基于C8051F020單片機的操縱桿控制器設計

薛耀 劉青青

1 引言

在光電偵察系統中，通常需要使用操縱桿控制器來控制光電偵察系統，實現對目標的搜索、跟蹤。操縱桿控制器是光電偵察系統的重要組成部分，廣泛應用于建筑機械、醫療設備、光學儀器等領域。

操縱桿控制器的設計主要是實現以下幾個功能：① 檢測是否有按鍵被按下；② 采集操縱桿輸出的模擬量；③ 通過串口把相應的命令信息發送給光電偵察系統。按鍵檢測的功能主要是通過讀取相應I/O端口的信號實現；操縱桿輸出的模擬量則需要通過相應的A/D采集電路實現；與光電偵察系統的通訊則使用標準RS422接口實現。

2 操縱桿控制器系統結構

操縱桿控制器系統主要包括操縱桿、按鍵和信號處理板。操縱桿和按鍵都是選用成熟的貨架產品。信號處理板以自帶A/D采集模塊的C8051F020 SoC微控制器為核心，把待檢測按鍵的一端接到其I/O口上，另一端接地，通過讀取相應端口的值，判斷其值是否為低來判斷相應按鍵是否被按下。操縱桿選用的是電位器操縱桿，在電位計兩端輸入+5V電壓，輸出端通過一個分壓電路將輸出信號幅度調整在0V～2.4V之內，再輸入給C8051F020片上集成的ADC模塊，實現模擬量采集。該系統結構如圖1所示。

3 系統硬件設計

本系統采用Silicon Laboratories公司的微控制器C8051F020，它是全集成混合信號SoC處理器，具有與8051兼容的高速流水線結構的CIP251內核，速度可達25MIPS，該芯片具有如下特點：① 內置了64K可在線編程 FLASH ROM和4352字節的片內RAM；② 具有兩個UART串行接口；③ 片上集成8路12位逐次逼近式 ADC，轉換數率最高 100ksps；④ 可通過JTAG接口實現在線調試功能[4]。

圖1 系統結構圖

3.1 ADC工作原理

C8051F020的ADC使用逐次逼近式A/D轉換器，這種轉換技術基于逐次逼近寄存器（SAR）或稱為權衡轉換。采用一個比較器對輸入電壓和一個N位模數轉換器（DAC）的輸出進行比較（權衡）。將 DAC輸出作為參考電壓，經過N+1次比較就可以得到最終轉換結果。其中每次比較完成1位轉換[5]。第一步將DAC的最高有效位（MSB）保存到轉換器SCR中，接著將該值（MSB）對應的電壓與輸入進行比較，在比較器輸出（高或低）被反饋到 DAC，并在下一次比較時對其進行修正。在邏輯控制電路的時鐘驅動下，SCR不斷的進行比較和移位操作，直到完成LSB位的轉換。此時所產生的DAC輸出逼近輸入電壓的1/2LSB。每一位確定后，轉換結果被鎖存到SAR并作為ADC輸出。

3.2 ADC接口設計

設計中采用C8051F020片內集成的8路真正12位的ADC, 直接采用C8051F020內部的2.4V參考電壓。接口電路如圖2所示。在內部基準電壓的輸出端和地之間接上4.7μF和0.1μF的旁路電容去除干擾。模擬量輸入A_IN1、A_IN2分別接到通道1和通道2上。從傳感器傳遞過來的電壓信號強弱差別較大，需根據具體情況采用運算放大器電路或電阻網絡將模擬電壓變換到0V～2.4V的范圍。調理電路采用運放加電阻網絡來實現。運放實現電阻匹配，電阻網絡實現電壓匹配。信號調理電路如圖3所示，其中R1，R2主要是完成把操縱桿輸出的0V～5V的信號調理成0V～2.4V的信號。

圖2 ADC接口電路

圖3 信號調理電路

3.3 按鍵檢測電路

由于單片機C8051F020具有64個I/O，遠遠大于所使用的按鍵數量，所以按鍵接口使用最簡單的一個按鍵對應一個I/O口的設計。每個按鍵的一端接一個I/O，另一端接地。

