基于單片機C8051F350的彈簧片測試與分選系統

摘要：從彈簧片測試系統的理論基礎分析入手，推導出了測試公式，介紹了硬件結構框圖和主要軟件功能。本文網絡版地址：http：//www.eepw. com.cn/article/245930.htm

關鍵詞：彈簧片；步進電機；荷重傳感器；C8051F350

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2014.4.008

引言

在石油勘探用的磁電式地震檢波器的生產過程中，為了最大限度地減小傳感器的失真度，要求裝入傳感器腔體中的上下兩個彈簧片，當懸體處于靜止狀態時，它們的兩個支承面應處在同一個水平面位置上，這就要求根據傳感器的諧振頻率和芯體的懸體質量，對上下彈簧片進行搭配，使裝配出的傳感器的頻率和中心度參數，都能符合設計要求。基于單片機C8051F350的彈簧片自動測試與分選系統，充分發揮了該單片機內置的24位Δ-Σ模數轉換器的特點，精度高，速度快，能對彈簧片的支撐力和彈性系數等參數，進行測試與分選，滿足了生產的需要。

1 基本測試原理和測試系統結構

由公式（1）可知，通過對位移量和作用力的設置和測量，采用適當的數學模型，即可計算出彈簧片處在同一個水平面位置時，所能支承起的等效物體質量和彈性系數。

根據傳感器的性能要求，在實際使用中，主要使用其處在同一個水平面位置的性能參數，這就意味著在測算彈簧片的彈性系數時，所能改變的位移量很小，一般在0.5毫米以下，如此計算得出的數據，才能近似等于彈簧片處在同一個水平面位置時的彈性系數。顯然，測試系統對位移和作用力的設定和測量，有著極高的精度要求，尤其對位移量的要求，應能分辨0.05毫米。我國檢波器生產企業最早引進和仿制的彈簧片測試系統設備，其核心部件是高精度位移傳感器和加力器，加力器是一種自制的電磁式施力部件，當電流通過加力器的線圈時，產生的電磁力帶動施力桿，使其沿著測試頭軸線方向上下移動，由位移傳感器對彈簧片產生的變形進行測量。我們提出的采用步進電機和荷重傳感器結合、基于單片機C8051F350的技術方案，克服了這種測試設備存在的結構復雜、故障率高和自動化程度低等缺點，已經成功應用到生產實際中。

2 單片機C8051F350的模數轉換器接口

C8051F350是高度集成的片上系統混合信號單片機[1]，它采用了與8051單片機兼容的專利內核CIP-51，但其性能遠超普通8051系列單片機，速度可高達50MIPS，它的最大亮點是具有一個8路輸入的24位Δ-Σ模數轉換器，內含可編程增益放大器和多路選擇器，采樣速度可達1ksps。此外，它還有兩路8位電流輸出型DAC；有17個耐5V電壓的數字I/O口，8k系統可編程的FLASH存儲器，含非易失性存儲器，768字節的片上RAM，4個16位通用定時器，帶有3個捕捉/比較模塊的可編程定時器/計數器陣列；片上看門狗定時器，電源監視器，電壓比較器，溫度傳感器，高精度內部振蕩器，2.7V～3.6V的低壓供電；有增強型的硬件串行接口SPI，SMBus/I2C和UART，片內JTAG調試和邊界掃描系統等。該系列的單片機在電子儀器儀表和智能傳感器等領域，有著廣泛的應用前景。

C8051F350單片機的Δ-Σ模數轉換器最高位數是24位，最大轉換速度為1ksps，并具有單次轉換和連續轉換功能，其原理結構如圖1所示。在其輸入級配備有BURNOUT電流源，主要用于對輸入信號進行短路和開路故障的檢測；為了給輸入信號提供高輸入阻抗，輸入級還有可選擇的輸入緩沖器；可變增益放大器能提供八級增益倍數，最大為128倍；參考電壓可以配置為內部2.5V，也可選用外部參考電源；具有內部偏移校正和增益校正，偏置DAC主要用于內部校正；調制器的時鐘由系統時鐘經過分頻電路而來；輸出級的濾波器有快速濾波和SINC3濾波兩種方式，前者速度快，后者精度高。

要正確使用C8051F350單片機的Δ-Σ模數轉換器，首先必須搞清楚特殊功能寄存器的各個位的確切含義，然后根據系統時鐘頻率，確定調制器時鐘頻率，計算出分頻常數和抽取比常數，并對其進行正確設置。這些特殊功能寄存器共有11個，它們是：控制寄存器ADC0CN，配置寄存器ADC0CF，方式寄存器ADC0MD，時鐘寄存器ADC0CLK，抽取比寄存器ADC0DECH/L，偏置寄存器ADC0DAC，緩沖寄存器ADC0BUF，輸入選擇寄存器ADC0MUX，狀態寄存器ADC0STA，結果寄存器ADC0H/ M/L，還有參考電壓控制寄存器REF0CN等。

