單片機(jī)C8051F020及其在儀器和儀表中的應(yīng)用

1、單片機(jī)C8051F020及其在儀器和儀表中的應(yīng)用    1引言    當(dāng)前，隨著科學(xué)技術(shù)及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平的不斷提高，對(duì)相應(yīng)的儀器儀表也提出越來(lái)越高的要求，因此，儀器儀表需擴(kuò)展大量的外圍功能部件來(lái)滿足儀器儀表復(fù)雜性、高性能及智能化的要求，這種方法雖然滿足了儀器的復(fù)雜性要求，但隨之而來(lái)的問(wèn)題是由于系統(tǒng)擴(kuò)展的過(guò)于復(fù)雜而造成系統(tǒng)可靠性降低，故障率增加，查找故障困難，從而失去了智能化儀器儀表的優(yōu)勢(shì)，如果能夠?qū)⒐δ軓?fù)雜的眾多外圍功能部件全部或大部分集成到系統(tǒng)所使用的單片機(jī)內(nèi)部，則可大大提高儀器儀表系統(tǒng)的可靠性，同時(shí)又使系統(tǒng)的成本得以降低

2、，還可利用單片機(jī)片內(nèi)資源在不增加硬件成本的情況下增強(qiáng)儀器的性能，因而該方案是提高儀器儀表可靠性及性能的行之有效的方法，而美國(guó)Cygnal公司的C8051F020單片機(jī)便是1款可滿足復(fù)雜高性能儀器儀表要求的單片機(jī)。    C8051F020單片機(jī)是集成在1塊芯片上的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)單片機(jī)，具有與MCS51內(nèi)核及指令完全兼容的微控制器。除了具有標(biāo)準(zhǔn)8051機(jī)的數(shù)字外設(shè)部件外，片內(nèi)還集成了數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)中常用的模擬部件和其它數(shù)字外設(shè)及功能部件，主要包括模擬多路選擇器、可編程增益放大器、ADC、DAC、電壓比較器、電壓基準(zhǔn)、溫度傳感器、SMBus/I2C、UART、SP

3、I、可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列、定時(shí)器、I/O端口、電源監(jiān)視器、看門狗定時(shí)器和時(shí)鐘振蕩器等，且該單片機(jī)內(nèi)部具有JTAG和調(diào)試電路，通過(guò)JATG接口可以使用安裝在最終應(yīng)用系統(tǒng)產(chǎn)品上的單片機(jī)進(jìn)行非侵入、全速及在系統(tǒng)調(diào)試。2功能與特點(diǎn)（1）25MIPS高速流水線式與8051機(jī)完全兼容的CIP-51內(nèi)核。（2）真正12位100KBps、8通道帶可編程增益放大器的ADC。（3）真正8位500KBps，帶可編程增益放大器的ADC。（4）5個(gè)16位通用定時(shí)器。（5）具有5個(gè)捕捉/比較模塊的可編程計(jì)數(shù)/定時(shí)器陣列。（6）內(nèi)部電壓基準(zhǔn)。（7）內(nèi)置溫度傳感器（±3）。（8）片內(nèi)看門狗定時(shí)器，時(shí)鐘源及VDD

4、監(jiān)視器。（9）64個(gè)通用數(shù)字I/O端口。（10）具有I2C/SMBUSSPI及兩路UART、串行接口。（11）64KB系統(tǒng)可編程FLASH存儲(chǔ)器。（12）4352（4096256）Byte片內(nèi)RAM。（13）64KB地址的外部存儲(chǔ)器接口。（14）內(nèi)部FLASH存儲(chǔ)器可實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)編程，即可作程序存儲(chǔ)器也可作非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。（15）工作電壓為2.7V3.6V，典型值為3V，I/O、RST、JTAG引腳均允許5V輸入電壓。（16）全系列工業(yè)級(jí)電路（4585）。（17）片內(nèi)JTAG仿真電路，提供全速的電路內(nèi)仿真，不占用片內(nèi)用戶資源，支持?jǐn)帱c(diǎn)、單步、觀察點(diǎn)、運(yùn)行和停止等調(diào)試命令、支持存儲(chǔ)器和寄存器校

