張 震，張玉晗

(中國衛(wèi)星海上測控部遠望5號船，江蘇 江陰 214431)

0 引言

目前，溫度變送器有兩種類型，智能化與非智能化。非智能傳感器采用硬件電路將信號放大和線性化，其特點是成本低，但只生產(chǎn)固定范圍的產(chǎn)品，使用時缺乏靈活性。同時線性電平誤差較大，可靠性精度低。智能一體化溫度變送器通過電腦或手持設(shè)備，對模型的HART調(diào)制解調(diào)器通信范圍的遠程信息管理、組態(tài)、變量監(jiān)測、校準(zhǔn)和維護功能，根據(jù)用戶的實際需求調(diào)整變送器的顯示方向，發(fā)射機和顯示被測介質(zhì)溫度、傳感器值的變化，輸出電流和百分比。

1 硬件框圖設(shè)計

硬件電路的設(shè)計包括PC上位機設(shè)計、C8051F340單片機C2口及USB口設(shè)計、鍵盤及其顯示電路設(shè)計、EEPROM工作電路設(shè)計以及以XTR108為核心的4～20mA電流輸出環(huán)路。系統(tǒng)的硬件設(shè)計框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

PC上位機將處理的數(shù)據(jù)傳輸?shù)较挛粰C當(dāng)中，通過單片機將XTR108需要的參數(shù)值存儲到EEPROM中，同時通過LCD模塊顯示出實時溫度，從而實現(xiàn)智能一體化管理及控制，用戶通過上位機設(shè)置量程大小即可完成4～20mA標(biāo)準(zhǔn)模擬信號的輸出[1]。

2 單片機接口電路

2.1 C8051F340單片機簡介

本設(shè)計使用的是C8051F340單片機開發(fā)板，開發(fā)板外圍電路由USB擴展電路、C2擴展電路、鍵盤和顯示電路等組成。本設(shè)計中仿真器使用的是U-EC6 C8051仿真器，U-EC6 C8051仿真器是Silabs公司推出的一款不占用單片機內(nèi)部空間的在線調(diào)試仿真器，C2擴展電路便是用于單片機C8051F340與外部仿真器連接，外部仿真器通過該接口既可在線仿真調(diào)試，又可以燒錄程序到單片機；USB擴展電路既可以為單片機提供工作電源(外接5V電壓)，又可作為上位機通信的接口。

C8051F340[2]微處理器是Silicon Laboratories研發(fā)的完全集成的混合信號系統(tǒng)型芯片。相比于普通51系列單片機，C8051F340具有快速、流水線架構(gòu)與8051系列單片機兼容的CIP51內(nèi)核；片內(nèi)資源豐富，具有64K片內(nèi)FLASH存貯器，4352字節(jié)片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器，具有兩個片內(nèi)電壓比較器，四個16位計數(shù)器；C8051F系列單片機沒有51系列單片機時鐘周期的概念，其處理速度比80C51系列MCU高出約10倍。

相比于普通51系列單片機，C8051F340單片機在CIP51內(nèi)核與外設(shè)等關(guān)鍵性方面做出了提升改良。該單片機內(nèi)部提供16個中斷源，而普通51系列單片機僅僅提供7個，這就使得外圍電路更加多元化，允許了大量模擬量/數(shù)字量來中斷微控制器；復(fù)位源提升至9個，包括上電復(fù)位、USB復(fù)位、外部管腳復(fù)位等；I/O端口豐富，多達40個I/O端口,大大滿足用戶擴展電路的需求，用戶可以根據(jù)自己的需要在該設(shè)計基礎(chǔ)上繼續(xù)添加擴展模塊。而普通51系列單片機往往由于引腳的限制，需要外部擴展I/O接口；內(nèi)部時鐘源振蕩器在生產(chǎn)時被校準(zhǔn)為12 MHz，精度為0.25%，時鐘恢復(fù)電路可使內(nèi)部的振蕩器與時鐘乘法器相匹配，提供全速USB時鐘源。

2.2 USB接口

USB[3]技術(shù)應(yīng)用到四根線，即兩根傳輸數(shù)據(jù)的電纜D+、D-，還有兩根是分別提供工作電源的電源線及地線。USB傳輸數(shù)據(jù)時有兩種模式可供選擇：低速模式，傳輸速率大概維持在2.5Mbps；快速模式，傳輸速度可穩(wěn)定高達15Mbps。憑借著外圍電路，USB總線在兩種輸出方式下自行轉(zhuǎn)換。一個完整的USB系統(tǒng)由主機、集線器、功能設(shè)備三部分構(gòu)成，三者相輔相成構(gòu)成一個穩(wěn)定、高效的整體。

2.3 C2調(diào)試接口電路

C8051F340單片機的二線調(diào)試接口C2，允許用戶進行在線、不占片內(nèi)資源的系統(tǒng)調(diào)試。

2.4 鍵盤及顯示接口電路

有些用戶在實際需求中除了設(shè)計可以使用主機設(shè)置的范圍外，還需要手動設(shè)置量程功能。本設(shè)計顯示部分用LCD模塊SMS0408顯示設(shè)定的范圍。當(dāng)檢測現(xiàn)場沒有電源供給時，按S4按鈕使單片機接通電源，C8051F340單片機開始根據(jù)用戶需求將預(yù)設(shè)參數(shù)寫到AT25010中。按下S1鍵，LCD模塊顯示“0000”；之后可按S2、S3鍵上下調(diào)整量程大小，此時LCD顯示出相應(yīng)的量程大小，即6.25、15、25、50等，調(diào)整結(jié)束可松開S1鍵，如果LCD顯示模塊顯示“1111”，則說明調(diào)試成功。

