Cygnal单片机的模拟量输入转换电路设计

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赵玉峰1,2，徐建军1,王金玉1(1.大庆石油学院 电气信息工程学院 黑龙江 大庆 163318;哈尔滨 150001).2哈尔滨工业大学 电气工程及自动化学院，黑龙江
摘 要二Cygnal系列单片机在模拟信号的采集和模数、数模之间的转换及模拟信号的输出等功能方面，非常适合于工业控制系统智能化发展。本文在介绍了Cygnal单片机工作原理的基础上，就其在实际应用中出现的模拟量输人电路设计问题进行了讨论，并提出了具体设计方案。
关键词:C805IED20; AD转换;失真
1 引言
    Cygnal公司的C8051Fxx:系列单片机与传统的8051单片机相比具有许多突出的优点，其在模拟信号的采集和模数、数模之间的转换及模拟信号的输出等功能方面所进行的完善，非常适合于工业控制系统的自动化和民用设施的进一步智能化发展在工业和民用产品的开发和研制中必将占有极为重要的一席之地[D>，所以在这里就我们在应用过程中遇到的一些问题提出一点看法，希望通过这篇文章能和广大单片机爱好者在应用Cygnal单片机进行电路设计方面进行进一步的探讨。
2  Cygnal单片机功能简介
    C805IFxxx系列单片机是完全集成的混合信号系统级芯片(SOC : System On Chip)，具有与8051指令集完全兼容的CIP一5内核。它在一个芯片内集成了构成一个单片机数据采集或控制系统所需要的几乎所有模拟和数字外设及其它功能部件。这些外设或功能部件包括:ADC、可编程增益放大器、DAC、电压比较器、电压基准、温度传感器、SMBus/IC, UART, SRI、定时器、可编程计数器/定时器阵列(PCA)、内部振荡器、看门狗定时器及电源监视器等。这些外设部件的高度集成为设计小体积、低功耗、高可靠性、高性能的单片机应用系统提供了方便，也可使系统的整体成本大大降低[[21。
    我们在应用 C8051 Faooc系列单片机进行产品开发的过程中，发现其具有相当突出的优点。除了具有指令运行速度快、U0配置比较灵活、可基于JTAG接口的在系统调试等特点以外，大部分的C8051 Fxoac系列单片机都有ADC子系统和电压输出DAC系统，非常适用于工业系统的自动控制。其中尤以C8051F020表现突出。
    C8051F02提供8个模拟量输人(AINO. 0 - 0. 7 )，由内部提供的一个12位ADC子系统ADCO进行控制;ADCO由逐次逼近型ADC、多通道模拟输人选择器 AMUXO和可编程增益放大器PGAO组成，如图1所示)。它工作于最大采样速度100ksps时，可提供真正的12位精度。ADCO的电压基准可以在DACO输出电压和外部参考电压VREFO引脚之间选择。当电压基准选定后，输人模拟量(0一电压基准)就与内部 12位数字量(0-4095即212一1)相对应，从而完成外部模拟量与内部数字量之间的一一对应。除AINO之外，通用UO口中端口1也可被设置成模拟量输人(AIN1.0一1.7)，由一个8位 ADC子系统ADC1控制;ADC1工作在采样速率500ksps时，可提供真正的8位精度。它的电压基准可以在模拟电源电压(AV十)和外部参考电压VREF1引脚之间选择。ADC完全由CIP一51通过特殊功能寄存器控制，不使用ADC时系统控制器可以通过软件关断它以节省功耗。