5、驗(yàn)和修改。3內(nèi)部功能部件    C8051F020CPU的主要特點(diǎn)如下：（1）與標(biāo)準(zhǔn)8051機(jī)完全兼容，支持標(biāo)準(zhǔn)的ASM51、KeilC高級(jí)語(yǔ)言；（2）具有高速指令處理能力，機(jī)器周期由MCS51標(biāo)準(zhǔn)的12個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期降為1個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，且70的指令時(shí)間為12個(gè)機(jī)器周期，指令處理能力大大提高；（3）增加了中斷源，由MCS-51標(biāo)準(zhǔn)7個(gè)中斷源增加至22個(gè)中斷源；（4）增加了復(fù)位源,標(biāo)準(zhǔn)的MCS51只有外部引腳復(fù)位，而C8051F020增加了7種復(fù)位源，使系統(tǒng)可靠性大大提高；（5）增加了內(nèi)部能獨(dú)立工作的時(shí)鐘源。    C8051F020

6、具有標(biāo)準(zhǔn)8051機(jī)的程序和數(shù)據(jù)地址配置，包括256字節(jié)的RAM，其中高128字節(jié)為2個(gè)地址空間，用間接尋址訪問(wèn)的高128字節(jié)和用直接尋址訪問(wèn)的SFR地址空間，低128字節(jié)用戶可用直接或間接尋址方式訪問(wèn)，此外，C8051F020還具有位于外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址空間的4KB的RAM和外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器接口（EMIF），這個(gè)4KB的RAM可以只映射到片內(nèi)也可以映射到64KB外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址空間，還可同時(shí)映射到片內(nèi)和片外（4KB地址以內(nèi)在片內(nèi)存儲(chǔ)器空間訪問(wèn)，4KB以上經(jīng)過(guò)EMIF訪問(wèn)）。外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器接口用于訪問(wèn)最多64KB的外部擴(kuò)展RAM。    C8051F020的程序存儲(chǔ)

7、器包含64KB的FLASH，該存儲(chǔ)器以512B為1個(gè)扇區(qū)，可以在系統(tǒng)編程，且無(wú)需在片外提供編程電壓，該程序存儲(chǔ)器未用到的扇區(qū)均可由用戶按扇區(qū)作為非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器使用。    C8051F020單片機(jī)除具有標(biāo)準(zhǔn)的8051機(jī)端口P0P3外，還具有附加的4個(gè)8位I/O口。這樣，I/O口總數(shù)可達(dá)64個(gè)，每個(gè)端口I/O引腳都可設(shè)置為推挽或開漏輸出。最為獨(dú)特的功能是引入了數(shù)字交叉開關(guān)，它可將內(nèi)部數(shù)字系統(tǒng)資源分配給P0、P1、P2和P3端口的I/O引腳，并可將片內(nèi)計(jì)數(shù)器/定時(shí)器、串行總線、中斷源、A/D轉(zhuǎn)換輸入、比較器輸出以及微控制器的其它數(shù)字信號(hào)配置為在上述I/O引腳輸出，

8、這就允許用戶根據(jù)自己的特定應(yīng)用選擇通用I/O和所需數(shù)字資源的組合。    除了內(nèi)部提供5個(gè)16位的通用定時(shí)/計(jì)數(shù)器外，C8051F020還提供1個(gè)片內(nèi)編程的計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列（PCA），PCA包括1個(gè)專用的16位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器，5個(gè)可編程的捕捉比較模塊，時(shí)間基準(zhǔn)可以是下面的6個(gè)時(shí)鐘源之一：系統(tǒng)時(shí)鐘/12；系統(tǒng)時(shí)鐘/4；定時(shí)器0溢出；外部時(shí)鐘輸入；系統(tǒng)時(shí)鐘和外部振蕩頻率/8。每個(gè)捕捉模塊都有6種工作方式：邊沿觸發(fā)捕捉、軟件定時(shí)器、高速輸出、8位脈沖寬度調(diào)制器，頻率輸出、16位脈沖寬度調(diào)制器。    C8051F020內(nèi)部具有2個(gè)全雙工U

