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摘要：从弹簧片测试系统的理论基础分析入手，推导出了测试公式，介绍了硬件结构框图和主要软件功能。本文网络版地址：http：//www.eepw. com.cn/article/245930.htm
关键词：弹簧片；步进电机；荷重传感器；C8051F350
DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2014.4.008
引言
在石油勘探用的磁电式地震检波器的生产过程中，为了最大限度地减小传感器的失真度，要求装入传感器腔体中的上下两个弹簧片，当悬体处于静止状态时，它们的两个支承面应处在同一个水平面位置上，这就要求根据传感器的谐振频率和芯体的悬体质量，对上下弹簧片进行搭配，使装配出的传感器的频率和中心度参数，都能符合设计要求。基于单片机C8051F350的弹簧片自动测试与分选系统，充分发挥了该单片机内置的24位Δ-Σ模数转换器的特点，精度高，速度快，能对弹簧片的支撑力和弹性系数等参数，进行测试与分选，满足了生产的需要。
1 基本测试原理和测试系统结构
由公式（1）可知，通过对位移量和作用力的设置和测量，采用适当的数学模型，即可计算出弹簧片处在同一个水平面位置时，所能支承起的等效物体质量和弹性系数。
根据传感器的性能要求，在实际使用中，主要使用其处在同一个水平面位置的性能参数，这就意味着在测算弹簧片的弹性系数时，所能改变的位移量很小，一般在0.5毫米以下，如此计算得出的数据，才能近似等于弹簧片处在同一个水平面位置时的弹性系数。显然，测试系统对位移和作用力的设定和测量，有着极高的精度要求，尤其对位移量的要求，应能分辨0.05毫米。我国检波器生产企业最早引进和仿制的弹簧片测试系统设备，其核心部件是高精度位移传感器和加力器，加力器是一种自制的电磁式施力部件，当电流通过加力器的线圈时，产生的电磁力带动施力杆，使其沿着测试头轴线方向上下移动，由位移传感器对弹簧片产生的变形进行测量。我们提出的采用步进电机和荷重传感器结合、基于单片机C8051F350的技术方案，克服了这种测试设备存在的结构复杂、故障率高和自动化程度低等缺点，已经成功应用到生产实际中。
2 单片机C8051F350的模数转换器接口
C8051F350是高度集成的片上系统混合信号单片机[1]，它采用了与8051单片机兼容的专利内核CIP-51，但其性能远超普通8051系列单片机，速度可高达50MIPS，它的最大亮点是具有一个8路输入的24位Δ-Σ模数转换器，内含可编程增益放大器和多路选择器，采样速度可达1ksps。此外，它还有两路8位电流输出型DAC；有17个耐5V电压的数字I/O口，8k系统可编程的FLASH存储器，含非易失性存储器，768字节的片上RAM，4个16位通用定时器，带有3个捕捉/比较模块的可编程定时器/计数器阵列；片上看门狗定时器，电源监视器，电压比较器，温度传感器，高精度内部振荡器，2.7V～3.6V的低压供电；有增强型的硬件串行接口SPI，SMBus/I2C和UART，片内JTAG调试和边界扫描系统等。该系列的单片机在电子仪器仪表和智能传感器等领域，有着广泛的应用前景。
C8051F350单片机的Δ-Σ模数转换器最高位数是24位，最大转换速度为1ksps，并具有单次转换和连续转换功能，其原理结构如图1所示。在其输入级配备有BURNOUT电流源，主要用于对输入信号进行短路和开路故障的检测；为了给输入信号提供高输入阻抗，输入级还有可选择的输入缓冲器；可变增益放大器能提供八级增益倍数，最大为128倍；参考电压可以配置为内部2.5V，也可选用外部参考电源；具有内部偏移校正和增益校正，偏置DAC主要用于内部校正；调制器的时钟由系统时钟经过分频电路而来；输出级的滤波器有快速滤波和SINC3滤波两种方式，前者速度快，后者精度高。
要正确使用C8051F350单片机的Δ-Σ模数转换器，首先必须搞清楚特殊功能寄存器的各个位的确切含义，然后根据系统时钟频率，确定调制器时钟频率，计算出分频常数和抽取比常数，并对其进行正确设置。这些特殊功能寄存器共有11个，它们是：控制寄存器ADC0CN，配置寄存器ADC0CF，方式寄存器ADC0MD，时钟寄存器ADC0CLK，抽取比寄存器ADC0DECH/L，偏置寄存器ADC0DAC，缓冲寄存器ADC0BUF，输入选择寄存器ADC0MUX，状态寄存器ADC0STA，结果寄存器ADC0H/ M/L，还有参考电压控制寄存器REF0CN等。
