基于C8051F020的液压综合采集系统设计

为了对液压设备中的速率、压力、流量等参数进行在线检测，我们自行设计了一套液压工程综合采集系统。
         本系统采用新型单片机C8051F020进行数据的多通道采集和A/D转换，并输出到大屏幕LCD彩色液晶进行数据、曲线、直方图等显示；同时通过RS-485通讯把数据送到上位机，从而实现了对液压设备的远程实时监测。

         1．前言
         在工业控制中需要对各种参量进行采集，即利用信号采集系统将各种数据采集到计算机中进行实时处理。传感器起着中间桥梁的作用，但是它输出的信号往往是很微弱的电流信号，需要经过放大转换成电压信号后才能输入到A/D中进行数据采集。另外,随着测试技术的不断发展，为了适应数字化、高效率等要求，在工业测试系统中单片机的应用也越来越广泛,它具有实时及可靠性高的优点，并且日益显示出巨大的优越性。本系统采用美国Cygnal公司的C8051F020单片机为控制核心，组成了多通道数据综合采集系统，它利用较少的外围器件实现了对液压设备的控制。
         2．C8051F020单片机简介
         C8051F020器件是完全集成的混合信号系统级MCU芯片（SOC），它使用Cygnal的专利CIP-51微控制器内核，CIP-51与MCS-51指令集完全兼容。它采用流水线结构，与标准的8051结构相比指令执行速度有很大的提高。CIP-51提供了22个中断源，允许大量的模拟和数字外设中断微控制器，因而有更高的执行效率。具有64个I/O引脚，每个端口都可以配置成推挽或漏极开路输出。C8051F020 MCU内部有一个SMBUS/I2C接口、两个具有增强型波特率配置的全双工UART和一个增强型SPI接口，每种串行总线完全用硬件实现，都能向CIP-51产生中断。它内部有一个12位的ADC0，该子系统包括一个9 通道的可编程模拟多路选择器（AMUX0），一个可编程增益放大器（PGA0）和一个100ksps、12 位分辨率的逐次逼近寄存器型ADC，ADC中集成了跟踪保持电路和可编程窗口检测器；一个8位的ADC1，包括一个8 通道的可配置模拟多路开关（AMUX1），一个可编程增益放大器（PGA1）和一个500ksps、8 位分辨率的逐次逼近寄存器型ADC。两个12位的DAC转换器，每个DAC 都具有灵活的输出更新机制，允许无缝的满度变化并支持无抖动输出更新。C8051F020还有5个通用的16位定时器和5 个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列。
         3．系统的硬件结构
         多通道综合采集系统以C8051F020单片机为核心，主要由以下几部分组成：数据的采集、LCD显示和数据通讯三部分，其硬件框图如图1。传感器输出的电流信号经过放大转换后，送至C8051F020内部的A/D转换器中，在单片机内部完成模数转换、数据存储、数据处理的工作，最后送到LCD显示，同时经过RS-485接口送至计算机，由上位机进行实时监控。
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  图1
  
       3.1数据的采集
         对于液压设备中的8个待测参数选用相应的传感器来来检测，试验时选取应变式传感器作为测试现场的工具。这些选用的检测元件输出都是标准的4－20mA微弱的电流信号，电流信号又经过由LM324组成的放大转换电路转换成0－5V的电压信号输入到C8051F020的模拟输入端，如图2所示，经内部集成的A/D转换器转换成相应的数字量。C8051F020将8路采样值作为液压设备现场的状况存入相应的内存单元。
                     
