欢迎访问仪器仪表知识百科频道高性能无纸记录仪的研制流程与方案页，专注打造仪器仪表行业知名平台！
仪器仪表公司
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更新时间：2022年12月05日
一、概述
工业上常常需要记录温度、压力、流量等信息，常规模拟记录仪由于功能少、体现单一、需要记录笔的缺点，正被无纸记录仪取代。
作为一款以微处理器为核心、集液晶汉字与图形体现为一体，具有无纸记录、实时性好、通用性好、精度高、带通信功能的智能化仪表，其市场广阔。目前许多厂商正将目光聚焦于无纸记录仪的彩屏化、大容量存储、超大屏幕液晶体现等功能；然而对于用户来说，zui关心的是精度与可靠性、性价比等仪表的综合性能，因此研究此类标题尤为关键，绍兴中仪依据市场调查信息研制开发了高性能无纸记录仪，提高了整体性能与可靠性。
二、设计方案
如下图1，来自外部传感器的模拟信号（压力、温度、流量等）经过前端处理后进行A/D转换，经过信号隔离后送入单片机完成数据处理，由LCD体现当前的压力、温度、瞬时流量、累积流量等信息。通过键盘操作，可在各界面之间切换，分别体现各通道的实时、历史数据及曲线、报警情况、断电情况,以及每月、日、年度的累积流量。另外，提供通讯功能，可以通过和上位机通过串行口读写参数与运行数据，实现打印等信息交互。
三、硬件组成
如图1，高性能无纸记录仪由信号采集、MSP430F149（以下简称430）、液晶体现及键盘、数据存储、实时时钟、通讯等模块组成。
3.1MSP430F149单片机
MSP430F149是具有60K闪存ROM、2K RAM、 6个端口、2个16位计数器、两路UART通信端口、具有端口和计数等多种制止模式、5种省电模式的高集成单片机，特别适用于复杂仪表系统的开发。
3.2信号采集模块
外部信号有标准电流、电阻、mV电压、频率信号等。当为模拟量时，为提高测量精度采用了4通道差分输入、自带仪表放大器、滤波器的16位精度、 SPI接口的AD 芯片CS5523芯片，通过光耦隔离后和430进行通信。如图2(a)、（b）、(c)分别是输入为电流、热电偶mV电压、热电阻信号时的处理电路。其中当热电阻输入时，采用高精度双路精密电流源REF200提供,zui终接入AD 采样端的信号U=UAN+-UAN-=(Rt+2r)I0-(R0+2r)I0=(Rt-R0)I0，可见消除了热电阻导线电阻r的影响，保证了较高的测量精度。当频率输入（如涡街流量计输出）时，采用光耦隔离后输入430的TIMERA计数模块进行脉冲计数。
3.3液晶体现与键盘模块
高性能无纸记录仪采用3V、并口输入128*64点阵形液晶模块JM12864，实现图文的综合体现。采用2*3线接口，共6个按键，分别为前后追忆、通道、时标、确认、翻页，通过弱上拉和430的P2口相连，采用上升沿触发的方式产生制止通知430进行处理。
3.4数据存储模块
为方便保存仪表参数，了解工艺参数历史，采用了两片EEPROM存储器24C512。一片用于存储通道运行数据，另一片用于分区存储密度、汉字及字符字模数据、系统参数、记录时间、掉电情况等信息，两片存储器通过弱上拉电阻并联于同一总线上。
3.5实时时钟模块
为了记录系统的掉电、当前时刻下的日、月、年累积流量，需要实时时钟信号。这里采用通用ds1302芯片作为时钟信号，由法拉电容作为备份电源。
四、软件设计
4.1 系统主程序及制止
如图3，主程序以检测时间间隔为主线，分别进行流量计算、实时信息记录等操作，同时处理各外部事件。如图4，制止程序检测各种制止（由TIMERB连续计数提供的0.5s采集定时、键盘、通信等制止），进行必要处理后记录此信息，发送标志到主程序等待处理。
4.2 数据采集
将芯片复位,检测并设定Configuration寄存器(包含转换模式、复位标志、放大器截止频率等参数),CSR（Channel- Setup寄存器,包括内部放大器增益、数据传输速率、通道、输入电压极性等设置）后，发送启动转换命令，等待转换完成(完成后SDO线会自动变为0)。需要过细的是在系统在高电平时读数，低电平时锁存数据，必须严格保证系统时序，否则将引起读写错乱。
4.3 流量计算
先根据流量模型（开方、线性等）得出流量计在工业状况下的体积流量,一般需要转化为工业标准状况下的流量,这里根据仪表设置中的流量补偿模式（一般气体，、温度/压力补偿、过热蒸汽、饱和蒸汽等），查表得到密度，计算标准流量，提高精度
