基于CIP-51內核單片機的總磷在線(xiàn)自動(dòng)分析儀

　　1 概述

　　C8051F0XX系列單片機是Cygnal公司新推出的一種混合信號系統級單片機。該系列單片機片內含CIP-51的CPU內核，它的指令系統與MCS-51完全兼容。其中的C8051F020單片機含有64kB片內Flash程序存儲器，4352B的RAM、8個(gè)I/O端口共64根I/O口線(xiàn)、一個(gè)12位A/D轉換器和一個(gè)8位A/D轉換器以及一個(gè)雙12位D/A轉換器、2個(gè)比較器、5個(gè)16位通用定時(shí)器、5個(gè)捕捉/比較模塊的可編程計數/定時(shí)器陣列、看門(mén)狗定時(shí)器、VDD監視器和溫度傳感器等部分。C8051F020單片機支持雙時(shí)鐘，其工作電壓范圍為2.7～3.6V(端口I/O,RST和JTAG引腳的耐壓為5V)。與以前的51系列單片機相比，C8051F020增添了許多功能，同時(shí)其可靠性和速度也有了很大提高。

　　2 C8051F020的功能特點(diǎn)

　　C8051F020芯片的內部功能方框圖如圖1所示。

　　C8051F020微控制器的內核CIP-51在保持CISC結構及指令系統不變的基礎上對指令實(shí)行流水作業(yè)，該器件廢除了機器周期的概念，它的指令以時(shí)鐘周期為運行單位，因而大大提高了指令的運行速度。當晶振為25MHz時(shí)，C8051F020的指令執行速度峰值可達到25MIPS。CIP-51微控制器的存儲器結構與標準的8051類(lèi)似，程序和數據存儲器共享同一地址空間，但可用不同的指令類(lèi)型來(lái)訪(fǎng)問(wèn)。

　　C8051F020帶有8個(gè)I/O端口(64根I/O口線(xiàn))，其中包括四個(gè)低部端口P0～P3(可以位尋址)和四個(gè)高部端口P4～P7(不可以位尋址)。在C8051F020中，可通過(guò)網(wǎng)絡(luò )開(kāi)關(guān)以硬件的方式實(shí)現I/O端口的靈活配置(如圖1所示)，也可以通過(guò)設置相應的寄存器控制交叉開(kāi)關(guān)來(lái)把I/O 口配置為所選擇的特殊功能端口。

　　C8051F020有5個(gè)定時(shí)/計數器：T0、T1、T2、T3、T4。其中T0、T1和T2與標準8051用法一致。T3是一個(gè)具有自動(dòng)重裝載功能的計數器，可以用作啟動(dòng)ADC數據轉換、SMBus定時(shí)和通用計數器。T4可用作自動(dòng)重裝載功能的16位定時(shí)/計數器、有捕獲功能的16位定時(shí)/計數器和 UART1的波特率發(fā)生器。其定時(shí)/計數器的工作模式均可通過(guò)配置相應的特殊功能寄存器來(lái)設定。

　　通過(guò)SPI可訪(fǎng)問(wèn)4線(xiàn)(MOSI、MISO、SCK、NSS)全雙工串行總線(xiàn)。它可以工作于主、從兩種方式。當C8051F020的SPI工作于主方式時(shí)，NSS與數字電源相連接;而當其工作于從方式時(shí)，則通過(guò)NSS來(lái)選通該器件。SPI有全雙工和半雙工兩種操作模式。當C8051F020工作于全雙工模式的主方式時(shí)，可以通過(guò)向數據寄存器SPI0DAT寫(xiě)入一字節來(lái)啟動(dòng)一次數據傳輸。這時(shí)，C8051F020會(huì )立即在MOSI上串行移出數據，并在 SCK上提供串行時(shí)鐘。同時(shí)，從器件也可在MISO線(xiàn)上向C8051F020串行移出寄存器的內容。傳輸結束時(shí)，SPI0CN.7位被置“1”。 C8051F020的SPI可以在一次傳輸操作中移入/移出1～8位數據，以適應不同長(cháng)度的從器件。當SPI未被配置為主器件時(shí)，它將作為從器件工作。

　　SMBus(系統管理總線(xiàn))是雙線(xiàn)雙向串行接口，符合SMBus1.1版本，并與I2C串行總線(xiàn)完全一致。C8051F020的SMBus也可工作于主、從兩種方式。它們在進(jìn)行數據交換時(shí)，均由主器件來(lái)啟動(dòng)。

　　這種新型的C8051F020單片機芯片內部有一個(gè)9通道、12位A/D轉換器ADC0和一個(gè)8通道、8位A/D轉換器ADC1，而且在使用時(shí)可以通過(guò)寄存器配置來(lái)選擇通道號和通道數以及以下四種A/D轉換方式中的一種來(lái)啟動(dòng)。

　　(1)給寄存器ADC0CN的AD0BUSY位寫(xiě)“1”;

　　(2)定時(shí)器3溢出;

　　(3)定時(shí)器2溢出;

　　(4)CNVSTR有上升沿。

　　C8051F020有兩個(gè)12位D/A轉換器DAC0、DAC1，它們也可以通過(guò)寄存器配置來(lái)選擇。啟動(dòng)D/A轉換也有以下四種方式：

　　(1)數據寫(xiě)入到DAC的高字節寄存器;

　　(2)定時(shí)器2溢出;

　　(3)定時(shí)器3溢出;

