基于C8051F020單片機(jī)的實(shí)時測控裝置設(shè)計(jì)

江賢志　左傳友　劉華章

摘 要：為了實(shí)現(xiàn)某型電子裝備研制中對于時序控制和多路數(shù)據(jù)采集的實(shí)時性要求，設(shè)計(jì)了一種基于C8051F020單片機(jī)的實(shí)時測控裝置。采用多單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了多路模數(shù)混合信號的實(shí)時采集，完成復(fù)雜的時序控制，準(zhǔn)確地輸出各種控制信號。將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析計(jì)算，利用硬件邏輯判決電路對單片機(jī)的計(jì)算結(jié)果和傳感器的參考信號進(jìn)行優(yōu)先級判斷，最終輸出系統(tǒng)所需的觸發(fā)信號。該裝置采用多個單片機(jī)和功能模塊，構(gòu)建了多數(shù)入多輸出的數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)，利用RS 485協(xié)議實(shí)現(xiàn)多機(jī)串行通信，完成了系統(tǒng)預(yù)定功能。

關(guān)鍵詞：C8051F020； 測控裝置； 數(shù)據(jù)采集； 時序控制

中圖分類號：TN368?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1004?373X（2013）02?0132?03

0 引 言

C8051Fxxx 單片機(jī)是美國Silabs公司推出的完全集成的混合信號系統(tǒng)級芯片，具有與8051指令集完全兼容的CIP?51內(nèi)核[1]。在項(xiàng)目研制中采用C8051F020單片機(jī)，對于熟悉掌握51單片機(jī)的技術(shù)人員來說，在硬件設(shè)計(jì)及軟件編程上大大提高了研制效率和裝備可維護(hù)性。測控裝置是某型電子裝備的實(shí)時控制裝置，是整個系統(tǒng)最重要的組成部分之一，是系統(tǒng)運(yùn)行過程中的指揮控制中心。該裝置通過構(gòu)建多單片機(jī)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜時序的實(shí)時控制以及多路數(shù)據(jù)采集，可以提供系統(tǒng)正常工作所需的多路輸出控制信號；通過硬件設(shè)計(jì)和軟件編程實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)與單片機(jī)、單片機(jī)與上位機(jī)之間的實(shí)時通信，各子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換和復(fù)雜邏輯關(guān)系的處理，系統(tǒng)在規(guī)定時間可靠輸出多路控制信號等功能。

1 測控裝置的硬件設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)

測控裝置主要完成裝備運(yùn)行過程中的參數(shù)設(shè)置、時序控制、數(shù)據(jù)采集、輸出控制、串口通信等任務(wù)，其硬件設(shè)計(jì)采用了“核心模塊+數(shù)據(jù)采集模塊+輸出控制模塊+數(shù)字邏輯模塊”的模塊化設(shè)計(jì)思想。其中核心模塊包含單片機(jī)系統(tǒng)的基本功能，其他三個模塊分別完成系統(tǒng)特定功能。這種設(shè)計(jì)思想既簡化了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，又縮短了系統(tǒng)研制周期。測控裝置的總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

（1）核心模塊

核心模塊由Cygnal單片機(jī)（C8051F020）、UT62L1024SRAM、SPI串行方式8 Mb的FLASH存儲器AT45DB081、日歷時鐘S?3530A、10M以太網(wǎng)芯片8019等組成。全部芯片和電路組合在42.5 mm×53.8 mm的PCB板上，由2 mm腳距的40P雙排插針與數(shù)據(jù)采集模塊相連接，核心模塊在使用時相當(dāng)于一個“大芯片”。C8051F020單片機(jī)實(shí)時采集各種數(shù)據(jù)，根據(jù)預(yù)先設(shè)定在單片機(jī)中的參數(shù)，對接收數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理和分析計(jì)算，輸出滿足要求的各種控制信號。

圖1 測控裝置總體設(shè)計(jì)框圖

（2）數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊上設(shè)計(jì)有腳距2 mm的40P雙排插孔，可以很方便地實(shí)現(xiàn)核心模塊的轉(zhuǎn)接。每個模塊還設(shè)計(jì)有3個8位數(shù)字I/O端口（P1，P2，P3）和一個8通道模擬輸入端口（AIN），另外還有RS 485通信端口和電源模塊。

通過這些端口單片機(jī)可以很方便地對外部傳感器輸入的信號進(jìn)行實(shí)時采集，并通過RS 485通信與系統(tǒng)其他組件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

（3）輸出控制模塊

測控裝置工作過程中根據(jù)時序?qū)ν獠拷M件進(jìn)行供電和控制，需要3 V，5 V，12 V和27 V等多種工作電壓，以及多路輸出控制信號，為此設(shè)計(jì)了輸出控制模塊，通過單片機(jī)的可編程數(shù)字I/O端口對相關(guān)繼電器進(jìn)行實(shí)時控制，從而實(shí)現(xiàn)多路電壓和控制信號的穩(wěn)定輸出。