调制器的时钟频率MDCLK为2.4576MHz时，ADC的性能最佳，此时，调制器对输入信号的采样速率为：MDCLK/128=19.2kHz。考虑到系统对快速性的要求，设系统的时钟频率SYSCLK为49MHz，调制器取最佳时钟频率时，可计算出滤波器的抽取比OWR为20。当参考电压为内部2.5V时，测量计算公式为：
式中：F（mF）为压力毫伏数；ADC0为模数转换器读数；Vref为参考电压毫伏数。
3 弹簧片自动测试分选系统的硬件原理
图2所示是弹簧片自动测试分选系统的控制原理框图，单片机C8051F350是该系统的控制中心，由于其具有功能强大且灵活多变的接口配置功能，特别是具有24位Δ-Σ模数转换器接口，使得硬件电路不需要太多的外扩芯片，即可实现LCD液晶显示接口，LED指示矩阵接口及键盘扫描接口等，大大简化了系统结构。
荷重传感器的输出毫伏电压送到模拟输入端，经过24位ADC接口，单片机求得加力值，再根据步进电机的位移量，按照系统数学模型，计算出弹簧的弹性系数k和支撑力F。在完成一片弹簧片测试后，还需要将弹簧片按支撑力和弹性系数记入系统配对库中，以备将来进行配对操作。为了方便对一组弹簧片进行连续测试和装入系统配对库，系统的分选板上有一个10×20挂钉矩阵，每个挂钉位置旁边，都有一个LED指示器，挂钉矩阵的X坐标值代表支撑力F，Y坐标值代表弹性系数K，单片机以串行方式和矩阵逻辑电路连接。 4 测试系统的软件设计
本系统软件的设计采用了结构化、模块化的程序设计方法，由主程序、中断服务程序和功能子程序组成。主程序结构简明，主要完成对单片机系统及分选机构的初始化，对键盘的扫描，并跳转到相应的功能模块中去。中断服务程序主要包括ADC中断程序，步进电机变频驱动程序，键盘中断程序，分选机构程序等。子程序主要包括设置模块、测试模块、分选板驱动模块和校准模块，以及LCD和LED驱动子程序、复位和数学运算子程序等。
其中，校准模块是保证精确测量的关键，主要有砝码校准和零位校准。砝码校准用一个标准砝码对荷重传感器进行校准，零位校准通过对测试头机械部分的调试，得到弹簧片的压平位置并记忆。
设置模块用于设置分选板X方向的支撑力的原点和步距，以及Y方向的弹性系数的原点和步距，设置模块更重要的作用是通过对标准弹簧片的测量，得到一个支撑力和弹性系数的修正值并记忆，从而保证多台测试设备的测试数据，具有良好的一致性。
初始化Δ-Σ模数转换器是正确使用C8051F350单片机的关键。设系统内部时钟频率为49MHz，调制器的最佳时钟频率为2.4576MHz，则滤波器的抽取比为20，初始化程序如下：
ORL REF0CN，#01H ；选择内部参考电压
MOV ADC0CN，#10H；双极性，BURNOUT电流源关，增益为1
MOV ADC0CF，#00H；SINC3
滤波器，内部参考电压2.5V
MOV ADC0CLK，#13H；设置调制器时钟分频
MOV ADC0DECH，#03H；设置抽取比寄存器
MOV ADC0DECL，#0BEH
MOV ADC0BUF，#00H；将输入缓冲器旁路
MOV ADC0MUX，#10H；选择双极性输入端
MOV ADC0MD，#81H；启动ADC0为内部校准方式
JNB AD0CALC，$；等待校准完成
ORL EIE1，#08H；允许 ADC0中断
MOV ADC0MD，#80H；激活ADC0为空闲方式
CLR AD0INT；清中断标志位
MOV ADC0MD，#83H；启动ADC0为连续转换方式
5 结语
基于混合信号单片机C8051F350的弹簧片自动测试与分选系统的研制成功，解决了地震检波器生产领域里的难题，经过两年多的使用，该系统测控方案正确，精度达到了设计要求，即：弹性系数小于7.8g/mm，支撑力小于10g，K值全程分度0.05。由于主芯片集成度高，大大简化了系统，提高了稳定性和可靠性，对提高产品质量发挥了积极的作用。
参考文献：
[1] C8051F35x Data Sheet.Silicon Labs
[2]王锁弘.一种对地震检波器用弹簧片进行自动检测与分选的系统：中国，2012101136813[P]
[3]李德贵；李思琦.基于C8051F350及CC1000的高精度无线水温测量系统设计[J]，电子产品世界；2013（5）
