基于C8051F单片机的多通道数据采集仪

常莉来 凌宏江

（华中科技大学，湖北武汉430074）

消失模铸造技术是将与铸件尺寸形状相似的发泡塑料模型粘结组合成模型簇，刷涂耐火涂层并烘干后，埋在干石英砂中振动造型，在一定条件下浇注液体金属，使模型气化并占据模型位置，凝固冷却后形成所需铸件的方法［1］。

在消失模铸造过程中，金属液流动前沿的温度、压力以及流动速度等是影响铸件质量的重要工艺参数，因此，我们需要对这些物理量进行测量。为此本篇介绍了一款低成本、多通道、高速度、高精度、具有可扩展性的数据采集仪。

1 系统总体设计及工作原理

本仪器中，采用电极触点的方法对流动场数据进行检测，通过掩埋多个触点尽可能多的获取完整的流动场。因此流动场的测量实际上是一个数字量的采集；而温度场和压力场是模拟量，需要通过信号调理与采集模块，并由A/D转换器进行采样并转换成数字量。

考虑到数据采集的扩展功能，整体结构采用控制板与采集板分离的设计方式。

控制板和采集板分别采用C8051F320和C8051F350作为主控芯片，其结构框图如图1所示。

控制板将接收到的按键信息通过UART通信方式发送给采集板，采集板根据协议对接受到的命令进行相应的处理。采集到的结果存储在I2C存储单元中。在外接计算机的情况下，还可以通过上位机软件对系统进行操作。

TMP121以1s为周期采集温度信号，单片机根据该温度进行软件温度补偿。

1.1 模拟量采集模块

对于模拟量的采集，采用F350自带的全差分24位模/数转换器ADC0，它包含一个可编程增益放大器，有8种增益设置，最大增益可达128倍。模拟多路选择器将ADC的差分输入与8个外部引脚相连［2］。

1.2 I2C存储模块

我们需要记录消失模铸造全过程中的温度场、压力场以及流动场信息，因此需要对存储空间进行外部扩展，我们采用ATMEL公司的AT24C1024芯片。I2C存储模块的电路原理图如图2所示［3］。

1.3 通讯接口

控制板与采集板间采用UART通讯方式：F320与F350单片机内均包含增强型UART0，它是一个异步、全双工串口，提供标准8051串行口的方式1和方式3。UART0具有增强的波特率发生器电路，有多个时钟源可用于产生标准波特率。

上位机与下位机通过USB进行通讯，C8051F320器件集成了全速/低速USB功能控制器，USB功能控制器（USB0）由串行接口引擎（SIE）、USB 收发器（包括匹配电阻和可配置上拉电阻）、1KB FIFO存储器和时钟恢复电路（可以不用晶体）组成，不需要外部元件。USB功能控制器和收发器符合通用串行总线规范2.0版［2］。USB接口电路如图3所示。

2 软件设计

系统的软件部分包括按键检测子程序、UART通讯子程序、数据采集子程序、I2C存储器读写子程序、USB通讯以及上位机软件等。

2.1 下位机软件设计

控制板的主程序通过循环检测按键信息来进行相应的操作，当检测到“START”键被按下时，通过UART方式发送按键信息。对采集板采集结果的读取则采用UART中断方式来实现。

控制板主程序如下所示：

串口在接收到数据或者发送完数据后进入中断处理程序。

采集板在进行初始化后等待接收控制板发送的设置信息，直至读取到开始检测命令，根据采集目标进入相应的数据采集子程序，并对数据进行处理，然后将结果存入存储芯片中以待上位机进行读取。

ADC0采用中断方式进行采样：

以温度场的测量为例，在进行数据处理时，我们需要对七种标准热电偶的特性曲线进行高精度二阶多项式拟合，总结出被测温度与热电势的分段函数T=f（E）［4］。另外，由于仪器工作环境温度的差异，会引起测量结果的偏差，我们需要进行温度补偿。温度补偿可分为硬件补偿和软件补偿［5］。我们采用软件补偿的方式，通过TMP121检测环境温度，利用热电偶冷端温度补偿方程计算出环境温度对应的毫伏信号，用这个毫伏信号对热电偶的热电势进行补偿。

