1 主要內(nèi)容
　　1.1課題的目的及意義
　　氣相色譜儀是一個精密儀器，其用途非常廣泛。他廣泛用于石油、化工、農(nóng)藥、公安、白酒、環(huán)境檢測、衛(wèi)生防疫以及高等院校、科研部門。自1952年世界上第一次創(chuàng)建實用氣液色譜法以來，在短短幾十年間，氣相色譜儀作為現(xiàn)代分析檢測儀器的代表，已發(fā)展成為一個有相當生產(chǎn)規(guī)模的產(chǎn)業(yè)， 并形成了具有相當豐富的檢測技術(shù)知識的學科。通過研究氣相色譜儀的發(fā)展規(guī)律，能給使用者有益的啟迪，為有關(guān)專業(yè)人員的工作帶來一定的幫助。
　　1.2國內(nèi)的外研究現(xiàn)狀
　　雖然我國的氣相色譜儀在短短的二、三十年間得到了長足的發(fā)展，但是這個市場的大部分配額還是長期被歐美和日本占據(jù)，主要是因為我國的技術(shù)指標還沒有達到一流國家的水平，還有很多空白等待填充。
　　1.3本文主要的研究工作
　　設(shè)計一種基于Microchip 的PIC32系列單片機，通過移植ucos嵌入式操作系統(tǒng)設(shè)計一個控溫、恒溫、線性升溫等指標能達到國外先進產(chǎn)品水平的氣相色譜儀方案。使該氣相色譜儀能實現(xiàn)了8階以上線性控溫，升溫曲線上沖小，小于200攝氏度時誤差可低于+_0.1°C之內(nèi)，大于200攝氏度時誤差可在+_0.1°C范圍內(nèi)。該氣相色譜儀控制系統(tǒng)采用PIC32處理器制，實現(xiàn)對按鍵的處理，液晶的顯示及與上位機的通信，溫度及各功能板的控制。
　　2 氣相色譜儀控制系統(tǒng)概述
　　2.1系統(tǒng)各模塊簡介
　　本系統(tǒng)需要595串轉(zhuǎn)并、直流電機、電磁繼電器、壓力流量傳感器、AD轉(zhuǎn)換芯片、上位機通信、鍵盤掃描芯片、EEPROM掉電保護及液晶字庫存儲、液晶顯示、穩(wěn)壓芯片等進行驅(qū)動或控制，在此，簡單對這些設(shè)備進行介紹：
　　2.1.1 74HC595串轉(zhuǎn)并
　　74HC595是硅結(jié)構(gòu)的CMOS器件， 兼容低電壓TTL電路，遵守JEDEC標準。 74HC595是具有8位移位寄存器和一個存儲器，三態(tài)輸出功能。 移位寄存器和存儲器是分別的時鐘。 數(shù)據(jù)在SCHcp的上升沿輸入，在STcp的上升沿進入的存儲寄存器中去。如果兩個時鐘連在一起，則移位寄存器總是比存儲寄存器早一個脈沖。 移位寄存器有一個串行移位輸入（Ds），和一個串行輸出（Q7’），和一個異步的低電平復位，存儲寄存器有一個并行8位的，具備三態(tài)的總線輸出，當使能OE時（為低電平），存儲寄存器的數(shù)據(jù)輸出到總線。
　　2.1.2 直流電機
　　直流電機在穩(wěn)定性方面比交流電機更具優(yōu)勢，因為其電流是穩(wěn)定的，能夠很平穩(wěn)地調(diào)整轉(zhuǎn)速，故多數(shù)精密儀器都是用直流電機的，同時直流電機還可用于測速。在本系統(tǒng)中采用四相直流步進電機，可以對后門的閉合進行精確的控制。
　　2.1.3 電磁繼電器
　　本系統(tǒng)是將單片機用于控制系統(tǒng)，而所控制的設(shè)備多是大功率器件。但是，單片機是一個弱電器件，一般情況下工作在電壓為5V甚至更低，驅(qū)動電流在mA級以下。而要把它用于一些大功率場合，就要有一個“功率驅(qū)動”環(huán)節(jié)來銜接，常用的功率驅(qū)動有晶體管驅(qū)動、繼電器驅(qū)動等。其中繼電器驅(qū)動就是一個典型的、簡單的功率驅(qū)動環(huán)節(jié)。繼電器驅(qū)動含有兩層含義：一是對繼電器進行驅(qū)動，因為繼電器本身對于單片機來說就是一個功率器件；還有就是繼電器去驅(qū)動中間繼電器、接觸器、電動機等其他負載。所以，繼電器驅(qū)動是單片機與其他大功率負載的接口。
　　2.1.4 壓力流量傳感器
　　兩路流量表模擬信號輸入：流量1：（氮氣/氫氣）；流量2：（氮氣/氫氣）；
　　兩路傳感器采用霍尼韋爾AWM3100V，3PIN，工作電壓10V，無氣體輸入時 Output voltage=1.00_+0.5VDC，輸出電壓和輸入氣體流量成線性正比例變化，氮氣/氫氣比例不同需要修正，空氣=氮氣=1.0；氫氣=0.7；
　　兩路壓力表：霍尼韋爾26PCF，4PIN，工作電壓10V，可測量壓力范圍0-100psi和輸入氣體流量成線性正比例變化，滿量程是輸出100mv，靈敏度1mv/psi。
　　2.1.5 AD轉(zhuǎn)換芯片
　　AD轉(zhuǎn)換芯片采用ADS1248 TI 公司的ADS1246， ADS1247和ADS1248是高度集成的24位精密ADC，自帶參考電壓、可編程恒流源、內(nèi)部晶振、內(nèi)部模擬開關(guān)切換、集成了低噪音可編程增益放大器（PGA），帶單周期設(shè)定數(shù)字濾波器的精密Delta-Sigma ADC以及振蕩器，組成了完整的溫度/橋式傳感器應用包括熱耦合，電熱調(diào)節(jié)器，RTD和應力測量的前端解決方案。
