基于C8051F040多路浸水時(shí)刻記錄電路設(shè)計(jì)

摘要 針對某型航行器自沉系統(tǒng)中，需要掌握某合金材料在海水中因不同溫度條件下的受腐蝕時(shí)間長短。采用模塊化硬件設(shè)計(jì)，使用浸水傳感器為檢測單元、時(shí)鐘芯片DS12887為計(jì)時(shí)模塊；以C8051F040為微處理器和串行M25P80為存儲模塊設(shè)計(jì)浸水時(shí)間記錄系統(tǒng)。外部數(shù)據(jù)通信采用CAN總線。通過實(shí)踐證明，DS12887時(shí)鐘能在掉電后正常運(yùn)行，但時(shí)間長，需要新設(shè)定時(shí)間，以便準(zhǔn)時(shí)記錄。
關(guān)鍵詞 浸水傳感器；DS12887；串行存儲器；CAN

    在某型水下航行器自沉系統(tǒng)中，某合金材料在海水中一定時(shí)間內(nèi)能正常工作，但正常時(shí)間過后會被海水腐蝕；從而實(shí)現(xiàn)該航行器的自沉功能。為此設(shè)計(jì)了該電路，用以測試鋁鉻合金材料在不同溫度的多組時(shí)間信息。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
    基于C8051F040多路浸水時(shí)刻記錄電路硬件部分由6個(gè)主要模塊組成：浸水傳感器、信號電平轉(zhuǎn)換電路、達(dá)接斯時(shí)鐘模塊、串行存儲器M25P80模塊、單片機(jī)C8051F040模塊和CAN通訊模塊。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

1．1 單片機(jī)08051F040
    C8051F040由美國Silicon Labs公司設(shè)計(jì)，對原51單片機(jī)內(nèi)核進(jìn)行了較大改造，由原來12個(gè)時(shí)鐘執(zhí)行一條指令，改進(jìn)為一個(gè)時(shí)鐘執(zhí)行一條單周期指令，多數(shù)指令執(zhí)行的時(shí)鐘周期數(shù)與指令的Byte數(shù)相同，使得該款單片機(jī)的運(yùn)行速度大幅提高。C8051F040具有64個(gè)數(shù)字I／O引腳，片內(nèi)集成了一個(gè)CAN2．0B控制器。主要特性如下：(1)高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的CIP-51內(nèi)核(可達(dá)25 MI·s-1)。(2)控制器局域網(wǎng)(CAN 2．0B)控制器，具有32個(gè)消息對象，每個(gè)消息對象有其自己的標(biāo)識。(3)硬件實(shí)現(xiàn)的SPI、SMBus／I2C和兩個(gè)UART串行接口。(4)5個(gè)通用16位定時(shí)器。(5)具有6個(gè)捕捉／比較模塊的可編程計(jì)數(shù)器／定時(shí)器陣列。
1．2 浸水傳感器及電平轉(zhuǎn)換電路
    浸水傳感器采用自行研制的浸水模塊，該模塊接口簡單，只需5根線分別為：浸水傳感器測試點(diǎn)A、浸水傳感器測試點(diǎn)B、供電電源24V、供電電源地、感應(yīng)輸出OUT24V。當(dāng)浸水傳感器測試點(diǎn)A和浸水傳感器測試點(diǎn)B接觸或之間有水使A、B導(dǎo)通，這樣A、B間的電阻由無窮大變?yōu)閹?Omega;甚至零。通過比較電路從而輸出供電電壓24 V，而單片機(jī)C8051F040I／O口能夠承受的電壓僅為5 V。電平轉(zhuǎn)換電路采用光電隔離芯片TLP28 1-4電路圖如圖2所示。

1．3 時(shí)鐘芯片DS12887
    DS12887是美國達(dá)拉斯半導(dǎo)體公司推出的時(shí)鐘芯片，采用CMOS技術(shù)制成，把時(shí)鐘芯片所需的晶振和外部鋰電池相關(guān)電路集于芯片內(nèi)部。采用DS12887芯片設(shè)計(jì)的時(shí)鐘電路無需外圍電路并具有良好的微機(jī)接口。DS12887芯片具有微耗、外圍接口簡單、精度高、工作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛用于各種需要較高精度的實(shí)時(shí)時(shí)鐘場合中。其主要功能如下：(1)內(nèi)含一個(gè)鋰電池，斷電后運(yùn)行10年以上不丟失數(shù)據(jù)。(2)計(jì)秒、分、時(shí)、天、星期、日、月、年，并有閏年補(bǔ)償功能。(3)二進(jìn)制數(shù)碼或BCD碼表示時(shí)間、日歷和定鬧。(4)12小時(shí)或24小時(shí)制，12小時(shí)時(shí)鐘模式帶有PWM和AM指導(dǎo)，有夏令時(shí)功能。(5)Motorola5和Inatael總線時(shí)序選擇。
    DS12887有4個(gè)狀態(tài)控制寄存器，它們在任何時(shí)間都可訪問，即使更新周期也不例外。具體電路連接圖如圖3所示。

