C8051F020單片機(jī)及其在雙主機(jī)轉(zhuǎn)速同步控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

汝福興崔益烽蘇 生俞 賓周冠澤龔征華

（1.常州玻璃鋼造船廠有限公司 常州213127；2.陸軍車船軍代局駐上海地區(qū)軍代室 上海200083；3.中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海200011）

C8051F020單片機(jī)及其在雙主機(jī)轉(zhuǎn)速同步控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

汝福興1崔益烽2蘇 生1俞 賓3周冠澤3龔征華3

（1.常州玻璃鋼造船廠有限公司 常州213127；2.陸軍車船軍代局駐上海地區(qū)軍代室 上海200083；3.中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海200011）

C8051F020單片機(jī)是完全集成的混合信號系統(tǒng)級MCU芯片。雙主機(jī)轉(zhuǎn)速同步控制系統(tǒng)利用它的內(nèi)置兩路串行通信接口（UART0/1）,并使用雙差分驅(qū)動接受器SN65C1168，完成通信數(shù)據(jù)信號電平轉(zhuǎn)換，組成串行通信控制網(wǎng)絡(luò)，在控制子系統(tǒng)之間以及控制子系統(tǒng)與主機(jī)電控單元之間進(jìn)行控制數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)左右兩臺主機(jī)轉(zhuǎn)速的遠(yuǎn)程同步控制。

C8051F020單片機(jī)；雙主機(jī)轉(zhuǎn)速同步控制系統(tǒng)；串行通信；控制子系統(tǒng)

引 言

目前，采用雙主機(jī)作為推進(jìn)系統(tǒng)動力裝置的中高速噴水推進(jìn)船艇在搜救、執(zhí)法、巡邏等對于快速性和操縱性具有較高要求的特種工作領(lǐng)域，獲得日益廣泛的推廣和應(yīng)用。對于這類船艇，無論從總體性能還是操縱安全性以及人機(jī)操縱舒適性，都要求對主機(jī)和噴水推進(jìn)裝置方向舵及倒航斗角度進(jìn)行聯(lián)合控制，因此對于雙主機(jī)轉(zhuǎn)速的同步控制具有很高的要求。

本文所述高速執(zhí)法工作艇平臺，動力裝置采用兩臺上柴D683ZLCA8B柴油機(jī)，單臺持續(xù)功率轉(zhuǎn)速為2 330 r/min（234.5 kW），通過帶動兩臺噴水推進(jìn)器葉輪高速轉(zhuǎn)動（本船噴水推進(jìn)器采用通氣閥實現(xiàn)主機(jī)動力結(jié)合，故未設(shè)置齒輪箱），產(chǎn)生噴射水流，實現(xiàn)船艇高速航行。該主機(jī)配有MT-923型電控單元，可以通過RS-422數(shù)字通信接口接收/發(fā)送轉(zhuǎn)速控制/反饋數(shù)據(jù)，并輸出直流電機(jī)控制信號驅(qū)動主機(jī)機(jī)械調(diào)速器實現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)整。

對于類似問題，通常依靠人工經(jīng)驗采用機(jī)械方式可實現(xiàn)操縱，但由于還需要兼顧巡邏執(zhí)法工作，因此完全依賴人工將給操作者帶來巨大的身體和心理負(fù)擔(dān)，不利于船艇操縱性能的充分發(fā)揮和安全駕駛。本文所述的控制系統(tǒng)采用RS-422控制網(wǎng)絡(luò)對兩臺主機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速同步操縱，較好地解決了上述問題。

1 控制系統(tǒng)組成

項目組采用C8051F020單片機(jī)作為控制器、主機(jī)電控單元作為執(zhí)行器以及磁阻脈沖式轉(zhuǎn)速傳感器，設(shè)計了雙主機(jī)轉(zhuǎn)速同步控制系統(tǒng)，采用控制器的UART串行通信接口，以SN65C1168雙差分驅(qū)動接收器，組成串行通信控制網(wǎng)絡(luò)，對兩臺主機(jī)轉(zhuǎn)速的控制與反饋數(shù)據(jù)進(jìn)行交互，實現(xiàn)兩臺主機(jī)轉(zhuǎn)速的遠(yuǎn)程同步控制功能。同時，控制系統(tǒng)還要根據(jù)主機(jī)轉(zhuǎn)速反饋數(shù)據(jù)對噴水推進(jìn)裝置進(jìn)行控制。

轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)原理框圖見圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)原理框圖

