基于Cygnal单片机的多功能检测实验装置的研制

李微微

沈阳市装备制造工程学校，辽宁沈阳 110024

基于Cygnal单片机的多功能检测实验装置的研制

李微微

沈阳市装备制造工程学校，辽宁沈阳 110024

本文以嵌入式单机C8051F040为核心，电容式位移传感器、光电式频率传感器作为测量变送器、DS18B20智能温度传感器作为测量元件，设计了一款基于Cygnal单片机的多功能检测实验装置。

单片机装置；多功能实验；位移检测；频率检测

图1

按照多功能检测实验系统功能的要求，确定总体结构如图1所示，整个设计以Cygnal 8051F040单片机为核心；电容式位移传感器、光电式频率传感器和测温传感器DS18B20将被测物理量变换为电信号；键盘和数码管显示构成人机接口；通过RS232和CAN总线进行通信。本检测实验装置按硬件可分为主板、显示板、微控制器板和前面板4个部分。

C8051F040单片机是美国Silicon Laboratories公司出品的，该单片机是完全集成的混合信号系统级芯片SOC（System On Chip），具有 64 个数字 I/O 引脚，片内集成了一个 CAN2.0B控制器。该单片机使用Cygnal的专利CIP-51微控制器内核，该内核与MCS-51TM指令集完全兼容，可以使用标准 803x/805x的汇编器和编译器进行软件开发。CIP-51 内核具有标准8052的所有外设部件，包括5个16位的计数器/定时器、两个全双工UART、256字节内部RAM、128字节特殊功能寄存器（SFR）地址空间及8个8位宽的 I/O 端口。C8051F040单片机有标准的8051 程序和数据地址配置。它包括 256 字节的数据RAM，其中高 128 字节为双映射。8051F040单片机具有标准8051的端口（0、1、2和3），同时有4个附加的8位端口（4、5、6和7），因此共有64个通用I/O端口。C8051F040有一个片内12位SAR ADC（ADC0） ，一个9通道输入多路选择开关和可编程增益放大器。ADC完全由CIP-51通过特殊功能寄存器控制。一个输入通道被连到内部温度传感器，其它8个通道接外部输入。C8051F04x系列MCU内部有两个12位DAC和两个比较器。C8051F040内部有两个增强型全双工UART、一个增强型SPI总线和SMBus/I2C。每种串行总线都完全用硬件实现，都能向CIP-51产生中断，因此需要很少的CPU干预。C8051F040内部还有一个控制器局域网（CAN）控制器，使用CAN协议实现串行通信。

测量变送单元包括电容式位移传感器、光电式频率传感器、温度传感器DS18B20。本测量系统选用电容式位移传感器对微小位移进行测量。利用电容C＝εA/d 和其它结构的关系式通过相应的结构和测量电路可以选择ε、A、d中三个参数中，保持二个参数不变，而只改变其中一个参数，则可以有测谷物干燥度（ε变）、测位移（d变）和测量液位（A变）等多种电容传感器。光电转速传感器是以光线的投射和接收来完成转速测量的一种转速表。传感器端部二内侧分别装有发光管和光电管，发光管发出的光源透过转盘上通孔后由光电管接收转换成电信号，由于转盘上有均匀间隔的6 个孔，转动时将获得与转速有关的脉冲数，将脉冲计数处理即可得到转速值。DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司推出的一种改进型智能温度传感器。DS18B20工作原理：低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响非常小，用于生产固定频率的脉冲信号送给减法计数器1，高温度系数晶振随温度变化其振荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入，其中还隐含着计数门。当计数门打开时，DS18B20就对低温度系数振荡器产生的计数脉冲进行计数，进而完成对温度的测量。

通信单元包括MAX3232通信接口芯片、PCA82C250通用CAN收发芯片、光电隔离6N137芯片。MAX3232芯片是美信公司专门为电脑的RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片。本检测实验装置可通过MAX3232芯片进行相互通信或与计算机进行通信。PCA82C250收发器是协议控制器和物理传输线路之间的接口。此器件对总线提供差动发送能力，对 CAN 控制器提供差动接收能力。PCA82C250收发器的典型协议控制器通过串行数据输出线TX和串行数据输入线RX连接到收发器。收发器通过有差动发送和接收功能的两个总线终端 CANH和CANL连接到总线电缆。6N137光耦合器是一款用于单通道的高速光耦合器，其内部有一个集成检测器和一个850 nm波长AlGaAs LED组成，其检测器由一个光敏二极管、高增益线性运放及一个肖特基钳位的集电极开路的三极管组成。具有温度、电流和电压补偿的功能。

本设计采用一片MAX7219完成4位数码管的显示驱动任务，作为人机交互单元。MAX7219是微处理器和共阴极七段——八位LED显示、图条/柱图显示或64点阵显示接口的小型串行输入/输出芯片。片内包括BCD译码器、多路扫描控制器、字和位驱动器和8×8静态RAM。外部需要一个电阻设置所有LED显示器字段电流。MAX7219和微处理器只需三根导线连接，每位显示数字有一个地址由微处理器写入。允许使用者选择每位是BCD译码或不译码。使用者还可选择停机模式、数字亮度控制、从1～8选择扫描位数和对所有LED显示器的测试模式。

该检测实验装置具备测量多种信号，并进行通信和人机交互的能力。同时，该实验装置预留有多个连接端口，可以进一步扩展其功能，作为一个新型开发平台，我们可以利用它开发出更多、更好的基于单片机设计的应用程序。

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1674-6708（2011）36-0214-01