黃贊能

(92823部隊(duì) 三亞 572021)

基于EM78P259N單片機(jī)開發(fā)的小型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)*

黃贊能

(92823部隊(duì) 三亞 572021)

EM78系列單片機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊功能強(qiáng)大，尤其是其內(nèi)部集成的ADC、MUX等電路為小型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)建提供了極好的平臺(tái)。通過對某檢測控制系統(tǒng)的介紹，分析了EM78P259N單片機(jī)在數(shù)據(jù)采集方面的應(yīng)用，并針對系統(tǒng)特有結(jié)構(gòu)提出了相關(guān)注意項(xiàng)。

單片機(jī); EM78; 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng); 億隆

Class Number TP274

1 引言

由臺(tái)灣億隆公司開發(fā)的八位EM78系列單片機(jī)廣泛應(yīng)用在家用電器、工業(yè)控制、儀器等方面，它優(yōu)良的單片機(jī)結(jié)構(gòu)和性能為許多用戶所認(rèn)同，但與AT89系列、Z86系列、PIC系列等其他單片機(jī)比較而言，由于其進(jìn)入國內(nèi)市場稍晚一些，還是有很多人對其特點(diǎn)不甚了解。本文通過對利用某型EM78單片機(jī)(EM78P259N)開發(fā)的一個(gè)小型快速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的介紹，將該單片機(jī)的主要特點(diǎn)和部分功能作一個(gè)概述，供大家參考。

2 Em78系列單片機(jī)簡介

EM78系列單片機(jī)是采用低功耗、高速CMOS工藝制造的8位單片機(jī)，它將眾多功能集于一身，包括ALU、ROM、RAM、I/O、堆棧、中斷控制器、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、看門狗、電壓檢測器、復(fù)位電路、振蕩電路、A/D轉(zhuǎn)換器等，成為真正意義上的單片機(jī)小系統(tǒng)[2]。在數(shù)據(jù)處理方面EM78系列單片機(jī)采用RISC結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、單周期、單字節(jié)及流水線指令、五級(jí)堆棧、RAM數(shù)量從32～157個(gè)，最短指令周期100ns，程序頁面為1K(多至4頁)，與其它一些單片機(jī)相比，具有更高、更快的運(yùn)行處理速度。而EM78P259N是EM78系列單片機(jī)的一款比較典型的產(chǎn)品，其內(nèi)嵌2K的ROM存儲(chǔ)器，80Byte的SRAM，4路12bit的A/D轉(zhuǎn)換，內(nèi)置OP功能，IR/PWM功能等，該單片機(jī)性價(jià)比很高是OTP應(yīng)用領(lǐng)域一種非常經(jīng)濟(jì)的選擇。

從結(jié)構(gòu)上來看，EM78P259單片機(jī)在片內(nèi)集成了一個(gè)8位的算術(shù)運(yùn)算單元ALU和工作寄存器ACC、2K×13位ROM、80個(gè)SRAM、8位時(shí)鐘/計(jì)數(shù)器(TCCA，TCCC)和16位時(shí)鐘/計(jì)數(shù)器(TCCB)、振蕩器、看門狗、8級(jí)堆棧、中斷控制器、指令寄存器、譯碼器、4路12位AD轉(zhuǎn)換和其他一些功能模塊等，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 EM78P259N功能方框圖

由于EM78P259N單片機(jī)內(nèi)部集成了12位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換速度較快，分辨率較高，能滿足許多快速采樣電路的需求。具體在應(yīng)用中采用了三個(gè)控制寄存器(AISR、ADCON、ADOC)和三個(gè)資料寄存器(ADDATA、ADDATA1H、ADDATA1L)來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換的控制和保存。由于逐次逼近式AD轉(zhuǎn)換的精確度、線性、速度由ADC和比較器特性決定[2]，在程序設(shè)計(jì)中要考慮到源內(nèi)阻和內(nèi)部采樣電阻對采樣保持電容充電時(shí)間的影響；一般經(jīng)驗(yàn)數(shù)值為：源電阻每K程序應(yīng)等待2μs，如果是低阻源則至少等待2μs。

