C8051F单片机在远端测控装置中的应用

C8051F单片机是完全集成的混合信号系统芯片(SoC)，具有与8051指令集完全兼容的CIP-51内核和高速、高性能、高集成度等特点。在本文设计的一套远端测控装置中取得了较好的效果。

系统简介
远端测控装置是一种现场可编程的控制器，它能完成数据的采集控制，而通过远程通信的方式(如电台、CDMA、拨号等)将数据上传至中心站或接收中心站的遥控指令。它往往被安装在比较分散、环境比较恶劣、无电源保障(经常断电或使用太阳能)且无人值守的地方，因此它运行的可靠性和功耗就显得尤为重要了。C8051F单片机的工业级工作温度(-40℃~+84℃)、低电压、低功耗、自带看门狗和多复位源等特点满足了此系统的要求。

基于此系统的定位，选用C8051F064做主控部分，C8051F236做从属部分。系统要求具有输入／输出点可灵活配置、多通信端口、可现场修改配置等性能。

系统结构如图1所示，系统采用220VAC或24VDC供电，主单元功耗3.3W，每个从单元功耗2.2W，最多可以扩展8个从单元。

图1 系统结构图

主单元结构
主单元结构如图2所示，根据系统的特点将C8051F064的功能做如下配置：

存储器
C8051F064内部自带4352字节RAM和128字节的Flash，由于系统对数据的实时性要求不高且采用远程通信方式，为了降低功耗，往往将大量数据缓存，在一定的时间集中发送，所以需要比较大的数据存储区，利用外部数据和地址总线可以扩展32KB的RAM。另外，作为现场可编程设备，需要设定大量的参数，而这些参数都需要掉电保持，所以，除了使用单片机内部的128字节的非易失RAM之外，还扩展了一个8KB的E2PROM.

地址和数据总线的利用
地址和数据总线采用复用的方式，C8051F064支持64KB的外部存储空间，扩展RAM为32KB，所以，剩下地址线A15是空余的，利用A15和其他低位的数据线，用与非门就可以构成片选信号，用来选择总线上的设备。在总线上还外挂了一个实时时钟，用来作为系统的时间标志，由于此芯片内带有电池保持的RAM，对于频繁操作且需要保持的数据就可以存在此处，这样可以避免内部非易失RAM和E2PROM的复杂操作。另外，现场的数字I/O也可以用总线和片选经光电隔离构成，这样可以大量缩减单片机的引脚。

图2 主单元结构图

串口
C8051F064内部带有两个UART，其中串口0经光电隔离转换为RS-485信号,用于跟现场的其他设备连接，串口1再加上6个GPIO口经电平转换后成为全功能标准的RS-232接口,用于与Modem、电台、CDMA等连接。用C8051F064的SPI口经MAX3100扩展成UART，通过外部的可选配件，转变成RS-232或RS-485信号。

模拟量
C8051F064的模拟量输入最高不超过3.6V，所以接入信号时要注意其范围，针对此系统，由于现场信号大部分是4mA~20mA电流,因此用100Ω的精密电阻，配上2.5V的精密电压源，可以将模拟量的精度调整到1‰。另外，启动内部ADC0的窗口检测功能，可以方便地实现模拟量的上下限越限报警功能。

数字量
大部分数字量直接挂在总线上，另外，有两路开关量输入直接接到单片机引脚，并在内部分配这两个引脚为定时/计数器的输入，这两路就可以兼做脉冲量了。

单片机资源分配
C8051F064的端口功能分配使用交叉开关的方式，而且还带有优先级，这种方式很灵活，但是要求设计师在电路设计时就要将内部的功能分配就绪，也就是说电路板加工完成后就不可以随意修改交叉开关了。

复位
C8051F064除了实现传统的RESET信号复位外，还有上电、掉电、外部信号、软件命令、比较器0、时钟丢失检测及开门狗等复位功能，共7种复位方式。单片机复位后可以通过查询寄存器得知是何原因引起的复位，这对数据的处理和故障分析都是很有用的。本系统使用的是上电、软件命令、时钟丢失和看门狗，增加软件命令复位的原因是：由于这些设备的安装地点都是比较偏远的，当中心站察觉此设备异常时，可以将其重新启动，以解决一些异常问题。

图3 从模块结构图

一些技术问题
数据的存储
在这个系统中有多个可以存储数据的存储器，如256字节的内部RAM、4KB的内部扩展RAM、32KB的外扩RAM、128字节的Flash、实时时钟内114字节的电池保持RAM和外扩8KB的E2PROM，这么多的数据存储区，一定要仔细分配其用途，以便充分发挥功能和速度。本系统作如下分配：256字节的内部RAM读写速度最快，而且它是单片机内核所占用的，所以要减少使用，它用在对速度要求较高且频繁使用的地方，如中断内的变量等；4KB内部扩展RAM和32KB外扩RAM的地位是等同的，一般用作程序的中间变量；128字节的Flash是整片修改的，所以修改之前要把所有数据读到缓冲区，将要修改的字节改掉，再把整片擦除，然后把数据写入。虽然写比较麻烦，但是读取很方便，所以用它存放一些不经常改动而且需要掉电保持的数据，如模拟量的修正值等；实时时钟内114字节的RAM读写速度较快，而且访问方便，所以用它存放需要掉电保持的中间变量，这样可以随意读写；8KB的E2PROM受总线逻辑的限制，读写较慢，但数据区较大，用来存放功能的设定值，在程序初始化的时候把它读出并放到中间变量区，以后不对其操作，修改内部数据操作不宜在中断中进行，防止延长中断时间。

