C8051单片机在加速度测试系统中的应用

邮局订阅号：８２－９４６３６０元／年技术创新单片机开发与应用《ＰＬＣ技术应用２００例》您的论文得到两院院士关注Ｃ８０５１单片机在加速度测试系统中的应用ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＣ８０５１ＭｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｉｎａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎｔｅｓｔｉｎｇＳｙｓｔｅｍ（北京理工大学）李明刘明杰李晓峰ＬＩＭＩＮＧＬＩＵＭＩＮＧＪＩＥＬＩＸＩＡＯＦＥＮＧ摘要：Ｃ８０５１单片机是高速混合信号系统级芯片（ＳＯＣ），该器件具有较快的处理速度和较大的存储容量，并且具有在系统可编程（ＩＳＰ）的功能，是设计加速度测试系统的理想选择，本文介绍了两种基于Ｃ８０５１单片机的加速度测试系统。

关键词：Ｃ８０５１单片机；加速度测试；ＦＬＡＳＨ存储器；串口通讯中图分类号：ＴＪ０１２．３文献标识码：ＢＡｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅＣ８０５１ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｉｓａｆｕｌｌｙｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｍｉｘｅｄ－ｓｉｇｎａｌＳｙｓｔｅｍ－Ｏｎ－Ｃｈｉｐ（ＳＯＣ）ＭＣＵｗｉｔｈｈｉｇｈｓｐｅｅｄ．Ｆｏｒｉｔｓｇｒｅａｔｅｒｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｔｈｒｏｕｇｈｐｕｔａｎｄｌａｒｇｅｒｃａｐａｃｉｔｙｍｅｍｏｒｙｔｈａｎｕｓｕａｌ，ａｎｄｉｔｓＩｎ－Ｓｙｓｔｅｍ－Ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ（ＩＳＰ）ｆｕｎｃｔｉｏｎ，ｉｔｗａｓｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄａｓａｉｄｅａｌｃｈｏｉｃｅｉｎｔｈｅｆｉｅｌｄｏｆａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎｔｅｓｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍ，ａｎｄｉｎｔｈｅａｒｔｉｃｌｅｔｗｏｋｉｎｄｓｏｆａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎｔｅｓｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍｂａｓｉｎｇｏｎＣ８０５１ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒａｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｃ８０５１Ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，ＡｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎＴｅｓｔｉｎｇ，ＦＬＡＳＨＭｅｍｏｒｙ，ＳｅｒｉａｌＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ．文章编号：１００８－０５７０（２００７）０８－２－００９１－０２引言美国ＣＹＧＮＡＬ公司的Ｃ８０５１系列单片机是完全集成的混合信号系统级芯片，具有与８０５１全兼容的微控制器内核，在指令集上与传统的ＭＣＳ－５１指令集完全兼容。

其内置的外设或功能部件包括可编程增益放大器、看门狗定时器（ＷＤＴ）模拟多路选择器、温度传感器、电源监视器、时钟振荡器、ＤＡＣ、ＡＤＣ、ＳＭ－Ｂｕｓ、ＰＣＡ、ＵＡＲＴ、定时器和数字Ｉ／Ｏ端口等。

Ｃ８０５１系列单片机的机器周期为１个系统时钟周期，峰值性能可达２５ＭＩＰＳ。

每个ＭＣＵ都能有效地管理模拟和数字外设，可以选择关闭单个或全部外设，以降低功耗。

其内置ＦＬＡＳＨ存储器还具有在系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储。

有些器件内部还拥有容量较大的ＸＲＡＭ。

片内ＪＴＡＧ调试支持功能允许使用安装在最终应用系统上的产品ＭＣＵ进行非侵入式（不占用片内资源）、全速、在系统调试。

在使用ＪＴＡＧ调试时，所有的模拟和数字外设都可全功能运行。

综上所述，Ｃ８０５１系列单片机是一种集成度高、功能强大的单片机，非常适合于要求速度快、系统集成度高、体积小和节电的应用系统，下面介绍两种基于Ｃ８０５１单片机的加速度测试系统。

１基于Ｃ８０５１Ｆ１２７的加速度测试系统系统主要组成部分包括单片机Ｃ８０５１Ｆ１２７、存储器、通路选择与预处理部分以及ＲＳ２３２串口连接。

如图１所示，当系统处于测试状态时，Ｘ，Ｙ，Ｚ轴三路加速度信号经通路选择、预处理电路进入单片机片内ＡＤ转换器进行转换，转换完的数据被保存在存储器中；当系统处于通讯状态时，单片机首先从存储器读取数据，再经过ＲＳ２３２串口传输到计算机，在计算机上经数据处理便可得到所采集的加速度曲线。

