【文章內容簡介】 主要特點是資源豐富、性能好、高速處理、價格低、適合工業(yè)環(huán)境應用、混合信號處理。根據設計的要求以及單片機自身特點，山東科技大學學士學位論文 通用控制平臺設計方案 10 從 C8051F 家族中選擇 C8051F020[8]、 C8051F350[9]、 C8051F340[10]這三個型號的單片機作為硬件平臺的核心。 C8051F020 單片機主要資源為：模擬外設部分，有 8 路 12 位逐次比較型 ADC（轉換速率可調，最大可達 100ksps，放大器增益可調，最大倍數為 16 倍）， 2 路 12 位 DAC 輸出， 2 個模擬比較器；數字外設部分，有 64個 I/O 端口， 5 個通用定時器，硬件 SMBus(I2CTM 兼容 )、 SPI 及 2 個 UART串口 ，還提供看門狗定時器和復位引腳；存儲器部分，含有 4352 字節(jié)內部數據 RAM（ 4K+256） ， 64K 字節(jié)在系統(tǒng)編程 FLASH 存儲器 和 外部 64K 字節(jié)數據存儲器接口 ；時鐘源部分，具有內部 216MHz 可編程振蕩器和外部振蕩器（ 晶體、 RC、 C、或外部時鐘 ）。 C8051F350 單片機主要資源為：模擬外設部分， 8 路 24 位 ADC 輸入（轉換速率可調，最高可達 1 ksps， 每一路均含有可編程增益放大器，最大放大倍數為 128 倍，可以內部偏移量或增益校準）， 2 路 8 位電流輸出型 DAC（輸出電流可調，最大輸出為 2mA），一個可編程電壓比較器；數字外設部分，提供 UART、 SMBus 和增強型 SPI 串口 ， 4 個通用 16 位計數器 /定時器 ， 3個捕捉 /比較模塊 ；存儲器部分， 內部 RAM 768 字節(jié)（ 256+512） ， 8KB 在系統(tǒng)編程 的 ； 時鐘源部分， 內部振蕩器 頻率為 、 精度177。 2%，外部振蕩器 為 晶體、 RC、 C、或外部時鐘 ， 時鐘乘法器可產生 50MHz 內部時鐘 。 C8051F340 單片機 主要資源為：模擬外設部分， 21 路 10 位 ADC， 2個比較器；數字外設部分， 25 個 I/O 端口 ， 硬件增強型 SPI、 SMBus 和 2個增強型 UART 串口 ， 4 個通用 16 位計數器 /定時器 ， 16 位可編程計數器 /定時器陣列（ PCA），有 5 個捕捉 /比較模塊 ； 控制器，可工作于 全速 (12Mbps)或低速 ()方式；存儲器部分， 4352 字節(jié) 數據 RAM， 64K字節(jié) FLASH；時鐘源部分， %的精度 的 內部振蕩器 ， 外部振蕩器 （ 晶體、 RC、 C、或外部時鐘 ）。 山東科技大學學士學位論文 通用控制平臺設計方案 11 硬件電路設計要求 根據選型的三款單片 機不同特點，將每個單片機進行外部功能擴展，從而組成三個不同的單片機系統(tǒng)。硬件平臺中他們的分工為： 020 單片機用作主控制器，平臺的主要信號處理（模擬量信號采集與輸出、數字量信號采集與輸出、脈沖量信號采集等）、數據處理、數據顯示、數據存儲和數據通信等由它完成； 350 分擔一部分信號采集與處理，主要是實現信號的高精度采集； 340 用作通信中心，通過串行口擴展，可以方便地與其他設備進行通信兼容擴展，通過 USB 實現與計算的高速通信； 340 獲取 0 350 處理完成的數據，通過不同的通信方式將數據傳送給計算機或者其他終端設 備。單片機之間的工作關系框圖 所示。 C 8 0 5 1 F 0 2 0 單 片 機 系 統(tǒng)C 8 0 5 1 F 3 4 0 單 片 機 系 統(tǒng) C 8 0 5 1 F 3 5 0 單 片 機 系 統(tǒng) 圖 硬件平臺單片機系統(tǒng)工作關系 為使所設計平臺完成控制 對象 仿真 的任務 ，需要硬件上具備以下設計要求： 1． 設計 48 路的開關量輸入通道。每個輸入通道具備完善的保護措施，在發(fā)生錯誤接線時（接入過大正電壓或負電壓）不至于損壞單片機或其他部分。