基于I2C总线的压力测控系统

出处：liucg86 发布于：2007-04-29 09:19:10

基于I2C总线的压力测控系统

李朝晖，陈炳林，张河
（南京理工大学机械工程学院，江苏南京 210094）

1 引言

在许多生产过程和科研中，环境压力是个非常重要的参数，必须对其进行严格的监控。本压力测控系统利用普通的单片机和具有I 2C总线的A／D芯片、存储芯片、LED驱动控制芯片及其它外围器件，构成了主从结构的模拟I2C总线系统，实现了一大型容器中的压力监视和控制。本设计具有良好的人机交互界面，能够和上位机进行通讯，为试验环境的实现提供了保证。

2 I2C总线

在以往的单片机系统设计中，往往采用数据总线(DB)、地址总线(AB)、控制总线(CB)对外围器件进行并行扩展的方法来组成系统，布线复杂，电路板面积大，且硬件的查错较难，而采用I2C (Inter IC BUS)总线扩展，就会变得十分简洁。并且I2C总线器件中有滤波抗扰措施来保证数据的完整性。 Philips公司推出的I2C总线采用一条数据线(SDA)，加一条时钟线(SCL)来完成数据的传输及外围器件的扩展；对各个节点的寻址是软寻址方式，节省了片选线，标准的寻址字节SLAM为7位，可以寻址127个单元。基于I 2C总线的压力测控系统的简单框图如图1所示。

不难看出上面的系统中，只用数据线SDA和时钟线 SCL两根线就可以和大部分外围器件进行信息交换。目前的I 2C总线的标准传输速率为100 kbit/s，其快速模式的传输速率为400kbit/s，完全可以满足压力测控中数据传输的要求。

3 压力测控系统硬件组成及功能

3.1 测控系统功能

因为所控制压力容器较大，供气过程中不同区域压力会有一定的差别，所以采用三个压力传感器进行多点测压，将压力信号转换为便于传送的电流信号。电流信号由I/V转换器转换为适当的电平信号，经A/D芯片转换为数字信号送入单片机及存储器中。通过键盘可以输入所需压力值。实测压力值和设定压力值由LED显示。当实际压力达到设定压力一定范围内时，单片机发出控制信号给驱动单元，使电机停止工作。经由串口，测控系统可以和上位机进行通讯。

3.2 压力传感器及I/V转换器

压力传感器：由于测压点距离测控系统较远，信号传输线路较长，所以选用带有电压/电流转换模块的压力传感器/变送器。其输出信号为4～20mA的环路电流，保证了测控的可靠性。

I/V变换器：本测控系统采用RCV420进行I/V 转换。RCV420是一种精密的电流/电压变换器，可靠性高，成本低，能将4～20mA的环路电流变换成0～5V的电压输出，直接输入后续A/D转换器。

3.3 A/D、D/A转换器芯片PCF859l及应用电路

PCF8591是具有I2C总线接口的8位A/D及D/ A转换器。有4路A/D转换输入和1路D/A模拟输出。A/D转换为逐次比较型。本测控系统使用该器件作A/D转换器。

PCF859l采用典型的I2C总线接口器件寻址方法，即总线地址由器件地址、引脚地址和方向位组成。飞利浦公司规定A/D器件地址为1001，引脚地址为A2A1A0，其值由用户选择。因此I 2C系统中多可按23 =8个A/D器件。地址的一位为方向位R/W，当主控器(单片机)对A/D器件进行读操作时为1，进行写操作时为0。本测控系统中，使用模拟通道0，1，2，通道3不用接模拟地。 A2A1A0＝000，因此SLAW=90H，SLAR=91H。应用电路如图2。

3.4 存储芯片PCF8570及其应用电路

PCF8570是具有I2C总线接口的低功耗CMOS静态RAM，存储量256字节。

PCF8570采用I2C总线接口器件寻址方法，器件总地址由器件地址、引脚地址和方向位组成。飞利浦公司规定器件地址为1010，引脚地址为 A2A1A0。本系统中使用了一片PCF8570，在I 2C总线系统中的连接方式：A2A1 A0＝000，因此SLAW=0A0H，SLAR=0A1H，V DD与VSS之间应接4.7mF/10v的去耦电容。

