基于单片机C8051的数据采集和控制系统设计

王宇

摘要：随着USB技术的发展，现代工厂的数据采集技术有了很大的进步，C8051单片机在USB数据采集系统中的应用，使得数据采集更加精准高效，本文对C8051单片机进行了详细的介绍，对其在USB数据采集系统中的应用及设计方式进行探讨，给出基于单片机C8051的数据采集系统的设计方法。

关键词：单片机C8051；USB总线；数据采集；控制系统

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2017）05-0005-02

数据采集和处理技术的发展迅速，可以说是日新月异，现在集成技术和软件技术的发展也越来越快，使得解决问题的能力不断提高，对于数据采集来说，其设计方式也在不断发生着变化，对于现在的数据采集来说，已经不仅仅是采集这么简单了，包括高速、复杂的运算和信号处理，要求数据采集的可扩展性和易用性越来越高。

1 单片机C8051的概述

1.1 单片机C8051出现的背景

对于单片机来说，先后经历了单片微型计算机SCM、微控制器器MCU以及片上系统SOC三个阶段，MCS-51是单片微型计算机SCM的代表，80C51是微控制器器MCU的代表。随着嵌入式领域的深入发展，对单片机的性能和功能的要求越来越高，C8051F系列单片机就是在这样的背景下出现的，是片上系统SOC的代表，无论是运行速度还是集成效果都较前面的系列更先进。

1.2 单片机C8051系列的特点概述

由于单片机C8051将8051指令集全部兼容了，所以其上手非常快，其开发工具较为容易，使用起来非常方便，可以极大的缩短研发周期，加之C8051系列单片机的调试手段非常灵活使得其见效非常快，可以在极短的时间内看到成效。其性能优势也非常显著，主要表现在：

（1）CIP-51内核的增强，在此基础上将指令集和MCS-51进行了完全兼容，使得8051的组织结构非常标准化，在进行软件开发时，利用标准的803x/805x汇编器和编译器，可以使开发效率更高。对于运行速度来说，采用CIP-51流水线结构，使得其执行速度是标准8051的12倍，C8051F120的峰值执行速度可以达到100MIPS，目前来看，是世界上速度最快的8位单片机。

（2）中断源的增加。对于标准的8051单片机来说，其中断源只有7个，C8051F系列单片机对中断源进行了扩展，可以更加方便的进行实时多任务系统的处理，扩展的中断系统通过向CIP-51提供22个中断源，可以使得在进行大量的数字外设和模拟中断时，CPU干预可以减少但是执行效率反而会提高。

（3）丰富的模拟资源的集成。C8051系列单片机对单个或两个ADC进行了集成，通过片内模拟开关，可以实现对多路模拟信号的采集转换，其采样精度及采样速率都是非常高的，有的型号单片机还将高分辨率DAC进行了集成，使得绝大多数混合信号系统的应用更加高效，還可以实现与模拟电子系统的无缝对接，对于检测环境的温度的监测可以通过片内温度传感器进行迅速而准确的监测，并作出相应的处理，使得运行系统的稳定性得到提高。

（4）外部设备接口进行了增加，根据不同需要集成了SMBus、SPI、USB、CAN、LIN等接口，对于外设接口来说，在其不使用的情况下可以进行分别禁止，进而可以减少系统功耗。在信号处理方面，C8051单片机可以对所采集的信号进行快速的算法处理，还可以更加快速的实现数据传送。还可以通过对空闲模式和停机模式的电源模式进行不同的管理，以达到降低系统功耗的目的。

（5）I/O的配置变为了交叉开关。改变了以前的I/O端口占用引脚多且配置不够灵活的缺点，以硬件方式通过开关网络可以实现I/O端口的灵活配置。复位方式也变得多样化，有上电复位、掉电复位、外部引脚复位、软件复位、时钟检测复位、WDO复位等多种复位方式，使得系统的安全性、操作的灵活性得到了更好的保障，还可以方便零功耗系统的设计。

（6）C8051单片机具有齐全的型号，可以根据不同的设计需要选择不同型号的单片机，而且可以极大地节约开发成本，集成度高，成为了嵌入式领域的主要代表。

1.3 C8051单片机的功能

C8051单片机可以作为微控制器的内核，可以进行片上存储、实现模拟外设，其数字I/O还可以应用于各种数据采集系统中。

2 单片机数据采集过程中的注意事项

2.1 对系统输入信号的充分考虑

对于数据采集来说，其信号输入是非常重要的环节，传统的信号输入线路采集速度慢、温漂大、无法满足信号输入的需求。对于C8051单片机来说，其对信输入电路的设计更加完善、更加合理，通过将模拟量直接转换为数字量，可以将输入信号更加稳定的传给平台通信，其信号输入电路设计简单实用、采集速率快且精度高，其稳定通信平台与RS422通信模式的连接可以使信号输入的抗干扰性更强。信号输入系统由C8051单片机、晶体、电源模块以及RS422通信模块组成，经过DC28S5电源模块的处理，可以将28V电源转化为5V，进而实现给操作杆的供电，然后将经过操作杆处理的模拟信号连接到单片机ADC输入端口上，然后将其转化为数字信号，存储在内存上，然后再发送给稳定平台，所以，对于单片机系统输入信号的考虑，重点在于信号输入电路的设计。

