1 引言

智能測量在各行各業已得到廣泛的應用，測量所得到的數據可以通過串口或經外部的 USB 橋接器橋接后經 USB 口與上位機 交換 數據。如果單片機本身已集成了 USB通訊模塊，這將大大降低系統成本，提高系統的可靠性。本系統正是基于此而選用 C8051F34x 芯片，它是SILICon Laboratories 公司最新推出的一款可提供 USB 功能的混合信號微控制器 的高度集成產品［1］，包含了高速管線的 8051 兼容微控制器核心，可以在高達 48 MIPS 的速率下工作，它提供 64 KB 的芯片內建閃存以及 5376 字節的 RAM，其中 70%的指令可以在一個或兩個機器周期中執行，并獲得同等級中最佳的 CPU 傳輸率；USB 功能控制器具有完整的 USB 2.0 認證，支持全速與低速操作并包含 8 個端點管線；模擬外設包含一個真正 10位 200 ksps 差分或單端 ADC，可以支持高達 17 個外部模擬輸入；時序功能可以通過 4 個通用型 16 位定時器或一個 5 通道的可編程計數器/定時器陣列（PCA）來實現，在此有 5 個全功 能端口可以提供 40 個可控制的 I/O 引腳（5 個 8 位口）。

圖 1 系統結構框圖

智能數據采集系統包括：步進電機控制、數據采集、數據傳輸、數據處理等部分（如圖1 所示）。為了進一步提高系統的可靠性和降低成本，本文提出了采用片上系統（SOC）的解決方案——基于C8051F340 的智能測量模塊，該模塊接收上位機的指令來控制步進電機的動 作，對傳感器送來的信號進行A/D轉換，向上位機傳送測量數據。

2 模塊的工作原理和功能

智能測量模塊的核心是片上系統（SOC），即 C8051F340 單片機，它具有 USB 通信端口和 A/D 轉換模塊。通過應用 C8051F340 內含的數字端口實現對步進電機的控制，A/D 模塊 對模擬輸入端的信號進行數據采集，通過芯片中的 USB 端口與上位機進行數據 交換 。采用C8051F340 單片機后，可以充分利用芯片的內部資源，從而節約系統成本。

2.1 步進電機控制功能

步進電機的控制量為時鐘脈沖、啟、停和方向控制信號。在實際應用中啟、停信號和方 向控制信號相對來說比較簡單，只要向指定的數字端口輸出高、低電平就能控制步進電機的啟動、停止、正向和逆向轉動。 步進電機所需的時鐘脈沖則要通過對片內定時器進行編程，使用定時中斷在指定的數字端口輸出脈沖信號。C8051F340 內含的定時器 2 是一個 16 位的計數器/定時器（見圖 2），由兩個 8 位的 SFR 組成：TMR2L（低字節）和 TMR2H（高字節）。定時器 2 可以工作在 16 位自動 重裝載方式、8 位自動重裝載方式（兩個 8 位定時器）或 USB 幀起始（SOF）捕捉方式。當T2SPLIT =“0”且 T2SOF =“0”時，定時器 2 工作在自動重裝載的 16 位定時器方式。

圖 2 定時器 2 的 16 位方式原理圖

定時器 2 可以使用 SYSCLK、SYSCLK/12 或外部振蕩器時鐘/8 作為時鐘源。當 16 位定 時器寄存器發生溢出（從 0xFFFF 到 0x0000）時，定時器 2 重載寄存器（TMR2RLH 和 TMR2RLL） 中的 16 位計數初值被自動裝入到定時器 2 寄存器對 TMR2H:TMR2L，并將定時器 2 高字節 溢出標志 TF2H 置“1”。如果定時器 2 中斷被允許，每次溢出都將產生中斷。在定時器 2 的中斷服務程序中，可根據上位機下達的指令，對中斷次數進行計數。當中 斷次數達到指定數值時立即改變指定端口的數值（0 變 1、1 變 0），從而就能在該數字端口產 生一個指定脈寬的脈沖信號。智能測量模塊采用 C8051F340 片內振蕩器（12MHz）產生的 SYSCLK/12 作為定時器的時鐘源，數字端口設置為推挽輸出，當重載寄存器的值為 0xFF64 時能在數字端口輸出最高為3205Hz 的方波。由于所選用的芯片是低電壓、低功耗的高速器件，有時還存在著數字端口與步進電機控制電路之間信號電平的匹配問題，為此可選用相應的電平轉移電路來解決。

2.2 數據采集和處理功能

C8051F340 內部有一個 10 位 SAR ADC 和一個差分輸入多路選擇器。該 ADC 工作在200ksps 的最大采樣速率時可提供真正 10 位的線性度。ADC 系統包含一個可編程的模擬多 路選擇器，用于選擇 ADC 的正輸入和負輸入以及測量信號源。A/D 轉換可以有 6 種啟動方式：軟件命令、定時器 0 溢出、定時器 1 溢出、定時器 2 溢出、定時器 3 溢出或外部轉換啟動信號。這種靈活性允許用軟件事件、周期性信號（定時器溢出）或外部硬件信號觸發轉換。 一個狀態位用于指示轉換完成，或產生中斷（如果被允許）。轉換結束后 10 位結果數據字被鎖存到 ADC 數據寄存器，即 ADC0H 和 ADC0L 中（見圖 3）。

