基于C8051F040多路浸水时刻记录电路设计

摘要 针对某型航行器自沉系统中，需要掌握某合金材料在海水中因不同温度条件下的受腐蚀时间长短。采用模块化硬件设计，使用浸水传感器为检测单元、时钟芯片DS12887为计时模块；以C8051F040为微处理器和串行M25P80为存储模块设计浸水时间记录系统。外部数据通信采用CAN总线。通过实践证明，DS12887时钟能在掉电后正常运行，但时间长，需要新设定时间，以便准时记录。
关键词 浸水传感器；DS12887；串行存储器；CAN

    在某型水下航行器自沉系统中，某合金材料在海水中一定时间内能正常工作，但正常时间过后会被海水腐蚀；从而实现该航行器的自沉功能。为此设计了该电路，用以测试铝铬合金材料在不同温度的多组时间信息。

1 系统硬件结构
    基于C8051F040多路浸水时刻记录电路硬件部分由6个主要模块组成：浸水传感器、信号电平转换电路、达接斯时钟模块、串行存储器M25P80模块、单片机C8051F040模块和CAN通讯模块。系统硬件结构框图如图1所示。

1．1 单片机08051F040
    C8051F040由美国Silicon Labs公司设计，对原51单片机内核进行了较大改造，由原来12个时钟执行一条指令，改进为一个时钟执行一条单周期指令，多数指令执行的时钟周期数与指令的Byte数相同，使得该款单片机的运行速度大幅提高。C8051F040具有64个数字I／O引脚，片内集成了一个CAN2．0B控制器。主要特性如下：(1)高速、流水线结构的8051兼容的CIP-51内核(可达25 MI·s-1)。(2)控制器局域网(CAN 2．0B)控制器，具有32个消息对象，每个消息对象有其自己的标识。(3)硬件实现的SPI、SMBus／I2C和两个UART串行接口。(4)5个通用16位定时器。(5)具有6个捕捉／比较模块的可编程计数器／定时器阵列。
1．2 浸水传感器及电平转换电路
    浸水传感器采用自行研制的浸水模块，该模块接口简单，只需5根线分别为：浸水传感器测试点A、浸水传感器测试点B、供电电源24V、供电电源地、感应输出OUT24V。当浸水传感器测试点A和浸水传感器测试点B接触或之间有水使A、B导通，这样A、B间的电阻由无穷大变为几Ω甚至零。通过比较电路从而输出供电电压24 V，而单片机C8051F040I／O口能够承受的电压仅为5 V。电平转换电路采用光电隔离芯片TLP28 1-4电路图如图2所示。

1．3 时钟芯片DS12887
    DS12887是美国达拉斯半导体公司推出的时钟芯片，采用CMOS技术制成，把时钟芯片所需的晶振和外部锂电池相关电路集于芯片内部。采用DS12887芯片设计的时钟电路无需外围电路并具有良好的微机接口。DS12887芯片具有微耗、外围接口简单、精度高、工作稳定可靠等优点，可广泛用于各种需要较高精度的实时时钟场合中。其主要功能如下：(1)内含一个锂电池，断电后运行10年以上不丢失数据。(2)计秒、分、时、天、星期、日、月、年，并有闰年补偿功能。(3)二进制数码或BCD码表示时间、日历和定闹。(4)12小时或24小时制，12小时时钟模式带有PWM和AM指导，有夏令时功能。(5)Motorola5和Inatael总线时序选择。
    DS12887有4个状态控制寄存器，它们在任何时间都可访问，即使更新周期也不例外。具体电路连接图如图3所示。

1．4 串行存储器M25P80
    存储器M25P80存储容量为8 MByte，它采用SPI数据总线的方式进行通信。该存储器有16个扇区，每个扇区有256页，每页256 Byte。工作电压范围2．7～3．6 V，工作温度范围-40～+85℃，最大时钟75 MHz。能进行10万次的擦写，数据保存20年，体积小巧，是一款通用存储器。M25P80支持的操作指令共有12条，指令格式为如图4所示。

    其中，8位的命令是必需，地址、哑元以及数据字节的有无和长度会因指令的不同而有所差异，详情如表1所列。所有的命令码、地址、串行输入／输出的数据，均是高位在前。

    由于单片机C8051F040的工作电源3．3 V，M25P80的工作电压范围为2．7～3．6 V故二者可以直接相连接。具体电路图如图5所示。

2 软件设计
    由于整个浸水腐蚀的时间不确定，需要一个开始记录的时间。这个开始记录时间是以系统通电正常工作的时刻为准。系统的软件设计主要包括浸水传感器数据的检测程序、DS12887时钟数据存储程序和CAN通信程序3部分。
2．1 浸水传感器数据的检测程序设计
    浸水传感器数据的检测程序设计采用定时器检测的方式；当持续检测到浸水输出信号3 s，则认为此刻浸水。具体设计框图如图6所示。

    浸水传感器数据的检测程序初始化后，记录开始时间；在100 ms定时中断中，检测多路的浸水输出信号。针对不同的浸水传感器采用记录对应的编号同时记录该时刻的时间。
2．2 DS12887时钟数据存储程序
    时间读取程序设计就是对DS12887芯片的内部的4个内部寄存器A、B、C、D进行相应的初始化和对其它寄存器数据的读取。
    时间数据储存程序设计是通过SPI总线，将时间数据存入M25P80当中。C8051F040中有SPI总线模式。
2．3 CAN通信程序设计
    由于C8051F040器件内部集成了Bosch CAN控制器，只需要对该控制器进行初始化和配置便可以实现CAN通信。操作通过特殊功能寄存器直接或间接访问CAN控制器中的CAN控制寄存器。

3 结束语
    设计的时间记录系统能应用其他场合的时刻记录。该设计具有结构简单、功能齐全、系统运行可靠的特点。需要注意的是，DS12887时钟芯片启动后需要设定时间，这样才能与标准时间一致。实践证明，虽然DS12887时钟能够掉电后正常运行，但时间长(约3个月)，需要重新设定时间以便准时记录。