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基于嵌入式芯片的智能仪器开发平台的研发

张娜

【摘要】C8051F021单片机具有双串口、低功耗、高速度等优点,在多场合,多领

域的控制系统中获得广泛应用,国内目前工业仪器使用率高,片上资源丰富,短期内会

继续主导市场.本文提出了基于C8051F021的智能仪器开发平台的设计与实现,该

成果具有一定的普及推广价值.

【期刊名称】《智能计算机与应用》

【年(卷),期】2018(008)006

【总页数】4页(P211-213,216)

【关键词】C8051F021;Modbus协议;串口通讯

【作者】张娜

【作者单位】辽宁机电职业技术学院华孚仪表学院,辽宁丹东118009

【正文语种】中文

【中图分类】TP274

引言

随着现代数字技术的发展与硬件开发水平的提高，工业现场对加工仪器提出更高要

求。传统的51系列单片机因其片内资源相对较少，需要较多的扩展器件，大数据

量的运算周期较长，实时性欠佳等不利因素正在逐步退出业界视野。时下，工业产

品为了尽快占领市场，常常把产品的研发时间压缩至很短。为了提升产品研发效率，

本文就对此设计提出了一个基于增强型单片机和Modbus协议的嵌入式工业控制

开发平台。平台选择C8051F021微处理器，加入了IC公司生产的大量片内外设，

使处理器拥有堪称优良的应用性能。使用此平台开发的主机具有稳定、可靠的实时

性，可作为工业仪器核心直接投付应用，能够实现集中控制，不仅呈现出较高灵活

性，而且还兼具维护和升级成本低，易于扩展等优点。针对这一状况，本文将展开

如下研究论述。

1硬件结构

嵌入式芯片的智能仪器开发平台的硬件结构主要包括如下部分：C8051F021微控

制器、A/D转换模块、D/A转换模块、内存、键盘、显示电路及上位机通讯模块。

组成原理图由图1所示。

C8051F021是一种混合信号系统芯片,是高度集成的片上系统。指令结构的70%

的指令执行时间为1～2个系统时钟周期;系统频率为25MHz时，速度可达到25

MIPS。其中嵌入了一款高速、低功耗、高性能的8位微处理器。该芯片尤需一提

的突出特点就是高速指令处理能力[1]。32个I/O口线均容许5V电压。

C8051F021内部本身自带A/D转换与D/A转换，真正12位、100KSPS的8通

道ADC。同时，设计上还嵌有串行口，为系统开发省去了外围电路、减小了体积。

可同时使用的硬件包括SMBusTM、I2CTM、兼容SPITM及2个UART串口，

并且能够灵便地实现与上位机的通讯。

2Modbus协议

Modbus协议作为工业控制器网络协议的一种，业已成为通用工业标准之一，主

要用于集中监控不同厂商生产的控制设备之间连成的工业网络的内部相互通讯。

Modbus通信协议是一种串行的主从通信协议，网络中仅有一台设备可作为主机

(称Master)，其它设备作为从机(称Slaver)，主机没有编号，从机必须编号[2]。

Modbus硬件连接结构如图2所示。在Modbus通讯网络上,此协议要求通讯时

必须知道每个通讯模块的设备地址,每个通讯模块辨识甄别按地址发来的消息,根

据功能码来判定要产生何种动作。如果需要回应,控制器将生成相应的反馈信息并

利用Modbus协议将其发出[3]。

图1硬件电路原理框图图2Modbus硬件连接Fig.1Hardwarecircuitblock

diagramFig.2Modbushardwareconnection

3系统设计

3.1系统软硬件设计概述

系统主要功能可描述为：AD输入/输出、DA输入/输出、液晶显示、通讯接口、

上位机传输指令，下位机执行既定动作等。在此基础上，研发可得软件系统的设计

功能将包括如下内容，即：初始化程序、A/D采集程序、按键处理程序、显示程

序、数据处理程序、与上位机通讯程序、T0中断子程序及串口0中断子程序。综

上分析后则可推出，系统软件的设计流程如图3所示。

图3