采用了TI公司的MSP430單片機作為控制器的核心器件滿足目前儀器設計中低功耗、高度集成化和小型化的發(fā)展趨勢。PC機的監(jiān)控軟件用VC++6.0開發(fā),單片機的程序用C設計。通過RS-232C實現(xiàn)PC機和單片機的串口通信,進而實現(xiàn)了控制器對超聲儀的控制功能。 1 引言 　　隨著計算機技術、微控制器和超聲技術的不斷發(fā)展,超聲儀器的發(fā)展也十分迅速,有著廣泛的應用和發(fā)展市場。超聲學應用技術主要有兩個方面,即功率超聲和檢測超聲。由于功率超聲處理技術具有許多特點,與其它處理技術比較,能極大地提高處理速度和效率,提高處理質量和完成一般技術不能完成的處理工作。本文的主要任務是研究應用于功率超聲儀的控制系統(tǒng),并對其的工作過程和工作狀態(tài)進行測控。其主要功能包括:①調節(jié)驅動脈沖的占空比;②控制超聲儀運行時序;③ 檢測信號源頻率。 2 超聲儀控制系統(tǒng)框圖 　　超聲儀控制系統(tǒng)用于控制超聲儀的工作并檢測其信號源的頻率,全要由PC機和超聲儀控制器組成。控制器為一個智能測控儀器,由MSP430單片機及其外圍電路組成。PC機和MSP430單片機通過RS232-C完成串口通信,控制系統(tǒng)框圖如圖l。系統(tǒng)采用異步串行通信方式,以RS-232C全雙工傳輸方式實現(xiàn)PC機和單片機之間的數據傳送,從而達到PC機對單片機進行控制的目的,實現(xiàn)超聲儀控制系統(tǒng)控制功能。 3 超聲儀控制系統(tǒng)硬件詳細設計 　　控制系統(tǒng)硬件部分由PC機和超聲儀控制器組成,PC機選擇常用的微機即可滿足要求,超聲儀控制器的設計是這個系統(tǒng)的核心。整個控制器的硬件電路由MSP430及其接口電路組成。 　　1、電平轉換電路。由于MSP430單片機的串門電平是TTL電平,TTL電平特性與RS232的電氣特性不匹配,為了使MSP430單片機的串口能與 RS-232C接口通信,必須將串行口的電平進行轉換。本系統(tǒng)中,異步通信接口電路采用新型的電平轉換器件MAX3233E。MAX3233E芯片內部有一個電源電壓變換器,可以把輸入的+3.3V電源電壓變換成為RS-232C輸出電平所需的±12V電壓。采用此芯片接口的串行通信系統(tǒng)只需單一+ 3.3V電源。 　　2、電源與晶振電路。主要由7805和LM317組成,集成三端穩(wěn)壓器7805的輸出端和共地端之間始終保持5V的穩(wěn)定電壓,即7805的輸出電流在內部電阻上的壓降始終是5V,所以只要內部電阻被確定,7805的輸出電壓就確定并保持非常穩(wěn)定。LM317L是可調整的三端正電壓穩(wěn)壓器,在輸出電壓范圍為1.2伏到37伏時能夠提供超過100毫安的電流。對于一個高可靠性的系統(tǒng)設計,晶體的選擇非常重要,尤其是設計帶有睡眠喚醒（往往用低電壓以求低功耗）的系統(tǒng)。本電路選用8M和32768兩個外部晶振。 　　3、復位與PWM輸出電路。系統(tǒng)復位電路的設計一定要使系統(tǒng)能夠充分復位,在各種復雜情況下穩(wěn)定可靠地工作,復位性能不好會影響系統(tǒng)的正常運行。本系統(tǒng)采用常用的上電復位電路,能保證有充分的低電平時間。由MSP430單片機的P4.3管腳輸出占空比和頻率可調的PWM波形。輸出的信號經施密特觸發(fā)器SN7414脈沖整形后再經光耦TPL521隔離,然后由J6的1腳輸出。在MSP430中就是采用CCRO來控制周期T,而用與定時器對應的CCR3 寄存器來控制可變占空比。 　　4、開關量輸出電路。PC機發(fā)出命令,單片機由串口接收到PC機的指令,然后執(zhí)行相應的操作,完成由P1.4管腳輸出高低電平時間可以調整的開關量信號。輸出的信號經SN7414脈沖整形后再經光耦TPL521隔離,由J6的4腳輸出。為了保證MSP430單片機系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性及更好地避免外界信號的干擾,用TPL521對輸入輸出信號進行電氣隔離。在光耦的4腳接上拉電阻,起到加大驅動能力和抗干擾的作用。電路圖如2所示。 　　（a） 7414整形電路 　　（b） 光耦隔離電路 　　5、頻率檢測與JTAG接口電路。該檢測電路用于檢測外來頻率信號,信號經由J5的4腳輸入,3腳接地,該信號由7414整形后送入149的 P1.2管腳。當頻率檢測命令到來時,用看門狗打開P1.2管腳的中斷功能,看門狗作定時器。P1.2管腳每發(fā)生一次管腳中斷就計數一次,當一秒的時間到時,看門狗就關掉P1.2管腳的中斷功能,這樣得到的數值就是檢測到的頻率值。將可編程接口與MSP430對應的引腳相接,接口另一端接JTAG仿真器, 就可以實現(xiàn)在線編程,向電路板上MSP430重新下載程序。 　　6、液晶顯示控制電路設計。單片機通過向液晶顯示控制器寫入指令及其參數,來實現(xiàn)對顯示效果的控制。