基于C8051F340單片機的紅外溫度監(jiān)測系統(tǒng)的設計

摘要：為實現(xiàn)對裝藥過程中實時溫度的檢測，設計了一套C8051F340單片機與時分復用技術進行數(shù)據(jù)采集和通信的多通道溫度采集系統(tǒng)。實驗驗證了CPLD在進行分時控制時具有計時準確，門選電路設計方便，集成度高的優(yōu)點，同時結合Silicon Laboratories公司提供的USBXpress開發(fā)工具使得單片機與計算機的USB通信實現(xiàn)變得極為簡便。
關鍵詞：紅外測溫；時分復用；SOC

0 引言
    螺旋裝藥過程中，經(jīng)常會因為內(nèi)部藥品溫度分布不均勻導致在裝藥過程中藥品內(nèi)出現(xiàn)氣泡的現(xiàn)象，這嚴重影響了彈體內(nèi)的藥品質量和彈藥參數(shù)。因此，本文希望通過設計一種溫度監(jiān)測系統(tǒng)來實現(xiàn)對腔體內(nèi)藥品溫度檢測，尋找裝藥過程中溫度與藥品質量之間的關系。由于裝藥機結構的特殊性，我們無法通過傳統(tǒng)的接觸測溫法獲取藥品的溫度。因此本文設計了一種基于紅外測溫方法的系統(tǒng)來實現(xiàn)對藥品溫度的實時檢測。

1 時分復用原理
    復用方法的設計主要依據(jù)TN9紅外傳感器的信號特征及接口特點，TN9紅外溫度傳感器具有5個接口，其中電源和地不需要接到CPLD上，其余三個接口分別為低電平有效的TN9工作使能接口，工作在主模式的SPI時鐘接口和數(shù)據(jù)接口。采用復用模式是只需通過設置合適的時序和門電路控制就可以將這些具有相同功能的接口連接到同一個模塊上。
    實際應用中當EA有效時TN9傳感器通過SPI總線在大約180ms和560ms時發(fā)送兩次溫度數(shù)據(jù)，第一次為環(huán)境溫度數(shù)據(jù)，第二次為目標溫度數(shù)據(jù)。當EA無效時傳感器仍會發(fā)送數(shù)據(jù)，只不過發(fā)送的數(shù)據(jù)沒有意義，這時就需要通過合適的門電路控制將無用信號屏蔽掉。當采用多路采集通道時，隨著傳感器數(shù)量的增加所需引腳及控制門電路會極大增加，處于精確時間控制及多門選電路的需要，數(shù)據(jù)采集模塊使用CPLD來實現(xiàn)相對單片機加門電路簡單靈活。

    如圖1所示，以雙通道TN9數(shù)據(jù)接收模塊舉例來說明SPI總線復用方式。EA信號通過分時模塊來控制，由于VHDL語言可以被認為是為CPLD內(nèi)部邏輯單元建立了連接關系，在系統(tǒng)運行時語句本身并不消耗系統(tǒng)時間，因此通過寄存器設可以是CPLD的時間設置極為精確。這里設置TN9工作周期為1s，400ms時間為高電平(EA禁止)，第一個傳感器啟動后約200 ms下一個傳感器以同樣方式開始工作，這樣保證不同傳感器回來的信號不重疊在一起。由于TN9在EA無效期間仍會發(fā)送無效數(shù)據(jù)，且SPI總線上的DATA線與CLK線空閑時為高電平，這里設計了如圖1所示的門控電路來實現(xiàn)對無效信息的屏蔽。

