单片机开发与应用中文核心期刊‘微计算机信息＞（嵌入式与ｓｏｃ）２００８年第２４卷第８－２期文章编号：１∞籼５７０（２∞８）０：ｓ－２—Ｏｎ４—吆
基于Ｃ８０５１Ｆ的智能测量系统
ＡｎＩｎｔｅＩｌｉｇｅｎｔＭｅａｓｕｆｌｎｇＳｙｓｔｅｍ８ａＳｅｄｏｎｃ８０５１Ｆ
（江苏大学）潘波曹国荣
ＰＡＮＢ０ＣＡＯＧｕ小ｒｏｎｇ
摘要：本文提出一种智能测量系统，它是基于Ｃ８０５ｌＦ３４０单片机和ｕｓＢ技术的智能数据采集和测量系统，具有和上位机进行测量控制和数据传输等特点。实验表明，该系统可以实时采集数据，利用上位机绘制图形，并对现场参数进行系统分析。关键词：Ｃ踟５１Ｆ；ＵＳＢ总线；智能测量
中图分类号：１Ｅ＿锯．１文献标识码：Ａ
Ａｂ咖ｌｎ：１ｈｅｐ印ｅｒｐｒｏｐｏｓｅｓ锄ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｍａｓＩｌｒｉｎｇｓｙｓｔ咖ｗｈｉｃｈｂ鹊ｅｄｏｎＣ８０５１Ｆ３４０ｃｌｌｉｐ明ｄＵＳＢｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｉｔｈ曲ｓ咖ｅｃｈａｒａｃｔｅｒｓ，８ｕｃｈ鹊ｄａｔａｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ，ｍｅ鹬ｕ陀ｍｅｍ，ｃｏｎｔｒｏｌａｎｄｄａｔａｐｍｐａｇａｔｉｏｎｕｓｉｎｇａｈ∞ｔｍ们ＩＩｉｎｅ．ＴｈｅｔｅｓｔＢｈｏｗｓｔｌｌａｔｔ｝Ｉｅｐｍｐｏ钾ｄｓｙｓｔｅｍｃａｎｎｏｔｏｎｌｙｃｏｌｌｅｃｔｏｒａｎａｌｙｚｅｐａｍｍｅｔｅｒｓｂｕｔａｌ∞ｄ瑚ｗｆｉｇｍ＿ｅｓｉｎｒｅａｌｔｉｍｅ．
Ｋｅｙｗ们出：Ｃ舳５ｌＦ；ＵＳＢ；ｉｎｔｄ吐妒ｎｔｍ朗舳一ｌ喀
１引言上位机传送测量数据。
智能测量在各行各业已得到广泛的应用．测量所得到的数据可以通过串口或经外部的ｕＳＢ桥接器桥接后经ｕｓＢ口与上位机交换数据。如果单片机本身已集成了ｕｓＢ通讯模块．这将大大降低系统成本，提高系统的可靠性。本系统正是基于此而选用Ｃ８０５１Ｆ３４ｘ芯片．它是ＳｉｌｉｃｏｎＬａｂｏｍｔｏｒｉｅｓ公司最新推出的一款可提供ｕｓＢ功能的混合信号微控制器的高度集成产品．包含了高速管线的８０５１兼容微控制器核心．可以在高达４８ＭＩＰｓ的速率下工作．它提供６４ＫＢ的芯片内建闪存以及５３７６字节的ＲＡＭ。其中７０％的指令可以在一个或两个机器周期中执行。并获得同等级中最佳的ｃＰｕ传输率；ｕｓＢ功能控制器具有完整的ｕｓＢ２．０认证．支持全速与低速操作并包含８个端点管线；模拟外设包含一个真正１０位２００ｋｓｐｓ差分或单端ＡＤＣ，可以支持高达１７个外部模拟输入；时序功能可以通过４个通用型１６位定时器或一个５通道的可编程计数器，定时器阵列（ＰＣＡ）来实现，在此有５个全功能端口可以提供４０个可控制的Ｉ／０引脚ｆ５一｝…一．Ｅ茎至凰ｌ—＿●——●－—－；实验装置蛔
图１系统结构框图
智能数据采集系统包括：步进电机控制、数据采集、数据传输、数据处理等部分（如图ｌ所示）。为了进一步提高系统的可靠性和降低成本，本文提出了采用片上系统（ｓＯｃ）的解决方案——基于ｃ８０５ｌＦ３４０的智能测量模块，该模块接收上位机的指令来控制步进电机的动作，对传感器送来的信号进行Ａ巾转换，向潘波：工程师
