基于C8051F020 的通用机电控制器关键技术分析

冯 晶 济宁职业技术学院 272037

【文章摘要】

本文主要针对以C8051F020 为核心的通用机电控制器相关关键技术进行分析，能够增强机电控制中硬件和软件的通用性，利用该通用机电控制器，能够满足在机电控制中的相关的串口通讯、模拟量输入输出、数字量输入输出等功能，对于今后通用机电控制器设计具有一定借鉴作用。

【关键词】

通用电机；控制器；关键技术

0 引言

设计专用的机电控制器往往都是通过具体的控制对象来进行，要想满足成本和功耗的苛刻要求，这种按照量体裁衣式设计思想的控制器比较能够满足要求，要设计专用的机电控制器尽管能够满足具体的控制对象的要求，但是存在需要的成本较高的问题，对于控制器的相关维护和设计要求都是比较高的，具有一定的难度。当对于一般的通用的机电控制器进行设计时，并不需要特殊工况下的具体情况考虑，这样的通用的机电控制器的控制要求能较好满足，且另外一方面，还能使得系统的设计和维护成本大大有所降低，这里，本文就C8051F020 为核心的通用机电控制器相关关键技术进行分析，主要通过硬件系统结构和软件设计两方面，对于其中关键技术进行分析。

1 通用机电控制器硬件设计探讨

1.1 总体思路设计

图1 为系统结构总体设计图，是在实际应用需求基础上提出的通用机电控制器的设计方案，主要包括外部接口的设计和处理器的选型两方面的内容，采用嵌入式处理器选型，其中的一个重要考虑方面就是其低功耗、低成本和高性能方面的特点，而对于外部接口的设计来说，应该根据其需要的被控对象的性质和特点，以及相关的物理量的性质等等所决定[2]。其中，对于这种要设计的通用机电控制器来说，其处理器选用C8051F020 处理器，这是其中的核心，另外，外部接口主要包括以下几个部分，分别是模拟信号的输入和输出、数字信号的隔离输入和输出、人机交互接口和串行接口等。

1.2 处理器C8051F020 介绍在C8051F020 处理器中的 MCU 芯片，是完全集成的混合信号系统级别的芯片，还具有64 个数字I/O 引脚。下列为该处理器的一些主要特性方面的分析：第一，全速、非侵入式的在系统调试接口；第二，高速可达25MIPS 的流水线结构的8051 兼容的CIP-51 内核；第三，4352（4096+256）字节的片内RAM ；第四，对于8 通道ADC 来说，其都具有12 位100ksps ，并且还具有PGA 和8 通道模拟多路开关；第五，对于12 位100 ksps 的8 通道ADC 来说，带PGA 和模拟多路开关；第六，64K 字节可在系统编程的FLASH 存储器；第七，具有5 个捕捉/ 比较模块的可编程计数器/ 定时器阵列；第八，两个UART串行接口以及SPI 都是通过硬件实现；第九，在芯片内部具备温度传感器、VDD 监视器和看门狗定时器；第十，5 个通用的16 位定时器。

1.3 关于外部接口设计的分析

（1）模拟信号输入接口设计探讨图2 为模拟信号输入线路，测量调理电路的主要功能就是模拟信号转换为数字信号，其过程就是首先进行测量电压、电流等模拟信号，然后，A/D 转换器再采集后进行相关转换。然后让CPU 进行处理转换后的信号。这里考虑程控放大电路和12 位的AD 转换器已经在所选用的处理器中具备。在图2 电路图中，主要还有相关的信号运算放大电路、隔离调理电路、滤波限幅电路等。这里仅对于其中的一条电路进行相关都说明，总共则包含8 路模拟信号采集电路。

限幅电路则是由D1、D2、Q1、Q2、R2、R3 所组成，R1、C2 组成模拟信号输入电路中的RC 滤波电路，而，要想到到不同的限幅要求，则需要根据采用不同的稳压管。要想实现实现模拟信号的隔离跟随，对于精密仪表运放OP07 来说，则是以电压跟随器的形式完成。上述调理电路调理后，在处理器内部的程控放大电路的帮助下，可以将模拟信号VIN 调理转变为VOUT，这样，就可以进行后续的放大和AD 转换处理。

（2）模拟信号输出接口设计探讨

这里分析12 位的DA 转换器，其在在微处理器内部一共有两个，其中的一个为设计为4 ～ 20mA 电流输出的形式的电路，一个为设计成电压0 ～ 5V 电压输出的形式。分析电压输出型电路可得，减小电压输出的输出阻抗并提高DA 输出的带载能力，则是通过由OP07 组成的电压跟随器完成。在具体的电路图中，4 ～ 20mA电流输出电路则是可以在原有的基础上，要想使得4 ～ 20mA 的电流的条件在PORT1 和PORT2 之间输出过程中满足，就应该进行相关的调整R7 操作，这是可以通过增加电压转换电流的电路来实现。