2.2 上位机软件设计

C8O51F320是Silicon Laboratories公司推出的可提供USB功能的混合信号微控制器。USB功能控制器具有完整的USB 2.0认证，支持全速与低速操作，可以用于大多数USB外设设计。Silicon Laboratories公司还为USB驱动程序开发提供了USBXpress开发套件，使得USB主机和从机驱动程序开发可以快捷、高效地完成［6］。

Labview是一种基于图形程序的虚拟仪器编程语言。当前虚拟仪器得到了广泛的应用，而USB总线具有即插即用，接口简单、传送速率高等特点。基于Labview与USB的虚拟仪器接口设计将两者优势结合起来，势必顺应未来测控仪器的发展。采用Labview来设计应用程序，关键是通过Call Library Function（CLF）节点来调用USBXpress开发套件所提供的DLL文件中的API函数。

通过CLF节点来调用DLL的步骤如下：

（1）单击该节点将其放置在程序框图中，此时该节点没有与任何DLL连接；

（2）右击该节点并选择Configure选项或者直接双击该节点打开库函数配置对话框；

（3）在该模块的属性设置中选择DLL文件中所包含的某个函数，然后再设置好函数的返回类型和参数类型。这样就可以使Labview调用DLL文件中的一个函数。

图4是一个已经配置好的CLF节点。

通过配置CLF节点，可以实现对DLL文件中API函数的调用。USBXpress提供的主机API函数主要有：

上位机界面如图5所示。当下位机通过USB方式连接到主机时，“设备连接”指示灯变亮，这时可以进行一系列的设置，包括采样时间间隔设置、采样通道设置、测量对象设置以及测量温度场时所选用热电偶类型的设置。点击“设置完成”按键，将设置信息发送给下位机，并启动下位机进行数据采集。点击“绘制曲线”按钮，主机读取下位机存储卡中的数据并进行曲线绘制。通过“数据存储路径”选择一个txt文件用于存储该次数据采集过程中采集到的所有数值，留待分析使用。

3 结果分析

以温度场的测量为例，分析本仪器的精度。

我们用标准毫伏计模拟K型热电偶在不同温度下的热电势，由本仪器进行数据的采集及处理，结果如表1所示。

表1 数据分析

根据上表计算得出本仪器的平均相对误差小于0.5%，达到设计要求。

4 结语

（1）整体结构上采用控制板与采集板分离的设计方式，可以针对不同的采集目标进行灵活的配置。

（2）采用完全集成的混合信号片上系统型C8051F350单片机作为采集核心器件，内部集成了24位模/数转换器，并具有前置放大、抽取滤波等功能，简化了电路设计。

（3）USB模块采用了集成 USB控制器的C8051F320单片机，高度集成的芯片使得设计变得简单方便，并降低了成本。

根据实验数据得出本仪器的采样速率可以达到100 Hz，采样分辨率可达24位，采样相对误差小于0.5%。本仪器在测量速度和精度以及分辨率方面均达到了设计要求。

［1］樊自田，赵忠，等.特种消失模铸造技术［J］.铸造设备与工艺，2009（1）：17-21.

［2］C8051F320/1 DATASHEET，C8051F350/1/2/3 DATASHEET.

［3］余易翀，谢剑英，陈应麟.基于AT89C5131的车辆行驶记录仪的硬件设计［J］.控制工程，2006，13（3）：262-267.

［4］罗万象，刘洪祥，等.七种标准型热电偶特性曲线的高精度拟合［J］.石油大学学报（自然科学版），1995，19（5）：102-106.

［5］黄师，凌宏江.利用温度补偿技术提高型砂水分分析仪的测量精度［J］.中国铸造装备与技术，2008（5）：51-53.

［6］朱磊，刘东.C8051 F340与Labview基于API的USB道信［J］.单片机与嵌入式系统应用，2007（11）：35-37.