摘 要：本文介绍一种基于C8051F021 片上系统的电容式变送器的设计方法，对恒流充电法测量电容量
的原理进行了详细的分析，设计的电容式变送器输入信号范围可以通过软件设置，输出为标准的4～20mA
电流信号，能够和标准信号的工业仪表或计算机测控系统直接接口，并支持MODBUS 协议的RS485 现场
总线通信。
关键词：电容；变送器；片上系统；现场总线

1 引言
电容式传感器常用来测量液位、位移或能够引起位移变化的物理量，在工业控制、机电系统等
领域应用广泛。由于电容信号不能直接和标准信号的仪器仪表或计算机测控系统连接，需要变送装
置。本文介绍一种基于C8051F021片上系统的电容式变送器的设计方法，设计的变送器具有如下特
点：①支持MODBUS协议的RS485现场总线通信；②标准4～20mA信号输出；③量程可以软件设置。
C8051F021是新型完全集成的混合信号片上系统型MCU[1]，片内流水线结构的CIP-51内核的指令
执行速度可达25MIPS，片内集成的典型资源有：32个数字I/O 引脚；8个12 位分辨率的ADC（采样
速率达100Ksps）；两个12 位DAC（具有可编程数据更新方式）；64KB可在系统编程的FLASH 存
储器；4352（4K+256）字节的片内RAM；硬件实现的SPI、SMBUS/ I2C和两个UART 串行接口；5 个
通用的16 位定时器；具有5个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列；看门狗定时器、电源监视
器和温度传感器。
从电容式变送器的功能和C8051F021片上系统的特点可以看出，C8051F021特别适合于电容式变
送器这样的模拟/数字混合信号系统的设计。基于C8051F021片上系统设计的电容式变送器原理框图
如图1所示。包括C851F021片上系统、电容测量电路、V/I转换及功率驱动电路、RS485通信接口电
路以及电源电路五个组成部分。

2 电容测量电路

经过上述分析，设计如图2所示电容测量电路。电容测量电路包括恒流源电路、充电放电控制电
路以及A/D转换三部分。A/D转换采用C8051F021片内的A/D转换器ADC0。恒流源电路由运算放大器
U1A、电阻R1～R6以及C8051F021片上系统的DAC1构成，恒流源的输出电流I可由式（3）表示。不
同的电容式传感器，测量过程中电容的变化范围相差很大，如果充电电流一定，相同的Ñt时间段充
电的电压变化量c u 就无法满足C8051F021片上系统ADC0的转换范围。为此设计的恒流输出是可以
调整的，从式（3）可以看出，通过C8051F021的DAC1可以调整恒流源输出电流，以满足不同量程
范围的电容信号测量需要。

如果电阻R1～R6 按图2 所列参数取值，VDAC1 的输出电压范围0～2.43V，则恒流源电路输出电
流I 为0～1.053mA。

3 V/I 转换及功率驱动电路
C8051F021 片上系统将测得的电容值按量程范围运算后，经D/A 输出的是电压信号。而工业上
使用的是标准的4～20mA 电流信号，为此要通过V/I 转换电路及功率驱动电路转换成4～20mA 电
流信号输出。V/I 转换及功率驱动电路原理如图3 所示[2][3]，其中DAC0 为C8051F021 片上系统的
D/A 输出信号，范围在0～2.45V，当R4=22KΩ，R6=20KΩ，R5=250Ω 时，输出电流I 可按式（4）
计算，则输出电流I 大约在0～20.5mA 之间，满足执行机构输入电流在4～20mA 的范围。

