广播发射台站远程监控系统设计

——基于C8051F380单片机的数据采集控制器设计

陈 海

（贵州广播电视台）

摘要 在广播发射台站管理与监控系统中，很多广播发射机都无远程监控接口。本文设计了一种基于C8051F380单片机的数据采集控制器，对无远程监控接口的发射机进行加装后，实现了发射机的多个运行参数的数据采集和控制，通过串口按所定义的通讯协议同数据采集控制器进行通讯，并还可以通过LCD进行同步数据显示。 关键词 单片机 C8051F380 RS-232 SP3232E A/D转换器 DS18B20 ACS7121 引 言本文设计的数据采集控制器是一种专门用于发射设备进行数据采集和控制的独立装置，可以测量发射机功放温度、输出功率、反射功率、功放电压、功放电流等参数，采集到的数据放到采集控制器的数据存储器中暂存，需要时通过远端发送来的指令把采集控制器中的所采集的相应数据传送到远端进行处理。2 总体设计1）系统总体组成数据采集控制器的结构框图如图1所示。

图1 数据采集控制器构成框图

系统主要实现对发射机工作的电参数、状态量、开关量的采集，并对所采集的数据进行初步处理。此部分包括单片机对发射机模拟量（电压、电流、功率）的A/D转换、开关量（开机、关机信号）、状态量（功放过温、吸收负载过温、高压正常、外部连锁正常等信号）信号的处理和1线总线器件DS18B20数字温度传感器的处理。2）系统工作过程数据采集控制器的工作过程如下：发射机的各工作电参数和吸收负载的温度经过传感器、信号调理电路转变成标准电信号，送往单片机的A/D（模拟/数字）转换器，转换成数字量进行处理；而发射机的各工作状态量则经光电耦合器隔离后直接送入到单片机进行处理；需要控制的开关量则通过具有MOSFET输出的光电耦合器，隔离输出后直接或间接控制继电器来带动较大功率设备或器件工作；3 硬件设计数据采集控制器的硬件设计主要包括五个单元电路模块，即：控制单元模块、开关量输入/输出模块、模拟量输入模块、通信接口模块和电源模块。控制单元模块是由C8051F380单片机作为微控制器的最小单片机系统，由振荡电路和上电复位电路等组成。主要实现对监控计算机与数据采集控制器之间传输的数据进行处理和命令的执行，以实现对发射机进行监测和控制。开关量输入/输出模块主要由隔离电路和发光二极管指示电路等组成。实现对输入的发射机工作状态量和输出的开关控制量与单片机之间进行隔离传输，并可通过发光二极管的亮、灭指示其工作状态。模拟量输入模块是由传感器组和信号调理电路等组成。实现对模拟量到数字量的转换和处理。通信接口模块是利用RS-232通信的电平转化芯片实现单片机串口的TTL电平与RS-232电平的转换，使其能通过该接口与数据采集控制器进行通信，实现对发射机数据的实时传输和控制。电源模块是由降压型DC-DC开关稳压电源控制器所组成的电路，实现对以上各个电路模块提供稳定的工作电压。1）控制单元电路模块控制单元电路模块是系统控制的核心，它是开关量输入/输出模块、模拟量输入模块和主控计算机之间相互连接的桥梁，它可根据主控计算机下达的指令来读取发射机的工作参数、状态信息，完成发射机的开关机控制、倒机控制等功能。电路控制核心采用了C8051F380单片机，该单片机是美国Silicon Labs公司最新生产的与标准51系列完全兼容的混合信号片上系统型芯片，该芯片内部集成了许多功能部件，如ADC、可编程增益放大器、电压比较器、电压基准、片内温度传感器、双SMBus/I²C、双UART、SPI(Serial Peripheral Interface，串行外围接口)、PCA、看门狗定时器及电源监视器等，增强了系统编程的灵活性和抗干扰能力，简化了外围电路的设计，提高了系统的可靠性。这些功能已完全满足数据采集控制器硬件的设计需求。（1）单片机C8051F380简介

