基于單片機(jī)C8051的數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王宇

摘要：隨著USB技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代工廠的數(shù)據(jù)采集技術(shù)有了很大的進(jìn)步，C8051單片機(jī)在USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用，使得數(shù)據(jù)采集更加精準(zhǔn)高效，本文對C8051單片機(jī)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，對其在USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用及設(shè)計(jì)方式進(jìn)行探討，給出基于單片機(jī)C8051的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)C8051；USB總線；數(shù)據(jù)采集；控制系統(tǒng)

中圖分類號：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：1007-9416（2017）05-0005-02

數(shù)據(jù)采集和處理技術(shù)的發(fā)展迅速，可以說是日新月異，現(xiàn)在集成技術(shù)和軟件技術(shù)的發(fā)展也越來越快，使得解決問題的能力不斷提高，對于數(shù)據(jù)采集來說，其設(shè)計(jì)方式也在不斷發(fā)生著變化，對于現(xiàn)在的數(shù)據(jù)采集來說，已經(jīng)不僅僅是采集這么簡單了，包括高速、復(fù)雜的運(yùn)算和信號處理，要求數(shù)據(jù)采集的可擴(kuò)展性和易用性越來越高。

1 單片機(jī)C8051的概述

1.1 單片機(jī)C8051出現(xiàn)的背景

對于單片機(jī)來說，先后經(jīng)歷了單片微型計(jì)算機(jī)SCM、微控制器器MCU以及片上系統(tǒng)SOC三個(gè)階段，MCS-51是單片微型計(jì)算機(jī)SCM的代表，80C51是微控制器器MCU的代表。隨著嵌入式領(lǐng)域的深入發(fā)展，對單片機(jī)的性能和功能的要求越來越高，C8051F系列單片機(jī)就是在這樣的背景下出現(xiàn)的，是片上系統(tǒng)SOC的代表，無論是運(yùn)行速度還是集成效果都較前面的系列更先進(jìn)。

1.2 單片機(jī)C8051系列的特點(diǎn)概述

由于單片機(jī)C8051將8051指令集全部兼容了，所以其上手非常快，其開發(fā)工具較為容易，使用起來非常方便，可以極大的縮短研發(fā)周期，加之C8051系列單片機(jī)的調(diào)試手段非常靈活使得其見效非常快，可以在極短的時(shí)間內(nèi)看到成效。其性能優(yōu)勢也非常顯著，主要表現(xiàn)在：

（1）CIP-51內(nèi)核的增強(qiáng)，在此基礎(chǔ)上將指令集和MCS-51進(jìn)行了完全兼容，使得8051的組織結(jié)構(gòu)非常標(biāo)準(zhǔn)化，在進(jìn)行軟件開發(fā)時(shí)，利用標(biāo)準(zhǔn)的803x/805x匯編器和編譯器，可以使開發(fā)效率更高。對于運(yùn)行速度來說，采用CIP-51流水線結(jié)構(gòu)，使得其執(zhí)行速度是標(biāo)準(zhǔn)8051的12倍，C8051F120的峰值執(zhí)行速度可以達(dá)到100MIPS，目前來看，是世界上速度最快的8位單片機(jī)。

（2）中斷源的增加。對于標(biāo)準(zhǔn)的8051單片機(jī)來說，其中斷源只有7個(gè)，C8051F系列單片機(jī)對中斷源進(jìn)行了擴(kuò)展，可以更加方便的進(jìn)行實(shí)時(shí)多任務(wù)系統(tǒng)的處理，擴(kuò)展的中斷系統(tǒng)通過向CIP-51提供22個(gè)中斷源，可以使得在進(jìn)行大量的數(shù)字外設(shè)和模擬中斷時(shí)，CPU干預(yù)可以減少但是執(zhí)行效率反而會(huì)提高。

（3）豐富的模擬資源的集成。C8051系列單片機(jī)對單個(gè)或兩個(gè)ADC進(jìn)行了集成，通過片內(nèi)模擬開關(guān)，可以實(shí)現(xiàn)對多路模擬信號的采集轉(zhuǎn)換，其采樣精度及采樣速率都是非常高的，有的型號單片機(jī)還將高分辨率DAC進(jìn)行了集成，使得絕大多數(shù)混合信號系統(tǒng)的應(yīng)用更加高效，還可以實(shí)現(xiàn)與模擬電子系統(tǒng)的無縫對接，對于檢測環(huán)境的溫度的監(jiān)測可以通過片內(nèi)溫度傳感器進(jìn)行迅速而準(zhǔn)確的監(jiān)測，并作出相應(yīng)的處理，使得運(yùn)行系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到提高。

（4）外部設(shè)備接口進(jìn)行了增加，根據(jù)不同需要集成了SMBus、SPI、USB、CAN、LIN等接口，對于外設(shè)接口來說，在其不使用的情況下可以進(jìn)行分別禁止，進(jìn)而可以減少系統(tǒng)功耗。在信號處理方面，C8051單片機(jī)可以對所采集的信號進(jìn)行快速的算法處理，還可以更加快速的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送。還可以通過對空閑模式和停機(jī)模式的電源模式進(jìn)行不同的管理，以達(dá)到降低系統(tǒng)功耗的目的。

