基于C8051F020与传感器的振动信号分布式检测方法

　　引言

　　由于加速度传感器及电荷放大器的连接线缆的距离限制，采用集中的数据采集和处理系统在空间距离较远的场合很难实现，其可靠性和抗干扰问题很难解决。常采用分布式检测方法：即设置多个数据采集站点，每个站点采用一套单独的数据采集和处理系统，通过网络通信将各站点相互连结起来，然后由一台系统机进行集中数据处理，提取相关特征信息。

　　C8051F020单片机性能特点

　　CYGNAL的C8051F020是集成模拟、数字信号的混合信号系统级SOC（System On Chip）单片机，与目前常用的51系列单片机指令集完全兼容。采用100脚TQFP封装，体积小，运算速度快。它采用CYGNAL公司的专利CIP-5l微处理器内核。CIP-5l在提升805l速度上采取了新的途径，即设法在保持 CISC结构及指令系统不变的情况下，对指令运行实行流水作业。在这种模式中，废除了机器周期的概念，指令以时钟周期为运行单位。平均每个时钟可以执行完 l条单周期指令，从而大大提高了指令运行速度。

　　与805l相比，C8051F020在相同时钟下单周期指令运行速度为原来的12倍，整个指令集平均运行速度为原来805l的9.5倍，使CYGNAL单片机系列进入了8位高速单片机行列。同时，C805lF020单片机延续了C805lF系列特有的优先权数字交叉开关配置技术。这项技术的核心就是以硬件方式为内部的数字资源配置端口I/O引脚。与标准复用数字I/O不同，这种结构可支持更多的功能组合。PCA、比较器、定时器等按优先级别分配到所选择端口上。使用者也可以只为所用到的数字资源分配I/O引脚。任何未配置使用的端口I/O被组合在一起，作为GPIO。

　　MXA2500GL加速度传感器的性能特点

　　MXA2500GL 是MEMSIC公司专利技术生产的双轴式绝对模拟输出加速度传感器。它根据热对流原理在两个轴线都可以进行动态加速度（例如振动）和静态加速度（例如重力加速度）的测量，因此广泛应用于汽车稳定性控制、安全性控制、接近角控制、血压监视器、电子罗盘倾斜校正、数码相机、电梯等领域。与普通压电式加速度传感器不同的是，MXA2500GL实际是按照标准CMOS工艺制造的单片集成电路，它的输出是0.1～4.9V（5V电源的情况）的电压信号，无需电荷放大器就可以直接与A/D卡相连，因此会使整个测试系统不仅结构紧凑，而且抗干扰性非常强。

　　基本工作原理是：在硅片中心的空腔中悬挂一个气体热源，同时在热源的4个对角（即2个轴线方向）处，均匀放置铝/多晶硅温差电堆（热电偶）。当加速度为零时，热源的温度梯度是对称的，所以4个温差电堆的温度相同，因此这2个轴线方向输出相同的电压。而任何方向的加速度都会扰乱这种平衡的温度形式，使热源的温度梯度不对称。根据热传导的自由对流原理，4个温差电堆的温度及其输出信号—电压都是不同的。但是这些电压信号与加速度是成比例变化的。这样通过测量电压就可以确定加速度的值。在传感器上有两个相同加速度信号通道，一个测量X方向，另一个测量Y方向。图1给出了它的基本结构。

　　图1　MXA2500GL加速度传感器的结构图

　　分布式检测系统的硬件架构

　　系统以C8051F020单片机为从机，PC为主机。由于单片机体积小、功能强、价格低廉，因此性价比非常高。目前主流的PC有2个标准的RS-232串行口，采用的是EIA电平，而C8051F020单片机的TX引脚（发送数据）、RX引脚（接收数据）使用的是TTL电平，两者之间进行可靠通信必须要用电平转换芯片，系统采用MAX232/MAX485芯片。为了实现资源共享，任务分担的目标，在分布式计算机系统中关键就是确保主机和各从机之间数据通信的准确可靠。

　　由于PC机本身并不具备多机通信功能，所以目前普遍采用的通信方式有两种：一种是利用"桥梁"硬件—多机通信卡。通信卡一般有两种形式，应用最广的是以51单片机为核心，结合8255、6116、2716等芯片构成的通信卡。该卡可以插在PC的扩展槽中，各从机与通信卡中单片机进行串行通信，而PC通过8255芯片与卡上的单片机进行并行通信。另外一种通信卡仅仅由单片机构成（也就是牺牲一个单片机做通信中转），从机与通信卡及PC与通信卡之间都是串行通信;另一种方式是在PC的串口上软件模拟51系列单片机串口可编程第9位数据功能实现多机通信，系统采用的是后一种方式。另外由于远距离传输，系统中使用了MAX485芯片，同时还使用了光电隔离来提高系统的抗干扰能力。图2给出了整体硬件架构。

　　图2　分布式检测系统的硬件架构

　　多机通信协议

C8051F020 单片机具有适于多机通信的特殊功能，即方式2（3）。在这2个方式里，接收的第9位进入RB8，然后为停止