1．4 串行存儲器M25P80
    存儲器M25P80存儲容量為8 MByte，它采用SPI數(shù)據(jù)總線的方式進(jìn)行通信。該存儲器有16個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)有256頁，每頁256 Byte。工作電壓范圍2．7～3．6 V，工作溫度范圍-40～+85℃，最大時(shí)鐘75 MHz。能進(jìn)行10萬次的擦寫，數(shù)據(jù)保存20年，體積小巧，是一款通用存儲器。M25P80支持的操作指令共有12條，指令格式為如圖4所示。

    其中，8位的命令是必需，地址、啞元以及數(shù)據(jù)字節(jié)的有無和長度會因指令的不同而有所差異，詳情如表1所列。所有的命令碼、地址、串行輸入／輸出的數(shù)據(jù)，均是高位在前。

    由于單片機(jī)C8051F040的工作電源3．3 V，M25P80的工作電壓范圍為2．7～3．6 V故二者可以直接相連接。具體電路圖如圖5所示。

2 軟件設(shè)計(jì)
    由于整個(gè)浸水腐蝕的時(shí)間不確定，需要一個(gè)開始記錄的時(shí)間。這個(gè)開始記錄時(shí)間是以系統(tǒng)通電正常工作的時(shí)刻為準(zhǔn)。系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括浸水傳感器數(shù)據(jù)的檢測程序、DS12887時(shí)鐘數(shù)據(jù)存儲程序和CAN通信程序3部分。
2．1 浸水傳感器數(shù)據(jù)的檢測程序設(shè)計(jì)
    浸水傳感器數(shù)據(jù)的檢測程序設(shè)計(jì)采用定時(shí)器檢測的方式；當(dāng)持續(xù)檢測到浸水輸出信號3 s，則認(rèn)為此刻浸水。具體設(shè)計(jì)框圖如圖6所示。

    浸水傳感器數(shù)據(jù)的檢測程序初始化后，記錄開始時(shí)間；在100 ms定時(shí)中斷中，檢測多路的浸水輸出信號。針對不同的浸水傳感器采用記錄對應(yīng)的編號同時(shí)記錄該時(shí)刻的時(shí)間。
2．2 DS12887時(shí)鐘數(shù)據(jù)存儲程序
    時(shí)間讀取程序設(shè)計(jì)就是對DS12887芯片的內(nèi)部的4個(gè)內(nèi)部寄存器A、B、C、D進(jìn)行相應(yīng)的初始化和對其它寄存器數(shù)據(jù)的讀取。
    時(shí)間數(shù)據(jù)儲存程序設(shè)計(jì)是通過SPI總線，將時(shí)間數(shù)據(jù)存入M25P80當(dāng)中。C8051F040中有SPI總線模式。
2．3 CAN通信程序設(shè)計(jì)
    由于C8051F040器件內(nèi)部集成了Bosch CAN控制器，只需要對該控制器進(jìn)行初始化和配置便可以實(shí)現(xiàn)CAN通信。操作通過特殊功能寄存器直接或間接訪問CAN控制器中的CAN控制寄存器。

3 結(jié)束語
    設(shè)計(jì)的時(shí)間記錄系統(tǒng)能應(yīng)用其他場合的時(shí)刻記錄。該設(shè)計(jì)具有結(jié)構(gòu)簡單、功能齊全、系統(tǒng)運(yùn)行可靠的特點(diǎn)。需要注意的是，DS12887時(shí)鐘芯片啟動后需要設(shè)定時(shí)間，這樣才能與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間一致。實(shí)踐證明，雖然DS12887時(shí)鐘能夠掉電后正常運(yùn)行，但時(shí)間長(約3個(gè)月)，需要重新設(shè)定時(shí)間以便準(zhǔn)時(shí)記錄。