基于89C56的智能探測(cè)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要： 針對(duì)高精度穩(wěn)壓電源的需求情況，本文提出了一種用于噪聲電壓檢測(cè)的探測(cè)器設(shè)計(jì)方案，文章詳細(xì)介紹了該探測(cè)器總體設(shè)計(jì)方案以及核心組成模塊。系統(tǒng)的核心模塊為高速微控制器89C56，文中詳細(xì)介紹該芯片的特點(diǎn)和檢測(cè)原理。并且設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)了一個(gè)分析和預(yù)測(cè)模塊，使得該探測(cè)器成為一個(gè)智能探測(cè)器。
關(guān)鍵詞:噪聲檢測(cè)；智能；探測(cè)器；微控制器；89C56

1 前言

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)、微電子、通信及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)設(shè)備的可靠性、體積、功耗等方面提出了越來(lái)越高需求，尤其是在一些尖端領(lǐng)域，對(duì)設(shè)備的各種參數(shù)指標(biāo)都提出了嚴(yán)格要求。在某大型設(shè)備的研制過(guò)程中，按設(shè)計(jì)要求，需要高精度穩(wěn)定電壓，如果電壓不穩(wěn)定或者有噪聲信號(hào)，需要提供預(yù)警措施，因此在設(shè)計(jì)中除了需要對(duì)穩(wěn)壓電源進(jìn)行很好地設(shè)計(jì)，提供良好、完善的濾波去噪功能，還需要設(shè)計(jì)一個(gè)專用的噪聲探測(cè)模塊，針對(duì)該需求，本文提出了一種基于高性能微控制器的智能噪聲電壓探測(cè)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案。

在硬件上，智能探測(cè)系統(tǒng)以微控制器為核心，以各種常用組成部件的并集為基本要素，構(gòu)建的硬件設(shè)計(jì)和探測(cè)系統(tǒng)。

2 智能探測(cè)器總體設(shè)計(jì)方案

智能探測(cè)器是以高速微控制器89C56為核心，擴(kuò)展了存儲(chǔ)器、信號(hào)采集模塊、電壓比較器、電源電路等模塊，組成了一個(gè)板級(jí)的基本系統(tǒng)，其邏輯結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖 一：智能探測(cè)器總體結(jié)構(gòu)圖

探測(cè)器首先通過(guò)信號(hào)采集模塊，從探測(cè)目標(biāo)系統(tǒng)中獲取電壓信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)電壓比較模塊，將獲得的電壓信號(hào)與預(yù)先設(shè)定的電壓值進(jìn)行比較，判斷當(dāng)前獲取的電壓信號(hào)中是否有噪聲，噪聲值準(zhǔn)確的又是多少。如果噪聲值超出一定范圍，此時(shí)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換模塊，將信號(hào)由模擬的轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并交給核心處理器進(jìn)行處理。

在實(shí)際電路中，DAC使用的是微控制器C8051F020片內(nèi)集成的12位轉(zhuǎn)換器。片內(nèi)的DAC輸出擺幅均為0V 到VREF-1LSB，對(duì)應(yīng)的輸入碼范圍是0x000 到0xFFF，可以用相應(yīng)的控制寄存器允許或禁止。在被禁止時(shí)DAC的輸出保持在高阻狀態(tài)，供電電流降到1µA或更小。它具有靈活的輸出更新機(jī)制，允許無(wú)縫的滿度變化并支持無(wú)抖動(dòng)輸出更新。在缺省方式下，DAC的輸出在寫(xiě)DAC 數(shù)據(jù)寄存器高字節(jié)（DACxH）時(shí)更新。寫(xiě)DACxL時(shí)數(shù)據(jù)被保持，對(duì)DAC輸出沒(méi)有影響，直到對(duì)DACxH的寫(xiě)操作發(fā)生。如果向DAC數(shù)據(jù)寄存器寫(xiě)入一個(gè)12位字，則這個(gè)12位的數(shù)據(jù)字被寫(xiě)到低字節(jié)（DACxL）和高字節(jié)（DACxH）數(shù)據(jù)寄存器。在寫(xiě)DACxH寄存器后數(shù)據(jù)被鎖存到DAC。DAC可以被用于8位方式，這種情況是將DACxL初始化一個(gè)所希望的數(shù)值（通常為0x00），將數(shù)據(jù)只寫(xiě)入DACxH。DAC的輸出更新也可以由定時(shí)器溢出事件觸發(fā)。在這種更新方式下，對(duì)DAC 數(shù)據(jù)寄存器的寫(xiě)操作被保持，直到相應(yīng)的定時(shí)器溢出事件（分別為定時(shí)器3 定時(shí)器4 或定時(shí)器2 ）發(fā)生時(shí)DACxH：DACxL的內(nèi)容才被復(fù)制到DAC 輸入鎖存器，從而允許DAC 數(shù)據(jù)改變?yōu)樾轮怠?/P>

