用C8051F構(gòu)成的采集與控制系統(tǒng)

在實(shí)際應(yīng)用中,對(duì)被控對(duì)象的物理參數(shù)(溫度、濕度、位移、電流及電壓等)在一定的范圍內(nèi)進(jìn)行控制,是單片機(jī)的典型應(yīng)用之一。很多宏觀要求精確控制的場(chǎng)合,其微觀控制過(guò)程,仍可歸結(jié)為是對(duì)某些參數(shù)變化范圍的控制。如傳統(tǒng)的三相異步電機(jī)從啟動(dòng)到正常運(yùn)行,電流、電壓和溫度的變化;抽水塔水位的變化;機(jī)床刀具的行程變化及數(shù)字電表的自動(dòng)量程變換等。這些控制過(guò)程最顯著的特點(diǎn)是：被控物理量都是一個(gè)變化范圍,而非某一個(gè)精確的“點(diǎn)”。對(duì)物理量變化范圍進(jìn)行有效控制的方法很多,本文重點(diǎn)介紹利用C8051F000單片機(jī)片內(nèi)8路高性能的12位ADC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和可編程窗口檢測(cè)器,實(shí)現(xiàn)對(duì)多路參數(shù)變化范圍控制的硬件組成和軟件設(shè)計(jì)方法。

1 C8051FXXX系列單片機(jī)介紹

總部位于美國(guó)德克薩斯州的美國(guó)Cygnal公司,是一家專門從事混合信號(hào)片上系統(tǒng)單片機(jī)設(shè)計(jì)與制造的新興半導(dǎo)體公司。C8051FXXX系列單片機(jī)是該公司以擁有自主產(chǎn)權(quán),并與MCS-51內(nèi)核及指令集完全兼容的CIP-51為內(nèi)核而集成的混合信號(hào)片上系統(tǒng)(System on Chip)。片內(nèi)集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬部件,能方便地通過(guò)數(shù)字交叉開關(guān),將內(nèi)部數(shù)字系統(tǒng)資源定向到外部I/O口上;高達(dá)25MIPS的執(zhí)行速度、強(qiáng)大的模擬信號(hào)處理和資源控制功能;8路高性能的12位ADC(速度為100kHz)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),2路12位精度DAC,2路模擬比較器和 ADC可編程窗口檢測(cè)器;8~64KB的閃速/電可擦除程序存儲(chǔ)器,256~2304B的RAM;典型的串行通信接口、22個(gè)中斷源、7個(gè)復(fù)位源;先進(jìn)的 JTAG非侵入式在線調(diào)試和看門狗、電源監(jiān)視等可靠的安全機(jī)制。它匯集了許多單片機(jī)領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù),成為目前功能最強(qiáng)大的8位單片機(jī)之一。

2 硬件電路組成及原理

硬件電路如圖1所示,分成數(shù)據(jù)采集、按鍵控制和顯示輸出三大部分。C8051FXXX系列的8路模擬量采集通道,通過(guò)選擇不同功能的傳感器或電量轉(zhuǎn)換裝置(如電流、電壓互感器、集成溫度傳感器等),完成對(duì)被測(cè)目標(biāo)系統(tǒng)多路參數(shù)的數(shù)據(jù)采集。工作時(shí),系統(tǒng)不斷將各通道采集來(lái)的數(shù)據(jù)與用戶事先設(shè)定的上/下限極值進(jìn)行比較;系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)比較結(jié)果,確定是否越限而作出相應(yīng)的具體操作。系統(tǒng)顯示部分為5位LED顯示,低4位用來(lái)顯示用戶所選定通道的模擬信號(hào)大小或上/下限極值設(shè)置 數(shù)據(jù),最高位LED4為通道數(shù)字(0~7)顯示位。 P0.0~P0.7為各通道越限處理輸出,分別控制相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

