基于PIC單片機(jī)的便攜式測試記錄儀(以下簡稱記錄儀)既有一般數(shù)據(jù)采集裝置的實(shí)時(shí)采集與保存功能，同時(shí)又能夠?qū)Σ杉瘮?shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理、顯示和打印。適用于對采集速度要求不高、交流供電比較困難以及無須長期留人值班的場合。 以追求高可靠、低功耗、小體積設(shè)計(jì)思想的本記錄儀具有如下功能：對現(xiàn)場物理量進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、保存、處理與顯示;自動(dòng)識別現(xiàn)場安裝的傳感器數(shù)量、傳感器號和量程;自動(dòng)和手動(dòng)兩種采集方式，自動(dòng)采集適用于長期無人值班的固定場合，手動(dòng)采集便于對分布在不同區(qū)域的物理量進(jìn)行測試;與PC機(jī)通訊，可根據(jù)需要將采集數(shù)據(jù)下載至PC數(shù)據(jù)庫;實(shí)時(shí)打印;自檢功能，避免了系統(tǒng)運(yùn)行過程中可能遇到本身無法容錯(cuò)處理的異常事件而導(dǎo)致的死機(jī)現(xiàn)象。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)原則 根據(jù)高可靠、低功耗、小體積的設(shè)計(jì)思想及應(yīng)用對象幾乎對采集速度無要求(此處指系統(tǒng)本身的采集速度已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過實(shí)際應(yīng)用要求)的特性，總體設(shè)計(jì)原則是： 元器件采用低功耗、寬范圍工作電源的CMOS集成電路;總線采用口線少的串行總線;允許情況下，盡量用軟件實(shí)現(xiàn)硬件功能，用中斷代替查詢工作方式;一旦系統(tǒng)空閑則立即使其進(jìn)入低功耗休眠狀態(tài)，當(dāng)需要時(shí)再用外部中斷予以喚醒。

1.2 硬件組成 根據(jù)總體設(shè)計(jì)原則，硬件組成如圖1所示。其中：單片機(jī)為美國MicroChip公司的中檔產(chǎn)品PIC16C74，+5V供電、4MHz主頻時(shí)功耗低于2mA;E2PROM存儲陣列由超低工作電壓(+2.5V～+5.5V)、具有可編程選擇多種特性的8KB智能化電可擦除存貯器24LC65芯片組成。其中，0#為傳感器識別片(以下簡稱識別片)，保存現(xiàn)場實(shí)際安裝的傳感器數(shù)量、傳感器號及量程。該芯片被設(shè)計(jì)在放大器板上，永久安裝于現(xiàn)場。傳感器號由4位數(shù)字組成，前2位表示組號，后2位表示傳感器組內(nèi)號。1# 為字典片，分為三個(gè)存儲區(qū)：第一存儲區(qū)被設(shè)置成高壽命寫入?yún)^(qū)，保存表頭參數(shù)，如疵點(diǎn)單元計(jì)數(shù)器、記錄計(jì)數(shù)器、記錄指針、自動(dòng)采集時(shí)間等;第二存貯區(qū)為字典區(qū)，保存?zhèn)鞲衅餍拚禂?shù)、實(shí)時(shí)打印所涉及的漢字國標(biāo)碼等，查找時(shí)以傳感器號為關(guān)鍵字進(jìn)行指針定位;第三存儲區(qū)被定義為疵點(diǎn)單元地址隊(duì)列，保存在寫過程中遇到的疵點(diǎn)單元地址。2#～7# 為數(shù)據(jù)片，保存實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)。RS232口為最簡單的零調(diào)制3線經(jīng)濟(jì)型，具有雙重功能，接上TPμP_T微型打印機(jī)，則進(jìn)行實(shí)時(shí)打印;接上PC機(jī)，則與PC進(jìn)行全雙工通訊。A/D轉(zhuǎn)換器MAX189為串行、12位逐次逼近型，功耗75mW，最大轉(zhuǎn)換時(shí)間8.5μs。實(shí)時(shí)時(shí)鐘DS1302具有可編程涓流充電功能，能夠提供秒、分、時(shí)、日、月、星期、年至2100年，并且對閏年和小于31天的月份進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。鍵盤由手動(dòng)、自動(dòng)、通訊、打印、清零等五個(gè)觸摸按鍵組成，通過按鍵產(chǎn)生外部中斷喚醒單片機(jī)完成相應(yīng)功能。液晶顯示器(LCD)采用4位半靜態(tài)方式驅(qū)動(dòng)，用來顯示處理后的結(jié)果以及系統(tǒng)運(yùn)行過程中檢錯(cuò)的代碼。32.768kHz晶振用于自動(dòng)采集時(shí)產(chǎn)生定時(shí)中斷。 圖1 基于PIC單片機(jī)的便攜式測試記錄儀組成