2 C8051F020單片機(jī)的功能與特點

C8051F020單片機(jī)是完全集成的混合信號系統(tǒng)級MCU芯片，所采用的CIP-51 微控制器內(nèi)核與MCS-51指令集完全兼容［1］。C8051F020單片機(jī)采用3.3 V工作電源，在單芯片內(nèi)集成了構(gòu)成一個單片機(jī)數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)所需要的幾乎所有的模擬和數(shù)字外設(shè)及其他功能部件，包括數(shù)字I/O接口、12位ADC、看門狗定時器、內(nèi)部振蕩器以及兩個獨立的全雙工串行通信接口（UART0/1）等。

C8051F020單片機(jī)非常獨特地引入數(shù)字交叉開關(guān)。這是一個數(shù)字開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，它允許將內(nèi)部數(shù)字系統(tǒng)資源映射到P0、P1、P2和P3的端口I/O引腳。與傳統(tǒng)微控制器所具有的標(biāo)準(zhǔn)復(fù)用數(shù)字I/O不同，這種結(jié)構(gòu)可支持所有的功能組合?？赏ㄟ^設(shè)置交叉開關(guān)控制寄存器將片內(nèi)的串行總線、硬件中斷、ADC轉(zhuǎn)換啟動輸入以及微控制器內(nèi)部的其他數(shù)字信號配置為出現(xiàn)在端口I/O引腳。這一特性允許用戶根據(jù)自己的特定應(yīng)用選擇通用端口I/O和所需數(shù)字資源的配置與使用。

C8051F020單片機(jī)采用100 腳TQFP 封裝，可在工業(yè)溫度范圍（-45℃到+85℃）內(nèi)使用2.7 V～3.6 V 電壓工作。端口I/O、/RST和JTAG引腳都容許5 V輸入信號電壓。

C8051F020的兩個串行通信口UART0和UART1，是具有幀錯誤檢測和地址識別硬件的增強型串行口，均可在全雙工異步方式工作。

C8051F020單片機(jī)原理框圖見圖2所示。

C8051F020單片機(jī)串行接口UART0/1原理框圖見下頁圖3所示。

圖2 C8051F020單片機(jī)原理框圖

圖3 C8051F020串行接口UART0/1 原理框圖

3 雙主機(jī)轉(zhuǎn)速同步控制系統(tǒng)工作原理

雙主機(jī)轉(zhuǎn)速同步控制系統(tǒng)由兩套控制子系統(tǒng)組成，每套控制子系統(tǒng)分別對應(yīng)一臺主機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。每套控制子系統(tǒng)通過RS-422數(shù)據(jù)交互網(wǎng)絡(luò)向遠(yuǎn)端的主機(jī)電控單元發(fā)送轉(zhuǎn)速控制數(shù)據(jù)，由電控單元實現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)整，并將實時轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)反饋回控制子系統(tǒng)。

控制子系統(tǒng)采用一臺C8051F020單片機(jī)作為主控制器，通過設(shè)置數(shù)字交叉開關(guān)，將UART0/1、ADC等外設(shè)功能配置到P0的I/O端口。此外，整個控制系統(tǒng)還包括功能轉(zhuǎn)換開關(guān)、控制手柄、報警單元、手動單元等功能模塊。

控制子系統(tǒng)之間通過UART0進(jìn)行轉(zhuǎn)速同步控制的數(shù)據(jù)通信?？刂谱酉到y(tǒng)通過UART1與主機(jī)電控單元通信，發(fā)送轉(zhuǎn)速控制數(shù)據(jù)，接收轉(zhuǎn)速反饋數(shù)據(jù)。通過RS-422串行通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程交互，解決了兩臺主機(jī)轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)程同步控制數(shù)據(jù)交互的主要問題。

控制子系統(tǒng)可以利用C8051F020的P2口采樣外部工況開關(guān)輸入的DI信號，自主設(shè)定為主系統(tǒng)或從系統(tǒng)，主系統(tǒng)采樣控制手柄的模擬量輸入控制信號，經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換，換算為對應(yīng)的主機(jī)轉(zhuǎn)速控制目標(biāo)，并同步向從系統(tǒng)發(fā)送。

下頁圖4為轉(zhuǎn)速控制器原理圖（C8051F020部分），圖5為控制板照片。

圖4 轉(zhuǎn)速控制器原理圖（C8051F020部分）

圖5 控制板照片

4 串行通信口UART0/1的配置

C8051F020單片機(jī)需對特殊功能寄存器（SFR）進(jìn)行設(shè)置后，才能控制和訪問UART0/1。對于UART0和UART1的使用，在主要參數(shù)的選擇上是相同的，但是對于SFR的設(shè)置有所區(qū)別。