2 系統(tǒng)設計
    系統(tǒng)以C8051F340單片機為核心，它通過UART總線和USB總線分別與CPLD和電腦相連接。

2．1 數(shù)據(jù)采集模塊設計
    數(shù)據(jù)采集模塊的核心模塊由CPLD實現(xiàn)，CPLD接收到單片機控制命令后進行復位并開始工作，分時模塊和門電路配合實現(xiàn)傳感器的分時啟動以及屏蔽掉SPI總線發(fā)回的環(huán)境溫度數(shù)據(jù)及使能信號無效(高電平)時的亂碼。SPI模塊實現(xiàn)CPLD的從器件接受功能，每次工作將TN9發(fā)回的16位溫度數(shù)據(jù)存入寄存器。寄存器控制模塊在接受完16位溫度數(shù)據(jù)后，啟動串口發(fā)送，將高低8位數(shù)據(jù)分別發(fā)送給單片機，單片機在其中斷函數(shù)中進行相應處理。
2．2 單片機模塊設計
    USB數(shù)據(jù)發(fā)送功能的實現(xiàn)是這一部分的難點，這里使用Silicon Laboratories公司提供的USBXpress和Configuration Wizard開發(fā)包并結合Keil uVision3開發(fā)環(huán)境可以很方便的實現(xiàn)C80S1F340單片機的配置工作，這樣單片機程序編寫和USB通信開發(fā)難度，我們只需要關注自己要實現(xiàn)的功能部分并不需要很了解復雜的USB通信協(xié)議。

    如圖3所示，單片機上電后完成系統(tǒng)初始化配置，初始化配置語句可以使用Configuration Wizard來進行配置，C8051F340的UART0接口(第二功能)固定在P0＾4，P0＾5，USB也只能使用特定端口，這里不需要對端口進行特別配置，將其端口模式設置為推拉即可，系統(tǒng)時鐘設置為使用內(nèi)部時鐘模式，通過選擇多路開關和倍頻使USB時鐘工作在48MHz。作為USB系統(tǒng)中的從設備，系統(tǒng)初始化設置完成后，執(zhí)行等待命令DisplayLED()，然后在中斷函數(shù)中根據(jù)USB中對要執(zhí)行的操作進行判斷。
    UART0使用定時器2作為波特率發(fā)生器，并使能定時器0中斷允許。USB初始化首先要調(diào)用USBXpress提供的API函數(shù)USB_Clock_Start()，然后對其端口初始化，這里使用USBXpress提供的默認設置即可。
    由于溫度數(shù)據(jù)為16位數(shù)據(jù)，串口每次接收其中8位，這里定義個數(shù)組In_Packet[3]后兩位用來存放MSB，LSP的值，第一位存放傳感器標志位。當In_Packet[3]數(shù)組數(shù)據(jù)更新后，調(diào)用USBXpress的API函數(shù)Block_Write(In_Packet，3)將溫度數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機。
2．3 上位機軟件設計
    USBXpress提供VC6．0進行USB通信的動態(tài)鏈接庫，這里采取了靜態(tài)方法加載動態(tài)鏈接庫的形式，這樣需要在編譯選項中把USBXpress提供的SiUSBXp．lib路徑添加進去，并在需要調(diào)用時添加頭文件siusbxp．h。
    程序依照USBXpress提供的API函數(shù)編寫，在程序界面初始化時調(diào)用SI_GetNumDevices()和SI_GetProductString()函數(shù)獲取USB器件信息，由于傳感器工作間隔200ms左右，這里設定50ms的定時器，在其響應函數(shù)中執(zhí)行SI_Read()，當Buffer中有數(shù)據(jù)時就會將數(shù)據(jù)讀取到定義好結構體當中去，并使用Format命令將其轉換為字符串類型且按16進制方式將數(shù)據(jù)更新到編輯框中。

3 總結
    系統(tǒng)基本實現(xiàn)了溫度的采集和傳輸功能，并能通過VC6．0將數(shù)據(jù)保存，提供給matlab等數(shù)學分析軟件進行數(shù)據(jù)分析，實驗證明了利用CPLD可以很精確地實現(xiàn)對傳感器的分時控制，C8051F340利用USBXpress提供的API進行USB開發(fā)極大地簡化了開發(fā)流程。
    實驗只進行了簡單的框架搭建，這里只是對基于CPLD進行時分復用方法采集傳感器數(shù)據(jù)并且使用C8051F340利用USB總線與計算機進行通信的可行性進行了驗證，完善穩(wěn)定的系統(tǒng)仍需要大量的后期工作去完成。