基于AVR32的儀表電路設計

電子科技大學電子工程學院 周國華 習友寶

1.引言

工業化儀表是集信息獲取、轉換、處理、存儲、傳輸于一體的重要技術工具，包括分析儀表、檢測儀表、執行與控制儀表等幾大類，也有將幾部分功能集成在一起的儀表，是工業控制領域的基礎和核心之一[1]。21世紀以來，儀表制造迅速發展，規模也越來越大，成為我國制造業發展最快的行業之一[2]；現在，儀表的發展水平已經成了顯示國家綜合國力的標志之一，各發達國家都在大力發展儀表的科技水平。

UC32A0512是一款先進的32位的AVR單片機，采用單電源3.3V供電，最高運行頻率66MHz，可獨立設置CPU和外設的時鐘頻率，支持支持全速USB2.0協議以及On-The-Go(OTG)全速及低速協議，支持10M/100M以太網介質訪問控制子層協議接口(MAC)，片內自帶高速FLASH和SRAM，集成了SPI、USART、TWI通信接口。其豐富的片上資源為儀表功能的擴展提供了巨大的便利條件。

2.電路總體框圖

儀表電路總體框圖如圖1所示，時鐘源及復位電路、電源、JTAG接口組成了單片機的最小系統，保證系統的正常啟動運行。鍵盤和顯示屏作為人機交互的接口，其余三部分為本文重點介紹的外圍電路。

圖1 儀表電路總體框圖

3.外圍電路設計

3.1 flash存儲器設計

該模塊主要用來存儲儀表采集的電壓值和其他擴展電路的采集信息，這些信息要供給操作人員以后查看，或傳至上位機，所以要保證信息在儀表掉電后不丟失。UC32A0512單片機自帶512KB的flash存儲和64KB的SRAM存儲：flash用來存儲單片機程序，單片機運行時，只能從中讀取指令和固定的數據，不能進行寫操作；SRAM用來存放單片機運行過程中的臨時數據，雖然可隨時讀寫，但不具備掉電保護功能。所以儀表系統必須外接一個主存儲器，保證采集到的各種數據不會掉電丟失。

AT45DB161D是ATMEL公司的16M bytes的flash存儲器，與單片機采用SPI接口進行連接，如圖2所示。CS為SPI片選信號，低電平有效，SCK、SI、SO為SPI的時鐘、數據輸入輸出管腳[3]。RESET管腳連接單片機的復位管腳，當出現低電平時，flash芯片停止所有讀寫操作，直到RESET管腳出現高電平為止。WP管腳為存儲器寫保護使能端，為低電平時，對存儲器內受保護區域的所有操作都將被忽視，本設計將其連接到高電平，必要時可以軟件控制對受保護區域的操作。

圖2 flash存儲電路

3.2 數據采集電路設計

該模塊由A/D轉換器TLC3548對模擬電壓進行采集。與單片機采用SPI接口，如圖3所示，PA15～PA18分別為單片機SPI1接口的SCK、MOSI、MISO、CS1引腳。EOC/INT引腳為A/D轉換完成標志位，使能為EOC功能時，轉換結束后輸出高電平，使能為INT功能時，轉換結束后輸出低電平。CSTART和FS分別為外部采樣觸發信號、用于DSP接口的幀同步輸入信號，本設計用不到這些功能，故將其連接到固定的高電平。

芯片參考電壓為引腳REFP與REFM電壓之差，其參考類型由BGAP引腳和模擬地之間的補償電容決定：接0.1u電容時為外部參考，電壓由REFP引腳輸入；接0.1u和10u并聯時為內部4V基準電壓[4]。為了提高參考電壓的穩定性，本設計采用內部基準作為參考電壓。

圖3 A/D轉換器

3.3 串口通信電路設計

手持儀表在測量完信號后，需要把測量結果以數據包的形式發送給計算機，方便操作人員對測量數據進行保存和分析，因此，需要為儀表和計算機選擇一個合適的通信接口。UC3A0512單片機集成有全雙工的串行通用收發機，能夠實現異步串行數據的接收和發送。同時，考慮到一般儀表系統傳輸的數據量都不大，速度要求也不高，所以選擇RS-232C標準異步串行接口作為通信接口。

計算機的串口使用RS-232C電平標準，在數據接收端和發送端，邏輯“1”電平在-3～-15V，邏輯“0”電平在+3～+15V。而單片機使用的是TTL電平，所以為了保證正常通信，必須在計算機和單片機間進行電平轉換[5]。本設計選擇了MAXIM公司的MAX3232CSE芯片，并采用常用的9針串口（DB9），使用三線制接法，即DB9的2腳接單片機數據輸出腳，3腳接計算機數據輸出腳，5腳接公共地，具體電路如圖4所示。

圖4 串口通信電路

4.總結

針對新型32位AVR單片機，本文給出了部分具體的外圍電路，為新型單片機在工業儀表中的應用提供了參考，具有較大的實用價值。

[1]吳小平.智能儀表的發展現狀研究[J].常州職業信息技術學院學報,2008,7(1):19-23.

[2]趙陽華.我國儀器儀表產業發展現狀、問題及政策研究[J].中國儀器儀表,2009,3:29-33.

[3]徐春生,王太勇,鄧輝等.串行DataFlash在便攜式片上數采系統中的應用[J].機械與電子,2005,7:74-76.

[4]丁海松,張道信,馬良川.基于DSP與TLC3548的多通道數據采集系統的設計與實現[J].工業控制計算機,2010,12(23):68-70.

[5]孫建華,趙曉典,高永飛.PC機與單片機的串口通信系統設計[J].軟件導刊,2010,9:47-48.