對UART0/1的控制和訪問是通過特殊功能寄存器（SFR）串行控制寄存器（SCON0/1）和串行數(shù)據(jù)緩沖器（SBUF0/1）來實現(xiàn)的。一個SBUF0/1地址可以訪問發(fā)送寄存器和接收寄存器。讀操作自動訪問接收寄存器，而寫操作自動訪問發(fā)送寄存器。

接收數(shù)據(jù)被暫存于一個保持寄存器中，允許UART0/1在軟件尚未讀取前一個數(shù)據(jù)字節(jié)的情況下開始接收第二個輸入數(shù)據(jù)字節(jié)。一個接收覆蓋位用于指示新的接收數(shù)據(jù)已被鎖存到接收緩沖器，而前一個接收數(shù)據(jù)尚未被讀取。

UART0/1可以工作在查詢或中斷方式，擁有兩個中斷源：一個發(fā)送中斷標(biāo)志TI0/1（SCON0.1/SCON1.1，數(shù)據(jù)字節(jié)發(fā)送結(jié)束時置位），以及一個接收中斷標(biāo)志RI0/1（SCON0.0/SCON1.0/，接收完一個數(shù)據(jù)字節(jié)后置位）。當(dāng)CPU 轉(zhuǎn)向中斷服務(wù)程序時硬件不清除UART0/1中斷標(biāo)志，中斷標(biāo)志必須用軟件清除。這就允許軟件查詢UART0/1中斷的原因（發(fā)送還是接收）。

UART0/1的波特率是定時器溢出時間的函數(shù)，定時器每次發(fā)生溢出時，向波特率電路發(fā)送一個時鐘脈沖（UART0/1的TX/RX時鐘可以分別選擇）。

兩臺控制子系統(tǒng)通過UART0建立數(shù)據(jù)通路，使用定時器2工作在方式2產(chǎn)生UART0波特率，UART0工作于方式3（9位可變波特率）。通過將TCLK0（T2CON.4）和RCLK0（T2CON.5）位設(shè)置為邏輯1來選擇定時器2為TX 和RX 的波特率時鐘源（TX和RX時鐘相同）。

波特率計算公式如式（1）所示：

式中：BAUDRATE為UART0的串行通信波特率，系統(tǒng)預(yù)設(shè)定BAUDRATE=9 600 baud；SYSCLK為系統(tǒng)時鐘頻率，系統(tǒng)選用外部晶振頻率M=11.059 2 MHz；是定時器2 的重裝載寄存器的預(yù)設(shè)定值。

由式（1）得到：

UART1使用定時器1工作在方式2（8位自動重裝載方式）產(chǎn)生波特率（TX和RX時鐘相同）。

式中：BAUDRATE為UART1的串行通信波特率，系統(tǒng)預(yù)設(shè)定BAUDRATE=9 600 baud。SYSCLK為系統(tǒng)時鐘頻率，系統(tǒng)選用外部晶振頻率M=11.059 2 MHz。TH1是定時器1 的8位重裝載寄存器的預(yù)設(shè)定值。SMOD1是UART1的波特率加倍控制位（0：使能UART1波特率/2；1：禁止UART1波特率/2）。T1M為定時器1時鐘選擇位；0：T1使用系統(tǒng)時鐘的12分頻；1：T1使用系統(tǒng)時鐘。

從式（5）可以得到：

按照上述計算結(jié)果預(yù)置T1和T2的自動重裝載值，即可使控制子系統(tǒng)UART0/1采用異步串行通信方式工作，并工作在方式3（1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位功能位（TB8奇校驗），1位結(jié)束位，可變波特率），預(yù)設(shè)波特率為9 600 baud，數(shù)據(jù)交互（發(fā)送/接收）周期為10 ms。

5 串行通信接口設(shè)計

控制子系統(tǒng)至主機(jī)電控單元的布線長度為40 m左右，選用RS-422標(biāo)準(zhǔn)通信接口實現(xiàn)兩者之間通信數(shù)據(jù)的傳輸。

RS-422標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了電氣接口型式是雙端線傳輸信號［2］。它通過傳輸線驅(qū)動器，把邏輯電平變換成電位差，完成始端的信息傳送；通過傳輸線接收器，把電位差變換成邏輯電平，實現(xiàn)終端的信息接收。在最大傳輸速率10 Mbps條件下，電纜允許長度為120 m。RS-422適用于點對點數(shù)據(jù)通信方式，標(biāo)準(zhǔn)允許驅(qū)動器輸出為±2～±6 V，接收器能檢測到的輸入信號電平可達(dá)200 mV。