（5）I/O的配置變?yōu)榱私徊骈_關(guān)。改變了以前的I/O端口占用引腳多且配置不夠靈活的缺點(diǎn)，以硬件方式通過開關(guān)網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)I/O端口的靈活配置。復(fù)位方式也變得多樣化，有上電復(fù)位、掉電復(fù)位、外部引腳復(fù)位、軟件復(fù)位、時(shí)鐘檢測復(fù)位、WDO復(fù)位等多種復(fù)位方式，使得系統(tǒng)的安全性、操作的靈活性得到了更好的保障，還可以方便零功耗系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

（6）C8051單片機(jī)具有齊全的型號，可以根據(jù)不同的設(shè)計(jì)需要選擇不同型號的單片機(jī)，而且可以極大地節(jié)約開發(fā)成本，集成度高，成為了嵌入式領(lǐng)域的主要代表。

1.3 C8051單片機(jī)的功能

C8051單片機(jī)可以作為微控制器的內(nèi)核，可以進(jìn)行片上存儲(chǔ)、實(shí)現(xiàn)模擬外設(shè)，其數(shù)字I/O還可以應(yīng)用于各種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。

2 單片機(jī)數(shù)據(jù)采集過程中的注意事項(xiàng)

2.1 對系統(tǒng)輸入信號的充分考慮

對于數(shù)據(jù)采集來說，其信號輸入是非常重要的環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的信號輸入線路采集速度慢、溫漂大、無法滿足信號輸入的需求。對于C8051單片機(jī)來說，其對信輸入電路的設(shè)計(jì)更加完善、更加合理，通過將模擬量直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，可以將輸入信號更加穩(wěn)定的傳給平臺(tái)通信，其信號輸入電路設(shè)計(jì)簡單實(shí)用、采集速率快且精度高，其穩(wěn)定通信平臺(tái)與RS422通信模式的連接可以使信號輸入的抗干擾性更強(qiáng)。信號輸入系統(tǒng)由C8051單片機(jī)、晶體、電源模塊以及RS422通信模塊組成，經(jīng)過DC28S5電源模塊的處理，可以將28V電源轉(zhuǎn)化為5V，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)給操作桿的供電，然后將經(jīng)過操作桿處理的模擬信號連接到單片機(jī)ADC輸入端口上，然后將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，存儲(chǔ)在內(nèi)存上，然后再發(fā)送給穩(wěn)定平臺(tái)，所以，對于單片機(jī)系統(tǒng)輸入信號的考慮，重點(diǎn)在于信號輸入電路的設(shè)計(jì)。

2.2 對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理規(guī)劃

對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的合理規(guī)劃，主要考慮系統(tǒng)軟件、硬件及固件設(shè)計(jì)的合理性，注重對相關(guān)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的合理搭配，一般對于硬件系統(tǒng)來說，C8051單片機(jī)的自身硬件配置基本就可以滿足數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，只需要根據(jù)相應(yīng)的具體情況進(jìn)行一定的添置即可，不需要進(jìn)行特別的其他設(shè)計(jì)。對于軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要注重對數(shù)據(jù)采集這一模塊的重視即可，對于數(shù)據(jù)采集的電路設(shè)計(jì)是軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，在進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的合理規(guī)劃時(shí)，這些都是規(guī)劃設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，怎樣才能使得各個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行在組合在一起之發(fā)揮出最大的功效，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)最應(yīng)該考慮的問題。對于固件的搭配，也需要一定的考慮，主要以軟件、硬件以及系統(tǒng)的需要進(jìn)行選擇，盡可能地保證系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)規(guī)劃合理，滿足各方面的需求，還不會(huì)造成運(yùn)行混亂，保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定高效即可。endprint

2.3 對系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性進(jìn)行思考

一個(gè)數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)自身的穩(wěn)定性都得不到保證如何開展工作，所以，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，對系統(tǒng)的穩(wěn)定性要做好提前準(zhǔn)備，保證系統(tǒng)整體運(yùn)行的流暢，需要對整個(gè)系統(tǒng)的每一部分進(jìn)行考量，可以運(yùn)用分層測量的方法來保證整體運(yùn)行的穩(wěn)定性，主要注重對數(shù)據(jù)輸入電路運(yùn)行的穩(wěn)穩(wěn)定，保證各種線路的安全以及電源電壓的合理可靠，盡可能地降低發(fā)生故障的風(fēng)險(xiǎn)。

2.4 對應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)應(yīng)該科學(xué)

