摘要：介紹了c8051f020及mxa2500gl的性能特點(diǎn)，并給出了振動(dòng)信號(hào)分布式檢測(cè)的架構(gòu)及實(shí)現(xiàn)。該檢測(cè)方法以pc作為上位機(jī)，通過rs-485串行通訊，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與振動(dòng)信號(hào)分布式檢測(cè)系統(tǒng)的控制核心—c8051f020單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸，并可以將檢測(cè)結(jié)果在上位機(jī)上顯示輸出。

關(guān)鍵詞：c8051f020單片機(jī)；mxa2500gl傳感器；振動(dòng)；分布式檢測(cè)

引言

由于加速度傳感器及電荷放大器的連接線纜的距離限制，采用集中的數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)在空間距離較遠(yuǎn)的場(chǎng)合很難實(shí)現(xiàn)，其可靠性和抗干擾問題很難解決。常采用分布式檢測(cè)方法:即設(shè)置多個(gè)數(shù)據(jù)采集站點(diǎn)，每個(gè)站點(diǎn)采用一套單獨(dú)的數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)，通過網(wǎng)絡(luò)通信將各站點(diǎn)相互連結(jié)起來，然后由一臺(tái)系統(tǒng)機(jī)進(jìn)行集中數(shù)據(jù)處理，提取相關(guān)特征信息。

c8051f020單片機(jī)性能特點(diǎn)

cygnal的c8051f020是集成模擬、數(shù)字信號(hào)的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)soc(system on chip)單片機(jī)，與目前常用的51系列單片機(jī)指令集完全兼容。采用100腳tqfp封裝，體積小，運(yùn)算速度快。它采用cygnal公司的專利cip-5l微處理器內(nèi)核。cip-5l在提升805l速度上采取了新的途徑，即設(shè)法在保持cisc結(jié)構(gòu)及指令系統(tǒng)不變的情況下，對(duì)指令運(yùn)行實(shí)行流水作業(yè)。在這種模式中，廢除了機(jī)器周期的概念，指令以時(shí)鐘周期為運(yùn)行單位。平均每個(gè)時(shí)鐘可以執(zhí)行完l條單周期指令，從而大大提高了指令運(yùn)行速度。

與805l相比，c8051f020在相同時(shí)鐘下單周期指令運(yùn)行速度為原來的12倍，整個(gè)指令集平均運(yùn)行速度為原來805l的9.5倍，使cygnal單片機(jī)系列進(jìn)入了8位高速單片機(jī)行列。同時(shí)，c805lf020單片機(jī)延續(xù)了c805lf系列特有的優(yōu)先權(quán)數(shù)字交叉開關(guān)配置技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)的核心就是以硬件方式為內(nèi)部的數(shù)字資源配置端口i/o引腳。與標(biāo)準(zhǔn)復(fù)用數(shù)字i/o不同，這種結(jié)構(gòu)可支持更多的功能組合。pca、比較器、定時(shí)器等按優(yōu)先級(jí)別分配到所選擇端口上。使用者也可以只為所用到的數(shù)字資源分配i/o引腳。任何未配置使用的端口i/o被組合在一起，作為gpio。

mxa2500gl加速度傳感器的性能特點(diǎn)

mxa2500gl是memsic公司專利技術(shù)生產(chǎn)的雙軸式絕對(duì)模擬輸出加速度傳感器。它根據(jù)熱對(duì)流原理在兩個(gè)軸線都可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)加速度(例如振動(dòng))和靜態(tài)加速度(例如重力加速度)的測(cè)量，因此廣泛應(yīng)用于汽車穩(wěn)定性控制、安全性控制、接近角控制、血壓監(jiān)視器、電子羅盤傾斜校正、數(shù)碼相機(jī)、電梯等領(lǐng)域。與普通壓電式加速度傳感器不同的是，mxa2500gl實(shí)際是按照標(biāo)準(zhǔn)cmos工藝制造的單片集成電路，它的輸出是0.1～4.9v(5v電源的情況)的電壓信號(hào)，無需電荷放大器就可以直接與a/d卡相連，因此會(huì)使整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)不僅結(jié)構(gòu)緊湊，而且抗干擾性非常強(qiáng)。

基本工作原理是：在硅片中心的空腔中懸掛一個(gè)氣體熱源，同時(shí)在熱源的4個(gè)對(duì)角(即2個(gè)軸線方向)處，均勻放置鋁/多晶硅溫差電堆(熱電偶)。當(dāng)加速度為零時(shí)，熱源的溫度梯度是對(duì)稱的，所以4個(gè)溫差電堆的溫度相同，因此這2個(gè)軸線方向輸出相同的電壓。而任何方向的加速度都會(huì)擾亂這種平衡的溫度形式，使熱源的溫度梯度不對(duì)稱。根據(jù)熱傳導(dǎo)的自由對(duì)流原理，4個(gè)溫差電堆的溫度及其輸出信號(hào)—電壓都是不同的。但是這些電壓信號(hào)與加速度是成比例變化的。這樣通過測(cè)量電壓就可以確定加速度的值。在傳感器上有兩個(gè)相同加速度信號(hào)通道，一個(gè)測(cè)量x方向，另一個(gè)測(cè)量y方向。圖1給出了它的基本結(jié)構(gòu)。

圖1　mxa2500gl加速度傳感器的結(jié)構(gòu)圖

分布式檢測(cè)系統(tǒng)的硬件架構(gòu)

系統(tǒng)以c8051f020單片機(jī)為從機(jī)，pc為主機(jī)。由于單片機(jī)體積小、功能強(qiáng)、價(jià)格低廉，因此性價(jià)比非常高。目前主流的pc有2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的rs-232串行口，采用的是eia電平，而c8051f020單片機(jī)的tx引腳(發(fā)送數(shù)據(jù))、rx引腳(接收數(shù)據(jù))使用的是ttl電平，兩者之間進(jìn)行可靠通信必須要用電平轉(zhuǎn)換芯片，系統(tǒng)采用max232/max485芯片。為了實(shí)現(xiàn)資源共享，任務(wù)分擔(dān)的目標(biāo)，在分布式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中關(guān)鍵就是確保主機(jī)和各從機(jī)之間數(shù)據(jù)通信的準(zhǔn)確可靠。

由于pc機(jī)本身并不具備多機(jī)通信功能，所以目前普遍采用的通信方式有兩種：一種是利用“橋梁”硬件—多機(jī)通信卡。通信卡一般有兩種形式，應(yīng)用最廣的是以51單片機(jī)為核心，結(jié)合8255、6116、2716等芯片構(gòu)成的通信卡。該卡可以插在pc的擴(kuò)展槽中，各從機(jī)與通信卡中單片機(jī)進(jìn)行串行通信，而pc通過8255芯片與卡上的單片機(jī)進(jìn)行并行通信。另外一種通信卡僅僅由單片機(jī)構(gòu)成(也就是犧牲一個(gè)單片機(jī)做通信中轉(zhuǎn))，從機(jī)與通信卡及pc與通信卡之間都是串行通信;另一種方式是在pc的串口上軟件模擬51系列單片機(jī)串口可編程第9位數(shù)據(jù)功能實(shí)現(xiàn)多機(jī)通信，系統(tǒng)采用的是后一種方式。另外由于遠(yuǎn)距離傳輸，系統(tǒng)中使用了max485芯片，同時(shí)還使用了光電隔離來提高系統(tǒng)的抗干擾能力。圖2給出了整體硬件架構(gòu)。

圖2　分布式檢測(cè)系統(tǒng)的硬件