該通道對輸入 0~1V 幅值范圍的信號理解為低電平， 以上的信號電平應被理解為高電平。輸入的高低電平可硬件通過發(fā)光二極管指示。 2． 設計 48 路的開關量輸出通道。開關量 輸出通道應具有一定的電壓驅動能力或電流輸出能力。當有開關量輸出高低電平時，可通過硬件方式山東科技大學學士學位論文 通用控制平臺設計方案 12 發(fā)光二極管進行狀態(tài)指示。 3． 設計 16 路模擬量輸入通道。每個輸入通道能實現對模擬量輸入信號的限幅、濾波調理，能對模擬輸入信號進行一定的放大與衰減，并且能夠實現電壓信號或電流信號的輸入并轉化為單片機 AD 可以采集的電平范圍。輸入通道放大倍數可調，輸入的模擬信號可以是單端方式或差分方式，能夠對微弱信號進行放大及采集。 4． 設計 20 路的模擬量輸出通道。輸出通道應能輸出 10V~10V范圍的的模擬電壓， 20mA~20mA 范圍的模 擬電流，輸出信號幅值可根據寫入的控制字的不同方便地調節(jié)，通過短路套連接可方便選擇電壓型或電流型模擬量信號輸出。輸出電壓信號時，應為低阻輸出狀態(tài)，輸出電流信號時應為高阻輸出狀態(tài)。 5． 通信方式可選，可以提供符合 RS485 通信規(guī)范的接口。 6． 具有對單片機有限的串口資源進行擴展，具有至少 6 路串行接口。 7． 具有鍵盤、顯示接口， 可顯示漢字、引文字符，有圖片顯示功能， 。 8． 擴展外部 非易失性 數據存儲器，至少 64KB 以上外擴空間。 9． 上述資源應由一個單片機統(tǒng)一管理，以減少上位機的負擔。 10． 易于與同類硬件平臺組網 。 11． 穩(wěn)壓電源。 硬件平臺 系統(tǒng)組成模塊 框圖如圖 所示。 山東科技大學學士學位論文 通用控制平臺設計方案 13 4 8 路 開 關 量 輸 入 4 8 路 開 關 量 輸 出1 6 路 模 擬 量 輸 入 2 0 路 模 擬 量 輸 出4 * 4 矩 陣 鍵 盤2 路 R S 4 8 5 接 口復 位 電 路外 存 儲 器 擴 展電 源 電 路液 晶 顯 示單 片 機C 8 0 5 1 F 0 2 0C 8 0 5 2 F 3 4 0C 8 0 5 1 F 3 5 0 圖 硬件平臺組成模塊框圖 控制對象實現過程 1． 硬件平臺的設計 。根據 選擇 C8051F 單片機， 分析其接口特性，采用模擬電子技術和數字電子技術以及單片機接口技術，進行單片機外圍電路的設計。 利用電路仿真軟件 Multisim 對設計的硬件 電路 進行仿真，通過仿真或計算確定電路參數 。利用 Protel 99 SE 軟件進行制作 PCB 板 ， 然后在 PCB 上 焊接 元器件并進行電路功能測試 ， 從而 完 成整個硬件平臺的 研制 。 2． 對象的數學模型的建立 。根據控制對象運行規(guī)律及實際調試經驗，按照機理法來建立傳遞函數模型，然后 盡量采用簡約化處理 逐步逼近真實模型。對于無法運用機理法來建模的，可以采用系統(tǒng)辨識的方法 ( 一般采用最小二乘法 )來建立相應的模型。 山東科技大學學士學位論文 通用控制平臺設計方案 14 3．控制器控制算法。 對于 控制 算法方面， 根據控制對象的特點以及要完成的控制任務，選用不同的控制算法。 4．控制器與控制對象下位機程序開發(fā)。由于 Keil 具有 庫函數豐富和開發(fā)調試 方便的特點， C 語言在功能上、結構性、可讀性、可維護性 、 可移植性 等方面 有明顯的優(yōu)勢 ，因此通過 在 Keil 軟件開發(fā)平臺上對 C8051F 單片機 進行 C 語言編程 。 5．參數設定與顯示界面設計。選用計算機面向對象編程語言 Visual Basic，計算機與下位機通過 RS232 或 RS485 進行通信獲取數據，對數據進行解析并在對象框中顯示，一方面用于觀察下位機運行效果，另一方面用于提供給組態(tài)被控對象數據。 6． 組態(tài)界面設計 。利 用組態(tài)王提供的圖庫以及開發(fā)菜單，可以對具體的控制對象進行虛擬設計。選用組態(tài)王 與 Visual Basic 數據交換， 將虛擬控制對象的運行規(guī)律和控制規(guī)律， 以 動畫界面和各種曲線 呈現 。 