為了確保探測(cè)器足夠高的靈敏度和響應(yīng)速度，系統(tǒng)采用了高速微控制器89C56，其最高頻率可達(dá)1MHZ，能夠在探測(cè)目標(biāo)發(fā)生變化1us后做出反應(yīng)。同時(shí)利用微控制器中強(qiáng)大的運(yùn)算性能，能夠存儲(chǔ)之前發(fā)生的一定狀態(tài)，并對(duì)當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)，使得該探測(cè)器具有一定智能。

3 89C56高性能微控制器

系統(tǒng)的核心處理器采用是MicroChip的高速微控制器89C56。該芯片采用高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的CIP-51內(nèi)核，具有32個(gè)I/O引腳；片內(nèi)集成多種標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)接口、PGA、模擬多路開(kāi)關(guān)、DAC和ADC等等，可以最大限度的減少外設(shè)的數(shù)量和PCB電路板大?。黄瑑?nèi)具有64K字節(jié)可在系統(tǒng)編程的FLASH存儲(chǔ)器，支持全速、非侵入的在系統(tǒng)調(diào)試。它具有以下主要特性：

l 高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的CIP-51內(nèi)核，可達(dá)1MIPS；

l 全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口（片內(nèi)）；

l 真正12 位，100 ksps 的8 通道ADC，帶PGA和模擬多路開(kāi)關(guān)；

l 兩個(gè)12位DAC，可編程更新時(shí)序；

l 64K字節(jié)可在系統(tǒng)編程的FLASH存儲(chǔ)器；

l 4352（4096+256）字節(jié)的片內(nèi)RAM；

l 可尋址32K字節(jié)地址空間的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器接口；

l 硬件實(shí)現(xiàn)的SPI、SMBus/ I2C和兩個(gè)UART串行接口；

l 5個(gè)通用的16位定時(shí)器；

l 具有5個(gè)捕捉/比較模塊的可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列；

l 片內(nèi)看門狗定時(shí)器、VDD監(jiān)視器和溫度傳感器。

具有片內(nèi)VDD監(jiān)視器、看門狗定時(shí)器和時(shí)鐘振蕩器的89C56是真正能獨(dú)立工作的片上系統(tǒng)。所有模擬和數(shù)字外設(shè)均可由用戶固件配置為使能或禁止。每個(gè)MCU 都可在工業(yè)溫度范圍（45℃到85℃）內(nèi)用2.7V～3.6V 的電壓工作。所有的端口I/O、|RST和JTAG引腳都容許5V的輸入信號(hào)電壓。

89C56集成有JTAG調(diào)試電路，片內(nèi)FLASH存儲(chǔ)器具有在系統(tǒng)重新編程能力，可用于非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并允許現(xiàn)場(chǎng)更新8051 固件。解析儀根據(jù)該芯片所具有的這些特性，在硬件設(shè)計(jì)中增加了JTAG接口電路。這樣一來(lái)，解析儀便可以通過(guò)專用JTAG適配器與微機(jī)相連，使用Cygnal集成開(kāi)發(fā)環(huán)境對(duì)89C56 MCU進(jìn)行非侵入式（不占用片內(nèi)資源）、全速、在系統(tǒng)調(diào)試。該調(diào)試系統(tǒng)支持觀察和修改存儲(chǔ)器和寄存器，支持?jǐn)帱c(diǎn)、觀察點(diǎn)、單步及運(yùn)行和停機(jī)命令。在使用JTAG 調(diào)試時(shí)，所有的模擬和數(shù)字外設(shè)都可全功能運(yùn)行。另外，利用JTAG接口和片內(nèi)FLASH存儲(chǔ)器的在系統(tǒng)編程能力，可以方便地實(shí)現(xiàn)固件升級(jí)。89C56內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖二。

