基于C8051F單片機(jī)的多通道數(shù)據(jù)采集儀

常莉來(lái) 凌宏江

（華中科技大學(xué)，湖北武漢430074）

消失模鑄造技術(shù)是將與鑄件尺寸形狀相似的發(fā)泡塑料模型粘結(jié)組合成模型簇，刷涂耐火涂層并烘干后，埋在干石英砂中振動(dòng)造型，在一定條件下澆注液體金屬，使模型氣化并占據(jù)模型位置，凝固冷卻后形成所需鑄件的方法［1］。

在消失模鑄造過(guò)程中，金屬液流動(dòng)前沿的溫度、壓力以及流動(dòng)速度等是影響鑄件質(zhì)量的重要工藝參數(shù)，因此，我們需要對(duì)這些物理量進(jìn)行測(cè)量。為此本篇介紹了一款低成本、多通道、高速度、高精度、具有可擴(kuò)展性的數(shù)據(jù)采集儀。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及工作原理

本儀器中，采用電極觸點(diǎn)的方法對(duì)流動(dòng)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)掩埋多個(gè)觸點(diǎn)盡可能多的獲取完整的流動(dòng)場(chǎng)。因此流動(dòng)場(chǎng)的測(cè)量實(shí)際上是一個(gè)數(shù)字量的采集；而溫度場(chǎng)和壓力場(chǎng)是模擬量，需要通過(guò)信號(hào)調(diào)理與采集模塊，并由A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣并轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。

考慮到數(shù)據(jù)采集的擴(kuò)展功能，整體結(jié)構(gòu)采用控制板與采集板分離的設(shè)計(jì)方式。

控制板和采集板分別采用C8051F320和C8051F350作為主控芯片，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

控制板將接收到的按鍵信息通過(guò)UART通信方式發(fā)送給采集板，采集板根據(jù)協(xié)議對(duì)接受到的命令進(jìn)行相應(yīng)的處理。采集到的結(jié)果存儲(chǔ)在I2C存儲(chǔ)單元中。在外接計(jì)算機(jī)的情況下，還可以通過(guò)上位機(jī)軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行操作。

TMP121以1s為周期采集溫度信號(hào)，單片機(jī)根據(jù)該溫度進(jìn)行軟件溫度補(bǔ)償。

1.1 模擬量采集模塊

對(duì)于模擬量的采集，采用F350自帶的全差分24位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0，它包含一個(gè)可編程增益放大器，有8種增益設(shè)置，最大增益可達(dá)128倍。模擬多路選擇器將ADC的差分輸入與8個(gè)外部引腳相連［2］。

1.2 I2C存儲(chǔ)模塊

我們需要記錄消失模鑄造全過(guò)程中的溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)以及流動(dòng)場(chǎng)信息，因此需要對(duì)存儲(chǔ)空間進(jìn)行外部擴(kuò)展，我們采用ATMEL公司的AT24C1024芯片。I2C存儲(chǔ)模塊的電路原理圖如圖2所示［3］。

1.3 通訊接口

控制板與采集板間采用UART通訊方式：F320與F350單片機(jī)內(nèi)均包含增強(qiáng)型UART0，它是一個(gè)異步、全雙工串口，提供標(biāo)準(zhǔn)8051串行口的方式1和方式3。UART0具有增強(qiáng)的波特率發(fā)生器電路，有多個(gè)時(shí)鐘源可用于產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)波特率。

上位機(jī)與下位機(jī)通過(guò)USB進(jìn)行通訊，C8051F320器件集成了全速/低速USB功能控制器，USB功能控制器（USB0）由串行接口引擎（SIE）、USB 收發(fā)器（包括匹配電阻和可配置上拉電阻）、1KB FIFO存儲(chǔ)器和時(shí)鐘恢復(fù)電路（可以不用晶體）組成，不需要外部元件。USB功能控制器和收發(fā)器符合通用串行總線(xiàn)規(guī)范2.0版［2］。USB接口電路如圖3所示。

