基于C8051F060單片機(jī)的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李輝

（晉城市城市管理監(jiān)督指揮中心 山西 晉城 048000）

隨著信息技術(shù)的發(fā)展和普及，數(shù)據(jù)采集技術(shù)已在通信、測(cè)控儀器、航空航天、工業(yè)自動(dòng)控制等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，同時(shí)C8051F060微控制器體積非常小、功能很強(qiáng)、可靠性也比較好，非常適合應(yīng)用于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中用于對(duì)現(xiàn)場(chǎng)傳感器進(jìn)行采集以及實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制的場(chǎng)合。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 C8051F060微控制器

美國(guó)Silicon Laboratories公司于前幾年推出了一款具有集成混合信號(hào)的片上智能系統(tǒng)型的單片機(jī)C8051F060，具有與80C51兼容的CIP-51內(nèi)核，指令集與MCS-51完全兼容。具有59個(gè)數(shù)I/O管腳；它采用的是具有高速、流水線結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)的CIP-51內(nèi)核（最快可達(dá)25MIPS），其內(nèi)部指令的執(zhí)行速度于MCS-51相比，有了極大的提高。C8051F060的內(nèi)部功能部件主要包括了兩個(gè)16位、采集速率達(dá)到1 Msps的ADC模塊、具備尋址功能的64 kB的XRAM、控制器局域網(wǎng)（CAN2.0B）控制器、兩個(gè)具有可編程數(shù)據(jù)更新方式12位DAC、SPI接口、此外還有SMBus/I2C接口以及兩個(gè)UART串接、一個(gè)具有八通道多路開(kāi)關(guān)的十位、200 ksps的ADC、集成在芯片內(nèi)部的看門(mén)狗定時(shí)器、片內(nèi)VDD監(jiān)視器以及溫度傳感器等。

1.2 總體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以C8051F060為核心，采用I/O口采集外部的模擬信號(hào)，使用微控制器內(nèi)部集成的的AD轉(zhuǎn)換器，將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，并通過(guò)計(jì)算機(jī)UART口上傳至電腦上。計(jì)算機(jī)端編寫(xiě)接收軟件把數(shù)據(jù)接收上來(lái)，并通過(guò)軟件內(nèi)部控件將傳感器數(shù)據(jù)還原成原始波形曲線，這樣就實(shí)現(xiàn)了將傳感器數(shù)據(jù)采集、波形復(fù)原功能。本系統(tǒng)的傳感器數(shù)據(jù)采集模塊部分的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 傳感器數(shù)據(jù)采集模塊結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Sensor data acquisition module structure diagram

1.3 傳感器采集模塊原理圖設(shè)計(jì)

傳感器采集模塊采用單片機(jī)內(nèi)部的AD轉(zhuǎn)換器，在輸入端采用電阻分壓方式對(duì)信號(hào)幅度進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以增大傳感器信號(hào)的輸入范圍。

本系統(tǒng)進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換功能的芯片采用的是MAX232，之所以需要轉(zhuǎn)換，是因?yàn)镃8051F060輸出的信號(hào)是TTL電平，而電腦上具有的是標(biāo)準(zhǔn)串口；因此必須要轉(zhuǎn)換二者之間的電氣參數(shù)，所以要對(duì)單片機(jī)輸出的TTL信號(hào)電平進(jìn)行一定的信號(hào)轉(zhuǎn)換才能完成單片機(jī)與PC機(jī)的數(shù)據(jù)通訊。進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換的芯片是MAX1658，因?yàn)橥饨拥墓╇婋娫词? V，但是C8051F060采用的是3.3 V進(jìn)行供電，所以需要電壓轉(zhuǎn)換。傳感器數(shù)據(jù)采集模塊圖如圖2所示。

圖2 傳感器數(shù)據(jù)采集模塊電路圖Fig.2 Sensor data acquisition module circuit

2 傳感器數(shù)據(jù)采集模塊軟件設(shè)計(jì)

傳感器數(shù)據(jù)采集模塊軟件設(shè)計(jì)部分主要由單片機(jī)c8051f060端和以及電腦上位機(jī)端兩個(gè)部分組成。單片機(jī)c8051f060端主要功能是實(shí)現(xiàn)內(nèi)部ADC采集多個(gè)傳感器數(shù)據(jù)，存入數(shù)組后并通過(guò)UART口向電腦上位機(jī)端實(shí)時(shí)上傳。電腦上位機(jī)端軟件主要功能是實(shí)現(xiàn)設(shè)置單片機(jī)c8051f060的通信波特率、接收單片機(jī)C8051F060采集的傳感器數(shù)據(jù)以及將波形進(jìn)行還原等功能。

2.1 單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)

傳感器數(shù)據(jù)采集模塊以單片機(jī)為核心控制單元，最多可采集外部八路傳感器信號(hào)。本模塊使用的是單片機(jī)c8051f060內(nèi)部的數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器ADC2。啟動(dòng)ADC2開(kāi)始轉(zhuǎn)換所用的方法為為采用定時(shí)器2溢出的方式。單片機(jī)c8051f060將8個(gè)信號(hào)通道采集上來(lái)的傳感器信號(hào)統(tǒng)統(tǒng)轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號(hào)，再向單片機(jī)UART口發(fā)送數(shù)據(jù)之前，關(guān)閉單片機(jī)的所有中斷。等待數(shù)據(jù)全部發(fā)送結(jié)束后，打開(kāi)單片機(jī)所有的中斷，開(kāi)始準(zhǔn)備下一次對(duì)傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。傳感器數(shù)據(jù)采集模塊的程序流程情況圖如圖3所示。