圖 二： 89C56內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

4 智能預(yù)測(cè)模塊

系統(tǒng)除了能實(shí)時(shí)地檢測(cè)被測(cè)系統(tǒng)的噪聲狀態(tài)外，還能夠根據(jù)之前遇到的噪聲情況，對(duì)當(dāng)前出現(xiàn)的噪聲信號(hào)預(yù)測(cè)其后是否還會(huì)出現(xiàn)更多、更大的噪聲信號(hào)。其預(yù)測(cè)原理是每次發(fā)現(xiàn)又較大噪聲信號(hào)到來(lái)時(shí)，通過(guò)高速微控制器采集和處理這些噪聲信號(hào)，并將其噪聲的幅值、持續(xù)的時(shí)間存儲(chǔ)在微控制器外圍的存儲(chǔ)器中。一旦下次再檢測(cè)到一個(gè)新的噪聲信號(hào)時(shí)，首先將此噪聲信號(hào)采集并送入微控制器中，然后微控制器根據(jù)該噪聲的幅值和已經(jīng)持續(xù)的時(shí)間與庫(kù)里面存在的噪聲信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，設(shè)定一個(gè)閾值，如果對(duì)比的差額小于該閾值，則從所有小于該閾值的數(shù)據(jù)中找出與之最接近的歷史噪聲數(shù)據(jù)，并將此歷史噪聲數(shù)據(jù)做上標(biāo)記（記錄已經(jīng)匹配的次數(shù)），此時(shí)系統(tǒng)認(rèn)為遇到了很可能是之前重復(fù)出現(xiàn)過(guò)的噪聲信號(hào)，于是給系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信息，并繼續(xù)監(jiān)控新到來(lái)的噪聲信號(hào)，可根據(jù)預(yù)先設(shè)定的匹配程度（閾值），做出當(dāng)前的噪聲信號(hào)是否為真正的重復(fù)噪聲的最終判斷。如果經(jīng)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)庫(kù)中所有的數(shù)據(jù)與之對(duì)比后差值都超出了該閾值，則認(rèn)為當(dāng)前檢測(cè)的噪聲信號(hào)是一種新的噪聲信號(hào)，并將其存儲(chǔ)到外部存儲(chǔ)器中。如果外部存儲(chǔ)器已經(jīng)存儲(chǔ)滿了，則找一個(gè)標(biāo)記最小的數(shù)據(jù)，進(jìn)行覆蓋（即覆蓋掉的數(shù)據(jù)是重復(fù)出現(xiàn)幾率最小的噪聲信號(hào)，此類信號(hào)對(duì)噪聲的預(yù)測(cè)幫組不大）。按此策略設(shè)計(jì)后，可使得該檢測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)Ξ?dāng)前遇到的噪聲信號(hào)做出一定的預(yù)測(cè)和報(bào)警功能，以便總體設(shè)計(jì)者根據(jù)該探測(cè)器分析和定位噪聲產(chǎn)生的原因和時(shí)機(jī)，為最終消除該噪聲信號(hào)提供有效的參考信息。其中存儲(chǔ)噪聲信息的數(shù)據(jù)格式如圖三所示。

圖 三： 存儲(chǔ)噪聲信息的數(shù)據(jù)格式

5 創(chuàng)新點(diǎn)總結(jié)

本文的創(chuàng)新點(diǎn)在于將高速微控制器與A/D轉(zhuǎn)換器等器件有機(jī)結(jié)合起來(lái)，開(kāi)發(fā)了一個(gè)適用于精密穩(wěn)壓電源的智能檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)除了具有靈敏的檢測(cè)噪聲信號(hào)的功能，還能根據(jù)歷史出現(xiàn)過(guò)的噪聲信號(hào)做出預(yù)測(cè)和判斷，給設(shè)計(jì)者提供預(yù)警信息。通過(guò)該探測(cè)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)為設(shè)計(jì)者提供有效的精密、純凈電壓有很大的輔助作用，此外該系統(tǒng)也能應(yīng)用與其它一些電壓檢測(cè)環(huán)境。

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