控制子系統(tǒng)與電控單元之間的串行數(shù)據(jù)通信采用雙差分驅(qū)動接收器SN65C1168完成信號電平轉(zhuǎn)換。

SN65C1168全面滿足TIA/EIA-422標(biāo)準(zhǔn)，采用單一5 V供電，RS-422引腳具有ESD防靜電保護(hù)功能，器件最大功耗電流為9 mA，接收器輸入阻抗17 KΩ。

在C8051F020單片機(jī)UART1接口TX引腳使用10 K上拉電阻接5 V工作電壓，與SN65C1168的驅(qū)動器端口D相連，以提高信號傳輸?shù)目煽啃?，RX引腳直接與SN65C1168的接收器端口R相連接收數(shù)據(jù)。

SN65C1168邏輯框圖如圖6所示。

圖6 SN65C1168邏輯框圖（正邏輯）

C8051F020單片機(jī)UART1接口與SN65C1168驅(qū)動接收器接口的電氣特性見表1。從表中數(shù)據(jù)可以看出，C8051F020與SN65C1168的串行通信接口可以直接連接使用。

控制子系統(tǒng)與電控單元串行通信接口原理圖見圖7。

圖7 控制子系統(tǒng)與主機(jī)電控單元串行通信接口原理圖

表1 C8051F020與SN65C1168接口電氣性能對比 V

兩套控制子系統(tǒng)之間的串行通信回路是在8051F020的UART0之間建立，且兩套子系統(tǒng)處于同一個控制箱內(nèi)，由于其接口電平完全一致，可不進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，在連接時將兩個串行通信口的TX與RX引腳直接對接即可使用。UART0串行通信網(wǎng)絡(luò)連接關(guān)系原理圖見下頁圖8。

圖8 控制子系統(tǒng)串行通信接口原理圖

6 控制軟件設(shè)計

應(yīng)該注意，C8051F020單片機(jī)大量采用特殊功能寄存器，完成相應(yīng)的功能與接口的配置與轉(zhuǎn)換，這給軟件開發(fā)工作帶來了方便，但是錯誤的配置很容易造成系統(tǒng)工作的異常，并且很難發(fā)現(xiàn)。對此要充分利用開發(fā)工具軟件集提供的初始化配置工具CONFIG WIZARD。

7 主機(jī)轉(zhuǎn)速同步控制

兩臺控制子系統(tǒng)根據(jù)主控機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速目標(biāo)數(shù)據(jù)，并和反饋得到的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，分別根據(jù)轉(zhuǎn)速同步算法產(chǎn)生轉(zhuǎn)速同步控制目標(biāo)數(shù)據(jù)，并經(jīng)過RS-422串口發(fā)送至對應(yīng)的主機(jī)電控單元。

控制子系統(tǒng)對于主機(jī)轉(zhuǎn)速的控制是通過主機(jī)電控單元（執(zhí)行機(jī)構(gòu)）實現(xiàn)的。主機(jī)電控單元接收到轉(zhuǎn)速目標(biāo)數(shù)據(jù)后，輸出電機(jī)控制信號，驅(qū)動機(jī)械調(diào)速器運行，并利用磁電轉(zhuǎn)速傳感器檢測實時轉(zhuǎn)速經(jīng)過RS422串口反饋至控制子系統(tǒng)，最終完成主機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)整與控制。

8 抗干擾設(shè)計

控制系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計［4］，可以提高其工作的可靠性和穩(wěn)定性，直接關(guān)系到設(shè)備的正常使用以及船艇的安全航行，重要性和必要性不言自明。轉(zhuǎn)速同步控制系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計工作主要包括硬件和軟件兩部分。

（1）控制子系統(tǒng)與主機(jī)電控單元之間的串行通信線路，采用屏蔽雙絞線連接（線長45 m，節(jié)距0.075 m，屏蔽層密度75%，理論噪聲衰減率71：1），屏蔽雙絞線可以較好地抑制靜電感應(yīng)干擾和電磁感應(yīng)干擾。

（2）串行通信線路屏蔽層采用單點接地方式接至控制系統(tǒng)外殼，防止干擾。

（3）串行通信接口加裝共模電感，防止/減輕共模干擾。

（4）在DI信號端口加上TLP521光耦器件進(jìn)行隔離，在DO信號端口加上4N32光耦器件進(jìn)行隔離，在串行通信端口加上6N137高速光耦進(jìn)行隔離，防止器件受到外部高壓或者串?dāng)_信號的干擾和損壞。