3 采集系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

在小型控制系統(tǒng)、以及智能化電子裝備維修設(shè)備智能機(jī)電一體化產(chǎn)品上利用EM78P259N型單片機(jī)的多路12位A/D轉(zhuǎn)換器對電流、電壓等信號(hào)進(jìn)行直接采樣錄取，具有結(jié)構(gòu)簡單、速度快、功能強(qiáng)、檢測率高的優(yōu)點(diǎn)；尤其是通過設(shè)計(jì)方便快捷的人機(jī)交互界面，可以簡單有效地靈活應(yīng)對不同的工作環(huán)境工作狀況，提高了系統(tǒng)的適用性、通用性。筆者在一型電源維修設(shè)備上利用該型單片機(jī)開發(fā)的簡單檢測控制系統(tǒng)就充分發(fā)揮了該單片機(jī)作為采樣設(shè)備的簡單、小巧、方便、快捷的優(yōu)點(diǎn)。

該設(shè)備要求控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)對四個(gè)監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行電壓、電流監(jiān)測，并根據(jù)檢測結(jié)果對兩路控制信號(hào)輸出不同的控制，達(dá)到跟蹤、穩(wěn)定的目的。在這里將信號(hào)采集部分進(jìn)行重點(diǎn)描述。根據(jù)本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求信號(hào)采集電路結(jié)構(gòu)方案如圖2所示。

圖2 信號(hào)采集電路結(jié)構(gòu)方案圖

3.1 信號(hào)調(diào)理電路

圖3 信號(hào)采集電路結(jié)構(gòu)方案圖

四個(gè)監(jiān)測對象包括電流和電壓而且各路信號(hào)幅度變化也各不相同，因此設(shè)計(jì)合適的信號(hào)調(diào)理電路是采樣前的第一步。根據(jù)所采樣信號(hào)的特點(diǎn)選用了AD521集成測量放大器作為主放大器件。AD521是美國Analog Devices公司生產(chǎn)的三運(yùn)放測量器，它具有高輸入阻抗、低輸出阻抗、低失調(diào)電壓，還有較強(qiáng)的抗共模干擾能力和高穩(wěn)定度增益[1]。其測量放大原理如圖3所示。

圖3所示為三個(gè)運(yùn)放組成的測量放大器，差動(dòng)輸入端U1和U2分別是兩個(gè)運(yùn)放(A1、A2)的同相輸入端，因此輸入阻抗很高。A3實(shí)際上是一個(gè)差動(dòng)跟隨器，其增益近似為1，目的是與后級(jí)進(jìn)行隔離。測量放大倍數(shù)由下式確定：

在AD521的實(shí)際應(yīng)用中其增益由外接的兩個(gè)電阻決定，通過改變兩個(gè)外接電阻的比值可使增益在1～1000范圍內(nèi)變化。值得注意的是在電路設(shè)計(jì)時(shí)采樣信號(hào)的輸入端與放大器電源地之間應(yīng)當(dāng)設(shè)置有直流通路，以提供他們正常工作所需的偏置電流。

3.2 選擇與采樣/保持電路：

信號(hào)選擇采用了AD7501集成多路選擇芯片。該芯片是一種具有八個(gè)輸入通道(S1～S8)和一個(gè)輸出通道(OUT)的多路CMOS開關(guān)。由三個(gè)地址線(A0、A1、A2)以及使能端EN的狀態(tài)來選擇八個(gè)輸入通道之一與輸出端導(dǎo)通[3]。

采樣/保持器件(S/H)的選擇在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中能為A/D轉(zhuǎn)換器件提供恒定的采樣值，以減小孔徑誤差。由于每一次數(shù)據(jù)采集過程都包括一次采樣和一次A/D轉(zhuǎn)換，所以S/H和A/D各完成一次動(dòng)作所需要的時(shí)間之和應(yīng)小于采樣周期[1]。當(dāng)A/D是12位時(shí)轉(zhuǎn)換器的分辨率(常用1LSB表示)等于2-12=1/4096=0.02%，所以與之相配的S/H器件的誤差帶為0.01%。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需求選擇AD582作為S/H器件。由于S/H芯片是一種模擬電路與數(shù)字電路混合構(gòu)成的集成電路，在接線時(shí)應(yīng)將模擬地與數(shù)字地分別用引線接到模擬電源和數(shù)字電源的參考點(diǎn)上，即模擬地與數(shù)字地要分離，以避免數(shù)字電路的突變電流對模擬電路的影響。

