作者：劉金英，李建朝，鄭彥義，張朝亮

1．前言

在工業(yè)控制中需要對(duì)各種參量進(jìn)行采集，即利用信號(hào)采集系統(tǒng)將各種數(shù)據(jù)采集到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。傳感器起著中間橋梁的作用，但是它輸出的信號(hào)往往是很微弱的電流信號(hào)，需要經(jīng)過(guò)放大轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)后才能輸入到A/D中進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。另外，隨著測(cè)試技術(shù)的不斷發(fā)展，為了適應(yīng)數(shù)字化、高效率等要求，在工業(yè)測(cè)試系統(tǒng)中單片機(jī)的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，它具有實(shí)時(shí)及可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，并且日益顯示出巨大的優(yōu)越性。本系統(tǒng)采用美國(guó)Cygnal公司的C8051F020單片機(jī)為控制核心，組成了多通道數(shù)據(jù)綜合采集系統(tǒng)，它利用較少的外圍器件實(shí)現(xiàn)了對(duì)液壓設(shè)備的控制。

2．C8051F020單片機(jī)簡(jiǎn)介

C8051F020器件是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)MCU芯片（SOC），它使用Cygnal的專(zhuān)利CIP-51微控制器內(nèi)核，CIP-51與MCS-51指令集完全兼容。它采用流水線(xiàn)結(jié)構(gòu)，與標(biāo)準(zhǔn)的8051結(jié)構(gòu)相比指令執(zhí)行速度有很大的提高。CIP-51提供了22個(gè)中斷源，允許大量的模擬和數(shù)字外設(shè)中斷微控制器，因而有更高的執(zhí)行效率。具有64個(gè)I/O引腳，每個(gè)端口都可以配置成推挽或漏極開(kāi)路輸出。C8051F020 MCU內(nèi)部有一個(gè)SMBUS/I2C接口、兩個(gè)具有增強(qiáng)型波特率配置的全雙工UART和一個(gè)增強(qiáng)型SPI接口，每種串行總線(xiàn)完全用硬件實(shí)現(xiàn)，都能向CIP-51產(chǎn)生中斷。它內(nèi)部有一個(gè)12位的ADC0，該子系統(tǒng)包括一個(gè)9 通道的可編程模擬多路選擇器（AMUX0），一個(gè)可編程增益放大器（PGA0）和一個(gè)100ksps、12 位分辨率的逐次逼近寄存器型ADC，ADC中集成了跟蹤保持電路和可編程窗口檢測(cè)器；一個(gè)8位的ADC1，包括一個(gè)8 通道的可配置模擬多路開(kāi)關(guān)（AMUX1），一個(gè)可編程增益放大器（PGA1）和一個(gè)500ksps、8 位分辨率的逐次逼近寄存器型ADC。兩個(gè)12位的DAC轉(zhuǎn)換器，每個(gè)DAC 都具有靈活的輸出更新機(jī)制，允許無(wú)縫的滿(mǎn)度變化并支持無(wú)抖動(dòng)輸出更新。C8051F020還有5個(gè)通用的16位定時(shí)器和5 個(gè)捕捉/比較模塊的可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列。

3．系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

多通道綜合采集系統(tǒng)以C8051F020單片機(jī)為核心，主要由以下幾部分組成：數(shù)據(jù)的采集、LCD顯示和數(shù)據(jù)通訊三部分，其硬件框圖如圖1。傳感器輸出的電流信號(hào)經(jīng)過(guò)放大轉(zhuǎn)換后，送至C8051F020內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器中，在單片機(jī)內(nèi)部完成模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理的工作，最后送到LCD顯示，同時(shí)經(jīng)過(guò)RS-485接口送至計(jì)算機(jī)，由上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

3.1數(shù)據(jù)的采集

對(duì)于液壓設(shè)備中的8個(gè)待測(cè)參數(shù)選用相應(yīng)的傳感器來(lái)來(lái)檢測(cè)，試驗(yàn)時(shí)選取應(yīng)變式傳感器作為測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)的工具。這些選用的檢測(cè)元件輸出都是標(biāo)準(zhǔn)的4－20mA微弱的電流信號(hào)，電流信號(hào)又經(jīng)過(guò)由LM324組成的放大轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成0－5V的電壓信號(hào)輸入到C8051F020的模擬輸入端，如圖2所示，經(jīng)內(nèi)部集成的A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量。C8051F020將8路采樣值作為液壓設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)的狀況存入相應(yīng)的內(nèi)存單元。

