基于C8051F單片機的多通道數據采集儀

常莉來 凌宏江

（華中科技大學，湖北武漢430074）

消失模鑄造技術是將與鑄件尺寸形狀相似的發(fā)泡塑料模型粘結組合成模型簇，刷涂耐火涂層并烘干后，埋在干石英砂中振動造型，在一定條件下澆注液體金屬，使模型氣化并占據模型位置，凝固冷卻后形成所需鑄件的方法［1］。

在消失模鑄造過程中，金屬液流動前沿的溫度、壓力以及流動速度等是影響鑄件質量的重要工藝參數，因此，我們需要對這些物理量進行測量。為此本篇介紹了一款低成本、多通道、高速度、高精度、具有可擴展性的數據采集儀。

1 系統(tǒng)總體設計及工作原理

本儀器中，采用電極觸點的方法對流動場數據進行檢測，通過掩埋多個觸點盡可能多的獲取完整的流動場。因此流動場的測量實際上是一個數字量的采集；而溫度場和壓力場是模擬量，需要通過信號調理與采集模塊，并由A/D轉換器進行采樣并轉換成數字量。

考慮到數據采集的擴展功能，整體結構采用控制板與采集板分離的設計方式。

控制板和采集板分別采用C8051F320和C8051F350作為主控芯片，其結構框圖如圖1所示。

控制板將接收到的按鍵信息通過UART通信方式發(fā)送給采集板，采集板根據協(xié)議對接受到的命令進行相應的處理。采集到的結果存儲在I2C存儲單元中。在外接計算機的情況下，還可以通過上位機軟件對系統(tǒng)進行操作。

TMP121以1s為周期采集溫度信號，單片機根據該溫度進行軟件溫度補償。

1.1 模擬量采集模塊

對于模擬量的采集，采用F350自帶的全差分24位模/數轉換器ADC0，它包含一個可編程增益放大器，有8種增益設置，最大增益可達128倍。模擬多路選擇器將ADC的差分輸入與8個外部引腳相連［2］。

1.2 I2C存儲模塊

我們需要記錄消失模鑄造全過程中的溫度場、壓力場以及流動場信息，因此需要對存儲空間進行外部擴展，我們采用ATMEL公司的AT24C1024芯片。I2C存儲模塊的電路原理圖如圖2所示［3］。

1.3 通訊接口

控制板與采集板間采用UART通訊方式：F320與F350單片機內均包含增強型UART0，它是一個異步、全雙工串口，提供標準8051串行口的方式1和方式3。UART0具有增強的波特率發(fā)生器電路，有多個時鐘源可用于產生標準波特率。

上位機與下位機通過USB進行通訊，C8051F320器件集成了全速/低速USB功能控制器，USB功能控制器（USB0）由串行接口引擎（SIE）、USB 收發(fā)器（包括匹配電阻和可配置上拉電阻）、1KB FIFO存儲器和時鐘恢復電路（可以不用晶體）組成，不需要外部元件。USB功能控制器和收發(fā)器符合通用串行總線規(guī)范2.0版［2］。USB接口電路如圖3所示。

2 軟件設計

系統(tǒng)的軟件部分包括按鍵檢測子程序、UART通訊子程序、數據采集子程序、I2C存儲器讀寫子程序、USB通訊以及上位機軟件等。

2.1 下位機軟件設計

控制板的主程序通過循環(huán)檢測按鍵信息來進行相應的操作，當檢測到“START”鍵被按下時，通過UART方式發(fā)送按鍵信息。對采集板采集結果的讀取則采用UART中斷方式來實現。

控制板主程序如下所示：

串口在接收到數據或者發(fā)送完數據后進入中斷處理程序。

采集板在進行初始化后等待接收控制板發(fā)送的設置信息，直至讀取到開始檢測命令，根據采集目標進入相應的數據采集子程序，并對數據進行處理，然后將結果存入存儲芯片中以待上位機進行讀取。

ADC0采用中斷方式進行采樣：

以溫度場的測量為例，在進行數據處理時，我們需要對七種標準熱電偶的特性曲線進行高精度二階多項式擬合，總結出被測溫度與熱電勢的分段函數T=f（E）［4］。另外，由于儀器工作環(huán)境溫度的差異，會引起測量結果的偏差，我們需要進行溫度補償。溫度補償可分為硬件補償和軟件補償［5］。我們采用軟件補償的方式，通過TMP121檢測環(huán)境溫度，利用熱電偶冷端溫度補償方程計算出環(huán)境溫度對應的毫伏信號，用這個毫伏信號對熱電偶的熱電勢進行補償。

