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1  引言

    行車稱重顯示控制器是冶金工業(yè)現(xiàn)場稱重的重要設(shè)備之一，它廣泛應(yīng)用于工礦企業(yè)、物資部門貨物稱重。但目前所使用的行車稱重器分布零散，不便統(tǒng)一管理。有鑒于此，我們研制了基于虛擬儀器的分布式行車稱重顯示控制器。

    虛擬儀器是目前測控領(lǐng)域中最為流行的技術(shù)之一。它是計(jì)算機(jī)硬、軟件和計(jì)測技術(shù)、儀器儀表技術(shù)共同結(jié)合的產(chǎn)物，計(jì)算機(jī)友好的人機(jī)交互、方便快捷的即時(shí)在線幫助，強(qiáng)大的圖形和數(shù)據(jù)處理功能，大容量存儲以及顯示，文件管理、打印輸出等功能，徹底的彌補(bǔ)了傳統(tǒng)硬件化儀器的不足，使得虛擬式儀器成為先進(jìn)的智能化儀器。

    Lab Window/CVI  (Cfor Vinual Instrument)是目前虛擬儀器開發(fā)的常用軟件，它以最常用的C語言為基礎(chǔ)，使虛擬儀器開發(fā)變得更加方便、靈活、功能更強(qiáng)大，所以在研制行車稱重顯示控制器時(shí)，我們采用了Lab Window/CVl作為上位機(jī)的編程軟件。

    在該稱重顯示控制器中，下位機(jī)用89C51單片機(jī)，完成控制對象的數(shù)據(jù)采集和直接控制，上位機(jī)( IMB-PC機(jī))使用LabWindows／CVI的軟件開發(fā)平臺，應(yīng)用LabWindows/CVI多種開發(fā)功能，對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、處理、存儲及參數(shù)設(shè)定。通訊標(biāo)準(zhǔn)采用FIA RS-232C串行接口，形成分布式微機(jī)控制系統(tǒng)。

2  硬件設(shè)計(jì)

2.1 工作原理

    將圓柱式電阻應(yīng)變式傳感器采用吊掛式安裝在行車上，傳感器在軸向有一個或幾個電阻應(yīng)變片，在圓周方向也有同樣數(shù)目的電阻應(yīng)變片。當(dāng)傳感器受力時(shí)，電阻應(yīng)變片發(fā)生變形，導(dǎo)致電阻的變化，測量電橋?qū)⒂善胶廪D(zhuǎn)為不平衡，電阻的信號轉(zhuǎn)化為微弱的毫伏級電信號，經(jīng)過預(yù)處理后，可作為被測信號送人A/D轉(zhuǎn)換器。

    我們設(shè)計(jì)的行車稱重顯示控制器有4種工作方式：第1種方式下，可對第1路信號進(jìn)行測量；第2種方式下，對第2路信號進(jìn)行測量；第3種方式下，循環(huán)對兩路信號進(jìn)行測量；第4種方式下，可對行車稱重顯示控制器的工作參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。

    使用時(shí)，先通過撥碼開關(guān)對行車稱重顯示控制器設(shè)定好工作方式，被測信號、標(biāo)準(zhǔn)電壓信號、模擬地信號均送人模數(shù)轉(zhuǎn)換AD654。進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)化后的脈沖信號送人89C51，通過計(jì)數(shù)器定時(shí)計(jì)數(shù)與基準(zhǔn)信號計(jì)數(shù)結(jié)果比較來讀取毫伏電壓信號，再把毫伏電壓信號還原成重量信號的數(shù)字描述。并通過89C51實(shí)現(xiàn)打印、顯示、報(bào)警、通訊，上位機(jī)可對數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的處理和存儲，實(shí)現(xiàn)分布式測控。

2.2硬件電路

行車稱重顯示儀表系統(tǒng)組件主要由多路選擇電路、信號處理電路、顯示電路、鍵盤電路、報(bào)警電路、通訊接口、擴(kuò)展EPROM接口及校正自啟動電路等組成。

 

