基于C8051F000的多通道數據采集范圍控制系統

介紹了利用Cygnal公司的C8051F000單片機可編程窗口檢測器，進行多通道數據采集范圍控制的硬件組成和軟件設計方法。
??? 關鍵詞：C8051F000單片機，窗口檢測器，數據采集，范圍控制

1　引　言
　　在實際應用中，對被控對象的物理參數（溫度、濕度、位移、電流、電壓等）在一定的范圍內進行控制，是單片機的典型應用之一。很多宏觀要求精確控制的場合，其微觀控制過程，仍可歸結為是對某些參數變化范圍的控制。如，傳統的三相異步電機從啟動到正常運行，其電流、電壓和溫度的變化；抽水塔水位的變化；機床刀具的行程變化及數字電表的自動量程變換等。這些控制過程最顯著的特點是：被控物理量都是一個變化范圍，而非某一個精確的“點”。有效控制物理量變化范圍的方法很多，本文重點介紹利用C8051F000單片機片內8路高性能的12位ADC數據采集系統和可編程窗口檢測器，實現對多路參數變化范圍控制的硬件組成和軟件設計方法。
2　C8051Fxxx系列單片機介紹
　　美國Cygnal公司是專業從事混合信號片上系統單片機設計與制造的一家新興半導體公司。C8051Fxxx系列是該公司以擁有自主產權并與MCS－51內核及指令集完全兼容的CIP－51為內核而集成的混合信號片上系統（System on Chip）。片內集成了數據采集和控制系統中常用的模擬部件，并能方便地通過數字交叉開關將內部數字系統資源定向到外部I／O口上。它的特點是：高達25 MIPS的執行速度，強大的模擬信號處理和資源控制功能；8路高性能的12位ADC（最大轉換速率為100 kSPS）數據采集系統，兩路12位精度DAC，兩路模擬比較器和ADC可編程窗口檢測器；8K～128K字節閃速／電可擦除程序存儲器、256～8 448 bit的RAM；覆蓋了典型的串行通信接口，22個中斷源，7個復位源；先進的JTAG非侵入式在線調試和看門狗、電源監視等可靠的安全機制。該產品匯集了單片機領域許多先進技術，成為目前功能最強大的8位單片機之一。

3　硬件電路組成及原理
　　電路硬件組成如圖1所示，分成數據采集、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，通過選擇不同功能的傳感器或電量轉換裝置（如電流、電壓互感器、集成溫度傳感器等），就能完成對被測目標系統多路參數的數據采集。工作時，系統不斷將各通道采集來的數據與用戶事先設定的上下限極值進行比較，系統執行機構根據比較結果，確定是否越限而作出相應的操作。系統為5位LED顯示，低4位用來顯示用戶所選定通道的模擬信號大小或上下限極值設置數據，最高位LED4為通道數字（0～7）顯示位。P0．0～P0．7為各通道越限處理輸出，分別控制相應的執行機構。
3．1　按鍵控制功能
　　這是整個系統最復雜、但也最能體現設計思想的一部分。為了方便地選擇通道及顯示設置數據，以盡量少的按鍵完成盡可能多的功能，實現較好的人機界面和軟、硬件資源的有機結合，在此設置了選擇通道的“切換”鍵S1、進行ADC窗口檢測器上下限極值設定的“設置”鍵S5、改變LED顯示數據的“＋”、“－”鍵S3、S4，并要求它每按一次使顯示值加（減）1，如果連續按鍵超過一定時間（如2s），則顯示值將很快地遞增或遞減。用戶設置完畢，按下“存儲”鍵S2，可將所設數據保存在非易失性數據存儲器FLASH中，避免由于斷電而需重新設置數據。通過軟件設計完成數據的自我備份與保護，不需要另置備用電池，簡化了硬件結構。
3．2　ADC的工作方式及窗口檢測器
　　C8051F000片內ADC子系統內除集成了1個多通道模擬輸入選擇器（AMUX）、可編程增益放大器（PGA）和1個100 kSPS、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器，它們完全由CIP－51通過特殊功能寄存器控制。
　　ADC0CN寄存器：控制轉換啟動方式和結果數據存放方式，設置ADC轉換結束和窗口檢測器中斷標志等。A／D轉換允許用軟件事件、硬件信號觸發轉換或進行連續轉換，每次轉換完成后產生一個中斷，或者用軟件查詢來判斷轉換是否結束，完成后數據字被鎖存在指定的寄存器中。
　　AMXOSL、AMXOCF寄存器：ADC通道選擇。當AMXOCF＝00H時，AMXOSL從00H～07H分別表示選擇AIN0～AIN7八個模擬輸入通道。
　　ADC0GTH、ADC0GTL寄存器：這兩個存貯單元是ADC可編程窗口檢測器供用戶設定的上限12位數據寄存器。ADC0GTH是高4位，ADC0GTL為低8位。
　　ADC0LTH、ADC0LTL寄存器：ADC可編程窗口檢測器供用戶設定的下限12位數據寄存器。
4　軟件設計
　　為便于以后的升級和維護，軟件設計采用積木式模塊化處理，各功能模塊既相互聯系，又能自成一體。其基本設計思想是：利用定時／計數器T3的溢出，定時地啟動ADC轉換和窗口比較器中斷。通過中斷處理，將相應通道的12位轉換數據與由用戶設定的上下限極值作為越限條件進行比較，產生新的中斷輸出，驅使系統執行機構進行相應的調整，從而達到把數據控制在某一范圍內的目的。
　　主程序由初始化、顯示、定時比較、按鍵處理等軟件功能模塊組成。圖2為主程序流程框圖。圖3為中斷處理子程序。這里只給出主程序清單，所有被調用的子程序略。

LOOP0：ACALLWORK0；調通道“切換”鍵處理子程序。供用戶選擇通道，并顯示其上下限極值
　　ACALL WORK1；調“存儲”鍵處理子程序，將用戶的設置值保
存在8000H以后單元的FLASH中
ACALL WORK2；調“＋”鍵處理子程序，實現顯示數據遞增，有連加功能，方便快速調節
ACALL WORK3；調“－”鍵處理子程序，用于遞減地調節顯示數據，有連減功能，方便快速調節
ACALLWORK4；調“設置”鍵處理子程序。用戶進入極值設定狀態，實現上下限極值顯示的轉換ACALLDISP；調顯示子程序SJMPLOOP0
5　結束語
　　C8051Fxxx系列單片機自2000年推出以來，其強大的內部功能和豐富的片內資源，使之能用最簡單的硬件結構實現多通道數據范圍的檢測。本文設計的控制系統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對三相電流、電壓等進行范圍控制，以確保電網的安全運行，具有良好的推廣應用價值。

1　李　剛，林　凌．與8051兼容的高性能、高速單片機——C8051Fxxx．北京：北京航空航天大學出版社，20022　肖定柏．LHB型交流互感器在家電中的應用．電子技術，1996（12）：42
3　龔成龍．智能異步電動機綜合保護器設計．單片機與嵌入系統應用，2002（2）：63～65
4　何立民．單片機應用技術選編．北京：北京航空航天大學出版社，1997
5　潘琢金，施國君．C8051Fxxx高速SOC單片機原理及應用．北京：北京航空航天大學出版社，2002
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