輸出的信號(hào)經(jīng)施密特觸發(fā)器SN7414脈沖整形后再經(jīng)光耦TPL521隔離,然后由J6的1腳輸出。在MSP430中就是采用CCRO來控制周期T,而用與定時(shí)器對應(yīng)的CCR3 寄存器來控制可變占空比。 　　4、開關(guān)量輸出電路。PC機(jī)發(fā)出命令,單片機(jī)由串口接收到PC機(jī)的指令,然后執(zhí)行相應(yīng)的操作,完成由P1.4管腳輸出高低電平時(shí)間可以調(diào)整的開關(guān)量信號(hào)。輸出的信號(hào)經(jīng)SN7414脈沖整形后再經(jīng)光耦TPL521隔離,由J6的4腳輸出。為了保證MSP430單片機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性及更好地避免外界信號(hào)的干擾,用TPL521對輸入輸出信號(hào)進(jìn)行電氣隔離。在光耦的4腳接上拉電阻,起到加大驅(qū)動(dòng)能力和抗干擾的作用。電路圖如2所示。 　?。╝） 7414整形電路 　?。╞） 光耦隔離電路 　　5、頻率檢測與JTAG接口電路。該檢測電路用于檢測外來頻率信號(hào),信號(hào)經(jīng)由J5的4腳輸入,3腳接地,該信號(hào)由7414整形后送入149的 P1.2管腳。當(dāng)頻率檢測命令到來時(shí),用看門狗打開P1.2管腳的中斷功能,看門狗作定時(shí)器。P1.2管腳每發(fā)生一次管腳中斷就計(jì)數(shù)一次,當(dāng)一秒的時(shí)間到時(shí),看門狗就關(guān)掉P1.2管腳的中斷功能,這樣得到的數(shù)值就是檢測到的頻率值。將可編程接口與MSP430對應(yīng)的引腳相接,接口另一端接JTAG仿真器, 就可以實(shí)現(xiàn)在線編程,向電路板上MSP430重新下載程序。 　　6、液晶顯示控制電路設(shè)計(jì)。單片機(jī)通過向液晶顯示控制器寫入指令及其參數(shù),來實(shí)現(xiàn)對顯示效果的控制。液晶顯示控制器控制部的主要工作是將單片機(jī)寫到顯示存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)以某種形式傳給液晶顯示驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),僅有驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是不能實(shí)現(xiàn)液晶顯示器件顯示的,還需要有控制電路提供驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)所必須的掃描時(shí)序信號(hào)和顯示數(shù)據(jù)。SED1335液晶控制板是用于單片機(jī)與液晶模塊之間控制的控制板,它接收來自單片機(jī)的指令和數(shù)據(jù),并產(chǎn)生相應(yīng)的時(shí)序及數(shù)據(jù)控制液晶模塊的顯示,可用于所有適合SED1335的液晶模塊。SED1335硬件分為:CPU接口部、內(nèi)部控制部和驅(qū)動(dòng)LCD的驅(qū)動(dòng)部,如圖3所示。 4 超聲儀控制軟件設(shè)計(jì) 　　超聲儀控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)分為兩部分,包括PC機(jī)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)和單片機(jī)程序設(shè)計(jì)。PC機(jī)監(jiān)控軟件采用功能強(qiáng)大的VC進(jìn)行開發(fā),主要考慮到控制功能的復(fù)雜性和靈活性。單片機(jī)程序設(shè)計(jì)在一個(gè)新型的開發(fā)平臺(tái)上進(jìn)行的。 　　4.1 PC機(jī)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì) 　　PC機(jī)監(jiān)控軟件是控制系統(tǒng)的管理軟件,它根據(jù)我們提出的控制系統(tǒng)的技術(shù)要求來負(fù)責(zé)發(fā)出相應(yīng)的命令,控制控制器進(jìn)行相應(yīng)的操作,進(jìn)而控制超聲儀的工作。作為智能測控系統(tǒng),其強(qiáng)大的控制功能及控制的靈活性,都離不開軟件的支持。在本程序異步通信中,收、發(fā)雙方必須事先規(guī)定兩件事:一是字符格式,即規(guī)定字符各部分所占的位數(shù),是否采用奇偶校驗(yàn)以及校驗(yàn)的方式（偶校驗(yàn)還是奇校驗(yàn)）等的通信協(xié)議;二是采用的波特率以及時(shí)鐘頻率和波特率的比例關(guān)系。 　　