2.2 对系统结构进行合理规划

对系统结构的合理规划，主要考虑系统软件、硬件及固件设计的合理性，注重对相关系统结构的合理搭配，一般对于硬件系统来说，C8051单片机的自身硬件配置基本就可以满足数据采集及控制系统的设计要求，只需要根据相应的具体情况进行一定的添置即可，不需要进行特别的其他设计。对于软件系统的设计主要注重对数据采集这一模块的重视即可，对于数据采集的电路设计是软件设计的关键，在进行系统结构的合理规划时，这些都是规划设计的难点，怎样才能使得各个系统的运行在组合在一起之发挥出最大的功效，是系统设计最应该考虑的问题。对于固件的搭配，也需要一定的考虑，主要以软件、硬件以及系统的需要进行选择，尽可能地保证系统的设计结构规划合理，满足各方面的需求，还不会造成运行混乱，保证系统运行的稳定高效即可。endprint

2.3 对系统运行的稳定性进行思考

一个数据采集及控制系统自身的稳定性都得不到保证如何开展工作，所以，在进行设计时，对系统的稳定性要做好提前准备，保证系统整体运行的流畅，需要对整个系统的每一部分进行考量，可以运用分层测量的方法来保证整体运行的稳定性，主要注重对数据输入电路运行的稳稳定，保证各种线路的安全以及电源电压的合理可靠，尽可能地降低发生故障的风险。

2.4 对应用软件的设计应该科学

对于应用软件来说，是整个系统最终的成效检验标准，C8051單片机的应用广泛，其在各个领域都有涉及，对于应用软件的设计应该将重点放在C8051单片机型号的选择上，对于不同需要的系统来说对单片机的需要也是不尽相同的，所以应该科学的选择相应的型号，保证整个数据采集与控制系统在运用上可以达到预期效果，做到软件应用率不断提高，应用效果更加显著。

3 基于单片机C8051的控制系统的设计

3.1 硬件系统的设计

C8051单片机系列自带USB接口，所以对硬件的设计只需要外加输入信号处理电路就可以实现整个系统的设计，这样的硬件系统设计可以极大地减小系统的整体占用面积，还可以降低成本。对于C8051系列单片机的硬件系统的设计根据不同的工作要求进行选择，很多单片机都具备模拟多路选择器、可编程增益放大器、ADC、DAC、电压比较器、电压基准、温度传感器、UART、SPI、可编程计数器、数字I/O端口，这些都是硬件配置，在进行数据采集系统的设计时，应该注重对A/D转换器、微控制器以及USB通信口的配置，微课扩大数据采集的范围，还可以加上多路模拟器开关和数字I/O端口，对于不同的C8051单片机，其USB接口的安装情况也不同，对于内置USB数据接口来说，可以极大的简化部分硬件系统的设计，其硬件端口设置及信号输入电路设置也会随之发生一定的改变。

3.2 软件系统的设计

对于软件设计来说，其编成主要包括主程序、A/D采集子程序和串口通信子程序，为了提高采集的精度，对于软件系统的设计需要经过多方面的考虑，而且对于数据采集需要经过多次采集累加后求平均值的方法来提高数据采集的精度，但是对于采集速度也有着一定的要求，不能进行无限制的采集，所以八次采样即可满足要求，既保证了采集的精度也保证了速度。根据系统的实际工作环境，还应该对软件控制系统进行合适的选择，恰当的通信接口是选择的关键和前提，合理设计通信的软件系统，提高可靠度、抗干扰性和容错能力。对于软件设计主要从USB外设端的单片机固件程序、主机操作系统上的客户驱动程序以及主机应用系统三方面进行设计考虑，可以通过Visual、Basic、Visual C++等软件来进行系统的开发设计，并生成相应的数据。

3.3 最终成果的测试

对于单片机C8051的系统调试是进行检测的关键，对于不同的单片机来说，其内部调试电路的结构和原理也各不相同，为了保证调试的合理性可行性，可以通过单片机的内部调试来实行，对不同型号单片机的调试电路的设计也就成为了系统设计的重中之重，对于调试电路型号的选择要根据单片机型号来确定，对于电路的设计要满足系统运行的需要，保证调试系统的稳定可靠，确保单片机数据采集及控制系统的设计合理安全高效。最终结果的检测还可以通过实验法来操作，通过开展试验，对运行过程中存在的不足进行改进，并且在实验中可以更直观的了解问题，进而提出解决问题的合理方案，及时进行调整还可以较少设计成本，避免浪费。

4 结语

基于单片机C8051的数据采集系统的设计方案有很多可供选择的方案，对于具体的系统设计需要进行具体的分析设计，对于基于单片机C8051的数据采集系统应该始终遵循着合理考虑、全面规划、科学设计的原则，保证其数据采集系统以及控制系统的安全可靠，稳定运行，在完成设计后还应该重视对数据采集及控制系统进性调试，对其性能及运行进行检测，对不合格的部分及时进行修改，对运行中出乎意料的部分进行记录，为下次设计积累经验，针对优点缺点进行经验的总结也设最后调试部分应该重视的工作。

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