2.5 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

ADS7866是一款Texas Instruments公司生產(chǎn)的12位、低功耗A/D、串行通信的轉(zhuǎn)換芯片，用其將電路內(nèi)4～20mA電流信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，隨后將對應(yīng)的溫度顯示到LCD模塊SMS0408上。連接電路如圖2所示。

圖2 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

3 溫度檢測電路設(shè)計

溫度檢測電路如圖3所示，本設(shè)計采用三線制接線法[4]，用以補償導(dǎo)線電阻所產(chǎn)生的誤差。其中Cfliter引腳可以外接濾波電容，給可編程高增益運放PGA的電源濾波，起到穩(wěn)定芯片電源的作用，因為如果PGA增益過高，電源稍微有一點波動就能引起輸出的很大變化，因此濾波電容是非常必要的，濾波電容C2電容值為0.01μF?；鶞?zhǔn)電流轉(zhuǎn)換電阻為13.1kΩ，零點電阻R1為100kΩ，V/I轉(zhuǎn)換電阻為6.34kΩ，R4為500kΩ，線性電阻R2為15.8kΩ。圖中設(shè)計的參數(shù)以XTR108芯片英文說明書中給定的借鑒值為參考依據(jù)。

圖3 溫度檢測電路圖

4 AT25010接口電路

4.1 AT25010芯片介紹

溫度檢測處理環(huán)節(jié)能夠精確地測量需要一個外部EEPROM存儲器，本設(shè)計使用的是Atmel公司生產(chǎn)的AT25010。

AT25010[5]芯片是一個1024位(128字節(jié))的外部擴展數(shù)據(jù)寄存器，擦除和讀/寫均以一字節(jié)為單位，支持SPI通信模式0和SPI通信模式3，正常工作電源為2.7V～5.5V，靜態(tài)電流十分小，可達到3μA～5μA，因此芯片適合要求低功耗的場合。

AT25010芯片具有內(nèi)部8位狀態(tài)寄存器，C8051F340單片機可直接通過串行通信接口進行讀/寫。AT25010芯片支持讀/寫的指令如表1所示。數(shù)據(jù)首先傳輸最高有效位(MSB)，在SCK上升沿時數(shù)據(jù)加載到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，在SCK下降沿時數(shù)據(jù)從SO管腳輸出，在管腳上升沿時數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束。

表1 AT25010操作指令

1) 設(shè)置寫使能

當(dāng)AT25010芯片上電時寫入狀態(tài)默認被禁止，在寫字節(jié)前必須首先設(shè)置寫使能WREN控制字，將命令位置1時WP管腳必須保持在高電平。

2) 設(shè)置寫保護

當(dāng)寫命令WRDI位置1時不考慮WP管腳的狀態(tài)，AT25010芯片的寫保護狀態(tài)可以防止芯片的內(nèi)容因為誤寫而破壞。

3) 讀取狀態(tài)寄存器

AT25010芯片內(nèi)部置有一個8位狀態(tài)寄存器，通過讀取狀態(tài)寄存器可直接觀測芯片是否在工作狀態(tài)下。狀態(tài)寄存器每位具有如圖4所示的含義，狀態(tài)寄存器數(shù)據(jù)允許通過指令RDSR閱讀。

圖4 AT25010狀態(tài)寄存器

狀態(tài)寄存器內(nèi)的A3和A2位可以直接寫入，以便在選擇一定的存儲區(qū)域設(shè)置寫保護或?qū)⑺写鎯卧O(shè)置為寫保護。讀取AT25010內(nèi)部的數(shù)據(jù)需要分成三步進行，首先CS管腳生效片選AT25010芯片，第一步發(fā)送READ指令代碼，第二步輸送需要讀取的地址A7—A0，第三步將讀取的數(shù)據(jù)逐位從SO管腳移出。讀操作在CS引腳設(shè)置為高電平后需要立即停止，防止AT25010芯片內(nèi)部指針計存器自動繼續(xù)向后讀取數(shù)據(jù)(當(dāng)內(nèi)部指針計存器達到最大值時自動設(shè)置為0)。

4.2 AT25010連接電路

如圖5所示為AT25010芯片的連接電路。其中Vcc接口為工作電源，外接5V電源(本設(shè)計運用電壓轉(zhuǎn)換模塊，將24V直流電轉(zhuǎn)換成5V直流電)；SO、SI口是SPI串行通信接口，輸入輸出為同一引腳；AT25010芯片的片選管腳連接到XTR108芯片的CS2引腳上，當(dāng)XTR108芯片上電時，AT25010芯片被選擇，XTR108從AT25010內(nèi)讀取數(shù)據(jù)覆蓋自身寄存器初始值。

圖5 AT25010的連接電路

5 結(jié)束語

本文首先分別介紹了以XTR108為核心的溫度檢測電路，之后分別介紹了AT25010、C8051F340、XTR108等外圍接口電路，為后續(xù)程序?qū)崿F(xiàn)與實物調(diào)試提供理論基礎(chǔ)。