在實際應用中，對被控對象的物理參數（溫度、濕度、位移、電流及電壓等）在一定的范圍內進行控制，是單片機的典型應用之一。很多宏觀要求精確控制的場合，其微觀控制過程，仍可歸結為是對某些參數變化范圍的控制。如傳統的三相異步電機從啟動到正常運行，電流、電壓和溫度的變化;抽水塔水位的變化;機床刀具的行程變化及數字電表的自動量程變換等。這些控制過程最顯著的特點是：被控物理量都是一個變化范圍，而非某一個精確的“點”。對物理量變化范圍進行有效控制的方法很多，本文重點介紹利用C8051F000單片機片內8路高性能的12位ADC數據采集系統和可編程窗口檢測器，實現對多路參數變化范圍控制的硬件組成和軟件設計方法。

1 C8051FXXX系列單片機介紹

總部位于美國德克薩斯州的美國Cygnal公司，是一家專門從事混合信號片上系統單片機設計與制造的新興半導體公司。C8051FXXX系列單片機是該公司以擁有自主產權，并與MCS-51內核及指令集完全兼容的CIP-51為內核而集成的混合信號片上系統（System on Chip）。片內集成了數據采集和控制系統中常用的模擬部件，能方便地通過數字交叉開關，將內部數字系統資源定向到外部I/O口上;高達25MIPS的執行速度、強大的模擬信號處理和資源控制功能;8路高性能的12位ADC（速度為100kHz）數據采集系統，2路12位精度DAC，2路模擬比較器和 ADC可編程窗口檢測器;8~64KB的閃速/電可擦除程序存儲器，256~2304B的RAM;典型的串行通信接口、22個中斷源、7個復位源;先進的 JTAG非侵入式在線調試和看門狗、電源監視等可靠的安全機制。它匯集了許多單片機領域的先進技術，成為目前功能最強大的8位單片機之一。

2 硬件電路組成及原理

硬件電路如圖1所示，分成數據采集、按鍵控制和顯示輸出三大部分。C8051FXXX系列的8路模擬量采集通道，通過選擇不同功能的傳感器或電量轉換裝置（如電流、電壓互感器、集成溫度傳感器等），完成對被測目標系統多路參數的數據采集。工作時，系統不斷將各通道采集來的數據與用戶事先設定的上/下限極值進行比較;系統執行機構根據比較結果，確定是否越限而作出相應的具體操作。系統顯示部分為5位LED顯示，低4位用來顯示用戶所選定通道的模擬信號大小或上/下限極值設置 數據，最高位LED4為通道數字（0~7）顯示位。 P0.0~P0.7為各通道越限處理輸出，分別控制相應的執行機構。

圖1

2.1 按鍵控制功能

按鍵控制部分是整個系統最復雜、最能體現設計思想的一部分。為了方便地選擇通道及顯示設置數據，以盡量少的按鍵完成盡可能多的功能，實現較好的人機界面和軟、硬件資源的有機結合，設置了選擇通道的“切換”鍵S1、進行ADC窗口檢測器上/下限極值設定的“設置”鍵S5、改變LED顯示數據的“+”、 “-”鍵S3、S4，并要求每按一次使顯示值加（減）1。如果連續按鍵超過一定時間（如2s），則顯示值將很快地遞增或遞減。用戶設置完畢，按下“存儲” 鍵S2，可將所設數據保存在非易失性數據存儲器Flash中，避免由于斷電而需重新設置數據的麻煩。通過軟件設計，完成數據的自我備份與保護，不需要另置備用電池，簡化了硬件結構。

2.2 ADC的工作方式及窗口檢測器

C8051F000片內ADC子系統內除集成了1個多通道模擬輸入選擇器（AMUX）、可編程增益放大器（PGA）和1個100Ksps、12位分辨率的逐次逼近型ADC外，還集成了跟蹤保持電路和可編程窗口檢測器。它們完全由CIP-51通過特殊功能寄存器控制。

① ADC0CN寄存器。控制轉換啟動方式和結果數據存放方式，設置ADC轉換結束和窗口檢測器中斷標志等。A/D轉換允許用軟件事件、硬件信號觸發轉換或進行連續轉換。每次轉換完成后產生一個中斷，或者用軟件查詢來判斷轉換是否結束，完成后數據字被鎖存在指定的寄存器中。

② AMXOSL、AMXOCF寄存器。ADC通道選擇。當AMXOCF=00H時，AMXOSL的00H~07H分別表示選擇AIN0~AIN7八個模擬輸入通道。

③ ADC0GTH ADC0GTL寄存器。該兩個存儲單元為ADC可編程窗口檢測器，為供用戶設定上限的12位數據寄存器。ADC0GTH為高四位，ADC0GTL為低八位。

④ ADC0LTH ADC0LTL寄存器。ADC可編程窗口檢測器，為供用戶設定下限的12位數據寄存器。

3 軟件設計

為便于升級和維護，軟件設計采用積木式模塊化處理，各功能模塊既相互聯系，又自成一體。其基本設計思想是：利用定時/計數器T3的溢出，定時地啟動 ADC轉換和窗口比較器中斷。通過中斷處理，將相應通道的12位轉換數據與由用戶設定的上/下限極值作為越限條件進行比較，產生新的中斷輸出，驅使系統執行機構進行相應的調整，從而達到數據被控制在某一范圍內的目的。

主程序由初始化、顯示、定時比較及按鍵處理等軟件功能模塊組成，圖2為主程序流程框圖。

圖2

結語

自2000年美國Cygnal公司推出C8051FXXX系列單片機以來，強大的內部功能和豐富的片內資源，使之能用最簡單的硬件結構實現多通道數據范圍的檢測。本文設計的控制系統，只要配置合適的電量傳感器，就可方便地用于各類電力變電系統對三相電流、電壓等進行范圍控制。

責任編輯：gt