丁 勝， 范之國， 孫 闖

（合肥工業(yè)大學計算機與信息學院，安徽合肥 230009）

太陽光進入大氣層后，在傳輸過程中被大氣中的物質散射、輻射和吸收，會產生具有不同偏振態(tài)的偏振光，這些具有不同偏振強度和方向的偏振光在大氣中形成了特定的偏振態(tài)分布，稱之為大氣偏振模式［1］。大氣偏振模式中含有重要的方向信息，其偏振度、偏振方向等參數信息隨著太陽位置、地理位置、大氣環(huán)境、天氣狀況以及地面環(huán)境的改變而發(fā)生相應的變化。自1809年發(fā)現大氣偏振以來，觀測大氣偏振現象一直與研究大氣污染和地面環(huán)境有著密切的聯系。

許多昆蟲通過對大氣偏振模式的檢測，可以遠距離大范圍覓食卻能沿著近乎直線的路徑返回巢穴。因此，對大氣偏振模式的信息檢測及其相關研究，在仿生偏振光導航領域以及在陌生環(huán)境與特殊條件下的自主導航與定位都具有重要的意義和研究價值［2－4］。

本文針對大氣偏振信息的實時數據采集問題，設計了基于C8051F320微控制器的大氣偏振信息數據采集與控制系統(tǒng)。本嵌入式數據采集系統(tǒng)包括數據的采集、USB通訊的硬件部分、人機交互界面等，與大氣偏振傳感器、多維運動控制系統(tǒng)、USB主從機通訊系統(tǒng)等一起構成大氣偏振信息檢測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體構架

本系統(tǒng)由大氣偏振信息檢測系統(tǒng)中的數據采集和控制部分構成，主要由C8051F320型單片機、TLC3574AD轉換器、AT24C256I2CE2PROM存儲器、多維運動控制系統(tǒng)接口、USB接口以及用于人機交互的鍵盤和ST7920LCD顯示器組成，實現了通用嵌入式多路模擬數據的采集、處理、存儲與顯示以及與上位機通信的USB接口和多維運動控制系統(tǒng)的接口設計，其結構如圖1所示。

圖1 數據采集與控制系統(tǒng)結構

2 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)硬件原理電路設計包括：AD轉換電路的設計、LCD顯示器電路設計、I2CE2PROM電路設計、USB接口設計、鍵盤設計、復位及JTAG下載電路設計、多維運動控制系統(tǒng)接口設計、電源電路設計等。

2.1 基于C8051F320的單片機最小系統(tǒng)

C8051F320單片機是Silicon Lab公司推出的一款新型USB微控制器芯片［5］，是完全集成的混合信號片上系統(tǒng)型MCU，其原理電路如圖2所示。

圖2 C8051F320單片機原理電路

該器件是真正能夠獨立工作的片上系統(tǒng)，具有較快的處理速度和較大的存儲容量，并且具有在系統(tǒng)可編程的功能，是嵌入式USB設計的理想選擇。

C8051F320型單片機可以使用標準803x／805x的匯編器和編譯器進行軟件開發(fā)，指令執(zhí)行速度較快，工作在最大系統(tǒng)時鐘頻率25 MHz時，其峰值速度可以達到25 MIPS。

2.2 基于TLC3574AD的AD轉換模塊

TLC3574 AD轉換器是低功耗、CMOS、具有通用控制性能的14位高速模數轉換器，其原理電路如圖3所示。

串行界面有5個引腳，分別為片選信號輸入端／CS、幀同步信號輸入端FS、串行時鐘輸入輸出端SCLK、串行數據輸入端SDI和三態(tài)串行數據輸出端SDO。SPI總線界面有4個引腳，分別為／CS、SDI、SDO和SCLK引腳；DSP界面由FS、SDI、SDO和SCLK 4個引腳構成。該轉換器的采樣模式可以編程，有短采樣（12個時鐘周期）和長采樣（44個時鐘周期）2種模式，以與高性能信號處理器的時鐘頻率相適應。

圖3 AD轉換器部分原理電路

TLC3574AD轉換器采用串行接入，工作在查詢方式，需要注意的是：在使用時要將數字地與模擬地分開，數字端供電電壓也與模擬端供電電壓不同［6－8］。

2.3 基于I2 C總線的數據存儲模塊

AT24C256是一個32 k電可擦可編程的非易失性存儲器，采用I2C接口，每路總線最大可以連接4片存儲器。存儲部分采用2片AT24C256I2CE2PROM，共計64 k的數據存儲空間，為確保存儲速度，使存儲芯片工作在最高驅動電壓。

