C8051F單片機在遠端測控裝置中的應用

摘  要：本文介紹了C8051F系列單片機在遠端測控裝置中的應用，給出了整個(gè)系統的結構，包括硬件配置和系統網(wǎng)絡(luò )構成，對一些技術(shù)問(wèn)題也做出了詳盡的說(shuō)明。

關(guān)鍵詞：C8051F ；遠端測控；硬件配置

    C8051F單片機是完全集成的混合信號系統芯片(SoC)，具有與8051指令集完全兼容的CIP-51內核和高速、高性能、高集成度等特點(diǎn)。在本文設計的一套遠端測控裝置中取得了較好的效果。

系統簡(jiǎn)介

    遠端測控裝置是一種現場(chǎng)可編程的控制器，它能完成數據的采集控制，而通過(guò)遠程通信的方式(如電臺、CDMA、撥號等)將數據上傳至中心站或接收中心站的遙控指令。它往往被安裝在比較分散、環(huán)境比較惡劣、無(wú)電源保障(經(jīng)常斷電或使用太陽(yáng)能)且無(wú)人值守的地方，因此它運行的可靠性和功耗就顯得尤為重要了。C8051F單片機的工業(yè)級工作溫度(-40℃~+84℃)、低電壓、低功耗、自帶看門(mén)狗和多復位源等特點(diǎn)滿(mǎn)足了此系統的要求。

    基于此系統的定位，選用C8051F064做主控部分，C8051F236做從屬部分。系統要求具有輸入／輸出點(diǎn)可靈活配置、多通信端口、可現場(chǎng)修改配置等性能。

    系統結構如圖1所示，系統采用220VAC或24VDC供電，主單元功耗3.3W，每個(gè)從單元功耗2.2W，最多可以擴展8個(gè)從單元。

　　圖1 系統結構圖

主單元結構

　　主單元結構如圖2所示，根據系統的特點(diǎn)將C8051F064的功能做如下配置：

存儲器

　　C8051F064內部自帶4352字節RAM和128字節的Flash，由于系統對數據的實(shí)時(shí)性要求不高且采用遠程通信方式，為了降低功耗，往往將大量數據緩存，在一定的時(shí)間集中發(fā)送，所以需要比較大的數據存儲區，利用外部數據和地址總線(xiàn)可以擴展32KB的RAM。另外，作為現場(chǎng)可編程設備，需要設定大量的參數，而這些參數都需要掉電保持，所以，除了使用單片機內部的128字節的非易失RAM之外，還擴展了一個(gè)8KB的E2PROM.{{分頁(yè)}}

地址和數據總線(xiàn)的利用

    地址和數據總線(xiàn)采用復用的方式，C8051F064支持64KB的外部存儲空間，擴展RAM為32KB，所以，剩下地址線(xiàn)A15是空余的，利用A15和其他低位的數據線(xiàn)，用與非門(mén)就可以構成片選信號，用來(lái)選擇總線(xiàn)上的設備。在總線(xiàn)上還外掛了一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘，用來(lái)作為系統的時(shí)間標志，由于此芯片內帶有電池保持的RAM，對于頻繁操作且需要保持的數據就可以存在此處，這樣可以避免內部非易失RAM和E2PROM的復雜操作。另外，現場(chǎng)的數字I/O也可以用總線(xiàn)和片選經(jīng)光電隔離構成，這樣可以大量縮減單片機的引腳。

　　圖2 主單元結構圖

串口

    C8051F064內部帶有兩個(gè)UART，其中串口0經(jīng)光電隔離轉換為RS-485信號,用于跟現場(chǎng)的其他設備連接，串口1再加上6個(gè)GPIO口經(jīng)電平轉換后成為全功能標準的RS-232接口,用于與Modem、電臺、CDMA等連接。用C8051F064的SPI口經(jīng)MAX3100擴展成UART，通過(guò)外部的可選配件，轉變成RS-232或RS-485信號。

模擬量

    C8051F064的模擬量輸入最高不超過(guò)3.6V，所以接入信號時(shí)要注意其范圍，針對此系統，由于現場(chǎng)信號大部分是4mA~20mA電流,因此用100Ω的精密電阻，配上2.5V的精密電壓源，可以將模擬量的精度調整到1‰。另外，啟動(dòng)內部ADC0的窗口檢測功能，可以方便地實(shí)現模擬量的上下限越限報警功能。