看门狗
本文采用的是22.1184MHz晶振，那么看门狗监控时间最长只有47.4ms,这对实时性要求不高。本文采用中断喂狗的方式。一般来说单纯的中断喂狗是不可以的，因为程序中起作用的是主循环，而当主循环进入非正常状态时，中断往往还在进行，所以用中断喂狗还需主循环配合。这里采用的是5ms中断喂狗，在中断中用变量a累加，当a累加到100时，就不再喂狗；而主循环内不断将a清0，这样就可以把看门狗的时间延长到500ms。

模拟量滤波
C8051F064的ADC是逐次逼近型的，虽然速度快至1MSPS，但数据的抖动特别大，所以在混合系统中应用时，外围一定要加滤波电路，如果在硬件设计中没有考虑也没关系，可以充分利用它的速度，在内部采用软件滤波的方式。本系统对模拟量的采集速度要求不高，只求稳定和准确，在内部采用了20个点的中位值平均滤波，然后再用20次平均值算法，这样，就算外围没有任何滤波措施，也能得到很好的效果。

从单元结构
从单元采用底板加模块的方式，在底板上布置4个模块的位置，这几个位置的接口要完全相同，这样可以灵活配置点数。按照系统要求，所有的I/O点都要进行电气隔离，就不需要选择带ADC和DAC的单片机了，只需要有足够的GPIO就可以了，按照这一原则，本系统选用了C8051F236，如图3所示。从单元保留了主单元设计时的液晶和键盘接口，虽然大部分参数是在主单元内设置的，但保留这个接口可以看到模块的软件版本号等信息，如果将来有参数设置的话，也可以通过这里设定到单片机内的非易失RAM区。

主／从间通信采用Modbus协议，不需要扩展从单元，可以用这个口与外界的Modbus协议设备连接。从单元结构比较简单，单片机只负责很少一部分工作，在此从略。

系统组网
在实际应用中，通常不是使用一个装置，而是将多个装置连接成一个有线或无线网络，有线网络一般采用RS-485结构或拨号方式，在距离较近的系统中使用，由中心站对每个站点进行轮巡；无线网络一般采用电台和CDMA等，与有线网络不同的是，这个链路是要收费的，所以通信就不能采用轮巡方式了。在用电台通信时，往往是距离较远，供电较困难，所以应采用遇变则报的方式，对开关量只要变位就发送，模拟量超过预设的死区范围就发送，由于电台往往采用频分复用的方式，所以每个站都要有自己的时间片，当有数据需要发送时，将数据缓存，当到达自己的时间片时，将缓存数据发送，这样就不会出现数据冲突现象了，也利于降低功耗，这对于太阳能供电的系统是很有利的。单纯的遇变则报是有缺陷的，因为在系统没有变化的时候，他不发送数据，也就不知道是数据没有变化还是这个站点有问题，所以本系统增加了一个整点平安报的功能，就是在每隔固定的时间断，如4小时，所有站点都把自身所有数据发送一次，这样就可以看清问题之所在了。在用CDMA通信时，虽然不存在频分复用的问题，但也要将发送数据分时发送，以免在特定的环境下，大量的数据在同一时间涌入数据中心，造成信道堵塞。

系统的测试与运行情况
系统设计完成后，进行了严格的测试，单片机的运行速度达到了预期的效果，功耗和整体散热情况优于原有的系统。在电磁兼容实验室内进行了快速瞬变、辐射抗扰度、静电放电和电压突变等实验，其指标优于国家对此类产品的要求。同时对系统进行了高温(60℃)和低温试验(-20℃)、恒定湿热、振动、碰撞、绝缘强度等测试，均优于国家标准。在防汛、水网、热网等多种应用中，用这个系统与CDMA和电台等组成无线网络，最多达到60多个点，运行稳定可靠。在楼宇控制系统中，采用RS-485组成的有线网络，也取得了很好的效果。

参考文献
1. [美]Cygnol Integrated Products,Inc.C8051F单片机应用解析.潘琢金，孙德龙，夏秀峰译，北京：北京航空航天大学出版社， 2002
2．Silabs.C8051F06X Data Sheet.http://www.silabs.com.2004
3. 童长飞。C8051F系列单片机开发与C语言编程，北京：北京航空航天大学出版社， 2005