圖3 傳感器數(shù)據(jù)采集模塊程序流程圖Fig.3 Sensor data acquisition module program flow chart

C8051f060單片機(jī)的內(nèi)部定時(shí)器2的中斷應(yīng)用程序：

void TIMER2_ISR （void） interrupt 5//單片機(jī) c8051f060的內(nèi)部定時(shí)器2中斷

{

SFRPAGE=TMR2_PAGE；

TF2=0； //去掉中斷標(biāo)志TF2

tongdao_input++； //切換至下一路輸入

if（tongdao_input==moni_input） //當(dāng)最后一路數(shù)據(jù)采集完成后轉(zhuǎn)到第一通道

{

tongdao_input=0；

}

SFRPAGE=ADC2_PAGE；

AMX2SL=tongdao_input；

}

C8051f060單片機(jī)的內(nèi)部ADC2轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷應(yīng)用程序：

void ADC2_ISR （void）interrupt 18//單片機(jī) c8051f060的內(nèi)部ADC2轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷

{

static long jishuqi[10]={0L}；

unsigned char i；

char SFRPAGE_SAVE=SFRPAGE；//保存目前的 SFR配置頁(yè)

SFRPAGE=ADC2_PAGE；//切換到 ADC2的配置頁(yè)AD2INT=0； //去掉ADC2的轉(zhuǎn)換完成標(biāo)志

jishuqi[amux_convert]=ADC2； //讀取ADC2內(nèi)的數(shù)值

if（tongdao_convert== （moni_input-1））

{

for（i=0； i

result[i]=jishuqi[i]；

jishuqi[i]=0L；

}

SFRPAGE=UART1_PAGE；//切換到串口配置頁(yè)

EA=0；//關(guān)閉所有中斷

for（j=0； j

{

SBUF1=244+j；

while（!TI1）；

TI1=0；

celiangzhi=result[j]*243/1023；//將測(cè)量值經(jīng)過(guò)計(jì)算轉(zhuǎn)換為實(shí)際值

SBUF1=measurement；

while（!TI1）；//等待串口發(fā)送成功標(biāo)志變化

TI1=0；

}

EA=1；//重新開(kāi)全局中斷

}

tongdao_convert= 通 道 _input；//當(dāng) 前 轉(zhuǎn) 換 路 變 為tongdao_input

SFRPAGE=SFRPAGE_SAVE； //保存當(dāng)前的SFR配置頁(yè)

}

2.2 電腦端系統(tǒng)的上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)端采用Visual Basic程序語(yǔ)言進(jìn)行數(shù)據(jù)接收與波形還原。以下為串口配置初始化函數(shù)程序代碼：

Main.ctrMSComm.InputLen=1

Main.ctrMSComm.InputMode=1'接受方式為二進(jìn)制數(shù)組

Main.ctrMSComm.InBufferSize=1024'接受緩沖區(qū)為1大小

Main.ctrMSComm.RThreshold=1'接收緩沖區(qū)為一個(gè)字節(jié)就觸發(fā)事件

intPort=1

strSet="115200,n,8,1"

blnAutoSendFlag=False

blnReceiveFlag=False

intReceiveLen=0'接收初始化

繪圖部分主要調(diào)用兩條語(yǔ)句：Line語(yǔ)句和PSet語(yǔ)句。Line語(yǔ)句表示在圖中畫(huà)一個(gè)線段：起點(diǎn)和終點(diǎn)分別是語(yǔ)句中的兩個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)。PSet語(yǔ)句的作用是在制定容器內(nèi)畫(huà)一個(gè)點(diǎn)，此容器的位置就是語(yǔ)句內(nèi)的坐標(biāo)點(diǎn)。

Line語(yǔ)句與PSet語(yǔ)句如下：

drawline.Line(X0,Y0)-(X,Y)

drawline.PSet(X,Y)

圖4與圖5為用Visual Basic程序編寫(xiě)的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)接收界面以及波形還原界面。

圖4 多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)接收界面Fig.4 The data receiving interface of multi-channel data acquisition system

圖5 多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)波形還原界面Fig.5 Multi channel data acquisition system to restore the waveform interface

3 系統(tǒng)測(cè)試

在多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試。在任意一路模擬信號(hào)端連接信號(hào)發(fā)生器，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并波形還原，再與用示波器捕捉到的信號(hào)發(fā)生器的波形進(jìn)行比較，看是否吻合。圖6與圖8為示波器捕捉到的頻率為30 Hz的三角波與正弦波截圖。圖7與圖9為用多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到數(shù)據(jù)后進(jìn)行波形還原后，在計(jì)算機(jī)上看到的波形圖。

可以從圖6～圖9中看到：多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到的波形發(fā)生器的波形與示波器捕捉到的信號(hào)發(fā)生器的波形基本一致。

圖6 三角波30 Hz（示波器）Fig.6 Triangle wave 30 Hz(DSO)

圖7 三角波30 Hz（上位機(jī)）Fig.7 Triangle wave 30 Hz(PC)

圖8 三角波30 Hz（示波器）Fig.8 Triangle wave 30 Hz(DSO)

圖9 三角波30 Hz（上位機(jī)）Fig.9 Triangle wave 30 Hz(PC)

4 結(jié) 論

文中設(shè)計(jì)的基于C8051F060的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可對(duì)8路模擬量數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并能實(shí)時(shí)傳輸?shù)絇C機(jī)，并能實(shí)時(shí)顯示所采集的數(shù)據(jù)及模擬量的波形。且成本低廉，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)場(chǎng)合中。

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