數字量

    大部分數字量直接掛在總線(xiàn)上，另外，有兩路開(kāi)關(guān)量輸入直接接到單片機引腳，并在內部分配這兩個(gè)引腳為定時(shí)/計數器的輸入，這兩路就可以兼做脈沖量了。

單片機資源分配

    C8051F064的端口功能分配使用交叉開(kāi)關(guān)的方式，而且還帶有優(yōu)先級，這種方式很靈活，但是要求設計師在電路設計時(shí)就要將內部的功能分配就緒，也就是說(shuō)電路板加工完成后就不可以隨意修改交叉開(kāi)關(guān)了。

復位

    C8051F064除了實(shí)現傳統的RESET信號復位外，還有上電、掉電、外部信號、軟件命令、比較器0、時(shí)鐘丟失檢測及開(kāi)門(mén)狗等復位功能，共7種復位方式。單片機復位后可以通過(guò)查詢(xún)寄存器得知是何原因引起的復位，這對數據的處理和故障分析都是很有用的。本系統使用的是上電、軟件命令、時(shí)鐘丟失和看門(mén)狗，增加軟件命令復位的原因是：由于這些設備的安裝地點(diǎn)都是比較偏遠的，當中心站察覺(jué)此設備異常時(shí)，可以將其重新啟動(dòng)，以解決一些異常問(wèn)題。{{分頁(yè)}}

　　圖3 從模塊結構圖

一些技術(shù)問(wèn)題

數據的存儲

    在這個(gè)系統中有多個(gè)可以存儲數據的存儲器，如256字節的內部RAM、4KB的內部擴展RAM、32KB的外擴RAM、128字節的Flash、實(shí)時(shí)時(shí)鐘內114字節的電池保持RAM和外擴8KB的E2PROM，這么多的數據存儲區，一定要仔細分配其用途，以便充分發(fā)揮功能和速度。本系統作如下分配：256字節的內部RAM讀寫(xiě)速度最快，而且它是單片機內核所占用的，所以要減少使用，它用在對速度要求較高且頻繁使用的地方，如中斷內的變量等；4KB內部擴展RAM和32KB外擴RAM的地位是等同的，一般用作程序的中間變量；128字節的Flash是整片修改的，所以修改之前要把所有數據讀到緩沖區，將要修改的字節改掉，再把整片擦除，然后把數據寫(xiě)入。雖然寫(xiě)比較麻煩，但是讀取很方便，所以用它存放一些不經(jīng)常改動(dòng)而且需要掉電保持的數據，如模擬量的修正值等；實(shí)時(shí)時(shí)鐘內114字節的RAM讀寫(xiě)速度較快，而且訪(fǎng)問(wèn)方便，所以用它存放需要掉電保持的中間變量，這樣可以隨意讀寫(xiě)；8KB的E2PROM受總線(xiàn)邏輯的限制，讀寫(xiě)較慢，但數據區較大，用來(lái)存放功能的設定值，在程序初始化的時(shí)候把它讀出并放到中間變量區，以后不對其操作，修改內部數據操作不宜在中斷中進(jìn)行，防止延長(cháng)中斷時(shí)間。

看門(mén)狗

    本文采用的是22.1184MHz晶振，那么看門(mén)狗監控時(shí)間最長(cháng)只有47.4ms,這對實(shí)時(shí)性要求不高。本文采用中斷喂狗的方式。一般來(lái)說(shuō)單純的中斷喂狗是不可以的，因為程序中起作用的是主循環(huán)，而當主循環(huán)進(jìn)入非正常狀態(tài)時(shí)，中斷往往還在進(jìn)行，所以用中斷喂狗還需主循環(huán)配合。這里采用的是5ms中斷喂狗，在中斷中用變量a累加，當a累加到100時(shí)，就不再喂狗；而主循環(huán)內不斷將a清0，這樣就可以把看門(mén)狗的時(shí)間延長(cháng)到500ms。