對于應(yīng)用軟件來說，是整個(gè)系統(tǒng)最終的成效檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，C8051單片機(jī)的應(yīng)用廣泛，其在各個(gè)領(lǐng)域都有涉及，對于應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)應(yīng)該將重點(diǎn)放在C8051單片機(jī)型號的選擇上，對于不同需要的系統(tǒng)來說對單片機(jī)的需要也是不盡相同的，所以應(yīng)該科學(xué)的選擇相應(yīng)的型號，保證整個(gè)數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)在運(yùn)用上可以達(dá)到預(yù)期效果，做到軟件應(yīng)用率不斷提高，應(yīng)用效果更加顯著。

3 基于單片機(jī)C8051的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

C8051單片機(jī)系列自帶USB接口，所以對硬件的設(shè)計(jì)只需要外加輸入信號處理電路就可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，這樣的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以極大地減小系統(tǒng)的整體占用面積，還可以降低成本。對于C8051系列單片機(jī)的硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)根據(jù)不同的工作要求進(jìn)行選擇，很多單片機(jī)都具備模擬多路選擇器、可編程增益放大器、ADC、DAC、電壓比較器、電壓基準(zhǔn)、溫度傳感器、UART、SPI、可編程計(jì)數(shù)器、數(shù)字I/O端口，這些都是硬件配置，在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該注重對A/D轉(zhuǎn)換器、微控制器以及USB通信口的配置，微課擴(kuò)大數(shù)據(jù)采集的范圍，還可以加上多路模擬器開關(guān)和數(shù)字I/O端口，對于不同的C8051單片機(jī)，其USB接口的安裝情況也不同，對于內(nèi)置USB數(shù)據(jù)接口來說，可以極大的簡化部分硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，其硬件端口設(shè)置及信號輸入電路設(shè)置也會(huì)隨之發(fā)生一定的改變。

3.2 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

對于軟件設(shè)計(jì)來說，其編成主要包括主程序、A/D采集子程序和串口通信子程序，為了提高采集的精度，對于軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要經(jīng)過多方面的考慮，而且對于數(shù)據(jù)采集需要經(jīng)過多次采集累加后求平均值的方法來提高數(shù)據(jù)采集的精度，但是對于采集速度也有著一定的要求，不能進(jìn)行無限制的采集，所以八次采樣即可滿足要求，既保證了采集的精度也保證了速度。根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際工作環(huán)境，還應(yīng)該對軟件控制系統(tǒng)進(jìn)行合適的選擇，恰當(dāng)?shù)耐ㄐ沤涌谑沁x擇的關(guān)鍵和前提，合理設(shè)計(jì)通信的軟件系統(tǒng)，提高可靠度、抗干擾性和容錯(cuò)能力。對于軟件設(shè)計(jì)主要從USB外設(shè)端的單片機(jī)固件程序、主機(jī)操作系統(tǒng)上的客戶驅(qū)動(dòng)程序以及主機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)三方面進(jìn)行設(shè)計(jì)考慮，可以通過Visual、Basic、Visual C++等軟件來進(jìn)行系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)，并生成相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

3.3 最終成果的測試

對于單片機(jī)C8051的系統(tǒng)調(diào)試是進(jìn)行檢測的關(guān)鍵，對于不同的單片機(jī)來說，其內(nèi)部調(diào)試電路的結(jié)構(gòu)和原理也各不相同，為了保證調(diào)試的合理性可行性，可以通過單片機(jī)的內(nèi)部調(diào)試來實(shí)行，對不同型號單片機(jī)的調(diào)試電路的設(shè)計(jì)也就成為了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重中之重，對于調(diào)試電路型號的選擇要根據(jù)單片機(jī)型號來確定，對于電路的設(shè)計(jì)要滿足系統(tǒng)運(yùn)行的需要，保證調(diào)試系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠，確保單片機(jī)數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)合理安全高效。最終結(jié)果的檢測還可以通過實(shí)驗(yàn)法來操作，通過開展試驗(yàn)，對運(yùn)行過程中存在的不足進(jìn)行改進(jìn)，并且在實(shí)驗(yàn)中可以更直觀的了解問題，進(jìn)而提出解決問題的合理方案，及時(shí)進(jìn)行調(diào)整還可以較少設(shè)計(jì)成本，避免浪費(fèi)。

4 結(jié)語

基于單片機(jī)C8051的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案有很多可供選擇的方案，對于具體的系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要進(jìn)行具體的分析設(shè)計(jì)，對于基于單片機(jī)C8051的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)該始終遵循著合理考慮、全面規(guī)劃、科學(xué)設(shè)計(jì)的原則，保證其數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)的安全可靠，穩(wěn)定運(yùn)行，在完成設(shè)計(jì)后還應(yīng)該重視對數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)進(jìn)性調(diào)試，對其性能及運(yùn)行進(jìn)行檢測，對不合格的部分及時(shí)進(jìn)行修改，對運(yùn)行中出乎意料的部分進(jìn)行記錄，為下次設(shè)計(jì)積累經(jīng)驗(yàn)，針對優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)也設(shè)最后調(diào)試部分應(yīng)該重視的工作。

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