MCS51單片機是我國應用最為廣泛的單片機種。以往單片機應用程序主要用匯編語言編寫,由于匯編語言程序的可讀性和可移植性都較差,采用匯編語言編寫單片機應用程序不但周期長,而且調試和排錯也比較困難。為了提高編制單片機應用程序的效率,改善程序的可讀性和可移植性,采用高級語言無疑是一種好的選擇。C語言是一種通用的計算機程序設計語言,既具有一般高級語言的特點,又能直接對計算機的硬件進行操作,表達和運算能力也較強,許多以往只能采用匯編語言來解決的問題現在都可以改用c語言來解決。
    德國Keil Software公司多年來致力于單片機c語言編譯器的研究。該公司開發的Keil C51是一種專為8051單片機設計的高效率c語言編譯器,符合ANSI標準,生成的程序代碼運行速度極高,所需要的存儲器空間極小,完全可以和匯編語言相媲美。Keil C51具有豐富的函數庫,包含100多種功能函數,為用戶編程提供了極大的方便。C51程序可以實現與匯編語言的接口,兩者相互之間的調用十分方便。。高版本的Keil C51編譯器,尤其是Keil Vision2(基于Windows操作系統的C51集成編譯環境),以其性能優秀、使用方便,受到了眾多單片機愛好者的歡迎。
    在有些測量儀表中,常需要提供不同頻率的低頻正弦波信號源,它們的頻率完全成整數倍關系。如測量電廠工業用水的電導為防止電極傳感器的極化,要用低頻正弦波信號作為激勵源,雙頻測導法就要求提供精確雙倍頻率的正弦信號。常用的正弦波信號倍頻或分頻采用的方法有:

1.  方波信號分頻后濾波;
2.  鎖相合成法;
3.  單片機控制的D/A轉換后再濾波等。

    方法① 由于基頻的諧波分量大,濾波效果差而很少采用;方法②采用的是壓控振蕩原理,常用于高頻正弦信號的倍頻或分頻;方法③ 由于高頻諧波分量遠小于基波分量,濾波效果好且能精確定時,容易實現信號的倍頻或分頻。本文采用單片機AT89C2051控制D/A轉換實現倍頻正弦波信號的產生,編程語言采用的就是Keil C51。

1 硬件電路
    圖1為倍頻正弦波信號發生電路,U2為l0位串行DA集成電路TLC5615(TEXAS儀器公司生產),VREF為2.5v的標準參考電壓。U3 MAX813為看門狗復位集成電路,在U1(AT89C2051)出現程序跑飛時可自動復位。U1控制DA輸出正弦變化的階梯電壓,經R1、C3濾波,C4隔直后即可得到波形較理想的正弦波,只要在一個周期內保證有足夠多的輸出點數。
 
圖1  倍頻正弦波發生電路
    U1根據P1.3和P1.4(標號分別為SWF0和SWF1)的狀態控制正弦波的產生與停止及基頻與倍頻,它們的組合關系為:SWF1=1、SWF0=x時DA無正弦信號輸出;SWF1=0、SWF0=0時DA輸出基本頻率的正弦信號;SWF1=0、SWF0=1時DA輸出雙倍基頻的正弦信號。DA轉換器TLC5615遵從SPI標準的三線串行通信協議,三線分別是:/CS片選線,低電平有效;SCLK時鐘線;DIN數據線。SPI串行總線上數據傳送時序如圖2所示,圖中在/CS低電平有效時,時鐘線SCLK上升沿時數據線DIN上的數據必須穩定,方可保證數據的正確傳送,當/CS高電平時器件不接受數據,這樣可在SPI串行總線上掛多個支持SPI標準的器件。有關SPI串行總線的具體參數請參閱器件資料。
 