　　(4)定時(shí)器4溢出。

　　設計時(shí)一般選擇第一種方式，當需要輸出方波時(shí)，可以選擇第二、三、四種方式中的一種。在第一種方式下，也可以先寫(xiě)入DAC的低字節，然后再寫(xiě)入高字節，從而啟動(dòng)一次D/A轉換。

　　新型C8051F020單片機把單一的引腳復位發(fā)展成多源復位，包括上電復位、掉電復位、外部引腳復位、軟件復位、時(shí)鐘丟失檢測復位、比較器0復位、 WDT復位和外部CNVSTR引腳復位等。眾多的復位源為保障系統的安全、操作的靈活性和系統的零功耗設計等帶來(lái)了極大的好處。C8051F020完善的時(shí)鐘系統能夠在滿(mǎn)足相應速度的前提下可使平均時(shí)鐘頻率最低，而多復位源則可使系統在掉電方式下隨意喚醒。

　　C8051F020片內配置了標準的JTAG接口(IEEE1149.1)。在上位機軟件的支持下，通過(guò)串行的JTAG接口可直接對安裝在最終應用系統上的單片機進(jìn)行非侵入式、不占用片內資源、全速在線(xiàn)系統的調試。該調試系統支持觀(guān)察和修改存儲器和寄存器，同時(shí)支持斷點(diǎn)、觀(guān)察點(diǎn)、單步運行及停機命令。在使用JTAG接口進(jìn)行調試時(shí)，所有的模擬和數字外設都可全功能運行。不但如此，C8051F020的JTAG邏輯還可為在系統測試提供邊界掃描功能。通過(guò)邊界寄存器的編程控制可以對所有器件引腳、SFR總線(xiàn)和I/O口的弱上拉功能實(shí)現觀(guān)察和控制。

　　綜上所述，C8051F020是一種集成度高、功能強大的單片機芯片，非常適合于要求速度快、可靠性高、擴展功能強和節電的應用系統。

　　3 總磷在線(xiàn)自動(dòng)分析儀設計

　　磷系藥劑(以有機磷酸鹽為主體的藥劑)以其具有良好的緩蝕阻垢性能和低污染排放，而在工業(yè)水處理中被廣泛采用。由于磷系藥劑的種類(lèi)繁多，且有機磷成分難于直接測量，因此，開(kāi)發(fā)總磷在線(xiàn)分析儀可節能節水、降低污染、提高效率，具有明顯的經(jīng)濟效益和社會(huì )效益。采用UV-光催化及氧化法提高有機磷在水中的分解并監測其分解水樣，以實(shí)現定量分析的系統結構如圖2所示。

　　本儀器以C8051F020為核心，外圍擴展了數據存儲器AT45DB081、時(shí)鐘芯片 DS1687、數字溫度傳感器DS18B20、智能液晶和鍵盤(pán)等，它們主要用于完成信號的采集、按鍵掃描、液晶顯示和報警、溫度檢測、工業(yè)標準信號輸出、控制閥門(mén)的開(kāi)關(guān)和各種光源指示等功能。

　　數據存儲器AT45DB081(SPI串行接口)的存儲容量為8MBit，可以存儲一年的測量數據;時(shí)鐘芯片DS1687(8位并行接口)可以自動(dòng)更新年、月、日、時(shí)、分、秒，用以完成儀器的自動(dòng)標定功能;數字溫度傳感器DS18B20(單總線(xiàn)接口)用于監測溶液的溫度，以保證液體恒溫，加快化學(xué)反應速度，減小測量周期，提高儀器測量的重現性和穩定性;智能液晶(UART串口通信)和按鍵則用于完成人機對話(huà)功能，形成良好的人機界面。

　　該儀器用到的I/O口有40多個(gè)，可用于控制各個(gè)閥門(mén)和各種光源的開(kāi)關(guān)、鍵盤(pán)輸入和DS1687的擴展等，而C8051F020有64根I/O口線(xiàn)，因此可完全滿(mǎn)足需要。

　　利用該硬件電路配以完善的軟件設計可以實(shí)現：鍵盤(pán)操作、液晶顯示、數據采集及檢測、數據輸出、報警光源控制和攪拌器的控制。圖3是儀器系統的工作主流程框圖。在儀器開(kāi)啟時(shí)，程序首先進(jìn)行初始化自檢和設置中斷入口地址，然后刷新液晶顯示屏，讀出DS1687的時(shí)鐘信號并將顯示初始濃度值“0. 000mg/L"送到顯示屏。開(kāi)啟控制閥，注入被測水樣對分解測量杯進(jìn)行預清洗1分鐘，再通過(guò)中斷響應判斷有無(wú)鍵按下。若無(wú)鍵按下，則調用分析子程序以完成一個(gè)周期內的操作，并將計算結果送液晶顯示器顯示，同時(shí)將其輸送到C8051F020的D/A口作為現場(chǎng)標準信號，最后將測量結果存儲到 AT45DB081作為歷史記錄保存。一個(gè)周期測量完畢后，程序返回下一個(gè)測量周期。

　　4 結束語(yǔ)

　　由于該總磷在線(xiàn)自動(dòng)分析儀利用了 C8051F020的D/A轉換、A/D轉換、UART和SPI串行通信等多種增強功能，因此，儀器結構緊湊，設計簡(jiǎn)化。同時(shí)由于該總磷在線(xiàn)自動(dòng)分析儀集恒溫、分解、測量、控制于一體，因而大大簡(jiǎn)化了化學(xué)分析流程，提高了在線(xiàn)分析的檢測速度和穩定性，取得了良好的應用效果。