3.3 CPU電路

由于EM78P259N單片機(jī)內(nèi)部集成了一個(gè)12位A/D轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)和一個(gè)4位多路選擇器，當(dāng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)監(jiān)測信號(hào)少(不大于4路)時(shí)，利用該單片機(jī)進(jìn)行開發(fā)甚至可以省略信號(hào)選擇與采樣保持電路能夠?qū)崿F(xiàn)電路結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步精簡，為微型化監(jiān)測、智能化數(shù)控提供實(shí)現(xiàn)的可能。在本例中由于監(jiān)控了多路信號(hào)所以在信號(hào)調(diào)理完畢之后還插入了一個(gè)選擇電路。

EM78P259N單片機(jī)ADC子系統(tǒng)通過三個(gè)控制寄存器對ADC進(jìn)行控制，其中AISR寄存器對PORT5的各引腳進(jìn)行定義，可通過對該寄存器的定義確定該管腳是I/O腳還是模擬信號(hào)輸入腳；ADCON寄存器控制著ADC的操作和確定哪位管腳為信號(hào)輸入；而ADOC則為偏壓校準(zhǔn)寄存器。其功能組成如圖4所示。

圖4 ADC功能方框圖

由于本例中主要應(yīng)用了EM78P259N單片機(jī)的ADC功能，該MCU其余的控制體系與51系列單沒有什么本質(zhì)的差別，所以在本文中不再贅述。

4 軟件流程及部分軟件代碼

該采集系統(tǒng)的主流程框圖如圖5所示。

在這里列出AD轉(zhuǎn)換子程序以及AD轉(zhuǎn)換校正子程序以供參考：

;啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換子程序

;*********************

AD:

MOV A,@1

MOV AISR,A ;選擇AD0作為采樣口

MOV A,@0X08

MOV ADCON,A ;參考電壓為VDD,ADC的時(shí)鐘預(yù)分頻1:16,開ADC的電源

BS CHARGE ;發(fā)送開始采樣信號(hào)

CALL AD_CALI_P

BS ADRUN ;開始AD轉(zhuǎn)換

JBC ADRUN ;判斷是否轉(zhuǎn)換完成

JMP ＄-1

MOV A,ADDATA1L ;讀取ADC低字節(jié)結(jié)果值

MOV DATAL,A

MOV A,ADDATA1H ;讀取ADC高四位組結(jié)果值

MOV DATAH,A

RET

;AD校正子程序部分

;*********************

AD_CALI_P: ;校正ADC位正電壓

MOV A,@0X07

MOV COUNT,A

MOV A,@0XF8 ;使能ADC位校正功能

MOV ADOC,A

CAL_LOOP_P:

BS ADRUN

JBC ADRUN

JMP ＄-1

MOV A,ADDATA1L

XOR A,@0X00

JBC Z ;判斷ADC低字節(jié)結(jié)果值是否為0

JMP CAL_END

CAL_STILL_P:

MOV A,@0X08

SUB ADOC,A

DEC COUNT

JBC Z ;通過對Z位的檢測判斷COUNT是否減完

JMP AD_CALI_N ;校正ADC位正電壓完成后，再校正ADC位負(fù)電壓

JMP CAL_LOOP_P

AD_CALI_N:

……

CAL_LOOP_N:

BS ADRUN

JBC ADRUN

JMP ＄-1

MOV A,ADDATA1L

XOR A,@0X00 ;判斷ADC低字節(jié)結(jié)果值是否為0

JBC Z

JMP CAL_END

CAL_STILL_N:

MOV A,@0X08

ADD ADOC,A

DEC COUNT

JBS Z

JMP CAL_LOOP_N

CAL_END:

BC CALI ;除能ADC位校正功能

RET

圖5 彩信系統(tǒng)主流程圖

5 應(yīng)該注意的問題

由于EM78系列單片機(jī)特有的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，我們在利用EM78系列單片機(jī)進(jìn)行信號(hào)采集系統(tǒng)的開發(fā)時(shí)應(yīng)注意到一些問題。