圖3 10位ADC電路圖

智能測量模塊在數據采集時，GND 被選擇為負輸入，則 ADC0 工作在單端方式，轉化 碼為 10 位無符號整數，所測量的輸入信號范圍為 0 ~VREF×1023/1024。VREF 為 A/D 轉換 時的參考電壓，可用片內提供的基準電壓。轉換數據在寄存器對 ADC0H:ADC0L 中的 存儲 方式可以是左對齊或右對齊，采用右對齊時測量結果的數值范圍為 0 ~0x3FF。向 AD0BUSY 寫“1”方式提供了用軟件控制 ADC0 轉換的能力。AD0BUSY 位在轉換期間被置“1”，轉 換結束后復“0”。在定時器 2 的中斷服務程序中，可根據步進電機的工作模式和上位機的指令，確定步進 電機運動多少步后再啟動 A/D （AD0BUSY 寫“1”）——采集數據，并將數據保存在閃存中。 對于被測信號電平有嚴格的要求，前置放大器的輸出級可用運放 OP07 組成電壓跟隨電路，并在輸出端加裝限壓保護電路以保證單片機模擬輸入端的 安全 。

2.3 數據通信功能

C8051F340 集成了 USB 功能控制器，用于實現 USB 接口的外部設備（C8051F340 不能作 USB 主設備），USB 功能控制器和收發器具有完整的 USB 2.0 認證，支持全速與低速操作 并包含 8 個端點管線，控制端點（端點 0）總是作為雙向 IN/OUT 端點，其它端點被作為 3 對IN/OUT 端點管線，通信速度可通過特殊功能寄存器 USB0XCN 中的 SPEED 位選擇，要使USB0 工作在全速方式，USB0 的時鐘必須為 48 MHz。當 USB 接收數據時，串行接口引擎SIE）在接收完一個完整的數據包后中斷處理器；相應的握手信號由 SIE 自動產生。當發送 數據時，SIE 在發送完一個完整的數據包并且收到相應的握手信號后中斷處理器。智能測量模塊采用 C8051F340 片內振蕩器（12MHz）產生的 SYSCLK，經內置的 4 倍時鐘 乘法器產生 48MHz 時鐘，使 USB0 工作在全速方式。模塊設置成通過端點 1 向上位機發送數據，端點 2 接收上位機送來的數據，USB 工作在中斷方式。

3 軟件設計及系統 測試

模塊通訊 協議 的三層結構模型為：物理層、數據鏈路層和應用層。物理層和數據鏈路層的功能包括各種通訊幀結構的組織和收發， 是由 SOC 本身實現的， 因此系統的開發將集中在應用層軟件的設計。

固件程序主要包括初始化、主控程序和 3 個中斷服務程序。模塊初始化部分就是要定義SOC 的工作頻率，定義模擬、數字端口的輸入/輸出模式，定義 USB 中斷、定時器 2 中斷和A/D 中斷的工作模式；主控程序處理前臺任務，主要是響應各類中斷和利用公共數據區進行數據交換；步進電機的控制、數據的采集和數據的通信都將利用中斷服務程序在后臺實現。

圖 5 上位機程序框圖

上位機程序采用 VC 可視化開發平臺，對 USB 端口形成的通信管道進行標準的讀寫操作，從而實現上位機與 C8051F340 的數據通訊，實時顯示現場參數、繪制圖形，并對現場參數進行系統分析。

上位機程序采用主線程和輔線程協調工作模式， 可以降低主程序處理時間， 提高通訊效率。

對圖 1 所示的系統進行 測試 ：分別對橢圓偏振片、圓偏振片組成的光路進行光強分布測試，步進電機由 C8051F單片機控制，每秒鐘轉一圈測 200 個數據；PC 機通過 USB 口接收數據，并對數據進行分析和擬合，根據偏振片的不同組合，可得到圓形、橢圓形、腰果形等不同類型的圖形。

4 結束語

論文提出的基于 C8051F340 的智能測量系統由于采用小體積貼裝芯片，不必外接其它A/D轉換和 USB 通信接口器件，減小了整機的體積，提高了整機的性價比和可靠性。測試表明，該模塊在實際檢測過程中能夠準確的提取被測對象的信號特征，各項指標都符合測試要求。

本文作者創新點：采用SILICon Laboratories 公司最新推出的一款微控制器 C8051F340 為 智能測量系統的核心，因其可提供 USB 功能，集測量控制、數據采集、數據通訊為一體，便于軟件開發，并減小了整機的體積，提高了整機的性價比和可靠性。