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。

图2 通用输入端口

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