基于89C56的智能探測器的設(shè)計與實現(xiàn)

摘要： 針對高精度穩(wěn)壓電源的需求情況，本文提出了一種用于噪聲電壓檢測的探測器設(shè)計方案，文章詳細介紹了該探測器總體設(shè)計方案以及核心組成模塊。系統(tǒng)的核心模塊為高速微控制器89C56，文中詳細介紹該芯片的特點和檢測原理。并且設(shè)計中實現(xiàn)了一個分析和預(yù)測模塊，使得該探測器成為一個智能探測器。
關(guān)鍵詞: 噪聲檢測；智能；探測器；微控制器；89C56

1        前言

近年來，隨著計算機、微電子、通信及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，人們對設(shè)備的可靠性、體積、功耗等方面提出了越來越高需求，尤其是在一些尖端領(lǐng)域，對設(shè)備的各種參數(shù)指標都提出了嚴格要求。在某大型設(shè)備的研制過程中，按設(shè)計要求，需要高精度穩(wěn)定電壓，如果電壓不穩(wěn)定或者有噪聲信號，需要提供預(yù)警措施，因此在設(shè)計中除了需要對穩(wěn)壓電源進行很好地設(shè)計，提供良好、完善的濾波去噪功能，還需要設(shè)計一個專用的噪聲探測模塊，針對該需求，本文提出了一種基于高性能微控制器的智能噪聲電壓探測器的設(shè)計與實現(xiàn)方案。

在硬件上，智能探測系統(tǒng)以微控制器為核心，以各種常用組成部件的并集為基本要素，構(gòu)建的硬件設(shè)計和探測系統(tǒng)。

2        智能探測器總體設(shè)計方案

智能探測器是以高速微控制器89C56為核心，擴展了存儲器、信號采集模塊、電壓比較器、電源電路等模塊，組成了一個板級的基本系統(tǒng)，其邏輯結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖 一：智能探測器總體結(jié)構(gòu)圖

探測器首先通過信號采集模塊，從探測目標系統(tǒng)中獲取電壓信號，然后經(jīng)過電壓比較模塊，將獲得的電壓信號與預(yù)先設(shè)定的電壓值進行比較，判斷當前獲取的電壓信號中是否有噪聲，噪聲值準確的又是多少。如果噪聲值超出一定范圍，此時通過A/D轉(zhuǎn)換模塊，將信號由模擬的轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并交給核心處理器進行處理。

在實際電路中，DAC使用的是微控制器C8051F020片內(nèi)集成的12位轉(zhuǎn)換器。片內(nèi)的DAC輸出擺幅均為0V 到VREF-1LSB，對應(yīng)的輸入碼范圍是0x000 到0xFFF，可以用相應(yīng)的控制寄存器允許或禁止。在被禁止時DAC的輸出保持在高阻狀態(tài)，供電電流降到1µA或更小。它具有靈活的輸出更新機制，允許無縫的滿度變化并支持無抖動輸出更新。在缺省方式下，DAC的輸出在寫DAC 數(shù)據(jù)寄存器高字節(jié)（DACxH）時更新。寫DACxL時數(shù)據(jù)被保持，對DAC輸出沒有影響，直到對DACxH的寫操作發(fā)生。如果向DAC數(shù)據(jù)寄存器寫入一個12位字，則這個12位的數(shù)據(jù)字被寫到低字節(jié)（DACxL）和高字節(jié)（DACxH）數(shù)據(jù)寄存器。在寫DACxH寄存器后數(shù)據(jù)被鎖存到DAC。DAC可以被用于8位方式，這種情況是將DACxL初始化一個所希望的數(shù)值（通常為0x00），將數(shù)據(jù)只寫入DACxH。DAC的輸出更新也可以由定時器溢出事件觸發(fā)。在這種更新方式下，對DAC 數(shù)據(jù)寄存器的寫操作被保持，直到相應(yīng)的定時器溢出事件（分別為定時器3 定時器4 或定時器2 ）發(fā)生時DACxH：DACxL的內(nèi)容才被復(fù)制到DAC 輸入鎖存器，從而允許DAC 數(shù)據(jù)改變?yōu)樾轮怠?/P>

為了確保探測器足夠高的靈敏度和響應(yīng)速度，系統(tǒng)采用了高速微控制器89C56，其最高頻率可達1MHZ，能夠在探測目標發(fā)生變化1us后做出反應(yīng)。同時利用微控制器中強大的運算性能，能夠存儲之前發(fā)生的一定狀態(tài)，并對當前狀態(tài)進行預(yù)測，使得該探測器具有一定智能。

3        89C56高性能微控制器

  系統(tǒng)的核心處理器采用是MicroChip的高速微控制器89C56。該芯片采用高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的CIP-51內(nèi)核，具有32個I/O引腳；片內(nèi)集成多種標準外設(shè)接口、PGA、模擬多路開關(guān)、DAC和ADC等等，可以最大限度的減少外設(shè)的數(shù)量和PCB電路板大小；片內(nèi)具有64K字節(jié)可在系統(tǒng)編程的FLASH存儲器，支持全速、非侵入的在系統(tǒng)調(diào)試。它具有以下主要特性：

l         高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的CIP-51內(nèi)核，可達1MIPS；