1.3 工作原理 本記錄儀基本工作原理是：一旦系統(tǒng)完成某項(xiàng)工作后，立即進(jìn)入低功耗休眠狀態(tài)，當(dāng)需要時(shí)再由外部中斷予以喚醒。

1.3.1 加電初始化 加電后，首先初始化有關(guān)寄存器和接口，然后自檢各功能部件。測試結(jié)果無論正常或錯(cuò)誤均以代碼形式顯示在LCD上，進(jìn)入休眠狀態(tài)。

1.3.2 采 集 本記錄儀有自動(dòng)和手動(dòng)兩種采集方式。 休眠狀態(tài)下，當(dāng)按手動(dòng)鍵時(shí)則進(jìn)入手動(dòng)采集過程。首先讀識別片和字典片，以確立現(xiàn)場中實(shí)際安裝的傳感器數(shù)量、量程及數(shù)據(jù)片可寫空間。若數(shù)據(jù)片未寫滿，則從組內(nèi)0通道傳感器開始，循環(huán)對現(xiàn)場中實(shí)際安裝的所有傳感器進(jìn)行采集、處理、顯示，直至當(dāng)再按一次手動(dòng)鍵時(shí)，方將傳感器號、量程、最近一次采集值(注意不是實(shí)時(shí)處理后結(jié)果，而是原始A/D轉(zhuǎn)換碼值)以及采集時(shí)刻的日歷信息─年、月、日、時(shí)、分、秒等組成的記錄寫入記錄指針指向的數(shù)據(jù)片中，接著對表頭參數(shù)進(jìn)行修改，進(jìn)入休眠狀態(tài)。 休眠狀態(tài)下，當(dāng)按自動(dòng)鍵時(shí)則進(jìn)入自動(dòng)采集過程。首先開放定時(shí)中斷，然后進(jìn)入采集─保存─休眠─喚醒─再采集─再保存─再休眠─再喚醒的循環(huán)狀態(tài)，直到數(shù)據(jù)片被寫滿或人工干預(yù)結(jié)束自動(dòng)采集過程為止。上述喚醒由外部中斷完成，其單片機(jī)從休眠狀態(tài)到喚醒工作之間的時(shí)間間隔有等距和變距兩種形式可供選擇。所謂等距即每次采集的時(shí)間間隔相同。與其相反，變距則每次采集的時(shí)間間隔隨采集次數(shù)的增多而變長或縮短，視實(shí)際應(yīng)用需要而確定。本記錄儀出廠設(shè)置為等距1小時(shí)，即每間隔1小時(shí)采集1次。

1.3.3 通訊和打印 休眠狀態(tài)下，當(dāng)按通訊鍵時(shí)，進(jìn)入和PC通訊過程。首先由PC端Win98下的專門處理軟件完成串口1(若記錄儀與PC Com1口相連)或串口2(若記錄儀與PC Com2口相連)的自動(dòng)配置，然后可根據(jù)工具條上的圖文進(jìn)行等距、變距、選擇、數(shù)據(jù)下載、事后處理等操作。 休眠狀態(tài)下，當(dāng)按打印鍵后，則在TPμP_T微型打印機(jī)上打印出所有保存的記錄。