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    ADC的可编程增益放大器接在模拟多路选择器之后，增益可以用软件设置，其中ADCO可从0.5,1到 16中任一个2的整数次幂数，ADC1可以被编程为0.5,1,2或4。当不同AD(:输入通道之间，输人的电压信号范围差距较大或需要放大一个具有较大直流偏移的信号时，这个放大环节是非常有用的。A/D转换可以有4种启动方式:软件命令、定时器2溢出、定时器3溢出或外部信号输人。这种灵活性允许用软件事件、硬件信号触发转换或进行连续转换。一次转换完成后可以产生一个中断，或者用软件查询一个状态位来判断转换结束。在转换完成后，转换结果数据字被锁存到特殊功能寄存器中，用户在使用时可通过软件查询寄存器中数据字来得到相应输人的模拟量。
    C8051FD20有一个内部电压基准电路，由一个 1.2V,15 x10-b/`L(典型值)的带隙电压基准发生器和一个2倍增益的输出缓冲放大器组成。该电压基准电路为控制 ADC模块工作提供了灵活性。有3个电压基准输人引脚，允许每个ADC使用一个外部电压基准或片内电压基准。通过配置VREF模拟多路器，ADCO还可以使用DACO的输出作为内部基准 ADCI可以使用模拟电源作为电压基准。
3 实际电路设计
    由于Cygnal单片机集成了构成数据采集和控制系统所需要的几乎所有模拟和数字外设及其它功能部件，并具有存储量大、可在线编程等优点[43，我们利用C8051FD20设计了一套用于油田实际生产的潜油电机控制系统，其模拟量输入与变换方面的特点得到了充分的应用。
    目前，工业控制过程中绝大多数变送器采用fff型仪表，它的标准输出信号为4一20rnA的DC电流信号[5]。基于这一点，我  们在实际设计中采用了如图2所示的UV转换及AI电路。输人的4一20mA电流信号通过25012电阻转换成1一5V电压信号  通过运放输入到F)20的模拟量输入端(AINO)，设置电压基准VREF为2.43V，由ADC配置寄存器ADCOCF设置ADCO内部放  大器增益为0.5，使由4一20mA输入信号产生的1一5V(经PGAO增益转换后为0.5一2.5V)与内部12位数字量中的819一4095  对应，完成AD转换。这样虽然存在2.43一2.5V之间输人无法响应问题，但不影响实际控制过程。


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    因运放LM258内部自设输人保护电路，在应用过程中如果出现系统失电而输人信号仍然接人的情况时，会因运放同相输人端对地电位高于0.7V，而使运放保护电路损坏。如果保护电路被击穿，就相当于在输人端2500电阻两侧并联上另一阻值较小的电阻，使输人电阻变小，输人电压信号将出现偏差。在实际应用中该情况可能会经常出现，所以我们在I一5V电压信号进人运放同相端前串接一电阻(27K)，保证同相端对地电压一直低于0.7V，从而使运放正常工作。
    对电路在线调试时发现，如果LM258供电电压为5V，运放实际输出就无法达到5V，超过3.8V后运放输出呈非线性，最高下echnical Co只能达到4.3V左右，出现失真现象。同时，在输出端电阻R3上有较大电流流过，最高可高达30mA，此大电流直接灌人E020的AIN引脚，此情况长期运行将影响F020的正常工作。为解决AI失真问题，我们将输人部分电阻R1由25052改为20052，这样使输人4一20mA信号由原来对应1一5V改为0.8一4V，软件设计中在0-4095中取655一3276与之对应，AI失真问题得到良好的解决，这说明使用ADC时输人电压范围必须在一0一VREF范围内;但大电流问题仍然存在。于是再次将R1电阻改为121.552,增益设为1，将输入2.43V与内部数字量《)95直接对应。经过实际运行监测，输出电流问题得到良好的解决，同时原电路部分控制区间不响应的问题也不存在了。
4 结束语
    基于C8051FU20单片机所设计的潜油电机控制器应用于大庆油田现场实际控制过程，实践表明该控制器可进行可靠的模拟信号采样和AD转换，真正达到12位精度，从而得到满意的控制效果。由于Cygnal单片机在各方面所作的改进和完善，必将在工业控制领域得到更广泛的应用。
S 参考文献:
    [1]何立民.从Cygnal C8051F看8位单片机发展之路【J7单片机与嵌人式系统，2002,(5):5一8.
    [2] 潘琢金，施国君‘C8051Fxxx高速 SOC单片机原理及应用[M].北京:航空航天大学出版社，2002.
    [3]  C8051 F02X Family Datasheet Revision 1.0 (9.2001).CYGNAL In-tegrated Products仁Z].INC. 2001.
    [4] 关学忠，高杉，赵玉峰，等.CYGNAL的C8051F02x系列高速SOC单片机〔il.电测与仪表，2002,(11):53一56
    [5]刘丹，孙自强.基于C8051F单片机智能控制仪表的设计[I].中国仪器仪表，2004,(7): 40一43.
    作者简介:赵玉峰(1974一)，男，黑龙江大庆人，讲师，哈尔滨工业大学博士研究生，研究方向为电能变换、单片机控制枝术和电气自动化。




         
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