3.5 LED驱动控制器SAAl064

SAA1064是I2C总线系统中典型的LED驱动控制器件，为双极型集成电路，有2×8位输出驱动接口，可静态驱动2位8段LED显示器或动态驱动 4位8段LED显示器。SAAl064的器件地址为0111，其引脚地址端ADR按输入电平大小将A1A0编程为 4个不同的从地址，故在一个I2C总线系统中多可以挂接4片SAAl064，实现动态16位LED显示。由于内部具有锁存器，由CPU送入的显示数据在数据不变时可以只送。

SAA1064自动由输出端控制显示器进行数据显示，具有良好的LED驱动控制功能。可以编程控制LED的驱动电流，控制范围为8级(0～21mA)。

在本测控系统中，分别用4位LED显示实测压力和设定压力数值，因此用两片SAA1064进行驱动显示。应用电路如图3。用于实测压力值显示的 SAA1064的ADR接VDD(＋5V)，SLAW=76H， SLAR=77H。用于实测压力值显示的SAA1064的ADR接模拟地，SLAW=70H，SLAR=72H。

3.6 系统其它部分工作原理

测控系统其它部分原理图如图4所示。CPU选用AT89C51，利用其P1.6和P1.7分别作为I2C总线的SCL和SDA。CPU与外围器件的信息传输仅由时钟线SCL和数据线SDA实现。这种CPU不具有 I2C总线接口而外围器件具有I2C总线接口的系统称为模拟I2C总线系统。

用P0口扩展8按键的独立式键盘，中断方式。按下K0~K7键设定相应的压力值。P1.0通过可控硅、交流接触器、过流保护器和断相保护器控制电机，图中仅给出带过零触发的双向晶闸管触发电路。MOC3041为光耦合双向可控硅驱动器，输入端驱动电流为15mA，适用于220V交流电路。

4 压力测控系统软件设计

软件设计采用虚拟I2C总线软件包VIIC。该软件包具有包容性设计、归一化设计以及应用界面设计等特色。以此软件包为平台来进行软件设计可以不必了解I2C总线原理、协议和时序。只要了解该软件包的应用操作即可。使程序更具模块化、调试简单等优点。软件包规定了读/写 N字节数据子程序为惟一出口界面。因此，由调用该读/写子程序及满足调用操作的初始化操作的三条命令即构成软件包的应用界面。即：

MOV SLA， #SLAW/SLAR
；寻址字节存放单元存放总线上节点寻址
；并确定数据传送方向

MOV NUMBY， #N
；传送字节数存放单元存放
；需要传送的N字节

LCALL WRNBYT/RDNBYT
；调用读/写N字节数据子程序

三条初始化命令决定了CPU对总线上节点的寻址和数据传送方向以及需要传送的字节数N。在具体应用该软件包时，只需要对软件包的应用界面进行操作即可，从而避免了设计者必须从I2C总线原理上对扩展的I2C总线外围器件进行繁琐的应用程序设计。主流程图如图5所示。

主要子程序如下：

（1）键盘中断服务子程序：完成键盘扫描，执行相应键功能（图6）。

（2）A/D采集子程序：完成三通道的数据采集、数据处理和存储（图7）。

5 结束语

I2C总线的应用越来越广泛，尤其在多点测量和多点控制系统中应用I2C总线技术，可使电路简单、线路板面积小、走线少，因此设备成本低、故障率低，并且测量和控制电路可实现模块化。另外，在使用I 2C总线器件时，要特别注意其时序要求。本设计以单片机AT89C51为主控制器，以I 2C总线器件及其它外围器件构成了模拟I2 C总线压力测量和监控系统，良好地实现了试验环境压力的控制。