C8051F340单片机对智能测量系统的控制设计

1 引言

智能测量在各行各业已得到广泛的应用，测量所得到的数据可以通过串口或经外部的 USB 桥接器桥接后经 USB 口与上位机 交换 数据。如果单片机本身已集成了 USB通讯模块，这将大大降低系统成本，提高系统的可靠性。本系统正是基于此而选用 C8051F34x 芯片，它是SILICon Laboratories 公司最新推出的一款可提供 USB 功能的混合信号微控制器 的高度集成产品［1］，包含了高速管线的 8051 兼容微控制器核心，可以在高达 48 MIPS 的速率下工作，它提供 64 KB 的芯片内建闪存以及 5376 字节的 RAM，其中 70%的指令可以在一个或两个机器周期中执行，并获得同等级中最佳的 CPU 传输率；USB 功能控制器具有完整的 USB 2.0 认证，支持全速与低速操作并包含 8 个端点管线；模拟外设包含一个真正 10位 200 ksps 差分或单端 ADC，可以支持高达 17 个外部模拟输入；时序功能可以通过 4 个通用型 16 位定时器或一个 5 通道的可编程计数器/定时器阵列（PCA）来实现，在此有 5 个全功 能端口可以提供 40 个可控制的 I/O 引脚（5 个 8 位口）。

图 1 系统结构框图

智能数据采集系统包括：步进电机控制、数据采集、数据传输、数据处理等部分（如图1 所示）。为了进一步提高系统的可靠性和降低成本，本文提出了采用片上系统（SOC）的解决方案——基于C8051F340 的智能测量模块，该模块接收上位机的指令来控制步进电机的动 作，对传感器送来的信号进行A/D转换，向上位机传送测量数据。

2 模块的工作原理和功能

智能测量模块的核心是片上系统（SOC），即 C8051F340 单片机，它具有 USB 通信端口和 A/D 转换模块。通过应用 C8051F340 内含的数字端口实现对步进电机的控制，A/D 模块 对模拟输入端的信号进行数据采集，通过芯片中的 USB 端口与上位机进行数据 交换 。采用C8051F340 单片机后，可以充分利用芯片的内部资源，从而节约系统成本。

2.1 步进电机控制功能

步进电机的控制量为时钟脉冲、启、停和方向控制信号。在实际应用中启、停信号和方 向控制信号相对来说比较简单，只要向指定的数字端口输出高、低电平就能控制步进电机的启动、停止、正向和逆向转动。 步进电机所需的时钟脉冲则要通过对片内定时器进行编程，使用定时中断在指定的数字端口输出脉冲信号。C8051F340 内含的定时器 2 是一个 16 位的计数器/定时器（见图 2），由两个 8 位的 SFR 组成：TMR2L（低字节）和 TMR2H（高字节）。定时器 2 可以工作在 16 位自动 重装载方式、8 位自动重装载方式（两个 8 位定时器）或 USB 帧起始（SOF）捕捉方式。当T2SPLIT =“0”且 T2SOF =“0”时，定时器 2 工作在自动重装载的 16 位定时器方式。

图 2 定时器 2 的 16 位方式原理图

定时器 2 可以使用 SYSCLK、SYSCLK/12 或外部振荡器时钟/8 作为时钟源。当 16 位定 时器寄存器发生溢出（从 0xFFFF 到 0x0000）时，定时器 2 重载寄存器（TMR2RLH 和 TMR2RLL） 中的 16 位计数初值被自动装入到定时器 2 寄存器对 TMR2H:TMR2L，并将定时器 2 高字节 溢出标志 TF2H 置“1”。如果定时器 2 中断被允许，每次溢出都将产生中断。在定时器 2 的中断服务程序中，可根据上位机下达的指令，对中断次数进行计数。当中 断次数达到指定数值时立即改变指定端口的数值（0 变 1、1 变 0），从而就能在该数字端口产 生一个指定脉宽的脉冲信号。智能测量模块采用 C8051F340 片内振荡器（12MHz）产生的 SYSCLK/12 作为定时器的时钟源，数字端口设置为推挽输出，当重载寄存器的值为 0xFF64 时能在数字端口输出最高为3205Hz 的方波。由于所选用的芯片是低电压、低功耗的高速器件，有时还存在着数字端口与步进电机控制威廉希尔官方网站 之间信号电平的匹配问题，为此可选用相应的电平转移威廉希尔官方网站 来解决。