液晶顯示控制器控制部的主要工作是將單片機寫到顯示存儲器的數據以某種形式傳給液晶顯示驅動系統(tǒng),僅有驅動系統(tǒng)是不能實現(xiàn)液晶顯示器件顯示的,還需要有控制電路提供驅動系統(tǒng)所必須的掃描時序信號和顯示數據。SED1335液晶控制板是用于單片機與液晶模塊之間控制的控制板,它接收來自單片機的指令和數據,并產生相應的時序及數據控制液晶模塊的顯示,可用于所有適合SED1335的液晶模塊。SED1335硬件分為:CPU接口部、內部控制部和驅動LCD的驅動部,如圖3所示。 4 超聲儀控制軟件設計 　　超聲儀控制系統(tǒng)的軟件設計分為兩部分,包括PC機監(jiān)控軟件設計和單片機程序設計。PC機監(jiān)控軟件采用功能強大的VC進行開發(fā),主要考慮到控制功能的復雜性和靈活性。單片機程序設計在一個新型的開發(fā)平臺上進行的。 　　4.1 PC機監(jiān)控軟件設計 　　PC機監(jiān)控軟件是控制系統(tǒng)的管理軟件,它根據我們提出的控制系統(tǒng)的技術要求來負責發(fā)出相應的命令,控制控制器進行相應的操作,進而控制超聲儀的工作。作為智能測控系統(tǒng),其強大的控制功能及控制的靈活性,都離不開軟件的支持。在本程序異步通信中,收、發(fā)雙方必須事先規(guī)定兩件事:一是字符格式,即規(guī)定字符各部分所占的位數,是否采用奇偶校驗以及校驗的方式（偶校驗還是奇校驗）等的通信協(xié)議;二是采用的波特率以及時鐘頻率和波特率的比例關系。 　　PC機監(jiān)控軟件包括以下幾個程序:開關量輸出開始,開關量輸出暫停,開關量輸出時間調節(jié),PWM信號輸出,PWM信號停止,PWM頻率調節(jié),PWM占空比調節(jié),實時頻率檢測,間斷頻率檢測,選定程序運行時刻,退出程序運行。下面是它的軟件框圖4。 　　4.2 單片機程序設計 　　單片機的程序由主程序和若干子程序組成,程序用C語言編寫,實現(xiàn)了串口通信、開關量輸出、PWM信號輸出、頻率檢測及液晶顯示的功能。由于篇幅限制,此處僅介紹主程序與PWM輸出程序。 　　1、單片機的主要任務是接收PC機發(fā)來的數據并作相應的回應。當單片機一旦接收到一個數據,立刻根據所得數據進行判斷,以決定需要進行什么操作。當操作完成之后,向PC機返回一些數據,以報告所操作器件當前的運作狀態(tài),然后再回到數據的檢測循環(huán)中去。單片機采用中斷方式接收和發(fā)送數據。主程序中,先進行初始化,當F1agWord的0位非0時,即檢測到有數據的接收,然后進入CommandProcess流程,完成各個子程序的功能;當檢測到 FdetectDone（頻率檢測完成）信號時,調用SendOut函數將檢測到的頻率值送給PC機和LCD,框圖如圖5。 　　2、單片機的程序中PWM-Propo_ Adj、PWM-Frequ_ Adj函數分別完成占空比和頻率的調節(jié),占空比從0到100可調,頻率從0.1到10Hz可調。程序中采取增計數模式,輸出模式3 （PWM置位/復位）。這種輸出模式輸出在TBR的值等于TBCCR3時為高電平,直到TBR的值增加到TBCCR0。我們定義高電平的占空比為 Proportion,Proportion/100=（TBCCR0-TBCCR3）/TBCCR0,TBCCR3= TBCCR0＊ （100-Proportion）/100。 　　頻率調節(jié)采取分段調節(jié)的方法,在1-10Hz步長為1,采用時鐘頻率為32768 Hz;在0.5-0.9步長為0.1,采用時鐘頻率32768 Hz;在0.1-0.4步長為0.1,將時鐘頻率32768Hz經過8分頻方能滿足要求,以上兩點是程序中值得注意的技巧。具體分析如下:選用時鐘頻率為 32768 Hz時,如果要輸出的頻率值為1Hz,則TBCCRO中的值為32768。那么如果要輸出的頻率值 　　為2Hz,則TBCCRO中的值為32768/2。在本程序中,單片機根據PC機滑塊的位置變化來控制輸出PWM信號的頻率值。 本文作者創(chuàng)新點 　　本文進行了基于MSP430的超聲儀控制系統(tǒng)研究,主要利用MSP430系列單片機開發(fā)工具,進行了單片機的程序設計,完成了一個智能測控系統(tǒng)的軟硬件設計。通過整個系統(tǒng)的研究,體現(xiàn)了MSP430FLASH系列單片機的特點,適合用在低功耗場合和小型化儀器中。 參考文獻: 　　[1] 李朝青編著.PC機及單片機數據通信技術[M].北京航空航天大學出版社,2002 　　[2] 索南加樂,宋國兵,晃勤.基于MSP430單片機的RS-485通信[J].電子工程師.2001（11） 　　[3] 王鵬飛,王保強.基于MSP430單片機的直流電機PWM調速系統(tǒng)的研究[J].成都信息工程學院學報.2003年18卷2期 　　[4] 吳立珍, 曾迎生. 基于AT89C52單片機的多超聲信號融合處理系統(tǒng)設計[J]. 微計算機信息,2006, 11-2: 86-88