系统工作状态判断由某一Ｉ／Ｏ端口来完成。

图１系统１结构图Ｆｉｇ．１Ｆｒａｍｅｗｏｒｋｏｆｓｙｓｔｅｍ１．１可编程数字Ｉ／Ｏ和交叉开关Ｃ８０５１Ｆ１２７拥有４个８位标准的８０５１Ｉ／Ｏ端口，具备很强的总线扩展能力，可寻址６４Ｋ地址空间的外部数据存储器。

同时引入了数字交叉开关，这种开关网络允许将内部数字系统资源分配给端口Ｉ／Ｏ引脚，并可支持所有的功能组合。

用户可以根据自己的特定应用选择通用端口Ｉ／Ｏ和所需数字资源的组合。

可通过设置交叉开关控制寄存器将片内的ＡＤＣ转换启动输入、串行总线、计数器／定时器等其它数字信号配置为出现在端口Ｉ／Ｏ引脚。

在本设计中，外部数据存储器为１２８Ｋ，因此需要的地址总线为１７位，而Ｃ８０５１Ｆ１２７提供的标准地址总线为１６位，因此需要扩展地址总线，使用Ｐ０．４为地址线的第１７位。

１．２Ａ／Ｄ转换Ｃ８０５１Ｆ１２７内部都有一个ＡＤＣ子系统，由逐次逼近型ＡＤＣ、多通道模拟输入选择器和可编程增益放大器组成。

ＡＤＣ工作在１００ｋｓｐｓ的最大采样率时可以提供真正的８位、１０位或１２位精度。

ＡＤＣ完全由ＣＩＰ－５１通过特殊功能寄存器控制，系统控制器可以关断ＡＤＣ以节省功耗。

ＡＤＣ转换可以有４种启动方式：软件命令、定时器２溢出、定时器３溢出或者外部信号输入，对于１０位或１２位ＡＤＣ，可以用软件控制结果数据字为左对齐或右对齐格式。

本设计采用１２位ＡＤＣ，以软件命令方式启动，结果数据字为右对齐，转换结果保存在高低两个字节中，其中高字节保存高李明：博士研究生基金项目：总装武器装备预研基金（编号不公开）９１－－技术创新中文核心期刊《微计算机信息》（嵌入式与ＳＯＣ）２００７年第２３卷第８－２期３６０元／年邮局订阅号：８２－９４６《现场总线技术应用２００例》单片机开发与应用４位，低字节保存低８位。

１．３通信电路Ｃ８０５１Ｆ１２７片内有一个全双工ＵＡＲＴ，其串行总线完全用硬件实现，都能向ＣＩＰ－５１产生中断，很少需要ＣＰＵ的干预。

同时采用ＭＡＸＩＭ公司生产的ＭＡＸ２３２作为ＲＳ２３２电平转换芯片。

这里需要指出的是，Ｃ８０５１Ｆ１２７内部晶振精度很高，误差为２％，可用于串口通讯的时钟，而有些型号如Ｃ８０５１Ｆ０２０，内部晶振误差为２０％，精度不够，不能用于通讯时钟，建议使用外部晶振。

１．４电源电路本系统所有芯片均采用３．３Ｖ电压供电，按其工作状态可分为两路：采集状态，被测系统电压为１５Ｖ经１２伏稳压和３．３伏稳压两级稳压模块得到３．３Ｖ电压，为了确保其工作的可靠性，在１２伏稳压前增加了保护电路，当被测系统提供的电大于７．５Ｖ时电源才开始供电；通讯时，外界提供电压为５Ｖ，经３．３伏稳压模块后得到３．３Ｖ电压。

２基于Ｃ８０５１Ｆ３２０的加速度测试系统如图２所示，系统由传感器、预处理部分、单片机Ｃ８０５１Ｆ３２０、串口通讯等组成，与前述系统一致，系统的工作状态可分为两种：测试状态和通讯状态，其工作状态判断由某一Ｉ／Ｏ端口来完成。

传感器信号经预处理后输入单片机的Ｉ／Ｏ端口，单片机先将数据保存在片内ＸＲＡＭ里，然后转存到ＦＬＡＳＨ中，系统与计算机的通讯，采用ＲＳ２３２串口来实现。

系统传感器采用热对流加速度传感器，常温下且加速度值为零时传感器的输出信号是周期为１０ｍｓ、占空比为５０％的方波，方波的占空比值正比于加速度值的变化，因此，测量输出信号的占空比即可得到相应的加速度值。

图２系统２结构图Ｆｉｇ．２Ｆｒａｍｅｗｏｒｋｏｆｓｙｓｔｅｍ２．１计数器／定时器Ｃ８０５１Ｆ３２０内部有４个１６位计数器／定时器：其中定时器０、定时器１与标准８０５１中的计数器／定时器兼容，另外定时器２、定时器３是１６位自动重装载定时器，可用于ＡＤＣ、ＳＭＢｕｓ、ＵＳＢ（帧测量）或作为通用定时器使用。