1.3.4 清 零 休眠狀態(tài)下，當(dāng)按清零鍵時(shí)，則清除數(shù)據(jù)片中保存的所有記錄，即使記錄指針指向數(shù)據(jù)片首址。

2 軟件設(shè)計(jì) 本記錄儀軟件由實(shí)時(shí)處理程序和組成記錄儀諸功能部件的驅(qū)動(dòng)程序組成。 2.1 實(shí)時(shí)處理程序 實(shí)時(shí)處理程序調(diào)用相關(guān)驅(qū)動(dòng)程序完成模擬量采集、數(shù)字濾波、插值運(yùn)算、實(shí)時(shí)顯示、記錄合成及記錄保存。本記錄儀采用的記錄格式從高至低依序?yàn)椋簜鞲衅魈?，量程，采集值，年，月，日，時(shí)，分，秒。

2.2 驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì) 驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)的基本思想是：首先完成相關(guān)接口、寄存器的初始化，然后根據(jù)具體物理部件產(chǎn)生微操作時(shí)序，并對操作過程中遇到的異常事件進(jìn)行容錯(cuò)處理。

2.2.1 讀/寫E2PROM 驅(qū)動(dòng)程序 I2C總線由時(shí)鐘線(SCL)和數(shù)據(jù)線(SDA)組成。根據(jù)I2C總線協(xié)議，將圖1所采用的24LC65芯片的讀/寫操作按操作順序分解為：使總線處于空閑狀態(tài)(SCL、SDA均為高電平);發(fā)送讀/寫啟動(dòng)信號(SCL保持高電平，SDA從高變低產(chǎn)生下降沿);在數(shù)據(jù)線SDA上讀或?qū)憯?shù)據(jù)位(SCL高電平時(shí)，SDA狀態(tài)為有效的讀或?qū)憯?shù)據(jù)位，SDA狀態(tài)，即0或1的變化必須在 SCL低電平期間完成);發(fā)送讀/寫結(jié)束信號(SCL保持高電平，SDA從低變高產(chǎn)生上升沿)。如果為寫操作，每寫完1字節(jié)數(shù)據(jù)后，24LC65在數(shù)據(jù)線SDA上回送握手應(yīng)答信號，表示該字節(jié)數(shù)據(jù)已被可靠寫入。以上微操作通過匯編語言編程實(shí)現(xiàn)。 本記錄儀以記錄方式讀/寫數(shù)據(jù)片。因此，對寫來說，首先讀字典片，以便用其中的表頭參數(shù)判斷當(dāng)前數(shù)據(jù)片是否已寫滿。若已寫滿，則在LCD上顯示無寫空間標(biāo)記代碼，然后返回休眠狀態(tài);否則，將記錄寫入記錄指針?biāo)赶虻臄?shù)據(jù)片中，同時(shí)對表頭參數(shù)進(jìn)行修改。在寫過程中，重要的是處理疵點(diǎn)單元。盡管24LC65在寫過程中出現(xiàn)的疵點(diǎn)概率極少，但若不正確處理，則會導(dǎo)致目標(biāo)數(shù)據(jù)丟失甚至出現(xiàn)系統(tǒng)死機(jī)現(xiàn)象。作者曾采用數(shù)據(jù)輪詢技術(shù)進(jìn)行容錯(cuò)處理，收到了良好的效果。其基本思想是：每當(dāng)在數(shù)據(jù)線上寫完1字節(jié)數(shù)據(jù)后，便反復(fù)查詢24LC65回送的應(yīng)答信號，但最多不超過50次(此數(shù)足夠24LC65寫入時(shí)間);