依據I2C協議，在SDA和SCK線上拉了5.1 k電阻［6］，其原理電路如圖4所示。

圖4 存儲器部分原理圖

2.4 ST7920型LCD顯示器

人機交互界面為全中文圖形界面，采用含有國標一級、二級簡體中文字庫的點陣圖形LCD顯示模塊。該模塊具有4位／8位并行、2線或3線串行多種接口方式，其顯示分辨率為128×64，內置8 192個16×16點漢字和128個16×8點ASCⅡ字符集，不僅可以顯示8×4行16×16點陣的漢字，而且還能進行圖形顯示。由該模塊構成的液晶顯示方案與由同類型圖形點陣液晶顯示模塊構成的顯示方案相比，具有工作電壓低、功耗小、市場售價低廉、接口方式靈活、操作指令簡單、硬件電路及顯示程序簡潔的特點。

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件流程，如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)軟件流程圖

本系統(tǒng)采用模塊化的程序設計方法［9］，可以在設計好各部分子程序后，再設計實現總系統(tǒng)功能的主程序，程序的可讀性強、易修改。主程序包括：初始化、步進電機設置、AD轉換設置、數據的存儲與顯示等，具體流程如下。

上電后，首先進行初始化，主要包括單片機的初始化和LCD顯示器的初始化。單片機初始化主要包括對端口輸入輸出方式寄存器、交叉開關分配寄存器和端口跳過寄存器進行配置，以及對振蕩器、定時計數器進行初始化；LCD顯示器的初始化主要是向LCD顯示器輸入控制命令，選擇LCD的顯示方式。初始化結束后，等待用戶命令，然后根據用戶命令對步進電機、采樣方式等進行設置。

步進電機的設置包括水平與垂直速度設置、水平與垂直步距設置。AD轉換器設置包括自動采集設置（設置采集的速度）和點采集設置。自動采集主要是設定采集的序號和采集的時間；點采集主要用于手動采集，根據所按的鍵以及按鍵持續(xù)時間采集數據。需要說明的是：步進電機和AD轉換器也可以不設置，此時進入缺省模式。當這些設置全部完成后，可以由用戶命令進入采集程序進行數據采集，然后再調用USB通訊程序將數據上傳到上位機。

4 結 論

本文針對大氣偏振信息的實時數據采集問題，提出了一種基于C8051F320微控制器的大氣偏振信息數據采集與控制系統(tǒng)，介紹了該系統(tǒng)的總體設計思路、原理及方法，詳述了重要功能模塊的電路原理，其優(yōu)點主要有：

（1）采用低功耗，有利于脫機工作。

（2）器件的環(huán)境適應性強，能夠適應各種天氣條件。

（3）軟件設計采用模塊化設計方法，可修改性強。

（4）模數轉換器精度較高，可提供較為可靠的數據。

本嵌入式數據采集與控制系統(tǒng)與大氣偏振傳感器、多維運動控制系統(tǒng)、USB主從機通訊系統(tǒng)等一起構成大氣偏振信息檢測系統(tǒng)，實現了部分天空區(qū)域和全天域的大氣偏振模式信息的快速有效檢測，為大氣偏振信息的研究提供了基礎數據。檢測結果表明，本數據采集與控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定，操作方便，數據采集精度較高，各項指標均達到了實際檢測的總體要求，為大氣偏振模式相關研究提供了大量的可靠數據。

［1］ Labhart T.Polarization－opponent interneurons in the insect visual system［J］.Nature，1988，331：435－437.

［2］ Gao J，Wang L，Yang X Z.A survey of desert ant navigation［C］／／Proceedings of the 2005 IEEE International Conference on Information Acquisition，Hong Kong and Macau，China，June 27－July 3，2005：99－104.

［3］ Wehner R.Desert ant navigation：how miniature brains solve complex tasks［J］.J.Comp.Physiol，2003，189：579－588.

［4］ Gao J，Wang L，Bo M，et al.Information acquisition in desert ant navigation［J］.International Journal of Information Acquisition，2006，3（1）：33－43.

［5］ 潘琢金，施國君.C8051FXXX高速SOC單片機原理及應用［M］.北京：航空航天大學出版社，2004：51－175.

［6］ 魏靖敏，范之國，薛 艷，等.單總線多點數據采集系統(tǒng)設計［J］.儀器儀表學報，2007，28（8）：316－319.

［7］ 薛 艷，魏靖敏，范之國，等.基于RS232無線多機通信系統(tǒng)設計與實現［J］.儀器儀表學報，2007，28（8）：771－774.

［8］ 楊 博，李宛洲.基于單片機的新型多路數據采集系統(tǒng)［J］.儀表技術與傳感器，2006（11）：45－46.

［9］ 陳 康，黃彩虹，何明華.基于工控單片機的嵌入式操作系統(tǒng)核心的設計［J］.合肥工業(yè)大學學報：自然科學版，2010，33（11）：1639－1642.