2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件部分包括按鍵檢測(cè)子程序、UART通訊子程序、數(shù)據(jù)采集子程序、I2C存儲(chǔ)器讀寫(xiě)子程序、USB通訊以及上位機(jī)軟件等。

2.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

控制板的主程序通過(guò)循環(huán)檢測(cè)按鍵信息來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的操作，當(dāng)檢測(cè)到“START”鍵被按下時(shí)，通過(guò)UART方式發(fā)送按鍵信息。對(duì)采集板采集結(jié)果的讀取則采用UART中斷方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。

控制板主程序如下所示：

串口在接收到數(shù)據(jù)或者發(fā)送完數(shù)據(jù)后進(jìn)入中斷處理程序。

采集板在進(jìn)行初始化后等待接收控制板發(fā)送的設(shè)置信息，直至讀取到開(kāi)始檢測(cè)命令，根據(jù)采集目標(biāo)進(jìn)入相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集子程序，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后將結(jié)果存入存儲(chǔ)芯片中以待上位機(jī)進(jìn)行讀取。

ADC0采用中斷方式進(jìn)行采樣：

以溫度場(chǎng)的測(cè)量為例，在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，我們需要對(duì)七種標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的特性曲線(xiàn)進(jìn)行高精度二階多項(xiàng)式擬合，總結(jié)出被測(cè)溫度與熱電勢(shì)的分段函數(shù)T=f（E）［4］。另外，由于儀器工作環(huán)境溫度的差異，會(huì)引起測(cè)量結(jié)果的偏差，我們需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償。溫度補(bǔ)償可分為硬件補(bǔ)償和軟件補(bǔ)償［5］。我們采用軟件補(bǔ)償?shù)姆绞?，通過(guò)TMP121檢測(cè)環(huán)境溫度，利用熱電偶冷端溫度補(bǔ)償方程計(jì)算出環(huán)境溫度對(duì)應(yīng)的毫伏信號(hào)，用這個(gè)毫伏信號(hào)對(duì)熱電偶的熱電勢(shì)進(jìn)行補(bǔ)償。

2.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

C8O51F320是Silicon Laboratories公司推出的可提供USB功能的混合信號(hào)微控制器。USB功能控制器具有完整的USB 2.0認(rèn)證，支持全速與低速操作，可以用于大多數(shù)USB外設(shè)設(shè)計(jì)。Silicon Laboratories公司還為USB驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)提供了USBXpress開(kāi)發(fā)套件，使得USB主機(jī)和從機(jī)驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)可以快捷、高效地完成［6］。

Labview是一種基于圖形程序的虛擬儀器編程語(yǔ)言。當(dāng)前虛擬儀器得到了廣泛的應(yīng)用，而USB總線(xiàn)具有即插即用，接口簡(jiǎn)單、傳送速率高等特點(diǎn)。基于Labview與USB的虛擬儀器接口設(shè)計(jì)將兩者優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來(lái)，勢(shì)必順應(yīng)未來(lái)測(cè)控儀器的發(fā)展。采用Labview來(lái)設(shè)計(jì)應(yīng)用程序，關(guān)鍵是通過(guò)Call Library Function（CLF）節(jié)點(diǎn)來(lái)調(diào)用USBXpress開(kāi)發(fā)套件所提供的DLL文件中的API函數(shù)。

通過(guò)CLF節(jié)點(diǎn)來(lái)調(diào)用DLL的步驟如下：

（1）單擊該節(jié)點(diǎn)將其放置在程序框圖中，此時(shí)該節(jié)點(diǎn)沒(méi)有與任何DLL連接；

（2）右擊該節(jié)點(diǎn)并選擇Configure選項(xiàng)或者直接雙擊該節(jié)點(diǎn)打開(kāi)庫(kù)函數(shù)配置對(duì)話(huà)框；