5.1 關(guān)于寄存器組(BANK)的問題：

在EM78P259N中，SRAM共有8位寄存器80個(gè)，而其中地址為20H～3FH的寄存器總共有32個(gè)，這些寄存器共分為兩個(gè)組“Bank0”、“Bank1”，它們的使用通過R4(RAM選擇寄存器)進(jìn)行指定[2]。這種結(jié)構(gòu)的寄存器模式，在程序中用到的變量不多(或者數(shù)據(jù)量不是很大)時(shí)，對程序不會(huì)有什么影響，我們可以將所涉及的變量分配定義在同一個(gè)Bank的寄存器中；但是如果程序所應(yīng)用變量較多，對變量的操作將會(huì)有比較大的問題，有可能會(huì)因?yàn)槌绦蛑屑拇嫫鞯腂ank選擇不當(dāng)導(dǎo)致變量選擇錯(cuò)誤，以至于程序出錯(cuò)甚至跑飛，尤其是在牽涉到子程序和中斷調(diào)用時(shí)，一定要格外小心。

5.2 關(guān)于程序頁面(PAGE)的問題：

EM78P259N的片內(nèi)程序存儲(chǔ)器ROM為2K×13位，它采用頁(“Page”)分配的原則：就是將2K的程序空間分為2頁，每個(gè)頁容量為1K；分別是Page 0(000H～3FFH)、Page 1(400H～7FFH)[6]；而指令系統(tǒng)中兩條長距離跳轉(zhuǎn)指令(JMP和CALL)，所攜帶的地址碼僅僅有10位，地址空間為210=1K，即指令只能在1K的空間內(nèi)跳轉(zhuǎn)。當(dāng)使用JMP指令時(shí)，目標(biāo)地址裝入到PC程序指針的低10位；使用CALL指令時(shí)，目標(biāo)地址裝入至PC程序指針的低10位，再將PC+1壓棧，因此子程序的可定義在同一個(gè)程序頁的任何地方。PC程序指針(寄存器R2)和堆棧的位數(shù)是12位，當(dāng)執(zhí)行JMP和CALL等改變PC程序指針的指令時(shí)，可以通過修改狀態(tài)寄存器R3的Bit5(PS0)來選擇程序的頁面；但是RET(包括RETL、RETI)指令不會(huì)改變R3的PS0位，也就是說不管現(xiàn)在設(shè)置了程序在哪個(gè)頁面，當(dāng)子程序返回后都會(huì)返回到子程序被調(diào)用的頁面。當(dāng)編寫的程序代碼量較大(超過1K)時(shí)，程序跨頁跳轉(zhuǎn)和跨頁調(diào)用是避免不了的。在使用JMP指令時(shí)，一定要知道將要跳到哪個(gè)Page；同樣在使用CALL指令時(shí)，一定要知道要調(diào)用的子程序位于哪個(gè)Page中。這樣在使用JMP指令和CALL指令之前必須要設(shè)置R3的PS0位來選擇將要跳轉(zhuǎn)或調(diào)用程序的存儲(chǔ)空間，才能避免程序出錯(cuò)。

由于EM78系列單片機(jī)與常用的51系列單片機(jī)的結(jié)構(gòu)差異導(dǎo)致應(yīng)用中會(huì)存在一些難以察覺的問題，在實(shí)際應(yīng)用中仔細(xì)分析認(rèn)真推敲程序結(jié)構(gòu)養(yǎng)成一些相適應(yīng)的編程習(xí)慣就能將這些問題的產(chǎn)生消弭于無形。

6 結(jié)語

利用EM78系列單片機(jī)開發(fā)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、功能全面、體積小、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，然而這還只是該型單片機(jī)的諸多應(yīng)用方面的一種，該單片機(jī)在PWM領(lǐng)域的應(yīng)用也占據(jù)著一席之地，掌握好該型MCU的開發(fā)應(yīng)用能為小型智能化儀器、設(shè)備等的開發(fā)提供重要依托。

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A Small Type of Data Collecting System Based on a Single Chip EM78P259N

HUANG Zanneng

(No. 92823 Troops of PLA, Sanya 572021)

The single chip of EM78 has a compact structure and strong function. Especially, the circuits integrated inside the single chip, like ADC and MUX, provide an excellent flat for structuring a small type of data collecting system. Some type of test and control system is presented, and the application of the single chip EM78P259N on data collecting is analyzed, and related notice is put forward.

single chip, EM78, data collecting system, ELAN

2014年6月13日,

2014年7月27日

黃贊能,男,高級(jí)工程師,研究方向:艦載雷達(dá)裝備技術(shù)保障。

TP274

10.3969/j.issn1672-9730.2014.12.034