圖2 SPI串行數據總線數據傳送時序圖

2 Keil C51程序
    單片機程序采用Keil C51編程語言編寫,經編譯后生成HEX文件即可固化在AT89C2051中。一個C,51工程(project)的源程序由C文件和H頭文件等組成。本文下面給出的C文件wave.c中有主程序"void main(void)"、DA轉換輸出函數"void da.out(void)"和定時器中斷函數"void timer0(void)interrupt 1 using 2"組成。兩次DA轉換之間采用定時器0進行定時。在產生基頻正弦信號或倍頻正弦信號時不改變定時器的定時時間,而是通過傳送給DA不同的數字量來實現,即頭文件中的產生基頻正弦信號的wavel數組和產生倍頻信號的waveh數組的長度一樣,均為128,但wavel是一個周期內正弦波的數字量,waveh是兩個周期內的數字量,前64個數值與后64個數值相同。這樣可以避免執行重置定時常數的指令而引起的時間誤差,從而得到精確的雙倍頻關系。另外,wavel數組中的峰-峰值(最大值-最小值)約為waveh數組中峰-峰值的一半,這樣使得經RC濾波后兩種頻率的正弦波幅度近似相等,以滿足使用要求。如程序中的定時常數(TH0=0xff,TL0=0x00),在晶振為20MHz時,測得基頻為50.6Hz,倍頻為101.2Hz。以下是C51源程序wave.c和H頭文件wave.h,在Keil C51 V6.12下編譯通過生成HEX文件。
  C51源程序wave.c
#include<reg51.h>
#include<intrins.h>
#include "wave.h"
void da_out(void); //聲明函數
sbit DIN=0x97; //P1.7位定義
sbit SCLK=0x96; //P1.6位定義
sbit DACS=0x95; //P1.5位定義
sbit SWF1 =0x94; //P1.4位定義
sbit SWF0 =0x93; //P1.3位定義
sbit WDI =0x92; //P1.2位定義
sbit FLAG = 0x90;
IUI word; //IUI即idata unsigned int,在wave.h中預定義
void main(void){
IUI i;
TMOD =0x01; //定時器0方式1;
TH0=0xff;TL0=0x00; //置定時器0常數;
TR0=1; //啟動定時器0
ET0=1;EA=1; //開定時器中斷及總中斷
SWF0=1;SWF1=1; //設P1.3,P1.4為輸入
WDI=1; //看門狗輸入置高電平
while(1){
for(i=0;i<128;i++){
FLAG=1; //置標志,FLAG在定時器0中斷程序中被清除
WDI=0;_nop_();WDI= 1;//看門狗復位
if(SWF1) word=512; //SWF1=1時,DA輸出同一量,無正弦信號輸出
else{
if(SWF0) word=waveh[i];//取倍頻數字量
else word=wavel[i]; //取基頻數字量
}
word=word<<6; //10位數字量移至高位
while(FLAG); //等待,直至定時器中斷程序中清FLA G
da_out(); //調用DA輸出子程序
}
}
}
void timer0(void) interrupt 1 using 2{
TH0=0xff;TL0=0x00;//重置定時器常數
FLAG=0;//清主程序中的等待標志
}
void da_out(void){
IUI i;
SCLK =0;_nop_();DACS=0; //準備傳送數據
for(i=0;i<10;i++){
DIN= (bit)(word&Ox80); //取最高位送數據線
word = word << 1; //左移,準備下一位傳送
SCLK =1;_nop_();SCLK =0; //一個CLK信號
}
DACS= 1;_nop_();SCLK=1; //傳送結束
}

H頭文件(wave.h):
typedef idata unsigned int IUI;
int code wavel[]={
512,524,537,550,563,698,707,715,723,731,775,775,774,772,770,698,689,679,669,658,
512,499,486,473,460,325,316,308,300,292,248,248,249,251,253,325,334,344,354,365,
};
int code waveh[]={
512,562,611,660,707,753,796,836,874,907,937,963,985,1001,1014,1021,
1023,1021,1014,1001,985,963,937,907,874,836,796,753,707,660,611,562,
512,46l,412,363,316,270,227,187,149,116,86,60,38,22,9,2,
0,2,9,22,38,60,86,116,149,187,227,270,316,363,412,461,
512,562,611,660,707,753,796,836,874,907,937,963,985,1001,1014,1021,
1023,1021,1014,1001,985,963,937,907,874,836,796,753,707,660,611,562,
512,461,412,363,316,270,227,187,149,116,86,60,38,22,9,2,
0,2,9,22,38,60,86,116,149,187,227,270,316,363,412,461
}:

3  小結
    筆者有多年的單片機匯編語言編程經歷,改用Keil C51后感覺很好,編程效率大為提高。本文是Keil C51在正弦波產生中的應用,由C源程序可見,程序較匯編語言程序可讀性大為提高,非常簡煉。本文介紹的倍頻正弦波信號發生電路已用于某型電導率表中,效果很好。