l         全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口（片內(nèi)）；

l         真正12 位，100 ksps 的8 通道ADC，帶PGA和模擬多路開關(guān)；

l         兩個12位DAC，可編程更新時序；

l         64K字節(jié)可在系統(tǒng)編程的FLASH存儲器；

l         4352（4096+256）字節(jié)的片內(nèi)RAM；

l         可尋址32K字節(jié)地址空間的外部數(shù)據(jù)存儲器接口；

l         硬件實現(xiàn)的SPI、SMBus/ I2C和兩個UART串行接口；

l         5個通用的16位定時器；

l         具有5個捕捉/比較模塊的可編程計數(shù)器/定時器陣列；

l         片內(nèi)看門狗定時器、VDD監(jiān)視器和溫度傳感器。

具有片內(nèi)VDD監(jiān)視器、看門狗定時器和時鐘振蕩器的89C56是真正能獨立工作的片上系統(tǒng)。所有模擬和數(shù)字外設(shè)均可由用戶固件配置為使能或禁止。每個MCU 都可在工業(yè)溫度范圍（﹣45℃到﹢85℃）內(nèi)用2.7V～3.6V 的電壓工作。所有的端口I/O、﹟RST和JTAG引腳都容許5V的輸入信號電壓。

89C56集成有JTAG調(diào)試電路，片內(nèi)FLASH存儲器具有在系統(tǒng)重新編程能力，可用于非易失性數(shù)據(jù)存儲，并允許現(xiàn)場更新8051 固件。解析儀根據(jù)該芯片所具有的這些特性，在硬件設(shè)計中增加了JTAG接口電路。這樣一來，解析儀便可以通過專用JTAG適配器與微機相連，使用Cygnal集成開發(fā)環(huán)境對89C56 MCU進行非侵入式（不占用片內(nèi)資源）、全速、在系統(tǒng)調(diào)試。該調(diào)試系統(tǒng)支持觀察和修改存儲器和寄存器，支持斷點、觀察點、單步及運行和停機命令。在使用JTAG 調(diào)試時，所有的模擬和數(shù)字外設(shè)都可全功能運行。另外，利用JTAG接口和片內(nèi)FLASH存儲器的在系統(tǒng)編程能力，可以方便地實現(xiàn)固件升級。89C56內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖二。

圖 二： 89C56內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

4 智能預(yù)測模塊

系統(tǒng)除了能實時地檢測被測系統(tǒng)的噪聲狀態(tài)外，還能夠根據(jù)之前遇到的噪聲情況，對當前出現(xiàn)的噪聲信號預(yù)測其后是否還會出現(xiàn)更多、更大的噪聲信號。其預(yù)測原理是每次發(fā)現(xiàn)又較大噪聲信號到來時，通過高速微控制器采集和處理這些噪聲信號，并將其噪聲的幅值、持續(xù)的時間存儲在微控制器外圍的存儲器中。一旦下次再檢測到一個新的噪聲信號時，首先將此噪聲信號采集并送入微控制器中，然后微控制器根據(jù)該噪聲的幅值和已經(jīng)持續(xù)的時間與庫里面存在的噪聲信號進行對比，設(shè)定一個閾值，如果對比的差額小于該閾值，則從所有小于該閾值的數(shù)據(jù)中找出與之最接近的歷史噪聲數(shù)據(jù)，并將此歷史噪聲數(shù)據(jù)做上標記（記錄已經(jīng)匹配的次數(shù)），此時系統(tǒng)認為遇到了很可能是之前重復(fù)出現(xiàn)過的噪聲信號，于是給系統(tǒng)發(fā)出報警信息，并繼續(xù)監(jiān)控新到來的噪聲信號，可根據(jù)預(yù)先設(shè)定的匹配程度（閾值），做出當前的噪聲信號是否為真正的重復(fù)噪聲的最終判斷。如果經(jīng)對比，發(fā)現(xiàn)庫中所有的數(shù)據(jù)與之對比后差值都超出了該閾值，則認為當前檢測的噪聲信號是一種新的噪聲信號，并將其存儲到外部存儲器中。如果外部存儲器已經(jīng)存儲滿了，則找一個標記最小的數(shù)據(jù)，進行覆蓋（即覆蓋掉的數(shù)據(jù)是重復(fù)出現(xiàn)幾率最小的噪聲信號，此類信號對噪聲的預(yù)測幫組不大）。按此策略設(shè)計后，可使得該檢測系統(tǒng)能夠?qū)Ξ斍坝龅降脑肼曅盘栕龀鲆欢ǖ念A(yù)測和報警功能，以便總體設(shè)計者根據(jù)該探測器分析和定位噪聲產(chǎn)生的原因和時機，為最終消除該噪聲信號提供有效的參考信息。其中存儲噪聲信息的數(shù)據(jù)格式如圖三所示。

圖 三： 存儲噪聲信息的數(shù)據(jù)格式

5  創(chuàng)新點總結(jié)

本文的創(chuàng)新點在于將高速微控制器與A/D轉(zhuǎn)換器等器件有機結(jié)合起來，開發(fā)了一個適用于精密穩(wěn)壓電源的智能檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)除了具有靈敏的檢測噪聲信號的功能，還能根據(jù)歷史出現(xiàn)過的噪聲信號做出預(yù)測和判斷，給設(shè)計者提供預(yù)警信息。通過該探測器的設(shè)計與實現(xiàn)為設(shè)計者提供有效的精密、純凈電壓有很大的輔助作用，此外該系統(tǒng)也能應(yīng)用與其它一些電壓檢測環(huán)境。

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