基于Cygnal單片機的多功能檢測實驗裝置的研制

李微微

沈陽市裝備制造工程學校，遼寧沈陽 110024

基于Cygnal單片機的多功能檢測實驗裝置的研制

李微微

沈陽市裝備制造工程學校，遼寧沈陽 110024

本文以嵌入式單機C8051F040為核心，電容式位移傳感器、光電式頻率傳感器作為測量變送器、DS18B20智能溫度傳感器作為測量元件，設(shè)計了一款基于Cygnal單片機的多功能檢測實驗裝置。

單片機裝置；多功能實驗；位移檢測；頻率檢測

圖1

按照多功能檢測實驗系統(tǒng)功能的要求，確定總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，整個設(shè)計以Cygnal 8051F040單片機為核心；電容式位移傳感器、光電式頻率傳感器和測溫傳感器DS18B20將被測物理量變換為電信號；鍵盤和數(shù)碼管顯示構(gòu)成人機接口；通過RS232和CAN總線進行通信。本檢測實驗裝置按硬件可分為主板、顯示板、微控制器板和前面板4個部分。

C8051F040單片機是美國Silicon Laboratories公司出品的，該單片機是完全集成的混合信號系統(tǒng)級芯片SOC（System On Chip），具有 64 個數(shù)字 I/O 引腳，片內(nèi)集成了一個 CAN2.0B控制器。該單片機使用Cygnal的專利CIP-51微控制器內(nèi)核，該內(nèi)核與MCS-51TM指令集完全兼容，可以使用標準 803x/805x的匯編器和編譯器進行軟件開發(fā)。CIP-51 內(nèi)核具有標準8052的所有外設(shè)部件，包括5個16位的計數(shù)器/定時器、兩個全雙工UART、256字節(jié)內(nèi)部RAM、128字節(jié)特殊功能寄存器（SFR）地址空間及8個8位寬的 I/O 端口。C8051F040單片機有標準的8051 程序和數(shù)據(jù)地址配置。它包括 256 字節(jié)的數(shù)據(jù)RAM，其中高 128 字節(jié)為雙映射。8051F040單片機具有標準8051的端口（0、1、2和3），同時有4個附加的8位端口（4、5、6和7），因此共有64個通用I/O端口。C8051F040有一個片內(nèi)12位SAR ADC（ADC0） ，一個9通道輸入多路選擇開關(guān)和可編程增益放大器。ADC完全由CIP-51通過特殊功能寄存器控制。一個輸入通道被連到內(nèi)部溫度傳感器，其它8個通道接外部輸入。C8051F04x系列MCU內(nèi)部有兩個12位DAC和兩個比較器。C8051F040內(nèi)部有兩個增強型全雙工UART、一個增強型SPI總線和SMBus/I2C。每種串行總線都完全用硬件實現(xiàn)，都能向CIP-51產(chǎn)生中斷，因此需要很少的CPU干預。C8051F040內(nèi)部還有一個控制器局域網(wǎng)（CAN）控制器，使用CAN協(xié)議實現(xiàn)串行通信。

測量變送單元包括電容式位移傳感器、光電式頻率傳感器、溫度傳感器DS18B20。本測量系統(tǒng)選用電容式位移傳感器對微小位移進行測量。利用電容C＝εA/d 和其它結(jié)構(gòu)的關(guān)系式通過相應的結(jié)構(gòu)和測量電路可以選擇ε、A、d中三個參數(shù)中，保持二個參數(shù)不變，而只改變其中一個參數(shù)，則可以有測谷物干燥度（ε變）、測位移（d變）和測量液位（A變）等多種電容傳感器。光電轉(zhuǎn)速傳感器是以光線的投射和接收來完成轉(zhuǎn)速測量的一種轉(zhuǎn)速表。傳感器端部二內(nèi)側(cè)分別裝有發(fā)光管和光電管，發(fā)光管發(fā)出的光源透過轉(zhuǎn)盤上通孔后由光電管接收轉(zhuǎn)換成電信號，由于轉(zhuǎn)盤上有均勻間隔的6 個孔，轉(zhuǎn)動時將獲得與轉(zhuǎn)速有關(guān)的脈沖數(shù)，將脈沖計數(shù)處理即可得到轉(zhuǎn)速值。DS18B20溫度傳感器是美國DALLAS半導體公司推出的一種改進型智能溫度傳感器。DS18B20工作原理：低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度的影響非常小，用于生產(chǎn)固定頻率的脈沖信號送給減法計數(shù)器1，高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩頻率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為減法計數(shù)器2的脈沖輸入，其中還隱含著計數(shù)門。當計數(shù)門打開時，DS18B20就對低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的計數(shù)脈沖進行計數(shù)，進而完成對溫度的測量。

通信單元包括MAX3232通信接口芯片、PCA82C250通用CAN收發(fā)芯片、光電隔離6N137芯片。MAX3232芯片是美信公司專門為電腦的RS-232標準串口設(shè)計的單電源電平轉(zhuǎn)換芯片。本檢測實驗裝置可通過MAX3232芯片進行相互通信或與計算機進行通信。PCA82C250收發(fā)器是協(xié)議控制器和物理傳輸線路之間的接口。此器件對總線提供差動發(fā)送能力，對 CAN 控制器提供差動接收能力。PCA82C250收發(fā)器的典型協(xié)議控制器通過串行數(shù)據(jù)輸出線TX和串行數(shù)據(jù)輸入線RX連接到收發(fā)器。收發(fā)器通過有差動發(fā)送和接收功能的兩個總線終端 CANH和CANL連接到總線電纜。6N137光耦合器是一款用于單通道的高速光耦合器，其內(nèi)部有一個集成檢測器和一個850 nm波長AlGaAs LED組成，其檢測器由一個光敏二極管、高增益線性運放及一個肖特基鉗位的集電極開路的三極管組成。具有溫度、電流和電壓補償?shù)墓δ堋?/p>

本設(shè)計采用一片MAX7219完成4位數(shù)碼管的顯示驅(qū)動任務(wù)，作為人機交互單元。MAX7219是微處理器和共陰極七段——八位LED顯示、圖條/柱圖顯示或64點陣顯示接口的小型串行輸入/輸出芯片。片內(nèi)包括BCD譯碼器、多路掃描控制器、字和位驅(qū)動器和8×8靜態(tài)RAM。外部需要一個電阻設(shè)置所有LED顯示器字段電流。MAX7219和微處理器只需三根導線連接，每位顯示數(shù)字有一個地址由微處理器寫入。允許使用者選擇每位是BCD譯碼或不譯碼。使用者還可選擇停機模式、數(shù)字亮度控制、從1～8選擇掃描位數(shù)和對所有LED顯示器的測試模式。

該檢測實驗裝置具備測量多種信號，并進行通信和人機交互的能力。同時，該實驗裝置預留有多個連接端口，可以進一步擴展其功能，作為一個新型開發(fā)平臺，我們可以利用它開發(fā)出更多、更好的基于單片機設(shè)計的應用程序。

[1]鄭義忠.電容式傳感器原理及其應用.天津：天津大學，1978.

[2]童長飛.C8051F系列單片機開發(fā)與C語言編程[M].北京：北京航空航天大學出版社，2005.

[3]樊尚春.傳感器技術(shù)及應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2004：230-246.

[4]善成祥.傳感器的理論與設(shè)計基礎(chǔ)及其應用[M].北京：國防工業(yè)出版社，1999.

[5]強錫富.傳感器[M].北京：機械工業(yè)出版社，2001.

TP368

A

1674-6708（2011）36-0214-01