4.4 液晶体现
包括数据和曲线体现，是通过将相应液晶点写为1或0(亮或暗)实现的。128列*64行点阵LCD在体现时是以字节方式进行操作的，一次写入1 列8行（共8个点），因此在数据体现时，首先要将字符所对应的字模数据，以从左到右、从上到下（列序）的取模方法顺序写入表格中。在体现时查表将字模数据依次写入LCD即可。在体现曲线时，通过两点之间连折线的方式进行,其过程如图5、图6所示。
4.5 键盘处理
负责界面切换（流量体现、实时/历史曲线、设定模式等界面）、菜单选择、参数设置（包括通道类型、量程、切除、报警设定，流量模型及系数K设定，流量补偿模式及公式参数值设置，通讯参数设置，密码设置，时间设置等）。
五、设计关键
5.1 合理的程序流程
（1）消息机制：系统需要处理的事件较多，有各种制止，若制止处理时间过长，则会使系统不能及时进行其它处理，导致系统错误。如若将流量计算程序置入数据采集定时制止处理程序中时，无意会使系统很难完成正常的串行通信。在此借鉴了WINDOWS系统消息处理机制，如4.1所述，即当系统发生外部制止时，只是进行很少的必要操作，然后将该制止作标记，由主程序空闲时检查此标志。
（2）菜单处理：将菜单按深度进行定位，系统共有三级菜单用Step[3]吐露体现，根据Step[i]值判断当前菜单位置，增强软件的条理性。
5.2 数据存储听从
仪表要记录的通道历史数据较长，在有限的存储空间应高效利用所有存储区域。这里采用记录各通道数据占通道量程比例的方式来压缩数据，将比例限定在0-65535之间（2个字节，对应0-100%）。对于数据要求不高的场合设定采用1个字节来吐露体现。经多次实验知，可有效拓展记录长度。
5.3 数据运算的速度与精度
（1）虽然430可以进行浮点运算，但运算将会消耗大量资源，而且浮点数一般只能保留7位有效数字，因此在进行大数和小数运算时，会丢失许多有效位，使结果极不精确。笔者采用长整数记录有效数字，字符整数记录小数点位置组合表达数据的方式进行运算，有效提高了速度和精度。
（2）当外部信号为频率输入时，应将TIMERA配置为zui大连续计数方式，仅在计数溢出后清除溢出标志，然后根据前后1s内两次脉冲之差（考虑是否溢出）得出脉冲数，否则可能会丢失脉冲。
（3）采集数据的精确性是影响精度的紧张因素，必须保证CS5523参考电压的精度，并要求在电源稳定后采样；在进行通道切换后应把di一次转换结果抛弃，否则将会引起很大的干扰误差。即便如此，由于电路噪声、标准电阻使用环境及接线的影响无意还会导致采样不准，此时需要采用CS5523自身的校验方式去除失调电压，并通过软件进入校验模式，采用标准输入信号进行标定。
5.4 系统的可靠性
采取了以下实用的措施保证可靠性：
（1）干扰紧张是通过电源和外部输入引入的，为防止系统意外重起或死机，这里采用电源滤波器和光电耦合隔离的方式。
（2）采用看门狗保障系统在故障情况下自动恢复运行[。
（3）在对LCD和EEPROM写入数据后，立刻读出所写数据进行校验，保证数据传输正确。
（4）采用内部备份电源，掉电后自动保存所有数据并进入休眠状态。
（5）理清程序结构，采用模块化方法提高可移植性。
5.5 系统的适应性
由于工业测量介质的多样化，介质标准密度表不尽相通，而且随着传感器技术的不断进步，可能出现新型热电偶或热电阻。为增强系统的灵活性，在软件上预留分外的输入类型，只要将设定在厂商模式下，即可通过串口向内部EEPROM写入密度或分度表数据。
五、结论
本文作者创新点：以提高系统精度、可靠性和易用性为设计核心，采用了高精密自校验的采集方案，软件上借鉴了WINDOWS的消息机制，提出了采用整型数据代替浮点数运算等提高速度和听从的方案，并开放内部表格提高了系统的灵活性。通过实验发现整机的精度可达到0.2%以上，且具有较好的人机接口、适应性和可靠性，因此应用前景广阔。
参考文献
1、胡大可．MSP430系列FLASH型超低功耗16位单片机．北京：北京航空航天大学出版社,2001
2、朱峥．消除涡街流量计的使用障碍．计算机测量与控制,2002,10：448-490
3、汪里迈，纪纲.蒸汽流量测量中的温压补偿实施方案.石油化工自动化.1998,3：39-42
4、张军，彭宜戈.嵌入式系统抗干扰技术．微计算机信息，2006,05-2：17-18
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