[4]赵婷，姚竹亭，房东东，等. 基于MCS51的出租车计价器设计与仿真[J]；电子产品世界，2013（2）
[5]包海涛.嵌入式SOC系统开发与工程实例.北京：航空航天大学出版社，2009
关键词：弹簧片；步进电机；荷重传感器；C8051F350
DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2014.4.008
引言
在石油勘探用的磁电式地震检波器的生产过程中，为了最大限度地减小传感器的失真度，要求装入传感器腔体中的上下两个弹簧片，当悬体处于静止状态时，它们的两个支承面应处在同一个水平面位置上，这就要求根据传感器的谐振频率和芯体的悬体质量，对上下弹簧片进行搭配，使装配出的传感器的频率和中心度参数，都能符合设计要求。基于单片机C8051F350的弹簧片自动测试与分选系统，充分发挥了该单片机内置的24位Δ-Σ模数转换器的特点，精度高，速度快，能对弹簧片的支撑力和弹性系数等参数，进行测试与分选，满足了生产的需要。
1 基本测试原理和测试系统结构
由公式（1）可知，通过对位移量和作用力的设置和测量，采用适当的数学模型，即可计算出弹簧片处在同一个水平面位置时，所能支承起的等效物体质量和弹性系数。
根据传感器的性能要求，在实际使用中，主要使用其处在同一个水平面位置的性能参数，这就意味着在测算弹簧片的弹性系数时，所能改变的位移量很小，一般在0.5毫米以下，如此计算得出的数据，才能近似等于弹簧片处在同一个水平面位置时的弹性系数。显然，测试系统对位移和作用力的设定和测量，有着极高的精度要求，尤其对位移量的要求，应能分辨0.05毫米。我国检波器生产企业最早引进和仿制的弹簧片测试系统设备，其核心部件是高精度位移传感器和加力器，加力器是一种自制的电磁式施力部件，当电流通过加力器的线圈时，产生的电磁力带动施力杆，使其沿着测试头轴线方向上下移动，由位移传感器对弹簧片产生的变形进行测量。我们提出的采用步进电机和荷重传感器结合、基于单片机C8051F350的技术方案，克服了这种测试设备存在的结构复杂、故障率高和自动化程度低等缺点，已经成功应用到生产实际中。
2 单片机C8051F350的模数转换器接口
C8051F350是高度集成的片上系统混合信号单片机[1]，它采用了与8051单片机兼容的专利内核CIP-51，但其性能远超普通8051系列单片机，速度可高达50MIPS，它的最大亮点是具有一个8路输入的24位Δ-Σ模数转换器，内含可编程增益放大器和多路选择器，采样速度可达1ksps。此外，它还有两路8位电流输出型DAC；有17个耐5V电压的数字I/O口，8k系统可编程的FLASH存储器，含非易失性存储器，768字节的片上RAM，4个16位通用定时器，带有3个捕捉/比较模块的可编程定时器/计数器阵列；片上看门狗定时器，电源监视器，电压比较器，温度传感器，高精度内部振荡器，2.7V～3.6V的低压供电；有增强型的硬件串行接口SPI，SMBus/I2C和UART，片内JTAG调试和边界扫描系统等。该系列的单片机在电子仪器仪表和智能传感器等领域，有着广泛的应用前景。
C8051F350单片机的Δ-Σ模数转换器最高位数是24位，最大转换速度为1ksps，并具有单次转换和连续转换功能，其原理结构如图1所示。在其输入级配备有BURNOUT电流源，主要用于对输入信号进行短路和开路故障的检测；为了给输入信号提供高输入阻抗，输入级还有可选择的输入缓冲器；可变增益放大器能提供八级增益倍数，最大为128倍；参考电压可以配置为内部2.5V，也可选用外部参考电源；具有内部偏移校正和增益校正，偏置DAC主要用于内部校正；调制器的时钟由系统时钟经过分频电路而来；输出级的滤波器有快速滤波和SINC3滤波两种方式，前者速度快，后者精度高。
要正确使用C8051F350单片机的Δ-Σ模数转换器，首先必须搞清楚特殊功能寄存器的各个位的确切含义，然后根据系统时钟频率，确定调制器时钟频率，计算出分频常数和抽取比常数，并对其进行正确设置。这些特殊功能寄存器共有11个，它们是：控制寄存器ADC0CN，配置寄存器ADC0CF，方式寄存器ADC0MD，时钟寄存器ADC0CLK，抽取比寄存器ADC0DECH/L，偏置寄存器ADC0DAC，缓冲寄存器ADC0BUF，输入选择寄存器ADC0MUX，状态寄存器ADC0STA，结果寄存器ADC0H/ M/L，还有参考电压控制寄存器REF0CN等。
