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本文主要进行了一个超声仪的控制系统的研究,详细介绍了控制器的软硬件设计。
采用了TI公司的MSP430单片机作为控制器的核心器件满足目前仪器设计中低功耗、高度集成化和小型化的发展趋势。PC机的监控软件用VC++6.0开发,单片机的程序用C设计。通过RS-232C实现PC机和单片机的串口通信,进而实现了控制器对超声仪的控制功能。
1 引言
随着计算机技术、微控制器和超声技术的不断发展,超声仪器的发展也十分迅速,有着广泛的应用和发展市场。超声学应用技术主要有两个方面,即功率超声和检测超声。由于功率超声处理技术具有许多特点,与其它处理技术比较,能极大地提高处理速度和效率,提高处理质量和完成一般技术不能完成的处理工作。本文的主要任务是研究应用于功率超声仪的控制系统,并对其的工作过程和工作状态进行测控。其主要功能包括:①调节驱动脉冲的占空比;②控制超声仪运行时序;③ 检测信号源频率。
2 超声仪控制系统框图
超声仪控制系统用于控制超声仪的工作并检测其信号源的频率,全要由PC机和超声仪控制器组成。控制器为一个智能测控仪器,由MSP430单片机及其外围电路组成。PC机和MSP430单片机通过RS232-C完成串口通信,控制系统框图如图l。系统采用异步串行通信方式,以RS-232C全双工传输方式实现PC机和单片机之间的数据传送,从而达到PC机对单片机进行控制的目的,实现超声仪控制系统控制功能。
3 超声仪控制系统硬件详细设计
控制系统硬件部分由PC机和超声仪控制器组成,PC机选择常用的微机即可满足要求,超声仪控制器的设计是这个系统的核心。整个控制器的硬件电路由MSP430及其接口电路组成。
1、电平转换电路。由于MSP430单片机的串门电平是TTL电平,TTL电平特性与RS232的电气特性不匹配,为了使MSP430单片机的串口能与 RS-232C接口通信,必须将串行口的电平进行转换。本系统中,异步通信接口电路采用新型的电平转换器件MAX3233E。MAX3233E芯片内部有一个电源电压变换器,可以把输入的+3.3V电源电压变换成为RS-232C输出电平所需的±12V电压。采用此芯片接口的串行通信系统只需单一+ 3.3V电源。
2、电源与晶振电路。主要由7805和LM317组成,集成三端稳压器7805的输出端和共地端之间始终保持5V的稳定电压,即7805的输出电流在内部电阻上的压降始终是5V,所以只要内部电阻被确定,7805的输出电压就确定并保持非常稳定。LM317L是可调整的三端正电压稳压器,在输出电压范围为 1.2伏到37伏时能够提供超过100毫安的电流。对于一个高可靠性的系统设计,晶体的选择非常重要,尤其是设计带有睡眠唤醒(往往用低电压以求低功耗) 的系统。本电路选用8M和32768两个外部晶振。
3、复位与PWM输出电路。系统复位电路的设计一定要使系统能够充分复位,在各种复杂情况下稳定可靠地工作,复位性能不好会影响系统的正常运行。本系统采用常用的上电复位电路,能保证有充分的低电平时间。由MSP430单片机的P4.3管脚输出占空比和频率可调的PWM波形。输出的信号经施密特触发器 SN7414脉冲整形后再经光耦TPL521隔离,然后由J6的1脚输出。在MSP430中就是采用CCRO来控制周期T,而用与定时器对应的CCR3 寄存器来控制可变占空比。
4、开关量输出电路。PC机发出命令,单片机由串口接收到PC机的指令,然后执行相应的操作,完成由P1.4管脚输出高低电平时间可以调整的开关量信号。输出的信号经SN7414脉冲整形后再经光耦TPL521隔离,由J6的4脚输出。为了保证MSP430单片机系统运行的稳定性及更好地避免外界信号的干扰,用TPL521对输入输出信号进行电气隔离。在光耦的4脚接上拉电阻,起到加大驱动能力和抗干扰的作用。电路图如2所示。
(a) 7414整形电路
(b) 光耦隔离电路
5、频率检测与JTAG接口电路。该检测电路用于检测外来频率信号,信号经由J5的4脚输入,3脚接地,该信号由7414整形后送入149的 P1.2管脚。当频率检测命令到来时,用看门狗打开P1.2管脚的中断功能,看门狗作定时器。P1.2管脚每发生一次管脚中断就计数一次,当一秒的时间到时,看门狗就关掉P1.2管脚的中断功能,这样得到的数值就是检测到的频率值。将可编程接口与MSP430对应的引脚相接,接口另一端接JTAG仿真器, 就可以实现在线编程,向电路板上MSP430重新下载程序。
