热工计量便携计算工具有设计与实现

    摘要：介绍用于工业热工计量分度表计算及其它运算的一种便携计算工具。本设计选择满足高速、大的程序容量需求的单片机，并对系统结构作了说明。

    关键词：热工计量 分度表计算 高速单片机 浮点计算

在电力、石化、钢铁等行业中大量使用各类标准或非标准的热电阻与热电偶。为保证测量精度，这些温度测量器件需要定期检定或校准。计量工程师在检定时，需要进行大量的分度表计算。这类计算，尤其是标准温度计的分度表计算，方法复杂、费时费力、容易出错。在些单位因此编制了一些小程序配合计算，但基于微机的程序对于大量的现场计算显得很不方便，计量工程师迫切需要一种快速便捷的计算工具。

本热工计量便携计算工具采用两组单片机作为计算与控制核心。一组芯片用于核心计算及基本控制，另一组芯片专门用于复杂的中文界面显示，两者之间通过SPI总线通讯。这种设计在系统成本增加不多的情况下，简化了设计难度，提高了系统的可靠性。本热工计量便携计算工具可以完成标准热电阻、标准热电偶分度表转换计算；工业热电阻、热电偶分度表转换计算；变送器转换计算；压强、温度等14类物理量约170种单位的转换以及其它复杂的数学函数及浮点计算等，可以充分满足计量工程师现场及实验室的计算需求。

1 计算需求

以比较复杂的标准铂铑10—铂热电偶的分度表计算为例，分析对单片机计算功能的需求。计算方法依据ITS90国际温标及国家技术监督局颁发的JJG75-95《标准铂铑10—铂热电偶》计量检定规程。与一般常规计算不同，热电偶分度表计算具有步骤多、计算嵌套多以及需要大量的浮点乘法甚至指数计算等特点，计算精度为十进制5位有效数字，ANSI规定的单精度浮点计算可以满足精度要求。

考虑一般的计算情形，如果某标准S热电偶锌、锑、铜点热电势已知，测量某温度场的温度，用冰点器作为冷端补偿，此时可以测量得到其热电势，需要计算此时的温场温度。下面是计算过程中用到的计算公式。

参考函数，约有17次乘法及8次加法。

插值函数，有3次乘法及2次加法。

ΔE（t）/μV=a+bt+ct 2

系数计算，有9次乘法及6次加法。

在计算中，需要对参考函数用二分法及线性插值法求其反函数的解，对一般的电压点大约需要进行12次参考函数调用。考虑到其他运算，计算该温度点大约需要做250次单精度浮点乘法计算以及140次单精度浮点加法计算。

如果考虑现场冷端补偿温度不为0℃的情况，上述计算次数需要加倍，即约500次单精度浮点乘法计算以及280次单精度浮点加法计算。

2 选择单片机

2.1 计算精度及速度要求

考虑到计算精度（单精度浮点计算）的需求及价格因素，选择使用8位单片机。

市面上有很多种类的8位单片机，比较典型的有MCS51系列产品。选择了INTEL 8031处理器作为选择的判断基础，使用6MHz石英晶体，用C51编制上述例子的计算程序。在实际计算中，测得完成一次完整的计算约需4秒。对于某些需要指数计算的例子，时间可长达10余秒。由于程序的编制水平不同，不同单片机的结构、指令不同等诸多因素影响，无法精确计算各类8位单片机的运算时间，这个测试结果仅作为判断的依据。

作为实际使用的产品，用户可以接受的计算时间是1秒以内，因此必须采用高速8位单片机。

本热工计量便携计算工具设计功能较多，程序较大，使用C语言编程，生成代码较多。先在INTEL 8031上完成包含输入输出的上述计算的完整程序，生成代码长度约4KB，完成全部功能，最终程序代码长度约为80KB。相对于一般嵌入式微处理器应用，此程序代码相对较多。为精简系统以及保密的要求，采用片内集成ROM或FLASH程序存储器的单片机，要求其程序存储器容量在80KB以上。

由于设计功能较多，需要实时保存大约2KB的参数，即需要2KB以上的EEPROM实时保存数据。另外需要带SPI总线接口以达到快速数据显示的目的，对其它如I/O口数量等没有特殊的需求。

2.3 选择结果

ATMEL公司的ATmega103单片机是基于RISC结构、内置FLASH的单片机，采用Harvard流水线结构，一个时钟周期可以执行一条指令。ATmega103时钟频率为6MHz，由于采用8位RISC结构，速度可以接近1MIPS/MHz，是同样频率传统MCS51系列单片机速度的十几倍。经过测试，可以在0.1秒内完成上述的测试运算，在速度上完全达到了用户期望值。

ATmega103内置128KB的程序FLASH，完全满足所需的程序存储空间。本热工计量便携计算工具最终完成后程序存储量为76KB。ATmega103内置2KB的EEPROM，足够存储中间参数，其他特性也使得电路设计更加简洁。此外，可以使用效率较高的C语言编程。

经过多方比较，最终选择了ATmega103单片机作为核心计算及基本控制处理器。

3 系统结构与工作原理

3.1 硬件结构

本热工计量便携计算工具原理框图如图1所示。

在硬件设计中，较有特点的电路设计说明如下：

电源部分采用MAX713的智能镍镉电池充电电路。MAX713是使用较为广泛的智能充电芯片，设计灵活，使用功率MOSFET组成低功耗的开关型电源，可以在充电的同时为系统供电。稳压部分采用MAX639。MAX639特别适合9V供电，本身带有低电压检测功能。图2是稳压及电压监控电路部分。

图2中，VOLT_IN端是电源输入端，也是MAX713电压输出端。ON_OFF端是开关机键。该端接地开机，Q1导通，为MAX639供电，输出VCC稳压5V。CPU初始化时将TURN OFF PC7端置高电平，Q2导通，保持Q1持续导通。在开机状态下，按开关机键，ON_OFF端接地，OFF INT0外部中断端电平拉低，CPU响应中断后检测PA7端，PA7端为低电平表示有关机请求，此时将TURN OFF PC7端置低电平，Q2截止，Q1截止，实现关机。图2中，LOW BATT PA6是低电压复位输出端。

本系统键盘按键较多（37键），但是为了降低成本，同时充分利用ATmega103现有的I/O口，采用了矩阵键盘设计。特别之处是采用中断键盘响应，统一处理按键信号、关机信号及低电压检测信号，由于AVR单片机有内部上拉电阻，因此简化了电路设计。

3.2 软件结构

由于系统程序较大，采用了模块化编程，充分利用C语言丰富的现成库函数以简化程序设计。图3是系统软件框图。