基于μPSD3254的全站仪的关键技术及应用

摘要：本文主要阐述全站仪组成部分中的微处理器部分，它的任务是从采集数据设备--电子测角系统、电子测距系统、自动补偿设备获取测量数据，计算，显示，存储，通讯输入输出。

关键词：全站仪；芯片；扩展

中图分类号：TP311文献标识码：A文章编号：1007-9599 (2010) 16-0000-02

The Key Technology and Application of the Total Station on μPSD3254

Yu Nenghui

(Fuzhou Foreign Language&Trade Vocational College,Fuzhou 350018,China)

Abstract:This paper mainly expounds the electronic tachometer part of microprocessor part,its task from data collection equipment, electronic angle measuring system,electronic distance measuring system, automatic compensation equipment acquisition measurement data,calcul-

ations,display,storage,communications input and output.

Keywords:Total Station;Chip;Extension

随着科学技术的进步和计算机技术的迅猛发展及其向各个领域的渗透，以及电子经纬仪、电子测距技术等先进测量仪器和技术的广泛应用，测绘仪器向自动化和数字方向发展，全站仪应运而生。[1]全站仪已经从传统的机械、光学仪器发展成为机光电算通讯一体化仪器。全站仪已经不是传统仪器概念中的，只能进行简单的测距、测角、测高等相对数据的采集功能。而是可以集距离、角度、高程、坐标等相对和绝对数据的采集与存储，面积、容积、体积的计算，平面、立体面形的分析、绘制，数据信息的有线、无线传输等功能为一体的智能型仪器。全站仪与光学经纬仪和光学测距仪相比，以其特有的高自动化、全数字化、高精度的显著优势而具有广阔的发展前景。

一、μPSD3254体系结构

μPSD3254单片机是一个以增强型MCS-51内核单片机8032为基础，集成了PSD（Programmable System Device）模块，内部含有大容量的FLASH存储器和SRAM存储器、I2C和USB接口电路以及可编程逻辑器件（PLD）等的单片机。μPSD3254单片机的指令系统与MCS-51完全一样，特殊功能寄存器也完全兼容并扩展了自身的特殊功能寄存器及指令。[2]

（一）CPU系统

内含一个能处理8位二进制数据和代码的8位运算器，支持位寻址和位操作，数据和代码均有64KB的寻址空间。

（二）时钟电路

μPSD3254系列单片机的内部有时钟电路，只需外接石英晶体振荡器，最高晶振频率可达40MHz；

时钟电路定时地产生脉冲信号，控制单片机各功能部件的运行，是控制器的重要部件。

（三）中断系统

μPSD3254的中断系统并不复杂，但已具备了相当的规模。它具有10个中断源和两个中断优先级。

二、AT24C04A结构和工作原理

AT24C04A是一款电可擦除可编程串行EEPROM。EEPROM也称为可擦除可编程ROM（Electrically Erasable PROM）。EEPROM能以字节为单位进行擦除和改写，而不是像EPROM那样整体擦除，也不需要把芯片从用户系统中拔下来用编程器编程，在用户系统即可进行。并行EEPROM的存储容量相对较大，读写方法也比较简单，但价格较高，用于信息量较多的场合。[3]串行EEPROM结构简单紧凑，价格低廉，其缺点是读写方法复杂，存储单元较小，一般用于断电情况下需要保存或一些数据需要在线修改的场合，这类数据不多却很重要，若使用常规的RAM芯片，就必须附带一套性能可靠的掉电保护系统，这不仅增加了线路设计的复杂性，同时也给设备的运行和维护带来了很多不便。使用串行EEPROM来存储这类数据是最合适不过的。全站仪上要保存的重要参数和设置不占据太多的存储空间，并且串行EEPROM的体积小，功耗低，硬件接口非常简单，因此选择了AT24C04A这款串行EEPROM来保持仪器中的这些参数设置。

如图1，其中A0、A1、A2为器件地址选择位置，这3个引脚配置成不同的编码值，而且还可以在同一串行总线上最多可扩展8片同一容量或不同容量的24C系列串行EEPROM芯片。WP为硬件写保护控制端。SDA为串行数据输入输出端，漏极开路驱动，容量扩展时可以将多片24系列SDA引脚直接相连，实际使用时还需要加一个上拉电阻。VCC和GND分别是电源和地。

