1.引言

工業(yè)化儀表，因其集信息的獲取.轉(zhuǎn)換.存儲(chǔ).傳輸.分析.處理及顯示于一體而成為工業(yè)控制領(lǐng)域的基礎(chǔ)和核心之一.隨著計(jì)算機(jī)技術(shù).微電子技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)化儀表已逐漸發(fā)展成為具有微處理器系統(tǒng)的智能化儀表.便攜式智能儀表因其攜帶方便.操作方便.界面友好.人機(jī)接口豐富.功耗低等特性，使得其在當(dāng)今生活中越來越普及.

AVR XMEGA是8/16位AVR微處理器的升級(jí)版本.其采用Atmel picoPower技術(shù)，所有器件均可使用1.6V工作電壓.MCU具有5霺喚醒時(shí)間和100nA的業(yè)界極低耗電量，其內(nèi)部增加集成了全速USB?高速高精度模擬系統(tǒng).DMA控制器和創(chuàng)新的事件系統(tǒng)，最大限度的提升了數(shù)據(jù)吞吐量和實(shí)時(shí)性能，并有效減輕了處理器負(fù)載.其集成度更高，更有效的降低了系統(tǒng)總功耗和成本.特別適宜計(jì)量.工業(yè).醫(yī)療和消費(fèi)領(lǐng)域的儀器儀表設(shè)備應(yīng)用.

2.儀表設(shè)計(jì)總體框圖

系統(tǒng)總體框圖如圖1所示，電源供電和復(fù)位電路構(gòu)成了儀表的最小系統(tǒng)，本著儀表多用途，本設(shè)計(jì)加入了基于Zigbee技術(shù)的無線收發(fā).USB數(shù)據(jù)通信.Flash存儲(chǔ)擴(kuò)展.字庫(kù)芯片數(shù)據(jù)讀取.數(shù)據(jù)采集.彩屏顯示等功能.本文就將對(duì)此六個(gè)功能的外圍電路及其實(shí)現(xiàn)進(jìn)行詳述.

3.儀表硬件設(shè)計(jì)

3.1 無線通信電路設(shè)計(jì)

在儀表使用過程中，當(dāng)兩臺(tái)儀表需要相互通信或者不便于與PC機(jī)進(jìn)行有線連接的情況下，需要將數(shù)據(jù)進(jìn)行無線傳輸.而能夠進(jìn)行無線傳輸也成為諸多儀器儀表適應(yīng)多條件.多功能的體現(xiàn).Zigbee是近年新興的無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，功耗小.成本低，在應(yīng)用中有著突出優(yōu)勢(shì).其連接時(shí)間短，大大降低了通信數(shù)據(jù)的碰撞概率；最大可達(dá)到65535個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，使得其具有優(yōu)越的組網(wǎng)能力；其數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行加密處理，因而具有較高的網(wǎng)絡(luò)安全性能.綜上可知，Zigbee無線傳輸技術(shù)具有較廣泛的應(yīng)用前景.

設(shè)計(jì)使用了AT86RF212芯片，它是一款低功耗.低電壓700/800/900 MHz頻段無線收發(fā)器，提供了天線和MCU之間的完整無線電接口，支持ZigBee技術(shù)IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，支持6LoW PAN技術(shù)與高數(shù)據(jù)傳輸速率的ISM的應(yīng)用，其外圍電路連接如圖2所示.

3.2 信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)

本模塊使用TLV2543作為電壓幅值的采集，在采集數(shù)據(jù)之前需進(jìn)行必要的電壓變換.芯片接口連接如圖3所示.多路數(shù)據(jù)采集通道擴(kuò)展了MCU的不足，在進(jìn)行控制中可使用單路或多路通道信號(hào)采集，其具有11路轉(zhuǎn)換通道，12bits的電壓轉(zhuǎn)換精度，最高可達(dá)10靤的轉(zhuǎn)換速率.AD芯片使用單片機(jī)SPI1接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，其基準(zhǔn)電壓由REF3030芯片提供.

3.3 擴(kuò)展字庫(kù)電路設(shè)計(jì)

為了使儀表的應(yīng)用范圍更加廣泛，設(shè)計(jì)加入了集通數(shù)碼科技公司生產(chǎn)的GT23L16M2Y字符芯片，以滿足顯示時(shí)界面中的較多字符需要.其內(nèi)部包含11×12點(diǎn)陣與15×16點(diǎn)陣，有對(duì)于多種制式漢字及字符的支持.單片機(jī)利用漢字源碼的函數(shù)計(jì)算，得到漢字點(diǎn)陣在芯片中的地址，讀取到點(diǎn)陣數(shù)據(jù)后，通過口線傳輸給單片機(jī)以供顯示.芯片可選PLII與SPI接口，為了節(jié)約口線，本儀表使用SPI接口模式，與CPU的連接如圖4所示.