若超過查詢次數(shù)仍無應(yīng)答信號，便認(rèn)為該單元為疵點(diǎn)單元，將其地址記入疵點(diǎn)單元地址隊(duì)列，并使疵點(diǎn)單元計(jì)數(shù)器加1，然后在下一比鄰單元繼續(xù)寫入原數(shù)據(jù)。如果連續(xù)兩單元為疵點(diǎn)單元，則認(rèn)為整個(gè)芯片有問題，此時(shí)，在LCD上顯示該單元所在的芯片號(芯片號參見圖1)，然后，返回休眠狀態(tài)。 對讀來說，首先判斷數(shù)據(jù)片是否為空。若為空，則在LCD上顯示無記錄標(biāo)記代碼，然后返回休眠狀態(tài)。否則，繼續(xù)判斷數(shù)據(jù)片是否有疵點(diǎn)，如果無疵點(diǎn)，則從數(shù)據(jù)片首址開始按序讀出所有記錄;否則，在按序讀記錄過程中，根據(jù)疵點(diǎn)單元地址隊(duì)列內(nèi)容，跳過所有疵點(diǎn)單元，以保證讀出的記錄連續(xù)、真實(shí)、可靠。

2.2.2 采集驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì) A/D轉(zhuǎn)換器MAX189所帶串口與單片機(jī)PIC16C74的SPI口完全兼容。因此，在A/D轉(zhuǎn)換完成后，只要啟動(dòng)單片機(jī)SPI口產(chǎn)生13個(gè)同步時(shí)鐘脈沖便可連續(xù)兩次從SPI數(shù)據(jù)緩沖器上獲得12位轉(zhuǎn)換結(jié)果。由于本記錄儀采集的參數(shù)個(gè)數(shù)依現(xiàn)場安裝的傳感器數(shù)不同而不同，因此，驅(qū)動(dòng)程序必須能予以自動(dòng)識別。圖2為采集驅(qū)動(dòng)程序流程，其基本設(shè)計(jì)思想是：首先讀識別片，以確定實(shí)際安裝的傳感器數(shù)量，然后從0通道傳感器開始進(jìn)行采集，直到實(shí)際安裝的最后一個(gè)傳感器采集完畢為止。圖2中：CHAN：通道寄存器;COUNT：傳感器數(shù)量寄存器。

3 測試設(shè)計(jì) 測試設(shè)計(jì)是通過測試程序完成對記錄儀本身各功能硬件的性能測試。測試程序獨(dú)立于實(shí)際應(yīng)用程序，在單獨(dú)的單片機(jī)中，使用時(shí)只要拔掉記錄儀模板上的單片機(jī)而用其代之即可。測試程序設(shè)計(jì)的基本思想是：首先根據(jù)不同測試對象(即部件)產(chǎn)生不同的測試數(shù)據(jù)和測試期望數(shù)據(jù)，然后以測試數(shù)據(jù)為入口參數(shù)，調(diào)度相關(guān)驅(qū)動(dòng)程序產(chǎn)生目標(biāo)數(shù)據(jù)，最后用測試期望數(shù)據(jù)與目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，以此判斷所測硬件性能之良劣。

3.1 E2PROM測試設(shè)計(jì) E2PROM測試需要與PC機(jī)通訊。其基本原理是：首先產(chǎn)生8種測試數(shù)據(jù)：0x00、0xff、0x55、0xaa、0x0f、0xf0、0x5a、0xa5(0x表示16進(jìn)制數(shù))，然后分別以此8種測試數(shù)據(jù)為入口參數(shù)，交替調(diào)度寫、讀E2PROM驅(qū)動(dòng)程序3次(即先寫后讀3次)。每讀一次，與測試期望數(shù)據(jù)(此處測試數(shù)據(jù)與測試期望數(shù)據(jù)相同)進(jìn)行比較，若不相等，則對相應(yīng)片錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器加1。測試結(jié)果實(shí)時(shí)地顯示在記錄儀LCD和PC機(jī)上。LCD只顯示總錯(cuò)誤個(gè)數(shù)，PC機(jī)則依次顯示、保存總錯(cuò)誤個(gè)數(shù)及錯(cuò)誤單元地址。

