基于XMEGA的便携式仪表设计

2013-12-10电子科技大学电子工程学院周益驰习友宝

电子世界 2013年4期

电子科技大学电子工程学院周益驰习友宝

1.引言

工业化仪表，因其集信息的获取、转换、存储、传输、分析、处理及显示于一体而成为工业控制领域的基础和核心之一。随着计算机技术、微电子技术的发展，工业化仪表已逐渐发展成为具有微处理器系统的智能化仪表[2]。便携式智能仪表因其携带方便、操作方便、界面友好、人机接口丰富、功耗低等特性，使得其在当今生活中越来越普及。

AVR XMEGA是8/16位AVR微处理器的升级版本。其采用Atmel picoPower技术，所有器件均可使用1.6V工作电压。MCU具有5μS唤醒时间和100nA的业界极低耗电量，其内部增加集成了全速USB、高速高精度模拟系统、DMA控制器和创新的事件系统，最大限度的提升了数据吞吐量和实时性能，并有效减轻了处理器负载。其集成度更高，更有效的降低了系统总功耗和成本。特别适宜计量、工业、医疗和消费领域的仪器仪表设备应用[1]。

2.仪表设计总体框图

系统总体框图如图1所示，电源供电和复位电路构成了仪表的最小系统，本着仪表多用途，本设计加入了基于Zigbee技术的无线收发、USB数据通信、Flash存储扩展、字库芯片数据读取、数据采集、彩屏显示等功能。本文就将对此六个功能的外围电路及其实现进行详述。

3.仪表硬件设计

3.1 无线通信电路设计

在仪表使用过程中，当两台仪表需要相互通信或者不便于与PC机进行有线连接的情况下，需要将数据进行无线传输。而能够进行无线传输也成为诸多仪器仪表适应多条件、多功能的体现。Zigbee是近年新兴的无线网络通信技术标准，功耗小、成本低，在应用中有着突出优势。其连接时间短，大大降低了通信数据的碰撞概率；最大可达到65535个网络节点，使得其具有优越的组网能力；其数据传输进行加密处理，因而具有较高的网络安全性能。综上可知，Zigbee无线传输技术具有较广泛的应用前景。

设计使用了AT86RF212芯片，它是一款低功耗、低电压700/800/900 MHz频段无线收发器，提供了天线和MCU之间的完整无线电接口，支持ZigBee技术IEEE 802.15.4标准，支持6LoW PAN技术与高数据传输速率的ISM的应用，其外围电路连接如图2所示。

3.2 信号采集电路设计

本模块使用TLV2543作为电压幅值的采集，在采集数据之前需进行必要的电压变换。芯片接口连接如图3所示。多路数据采集通道扩展了MCU的不足，在进行控制中可使用单路或多路通道信号采集，其具有11路转换通道，12bits的电压转换精度，最高可达10μs的转换速率。AD芯片使用单片机SPI1接口进行数据传输，其基准电压由REF3030芯片提供。

3.3 扩展字库电路设计

为了使仪表的应用范围更加广泛，设计加入了集通数码科技公司生产的GT23L16M2Y字符芯片，以满足显示时界面中的较多字符需要。其内部包含11×12点阵与15×16点阵，有对于多种制式汉字及字符的支持。单片机利用汉字源码的函数计算，得到汉字点阵在芯片中的地址，读取到点阵数据后，通过口线传输给单片机以供显示。芯片可选PLII与SPI接口，为了节约口线，本仪表使用SPI接口模式，与CPU的连接如图4所示。

3.4 数据存储电路设计

仪表在野外操作时，当需要采集数据较多而又无法将数据及时传输至上位机时，就需要大容量、掉电非易失的存储设备。在长期数据对比分析时，也需要保存较大批量的数据记录，单片机本身自带128K字节的flash存储和8K字节的SRAM存储以及2K字节的EEPROM存储单元。但在掉电之后，FLASH存储无法保存数据，需要一个大容量的存储空间开保留已经记录的批量数据。

本设计采用了Atmel公司生产的ATDB011D存储器，内部集成了1M字节的Flash存储，有最高达66MHz的数据存取速度，其使用SPI接口与单片机进行数据传输。与单片机的连接电路如图5所示。

3.5 USB通信接口设计

图1 仪表设计系统总体框图

图2 外围电路连接图

图3 芯片接口连接图

图4 与CPU的连接图

图5 与单片机的连接电路图

USB接口在仪器仪表的使用中以相当普遍，在与计算机进行直接数据传输过程中，其端口小巧、支持热插拔操作等特性，使得其成为众多便携仪表的首选。本设计使用CP2102芯片，将单片机串行端口转换为USB端口，作为一个虚拟端口使用，简化了通讯连接方式和单片机的程序设计。其与CP2101完全引脚兼容，其符合USB 2.0规范：最高全速(12Mbps)；支持USB的挂起状态，可以和支持COM口的PC机连接通讯使用。集成的USB收发器无需外部电阻，外围电路简单，连接电路如图6所示。

3.6 显示接口电路

图6 集成的USB收发器连接电路图

图7 数据信号接口图

图8 系统软件设计系统的总体框图

仪表的显示质量直接关乎用户的使用体验，传统仪表的屏幕多为单色或者尺寸较小，彩色屏幕可以在界面中对重要内容进行突出显示，增强用户的人机交互视觉效果。仪表使用了型号HY32B彩色显示器，兼顾了显示速率、电量消耗和用户视觉效果。其搭载了3.2英寸TFT LCD彩色显示屏和驱动电路，显示分辨率为320×240，其接口有多种选择，包括3-线、4-线SPI和6/9/16-bits 6800/8080并行接口以及6/16/18-bit RGB接口。为了提高数据传输速度，数据信号使用16位并行传输。接口如图7所示。

4.系统软件设计

系统的编译和仿真全部在Atmel公司提供的AVR Studio 6.0软件环境下，所有模块实现均使用C语言编写，利于系统的开发与移植。软件使用模块化和层次化结构设计，开发周期短、维护方便。系统的总体框图如图8所示。底层模块设计为各个基础器件的驱动与接口程序，包括无线连接协议、USB接口联通、AD采集驱动、数据存储、时钟存取接口、显示接口数据传输以及键盘按键判别等。第二层主要用于执行指定功能，包括电压、频率测量、记录查询、无线连接、数据存取及按键操作等的组合选项。顶层即对界面的显示中需要用到的相应功能，实现人机交互。