摘 要：本文介紹了C8051F系列單片機(jī)在遠(yuǎn)端測控裝置中的應(yīng)用，給出了整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，包括硬件配置和系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，對(duì)一些技術(shù)問題也做出了詳盡的說明。
關(guān)鍵詞：C8051F ；遠(yuǎn)端測控；硬件配置
C8051F單片機(jī)是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)芯片(SoC)，具有與8051指令集完全兼容的CIP-51內(nèi)核和高速、高性能、高集成度等特點(diǎn)。在本文設(shè)計(jì)的一套遠(yuǎn)端測控裝置中取得了較好的效果。
系統(tǒng)簡介
遠(yuǎn)端測控裝置是一種現(xiàn)場可編程的控制器，它能完成數(shù)據(jù)的采集控制，而通過遠(yuǎn)程通信的方式(如電臺(tái)、CDMA、撥號(hào)等)將數(shù)據(jù)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、無電源保障(經(jīng)常斷電或使用太陽能)且無人值守的地方，因此它運(yùn)行的可靠性和功耗就顯得尤為重要了。C8051F單片機(jī)的工業(yè)級(jí)工作溫度(-40℃~+84℃)、低電壓、低功耗、自帶看門狗和多復(fù)位源等特點(diǎn)滿足了此系統(tǒng)的要求。
基于此系統(tǒng)的定位，選用C8051F064做主控部分，C8051F236做從屬部分。系統(tǒng)要求具有輸入／輸出點(diǎn)可靈活配置、多通信端口、可現(xiàn)場修改配置等性能。
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)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(kuò)展8個(gè)從單元。
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圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
主單元結(jié)構(gòu)
主單元結(jié)構(gòu)如圖2所示，根據(jù)系統(tǒng)的特點(diǎn)將C8051F064的功能做如下配置：
存儲(chǔ)器
C8051F064內(nèi)部自帶4352字節(jié)RAM和128字節(jié)的Flash，由于系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性要求不高且采用遠(yuǎn)程通信方式，為了降低功耗，往往將大量數(shù)據(jù)緩存，在一定的時(shí)間集中發(fā)送，所以需要比較大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，利用外部數(shù)據(jù)和地址總線可以擴(kuò)展32KB的RAM。另外，作為現(xiàn)場可編程設(shè)備，需要設(shè)定大量的參數(shù)，而這些參數(shù)都需要掉電保持，所以，除了使用單片機(jī)內(nèi)部的128字節(jié)的非易失RAM之外，還擴(kuò)展了一個(gè)8KB的E2PROM.
地址和數(shù)據(jù)總線的利用
地址和數(shù)據(jù)總線采用復(fù)用的方式，C8051F064支持64KB的外部存儲(chǔ)空間，擴(kuò)展RAM為32KB，所以，剩下地址線A15是空余的，利用A15和其他低位的數(shù)據(jù)線，用與非門就可以構(gòu)成片選信號(hào)，用來選擇總線上的設(shè)備。在總線上還外掛了一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘，用來作為系統(tǒng)的時(shí)間標(biāo)志，由于此芯片內(nèi)帶有電池保持的RAM，對(duì)于頻繁操作且需要保持的數(shù)據(jù)就可以存在此處，這樣可以避免內(nèi)部非易失RAM和E2PROM的復(fù)雜操作。另外，現(xiàn)場的數(shù)字I/O也可以用總線和片選經(jīng)光電隔離構(gòu)成，這樣可以大量縮減單片機(jī)的引腳。
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圖2 主單元結(jié)構(gòu)圖
串口
C8051F064內(nèi)部帶有兩個(gè)UART，其中串口0經(jīng)光電隔離轉(zhuǎn)換為RS-485信號(hào),用于跟現(xiàn)場的其他設(shè)備連接，串口1再加上6個(gè)GPIO口經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后成為全功能標(biāo)準(zhǔn)的RS-232接口,用于與Modem、電臺(tái)、CDMA等連接。用C8051F064的SPI口經(jīng)MAX3100擴(kuò)展成UART，通過外部的可選配件，轉(zhuǎn)變成RS-232或RS-485信號(hào)。
模擬量
