李微微

沈陽市裝備制造工程學校，遼寧沈陽 110024

基于Cygnal單片機的多功能檢測實驗裝置的研制

李微微

沈陽市裝備制造工程學校，遼寧沈陽 110024

本文以嵌入式單機C8051F040為核心，電容式位移傳感器、光電式頻率傳感器作為測量變送器、DS18B20智能溫度傳感器作為測量元件，設計了一款基于Cygnal單片機的多功能檢測實驗裝置。

單片機裝置；多功能實驗；位移檢測；頻率檢測

圖1

按照多功能檢測實驗系統(tǒng)功能的要求，確定總體結構如圖1所示，整個設計以Cygnal 8051F040單片機為核心；電容式位移傳感器、光電式頻率傳感器和測溫傳感器DS18B20將被測物理量變換為電信號；鍵盤和數(shù)碼管顯示構成人機接口；通過RS232和CAN總線進行通信。本檢測實驗裝置按硬件可分為主板、顯示板、微控制器板和前面板4個部分。

C8051F040單片機是美國Silicon Laboratories公司出品的，該單片機是完全集成的混合信號系統(tǒng)級芯片SOC（System On Chip），具有 64 個數(shù)字 I/O 引腳，片內(nèi)集成了一個 CAN2.0B控制器。該單片機使用Cygnal的專利CIP-51微控制器內(nèi)核，該內(nèi)核與MCS-51TM指令集完全兼容，可以使用標準 803x/805x的匯編器和編譯器進行軟件開發(fā)。CIP-51 內(nèi)核具有標準8052的所有外設部件，包括5個16位的計數(shù)器/定時器、兩個全雙工UART、256字節(jié)內(nèi)部RAM、128字節(jié)特殊功能寄存器（SFR）地址空間及8個8位寬的 I/O 端口。C8051F040單片機有標準的8051 程序和數(shù)據(jù)地址配置。它包括 256 字節(jié)的數(shù)據(jù)RAM，其中高 128 字節(jié)為雙映射。8051F040單片機具有標準8051的端口（0、1、2和3），同時有4個附加的8位端口（4、5、6和7），因此共有64個通用I/O端口。C8051F040有一個片內(nèi)12位SAR ADC（ADC0） ，一個9通道輸入多路選擇開關和可編程增益放大器。ADC完全由CIP-51通過特殊功能寄存器控制。一個輸入通道被連到內(nèi)部溫度傳感器，其它8個通道接外部輸入。C8051F04x系列MCU內(nèi)部有兩個12位DAC和兩個比較器。C8051F040內(nèi)部有兩個增強型全雙工UART、一個增強型SPI總線和SMBus/I2C。每種串行總線都完全用硬件實現(xiàn)，都能向CIP-51產(chǎn)生中斷，因此需要很少的CPU干預。C8051F040內(nèi)部還有一個控制器局域網(wǎng)（CAN）控制器，使用CAN協(xié)議實現(xiàn)串行通信。

測量變送單元包括電容式位移傳感器、光電式頻率傳感器、溫度傳感器DS18B20。本測量系統(tǒng)選用電容式位移傳感器對微小位移進行測量。利用電容C＝εA/d 和其它結構的關系式通過相應的結構和測量電路可以選擇ε、A、d中三個參數(shù)中，保持二個參數(shù)不變，而只改變其中一個參數(shù)，則可以有測谷物干燥度（ε變）、測位移（d變）和測量液位（A變）等多種電容傳感器。光電轉速傳感器是以光線的投射和接收來完成轉速測量的一種轉速表。傳感器端部二內(nèi)側分別裝有發(fā)光管和光電管，發(fā)光管發(fā)出的光源透過轉盤上通孔后由光電管接收轉換成電信號，由于轉盤上有均勻間隔的6 個孔，轉動時將獲得與轉速有關的脈沖數(shù)，將脈沖計數(shù)處理即可得到轉速值。DS18B20溫度傳感器是美國DALLAS半導體公司推出的一種改進型智能溫度傳感器。DS18B20工作原理：低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度的影響非常小，用于生產(chǎn)固定頻率的脈沖信號送給減法計數(shù)器1，高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩頻率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為減法計數(shù)器2的脈沖輸入，其中還隱含著計數(shù)門。當計數(shù)門打開時，DS18B20就對低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的計數(shù)脈沖進行計數(shù)，進而完成對溫度的測量。

通信單元包括MAX3232通信接口芯片、PCA82C250通用CAN收發(fā)芯片、光電隔離6N137芯片。MAX3232芯片是美信公司專門為電腦的RS-232標準串口設計的單電源電平轉換芯片。本檢測實驗裝置可通過MAX3232芯片進行相互通信或與計算機進行通信。PCA82C250收發(fā)器是協(xié)議控制器和物理傳輸線路之間的接口。此器件對總線提供差動發(fā)送能力，對 CAN 控制器提供差動接收能力。PCA82C250收發(fā)器的典型協(xié)議控制器通過串行數(shù)據(jù)輸出線TX和串行數(shù)據(jù)輸入線RX連接到收發(fā)器。收發(fā)器通過有差動發(fā)送和接收功能的兩個總線終端 CANH和CANL連接到總線電纜。6N137光耦合器是一款用于單通道的高速光耦合器，其內(nèi)部有一個集成檢測器和一個850 nm波長AlGaAs LED組成，其檢測器由一個光敏二極管、高增益線性運放及一個肖特基鉗位的集電極開路的三極管組成。具有溫度、電流和電壓補償?shù)墓δ堋?/p>

本設計采用一片MAX7219完成4位數(shù)碼管的顯示驅動任務，作為人機交互單元。MAX7219是微處理器和共陰極七段——八位LED顯示、圖條/柱圖顯示或64點陣顯示接口的小型串行輸入/輸出芯片。片內(nèi)包括BCD譯碼器、多路掃描控制器、字和位驅動器和8×8靜態(tài)RAM。外部需要一個電阻設置所有LED顯示器字段電流。MAX7219和微處理器只需三根導線連接，每位顯示數(shù)字有一個地址由微處理器寫入。允許使用者選擇每位是BCD譯碼或不譯碼。使用者還可選擇停機模式、數(shù)字亮度控制、從1～8選擇掃描位數(shù)和對所有LED顯示器的測試模式。

該檢測實驗裝置具備測量多種信號，并進行通信和人機交互的能力。同時，該實驗裝置預留有多個連接端口，可以進一步擴展其功能，作為一個新型開發(fā)平臺，我們可以利用它開發(fā)出更多、更好的基于單片機設計的應用程序。

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1674-6708（2011）36-0214-01