?主要特点

数据采集控制器的核心器件C8051F380是完全集成的混合信号片上系统型MCU，其主要特点如下：具有可达48 MIPS流水线结构的8051兼容微控制器内核；双SMBus/I2C接口、双增强型UART接口和一个增强型SPI串行接口；内置USB收发器和1 KB FIFO RAM的USB功能控制器，带有8个灵活的端点通道；内置电源稳压器；带有模拟多路器的10位500KHz的单端／差分ADC；多达64 KB的片内Flash存储器；4352字节片内RAM；6个通用16位定时计数器，5个捕捉／比较模块和看门狗定时器功能的可编程计数器／定时器阵列；带有片内上电复位、VDD监视器和时钟丢失检测器；耐5 V电压输入的40个I／O端口。FLASH 存储器还具有在系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新 8051 固件。用户软件对所有外设具有完全的控制，可以关断任何一个或所有外设以节省功耗。片内 Silicon Labs 二线（C2）开发接口允许使用安装在最终应用系统上的产品MCU进行非侵入式（不占用片内资源）、全速、在系统调试。调试逻辑支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、单步、运行和停机命令。在使用C2进行调试时，所有的模拟和数字外设都可全功能运行。两个 C2 接口引脚可以与用户功能共享，使在系统调试功能不占用封装引脚。每种器件都可在工业温度范围（-45℃到+85℃）内用2.7V-5.25V的电压工作。电源电压大于 3.6V时，必须使用内部稳压器。对于USB通信，电源电压最小值为3.0V。端口I/O和/RST引脚都容许5V的输入信号电压。

?引脚排列和功能方框图

C8051F380采用 48 脚 TQFP 封装形式，其封装引脚排列如图2所示，原理方框图如图3所示。

图2 C8051F380引脚排列

图3 C8051F380原理方框图

（2）控制核心电路控制单元是采用C8051F380组成的单片机最小系统，如图4所示。

图4 控制核心单元电路

控制单元电路主要由单片机C8051F380和电容C18、C21、晶振Y1组成的时钟振荡电路组成。系统预留I2C接口、SPI接口、1WIRE接口和按键接口，便于系统扩展，其中1WIRE接口主要用于温度传感器DS18B20的操作。另外系统还预留了三线式串行LCD显示屏接口。2）开关量输入/输出单元电路模块由于在广播发射电台这种现场环境中，不可避免地存在各种各样的干扰信号（如强电磁信号的辐射干扰、工频干扰和过程通道干扰等），若电路的抗干扰能力差将导致测量、控制准确性的降低，产生误动作，从而带来破坏性的后果。所以必须对测控系统和发射机之间使用隔离技术来破坏干扰信号进入测控系统的途径，提高系统的抗干扰能力。隔离技术是破坏“地”干扰途径的抗干扰方法，硬件上常用光电耦合器件（简称光耦）实现电→光→电的隔离，破坏干扰源的进入。因为光信号的传送不受电场、磁场的干扰，故可以有效的仰制尖脉冲和各种噪声干扰，实现对发射机和数据采集控制器之间的电气隔离。另外还可以完成电平的转换，转换后输出的电平仅与供电电压值有关，而与光耦输入端无关。本模块设计了4路开关量输入和2路开关量输出。输出部分采用了MOSFET输出的光电耦合器ASSR-1410，故可以直接连接需要控制的低压电路设备（每路最大允许电流：≤600mA，每路最大回路电压：≤60V）。也可根据需要直接驱动继电器或固体继电器(SSR)等外接控制器件来控制功率更大的设备。（1）开关量输入通道电路本模块上的4路开关量输入信号状态可以直接通过读取C8051F380的P4.0～P4.3端口上的口线状态来判断所输入信号的状态，开关量输入通道电路如图5所示。来自于发射机的各种状态量和开关量（如温度开关、继电器开关、按钮开关等）信号通过开关量输入端口DI0～DI3，经输入限流电阻后，由逻辑输出型光耦H11L1隔离输出到C8051F380的I/O端口P4.0～P4.3（电阻R21、R22、R23和R24作上拉限流用）。输入的电气连接方式采用共地（共阴）方式。图中电容C23、C25、C27和C29主要用来滤除高频干扰，防止高频干扰所产生的电动势对光耦的误动作。二极管D4、D8、D9、D10是输入反接保护。