调制器的时钟频率MDCLK为2.4576MHz时，ADC的性能最佳，此时，调制器对输入信号的采样速率为：MDCLK/128=19.2kHz。考虑到系统对快速性的要求，设系统的时钟频率SYSCLK为49MHz，调制器取最佳时钟频率时，可计算出滤波器的抽取比OWR为20。当参考电压为内部2.5V时，测量计算公式为：
式中：F（mF）为压力毫伏数；ADC0为模数转换器读数；Vref为参考电压毫伏数。
3 弹簧片自动测试分选系统的硬件原理
图2所示是弹簧片自动测试分选系统的控制原理框图，单片机C8051F350是该系统的控制中心，由于其具有功能强大且灵活多变的接口配置功能，特别是具有24位Δ-Σ模数转换器接口，使得硬件电路不需要太多的外扩芯片，即可实现LCD液晶显示接口，LED指示矩阵接口及键盘扫描接口等，大大简化了系统结构。
荷重传感器的输出毫伏电压送到模拟输入端，经过24位ADC接口，单片机求得加力值，再根据步进电机的位移量，按照系统数学模型，计算出弹簧的弹性系数k和支撑力F。在完成一片弹簧片测试后，还需要将弹簧片按支撑力和弹性系数记入系统配对库中，以备将来进行配对操作。为了方便对一组弹簧片进行连续测试和装入系统配对库，系统的分选板上有一个10×20挂钉矩阵，每个挂钉位置旁边，都有一个LED指示器，挂钉矩阵的X坐标值代表支撑力F，Y坐标值代表弹性系数K，单片机以串行方式和矩阵逻辑电路连接。 4 测试系统的软件设计
本系统软件的设计采用了结构化、模块化的程序设计方法，由主程序、中断服务程序和功能子程序组成。主程序结构简明，主要完成对单片机系统及分选机构的初始化，对键盘的扫描，并跳转到相应的功能模块中去。中断服务程序主要包括ADC中断程序，步进电机变频驱动程序，键盘中断程序，分选机构程序等。子程序主要包括设置模块、测试模块、分选板驱动模块和校准模块，以及LCD和LED驱动子程序、复位和数学运算子程序等。
其中，校准模块是保证精确测量的关键，主要有砝码校准和零位校准。砝码校准用一个标准砝码对荷重传感器进行校准，零位校准通过对测试头机械部分的调试，得到弹簧片的压平位置并记忆。
设置模块用于设置分选板X方向的支撑力的原点和步距，以及Y方向的弹性系数的原点和步距，设置模块更重要的作用是通过对标准弹簧片的测量，得到一个支撑力和弹性系数的修正值并记忆，从而保证多台测试设备的测试数据，具有良好的一致性。
初始化Δ-Σ模数转换器是正确使用C8051F350单片机的关键。设系统内部时钟频率为49MHz，调制器的最佳时钟频率为2.4576MHz，则滤波器的抽取比为20，初始化程序如下：
ORL REF0CN，#01H ；选择内部参考电压
MOV ADC0CN，#10H；双极性，BURNOUT电流源关，增益为1
MOV ADC0CF，#00H；SINC3
滤波器，内部参考电压2.5V
MOV ADC0CLK，#13H；设置调制器时钟分频
MOV ADC0DECH，#03H；设置抽取比寄存器
MOV ADC0DECL，#0BEH
MOV ADC0BUF，#00H；将输入缓冲器旁路
MOV ADC0MUX，#10H；选择双极性输入端
MOV ADC0MD，#81H；启动ADC0为内部校准方式
JNB AD0CALC，$；等待校准完成
ORL EIE1，#08H；允许 ADC0中断
MOV ADC0MD，#80H；激活ADC0为空闲方式
CLR AD0INT；清中断标志位
MOV ADC0MD，#83H；启动ADC0为连续转换方式
5 结语
基于混合信号单片机C8051F350的弹簧片自动测试与分选系统的研制成功，解决了地震检波器生产领域里的难题，经过两年多的使用，该系统测控方案正确，精度达到了设计要求，即：弹性系数小于7.8g/mm，支撑力小于10g，K值全程分度0.05。由于主芯片集成度高，大大简化了系统，提高了稳定性和可靠性，对提高产品质量发挥了积极的作用。
参考文献：
[1] C8051F35x Data Sheet.Silicon Labs
[2]王锁弘.一种对地震检波器用弹簧片进行自动检测与分选的系统：中国，2012101136813[P]
[3]李德贵；李思琦.基于C8051F350及CC1000的高精度无线水温测量系统设计[J]，电子产品世界；2013（5）
[4]赵婷，姚竹亭，房东东，等. 基于MCS51的出租车计价器设计与仿真[J]；电子产品世界，2013（2）
[5]包海涛.嵌入式SOC系统开发与工程实例.北京：航空航天大学出版社，2009