基于嵌入式芯片的智能仪器开发平台的研发

2018-10-31张娜

智能计算机与应用 2018年6期

张娜

(辽宁机电职业技术学院华孚仪表学院，辽宁丹东 118009)

引言

随着现代数字技术的发展与硬件开发水平的提高，工业现场对加工仪器提出更高要求。传统的51系列单片机因其片内资源相对较少，需要较多的扩展器件，大数据量的运算周期较长，实时性欠佳等不利因素正在逐步退出业界视野。时下，工业产品为了尽快占领市场，常常把产品的研发时间压缩至很短。为了提升产品研发效率，本文就对此设计提出了一个基于增强型单片机和Modbus协议的嵌入式工业控制开发平台。平台选择C8051F021微处理器，加入了IC公司生产的大量片内外设，使处理器拥有堪称优良的应用性能。使用此平台开发的主机具有稳定、可靠的实时性，可作为工业仪器核心直接投付应用，能够实现集中控制，不仅呈现出较高灵活性，而且还兼具维护和升级成本低，易于扩展等优点。针对这一状况，本文将展开如下研究论述。

1 硬件结构

嵌入式芯片的智能仪器开发平台的硬件结构主要包括如下部分：C8051F021 微控制器、A/D转换模块、D/A转换模块、内存、键盘、显示电路及上位机通讯模块。组成原理图由图1所示。

C8051F021是一种混合信号系统芯片,是高度集成的片上系统。指令结构的70% 的指令执行时间为1～2个系统时钟周期;系统频率为25 MHz时，速度可达到25 MIPS。其中嵌入了一款高速、低功耗、高性能的8位微处理器。该芯片尤需一提的突出特点就是高速指令处理能力[1]。32个I/O口线均容许5 V电压。 C8051F021内部本身自带A/D转换与D/A转换，真正12位、100 KSPS的8通道ADC。同时，设计上还嵌有串行口，为系统开发省去了外围电路、减小了体积。可同时使用的硬件包括 SMBusTM、I2CTM、兼容SPITM及2个UART串口，并且能够灵便地实现与上位机的通讯。

2 Modbus协议

Modbus 协议作为工业控制器网络协议的一种，业已成为通用工业标准之一，主要用于集中监控不同厂商生产的控制设备之间连成的工业网络的内部相互通讯。

Modbus 通信协议是一种串行的主从通信协议，网络中仅有一台设备可作为主机(称 Master)，其它设备作为从机(称Slaver)，主机没有编号，从机必须编号[2]。Modbus硬件连接结构如图2所示。在Modbus 通讯网络上, 此协议要求通讯时必须知道每个通讯模块的设备地址, 每个通讯模块辨识甄别按地址发来的消息, 根据功能码来判定要产生何种动作。如果需要回应, 控制器将生成相应的反馈信息并利用Modbus 协议将其发出[3]。

图1 硬件电路原理框图图2 Modbus硬件连接

3 系统设计

3.1 系统软硬件设计概述

系统主要功能可描述为：AD输入/输出、DA输入/输出、液晶显示、通讯接口、上位机传输指令，下位机执行既定动作等。在此基础上，研发可得软件系统的设计功能将包括如下内容，即：初始化程序、A/D 采集程序、按键处理程序、显示程序、数据处理程序、与上位机通讯程序、T0中断子程序及串口 0 中断子程序。综上分析后则可推出，系统软件的设计流程如图 3 所示。

图3 系统软件流程

3.2 流水灯模块设计

流水灯模块是该系统平台的重点研发功能之一。在该模块设计中，点亮与单片机P1.0相连的发光二极管，延时约0.2 s，然后熄灭，延时约0.2 s后再度点亮，如此循环下去。通过本小节论述，可以初步了解到单片机I/O口输出高/低电平的方法、以及延时函数的时间估算。该模块的电路设计如图4所示。同时，进一步研发给出该模块的参考设计代码可见如下。

图4 闪烁LED电路图

#include

#define uchar unsigned char

#define uint unsigned int

sbit LED=P1^0;//延时

voidDelayMS(uintx)

{

uchari;

while(x--)

{

for(i=0;i<120;i++);

} }

//主程序

void main()

{

while(1)

{

LED=～LED;

DelayMS(150);

}

3.3 串口通讯设置与调试

研究中，串口通讯系统则是与PC机交互的重要部分[4]。在时下研究中，RS232 串行接口在目前PC机与通信工业中获得了最广泛的应用，而且已将其定义为一种在低速率串行通信中增加通信距离的单端标准。RS232串行接口总线适用于：设备之间的通讯不大于15 m，传输速率最大为20 Kbps。本次研发中的设计电路可如图5所示。