图5 输入通道隔离电路

（2）开关量输出通道电路开关量输出通道电路如图6所示，控制软件通过C8051F380的I/O口P3.4和P3.5输出开关控制信号，经具有MOSFET输出的光电耦合器ASSR-1410隔离后输出。

图6 输出通道隔离电路

由于采用了具有MOSFET输出的光电耦合器ASSR-1410，故其输出可以直接控制小功率的负载或大功率的继电开关（60V/0.6A），实现对发射机的开/关机进行控制或根据需要对需要受控的电路或其它设备进行控制（如，实现发射机自动倒机功能）。另外还可把控制输出端直接连接中间继电器（或固态继电器）用来解决较大功率设备的控制。需要注意的是，在光耦的输入部分和输出部分必须分别采用独立电源，如果两端共用一个电源，则光耦的隔离作用将失去意义。3）模拟量输入单元电路模块模拟量输入单元电路主要负责对发射机输入功率、反射功率、功放电流、功放电压、音频信号进行采集、转换。其电路设计核心主要是对A/D转换部分电路的设计。利用C8051F380芯片内部集成的ADC功能模块，可大大简化了外围电路设计，不需要扩展外围部件。C8051F380芯片中包括1个可配置模拟多路开关AMUX和1个500kbps 10位分辨率的逐次逼近型ADC，AMUX中的32个通道用于外部测量，第31通道在内部被接到片内温度传感器上，它们都可以使用软件通过特殊功能寄存器来配置。C8051F380的ADC模块功能方框图如图7所示，其中一路模拟输入的信号调理电路见图8所示。

图7 C8051F380 ADC0功能方框图

图8 模拟量输入通道电路

电阻R41和R43组成电阻分压电路，根据需要可调整电阻值以改变分压比（分压比=R43/(R41+R43)),使其输入到运放的电压在2.5V以内，图中分压比为1/2，当输入电压瞒度值小于2.5V时电阻R43可不接，R39和C34组成有源一阶低通滤波器，根据输出信号频率可进行调整。如果输入电压瞒度值小于1V，为提高测量精度可通过选择适当的R35和R36将信号放大到所需量程，放大倍数=1+R36/R35。否则R35不安装，R36选择为0欧电阻，即组成电压跟随缓冲放大器。（1）电流获取电路由于霍尔效应的电流传感器可隔离被测系统，比传统的基于电阻采样的电流分压电路精度高，安全性能好，抗干扰能力强，能在隔离条件下测量直流、脉冲以及各种不规则波形的电流。故本设计选用了美国Allegro公司生产的霍尔电流传感器ACS712ELCTR-20A，其额定测量范围0～20A，非线性度1.5%，响应速度小于5μs，完全满足了系统的要求。图9即为采用该传感器的电流获取电路原理图。

图9 电流获取电路

（2）温度获取电路为使温度量转换成单片机处理的数字量，并考虑到本控制器对温度的测控指标要求不高，且可能需要进行多点温度测量（如功放温度、吸收负载温度），故本设计采用美国DALLAS公司生产的1Wire总线的DS18B20数字温度传感器来探测发射机吸收负载、功放模块等的温度。DS18B20具有很高的工作精度和较宽的工作电压范围，其主要性能特点为：采用单总线专用技术，既可通过串行口线，也可通过其它I/O口线与微机接口，无须经过其它变换电路，直接输出被测温度值（9～12位二进制数，含符号位）；测温范围为-55℃～+125℃，分辨率可达0.0625℃；在-10℃～+85℃内的准确度可达±0.5℃；内含寄生电源，可以用数据线供电，采用外接电源时，电压范围为3V～5.5V；可设定温度的上、下限告警值；12位分辨率时的温度变换时间小于 750 毫秒。 DS18B20的TO-92封装引脚排列如图9所示，连接电路如图10所示。