3.2 A/D測試設(shè)計(jì) A/D測試也需要與PC機(jī)通訊。由于本記錄儀最多可采集8路傳感器參數(shù)，因此，測試程序?qū)︽I盤重新定義如下：當(dāng)手動(dòng)、自動(dòng)、通訊、打印、清零鍵有鍵按下時(shí)，對應(yīng)測試0～4通道傳感器;當(dāng)手動(dòng)、自動(dòng)、通訊鍵其中之一與清零鍵同時(shí)按下時(shí)，則對應(yīng)測試5～7通道傳感器。測試只對放大器滿量程的10%、50%、90%等3點(diǎn)進(jìn)行采集。其原理是：首先，測試程序掃描鍵盤，當(dāng)掃描到有鍵按下時(shí)，則調(diào)度采集驅(qū)動(dòng)程序?qū)υ撴I盤定義的通道傳感器進(jìn)行連續(xù)采集，采集結(jié)果不作任何處理，實(shí)時(shí)地顯示在記錄儀LCD和PC機(jī)上。LCD只顯示當(dāng)前的A/D轉(zhuǎn)換碼值，PC機(jī)則顯示并保存當(dāng)前A/D轉(zhuǎn)換碼值、各點(diǎn)最大、最小轉(zhuǎn)換碼值及兩者絕對差值。技術(shù)人員可以此判斷前向通道(傳感器、放大器、A/D)工作性能的好壞。筆者曾連續(xù)測試0通道傳感器6個(gè)半小時(shí)，發(fā)現(xiàn)最大碼差為9，表明前向通道工作相當(dāng)穩(wěn)定。

3.3 實(shí)時(shí)時(shí)鐘測試設(shè)計(jì) 實(shí)時(shí)時(shí)鐘DS1302測試需要借助PC機(jī)完成。其測試原理是：首先PC機(jī)上的測試程序讀PC系統(tǒng)日歷信息─年、月、日、時(shí)、分、秒、星期，并進(jìn)行發(fā)送。記錄儀在接收后，立即調(diào)度寫DS1302驅(qū)動(dòng)程序?qū)⒔邮盏腜C系統(tǒng)日歷信息寫入DS1302相關(guān)功能寄存器中，并使DS1302以此為時(shí)基進(jìn)行計(jì)時(shí)。此后，進(jìn)入記錄儀發(fā)送、PC接收的無限循環(huán)狀態(tài)，即：每隔10ms，記錄儀調(diào)度一次讀DS1302驅(qū)動(dòng)程序，并將獲得的最近日歷信息予以迅速發(fā)送;而處于接收狀態(tài)的PC接收后，立即與PC系統(tǒng)當(dāng)前日歷信息進(jìn)行比較，如此循環(huán)，直到人工干預(yù)結(jié)束測試為止。在上述測試過程中，記錄儀LCD只實(shí)時(shí)地顯示日歷信息的分、秒兩位，PC機(jī)則實(shí)時(shí)地顯示記錄儀和PC機(jī)兩端完整的日期、時(shí)間及兩者比較差。另外，通過觀察記錄儀LCD上顯示的分、秒位變化，也可初步判定DS1302的性能。筆者曾連續(xù)運(yùn)行該測試程序24小時(shí)，偏差極小，足以滿足本系統(tǒng)的需要。

4 實(shí)際應(yīng)用 本記錄儀已投入實(shí)際應(yīng)用一年多，其可靠性、穩(wěn)定性、操作性和精度均受用戶歡迎。不足之處是：目前功耗還比較大，作者在+12V供電時(shí)測得電流為45.5mA尚需進(jìn)一步改進(jìn)。