　　2.1.6 上位機通信
　　使用LabView做了一個操作界面，通過串口連接到電腦，使氣相色譜儀系統(tǒng)的控制不僅可以通過真實的按鍵，也可通過電腦進行遠程控制，方便用戶。
　　2.1.7 鍵盤掃描芯片
　　由于氣相色譜儀的控制系統(tǒng)較為復雜，按鍵較多，為節(jié)省CPU的IO口，使用了一個按鍵掃描芯片來ZLG7289接受按鍵值，ZLG7289B是廣州周立功單片機發(fā)展有限公司自行設(shè)計的，具有SPI串行接口功能的可同時驅(qū)動8位共陰式數(shù)碼管（或64只獨立LED）的智能顯示驅(qū)動芯片，該芯片同時還可連接多達64鍵的鍵盤矩陣，單片即可完成LED顯示﹑鍵盤接口的全部功能。ZLG7289B內(nèi)部含有譯碼器，可直接接受BCD碼或16進制碼，并同時具有2種譯碼方式，此外，還具有多種控制指令，如消隱﹑閃爍﹑左移﹑右移﹑段尋址等。ZLG7289B具有片選信號，可方便地實現(xiàn)多于8位的顯示或多于64鍵的鍵盤接口。典型應用：儀器儀表，工業(yè)控制器，條形顯示器，控制面板等。
　　2.1.8 EEPROM掉電保護及液晶字庫存儲
　　EEPROM模塊分為兩部分：
　　第一部分是液晶字庫的存儲，因為試用的液晶為320*240的大液晶，使用PIC自帶的RAM肯定不夠，因此在外圍加了一個AT24C512 64K的EEROM存放字庫，該AT24C512提供524，288位的串行電可擦除和可編程只讀存儲器（EEPROM）該器件的級聯(lián)功能允許多達4個設(shè)備共享一個共同的兩線總線。該器件適合用于必要用途在許多工業(yè)和商業(yè)應用需要低功耗和低電壓操作。這些器件采用節(jié)省空間的8引腳PDIP，8引腳的SOIC EIAJ的8引腳JEDEC的SOIC封裝，8引腳TSSOP封裝，8引腳無鉛陣列和8引腳封裝的SAP。此外，整個家庭是利用，能夠在2.7（2.7至5.5V）和1.8V（1.8V至3.6V）版本。
　　第二部分是掉電保護部分，采用PIC單片機內(nèi)部自帶的EEROM，來實現(xiàn)密碼，溫度設(shè)定值，檢測參數(shù)等數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)EEPROM非易失性內(nèi)存是一個數(shù)組，從數(shù)據(jù)存儲器具有獨立的RAM和程序，即數(shù)據(jù)用于長期項目的長期儲存。無論是在映射的寄存器文件和程序存儲空間，都是通過寄存器間接地解決特殊功能寄存器該EEPROM是在正常操作可讀可寫在整個VDD的范圍
　　2.1.9 液晶顯示
　　使用金鵬的OCM240*320液晶，它適用于中等規(guī)模的點陣液晶顯示器。它能夠提供液晶顯示驅(qū)動器及外部顯示存儲器所需的全部控制信號，并且它還有一個內(nèi)置的字符庫，因此只需極少的外部器件就可以獲得一個組織靈活的低功耗顯示系統(tǒng)。
　　　　2.1.10 穩(wěn)壓芯片
　　氣相色譜儀對電壓的穩(wěn)定性要求較高，因此采用了兩款穩(wěn)壓芯片TL431提供10V穩(wěn)壓及AS1117提供3.3V穩(wěn)壓。
　　德州儀器公司（TI）生產(chǎn)的TL431是一是一個有良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準源。它的輸出電壓用兩個電阻就可以任意地設(shè)置到從Vref（2.5V）到36V范圍內(nèi)的任何值（如圖2）。該器件的典型動態(tài)阻抗為0.2Ω，在很多應用中可以用它代替齊納二極管，例如，數(shù)字電壓表，運放電路、可調(diào)壓電源，開關(guān)電源等等。
　　AS1117是一款低壓差的線性穩(wěn)壓器，當輸出1A電流時，輸入輸出的電壓差典型值僅為1.2V。AS1117除了提供多種固定電壓版本外（輸出可以為1.8V，2，。5V，3.3.V，5V），還提供可調(diào)端輸出版本，該版本能提供的輸出電壓范圍為1.25V-13.8V。
　　2.2系統(tǒng)總體框架
　　該系統(tǒng)是為滿足氣相色譜儀控制的要求，并充分考慮其經(jīng)濟性和可靠性，能真正實現(xiàn)氣相色譜儀控制的要求來確定的。根據(jù)系統(tǒng)要達到的總體功能，系統(tǒng)主要負責按鍵的檢測，液晶的顯示及與上位機的通信；控制各個功能模塊的工作，溫度的采集計算和控制，壓力流量的采集等。
　　
　　1、液晶，蜂鳴器，氣閥由CPU的IO口直接控制
　　2、鍵盤值由芯片ZLG7289B來采集。這款芯片最多能識別64個按鍵
　　3、電路擴展了一個串口，用于上位機控制，電平轉(zhuǎn)化芯片用max232.
