基于C8051F005的測控綜合實驗儀設計

黃為

摘要：采用混合信號系統(tǒng)芯片C8051F005為內核，設計開發(fā)了測控系統(tǒng)綜合實驗儀。該實驗儀多數外部接口具有可編程和可配置能力，并提供了多種功能，如1路4～20mA的電流輸入，用于采集現場儀表的電流信號，2路電壓采集輸入（0～2.4V），RS485通信接口，4位LED數碼顯示管，JTAG接口，支持在系統(tǒng)編程與調試等等。該裝置進行了電壓的標定及測溫等測試實驗，其精度高、穩(wěn)定性好，操作簡單，在電子及測控等相關專業(yè)教學中具有推廣與借鑒作用。

Abstract： Using the mixed signal system chip C8051F005 as the core， a comprehensive experimental instrument for measurement and control system was designed and developed. Most of the external interface of the experiment instrument has programmable and configurable capabilities， and provides a variety of functions， such as 1 channel 4～20mA current input， which is used to collect the current signal of the field instrument， 2 channel voltage acquisition input （0～2.4V）， RS485 communication interface， 4-digit LED digital display tube， JTAG interface， support in system programming and debugging， and so on. The device is tested with voltage calibration and temperature measurement. It has high precision， good stability and simple operation and it has promotion and reference role in related teaching of electronics and measurement and control.

關鍵詞：C8051F005;綜合實驗儀;自制裝置

Key words： C8051F005;comprehensive experimental instrument;self-made device

中圖分類號：TP273? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）26-0138-03

0? 引言

儀器是一種信息獲取工具，儀器儀表在工農業(yè)、國防、科技、教育等各行各業(yè)以及人們的日常生活中都得到了廣泛的應用[1-4]。隨著微電子技術、計算機技術、通信技術等現代技術的發(fā)展，儀器得到了很大的發(fā)展，出現了種類繁多、功能各異的專用儀器，但自制儀器可以適應各院校異性化的教學需求并建立起合適的實驗教學創(chuàng)新平臺，提升本科教育質量，適應人才培養(yǎng)的時代要求，對培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力、解決實際問題的動手能力等方面有著極為重要的作用。本文對測控綜合實驗儀從硬件和軟件兩方面給出了設計的具體思路和方法，最后通過一個實測例子檢驗了儀器的實用性。該測控綜合實驗儀可用于電子、計算機、自動化及測控等相關專業(yè)的教學中。

1? 實驗儀硬件設計

實驗儀采用被廣泛使用的混合信號ISP FLASH微控制器為核心進行硬件設計，其內部芯片C8051F005是完全集成的混合信號系統(tǒng)級MCU芯片，有一個真正的12位多通道ADC，一個可編程增益放大器、兩個12位DAC、兩個電壓比較器、一個電壓基準、一個具有32K字節(jié)FLASH存儲器，有通過硬件實現的12C/SMBus、UART、SPI串行接口、一個具有5個捕捉/比較模塊的可編程計數器/定時器陣列（PCA），以及4個通用的16位定時器和4字節(jié)寬的通用數字I/O端口。片內JTAG調試支持功能允許使用安裝在最終應用系統(tǒng)上的產品MCU進行非侵入式的全速在線系統(tǒng)調試。

微控制器擴展的中斷系統(tǒng)提供了21個中斷源和多達7個的復位源。CIP-51有標準的8051程序和數據地址配置。它包活256字節(jié)的數據RAM，數據RAM的低128字節(jié)可用直接或間接兩種尋址方式訪問，前32個字節(jié)為4個通用工作寄存器區(qū)，后16字節(jié)即可按字節(jié)尋址又可按位尋址。

1.1 交叉開關和可編程數字I/O

MCU具有標準8051的4個端口（0、1、2和3端口），每個端口I/O引腳都可以被配置為推挽或漏極開路輸出，該MCU最突出的功能改進是引入了數字交叉開關，通過它允許將內部數字系統(tǒng)資源分配給P0、P1和P2的端口I/O引腳，還可以通過設置交叉開關控制寄存器將片內的計數器/定時器、串行總線、硬件中斷、ADC轉換啟動輸入、比較器輸出以及微控制器內部的其它數字信號配置在端口I/O引腳上，這就允許用戶根據自己的特定應用在選擇通用端口I/O和所需數字資源的組合上提供了很大的便利。數字交叉開關和可編程I/O原理框圖如圖1所示。

volt=（voltM-voltL）*500/（voltH-voltL）+1000;// 對采集到的電壓值進行修正

if（KEY0 == MID_L_KEY）// 按中左鍵顯示采集的電壓值

{

KEY0 &= 0;

disp_flag = 0;

DisIntNum（volt）;

}

if（KEY0 == MID_R_KEY） // 按中右鍵顯示AD采集值

{

KEY0 &= 0;

disp_flag = 1;

DisIntNum（AD_IN）;

}

if（disp_flag）

DisIntNum（AD_IN）;

else

{ DisIntNum（volt）;

CH452_Write（CH452_SET_BIT + 0x003b）; //顯示小數點

}

}

3.2 測試結果及分析

利用一個可變電阻組成一個調壓電路即可得到一組電壓值，運行程序，分別采集一個高、低點電壓值作校準，則實際采樣值ADx對應的電壓值可通過下式計算：

于是得到AD采樣值和實測的電壓值。見表1。

從實測數據來看，測量的精度是很高的。通過重復測量，其數據的穩(wěn)定性也很好。

4? 結束語

本設計采用完全集成的混合信號系統(tǒng)級MCU芯片為核心研發(fā)的測控綜合實驗儀，成本低，性能穩(wěn)定，測量精度高，重復性好。它提供了1路恒流輸出，1路電流/電壓信號輸出，1路電流輸入，2路電壓輸入，1路板載溫度傳感器，2路繼電器輸出，2路光電隔離輸入/輸出以及用于在線編程調試的JTAG接口等等功能，并且它的多數外部設備具有可編程和可配置能力，大大提高了它在各種測控場所的應用。它在相關專業(yè)的實驗教學中也具有很好的借鑒作用。

參考文獻：

[1]張穎，藍德高，趙曉鋒.溫度/濕度/光強多參數測量儀研制[J].傳感器技術與應用，2018，6（4）：121-129.

[2]王友善，王紹陽.用電磁波群時延差的異常變化預測短臨地震的基本原理與探測儀器[J].地球科學前沿，2015，5（4）：314-322.

[3]江虹，桂笑，許柳青.雷達波測流儀在中小河流的應用[J]. 水資源研究，2019，8（2）：93-99.

[4]李劍鋒，李劍云，王德真.太陽能選擇性涂層吸收光譜儀[J]. 儀器與設備，2015，3：12-19.