基于51單片機的多通道數(shù)據(jù)采集范圍控制系統(tǒng)

1　引　言
　　在實際應(yīng)用中，對被控對象的物理參數(shù)（溫度、濕度、位移、電流、電壓等）在一定的范圍內(nèi)進行控制，是單片機的典型應(yīng)用之一。很多宏觀要求精確控制的場合，其微觀控制過程，仍可歸結(jié)為是對某些參數(shù)變化范圍的控制。如，傳統(tǒng)的三相異步電機從啟動到正常運行，其電流、電壓和溫度的變化；抽水塔水位的變化；機床刀具的行程變化及數(shù)字電表的自動量程變換等。這些控制過程最顯著的特點是：被控物理量都是一個變化范圍，而非某一個精確的“點”。有效控制物理量變化范圍的方法很多，本文重點介紹利用C8051F000單片機片內(nèi)8路高性能的12位ADC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和可編程窗口檢測器，實現(xiàn)對多路參數(shù)變化范圍控制的硬件組成和軟件設(shè)計方法。
2　C8051Fxxx系列單片機介紹
　　美國Cygnal公司是專業(yè)從事混合信號片上系統(tǒng)單片機設(shè)計與制造的一家新興半導(dǎo)體公司。C8051Fxxx系列是該公司以擁有自主產(chǎn)權(quán)并與MCS－51內(nèi)核及指令集完全兼容的CIP－51為內(nèi)核而集成的混合信號片上系統(tǒng)（System on Chip）。片內(nèi)集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬部件，并能方便地通過數(shù)字交叉開關(guān)將內(nèi)部數(shù)字系統(tǒng)資源定向到外部I／O口上。它的特點是：高達25 MIPS的執(zhí)行速度，強大的模擬信號處理和資源控制功能；8路高性能的12位ADC（最大轉(zhuǎn)換速率為100 kSPS）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，兩路12位精度DAC，兩路模擬比較器和ADC可編程窗口檢測器；8K～128K字節(jié)閃速／電可擦除程序存儲器、256～8 448 bit的RAM；覆蓋了典型的串行通信接口，22個中斷源，7個復(fù)位源；先進的JTAG非侵入式在線調(diào)試和看門狗、電源監(jiān)視等可靠的安全機制。該產(chǎn)品匯集了單片機領(lǐng)域許多先進技術(shù)，成為目前功能最強大的8位單片機之一。