C8051F064的模擬量輸入最高不超過3.6V，所以接入信號(hào)時(shí)要注意其范圍，針對(duì)此系統(tǒng)，由于現(xiàn)場信號(hào)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(diào)整到1‰。另外，啟動(dòng)內(nèi)部ADC0的窗口檢測功能，可以方便地實(shí)現(xiàn)模擬量的上下限越限報(bào)警功能。
數(shù)字量
大部分?jǐn)?shù)字量直接掛在總線上，另外，有兩路開關(guān)量輸入直接接到單片機(jī)引腳，并在內(nèi)部分配這兩個(gè)引腳為定時(shí)/計(jì)數(shù)器的輸入，這兩路就可以兼做脈沖量了。
單片機(jī)資源分配
C8051F064的端口功能分配使用交叉開關(guān)的方式，而且還帶有優(yōu)先級(jí)，這種方式很靈活，但是要求設(shè)計(jì)師在電路設(shè)計(jì)時(shí)就要將內(nèi)部的功能分配就緒，也就是說電路板加工完成后就不可以隨意修改交叉開關(guān)了。
復(fù)位
C8051F064除了實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的RESET信號(hào)復(fù)位外，還有上電、掉電、外部信號(hào)、軟件命令、比較器0、時(shí)鐘丟失檢測及開門狗等復(fù)位功能，共7種復(fù)位方式。單片機(jī)復(fù)位后可以通過查詢寄存器得知是何原因引起的復(fù)位，這對(duì)數(shù)據(jù)的處理和故障分析都是很有用的。本系統(tǒng)使用的是上電、軟件命令、時(shí)鐘丟失和看門狗，增加軟件命令復(fù)位的原因是：由于這些設(shè)備的安裝地點(diǎn)都是比較偏遠(yuǎn)的，當(dāng)中心站察覺此設(shè)備異常時(shí)，可以將其重新啟動(dòng)，以解決一些異常問題。
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圖3 從模塊結(jié)構(gòu)圖
一些技術(shù)問題
數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)
在這個(gè)系統(tǒng)中有多個(gè)可以存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器，如256字節(jié)的內(nèi)部RAM、4KB的內(nèi)部擴(kuò)展RAM、32KB的外擴(kuò)RAM、128字節(jié)的Flash、實(shí)時(shí)時(shí)鐘內(nèi)114字節(jié)的電池保持RAM和外擴(kuò)8KB的E2PROM，這么多的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，一定要仔細(xì)分配其用途，以便充分發(fā)揮功能和速度。本系統(tǒng)作如下分配：256字節(jié)的內(nèi)部RAM讀寫速度最快，而且它是單片機(jī)內(nèi)核所占用的，所以要減少使用，它用在對(duì)速度要求較高且頻繁使用的地方，如中斷內(nèi)的變量等；4KB內(nèi)部擴(kuò)展RAM和32KB外擴(kuò)RAM的地位是等同的，一般用作程序的中間變量；128字節(jié)的Flash是整片修改的，所以修改之前要把所有數(shù)據(jù)讀到緩沖區(qū)，將要修改的字節(jié)改掉，再把整片擦除，然后把數(shù)據(jù)寫入。雖然寫比較麻煩，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(shù)據(jù)，如模擬量的修正值等；實(shí)時(shí)時(shí)鐘內(nèi)114字節(jié)的RAM讀寫速度較快，而且訪問方便，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；8KB的E2PROM受總線邏輯的限制，讀寫較慢，但數(shù)據(jù)區(qū)較大，用來存放功能的設(shè)定值，在程序初始化的時(shí)候把它讀出并放到中間變量區(qū)，以后不對(duì)其操作，修改內(nèi)部數(shù)據(jù)操作不宜在中斷中進(jìn)行，防止延長中斷時(shí)間。
看門狗
本文采用的是22.1184MHz晶振，那么看門狗監(jiān)控時(shí)間最長只有47.4ms,這對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高。本文采用中斷喂狗的方式。一般來說單純的中斷喂狗是不可以的，因?yàn)槌绦蛑衅鹱饔玫氖侵餮h(huán)，而當(dāng)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(dāng)a累加到100時(shí)，就不再喂狗；而主循環(huán)內(nèi)不斷將a清0，這樣就可以把看門狗的時(shí)間延長到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(shù)據(jù)的抖動(dòng)特別大，所以在混合系統(tǒng)中應(yīng)用時(shí)，外圍一定要加濾波電路，如果在硬件設(shè)計(jì)中沒有考慮也沒關(guān)系，可以充分利用它的速度，在內(nèi)部采用軟件濾波的方式。本系統(tǒng)對(duì)模擬量的采集速度要求不高，只求穩(wěn)定和準(zhǔn)確，在內(nèi)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，就算外圍沒有任何濾波措施，也能得到很好的效果。
