单片机在智能仪器仪表中的应用探究
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作者:黄岩
摘 要：智能仪器仪表以其自身所具备的优良性能，在诸多领域中得到广泛应用。为进一步提升智能仪器仪表的整体性能，可对单片机进行合理运用。基于此，文章从单片机的应用优势分析入手，论述了智能仪器仪表中单片机的具体应用。期望通过该文的研究能够对单片机在智能仪器仪表中的推广使用有所帮助。
关键词：单片机 智能仪器仪表 设计应用
中图分类号：TP216 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2020）02（c）-0032-02
1 单片机的应用优势分析
单片机是一种微型计算机系统，它的体积非常小，整体质量较轻，造价相对较低，在智能仪器仪表中，单片机的应用优势体现在如下几个方面。
1.1 运算速度更快
智能儀器仪表中加入单片机之后，能够使仪器仪表的数据运算速度获得大幅度提升。在排除各种影响因素的前提条件下，智能仪器仪表进行测量计算，并完成相关操作的时间大约在0.1～0.5s之间，当计算过程的复杂程度较高时，则要求仪器仪表具备函数计算能力。而单片机在智能仪器仪表中的应用，不但能够进一步提升运算速度，而且还能满足复杂计算的需要。
1.2 控制更加稳定
单片机自带控制器，在智能仪器仪表中应用之后，能够实现运行参数的实时监控，仪器仪表的测量任务可由单片机来执行，这样可以简化数字电路，并以二进制的方式完成控制，从而确保了控制过程的稳定性。
1.3 输入输出能力更强
从智能仪器仪表的整体结构上看，为满足使用需要，其内部构造会做得比较复杂，包含大量的功能部件。在智能仪器仪表中对单片机进行应用后，借助单片机接口芯片强大的I/O功能，可为仪器仪表的功能部件提供更加稳定的运行条件，从而使各个部件之间能协调运转。
2 智能仪器仪表中单片机的具体应用
为进一步提升智能仪器仪表的整体性能，可在设计过程中，对单片机进行合理应用。下面重点对基于单片机的智能仪器仪表设计方法进行分析。
2.1 硬件设计
在基于单片机的智能仪器仪表设计中，单片机的选型和电路设计是关键环节。
（1）单片机选型。对单片机进行选择时，应当满足智能仪器仪表的使用需要，从各种类型的单片机中选取性价比最高的产品，在发挥单片机应用优势的基础上，降低智能仪器仪表的开发成本。作为智能仪器仪表的控制器，必须保证所选的单片机具有强大的控制功能和较低的功耗。通过对市面上各种类型的单片机进行比较之后，最终决定选用MSP系列单片机，该系列单片机具有超强的处理能力和超快的运算速度，在RAM模式下，最低功耗能够达到0.1μA，实时时钟模式下的功耗约为2.5μA。不仅如此，该系列单片机的片内资源非常丰富，能够任意进行嵌套，使用更加灵活方便。
（2）电路设计。在基于单片机的智能仪器仪表硬件设计中，电路设计是重点环节，包括检测电路、采样放大电路和电流输出电路。
①检测电路的设计要点。对检测电路进行设计的过程中，采用8路光耦隔离输入电路，通过这样的设计，能够使智能仪器仪表具备PLC的一些功能，由此可以使仪器仪表的整体性能得到提升。同时，为避免各种干扰对电路稳定运行的影响，可在设计时，将负载与前端进行有效隔离，借助分压电路对光耦进行保护，加入低通滤波器对干扰进行滤除。
②采样放大电路的设计要点。对输入信号进行检测是智能仪器仪表必须具备的功能之一，由于输入信号的种类较多，不同的信号有着不同的性质，所以需要有不同的检测电路，鉴于此，在设计中采用多路开关选择器，检测相应的信号。为进一步降低智能仪器仪表的开发成本，在数模转换方式上，采用分时复用技术，由此可使多路开关选择器上3个管脚的控制端能够对单片机发出的控制信号进行分别接收，按照信号对应的地址，选择相应的通道进入数模转换器进行处理。此外，因检测信号的放大倍数存在一定的区别，因此，设计4种程控放大器对输入信号进行增益，具体的增益倍数可由软件进行控制。
③电流输出电路的设计要点。目前，大部分智能仪器仪表在电流输出上采用的都是集成芯片，由于这种芯片的价格较为昂贵，因此，本着降低开发成本的目的，在设计中，采用脉冲宽度调制的方式，对电流信号进行输出。同时，为对干扰进行有效抑制，在该电路的设计中，利用光电耦合器，对数字量与模拟量进行隔离，通过二极管进行单向保护。在电流输入电路中，单片机运行时所产生的脉冲宽度调制信号会通过光电耦合器完成输入，经由滤波器对干扰进行滤除。
2.2 软件设计
为确保基于单片机的智能仪器仪表的运行安全性和稳定性，应当对软件程序的编制予以重视。在此次设计中，选用安全性较高的C语言对软件程序进行编辑。
（1）主程序设计要点。在基于单片机的智能仪器仪表中，主程序是软件核心，其能够对各个子程序进行控制，实现相关的功能，如测量、数据分析与处理、结果显示与输出等等。主程序可对寄存器、端口、串行存储器中的数据进行读取，并对仪器仪表的工作状态进行保存。
（2）监控程序的设计要点。此次设计的智能仪器仪表中，各个功能模块的执行方式为轮询检测，由此能够防止混乱的情况发生。当监控程序检测到时间，在完成数模转换之后，如果监控位置并未达到要求，此时主程序会进入循环检测等待状态，直至识别到相应的程序为止。
2.3 通信协议
现阶段，现场总线协议中较为常用的是Modbus协议，在对数据信息进行传输时，可以采用的模式有两种：一种是RTU（远程终端）;另一种是ASCII（美国信息交换标准代码）。在此次设计中，对通信协议进行选取时，采用的是后者，即ASCII，由此实现与上位PC机的实时通信。该通信模式下，数据信息中每8个字节会被作为2个ASCII字符发送。之所以选择这种模式，主要是因为，字符的发送时间间隔较短，约为1s左右，由此不会出现错误的情况，确保了数据通信的可靠性。
2.4 功能测试
基于单片机的智能仪器仪表除了具有强大的功能之外，还能对多路信号进行同时接入。下面以温度控制作为测试对象，对加入单片机的智能仪器仪表的使用效果进行测试。在对现场温度进行检测时，选用的是热电阻温度传感装置，通过继电器对加热进行控制，借助ASCII与上位PC机进行通信，可在液晶显示器上，对温度监控效果进行实时显示。此次设计的智能仪器仪表以MSP系列单片机作为核心，从而使仪器仪表的运行更加稳定，经测试各项功能均可以正常实现，进一步提升了仪器仪表的性能。
3 结语
综上所述，为在现有的基础上，进一步提升智能仪器仪表的整体性能，可在设计过程中，对单片机进行合理应用。借助单片机运算速度快、控制能力强等特点，可以使智能仪器仪表的功能变得更加强大，从而满足不同领域的使用需要。在未来一段时期，应当加大对单片机的研究力度，通过技术优化，使单片机逐步完善，从而为智能仪器仪表的开发提供支撑。
参考文献
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