基金项目：新型电光聚合物材料的合成及电光调制器性能研究。江苏省教育厅自然科学基础研究项目资助惭ＫＪＢ５ｌ∞２０）
２模块的工作原理和功能
智能测量模块的核心是片上系统（Ｓ０ｃ），即Ｃ８０５ｌＦ３４０单片机，它具有ｕｓＢ通信端口和加转换模块。通过应用ｃ８０５ｌＦ３４０内含的数字端口实现对步进电机的控制。Ａ巾模块对模拟输入端的信号进行数据采集，通过芯片中的ｕＳＢ端口与上位机进行数据交换。采用ｃ８０５ｌＦ３４０单片机后。可以充分利用芯片的内部资源，从而节约系统成本。
２．１步进电机控制功能
步进电机的控制量为时钟脉冲、启、停和方向控制信号。在实际应用中启、停信号和方向控制信号相对来说比较简单，只要向指定的数字端口输出高、低电平就能控制步进电机的启动、停止、正向和逆向转动。
步进电机所需的时钟脉冲则要通过对片内定时器进行编程。使用定时中断在指定的数字端口输出脉冲信号。ｃ８０５ｌＦ３４０内含的定时器２是一个１６位的计数器，定时器（见图２），由两个８位的ｓＦＲ组成：ＴＭＲ２Ｌ（低字节）和ＴＭＲ２Ｈ（高字节）。定时器２可以工作在１６位自动重装载方式、８位自动重装载方式（两个８位定时器）或ｕｓＢ帧起始（ｓＯＦ）捕捉方式。当他ｓＰｕＴ＝“０”且ｒ１２ＳＯＦ＝“Ｏ”时，定时器２工作在自动重装载的１６位定时器方式。
图２定时器２的１６位方式原理图
定时器２可以使用ｓＹＳＣＬＫ、ｓＹＳｃＬｌ（，１２或外部振荡器时钟，８作为时钟源。当１６位定时器寄存器发生溢出（从ｏｘＦＦＦＦ到咖００００）时，定时器２重载寄存器删Ｒ２ＲＬＨ和ＴＭＲ２ＲｕＪ中
一１１４—３６０元，年邮局订阅号：８２－９４６
，焉
匿的论文得到两院院士关淘单片机开发与应用的１６位计数初值被自动装入到定时器２寄存器对ＴＭＲ２Ｈ：点。其它端点被作为３对ＩＮ／ｏｕＴ端点管线，通信速度可通过特’脚Ｒ２Ｌ，并将定时器２高字节溢出标志观Ｈ置“ｌ”。如果定时殊功能寄存器ｕｓＢＯｘｃＮ中的ｓＰＥＥＤ位选择．要使ｕｓＢｏ工作器２中断被允许，每次溢出都将产生中断。在全速方式，ｕｓＢＯ的时钟必须为４８ＭＨｚ。当ｕｓＢ接收数据时。
在定时器２的中断服务程序中，可根据上位机下达的指串行接口引擎（ＳＩＥ）在接收完一个完整的数据包后中断处理器；令，对中断次数进行计数。当中断次数达到指定数值时立即改相应的握手信号由ｓＩＥ自动产生。当发送数据时．ｓＩＥ在发送完变指定端口的数值（０变１、ｌ变ｏ），从而就能在该数字端口产生一个完整的数据包并且收到相应的握手信号后巾断处理器。
一个指定脉宽的脉冲信号。智能测量模块采用Ｃ８０５１Ｆ３４０片内振荡器（１２ＭＨｚ）产生的智能测量模块采用ｃ８０５ｌＦ３４０片内振荡器（１２ＭＨｚ）产生的ｓＹｓｃＬＫ，经内置的４倍时钟乘法器产生４８ＭＨｚ时钟，使ｕｓＢ０ｓＹＳｃＬⅣ１２作为定时器的时钟源，数字端口设置为推挽输出，工作在全速方式。模块设置成通过端点ｌ向上位机发送数据。当重载寄存器的值为ｏｘＦＦ６４时能在数字端口输出最高为端点２接收上位机送来的数据，ｕｓＢ１＝作在中断方式。
３２０５Ｈｚ的方波。由于所选用的芯片是低电压、低功耗的高速器件，有时还存在着数字端口与步进电机控制电路之间信号电平的匹配问题，为此可选用相应的电平转移电路来解决。
２．２数据采集和处理功能