模擬量濾波

    C8051F064的ADC是逐次逼近型的，雖然速度快至1MSPS，但數據的抖動(dòng)特別大，所以在混合系統中應用時(shí)，外圍一定要加濾波電路，如果在硬件設計中沒(méi)有考慮也沒(méi)關(guān)系，可以充分利用它的速度，在內部采用軟件濾波的方式。本系統對模擬量的采集速度要求不高，只求穩定和準確，在內部采用了20個(gè)點(diǎn)的中位值平均濾波，然后再用20次平均值算法，這樣，就算外圍沒(méi)有任何濾波措施，也能得到很好的效果。{{分頁(yè)}}

從單元結構

    從單元采用底板加模塊的方式，在底板上布置4個(gè)模塊的位置，這幾個(gè)位置的接口要完全相同，這樣可以靈活配置點(diǎn)數。按照系統要求，所有的I/O點(diǎn)都要進(jìn)行電氣隔離，就不需要選擇帶ADC和DAC的單片機了，只需要有足夠的GPIO就可以了，按照這一原則，本系統選用了C8051F236，如圖3所示。從單元保留了主單元設計時(shí)的液晶和鍵盤(pán)接口，雖然大部分參數是在主單元內設置的，但保留這個(gè)接口可以看到模塊的軟件版本號等信息，如果將來(lái)有參數設置的話(huà)，也可以通過(guò)這里設定到單片機內的非易失RAM區。

    主／從間通信采用Modbus協(xié)議，不需要擴展從單元，可以用這個(gè)口與外界的Modbus協(xié)議設備連接。從單元結構比較簡(jiǎn)單，單片機只負責很少一部分工作，在此從略。

系統組網(wǎng)

    在實(shí)際應用中，通常不是使用一個(gè)裝置，而是將多個(gè)裝置連接成一個(gè)有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )一般采用RS-485結構或撥號方式，在距離較近的系統中使用，由中心站對每個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行輪巡；無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )一般采用電臺和CDMA等，與有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )不同的是，這個(gè)鏈路是要收費的，所以通信就不能采用輪巡方式了。在用電臺通信時(shí)，往往是距離較遠，供電較困難，所以應采用遇變則報的方式，對開(kāi)關(guān)量只要變位就發(fā)送，模擬量超過(guò)預設的死區范圍就發(fā)送，由于電臺往往采用頻分復用的方式，所以每個(gè)站都要有自己的時(shí)間片，當有數據需要發(fā)送時(shí)，將數據緩存，當到達自己的時(shí)間片時(shí)，將緩存數據發(fā)送，這樣就不會(huì )出現數據沖突現象了，也利于降低功耗，這對于太陽(yáng)能供電的系統是很有利的。單純的遇變則報是有缺陷的，因為在系統沒(méi)有變化的時(shí)候，他不發(fā)送數據，也就不知道是數據沒(méi)有變化還是這個(gè)站點(diǎn)有問(wèn)題，所以本系統增加了一個(gè)整點(diǎn)平安報的功能，就是在每隔固定的時(shí)間斷，如4小時(shí)，所有站點(diǎn)都把自身所有數據發(fā)送一次，這樣就可以看清問(wèn)題之所在了。在用CDMA通信時(shí)，雖然不存在頻分復用的問(wèn)題，但也要將發(fā)送數據分時(shí)發(fā)送，以免在特定的環(huán)境下，大量的數據在同一時(shí)間涌入數據中心，造成信道堵塞。

系統的測試與運行情況

    系統設計完成后，進(jìn)行了嚴格的測試，單片機的運行速度達到了預期的效果，功耗和整體散熱情況優(yōu)于原有的系統。在電磁兼容實(shí)驗室內進(jìn)行了快速瞬變、輻射抗擾度、靜電放電和電壓突變等實(shí)驗，其指標優(yōu)于國家對此類(lèi)產(chǎn)品的要求。同時(shí)對系統進(jìn)行了高溫(60℃)和低溫試驗(-20℃)、恒定濕熱、振動(dòng)、碰撞、絕緣強度等測試，均優(yōu)于國家標準。在防汛、水網(wǎng)、熱網(wǎng)等多種應用中，用這個(gè)系統與CDMA和電臺等組成無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，最多達到60多個(gè)點(diǎn)，運行穩定可靠。在樓宇控制系統中，采用RS-485組成的有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，也取得了很好的效果。

參考文獻

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