2.2 数据采集和处理功能

C8051F340 内部有一个 10 位 SAR ADC 和一个差分输入多路选择器。该 ADC 工作在200ksps 的最大采样速率时可提供真正 10 位的线性度。ADC 系统包含一个可编程的模拟多 路选择器，用于选择 ADC 的正输入和负输入以及测量信号源。A/D 转换可以有 6 种启动方式：软件命令、定时器 0 溢出、定时器 1 溢出、定时器 2 溢出、定时器 3 溢出或外部转换启动信号。这种灵活性允许用软件事件、周期性信号（定时器溢出）或外部硬件信号触发转换。 一个状态位用于指示转换完成，或产生中断（如果被允许）。转换结束后 10 位结果数据字被锁存到 ADC 数据寄存器，即 ADC0H 和 ADC0L 中（见图 3）。

图3 10位ADC威廉希尔官方网站 图

智能测量模块在数据采集时，GND 被选择为负输入，则 ADC0 工作在单端方式，转化 码为 10 位无符号整数，所测量的输入信号范围为 0 ~VREF×1023/1024。VREF 为 A/D 转换 时的参考电压，可用片内提供的基准电压。转换数据在寄存器对 ADC0H:ADC0L 中的 存储 方式可以是左对齐或右对齐，采用右对齐时测量结果的数值范围为 0 ~0x3FF。向 AD0BUSY 写“1”方式提供了用软件控制 ADC0 转换的能力。AD0BUSY 位在转换期间被置“1”，转 换结束后复“0”。在定时器 2 的中断服务程序中，可根据步进电机的工作模式和上位机的指令，确定步进 电机运动多少步后再启动 A/D （AD0BUSY 写“1”）——采集数据，并将数据保存在闪存中。 对于被测信号电平有严格的要求，前置放大器的输出级可用运放 OP07 组成电压跟随威廉希尔官方网站 ，并在输出端加装限压保护威廉希尔官方网站 以保证单片机模拟输入端的 安全 。

2.3 数据通信功能

C8051F340 集成了 USB 功能控制器，用于实现 USB 接口的外部设备（C8051F340 不能作 USB 主设备），USB 功能控制器和收发器具有完整的 USB 2.0 认证，支持全速与低速操作 并包含 8 个端点管线，控制端点（端点 0）总是作为双向 IN/OUT 端点，其它端点被作为 3 对IN/OUT 端点管线，通信速度可通过特殊功能寄存器 USB0XCN 中的 SPEED 位选择，要使USB0 工作在全速方式，USB0 的时钟必须为 48 MHz。当 USB 接收数据时，串行接口引擎SIE）在接收完一个完整的数据包后中断处理器；相应的握手信号由 SIE 自动产生。当发送 数据时，SIE 在发送完一个完整的数据包并且收到相应的握手信号后中断处理器。智能测量模块采用 C8051F340 片内振荡器（12MHz）产生的 SYSCLK，经内置的 4 倍时钟 乘法器产生 48MHz 时钟，使 USB0 工作在全速方式。模块设置成通过端点 1 向上位机发送数据，端点 2 接收上位机送来的数据，USB 工作在中断方式。

3 软件设计及系统 测试

模块通讯 协议 的三层结构模型为：物理层、数据链路层和应用层。物理层和数据链路层的功能包括各种通讯帧结构的组织和收发， 是由 SOC 本身实现的， 因此系统的开发将集中在应用层软件的设计。

固件程序主要包括初始化、主控程序和 3 个中断服务程序。模块初始化部分就是要定义SOC 的工作频率，定义模拟、数字端口的输入/输出模式，定义 USB 中断、定时器 2 中断和A/D 中断的工作模式；主控程序处理前台任务，主要是响应各类中断和利用公共数据区进行数据交换；步进电机的控制、数据的采集和数据的通信都将利用中断服务程序在后台实现。

图 5 上位机程序框图

上位机程序采用 VC 可视化开发平台，对 USB 端口形成的通信管道进行标准的读写操作，从而实现上位机与 C8051F340 的数据通讯，实时显示现场参数、绘制图形，并对现场参数进行系统分析。

上位机程序采用主线程和辅线程协调工作模式， 可以降低主程序处理时间， 提高通讯效率。

对图 1 所示的系统进行 测试 ：分别对椭圆偏振片、圆偏振片组成的光路进行光强分布测试，步进电机由 C8051F单片机控制，每秒钟转一圈测 200 个数据；PC 机通过 USB 口接收数据，并对数据进行分析和拟合，根据偏振片的不同组合，可得到圆形、椭圆形、腰果形等不同类型的图形。

4 结束语

论文提出的基于 C8051F340 的智能测量系统由于采用小体积贴装芯片，不必外接其它A/D转换和 USB 通信接口器件，减小了整机的体积，提高了整机的性价比和可靠性。测试表明，该模块在实际检测过程中能够准确的提取被测对象的信号特征，各项指标都符合测试要求。

本文作者创新点：采用SILICon Laboratories 公司最新推出的一款微控制器 C8051F340 为 智能测量系统的核心，因其可提供 USB 功能，集测量控制、数据采集、数据通讯为一体，便于软件开发，并减小了整机的体积，提高了整机的性价比和可靠性。