3　硬件電路組成及原理
　　電路硬件組成如圖1所示，分成數(shù)據(jù)采集、按鍵控制和顯示輸出三大部分。C8051Fxxx系列的8路模擬量采集通道，通過選擇不同功能的傳感器或電量轉(zhuǎn)換裝置（如電流、電壓互感器、集成溫度傳感器等），就能完成對被測目標(biāo)系統(tǒng)多路參數(shù)的數(shù)據(jù)采集。工作時，系統(tǒng)不斷將各通道采集來的數(shù)據(jù)與用戶事先設(shè)定的上下限極值進行比較，系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)根據(jù)比較結(jié)果，確定是否越限而作出相應(yīng)的操作。系統(tǒng)為5位LED顯示，低4位用來顯示用戶所選定通道的模擬信號大小或上下限極值設(shè)置數(shù)據(jù)，最高位LED4為通道數(shù)字（0～7）顯示位。P0．0～P0．7為各通道越限處理輸出，分別控制相應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)。
3．1　按鍵控制功能
　　這是整個系統(tǒng)最復(fù)雜、但也最能體現(xiàn)設(shè)計思想的一部分。為了方便地選擇通道及顯示設(shè)置數(shù)據(jù)，以盡量少的按鍵完成盡可能多的功能，實現(xiàn)較好的人機界面和軟、硬件資源的有機結(jié)合，在此設(shè)置了選擇通道的“切換”鍵S1、進行ADC窗口檢測器上下限極值設(shè)定的“設(shè)置”鍵S5、改變LED顯示數(shù)據(jù)的“＋”、“－”鍵S3、S4，并要求它每按一次使顯示值加（減）1，如果連續(xù)按鍵超過一定時間（如2s），則顯示值將很快地遞增或遞減。用戶設(shè)置完畢，按下“存儲”鍵S2，可將所設(shè)數(shù)據(jù)保存在非易失性數(shù)據(jù)存儲器FLASH中，避免由于斷電而需重新設(shè)置數(shù)據(jù)。通過軟件設(shè)計完成數(shù)據(jù)的自我備份與保護，不需要另置備用電池，簡化了硬件結(jié)構(gòu)。
3．2　ADC的工作方式及窗口檢測器
　　C8051F000片內(nèi)ADC子系統(tǒng)內(nèi)除集成了1個多通道模擬輸入選擇器（AMUX）、可編程增益放大器（PGA）和1個100 kSPS、12位分辨率的逐次逼近型ADC外，還集成了跟蹤保持電路和可編程窗口檢測器，它們完全由CIP－51通過特殊功能寄存器控制。
　　ADC0CN寄存器：控制轉(zhuǎn)換啟動方式和結(jié)果數(shù)據(jù)存放方式，設(shè)置ADC轉(zhuǎn)換結(jié)束和窗口檢測器中斷標(biāo)志等。A／D轉(zhuǎn)換允許用軟件事件、硬件信號觸發(fā)轉(zhuǎn)換或進行連續(xù)轉(zhuǎn)換，每次轉(zhuǎn)換完成后產(chǎn)生一個中斷，或者用軟件查詢來判斷轉(zhuǎn)換是否結(jié)束，完成后數(shù)據(jù)字被鎖存在指定的寄存器中。
　　AMXOSL、AMXOCF寄存器：ADC通道選擇。當(dāng)AMXOCF＝00H時，AMXOSL從00H～07H分別表示選擇AIN0～AIN7八個模擬輸入通道。
　　ADC0GTH、ADC0GTL寄存器：這兩個存貯單元是ADC可編程窗口檢測器供用戶設(shè)定的上限12位數(shù)據(jù)寄存器。ADC0GTH是高4位，ADC0GTL為低8位。
　　ADC0LTH、ADC0LTL寄存器：ADC可編程窗口檢測器供用戶設(shè)定的下限12位數(shù)據(jù)寄存器。
4　軟件設(shè)計
　　為便于以后的升級和維護，軟件設(shè)計采用積木式模塊化處理，各功能模塊既相互聯(lián)系，又能自成一體。其基本設(shè)計思想是：利用定時／計數(shù)器T3的溢出，定時地啟動ADC轉(zhuǎn)換和窗口比較器中斷。通過中斷處理，將相應(yīng)通道的12位轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)與由用戶設(shè)定的上下限極值作為越限條件進行比較，產(chǎn)生新的中斷輸出，驅(qū)使系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)進行相應(yīng)的調(diào)整，從而達到把數(shù)據(jù)控制在某一范圍內(nèi)的目的。
　　主程序由初始化、顯示、定時比較、按鍵處理等軟件功能模塊組成。圖2為主程序流程框圖。圖3為中斷處理子程序。這里只給出主程序清單，所有被調(diào)用的子程序略。

LOOP0：ACALLWORK0；調(diào)通道“切換”鍵處理子程序。供用戶選擇通道，并顯示其上下限極值
　　ACALL WORK1；調(diào)“存儲”鍵處理子程序，將用戶的設(shè)置值保
存在8000H以后單元的FLASH中
ACALL WORK2；調(diào)“＋”鍵處理子程序，實現(xiàn)顯示數(shù)據(jù)遞增，有連加功能，方便快速調(diào)節(jié)
ACALL WORK3；調(diào)“－”鍵處理子程序，用于遞減地調(diào)節(jié)顯示數(shù)據(jù)，有連減功能，方便快速調(diào)節(jié)
ACALLWORK4；調(diào)“設(shè)置”鍵處理子程序。用戶進入極值設(shè)定狀態(tài)，實現(xiàn)上下限極值顯示的轉(zhuǎn)換ACALLDISP；調(diào)顯示子程序SJMPLOOP0
5　結(jié)束語
　　C8051Fxxx系列單片機自2000年推出以來，其強大的內(nèi)部功能和豐富的片內(nèi)資源，使之能用最簡單的硬件結(jié)構(gòu)實現(xiàn)多通道數(shù)據(jù)范圍的檢測。本文設(shè)計的控制系統(tǒng)只要配置合適的電量傳感器，就可方便地用于各類電力變電系統(tǒng)對三相電流、電壓等進行范圍控制，以確保電網(wǎng)的安全運行，具有良好的推廣應(yīng)用價值。

1　李　剛，林　凌．與8051兼容的高性能、高速單片機——C8051Fxxx．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，20022　肖定柏．LHB型交流互感器在家電中的應(yīng)用．電子技術(shù)，1996（12）：42
3　龔成龍．智能異步電動機綜合保護器設(shè)計．單片機與嵌入系統(tǒng)應(yīng)用，2002（2）：63～65
4　何立民．單片機應(yīng)用技術(shù)選編．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1997
5　潘琢金，施國君．C8051Fxxx高速SOC單片機原理及應(yīng)用．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002
6　李　華，等．MCS－51系列單片機實用接口技術(shù)．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002