山東科技大學學士學位論文 平臺硬件功能模塊設計 15 3 平臺硬件功能模塊設計 模擬量輸入模塊 實際控制系統(tǒng)中，傳感器將生產過程的工藝參數轉換為直流輸出的電壓或電流信號，但由于傳感器輸出的信號一般比較微弱，需要將測量元件的輸出信號通過一定的變換，變成行業(yè)統(tǒng)一的 0~10mA 或 4~20mA 信號 [11]。模擬量通 道檢測變送器輸出的標準模擬信號，將其轉變成微控制器能處理的二進制數字信號。本平臺硬件部分所設計的模擬量輸入模塊，可以將傳感器輸出的上述標準電流信號進行 電壓 轉換，也可以將標準 0~10V 電壓信號進行 調理，然后送入單片機的 ADC 完成信號采集 。 主要技 術指標 根據所選 C8051F020 和 C8051F350 各自特點，所所設計的模擬量輸入模塊主要技術指標為 ： （ 1）設計 16 個模擬量輸入通道。 其中 020 單片機 有 8 個模擬量輸入通道， 350 單片機 有 8 個模擬量輸入通道。 （ 2）可采集標準傳感器輸出的 0mA~10mA 或 4mA~20mA 電流信號，以及 0V~10V電壓信號； （ 3）所設計模擬量采集模塊既允許單端信號輸入，也可以對差分信號采集； 模擬量輸入模塊結構 模擬量輸入模塊的結構如圖 所示。模擬量輸入模塊能夠對變送器輸出的標準電流信號轉換為電壓，可以 對 輸入的電壓進行放大或衰減，從而送入到單片機的 AD 進行轉化。為保證電路的可靠性，設計中采取了保護措施，主要是對放大器輸入端及輸出端的進行了保護，從而不至于信號輸入或輸出過大，損壞放大器或者單片機 [12]。 山東科技大學學士學位論文 平臺硬件功能模塊設計 16 圖 模擬量輸入模塊電路組成結構 模擬量輸入模塊，設計了兩種電路。一種是以 OP07 為放大器構成的單端信號采集電路，電路具有最大增益為 32 倍，主要用于控制 對象 仿真信號的處理；另一種是以 AD620 為放大器構成的差分信號采集電路，具有對輸入信號進行放大 256 倍，可對很微弱的信號進行采集。這兩種電路的基本結 構基本與上圖類似。 單端模擬量信號采集電路設計 1． 電路原理設計 根據上述 指標及 思路設計的電路原理圖為： + I NIN VV+OUTI N P U TS1 S2S3S4120 20KAGND 1K1K4148*2+ 12V 12VO P 07AGND7320K642 12VAGND30P30K91091 1N 60AGND1K+ 12V1K18S5R1R2R3 R4C1 C2R5R6R7R8C3D1D2D3 D4C4C5A D C 0ViV0 圖 單端模擬量信號輸入電路原理設計 山東科技大學學士學位論文 平臺硬件功能模塊設計 17 4~20mA 標準電流信號要轉換為電壓信號，才能夠使單片機 AD 能采集與處理。采用無源器件電阻 1R 來完成電流到電壓的轉換。考慮到單片機 AD最大輸入電壓為 ，因此選用的電阻值為 ???? 1 2 020 421 M A XA D M A X 電壓變換電路采用滑動電阻器 2R ，利用其分壓特性達到將輸入電壓衰減到合適的值 已輸入到運放 。 由于平臺有多個集成運放共用同一直流電源，通過電源內阻的耦合有時會產生低頻震蕩。利用小容量電容對高頻信號形成低阻抗通路，在電源端連接小容量的瓷片電容 C C5（ ）起到高頻濾波的效果 [13]。 為了濾除 輸入信號中混入的 高頻干擾，在放大器的輸入端用 R CR C2 構成二階低通濾波器 [12]，圖 所示電路的輸出電壓 0V 即單片機的輸入電壓 0ADCV 為： iADC VRRV ???????? ?? 560 1 （ ） 根據式（ ），配置 R6=31001Ω， R5=1KΩ，可實現對輸入信號放大 32倍。 運放工作在閉環(huán)狀態(tài)時，容易因共模電壓超出運放承受的極限值而損壞 [12]，二極管 1D 、 2D 構成運放輸入端的防止共模電壓過大的保護電路，可保證加在輸入端的的電壓不超過 177。(12+)V，在 OP07 輸入電壓 177。[14]要求之內。在運放的輸出端，限流電阻8R 和穩(wěn)壓