这些定时器可以用于测量时间间隔，对外部事件计数或产生周期性的中断请求。

定时器０和定时器１可以被配置为使用系统时钟／１２、系统时钟／４、系统时钟／４８、系统时钟／８或系统时钟。

定时器２和定时器３可以使用系统时钟、系统时钟／１２或外部振荡器时钟／８作为时钟源。

本系统利用计数器／定时器的分频特性来测量低频信号。

２．２存储器Ｃ８０５１Ｆ３２０内置１６ＫＢ的ＦＬＡＳＨ存储器，用于程序代码和非易失性数据存储。

该存储器以５１２字节为一个扇区，不需特别的编程电压。

可以通过Ｃ２接口或由软件使用ＭＯＶＸ指令对ＦＬＡＳＨ存储器进行在系统编程。

为了保证操作正确，写和擦除操作由硬件自动定时，不需要进行数据查询来判断操作何时结束，并且在ＦＬＡＳＨ写／擦除操作期间，程序暂停执行。

另外，Ｃ８０５１Ｆ３２０内置有标准８０５２程序和数据地址配置。

它包括２５６字节的数据ＲＡＭ，同时还拥有可扩展至２Ｋ的ＸＲＡＭ。

本系统没有使用外部存储器，而是使用内部的ＦＬＡＳＨ作为非易失性数据存储。

２．３占空比测量原理占空比测量原理如图３所示，系统使用１６位定时器Ｔ０、Ｔ１分别记录正、负脉宽，测量起始信号到达后，单片机开始判断传感器的输出，在某一个周期Ｔ内，当单片机识别到传感器信号的上升沿时启动定时器Ｔ０，并在信号的下降沿处关闭定时器Ｔ０同时启动定时器Ｔ１，最后在信号的上升沿时关闭定时器Ｔ１，其结果均保存在各自的１６位寄存器中。

因此，当Ｔ０、Ｔ１时钟频率相同时，定时器Ｔ０、Ｔ１所计个数之比就是方波的占空比。

图３占空比测量原理图Ｆｉｇ．３Ｆｕｎｄａｍｅｎｔｏｆｄｕｔｙｆａｃｔｏｒｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ３结论本文提出了两种基于Ｃ８０５１单片机的系统来测试加速度信号，Ｃ８０５１单片机作为新型的微控制器，其功耗低、运行速度快、功能强大，使用方便灵活、可靠性强。

在试验中，这两种系统均取得了很好的效果。

本文作者创新点：本系统以Ｃ８０５１单片机为核心，利用其丰富片内资源使得外围扩展器件少，体积小，系统集成度高，为各种测试系统提供了安全可靠的解决方案。

参考文献：［１］童长飞．Ｃ８０５１Ｆ系列单片机开发与Ｃ语言编程［Ｍ］．北京：北京航空航天大学出版社，２００５：５６－１０１．［２］ＣｙｇｎａｌＣ８０５１Ｆｘｘｘ数据手册［Ｚ］．沈阳：潘涿金，２００４．１２．［３］齐燕杰，宋文超等．ＶｉｓｕａｌＢａｓｉｃ串口通信工程开发实例导航［Ｍ］．北京：人民邮电出版社，２００３：５５－１２２．［４］庞清乐，孙同景等．基于Ｃ８０５１Ｆ３３０单片机的多路温湿度测控系统［Ｊ］微计算机信息，２００４．４：５１－５２．．作者简介：李明（１９８２－），男（汉族），北京理工大学，博士研究生，从事测试和自动控制方面的研究；刘明杰（１９４８－），男（汉族），北京理工大学，教授，博士生导师，从事引信动态特性方面的研究．Ｂｉｏｇｒａｐｈｙ：ｌｉｍｉｎｇ（１９８２－），Ｍａｌｅ（Ｈａｎｎａｔｉｏｎａｌｉｔｙ），ＤｏｃｔｏｒｏｆＢｅｉｊｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｏｒｋｉｎｇａｔｔｅｓｔｉｎｇａｎｄａｕｔｏｍａｔｉｃｃｏｎｔｒｏｌ；ＬｉｕＭｉｎｇｊｉｅ（１９４８－），Ｍａｌｅ（Ｈａｎｎａｔｉｏｎａｌｉｔｙ），ＰｒｏｆｅｓｓｏｒｏｆＢｅｉｊｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｏｒｋｉｎｇａｔｄｙｎａｍｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓ－ｔｉｃｉｎＦｕｚｅ．（１０００８１北京市北京理工大学）李明刘明杰李晓峰（ＢｅｉｊｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ）ＬｉＭｉｎｇＬｉｕＭｉｎｇｊｉｅＬｉＸｉａｏｆｅｎｇ通讯地址：（１０００８１北京北京理工大学机电工程学院４号信箱）李明（收稿日期：２００７．６．２３）（修稿日期：２００７．７．２５）９２－－。