9、ART、SMBUS/I2C總線和SPI總線，每種串行總線都完全用硬件實(shí)現(xiàn)，都能向CIP51產(chǎn)生中斷，這些串行總線不共享定時(shí)器、中斷或I/O端口，所以允許用戶全部同時(shí)使用。    C8051F020內(nèi)部有2個(gè)ADC子系統(tǒng)。3.6.1  12位A/D轉(zhuǎn)換器ADC0    該轉(zhuǎn)換器由逐次逼近型ADC、多通道模擬輸入選擇器和可編程增益放大器組成，ADC工作在100KBPS的最大采樣速率時(shí)可提供真正的12位精度，ADC0的8個(gè)外部輸入通道都可被配置為兩個(gè)單端輸入或1個(gè)差分輸入，ADC0的第9個(gè)輸入通道為內(nèi)部溫度傳感器，同時(shí)內(nèi)部提供1個(gè)

10、2.34V基準(zhǔn)電壓，可編程增益放大器的增益可用軟件設(shè)置，從0.516以2的整數(shù)次冪遞增，允許用軟件事件、硬件信號(hào)觸發(fā)轉(zhuǎn)換或進(jìn)行連續(xù)轉(zhuǎn)換。3.6.2  8位A/D轉(zhuǎn)換器ADC1    除了12位的ADC子系統(tǒng)ADC0外，C8051F020還有1個(gè)8位ADC子系統(tǒng)，即ADC1，它有1個(gè)8通道輸入多路選擇器和可編程增益放大器，該ADC工作在500KBps的最大采樣率時(shí)可提供真正的8位精度，ADC的基準(zhǔn)電壓可在電源電壓引腳（AV）和外部VREF引腳之間選擇，ADC1的可編程增益放大器的增益可被編程為0.5、1、2或4，ADC1也有靈活的轉(zhuǎn)換控制機(jī)制，允許用軟件命

11、令，定時(shí)器溢出或外部信號(hào)輸入啟動(dòng)ADC1轉(zhuǎn)換，用軟件可以使ADC1與ADC0同步轉(zhuǎn)換。    C8051F020內(nèi)部有2個(gè)12位電壓DAC，每個(gè)DAC的輸出擺幅均為0VVREF1LSB，CPU可通過(guò)SFRS控制數(shù)模轉(zhuǎn)換和比較器，CPU可將任何1個(gè)DAC置于低功耗關(guān)斷方式，DAC為電壓輸出模式，與ADC共用參考電壓，允許用軟件命令和定時(shí)器2、定時(shí)器3及定時(shí)器4的溢出信號(hào)更新DAC的輸出。    C8051F020片內(nèi)具有JTAG接口和邏輯，為生產(chǎn)和在系統(tǒng)測(cè)試FLASH存儲(chǔ)器的讀和寫操作，以及非侵入式在電路調(diào)試提供邊界掃描功能，片內(nèi)接口完

12、全符合IEEE1149.1規(guī)范。4 C8051F020單片機(jī)在儀器儀表中的應(yīng)用    C8051F020是1種集成了眾多功能部件、功能強(qiáng)大的單片機(jī)，適合于要求硬件功能強(qiáng)大，運(yùn)算速度快，工作環(huán)境惡劣，可靠性高，擴(kuò)展功能強(qiáng)及低功耗的應(yīng)用系統(tǒng)。下面以1個(gè)實(shí)際的儀器儀表系統(tǒng)即電子配料秤為例給出C8051F020在儀器儀表中的具體應(yīng)用方法。電子配料秤是1種廣泛應(yīng)用于食品加工、飼料、添加劑、農(nóng)藥、化工、冶金等行業(yè)中的配料稱重儀器。對(duì)電子配料秤的主要要求是具有高速、高精度、高可靠性及高穩(wěn)定性，而且在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中需要?jiǎng)討B(tài)連續(xù)或間歇性動(dòng)態(tài)連續(xù)運(yùn)行，稱重配料系統(tǒng)均以單片機(jī)為核心，其