3.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路設(shè)計(jì)

儀表在野外操作時(shí)，當(dāng)需要采集數(shù)據(jù)較多而又無法將數(shù)據(jù)及時(shí)傳輸至上位機(jī)時(shí)，就需要大容量.掉電非易失的存儲(chǔ)設(shè)備.在長(zhǎng)期數(shù)據(jù)對(duì)比分析時(shí)，也需要保存較大批量的數(shù)據(jù)記錄，單片機(jī)本身自帶128K字節(jié)的flash存儲(chǔ)和8K字節(jié)的SRAM存儲(chǔ)以及2K字節(jié)的EEPROM存儲(chǔ)單元.但在掉電之后，F(xiàn)LASH存儲(chǔ)無法保存數(shù)據(jù)，需要一個(gè)大容量的存儲(chǔ)空間開保留已經(jīng)記錄的批量數(shù)據(jù).

本設(shè)計(jì)采用了Atmel公司生產(chǎn)的ATDB011D存儲(chǔ)器，內(nèi)部集成了1M字節(jié)的Flash存儲(chǔ)，有最高達(dá)66MHz的數(shù)據(jù)存取速度，其使用SPI接口與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸.與單片機(jī)的連接電路如圖5所示.

3.5 USB通信接口設(shè)計(jì)

USB接口在儀器儀表的使用中以相當(dāng)普遍，在與計(jì)算機(jī)進(jìn)行直接數(shù)據(jù)傳輸過程中，其端口小巧.支持熱插拔操作等特性，使得其成為眾多便攜儀表的首選.本設(shè)計(jì)使用CP2102芯片，將單片機(jī)串行端口轉(zhuǎn)換為USB端口，作為一個(gè)虛擬端口使用，簡(jiǎn)化了通訊連接方式和單片機(jī)的程序設(shè)計(jì).其與CP2101完全引腳兼容，其符合USB 2.0規(guī)范：最高全速（12Mbps）；支持USB的掛起狀態(tài)，可以和支持COM口的PC機(jī)連接通訊使用.集成的USB收發(fā)器無需外部電阻，外圍電路簡(jiǎn)單，連接電路如圖6所示.

3.6 顯示接口電路

儀表的顯示質(zhì)量直接關(guān)乎用戶的使用體驗(yàn)，傳統(tǒng)儀表的屏幕多為單色或者尺寸較小，彩色屏幕可以在界面中對(duì)重要內(nèi)容進(jìn)行突出顯示，增強(qiáng)用戶的人機(jī)交互視覺效果.

儀表使用了型號(hào)HY32B彩色顯示器，兼顧了顯示速率.電量消耗和用戶視覺效果.其搭載了3.2英寸TFT LCD彩色顯示屏和驅(qū)動(dòng)電路，顯示分辨率為320×240,其接口有多種選擇，包括3-線.4-線SPI和6/9/16-bits6800/8080并行接口以及6/16/18-bit RGB接口.為了提高數(shù)據(jù)傳輸速度，數(shù)據(jù)信號(hào)使用16位并行傳輸.接口如圖7所示.

4.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的編譯和仿真全部在Atmel公司提供的AVR Studio 6.0軟件環(huán)境下，所有模塊實(shí)現(xiàn)均使用C語言編寫，利于系統(tǒng)的開發(fā)與移植.軟件使用模塊化和層次化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，開發(fā)周期短.維護(hù)方便.系統(tǒng)的總體框圖如圖8所示.底層模塊設(shè)計(jì)為各個(gè)基礎(chǔ)器件的驅(qū)動(dòng)與接口程序，包括無線連接協(xié)議.USB接口聯(lián)通.AD采集驅(qū)動(dòng).數(shù)據(jù)存儲(chǔ).時(shí)鐘存取接口.顯示接口數(shù)據(jù)傳輸以及鍵盤按鍵判別等.第二層主要用于執(zhí)行指定功能，包括電壓.頻率測(cè)量.記錄查詢.無線連接.數(shù)據(jù)存取及按鍵操作等的組合選項(xiàng).頂層即對(duì)界面的顯示中需要用到的相應(yīng)功能，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互.

5.總結(jié)

Xmega作為一款較新型的高性能單片機(jī)，其應(yīng)用和開發(fā)還有待進(jìn)一步的挖掘.本文以實(shí)際項(xiàng)目應(yīng)用為基礎(chǔ)，給出了具體的外圍電路設(shè)計(jì)及軟件流程，為其在工業(yè)中的應(yīng)用提供了一種參考.