　　4、擴展了一片EEPROM，每片容量為64K，由CUP的IO口控制，用了IIC總線控制
　　5、CPU芯片通過通過74HC595芯片，來擴展IO口，用74HC595擴展的IO口來控制FID，ECD，TCD；
　　6、采溫部分，用PT100作為溫度傳感器，用PT100組成橋式電路，把溫度轉(zhuǎn)化為電壓，在經(jīng)過LM324放大，送給CPU的模擬輸入口。Pt100的恒壓電路有TL432組成；
　　7、壓力模擬量經(jīng)過LM324放大后，傳給CPU模擬口。流量的模擬量直接送給CPU的IO口，這兩部分的恒壓電路用TL431組成；
　　8、電機部分用TL521光耦芯片來隔離CPU的IO口和步進電機的接口，未用CPU的IO口直接控制步進電機接口，這樣就起到了安全和抗干擾的作用。用ULN2803芯片來反相驅(qū)動電機；
　　3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計方案
　　本章分節(jié)介紹了各個控制模塊的硬件設(shè)計與實現(xiàn)方案，系統(tǒng)硬件按功能劃分為以下幾個功能模塊： 595串轉(zhuǎn)并模塊、直流電機模塊、電磁繼電器模塊、壓力流量傳感器模塊、AD轉(zhuǎn)換芯片模塊、上位機通信模塊、鍵盤掃描芯片模塊、EEPROM掉電保護及液晶字庫存儲模塊、液晶顯示模塊、穩(wěn)壓芯片模塊。在各個模塊設(shè)計中詳細敘述了其工作原理、設(shè)計思想以及實現(xiàn)方法。
　　3.1單片機模塊設(shè)計
　　單片機作為系統(tǒng)的微處理器，其性能對整個系統(tǒng)來說非常關(guān)鍵?，F(xiàn)在，全球有很多公司能夠生產(chǎn)單片機，隨著超大規(guī)模集成電路的迅猛發(fā)展，單片機的功能也日漸強大，運算速度日益提高，相繼出現(xiàn)了32位和64位單片機，根據(jù)實際系統(tǒng)的需要和產(chǎn)品的性價比，本系統(tǒng)選用microsoft公司生產(chǎn)的32位單片機PIC32F460F作為系統(tǒng)的控制芯片。Microchip公司的PIC32MX4系列是高性能通用和USB的32位閃存微控制器（MCU），下面介紹下它們的主要功能［3］：
　　? 帶5級流水線的MIPS32? M4K? 32位內(nèi)核
　　? 最高80 MHz的頻率
　　? 零等待狀態(tài)閃存訪問時性能為 1.56 DMIPS/MHz（Dhrystone 2.1）
　　? 單周期乘法單元和高性能除法單元
　　? MIPS16e?模式可使代碼壓縮最多40%
　　? 兩組各32個32位內(nèi)核文件寄存器，可減少中斷延時
　　? 預取高速緩存模塊可加速從閃存的執(zhí)行速度
　　? 工作電壓范圍為2.3V至3.6V
　　? 32 KB至512 KB的閃存（附加一個12 KB的引導閃存）
　　? 8 KB至32 KB的SRAM存儲器
　　? 引腳與大部分PIC24/dsPIC? 器件兼容
　　? 多種功耗管理模式
　　? 多個具有獨立可編程優(yōu)先級的中斷向量
　　? 故障保護時鐘監(jiān)視器模式
　　? 帶有片內(nèi)低功耗RC振蕩器的可配置看門狗定時器，確保器件可靠工作
　　? 2個編程和調(diào)試接口：