4 RS485 通信接口电路[4][5][6]
SP3485 是3.3V 供电的RS485 协议通信接口器件，可以直接与C8051F021 片上系统的RXD、
TXD 连接。为了减少接口连线和简化通信程序代码，设计了如图4 所示的RS485 通信接口电路。
C8051F021 无数据发送时，TXD 输出高电平，经U2A 倒相控制SP3485 的收发使能端（2、3 引脚），
SP3485 处于接收状态，接收到的数据能够送入C8051F021 的RXD 引脚。当C8051F021 有数据发送
时，TXD 引脚将出现高低电平。TXD 为低电平时，经U2A 倒相送到SP3485 的收发使能端（2、3
引脚）的是高电平，SP3485 处于发送状态，SP3485 的发送输入端DI（4 脚）的低电平将送到输出
端A、B，产生一个有效的RS485 的“0”输出；TXD 为高电平时，经U2A 倒相送到SP3485 的收
发使能端（2、3 引脚）的是低电平，SP3485 处于接收状态，SP3485 的输出端A、B，产生一个有效
的RS485 的“1”输出。从工作过程分析可以看出，这种接口设计可以节省SP3485 的收发使能控制，
简化接口的驱动软件。连接至引脚6(A)的上拉电阻R1、连接至引脚7(B)的下拉电阻R2 用于保证无
连接的SP3485 芯片处于空闲状态，提供网络失效保护，以提高RS485 节点与网络连接的可靠性。

5 MODBUS 现场总线协议
MODBUS 是MODICON 公司为该公司生产的PLC 设计的一种开放、标准的网络通信协议，该
协议支持传统的RS-232、RS-422、RS-485 和以太网设备，目前在工业控制领域获得了比较广泛的应
用。MODBUS 有两种传送方式，即RTU（Remote Terminal Unit）方式和ASCⅡ方式。硬件系统可
以选择设置ASCII 或RTU 两种传输模式中的任何一种在标准的MODBUS 网络中通信。使用RTU
模式，一个典型的发送消息帧如表1 所示：

表1 MODBUS 协议RTU 模式典型的发送消息帧

消息发送至少要以3.5 个字符时间的停顿间隔开始。传输的第一个字节是设备地址，网络设备
不断侦测网络总线，包括停顿间隔时间。当第一个字节接收到后，每个设备都进行解码以判断是否
发往自己的消息。在最后一个传输字符之后，一个至少3.5 个字符时间的停顿标定了消息的结束。
一个新的消息可在此停顿后开始。
整个消息帧必须作为一连续的流传输。如果在帧完成之前有超过1.5 个字符时间的停顿时间，
接收设备将刷新不完整的消息并假定下一字节是一个新消息的地址字节。同样地，如果一个新消息
在小于3.5 个字符时间内接着前个消息开始，接收的设备将认为它是前一消息的延续。这将导致一
个错误，因为在最后的CRC 字节的值不可能是正确的。对于被呼叫的远程终端设备，它的具体应答
格式如表2 所示：

表2 被呼叫的远程终端设备的应答格式

基于现场总线的控制器只使用了03 命令和06 命令。03 命令为读取保持寄存器，在一个或多个
保持寄存器中取得当前的二进制值，例如读取一个采集器的采集结果。06 命令是写单寄存器，即把
一个16 位二进制数装入一个保持寄存器。
主设备的03 命令发送格式如表3 所示，03 命令支持1 个至128 个数据的读取，返回的数据都
是整型字，每个占用两个字节。如果读取多个字节，那么一定是一组地址连续的数据，从设备03 命
令应答格式如表4 所示。

6 结论和创新点
本文介绍一种基于 C8051F021 片上系统的电容式变送器的设计方法，并对恒流充电法测量电容
量的原理进行了详细的分析。本文作者创新点：在传统的工业仪表中引入混合信号型片上系统
（SoC），大大简化了电容测量电路，提高了电容式变送器的可靠性和精度；增加了支持MODBUS
协议的RS485 现场总线通信，使得设计的电容式变送器在使用中能够灵活设置测量范围，并能够直
接用于现场总线型计算机测控系统（FCS）之中。
参考文献
[1] [美]Cygnal Integrated Products,Inc著.潘琢金，孙德龙，夏秀峰译. C8051F单片机应用分析[M].北京: 北京
航空航天大学出版社.2002
[2] 翟玉文,等编著.电子设计与实践[M].北京: 中国电力出版社.2005
[3] 郭拥武,程明霄,王敏杨,舒毅.智能仪表标准电流信号输出电路设计[J].微计算机信息,2005,12-2：300-301
[4] 江志道,等.现场总线及其对自动化仪表与系统的影响[J].自动化与仪表,1997
[5] 曹杰,等.现场总线控制系统及应用综述[J].山西电力技术,1999,8
[6] 郑辑光,陈瑞琦,张海林.现场总线控制系统中的无扰切换技术[J].化工自动化及仪表,2003,30