調制器的時鐘頻率MDCLK為2.4576MHz時，ADC的性能最佳，此時，調制器對輸入信號的采樣速率為：MDCLK/128=19.2kHz。考慮到系統對快速性的要求，設系統的時鐘頻率SYSCLK為49MHz，調制器取最佳時鐘頻率時，可計算出濾波器的抽取比OWR為20。當參考電壓為內部2.5V時，測量計算公式為：

式中：F（mF）為壓力毫伏數；ADC0為模數轉換器讀數；Vref為參考電壓毫伏數。

3 彈簧片自動測試分選系統的硬件原理

圖2所示是彈簧片自動測試分選系統的控制原理框圖，單片機C8051F350是該系統的控制中心，由于其具有功能強大且靈活多變的接口配置功能，特別是具有24位Δ-Σ模數轉換器接口，使得硬件電路不需要太多的外擴芯片，即可實現LCD液晶顯示接口，LED指示矩陣接口及鍵盤掃描接口等，大大簡化了系統結構。

荷重傳感器的輸出毫伏電壓送到模擬輸入端，經過24位ADC接口，單片機求得加力值，再根據步進電機的位移量，按照系統數學模型，計算出彈簧的彈性系數k和支撐力F。在完成一片彈簧片測試后，還需要將彈簧片按支撐力和彈性系數記入系統配對庫中，以備將來進行配對操作。為了方便對一組彈簧片進行連續測試和裝入系統配對庫，系統的分選板上有一個10×20掛釘矩陣，每個掛釘位置旁邊，都有一個LED指示器，掛釘矩陣的X坐標值代表支撐力F，Y坐標值代表彈性系數K，單片機以串行方式和矩陣邏輯電路連接。

4 測試系統的軟件設計

本系統軟件的設計采用了結構化、模塊化的程序設計方法，由主程序、中斷服務程序和功能子程序組成。主程序結構簡明，主要完成對單片機系統及分選機構的初始化，對鍵盤的掃描，并跳轉到相應的功能模塊中去。中斷服務程序主要包括ADC中斷程序，步進電機變頻驅動程序，鍵盤中斷程序，分選機構程序等。子程序主要包括設置模塊、測試模塊、分選板驅動模塊和校準模塊，以及LCD和LED驅動子程序、復位和數學運算子程序等。

其中，校準模塊是保證精確測量的關鍵，主要有砝碼校準和零位校準。砝碼校準用一個標準砝碼對荷重傳感器進行校準，零位校準通過對測試頭機械部分的調試，得到彈簧片的壓平位置并記憶。

設置模塊用于設置分選板X方向的支撐力的原點和步距，以及Y方向的彈性系數的原點和步距，設置模塊更重要的作用是通過對標準彈簧片的測量，得到一個支撐力和彈性系數的修正值并記憶，從而保證多臺測試設備的測試數據，具有良好的一致性。

初始化Δ-Σ模數轉換器是正確使用C8051F350單片機的關鍵。設系統內部時鐘頻率為49MHz，調制器的最佳時鐘頻率為2.4576MHz，則濾波器的抽取比為20，初始化程序如下：

ORL REF0CN，#01H ；選擇內部參考電壓

MOV ADC0CN，#10H；雙極性，BURNOUT電流源關，增益為1

MOV ADC0CF，#00H；SINC3

濾波器，內部參考電壓2.5V

MOV ADC0CLK，#13H；設置調制器時鐘分頻

MOV ADC0DECH，#03H；設置抽取比寄存器

MOV ADC0DECL，#0BEH

MOV ADC0BUF，#00H；將輸入緩沖器旁路

MOV ADC0MUX，#10H；選擇雙極性輸入端

MOV ADC0MD，#81H；啟動ADC0為內部校準方式

JNB AD0CALC，$；等待校準完成

ORL EIE1，#08H；允許 ADC0中斷

MOV ADC0MD，#80H；激活ADC0為空閑方式

CLR AD0INT；清中斷標志位

MOV ADC0MD，#83H；啟動ADC0為連續轉換方式

5 結語

基于混合信號單片機C8051F350的彈簧片自動測試與分選系統的研制成功，解決了地震檢波器生產領域里的難題，經過兩年多的使用，該系統測控方案正確，精度達到了設計要求，即：彈性系數小于7.8g/mm，支撐力小于10g，K值全程分度0.05。由于主芯片集成度高，大大簡化了系統，提高了穩定性和可靠性，對提高產品質量發揮了積極的作用。

參考文獻：

[1] C8051F35x Data Sheet.Silicon Labs

[2]王鎖弘.一種對地震檢波器用彈簧片進行自動檢測與分選的系統：中國，2012101136813[P]

[3]李德貴；李思琦.基于C8051F350及CC1000的高精度無線水溫測量系統設計[J]，電子產品世界；2013（5）

[4]趙婷，姚竹亭，房東東，等. 基于MCS51的出租車計價器設計與仿真[J]；電子產品世界，2013（2）

[5]包海濤.嵌入式SOC系統開發與工程實例.北京：航空航天大學出版社，2009