（3）关于数字信号隔离输入接口设计探讨

由于单片机的IO 接口确实存在一定的数目限制，这里采集数字型号则只能通过数据总线的方式，扩展微处理器的接口则是在该设计中，通过总线扩展芯片74HC245 的方式来实现，外部数字信号的隔离输入是通过光电隔离器来完成，其中，图3 为数字信号隔离输入电路。在图3 中，低电平时数据由B 到A 则是74HC245 总线扩展芯片的1 脚。确定该脚为高电平时，数据由A 到B。其中，19脚为低电平时，AB 端的信号导通，反之，AB 端的信号不导通（在高电平时）。这种芯片价格比较低廉，使用方便，因此，应用比较广泛。

（4）关于数字信号隔离输出接口设计讨论

对于数字信号输出接口进行分析，和数字信号输入接口一样，输出接口的扩展的实现则是通过数据总线接口扩展芯片，这样，数据总线接口只能分时复用，所以，数据锁存的功能应该在设计的输出接口中具备。数字信号的隔离输出可以通过光电隔离器来实现。输出接口的扩展的实现，则是通过带三态门控制输出的8D 锁存器74HC373 来实现。

分析8 路数字信号隔离输出的电路，其中，正常的逻辑状态为D0 ～ D7，当高电平为锁存允许端 C 时，则说明Q 随数据D 而变。Q 被锁存，则是发生在C 为低电平的时候。这种电路在嵌入式应用中应用十分广泛。

（5）关于串行通讯接口讨论

在考虑到两个串行接口的限制的基础上，通过串口扩展芯片来实现C8051F020 的多串口通信问题。任意全双工串口可以通过SP2539 进行5 个完全独立的全双工子串口的扩展，并且可以通过特定相关的单片机软件进行设置各子串口的数据帧长度和波特率等参数。其中，单片机的串口0 接入RX0、TX0，同时，RX1/TX1~RX5/TX5 为扩展的5 个子串口。这种芯片在仪器仪表、工业控制以及多串口卡中应用十分广泛。为了更好保持机电控制器的通用性，这里采用在一般控制中所经常使用的相关的按照RS232 或RS422 的标准进行通信方式。串口电平的转换则是通过ISL81387RS-232/422 双协议收发器来实现，其中，RS232 或RS422模式的切换则是通过该芯片可以通过第8脚来完成。

（6）人机接口设计

按键和显示器接口构成了所谓的人机接口，其中，128×64 液晶显示器为显示部分，而矩阵键盘部分则是按键的采用方式。

2 软件设计部分探讨

扩展方便的程序语言进行软件设计则是一个必要条件，综合考虑，本系统所采用的C51 程序语言进行编写，其具有方便的移植性以及编写的可行性等特点。为了满足整个应用程序的清晰结构，且要求便于调试和易于维护的特点，采用结构化的程序设计方法[3,4]。对于系统中具有不同功能的不同模块来说，把整个应用系统根据功能要求分成许多不同的模块。预处理命令在进行相关的C51 程序设计中充分利用，这样有利于修改完善系统，只需要根据需要修改对相应的宏或是包含文件，就可以完成某个参量的修改工作，也便于整个系统程序的更新。

3 控制器抗干扰设计思考与分析

这里分析系统的干扰，主要包括传导干扰、空间干扰和电源噪声干扰等，其中，电源的污染则是数字电子系统中最为严重的、危害性最大的干扰。为了方便有效地解决电源产生干扰，可以通过增加0.1μF 退耦电容的方式，另外，容易引入或产生干扰的一个地方就是输入输出过程通道，要想合理解决这个问题，就应该通过光耦隔离的方式。考虑到AD 转换和DA 转换电路在系统中配备，另外容易受到干扰的则为模拟电路，地线的布设应该在布线过程中进行重视，要求分开模拟地和数字地和尽可能短的地线走线布置，数字地和模拟地隔离可以通过磁珠实现。同时，软件抗干扰措施还应该在软件设计中进行考虑，软件防抖的设计在采集输入信号过程中应该设计，程序受干扰后引起死机的现象可以通过控制单片机的看门狗来进行预防。

4 结束语

机电控制中常用的控制通道能在基于C8051F020 的通用机电控制器中实现，满足相关电机控制的通用性，在硬件和软件方面设计合理，能够有效方便的进行系统维护，使得项目管理方便性大大提高。

【参考文献】

[1] 周晓尧, 范大鹏, 张智永. 光电伺服控制系统多回路内模控制器分析与设计[J]. 红外与激光工程,2011,40(10)

[2] 田拥胜, 孙岩桦, 虞烈. 高速永磁电机电磁轴承转子系统的动力学及实验研究[J]. 中国电机工程学报, 2012,32(9).

[3] 罗鑫源, 杨世文. 基于AHP 的车辆主动悬架LQG 控制器设计[J]. 振动与冲击, 2013,32(2).

[4] 刘益芳, 吴德志, 郑高峰,等. 微隧道式加速度计的最优控制[J]. 光学精密工程,2013,21(6).

【作者简介】

冯晶，出生年：1978 年，性别：女，籍贯：山东省济宁市邹城市，工作单位：济宁职业技术学院、职务或职称：讲师，学位：工学硕士，研究方向：电力电子及自动化__电子制作049课题来源：校级项目《基于单片机的五轴系统开发》