13、硬件電路框圖如圖1所示。圖1    電子配料秤的硬件電路框圖    圖1所示的電子配料秤雖然基本能滿足生產(chǎn)的需要，但是由于系統(tǒng)擴(kuò)展的外圍功能器件較多，造成系統(tǒng)的電路復(fù)雜，故障率高，調(diào)試?yán)щy，編程復(fù)雜。經(jīng)反復(fù)分析論證，我們以C8051F020為核心重新設(shè)計(jì)了電子配料秤，如圖2所示。圖2    以C8051F020為核心的電子配料硬件框圖    使用C8051F020可使系統(tǒng)擴(kuò)展的外圍電路及接口電路數(shù)量大大減少，提高了系統(tǒng)的可靠性及穩(wěn)定性，同時(shí)為系統(tǒng)的功能擴(kuò)展及軟硬件升級(jí)提供了方

14、便。系統(tǒng)中利用了C8051F020的以下資源以簡(jiǎn)化原電路設(shè)計(jì)。    （1）可編程增益放大器PGA    電子配料秤將被測(cè)物體的重量通過(guò)拉或壓等形式將重量傳遞給稱重傳感器，稱重傳感器通常采用電阻應(yīng)變橋式，其輸出電壓擺幅均為0V數(shù)百mV，故需將此信號(hào)放大后才能提供給A/D轉(zhuǎn)換器，可編程增益放大器的增益可根據(jù)稱重傳感器的滿量程值和A/D轉(zhuǎn)換器的參考電壓值設(shè)置。    （2）A/D轉(zhuǎn)換器    C8051F020單片機(jī)具有12Bit分辨率的ADC和10Bit分辨率的ADC，這里使用

15、12Bit分辨率的ADC，12Bit分辨率ADC的采樣速率高達(dá)100KBps，利用C8051F020片內(nèi)的ADC，一方面簡(jiǎn)化了原外圍擴(kuò)展的ADC，另一方面，其12Bit的精度和100KBps的采樣速率使得本系統(tǒng)的測(cè)量精度和測(cè)量實(shí)時(shí)性大為提高，滿足了本系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)精度要求和實(shí)時(shí)性要求，從而使本系統(tǒng)的前向通道更加穩(wěn)定。    （3）程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器    C8051F020單片機(jī)片內(nèi)具有64KByte的大容量FLASH程序存儲(chǔ)器和4305Byte的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。這樣可以滿足電子配料秤存儲(chǔ)復(fù)雜算法程序及大量數(shù)據(jù)的要求，同時(shí)為系統(tǒng)的軟件升級(jí)預(yù)留了

16、足夠的空間，且簡(jiǎn)化了原外擴(kuò)的程序及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。由于C8051F020支持在系統(tǒng)編程使得本系統(tǒng)的軟件升級(jí)極為方便。    （4）具有豐富的可編程數(shù)字I/O資源本系統(tǒng)無(wú)須進(jìn)行任何的外部I/O擴(kuò)展即能滿足本系統(tǒng)對(duì)I/O的需求，同時(shí)可使系統(tǒng)的人機(jī)通道和輸入/輸出開關(guān)量與CPU的聯(lián)系更加通暢，而片內(nèi)的12BitDAC更加完善了本系統(tǒng)的后向通道。    （5）具有豐富的軟件資源為本系統(tǒng)使用C51等高級(jí)語(yǔ)言編程創(chuàng)造了良好的環(huán)境，高級(jí)語(yǔ)言編程環(huán)境可使本系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)真正的模塊化，也可使各種編程算法變得簡(jiǎn)單容易，同時(shí)也更加完善，因而大大改善了本系統(tǒng)的軟件升級(jí)能力。    （6）在線調(diào)試    由于片內(nèi)具有JTAG和調(diào)試電路，通過(guò)JTAG可在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)電子配料秤進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，因而便于解決生產(chǎn)中遇到的各種實(shí)際問(wèn)題。    （7）串行通信    C8051F020提供了UART、I2C、SPI等多種串行總線，故允許以多種方