全站仪系统把需要存储的内容定义为结构体，再用指针指向结构体的首地直，通过上面的读写函数，就可完成对这些内容的存储和使用。由于同一I2C总线上接了三个器件，因此每个器件必须具有一个相对应的器件地址。AT24C04A器件的寻址是这样实现的：24C系列芯片的器件地址由7位数据位和一位读写位组成，即1010A2A1A0 R/W，其中，高四位的 1010为 24系列的协议格式，是I2C总线分配给串行EEPROM 的器件地址；之后的3位A2A1A0为可编程地址位，且 256字节为一页，由器件厂商定义，供在总线上连接多片同一型号器件时分配地址用；最后一位是读写控制位 R/W，当该位为高电平“1”时，表示当前的操作是读操作，该位为低电平“0”时，表示当前的操作时写操作 。因此程序中对EEPROM地址的定义为：第一页的地址为0xa0，0xa1； 第二页的地址为0xa2，0xa3。

三、I2C扩展芯片PCF8575

PCF8575是飞利浦公司生产的用来扩展微控制器I2C总线的CMOS结构的芯片，包含：16位数据接口和I2C接口，具有低电流功耗，带有可直接驱动LED的强电流锁定输出，还具有一个开漏中断输出，可以连接到微控制器上的中断处理模块。可以通过中断来实现与微控制器的数据传输。

PCF8575从地址的高4位0100是固定的，低3位可通过设置引脚A2、A1、A0来实现，这样看来就可以挂载8个PCF8575。其16位数据接口为双向传输口，可以读写操作。在读的时候首先要把16位都设置为1，然后把地址的后一位设置为逻辑1，就可以实现进行读操作。而写操作只要在地址后一位设置为逻辑0，就可写操作。数据传输都是第一个字节为P00到P07，第二个字节为P10-P17，依次循环。 当16位端口中任何一位有跳变都会产生中断，通过这个中断微处理器可以来进行相应的中断处理。在端口设为普通状态、读端口数据或写端口中断标志消失。中断在写操作的时候不起作用。μPSD3254和AT24C04A是通过I2C连接的，硬件连接原理图如图2所示。

EEPROM24C04A使用的SDA，SCL分别连接到μPSD3254的P3.6，P3.7，与按键的I2C使用的是相同的两根线。系统就是通过这两根线控制EEPROM的读写。 24C04A的1-3脚分别为器件编址端A0、A1、A2（用于与系统中的同类器件编码），4脚为电源地，5脚为I2C总线的数据线SDA，6脚为I2C总线的时钟SCL，7脚为写保护引脚，当在系统中接地，所有的存储区域都可读可写。如果写保护引脚接高电平，上半部分存储区域只能读不能写。[4]因此全站仪在出厂之前，会先把7脚的跳线接到地，拷贝存储器下半部分的内容到上半部分，即仪器备份，再把7脚的跳线接到高地平，即对上半部分存储的内容进行了写保护。8脚为电源。

四、结束语

本文主要分析全站仪主控系统的主要技术，结合全站仪主控系统所应用到的技术，介绍了μPSD3254的体系结构，包括CUP系统，时钟电路，中断系统，和I2C接口，并介绍了全站仪主控系统中用来存储参数的串行EEPRO MAT24C04A的结构和工作原理和实现键盘控制的I2C扩展芯片PCF8575。

参考文献：

[1]徐广振.基于IIC总线的键盘读取[J].江苏电器,2007,4:43-45

[2]原星.全站仪数据传输与处理技术研究[J].测绘技术装备,2010,1:23-24

[3]彭盛军,蒋凯.电子全站仪观测值的精度分析[J].葛洲坝集团科技,2010,2:201-203

[4]王宜怀等.嵌入式技术基础与实践实验指导，北京清华大学出版社,2008:341-342

作者简介:余能辉（1982-），男，福州永泰人，学历：本科，职称：助教，研究方向：电子信息应用。