   (1)多路選擇電路

   單片機(jī)設(shè)計(jì)的行車稱重顯示控制器，需要對多路信號進(jìn)行采集和處理，如果每一路都采用各自的輸入回路，即每一路都采用放大、采樣／保持，A/D轉(zhuǎn)換等環(huán)節(jié)，不僅成本比單路成倍的增加，而且會導(dǎo)致系統(tǒng)體積龐大，且由于模擬器件、阻容元件參數(shù)特性的不一致性，對系統(tǒng)的校準(zhǔn)帶來了很大的困難；并且對于多路巡檢信號采集情況，每路單獨(dú)采用一個回路幾乎是不太可能。因此，除了特殊的情況下采用多路獨(dú)立的放大、A/D和D/A外，通常采用公共的采樣／保持及A/D轉(zhuǎn)換回路（有時(shí)甚至可將某些放大電路公用），而要實(shí)現(xiàn)這種設(shè)計(jì)，往往采用多路模擬開關(guān)。多路開關(guān)的作用主要是用于信號切換，如某一時(shí)刻接通某一路，讓該路信號輸入、其他路斷開，從而達(dá)到信號切換的目的。

    行車稱重顯示控制器中的信號多路選擇電路設(shè)計(jì)采用常用的CD4051芯片。CD4051是一種8選1的多路選擇開關(guān)，輸入信號8路，輸出1路。CD4051選擇8路輸入信號中的哪一路作為輸出是由控制信號A、B、C決定的。A、B、C組成一個數(shù)字序列。所以通過計(jì)數(shù)器CD4024發(fā)過來的信號Q₀、Q₁、Q₂輸入到CD4051的A、B、C端就可以決定哪一路被選擇輸出。例如選擇第4路信號輸入作為輸出，只要CD4024的Q₀、Q₁腳發(fā)低電平，Q₂發(fā)出高電平就可以了。

    CD4024的第1腳CLK是脈沖輸入端，第2腳RST是清除端，高電平有效，它們通過光電耦合開關(guān)TLC521分別與CPU的P_L0、P_L1相連。當(dāng)CPU的PL1發(fā)出高并保持的時(shí)候，PL0不斷發(fā)出脈沖，CD4024計(jì)數(shù)，通過P_L0、P_L1,發(fā)脈沖可控制CD4024計(jì)數(shù)，

使計(jì)數(shù)值Q₀、Q₁、Q₂作為8選1的多路選擇開關(guān)CD4051的A、B、C信號的輸入，所以通過P_L0、P_Ll可改變CD4024計(jì)數(shù)值Q₀、Q₁、Q₂送CD4051就可以決定哪一路Vx被選擇輸出。

    (2)頻率測量電路

經(jīng)多路選擇電路輸出的信號經(jīng)過OP07放大后送入AD654，轉(zhuǎn)換得到的頻率信號利用89C51記數(shù)測量。在單片機(jī)內(nèi)由軟件實(shí)現(xiàn)80ms的定時(shí)，通過單片機(jī)的T₀進(jìn)行定時(shí)內(nèi)的AD654的輸出脈沖記數(shù)，一旦定時(shí)時(shí)間到，就讀出T₀的記數(shù)值，供后面的計(jì)算使用。

    (3)顯示及鍵盤電路

    我們將空閑的串行口用作顯示、鍵盤接口。共用6片74LS164來擴(kuò)展I/O口。其中顯示用5片74LS164．采用準(zhǔn)靜態(tài)的顯示方式，每片74LS 164送數(shù)據(jù)同時(shí)到對應(yīng)的LED數(shù)碼管，通過89C51的P_L5腳發(fā)出顯示數(shù)據(jù)．P_L6腳發(fā)出驅(qū)動電平，控制顯示74LS 164的時(shí)鐘，以保證一組參數(shù)的完整顯示；余下的一片74LS164實(shí)現(xiàn)鍵盤接口，也使用P _L5腳發(fā)出掃描數(shù)據(jù)．P _L7腳用作掃描數(shù)據(jù)的移位脈沖，實(shí)現(xiàn)對6根鍵盤線的掃描，鍵盤數(shù)據(jù)回收線接入89C51的P _3.5腳。

    鍵盤的連接是采用8位串行輸入并行輸出移位寄存器74LS164來構(gòu)成行列式鍵盤。采用編程掃描方式，來取得鍵號。89C51的P _3.5口接鍵盤的行線，用來回收鍵掃描數(shù)據(jù)，行線X₀～X₇的電位作為鍵掃描口。Q ₀~Q ₇接列線作為鍵輸人口。P _：5接74LS1 64的A、B端，依次串行輸出值。