2.2 上位機軟件設計

C8O51F320是Silicon Laboratories公司推出的可提供USB功能的混合信號微控制器。USB功能控制器具有完整的USB 2.0認證，支持全速與低速操作，可以用于大多數USB外設設計。Silicon Laboratories公司還為USB驅動程序開發(fā)提供了USBXpress開發(fā)套件，使得USB主機和從機驅動程序開發(fā)可以快捷、高效地完成［6］。

Labview是一種基于圖形程序的虛擬儀器編程語言。當前虛擬儀器得到了廣泛的應用，而USB總線具有即插即用，接口簡單、傳送速率高等特點。基于Labview與USB的虛擬儀器接口設計將兩者優(yōu)勢結合起來，勢必順應未來測控儀器的發(fā)展。采用Labview來設計應用程序，關鍵是通過Call Library Function（CLF）節(jié)點來調用USBXpress開發(fā)套件所提供的DLL文件中的API函數。

通過CLF節(jié)點來調用DLL的步驟如下：

（1）單擊該節(jié)點將其放置在程序框圖中，此時該節(jié)點沒有與任何DLL連接；

（2）右擊該節(jié)點并選擇Configure選項或者直接雙擊該節(jié)點打開庫函數配置對話框；

（3）在該模塊的屬性設置中選擇DLL文件中所包含的某個函數，然后再設置好函數的返回類型和參數類型。這樣就可以使Labview調用DLL文件中的一個函數。

圖4是一個已經配置好的CLF節(jié)點。

通過配置CLF節(jié)點，可以實現對DLL文件中API函數的調用。USBXpress提供的主機API函數主要有：

上位機界面如圖5所示。當下位機通過USB方式連接到主機時，“設備連接”指示燈變亮，這時可以進行一系列的設置，包括采樣時間間隔設置、采樣通道設置、測量對象設置以及測量溫度場時所選用熱電偶類型的設置。點擊“設置完成”按鍵，將設置信息發(fā)送給下位機，并啟動下位機進行數據采集。點擊“繪制曲線”按鈕，主機讀取下位機存儲卡中的數據并進行曲線繪制。通過“數據存儲路徑”選擇一個txt文件用于存儲該次數據采集過程中采集到的所有數值，留待分析使用。

3 結果分析

以溫度場的測量為例，分析本儀器的精度。

我們用標準毫伏計模擬K型熱電偶在不同溫度下的熱電勢，由本儀器進行數據的采集及處理，結果如表1所示。

表1 數據分析

根據上表計算得出本儀器的平均相對誤差小于0.5%，達到設計要求。

4 結語

（1）整體結構上采用控制板與采集板分離的設計方式，可以針對不同的采集目標進行靈活的配置。

（2）采用完全集成的混合信號片上系統(tǒng)型C8051F350單片機作為采集核心器件，內部集成了24位模/數轉換器，并具有前置放大、抽取濾波等功能，簡化了電路設計。

（3）USB模塊采用了集成 USB控制器的C8051F320單片機，高度集成的芯片使得設計變得簡單方便，并降低了成本。

根據實驗數據得出本儀器的采樣速率可以達到100 Hz，采樣分辨率可達24位，采樣相對誤差小于0.5%。本儀器在測量速度和精度以及分辨率方面均達到了設計要求。

［1］樊自田，趙忠，等.特種消失模鑄造技術［J］.鑄造設備與工藝，2009（1）：17-21.

［2］C8051F320/1 DATASHEET，C8051F350/1/2/3 DATASHEET.

［3］余易翀，謝劍英，陳應麟.基于AT89C5131的車輛行駛記錄儀的硬件設計［J］.控制工程，2006，13（3）：262-267.

［4］羅萬象，劉洪祥，等.七種標準型熱電偶特性曲線的高精度擬合［J］.石油大學學報（自然科學版），1995，19（5）：102-106.

［5］黃師，凌宏江.利用溫度補償技術提高型砂水分分析儀的測量精度［J］.中國鑄造裝備與技術，2008（5）：51-53.

［6］朱磊，劉東.C8051 F340與Labview基于API的USB道信［J］.單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2007（11）：35-37.