3.2 LCD顯示

為了使數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)小巧美觀，同時(shí)又獲得較高的性?xún)r(jià)比，選用德彼克公司生產(chǎn)的DMF-50174藍(lán)屏液晶顯示器，該顯示器是320×240點(diǎn)陣式液晶，圖形和文本都可以顯示。顯示驅(qū)動(dòng)控制芯片采用EPSON 公司的一種高性能LCD 控制器SED1335。硬件電路采用間接接法，如圖3所示。用單片機(jī)的P5.0～P5.7口作為SED1335的DB0～DB7數(shù)據(jù)總線(xiàn)的輸入通道。P4.5作為SED1335的片選信號(hào)， 配合地址信號(hào)A0實(shí)現(xiàn)SED1335 通過(guò)數(shù)據(jù)總線(xiàn)接收來(lái)自單片機(jī)的指令和數(shù)據(jù)。當(dāng)A 0= 0， P4.6（WR）=0，P4.7（RD）= 1時(shí)， 實(shí)現(xiàn)指令的寫(xiě)入和從SED1335 中讀取數(shù)據(jù)。當(dāng)A 0= 1， P4.6（WR）= 0， P4.7（RD）=1時(shí)， 則是顯示數(shù)據(jù)的寫(xiě)入，該功能通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)。

3.3 數(shù)據(jù)通訊

單片機(jī)C8051F020的TX0、RX0及P0.2通過(guò)MAX485與上位機(jī)相連，進(jìn)行串行通信，如圖3所示。P0.2控制MAX485的狀態(tài)或發(fā)送，用軟件控制。RX0為單片機(jī)的串行輸入端，接收上位機(jī)通過(guò)MAX485向單片機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)。TX0為單片機(jī)的串行輸出端，通過(guò)MAX485發(fā)送給上位機(jī)。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 軟件設(shè)計(jì)總體上由兩部分組成：一部分為單片機(jī)C8051F020

主程序設(shè)計(jì)，一部分為L(zhǎng)CD液晶顯示程序設(shè)計(jì)。由于用C語(yǔ)言編程可以降低程序的復(fù)雜度，提高程序的可讀性和可修改性，所以本軟件采用C51進(jìn)行編程，keil μVision2編譯器進(jìn)行編譯。

主程序流程圖如圖4所示。

4.11 主程序

void main （void）{

long voltage; //電壓以mV為單位

int i; //循環(huán)計(jì)數(shù)器

WDTCN=0xde; //禁止看門(mén)狗定時(shí)器

WDTCN=0xad;

SYSCLK_Init（）; //初始化振蕩器

PORT_Init（）; //初始化數(shù)據(jù)交叉開(kāi)關(guān)

UART0_Init（）; //初始化UART0

Timer3_Init（SYSCLK/SAMPLERATE0）; //初始化定時(shí)器3溢出作為采樣率

ADC0_Init（）; //初始化ADC

AD0EN=1; //允許ADC

EA=1; //允許所有中斷

while（1）{

for（i=0;i{EA=0;

voltage=result［ i］; //從全局變量中取得ADC值

EA=1;

voltage = voltage*VREF0;//計(jì)算電壓（mV）

voltage = voltage》》16;

LCD_Disp（）; //調(diào)顯示程序，顯示電壓值

printf（“Channl‘%d’ voltage is %ldmV\n”，i，voltage）;//串口輸出

}}

5 結(jié)束語(yǔ)

測(cè)試實(shí)驗(yàn)中定義C8051F020的采樣頻率為50000Hz，ADC0設(shè)為定時(shí)器3溢出的連續(xù)轉(zhuǎn)換模式，采用差動(dòng)輸入方式組成8路轉(zhuǎn)換通道，單片機(jī)運(yùn)行后由定時(shí)中斷進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

C8051F020將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)RS-485接口傳送給上位機(jī)，在傳送期間波特率必須和PC機(jī)設(shè)置的波特率保持一致，否則不能正確接收。在測(cè)量過(guò)程中，整個(gè)系統(tǒng)工作穩(wěn)定，數(shù)據(jù)可以得到“準(zhǔn)”實(shí)時(shí)的顯示。

本文作者的創(chuàng)新點(diǎn)就是能夠把液壓系統(tǒng)參數(shù)中的功率P實(shí)時(shí)顯示出來(lái)，而在以往的液壓顯示設(shè)備中只能分別顯示液體的壓力p和流量q，然后再用公式P=pq計(jì)算液壓功率，比較麻煩；而且C8051F020芯片集成了大量的外設(shè)和IO口資源，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，只需使用少量的外圍芯片便可完成所需的功能，簡(jiǎn)化了硬件電路設(shè)計(jì)，節(jié)省了電路板空間，縮小了產(chǎn)品的體積，因而本系統(tǒng)有很廣闊的應(yīng)用前景。

責(zé)任編輯：gt