3.4 RS422與RS232接口設計

設計中采用 C8051F020片內集成的兩個 UART串行接口，分別擴展出一個RS422和RS232接口。RS422接口芯片選用MAX490，RS232接口芯片選用MAX3221，兩種芯片均使用5V供電，可直接使用系統輸入電壓。

4 軟件設計

本操縱桿控制器主要功能為檢測相應的按鍵是否被按下，同時采集操縱桿的位置信息，把相應的信息組合成相應的控制指令，通過標準RS422接口發送給光電偵察平臺，以達到控制光電偵察平臺的目的。為了系統調試和測試的方便，設計了一個與計算機相連的 RS232接口，可完成操縱桿控制器的測試與調試。整個軟件主要分為以下幾個功能模塊：① 系統初始化；② 完成芯片配置，包括晶振、串口、定時器、AD的初始化；③ 定時器中斷。

為了實現定時給下位機發送指令信息，需要使用定時器產生一個80ms 的中斷，在這個中斷里完成按鍵檢測，AD采集和串口通訊。

4.1 按鍵檢測

為了能夠正確的判斷按鍵按下的情況，去除按鍵抖動的影響，本設計在軟件上采取了防抖動措施，即在檢測到某一按鍵按下后，延時20ms后再次檢測，如果這一按鍵還處于按下狀態，則認為該按鍵指令有效，否則認為無效。

4.2 AD采集

當定時器中斷發生后，在軟件中向ADC控制寄存器的AD0BUSY位用1來啟動AD采集。由于每一路被采集的數據都有一定的噪聲，為了解決這個問題，在軟件中采用簡單實用的加權平均法進行處理，即每次數據采集都進行10次，然后取平均值。由于操縱桿的位置變化是一個連續的過程，所以AD采集的結果也是一個連續變化的過程。如果把AD采集的結果直接發送給光電偵察平臺，那么在使用的過程就可能會由于操作者手部的抖動而導致執行部件的抖動，為了解決這個問題，需要在軟件上對AD采集的數據進行處理。本設計所選用的方法是把整個數據區間分成若干個，在同一個區間都輸出同一個數據。AD采集數據處理示意圖如圖4所示。這個方法在實際使用中效果比較明顯，也能很好的解決操縱桿回零不準的問題。

4.3 串口通訊

操縱桿控制器串口通訊由UART0和UART1兩個串口組成。在每個通訊周期里操縱桿控制器通過UART0接口向光電偵察平臺發送操縱桿控制器的控制指令。該控制指令根據光電偵察平臺通訊協議的要求封裝。每一幀指令由消息頭、消息體和消息尾構成。消息頭一般由兩個字節數據構成。消息體由7個字節構成，分別為每一幀的字節數，光電偵察平臺的控制指令，各個傳感器的控制指令和光電偵察平臺控制指令的參數。消息尾為前面所有數據的校驗和。具體幀格式如表1所示。

圖4 AD采集數據處理示意圖

表1 控制指令消息幀格式

系統測試過程中，操縱桿控制器通過UART1接口把信息同時發與光電偵察平臺及計算機，通過相應的通訊控制界面來監視數據的正確性。在系統調試過程中，操縱桿控制器通過UART1接口接收計算機的指令來修改 UART0的工作模式、波特率等參數。整個系統的流程如圖5所示。

圖5 系統流程圖

5 結論

本設計以C8051F020單片機為核心，實現了操縱桿控制器的設計。充分利用C8051F020豐富的I/O口資源和外設資源，完成實時按鍵檢測、AD采集和串口通訊功能。電路硬件設計可靠，集成度高，運用靈活，在光電偵察平臺系統中已有廣泛應用，在其它工業控制領域也具有一定的發展前景。

[1] 李冰,楊公訓,王磊.Cygnal F020單片機及其應用[J].湖北民族學院學報,2005,23(1):56-59.

[2] [美]Cygnal Integrated Products，Inc. C8051F單片機應用解析[M].北京:北京航空航天大學出版社,2002.

[3] 馬忠梅,籍順心,張凱.單片機C語言應用程序設計.北京:航空航天大學出版社,1999.

[4] 潘琢金.C8051F020/1/2/3混合信號ISP FLASH微控制器數據手冊.沈陽航空工業學院計算機系,2002.

[5] 張培仁,孫力.基于C8051F系列微控制器原理與應用[M].北京:清華大學出版社,2007.