（5）控制軟件采用模塊化設(shè)計，設(shè)置了系統(tǒng)初始化、主功能循環(huán)、AD采樣、串行通信、故障診斷等功能模塊。

（6）對控制手柄等輸入模擬量信號進(jìn)行連續(xù)多次AD采樣，并疊加使用了去除極值、數(shù)學(xué)平均和數(shù)值變化率限制等軟件濾波方法，提高抗干擾能力。

（7）對串行通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)置數(shù)據(jù)異常判斷，包括奇校驗、地址碼判斷、數(shù)據(jù)有效范圍判斷以及數(shù)據(jù)包校驗和等措施。若因各類故障原因?qū)е聰?shù)據(jù)通信成功率不足80%（80次/秒），即認(rèn)為通信網(wǎng)絡(luò)故障，兩套子系統(tǒng)同步發(fā)出降速指令，主機(jī)電控單元使主機(jī)降速運行，并通過DO端口向報警單元發(fā)出系統(tǒng)報警信號。

表2 控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)速指令與實測結(jié)果對應(yīng)表r/min

9 試驗結(jié)果

控制系統(tǒng)交付裝船后進(jìn)行了實船試航，控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)速指令與主機(jī)轉(zhuǎn)速響應(yīng)圖見圖9。控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)速指令與實測結(jié)果對應(yīng)表見表2。

圖9 控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)速指令與主機(jī)轉(zhuǎn)速響應(yīng)圖

從試航結(jié)果可見：左主機(jī)轉(zhuǎn)速（n1）控制最大偏差值為85 r/min，約為最大轉(zhuǎn)速的3.6%；右主機(jī)轉(zhuǎn)速（n2）控制最大偏差值為72 r/min，約為最大轉(zhuǎn)速的3.1%。左右主機(jī)的轉(zhuǎn)速同步最大誤差為17 r/min。

雙主機(jī)轉(zhuǎn)速同步控制系統(tǒng)配合試航過程中，在整個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)保證了兩臺推進(jìn)器推力的發(fā)揮與匹配，以及船艇快速性、操縱性的實現(xiàn)。

10 結(jié) 論

C8051F020單片機(jī)內(nèi)部外設(shè)功能全面而強大，全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口（片內(nèi)JTAG）使系統(tǒng)開發(fā)工作方便易行；RS-422串行通信網(wǎng)絡(luò)原理簡單、技術(shù)成熟、可靠性好。

雙主機(jī)轉(zhuǎn)速同步控制系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠、使用方便，滿足設(shè)計指標(biāo)要求，綜合性能優(yōu)良。

［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，2002.

［2］李華.孫曉民.李紅青，等.MCS51系列單片機(jī)實用接口技術(shù)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1993.

［3］馬忠梅.籍順心.張凱，等.單片機(jī)的C語言應(yīng)用程序設(shè)計［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1999.

［4］王幸之.王雷.鐘愛琴，等.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)電磁干擾與抗干擾技術(shù)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

C8051F020 SCM and its application in twin-engine revolution synchronous control system

RU Fu-xing1CUI Yi-feng2SU Sheng1YU Bing3ZHOU Guan-ze3GONG Zheng-hua3
(1.ChangZhou FRP Boatbuilding Co., Ltd., Changzhou 213127, China; 2.Representative Off ce of Army Trucks and Ships Bureau in Shanghai, Shanghai 200083, China; 3.Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

A C8051F020 single chip machine (SCM) is a fully integrated mixed-signal system-on-a-chip MCU.The twin-engine revolution synchronous control system transforms signal level of the communication data and composes the serial communication network by using the inner two-way serial communication interface UART0/1 and the dual differential drivers and receivers SN65C1168.The synchronous remote control of the revolution of the left and right engine can be achieved by the exchange of the control data anong the control subsystems, as well as between the control subsystem and the engine electric control unit.

C8051F020 SCM(single chip machine); twin-engine revolution synchronous control system; serial communication; control subsystem

U665.14

A

1001-9855（2016）06-0066-10

2016-02-23；

2016-07-29

汝福興（1962-），男，工程師，研究方向：船舶電氣設(shè)計。崔益烽（1982-），男，碩士，工程師,研究方向：軍事裝備。蘇 生（1980-），男，高級工程師，研究方向：船舶工程設(shè)計。俞 賓（1971-），男，工程師，研究方向：機(jī)械設(shè)計與制造。周冠澤（1986-），男，工程師，研究方向：船舶電氣設(shè)計。龔征華（1974-），男，高級工程師，研究方向：船舶電氣設(shè)計。

10.19423/j.cnki.31-1561/u.2016.06.066