PC機(jī)監(jiān)控軟件包括以下幾個(gè)程序:開關(guān)量輸出開始,開關(guān)量輸出暫停,開關(guān)量輸出時(shí)間調(diào)節(jié),PWM信號(hào)輸出,PWM信號(hào)停止,PWM頻率調(diào)節(jié),PWM占空比調(diào)節(jié),實(shí)時(shí)頻率檢測,間斷頻率檢測,選定程序運(yùn)行時(shí)刻,退出程序運(yùn)行。下面是它的軟件框圖4。 　　4.2 單片機(jī)程序設(shè)計(jì) 　　單片機(jī)的程序由主程序和若干子程序組成,程序用C語言編寫,實(shí)現(xiàn)了串口通信、開關(guān)量輸出、PWM信號(hào)輸出、頻率檢測及液晶顯示的功能。由于篇幅限制,此處僅介紹主程序與PWM輸出程序。 　　1、單片機(jī)的主要任務(wù)是接收PC機(jī)發(fā)來的數(shù)據(jù)并作相應(yīng)的回應(yīng)。當(dāng)單片機(jī)一旦接收到一個(gè)數(shù)據(jù),立刻根據(jù)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷,以決定需要進(jìn)行什么操作。當(dāng)操作完成之后,向PC機(jī)返回一些數(shù)據(jù),以報(bào)告所操作器件當(dāng)前的運(yùn)作狀態(tài),然后再回到數(shù)據(jù)的檢測循環(huán)中去。單片機(jī)采用中斷方式接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。主程序中,先進(jìn)行初始化,當(dāng)F1agWord的0位非0時(shí),即檢測到有數(shù)據(jù)的接收,然后進(jìn)入CommandProcess流程,完成各個(gè)子程序的功能;當(dāng)檢測到 FdetectDone（頻率檢測完成）信號(hào)時(shí),調(diào)用SendOut函數(shù)將檢測到的頻率值送給PC機(jī)和LCD,框圖如圖5。 　　2、單片機(jī)的程序中PWM-Propo_ Adj、PWM-Frequ_ Adj函數(shù)分別完成占空比和頻率的調(diào)節(jié),占空比從0到100可調(diào),頻率從0.1到10Hz可調(diào)。程序中采取增計(jì)數(shù)模式,輸出模式3 （PWM置位/復(fù)位）。這種輸出模式輸出在TBR的值等于TBCCR3時(shí)為高電平,直到TBR的值增加到TBCCR0。我們定義高電平的占空比為 Proportion,Proportion/100=（TBCCR0-TBCCR3）/TBCCR0,TBCCR3= TBCCR0＊ （100-Proportion）/100。 　　頻率調(diào)節(jié)采取分段調(diào)節(jié)的方法,在1-10Hz步長為1,采用時(shí)鐘頻率為32768 Hz;在0.5-0.9步長為0.1,采用時(shí)鐘頻率32768 Hz;在0.1-0.4步長為0.1,將時(shí)鐘頻率32768Hz經(jīng)過8分頻方能滿足要求,以上兩點(diǎn)是程序中值得注意的技巧。具體分析如下:選用時(shí)鐘頻率為 32768 Hz時(shí),如果要輸出的頻率值為1Hz,則TBCCRO中的值為32768。那么如果要輸出的頻率值 　　為2Hz,則TBCCRO中的值為32768/2。在本程序中,單片機(jī)根據(jù)PC機(jī)滑塊的位置變化來控制輸出PWM信號(hào)的頻率值。 本文作者創(chuàng)新點(diǎn) 　　本文進(jìn)行了基于MSP430的超聲儀控制系統(tǒng)研究,主要利用MSP430系列單片機(jī)開發(fā)工具,進(jìn)行了單片機(jī)的程序設(shè)計(jì),完成了一個(gè)智能測控系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。通過整個(gè)系統(tǒng)的研究,體現(xiàn)了MSP430FLASH系列單片機(jī)的特點(diǎn),適合用在低功耗場合和小型化儀器中。 參考文獻(xiàn): 　　[1] 李朝青編著.PC機(jī)及單片機(jī)數(shù)據(jù)通信技術(shù)[M].北京航空航天大學(xué)出版社,2002 　　[2] 索南加樂,宋國兵,晃勤.基于MSP430單片機(jī)的RS-485通信[J].電子工程師.2001（11） 　　[3] 王鵬飛,王保強(qiáng).基于MSP430單片機(jī)的直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)的研究[J].成都信息工程學(xué)院學(xué)報(bào).2003年18卷2期 　　[4] 吳立珍, 曾迎生. 基于AT89C52單片機(jī)的多超聲信號(hào)融合處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 微計(jì)算機(jī)信息,2006, 11-2: 86-88