從單元結(jié)構(gòu)
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(shù)。按照系統(tǒng)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(jī)了，只需要有足夠的GPIO就可以了，按照這一原則，本系統(tǒng)選用了C8051F236，如圖3所示。從單元保留了主單元設(shè)計(jì)時(shí)的液晶和鍵盤接口，雖然大部分參數(shù)是在主單元內(nèi)設(shè)置的，但保留這個(gè)接口可以看到模塊的軟件版本號(hào)等信息，如果將來有參數(shù)設(shè)置的話，也可以通過這里設(shè)定到單片機(jī)內(nèi)的非易失RAM區(qū)。
主／從間通信采用Modbus協(xié)議，不需要擴(kuò)展從單元，可以用這個(gè)口與外界的Modbus協(xié)議設(shè)備連接。從單元結(jié)構(gòu)比較簡單，單片機(jī)只負(fù)責(zé)很少一部分工作，在此從略。
系統(tǒng)組網(wǎng)
在實(shí)際應(yīng)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)有線或無線網(wǎng)絡(luò)，有線網(wǎng)絡(luò)一般采用RS-485結(jié)構(gòu)或撥號(hào)方式，在距離較近的系統(tǒng)中使用，由中心站對(duì)每個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行輪巡；無線網(wǎng)絡(luò)一般采用電臺(tái)和CDMA等，與有線網(wǎng)絡(luò)不同的是，這個(gè)鏈路是要收費(fèi)的，所以通信就不能采用輪巡方式了。在用電臺(tái)通信時(shí)，往往是距離較遠(yuǎn)，供電較困難，所以應(yīng)采用遇變則報(bào)的方式，對(duì)開關(guān)量只要變位就發(fā)送，模擬量超過預(yù)設(shè)的死區(qū)范圍就發(fā)送，由于電臺(tái)往往采用頻分復(fù)用的方式，所以每個(gè)站都要有自己的時(shí)間片，當(dāng)有數(shù)據(jù)需要發(fā)送時(shí)，將數(shù)據(jù)緩存，當(dāng)?shù)竭_(dá)自己的時(shí)間片時(shí)，將緩存數(shù)據(jù)發(fā)送，這樣就不會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)沖突現(xiàn)象了，也利于降低功耗，這對(duì)于太陽能供電的系統(tǒng)是很有利的。單純的遇變則報(bào)是有缺陷的，因?yàn)樵谙到y(tǒng)沒有變化的時(shí)候，他不發(fā)送數(shù)據(jù)，也就不知道是數(shù)據(jù)沒有變化還是這個(gè)站點(diǎn)有問題，所以本系統(tǒng)增加了一個(gè)整點(diǎn)平安報(bào)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(shù)據(jù)發(fā)送一次，這樣就可以看清問題之所在了。在用CDMA通信時(shí)，雖然不存在頻分復(fù)用的問題，但也要將發(fā)送數(shù)據(jù)分時(shí)發(fā)送，以免在特定的環(huán)境下，大量的數(shù)據(jù)在同一時(shí)間涌入數(shù)據(jù)中心，造成信道堵塞。
系統(tǒng)的測試與運(yùn)行情況
系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，進(jìn)行了嚴(yán)格的測試，單片機(jī)的運(yùn)行速度達(dá)到了預(yù)期的效果，功耗和整體散熱情況優(yōu)于原有的系統(tǒng)。在電磁兼容實(shí)驗(yàn)室內(nèi)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(yàn)，其指標(biāo)優(yōu)于國家對(duì)此類產(chǎn)品的要求。同時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了高溫(60℃)和低溫試驗(yàn)(-20℃)、恒定濕熱、振動(dòng)、碰撞、絕緣強(qiáng)度等測試，均優(yōu)于國家標(biāo)準(zhǔn)。在防汛、水網(wǎng)、熱網(wǎng)等多種應(yīng)用中，用這個(gè)系統(tǒng)與CDMA和電臺(tái)等組成無線網(wǎng)絡(luò)，最多達(dá)到60多個(gè)點(diǎn)，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。在樓宇控制系統(tǒng)中，采用RS-485組成的有線網(wǎng)絡(luò)，也取得了很好的效果。
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66821730(技術(shù)支持)
