C8051F206单片机在动态设备测控系统中的应用

沈阳军区军训器材研究所 郭虹 邹百舒 杨术轩

摘 要: 本文为一个现代瞄准设备的测控系统。介绍了测控系统的基本设计、硬件设计，阐述了C8051F206单片机在系统中的应用。介绍了系统研制中遇到难题、解决方法和编程。
关键词: 动态设备；测控；C8051F206；速率陀螺；倾角传感器

C8051F单片机是美国Silabs公司推出的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。在一项工程设计中，我们首次利用C8051F206完成了项目中的动态设备测控任务，达到了设计要求。

测控系统概述和基本设计
该工程项目是一种动态瞄准设备姿态测量、瞄准目标时实现设备自动稳定控制的测控系统。
多个瞄准设备安装在动态载体上，系统要隔离载体运动对瞄准设备的扰动，控制伺服系统实现设备瞄准线在运动中对动态、静态目标的自动稳定瞄准，提高其瞄准精度。
本系统的主要特点是对高精度、宽调速范围、高刚度的动态设备的控制。系统主要技术指标略。该系统技术指标较高，涉及的技术门类较多，因此研制难度很大。
经系统分析和计算，我们决定采用捷联方式实现瞄准设备的稳定控制。具体做法是：在载体上安装速率陀螺和倾角传感器，在瞄准设备上安装绝对式光电编码器和伺服系统，为满足设备工作的需要，还另安装了多种不同类型的传感器。
系统分上位机和下位机两大部分。上位机主要完成系统的设置、指挥指令的下达、系统工作状态的监测等。下位机完成姿态方位测量中的陀螺、倾角传感器、其它各种有关传感器信号的采集和处理，根据数学模型完成伺服系统的控制。上、下位机间由RS-485通信口联接。

图1 系统工作框图

图2 系统总线结构电原理图

图3 产生可编程频率信号的程序流程

测控系统的硬件设计
单片机的选择
首先，我们对下位机采用的芯片进行了认真的选择。
系统需对9种器件进行AD变换，对2个14位绝对式光电编码器进行数字采样，控制2套伺服系统。经分析，我们决定采用C8051F206单片机。C8051F206采用该芯片具有如下优点：一是运行速度快。该芯片采用流水线指令结构，70%指令的执行时间为1个或2个系统时钟周期，当工作在最大系统时钟频率25MHz时，执行速度可达25MIPS；二是ADC输入口较多。最多可达32个12位ADC输入，每个引脚都可被配置为ADC输入。且采样速率100ksps，不必外加ADC芯片就能满足需要；三是片内存储空间大。该片具有8KB的FLASH存储器，256 B数据SRAM和1024 B的XRAM；四是调试方便。该片片内支持JTAG调试功能。五是安全机制可靠。该片具有7种复位源，大大提高了运行可靠性，并利用JTAG口编程对芯片加密，提高了系统的保密性；六是具有工业级工作温度范围，能满足系统的使用要求。
系统工作框图
采用C8051F206单片机的系统工作框图如图1所示。
图中中央处理器C8051F206主要完成以下工作：
● 完成与上位机的通信，接受设备瞄准控制指令，发送采集的所有数据和工作状态；
● 输出指令分别至伺服控制器１和２，控制伺服电机１和２运行。并根据光电编码器１和２的信息，完成伺服电机的位置转动。实现瞄准设备方位和俯仰的自动转动，完成设备瞄准线的规定指向；
● 采集速率陀螺１和倾角传感器１(测量载体Ｘ轴的转动角速率和倾斜角度)、速率陀螺２和倾角传感器２(测量载体Y轴的转动角速率和倾斜角度)数据，根据数据模型，实时控制伺服电机１和２，实现瞄准线在惯性空间的自动稳定；
● 采集传感器1～5的数据，实时对瞄准线进行修正。其中传感器１、２、３分别为温度、湿度、压力传感器；传感器４和５则是光电编码器；
● 测试、显示、输出系统工作状态；

测控系统研制中几个问题的技术实现
采用数据总线结构，提高系统运行速度，满足对I/O口的使用需求
C8051F单片机系列中只有C8051F0x系列具有总线结构和相关指令。C8051F206单片机虽然有4个8位I/O口，但除去系统占用的9位ADC，所剩不多。而本系统由于还需接收光电编码器、键盘等输入数据，发送伺服控制、显示等输出数据。我们利用位操作指令，模拟总线操作，实现了C8051F206单片机的总线运行。其电原理如图2所示。
图中，P1口作为数据总线，P2口作为地址管理，74HC377和74HC541芯片直接挂在数据总线上。74HC377和74HC541芯片有三态功能，总线上可以挂几十个芯片，因而能完成较大系统扩展I/O的需求。采用总线结构不仅弥补了C8051F206单片机I/O口的不足，而且大大提高了系统的运行速度。
采用软件滤波，克服陀螺、传感器的信号抖动
系统采用软件滤波，首先分别滤除采样数据中的最大值和最小值，然后采用平均函数进行平均。
经处理后的数据较为平稳，可较好地克服陀螺、传感器信号的抖动和漂移。
I/O口高速脉冲输出，完成伺服系统的位置控制
伺服系统在位置控制模式时，需要脉冲信号，信号频率范围为50~500KHz。C8051F206单片机具有该功能，每个I/O口均可产生脉冲信号，并可通过编程改变其频率。I/O口产生可编程频率信号的程序流程见图3。

结速语
我们初次在测控项目中采用了C8051F206芯片，整个系统运行速度得到了很大的提高，伺服系统的位置控制准确、无误，工作性能稳定可靠。从而实现设备瞄准线在运动中对动态、静态目标的自动稳定瞄准，大大提高了设备的瞄准精度。C8051F×××单片机具有与8051指令集完全兼容的CIP-51内核。对于我们熟悉掌握51单片机的技术人员来说，在硬件设计及软件编程上大大缩短研制周期，使用Ｃ语言模块化编程，为系统调试带来极大的方便．将最新的单片机应用于我们的科研项目中，产生了事半功倍的效果。■

参考文献
1. 潘琢金，‘C8051F高速SOC单片机原理及应用’，北京：北京航空航天大学出版社，2002年.
2. 何立民,‘从C8051F看8位单片机发展之路’，单片机与嵌入式系统应用，2002.5.
3. 马喜顺，‘高速SOC单片机C8051F’，《电子产品世界》，2002.5A. 　　　　　　　　

＊本文转载《单片机与嵌入式系统》杂志第十期