图10 DS18B20引脚排列

图11 温度获取电路

4）通信接口单元电路模块本通信模块选用了Sipex公司生产的RS-232接口芯片SP3232EEN，该芯片与普通的RS-232收发器相比，有一个显著的特点，那就是片内驱动引脚和接收引脚接有高能量瞬变干扰保护装置，可承受±15kV人体放电模式和IEC1000-4-2气隙放电模式。故它能显著提高防止强电磁场和雷电损坏器件的可能性。对于一些环境比较恶劣的现场，可直接与传输线相接而不需要任何外加保护元件。其接口单元电路如图14所示。

图12 通信接口单元电路

5）电源单元电路模块电源的稳定性是整个系统能够正常工作的基础，在本设计中，采用了NS公司生产的降压型DC-DC开关稳压电源控制器LM2675(提供5V电压)和LM1117（提供3.3V电压）来构成电源单元电路模块，实现对以上各个电路模块提供稳定的工作电压。采用开关稳压电源的好处在于：开关管的高频通断特性以及串联滤波电感的使用对来自于电源的高频干扰具有较强的抑制作用。此外，由于开关稳压电源“热损失”（其值为V压降×I负荷）小，设计时还可提高稳压电源的输入电压，以便提高交流电压抗跌落干扰的能力。LM2675的主要特点如下：? 转换效率高达96%? 封装形式有SO-8、8脚DIP和LLP? 外围电路简单，仅需5个外接元件，且使用容易购买的标准电感? 有3.3V、5V、12V 固定电压输出和可调电压输出几种版本选用? 可调输出版本的电压范围1.2V～37V±1.5%? 输出线性好且负载可调节? 输出电流达1A? 宽输入电压范围8V～40V? 采用260KHz 的内部振荡频率，属于第三代开关电压调节器，功耗小? TTL 断电能力，低功耗待机模式? 具有过热保护和限流保护功能采用LM2675的5V版本设计的电源单元电路模块5V电路原理图如图13所示。

图13 电源电路

4 单片机软件设计单片机软件设计主要分为主程序、A/D转换子程序、数据处理子程序、显示子程序和通信子程序五个部分。采用Keil C51语言编程，其中主程序流程图如图14所示。初始化部分包括：看门狗初始化设置、系统时钟初始化设置、复位源初始化设置、端口初始化配置、串口初始化设置、A/D初始化设置、定时器初始化设置和LCD初始化等。系统初始化流程图如图15所示。ADC0的最高转换速度为500ksps,转换时钟来源于系统时钟分频，采样频率设置为50000次/秒，选用的ADC0转换启动方式为定时器3溢出方式。限于篇幅的关系程序略。

图14 主程序流程图 图15 系统初始化流程图

5 结束语由于C8051F380单片机的高集成度，高速度，且内核与普通MCS-51系列兼容，指令简单易学，用其构成的数据采集控制器具有硬件电路简单、性能好、运行稳定等特点，完全可应用于系统中。参考文献1． 杨金岩、郑应强、张振仁：《8051单片机数据传输接口扩展技术与应用实例》，人民邮电出版社，2005年第1版。2． 童长飞：《C8051F 系列单片机开发与C语言编程》，北京航空航天大学出版社，2005年3． Silicon Labs公司网站资料：http://www.silabs.com，2011年4． National Semiconductor公司网站资料：www.national.com，2011年5． 杜兵团、李斌. 基于AD7738的高精度、多通道数据采集系统设计. 电声技术，2007年7期 编辑：中国新闻技术工作者联合会