1 引言

　　现在，世界正从工业化、机械化时代迈入信息化时代。仪器仪表作为一种信息工具，起着不可或缺的信息源的作用。

　　由于信息源必须准确无误或最大限度的少误，所以现代仪器仪表都无不采用多种技术形式综合集成，在高新技术发展的信息化时代，仪器仪表完全是现代化的综合因素之一。

　　本文所设计的基于低功耗单片机的智能综合仪表是基于智能化、数字化、网络化新一代智能仪表的设计理念，采用智能调理、灵巧总线、工业网络、液晶显示、电子储存技术，综合指示仪表、调节仪表、积算仪表与记录仪表功能，具有高测量控制精度、高可靠性稳定性的特点。采用高亮度led背光192×64单色点阵液晶显示屏，支持2通道通用模拟输入、1通道模拟输出和2通道的报警输出。本文具体论述了智能综合仪表的软、硬件设计。

　　2 智能综合仪表的硬件结构框图

　　仪表硬件结构框图如图1所示。其硬件结构主要由电源、24v配电输出、通用信号输入、模拟信号输出、报警输出、液晶显示接口、按键接口、外部存储器接口、实时时钟、rs485通信接口这九个部分组成。

　　3 智能综合仪表的硬件详细设计

　　智能综合仪表以msp430f149作为主处理芯片。msp430f149是一种低功耗的单片机，非常适合作为该仪表的混合信号处理器。

　　3.1 通用信号输入电路

　　输入信号中有电压信号、电流信号、还有电阻信号，对这些信号都能够进行测量的输入端，我们称之为“通用输入端口”，如图2所示。电压信号通过input1和input3输入，测量in1电压即测得电压信号。电流信号从input2和input3输入，通过测量in2和in3的电压，已知电阻r5的阻值，可得到电流的输入值。测量pt100，pt100以三线制接入。三线制接法是为了消除因引线长短带来的误差，可由以下算式得，设引线电阻为r，则:

　　u1 = (r+r) × i (1)

　　u2 = (r+2r) × i (2)

　　2 × (1) – (2), 得

　　(3)

　　由公式(3)可知pt100的阻值测量只跟u1、u2、i相关，这样就消除了引线带来的误差，从公式中可得pt100的精度由u1、u2的测量精度。具体测量方法如下:首先测得u2电压值，已知5v基准和电阻r4，可算得流经pt100的电流量，然后测得u1，即可计算得到pt100的阻值。

　　3.2 模拟信号输出与点阵液晶显示设计

　　智能综合仪表的模拟量输出是工业标准输出4-20ma。要得到4-20ma可以通过1-5sv模拟电压输出通过v-i变换电路得到。而得到1-5v模拟电压输出大部分是通过数模转换器(dac)来做到的，但是目前许多单片机内部没有集成dac(包括msp430f149)，即使有些单片机集成了dac，dac的精度往往也不高。在高精度的应用中还是需要外接dac，显然这样就增加了成本。但是几乎所有的单片机(包括msp430f149)都提供定时器或者pwm输出功能。本仪表就是应用msp430f149的pwm输出，经过简单的变换电路来实现dac，这大大降低ao部分的成本、减少了体积，并提高了精度。

　　液晶屏选择truly公司的msc-g19264dysy-070w stn屏，该屏的象素是192×128，供电电压为3.3v，符合msp430f149的i/o口电平范围，可以非常方便连接。背光采用了5v供电的高亮度比d面光设计，使显示的画面即使在能见度很低的情况下看起来也非常亮、非常清晰。它的工作范围为-20-70℃，在智能综合仪表的工作温度范围(0-55℃)之内。整个液晶屏的工作电流仅为75ma，比普通点阵液晶屏要低的多，从而大大降低了整个系统的功耗。

　　3.3 实时时钟设计

　　智能综合仪表具有实时时钟功能，实时时钟芯片采用philipspcf8563，具有极高的精确度。采用i2c总线接口，数度可达400khz。具有年份和闰年跟踪。具有可编程警告器，低电压监测器。计数器的计数范围从秒到年，另外计数器/定时器可以用于精确地触发定时应用。内部带上电复位电路。带操作时钟的待机电流很低，在vdd=3.0v和tamb=25下典型的功耗只有250na。图3是pcf8563应用电路图。

　　3.4 按键接口与外部存储器设计

　　仪表面板上一共有8个按键，分别是上、下、左、右、set、enter和两个特殊功能键。上、下、左、右四个键分别用来在画面中向四个方向移动光标，上和下还具有数字的滚动功能，set键用来激活画面中相应的选项，enter键用来确认。特殊功能键1用来切换组态画面和系统运行显示画面。特殊功能键2暂时保留。在设计中采用与液晶屏共用数据端口，通过74hc245来隔离。因为74hc245具有三态输出功能，所以按键和液晶屏不会互相干扰。

　　仪表提供记录功能，可以对每个通道的采样数据每隔一定时间间隔(可设定)进行记录。外部存储数据的芯片使用户jmel公司的串行flash at25f2048。它由3.3v供电。该芯片相对于nandflash而言具有接口简单的特点，采用三线制的spi接口，可以很方便地和msp430f149连接。并且在容量满足要求的情况下，成本要大大低于nandflash。它相对于e2prom又具有容量大、接口