ｃ８０５ｌＦ３４０内郝有一个１０位ｓＡＲＡＤｃ和一个差分输入多路选择器。该ＡＤＣ工作在２００ｋｓｐｓ的最大采样速率时可提供真正１０位的线性度。ＡＤｃ系统包含一个可编程的模拟多路选择器，用于选择ＡＤｃ的正输入和负输入以及测量信号源。Ａ巾转换可以有６种启动方式：软件命令、定时器０溢出、定时器１溢出、定时器２溢出、定时器３溢出或外部转换启动信号。这种灵活性允许用软件事件、周期性信号（定时器溢出）或外部硬件信号触发转换。一个状态位用于指示转换完成，或产生中断（如果被允许）。转换结束后ｌｏ位结果数据字被锁存到ＡＤｃ数据寄存器，即ＡＤＣｏＨ和ＡＤＣＯＬ中（见图３）。
图３ｌＯ位ＡＤＣ原理图
智能测量模块在数据采集时，ＧＮＤ被选择为负输入．则ＡＤＣ０工作在单端方式，转化码为ｌＯ位无符号整数。所测量的输入信号范围为。一ＶＲＥＦ×１０２３／１０２４。ＶＲＥＦ为Ａ巾转换时的参考电压，可用片内提供的基准电压。转换数据在寄存器对ＡＤＣｏＨ：ＡＤｃｏＬ中的存储方式可以是左对齐或右对齐。采用右对齐时测量结果的数值范围为０～０】ｃ３ＦＦ＇。向ＡＤＯＢｕｓＹ写“ｌ”方式提供了用软件控制ＡＤｃＯ转换的能力。ＡＤｏＢｕｓＹ位在转换期间被置“１”，转换结束后复“０”。
在定时器２的中断服务程序中，可根据步进电机的工作模式和上位机的指令，确定步迸电机运动多少步后再启动加（ＡＤＯＢｕｓＹ写“ｌ”卜—揉集数据，并将数据保存在闪存中。
对于被测信号电平有严格的要求，前置放大器的输出级可用运放０Ｐ０７组成电压跟随电路，并在输出端加装限压保护电路以保证单片机模拟输入端的安全。
２．３数据通信功能
ｃ８０５１Ｆ３４０集成了ｕＳＢ功能控制器，用于实现ｕｓＢ接口的外部设备（ｃ８０５１Ｆ３４０不能作ｕｓＢ主设备），ｕｓＢ功能控制器和收发器具有完整的ｕｓＢ２．０认证，支持全速与低速操作并包含８个端点管线，控制端点（端点０）总是作为双向ＩＮ，０ｕＴ端
３软件设计及系统测试
模块通讯协议的三层结构模型为：物理层、数据链路层和应用层。物理层和数据链路层的功能包括各种通讯帧结构的组
织和收发，是由ｓｏｃ本身实现的，因此系统的开发将集中在应
用层软件的设计。
固件程序主要包括初始化、主控程序和３个中断服务程
序。模块初始化部分就是要定义ｓｏｃ的工作频率，定义模拟、数字端口的输入，输出模式．定义ｕｓＢ巾断、定时器２中断和加
中断的工作模式；主控程序处理前台任务，主要是响应各类中
断和利用公共数据区进行数据交换；步进电机的控制、数据的
采集和数据的通信都将利用中断服务程序在后台实现。
图４固件程序框图图５上位机程序框图
上位机程序采用ｖｃ可视化开发平台，对ＵＳＢ端口形成的通信管道进行标准的读写操作，从而实现上位机与ｃ８０５ｌＦ３加的数据通讯，实时显示现场参数、绘制图形，并对现场参数进行系统分析。上位机程序采用主线程和辅线程协调工作模式，可以降低主程序处理时间，提高通讯效率。
对图ｌ所示的系统进行测试：分别对椭圆偏振片、圆偏振
片组成的光路进行光强分布测试，步进电机由Ｃ８０５ｌＦ单片机控制，每秒钟转一圈测２００个数据；ＰＣ机通过ｕＳＢ口接收数据，并对数据进行分析和拟合，根据偏振片的不同组合，可得到圆形、椭圆形、腰果形等不同类型的图形。
４结束语
论文提出的基于ｃ８０５１Ｆ３４０的智能测量系统由于采用小体积贴装芯片，不必外接其它加转换和ｕｓＢ通信接口器件，