  
         图2
         3.2  LCD显示
          为了使数据采集系统小巧美观，同时又获得较高的性价比，选用德彼克公司生产的DMF-50174蓝屏液晶显示器，该显示器是320×240点阵式液晶，图形和文本都可以显示。显示驱动控制芯片采用EPSON 公司的一种高性能LCD 控制器SED1335。硬件电路采用间接接法，如图3所示。用单片机的P5.0～P5.7口作为SED1335的DB0～DB7数据总线的输入通道。P4.5作为SED1335的片选信号, 配合地址信号A0实现SED1335 通过数据总线接收来自单片机的指令和数据。当A 0= 0, P4.6（WR）=0,P4.7（RD）= 1时, 实现指令的写入和从SED1335 中读取数据。当A 0= 1, P4.6（WR）= 0, P4.7（RD）=1时, 则是显示数据的写入，该功能通过软件实现。
  
    图3
          3.3 数据通讯
          单片机C8051F020的TX0、RX0及P0.2通过MAX485与上位机相连，进行串行通信，如图3所示。P0.2控制MAX485的状态或发送，用软件控制。RX0为单片机的串行输入端，接收上位机通过MAX485向单片机发送的数据。TX0为单片机的串行输出端，通过MAX485发送给上位机。
          4 系统软件设计
          4.1  软件设计总体上由两部分组成：一部分为单片机C8051F020
          主程序设计，一部分为LCD液晶显示程序设计。由于用C语言编程
          可以降低程序的复杂度，提高程序的可读性和可修改性，所以本软
          件采用C51进行编程，keil μVision2编译器进行编译。
          主程序流程图如图4所示。
          4.11 主程序
          void main (void){
  long voltage;            //电压以mV为单位
  int i;                  //循环计数器
  WDTCN=0xde;             //禁止看门狗定时器
  WDTCN=0xad;
  SYSCLK_Init();          //初始化振荡器
  PORT_Init();            //初始化数据交叉开关
  UART0_Init();           //初始化UART0
  Timer3_Init(SYSCLK/SAMPLERATE0); //初始化定时器3溢出作为采样率
  ADC0_Init();             //初始化ADC                    
  AD0EN=1;                 //允许ADC
  EA=1;                   //允许所有中断
  while(1){
  for(i=0;i<8;i++)
  {EA=0;
  voltage=result;      //从全局变量中取得ADC值
  EA=1;
  voltage = voltage*VREF0;//计算电压（mV）
  voltage = voltage>>16;
  LCD_Disp();             //调显示程序，显示电压值
  printf("Channl'%d' voltage is %ldmV\n",i,voltage);//串口输出
  }}
  
          5 结束语
          测试实验中定义C8051F020的采样频率为50000Hz，ADC0设为定时器3溢出的连续转换模式，采用差动输入方式组成8路转换通道，单片机运行后由定时中断进行数据采集。
          C8051F020将采集的数据通过RS-485接口传送给上位机，在传送期间波特率必须和PC机设置的波特率保持一致，否则不能正确接收。在测量过程中，整个系统工作稳定，数据可以得到“准”实时的显示。
             本文作者的创新点就是能够把液压系统参数中的功率P实时显示出来，而在以往的液压显示设备中只能分别显示液体的压力p和流量q，然后再用公式P=pq计算液压功率，比较麻烦；而且C8051F020芯片集成了大量的外设和IO口资源，在设计系统时，只需使用少量的外围芯片便可完成所需的功能，简化了硬件电路设计，节省了电路板空间，缩小了产品的体积，因而本系统有很广阔的应用前景。
          参考文献：
          1．  C8051F020/1/2/3混合信号ISP FLASH 微控制器数据手册
          2．  鲍可进，C8051F单片机原理及应用，北京，中国电力出版社，2006.1
          3．  童长飞，C8051F系列单片机开发与C语言编程，北京，北京航空航天大学出版社，2005.1
          4. 宋威，基于C8051F的SMBus实现智能测温系统，微计算机信息，2005年第12-2期，页码：P44-46
          5. 员天佑，基于单片机的多路信号异步采集技术，微计算机信息，2006年第4-2期，页码：P44-45
   
  
本文来源：单片机与嵌入式系统IC网     作者：刘金英 李建朝 郑彦义 张朝亮