基于C8051F005的测控综合实验仪设计

黄为

摘要：采用混合信号系统芯片C8051F005为内核，设计开发了测控系统综合实验仪。该实验仪多数外部接口具有可编程和可配置能力，并提供了多种功能，如1路4～20mA的电流输入，用于采集现场仪表的电流信号，2路电压采集输入（0～2.4V），RS485通信接口，4位LED数码显示管，JTAG接口，支持在系统编程与调试等等。该装置进行了电压的标定及测温等测试实验，其精度高、稳定性好，操作简单，在电子及测控等相关专业教学中具有推广与借鉴作用。

Abstract： Using the mixed signal system chip C8051F005 as the core， a comprehensive experimental instrument for measurement and control system was designed and developed. Most of the external interface of the experiment instrument has programmable and configurable capabilities， and provides a variety of functions， such as 1 channel 4～20mA current input， which is used to collect the current signal of the field instrument， 2 channel voltage acquisition input （0～2.4V）， RS485 communication interface， 4-digit LED digital display tube， JTAG interface， support in system programming and debugging， and so on. The device is tested with voltage calibration and temperature measurement. It has high precision， good stability and simple operation and it has promotion and reference role in related teaching of electronics and measurement and control.

關键词：C8051F005;综合实验仪;自制装置

Key words： C8051F005;comprehensive experimental instrument;self-made device

中图分类号：TP273                                       文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）26-0138-03

0  引言

仪器是一种信息获取工具，仪器仪表在工农业、国防、科技、教育等各行各业以及人们的日常生活中都得到了广泛的应用[1-4]。随着微电子技术、计算机技术、通信技术等现代技术的发展，仪器得到了很大的发展，出现了种类繁多、功能各异的专用仪器，但自制仪器可以适应各院校异性化的教学需求并建立起合适的实验教学创新平台，提升本科教育质量，适应人才培养的时代要求，对培养学生的创新能力、解决实际问题的动手能力等方面有着极为重要的作用。本文对测控综合实验仪从硬件和软件两方面给出了设计的具体思路和方法，最后通过一个实测例子检验了仪器的实用性。该测控综合实验仪可用于电子、计算机、自动化及测控等相关专业的教学中。

1  实验仪硬件设计

实验仪采用被广泛使用的混合信号ISP FLASH微控制器为核心进行硬件设计，其内部芯片C8051F005是完全集成的混合信号系统级MCU芯片，有一个真正的12位多通道ADC，一个可编程增益放大器、两个12位DAC、两个电压比较器、一个电压基准、一个具有32K字节FLASH存储器，有通过硬件实现的12C/SMBus、UART、SPI串行接口、一个具有5个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列（PCA），以及4个通用的16位定时器和4字节宽的通用数字I/O端口。片内JTAG调试支持功能允许使用安装在最终应用系统上的产品MCU进行非侵入式的全速在线系统调试。

微控制器扩展的中断系统提供了21个中断源和多达7个的复位源。CIP-51有标准的8051程序和数据地址配置。它包活256字节的数据RAM，数据RAM的低128字节可用直接或间接两种寻址方式访问，前32个字节为4个通用工作寄存器区，后16字节即可按字节寻址又可按位寻址。

1.1 交叉开关和可编程数字I/O

MCU具有标准8051的4个端口（0、1、2和3端口），每个端口I/O引脚都可以被配置为推挽或漏极开路输出，该MCU最突出的功能改进是引入了数字交叉开关，通过它允许将内部数字系统资源分配给P0、P1和P2的端口I/O引脚，还可以通过设置交叉开关控制寄存器将片内的计数器/定时器、串行总线、硬件中断、ADC转换启动输入、比较器输出以及微控制器内部的其它数字信号配置在端口I/O引脚上，这就允许用户根据自己的特定应用在选择通用端口I/O和所需数字资源的组合上提供了很大的便利。数字交叉开关和可编程I/O原理框图如图1所示。

volt=（voltM-voltL）*500/（voltH-voltL）+1000;// 对采集到的电压值进行修正

if（KEY0 == MID_L_KEY）// 按中左键显示采集的电压值

{

KEY0 &= 0;

disp_flag = 0;

DisIntNum（volt）;

}

if（KEY0 == MID_R_KEY） // 按中右键显示AD采集值

{

KEY0 &= 0;

disp_flag = 1;

DisIntNum（AD_IN）;

}

if（disp_flag）

DisIntNum（AD_IN）;

else

{ DisIntNum（volt）;

CH452_Write（CH452_SET_BIT + 0x003b）; //显示小数点

}

}

3.2 测试结果及分析

利用一个可变电阻组成一个调压电路即可得到一组电压值，运行程序，分别采集一个高、低点电压值作校准，则实际采样值ADx对应的电压值可通过下式计算：

于是得到AD采样值和实测的电压值。见表1。

从实测数据来看，测量的精度是很高的。通过重复测量，其数据的稳定性也很好。

4  结束语

本设计采用完全集成的混合信号系统级MCU芯片为核心研发的测控综合实验仪，成本低，性能稳定，测量精度高，重复性好。它提供了1路恒流输出，1路电流/电压信号输出，1路电流输入，2路电压输入，1路板载温度传感器，2路继电器输出，2路光电隔离输入/输出以及用于在线编程调试的JTAG接口等等功能，并且它的多数外部设备具有可编程和可配置能力，大大提高了它在各种测控场所的应用。它在相关专业的实验教学中也具有很好的借鉴作用。

参考文献：

[1]张颖，蓝德高，赵晓锋.温度/湿度/光強多参数测量仪研制[J].传感器技术与应用，2018，6（4）：121-129.

[2]王友善，王绍阳.用电磁波群时延差的异常变化预测短临地震的基本原理与探测仪器[J].地球科学前沿，2015，5（4）：314-322.

[3]江虹，桂笑，许柳青.雷达波测流仪在中小河流的应用[J]. 水资源研究，2019，8（2）：93-99.

[4]李剑锋，李剑云，王德真.太阳能选择性涂层吸收光谱仪[J]. 仪器与设备，2015，3：12-19.