圖1

2.1 按鍵控制功能

按鍵控制部分是整個(gè)系統(tǒng)最復(fù)雜、最能體現(xiàn)設(shè)計(jì)思想的一部分。為了方便地選擇通道及顯示設(shè)置數(shù)據(jù),以盡量少的按鍵完成盡可能多的功能,實(shí)現(xiàn)較好的人機(jī)界面和軟、硬件資源的有機(jī)結(jié)合,設(shè)置了選擇通道的“切換”鍵S1、進(jìn)行ADC窗口檢測(cè)器上/下限極值設(shè)定的“設(shè)置”鍵S5、改變LED顯示數(shù)據(jù)的“+”、 “-”鍵S3、S4,并要求每按一次使顯示值加(減)1。如果連續(xù)按鍵超過(guò)一定時(shí)間(如2s),則顯示值將很快地遞增或遞減。用戶設(shè)置完畢,按下“存儲(chǔ)” 鍵S2,可將所設(shè)數(shù)據(jù)保存在非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器Flash中,避免由于斷電而需重新設(shè)置數(shù)據(jù)的麻煩。通過(guò)軟件設(shè)計(jì),完成數(shù)據(jù)的自我備份與保護(hù),不需要另置備用電池,簡(jiǎn)化了硬件結(jié)構(gòu)。

2.2 ADC的工作方式及窗口檢測(cè)器

C8051F000片內(nèi)ADC子系統(tǒng)內(nèi)除集成了1個(gè)多通道模擬輸入選擇器(AMUX)、可編程增益放大器(PGA)和1個(gè)100Ksps、12位分辨率的逐次逼近型ADC外,還集成了跟蹤保持電路和可編程窗口檢測(cè)器。它們完全由CIP-51通過(guò)特殊功能寄存器控制。

① ADC0CN寄存器?？刂妻D(zhuǎn)換啟動(dòng)方式和結(jié)果數(shù)據(jù)存放方式,設(shè)置ADC轉(zhuǎn)換結(jié)束和窗口檢測(cè)器中斷標(biāo)志等。A/D轉(zhuǎn)換允許用軟件事件、硬件信號(hào)觸發(fā)轉(zhuǎn)換或進(jìn)行連續(xù)轉(zhuǎn)換。每次轉(zhuǎn)換完成后產(chǎn)生一個(gè)中斷,或者用軟件查詢來(lái)判斷轉(zhuǎn)換是否結(jié)束,完成后數(shù)據(jù)字被鎖存在指定的寄存器中。

② AMXOSL、AMXOCF寄存器。ADC通道選擇。當(dāng)AMXOCF=00H時(shí),AMXOSL的00H~07H分別表示選擇AIN0~AIN7八個(gè)模擬輸入通道。

③ ADC0GTH ADC0GTL寄存器。該兩個(gè)存儲(chǔ)單元為ADC可編程窗口檢測(cè)器,為供用戶設(shè)定上限的12位數(shù)據(jù)寄存器。ADC0GTH為高四位,ADC0GTL為低八位。

④ ADC0LTH ADC0LTL寄存器。ADC可編程窗口檢測(cè)器,為供用戶設(shè)定下限的12位數(shù)據(jù)寄存器。

3 軟件設(shè)計(jì)

為便于升級(jí)和維護(hù),軟件設(shè)計(jì)采用積木式模塊化處理,各功能模塊既相互聯(lián)系,又自成一體。其基本設(shè)計(jì)思想是：利用定時(shí)/計(jì)數(shù)器T3的溢出,定時(shí)地啟動(dòng) ADC轉(zhuǎn)換和窗口比較器中斷。通過(guò)中斷處理,將相應(yīng)通道的12位轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)與由用戶設(shè)定的上/下限極值作為越限條件進(jìn)行比較,產(chǎn)生新的中斷輸出,驅(qū)使系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整,從而達(dá)到數(shù)據(jù)被控制在某一范圍內(nèi)的目的。

主程序由初始化、顯示、定時(shí)比較及按鍵處理等軟件功能模塊組成,圖2為主程序流程框圖。

圖2

結(jié)語(yǔ)

自2000年美國(guó)Cygnal公司推出C8051FXXX系列單片機(jī)以來(lái),強(qiáng)大的內(nèi)部功能和豐富的片內(nèi)資源,使之能用最簡(jiǎn)單的硬件結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)多通道數(shù)據(jù)范圍的檢測(cè)。本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng),只要配置合適的電量傳感器,就可方便地用于各類電力變電系統(tǒng)對(duì)三相電流、電壓等進(jìn)行范圍控制。