6、液晶显示控制电路设计。单片机通过向液晶显示控制器写入指令及其参数,来实现对显示效果的控制。液晶显示控制器控制部的主要工作是将单片机写到显示存储器的数据以某种形式传给液晶显示驱动系统,仅有驱动系统是不能实现液晶显示器件显示的,还需要有控制电路提供驱动系统所必须的扫描时序信号和显示数据。 SED1335液晶控制板是用于单片机与液晶模块之间控制的控制板,它接收来自单片机的指令和数据,并产生相应的时序及数据控制液晶模块的显示,可用于所有适合SED1335的液晶模块。SED1335硬件分为:CPU接口部、内部控制部和驱动LCD的驱动部,如图3所示。
4 超声仪控制软件设计
超声仪控制系统的软件设计分为两部分,包括PC机监控软件设计和单片机程序设计。PC机监控软件采用功能强大的VC进行开发,主要考虑到控制功能的复杂性和灵活性。单片机程序设计在一个新型的开发平台上进行的。
4.1 PC机监控软件设计
PC机监控软件是控制系统的管理软件，它根据我们提出的控制系统的技术要求来负责发出相应的命令，控制控制器进行相应的操作，进而控制超声仪的工作。作为智能测控系统，其强大的控制功能及控制的灵活性，都离不开软件的支持。在本程序异步通信中，收、发双方必须事先规定两件事：一是字符格式，即规定字符各部分所占的位数，是否采用奇偶校验以及校验的方式（偶校验还是奇校验）等的通信协议；二是采用的波特率以及时钟频率和波特率的比例关系。
PC机监控软件包括以下几个程序：开关量输出开始，开关量输出暂停，开关量输出时间调节，PWM信号输出，PWM信号停止，PWM频率调节，PWM占空比调节，实时频率检测，间断频率检测，选定程序运行时刻，退出程序运行。下面是它的软件框图4.
4.2 单片机程序设计
单片机的程序由主程序和若干子程序组成，程序用C语言编写，实现了串口通信、开关量输出、PWM信号输出、频率检测及液晶显示的功能。由于篇幅限制，此处仅介绍主程序与PWM输出程序。
1、单片机的主要任务是接收PC机发来的数据并作相应的回应。当单片机一旦接收到一个数据，立刻根据所得数据进行判断，以决定需要进行什么操作。当操作完成之后，向PC机返回一些数据，以报告所操作器件当前的运作状态，然后再回到数据的检测循环中去。单片机采用中断方式接收和发送数据。主程序中，先进行初始化，当F1agWord的0位非0时，即检测到有数据的接收，然后进入CommandProcess流程，完成各个子程序的功能；当检测到 FdetectDone（频率检测完成）信号时，调用SendOut函数将检测到的频率值送给PC机和LCD，框图如图5. 2、单片机的程序中PWM-Propo_ Adj、PWM-Frequ_ Adj函数分别完成占空比和频率的调节，占空比从0到100可调，频率从0.1到10Hz可调。程序中采取增计数模式，输出模式3 （PWM置位/复位）。这种输出模式输出在TBR的值等于TBCCR3时为高电平，直到TBR的值增加到TBCCR0.我们定义高电平的占空比为 Proportion，Proportion/100=（TBCCR0-TBCCR3）/TBCCR0，TBCCR3= TBCCR0* （100-Proportion）/100.频率调节采取分段调节的方法，在1-10Hz步长为1，采用时钟频率为32768 Hz；在0.5-0.9步长为0.1，采用时钟频率32768 Hz；在0.1-0.4步长为0.1，将时钟频率32768Hz经过8分频方能满足要求，以上两点是程序中值得注意的技巧。具体分析如下：选用时钟频率为 32768 Hz时，如果要输出的频率值为1Hz，则TBCCRO中的值为32768.那么如果要输出的频率值为2Hz，则TBCCRO中的值为32768/2.在本程序中，单片机根据PC机滑块的位置变化来控制输出PWM信号的频率值。
本文作者创新点
本文进行了基于MSP430的超声仪控制系统研究,主要利用MSP430系列单片机开发工具,进行了单片机的程序设计,完成了一个智能测控系统的软硬件设计。通过整个系统的研究体现了MSP430FLASH系列单片机的特点,适合用在低功耗场合和小型化仪器中。