（4）數(shù)字邏輯模塊

數(shù)字邏輯模塊將單片機(jī)輸出的部分?jǐn)?shù)字信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，提供給需要的外部組件，同時也可以接收其他單片機(jī)和外部組件的數(shù)字信號，進(jìn)行硬件邏輯判決，從而實(shí)現(xiàn)在預(yù)定時機(jī)可靠地輸出系統(tǒng)觸發(fā)信號，最終完成觸發(fā)外部執(zhí)行裝置的功能。

1.2 傳感器數(shù)據(jù)采集

傳感器是能感受規(guī)定的被測量并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件[2]，本系統(tǒng)使用的傳感器作為某型電子裝備的重要組成部分，根據(jù)各自的功能“感知”外界環(huán)境變化，完成將各種物理量轉(zhuǎn)化為單片機(jī)可以處理的模擬或數(shù)字信號，并由單片機(jī)對這些信號進(jìn)行采集和處理。

本系統(tǒng)使用的傳感器主要分為兩大類，一類是無線電傳感器，用來測量系統(tǒng)距目標(biāo)的距離；另一類是慣性傳感器，用來監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行過程中的實(shí)時加速度值。其中慣性傳感器既有高精度大量程的電子式傳感器，又有穩(wěn)定可靠的機(jī)械式傳感器。

對于傳感器輸出的模擬信號，C8051F020單片機(jī)擁有專用的模擬輸入引腳（AIN），通過12位ADC對輸入的模擬信號進(jìn)行采集轉(zhuǎn)換，并利用ADC轉(zhuǎn)換結(jié)束引起中斷響應(yīng)，將轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。而對于傳感器輸出的數(shù)字信號，經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后即可由數(shù)字I/O端口（P1，P2，P3）進(jìn)行采集，單片機(jī)根據(jù)采集到的信號分析判斷系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)，為適時輸出控制信號和系統(tǒng)觸發(fā)信號提供依據(jù)。

2 測控裝置的軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)采用C語言編程，相對于匯編語言來說，程序的可讀性大大提高，采用模塊化設(shè)計(jì)思想也為系統(tǒng)調(diào)試和維護(hù)帶來極大的方便[3]。

測控裝置軟件采用采用模塊化設(shè)計(jì)，主要包括數(shù)據(jù)采集模塊、串口通信模塊，時序控制模塊和信號處理模塊。數(shù)據(jù)采集模塊又包含ADC數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和數(shù)字信號采集兩個子模塊，主要是通過單片機(jī)的中斷系統(tǒng)實(shí)時采集外部模擬和數(shù)字信號；串口通信模塊主要實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與外部組件間的RS 485通信，接收其他測控設(shè)備的控制命令，反饋單片機(jī)實(shí)時采集的各種數(shù)據(jù)；時序控制模塊利用單片機(jī)的定時器精確計(jì)時，并根據(jù)預(yù)先設(shè)定的參數(shù)，按照系統(tǒng)要求的時序及時準(zhǔn)確地發(fā)出各種控制信號；信號處理模塊對各類傳感器發(fā)出的信號進(jìn)行中斷處理和分析計(jì)算，最終輸出所需的系統(tǒng)觸發(fā)信號。

2.1 主程序設(shè)計(jì)

測控裝置通過串口接收上位機(jī)的指令，并存儲由上位機(jī)發(fā)送的系統(tǒng)參數(shù)，在運(yùn)行過程中，通過傳感器A和傳感器B的動作情況判斷測控裝置當(dāng)前所處狀態(tài)，根據(jù)不同的狀態(tài)輸出滿足系統(tǒng)需要的各種控制信號。測控裝置通過預(yù)先設(shè)定的參數(shù)和從傳感器C接收的實(shí)時數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析處理，并結(jié)合傳感器D發(fā)出的各種標(biāo)志信號進(jìn)行綜合計(jì)算，從而確定輸出系統(tǒng)觸發(fā)信號的時機(jī)。另外傳感器E的信號具有排他性，可以直接導(dǎo)致測控裝置輸出系統(tǒng)觸發(fā)信號。測控裝置的主程序流程圖如圖2所示。

參考文獻(xiàn)

[1] 潘琢金，施國君.C8051Fxxx高速SoC單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003.

[2] 陳杰，黃鴻.傳感器與檢測技術(shù)[M].北京：高等教育出版社，2005.

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

[4] 李新超，李繼凱.基于RS 485總線的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2007，30（5）：25?27.

[5] 梅健，黃勇亮，陳聰，等.基于書寫筆勁識別的身份驗(yàn)證系統(tǒng)[J]. 電子科技，2011（9）：136?139.

[6] 段新燕.單片機(jī)液晶顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電子科技，2012（8）： 13?15.