    在該單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)中，使用的顯示器為LED（發(fā)光二極管顯示器），這種顯示器成本低廉．配置靈活，與單片機(jī)接口方便，L ED顯示塊是由發(fā)光二極管顯示字段的顯示器件。在單片機(jī)系統(tǒng)中通常使用的是7段LED，這種顯示塊有共陰極和共陽極2種。

    我們采用的是共陰極，共陰極LED顯示塊的發(fā)光二極管陰極共地，7段顯示塊與單片機(jī)的接口非常容易：只要將一個74LS164的8位并行輸出口與顯示塊的發(fā)光二極管的引腳相連即可。8位并行輸出口輸出不同的字節(jié)數(shù)據(jù)即可獲得不同的數(shù)字或字符。

    通常將控制發(fā)光二極管的8位字節(jié)數(shù)據(jù)稱為段選碼。由于要顯示的字?jǐn)?shù)不多，采用靜態(tài)顯示方式下共陰極連接在一起接地，每位的段選線與一個74LS1648位并行口相連，每一位可獨(dú)立顯示，只要在該位的段選線卜保持段選碼電平，該位就能保持相應(yīng)的顯示字符。

    由于每一位有一個8位輸出口控制段選碼，故在同一時(shí)間里每一位顯示的字符可以各不相同，每片74LS164送數(shù)據(jù)同時(shí)到對應(yīng)的LED數(shù)碼管，通過89C51的P _L5腳發(fā)出顯示數(shù)據(jù)，P _L6腳發(fā)出驅(qū)動電平，控制照示74LS 164的時(shí)鐘，以保證一組參數(shù)的完整礁示．

    (4)外圍芯片24C02

    24C02是近年來推出的EEPROM系列產(chǎn)品之一，它的串行接口為PCBLTS接日，常用普通的2根I/O口線串行傳輸；具有頁寫模式；白同步寫周期為10ms，具有寫保護(hù)措施；10萬次寫人次數(shù)，100萬年數(shù)據(jù)保存，    A₀,A₁，A₂為芯片地址線，單片使用時(shí)一般接V_ss；SCL為串行移位時(shí)鐘；SDA為串行數(shù)據(jù)或地址通過SDA，CPIT可對芯片寫入或讀出數(shù)據(jù)；WP為寫保護(hù)若WP接V_cc芯片只讀．

    這里24C02用作系統(tǒng)的EEPROM，用于存入儀器的E F限報(bào)警值，儀表的量程。單片使用A₀,A₁，A₂，V_ss均接地。串行時(shí)鐘SCL接89C51的P_L4引腳，串行數(shù)據(jù)或地址線SDA接89C51的P_L5引腳。

    由于24C02寫入的數(shù)據(jù)停電不丟失，占用極少的I/O資源，非常適合于各類儀器儀表的參數(shù)保存，它的引入使儀表的硬件結(jié)構(gòu)十分簡潔、系統(tǒng)擴(kuò)展極為方便

    (5)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中的l／()n擴(kuò)展

    MCS-51單片機(jī)共有4個并I/O口，但這些I/O口并不能完全提供給用戶使用：，只有對于片內(nèi)有ROM/EPROM的單片機(jī)8051/8751，在不使用外部擴(kuò)展時(shí)，才允許這4個I/O口做為用戶使用，然『面對于大多數(shù)使用6031以及使用8051/875l需外部扣“展時(shí)，MCS-51單片機(jī)可提供給用戶使用的P₁口和部分P₁口線，，因此，在大部分的MC.S-51單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)巾都不可避免地要進(jìn)行I/O口的擴(kuò)展。

    在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，8255與MCS-51單片機(jī)連接方式簡單，其工作方式由程序設(shè)定8255可編程并行I/O芯片由以下4個邏輯結(jié)構(gòu)組成：

    數(shù)據(jù)總線驅(qū)動器，這是雙向3態(tài)的8位驅(qū)動器，用于和單片機(jī)的數(shù)據(jù)總線相連，以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與 8255芯片的數(shù)據(jù)傳送。并行I/O端門，A 口、B口和C口 這3個8位I/O端口功能完全Fh編程決定，但每個口都有自己的特點(diǎn)

讀／寫控制邏輯．它用于管理所有的數(shù)據(jù)、控制字或狀態(tài)字的傳送。它接收單片機(jī)的地址線和控制信號米控制各個口的工作狀態(tài)。CS為8255的片選信號，RD為控制信號，WR為寫控制端。A₀、A₁為口地址選擇。通過A₀、A₁可選中8255的4個寄存器。