减小了整机的体积，提高了整机的性价比和可靠性。测试表明，该模块在实际检测过程中能够准确的提取被测对象的信号特征，各项指标都符合测试要求。仟转第１５ｌ页）＠＿喜期Ｉ邮局订阅号：８２－９４６３６０元，年一１１５一
基于C8051F的智能测量系统
作者：潘波， CAO Guo-rong， PAN Bo， CAO Guo-rong
作者单位：江苏镇江,江苏大学理学院,212013
刊名：
微计算机信息
英文刊名：MICROCOMPUTER INFORMATION
年，卷(期)：2008，24(23)
被引用次数：1次
参考文献(5条)
1.Silicon Laboratories C8051F34x Data Sheet 2006
2.宋威.李捷基于C8051F的SMBus实现智能测温系统[期刊论文]-微计算机信息 2005
3.胡鸿才.贺贵明基于C8051F的电量测量与传输系统[期刊论文]-现代电子技术 2006
4.宋雪桦.潘波汽车电控制单元CAN-RS232-USB诊断与通讯模块研制[期刊论文]-微计算机信息 2006
5.潘琢金C8051F单片机应用解析 2002
相似文献(1条)
1.学位论文陆中华基于MCU+FPGA组合的高速数据采集系统的设计2007
高速数据采集系统在自动控制、电气测量、地质物探、航空航天等工程实践中有着极为广泛的应用。如何对高速的信号进行实时采集、实时存储
，保证信号不丢失，以满足工业现场的需要，一直是高速数据采集系统研究的一个重要方向。
传统的高速数据采集系统，利用单片机和硬件FIFO对信号进行采集，但是这种系统控制单一，且不易于升级。现在有许多采用DSP处理器的高速数据采集系统，但是作为系统控制芯片的DSP，使用起来比较复杂，尤其是其内部的算法。FPGA电路逻辑关系清晰，芯片时延小、速度快，且可用VHDL或Veilog HDL描述其内部逻辑电路，便于修改和升级。如果在高速数据采集系统中采用FPGA控制器，将极大地提高系统的稳定性和可靠性。
文章在对有关应用背景的分析和对当前高速数据采集系统的研究的基础上，选择MCU+FPGA的组合设计方案。采用Cygnal公司的C8051F120单片机控制系统的启动、停止，数据采集的允许，数据传输等；采用Altera公司Cyclone Ⅱ系列的EP2C8Q208C7芯片控制高速数据的缓存和存储点数等。
文章首先对当前国内外高速数据采集系统进行分析和研究，明确了各种高速系统所采用的结构和方式，简要介绍了数据采集的一些基本理论，然后在此基础上，确定了本系统的硬件结构和所要采用的各种集成电路芯片，在具体设计PCB时，充分考虑信号干扰、信号隔离等问题；FPGA是系统的核心部件，是系统设计的关键，文中详细地阐述其内部时序电路的设计过程，并给出了电路原理图和仿真时序图；设计系统软件时，单片机采用语法灵活的C语言来编写，提高了程序的可读性和移植性，数据处理软件采用VB和Delphi混合编程，充分利用两者的优点。文章的最后，介绍了系统调试的过程，验证了本系统基本实现预定的功能。实践证明，该设计方案取得比较好的效果，运行稳定。
引证文献(1条)
1.李东.郭维波.樊昌元.黄华气象炮射检测系统设计[期刊论文]-微计算机信息 2009(23)
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