（3）在該模塊的屬性設(shè)置中選擇DLL文件中所包含的某個(gè)函數(shù)，然后再設(shè)置好函數(shù)的返回類(lèi)型和參數(shù)類(lèi)型。這樣就可以使Labview調(diào)用DLL文件中的一個(gè)函數(shù)。

圖4是一個(gè)已經(jīng)配置好的CLF節(jié)點(diǎn)。

通過(guò)配置CLF節(jié)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)DLL文件中API函數(shù)的調(diào)用。USBXpress提供的主機(jī)API函數(shù)主要有：

上位機(jī)界面如圖5所示。當(dāng)下位機(jī)通過(guò)USB方式連接到主機(jī)時(shí)，“設(shè)備連接”指示燈變亮，這時(shí)可以進(jìn)行一系列的設(shè)置，包括采樣時(shí)間間隔設(shè)置、采樣通道設(shè)置、測(cè)量對(duì)象設(shè)置以及測(cè)量溫度場(chǎng)時(shí)所選用熱電偶類(lèi)型的設(shè)置。點(diǎn)擊“設(shè)置完成”按鍵，將設(shè)置信息發(fā)送給下位機(jī)，并啟動(dòng)下位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。點(diǎn)擊“繪制曲線(xiàn)”按鈕，主機(jī)讀取下位機(jī)存儲(chǔ)卡中的數(shù)據(jù)并進(jìn)行曲線(xiàn)繪制。通過(guò)“數(shù)據(jù)存儲(chǔ)路徑”選擇一個(gè)txt文件用于存儲(chǔ)該次數(shù)據(jù)采集過(guò)程中采集到的所有數(shù)值，留待分析使用。

3 結(jié)果分析

以溫度場(chǎng)的測(cè)量為例，分析本儀器的精度。

我們用標(biāo)準(zhǔn)毫伏計(jì)模擬K型熱電偶在不同溫度下的熱電勢(shì)，由本儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集及處理，結(jié)果如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)上表計(jì)算得出本儀器的平均相對(duì)誤差小于0.5%，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）整體結(jié)構(gòu)上采用控制板與采集板分離的設(shè)計(jì)方式，可以針對(duì)不同的采集目標(biāo)進(jìn)行靈活的配置。

（2）采用完全集成的混合信號(hào)片上系統(tǒng)型C8051F350單片機(jī)作為采集核心器件，內(nèi)部集成了24位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，并具有前置放大、抽取濾波等功能，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)。

（3）USB模塊采用了集成 USB控制器的C8051F320單片機(jī)，高度集成的芯片使得設(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)單方便，并降低了成本。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出本儀器的采樣速率可以達(dá)到100 Hz，采樣分辨率可達(dá)24位，采樣相對(duì)誤差小于0.5%。本儀器在測(cè)量速度和精度以及分辨率方面均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

［1］樊自田，趙忠，等.特種消失模鑄造技術(shù)［J］.鑄造設(shè)備與工藝，2009（1）：17-21.

［2］C8051F320/1 DATASHEET，C8051F350/1/2/3 DATASHEET.

［3］余易翀，謝劍英，陳應(yīng)麟.基于AT89C5131的車(chē)輛行駛記錄儀的硬件設(shè)計(jì)［J］.控制工程，2006，13（3）：262-267.

［4］羅萬(wàn)象，劉洪祥，等.七種標(biāo)準(zhǔn)型熱電偶特性曲線(xiàn)的高精度擬合［J］.石油大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），1995，19（5）：102-106.

［5］黃師，凌宏江.利用溫度補(bǔ)償技術(shù)提高型砂水分分析儀的測(cè)量精度［J］.中國(guó)鑄造裝備與技術(shù)，2008（5）：51-53.

［6］朱磊，劉東.C8051 F340與Labview基于API的USB道信［J］.單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2007（11）：35-37.