    口地址選擇如下：A₀、A₁為00，選輸出寄存器A（A口），為01選輸出寄存器B（B口），10選輸出寄存器C（C口），為1l選控制寄存器（控制口）。RESET為復(fù)位端，當(dāng)RESET=1時(shí)，8255復(fù)位。復(fù)位狀態(tài)是：控制寄存器被清除，所有接口(A、B、C)被置入輸入方式。

    這里采用89C51的P₀口與8255的數(shù)據(jù)總線相連，8255的讀寫控制信號RD、WD和89C51的讀寫控制信號RD、WD相連。8951的P₂₀、P₂₁控制8255的A₀、A₁進(jìn)行口地址選擇。8255的A口接打印機(jī)接口，B口通過鎖存器74LS373接繼電器實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。

    (6)通信口電路

    上位機(jī)（IMB-PC機(jī)）串行口給出的是標(biāo)準(zhǔn)電平，89C51給出的是TTL電平，這兩種電平互不兼容，必須將TTL電平與RS-232C電平進(jìn)行轉(zhuǎn)換。通常+5V和士12V電源供電，而且工作不穩(wěn)定。

    我們使用INTERSIL公司生產(chǎn)的ICL232集成電路，它是單片集成雙RS-232發(fā)送／接收器，采用單一+5V電源供電，內(nèi)部有兩組電壓轉(zhuǎn)換電路，外接至多是4個電容．兩只電阻便可以構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)的RS-232C通訊接口。

    由多個下位單片機(jī)通過RS-232C總線與上位PC機(jī)連接可成為一個多微機(jī)控制系統(tǒng)，上位機(jī)通過地址識別可以同時(shí)管理多個單片機(jī)系統(tǒng)。

3  軟件設(shè)計(jì)

  在該稱重顯示控制器中，下位機(jī)用89C51單片機(jī)，完成控制對象的數(shù)據(jù)采集和直接控制，上位機(jī)( IMB-PC機(jī))使用LabWindows/CVI的軟件開發(fā)平臺，對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、處理、存儲及參數(shù)設(shè)定，形成分布式微機(jī)控制系統(tǒng)。其軟件相應(yīng)的也就可以分為由匯編語言編寫的下位機(jī)軟件部分和用LabWindows/CVI開發(fā)的上位機(jī)軟件部分。

3.1下位機(jī)軟件部分

    單片機(jī)對控制對象的數(shù)據(jù)采集和直接控制由主程序調(diào)用各個功能子程序?qū)崿F(xiàn)。功能子程序主要包括：數(shù)據(jù)采集及計(jì)算程序、顯示程序、鍵盤程序、通訊程序、打印程序等。

3.2上位機(jī)軟件部分

    基于標(biāo)準(zhǔn)的C語言的半圖形化的開發(fā)工具LabWin-dows/CVI，不僅提供了對虛擬儀器的支持能力，還具有各種測試、控制和數(shù)值分析能力，集成了數(shù)據(jù)庫開發(fā)的軟件包，使得該工具能適應(yīng)大型分布式測試應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)要求，開發(fā)功能更加強(qiáng)大。

    所以，我們選用LabWindows/CVI作為上位機(jī)的工作平臺，利周計(jì)算機(jī)的圖形能力和數(shù)值功能建立圖形化的虛擬儀器面板，RS232總線作為LabWindows/CVI的I/O接口設(shè)備，通過特定的算法實(shí)現(xiàn)對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、處理、存儲及參數(shù)設(shè)定。

    首先，我們根據(jù)任務(wù)確定程序的基本框架如程序界面、程序中所需的函數(shù)等。然后，根據(jù)第一步制定的方案創(chuàng)建用戶圖形界面及回調(diào)函數(shù)名，讓計(jì)算機(jī)生成程序代碼及回調(diào)函數(shù)的基本框架，添加函數(shù)代碼，完成源代碼的編制工作。最后，編譯、調(diào)試程序。把頭文件，用戶圖形界面文件，源代碼文件添加到項(xiàng)目文件中去，完成整個程序的編制。

4  結(jié)束語

   分布式行車稱重顯示控制器精度高、功能強(qiáng)、使用方便。基于虛擬儀器的設(shè)計(jì)使用戶的操作方便直觀，克服了稱重器地理位置分布零散不便統(tǒng)一管理的缺點(diǎn)，真正的實(shí)現(xiàn)了自動化的統(tǒng)計(jì)管理。

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