会昌单片机的综合实验教学系统设计与开发.docx

会昌单片机的综合实验教学系统设计与开发.docx

《会昌单片机的综合实验教学系统设计与开发.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《会昌单片机的综合实验教学系统设计与开发.docx（46页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

会昌单片机的综合实验教学系统设计与开发

理工学院

本科生毕业设计（论文）

（二号、黑体、居中）

学院（系）：

电子与电气工程系

专业：

电气工程及其自动化

学生：

张会昌

指导教师：

张凤蕊

（四号、黑体、居中）

完成日期2010年5月

（四号、黑体、居中）

本页面为内封格式。

理工理工学院本科生毕业设计（论文）

（四号、宋体、居中）

基于C8051F020单片机的综合实验教学系统设计与开发

——实验开发板硬件电路设计

C8051F020MCU-basedIntegratedDesignandDevelopmentofExperimentalTeachingSystem——Experimentaldevelopmentboardhardwarecircuitdesign

（TimesNewRoman16）

左侧空白栏目按实际情况填写。

总计：

毕业设计（论文）页

表格：

个

插图：

幅

（五号、宋体）

基于C8051F020单片机的综合实验教学系统设计与开发

——实验开发板硬件电路设计

电气工程及其自动化专业张会昌

【摘要】本文探讨了一种使用以C8051F020为代表的片上系统（SOC）单片机为核心的单片机实验系统设计，该系统可以实现专业基础课、专业课（单片机原理与应用，接121技术等）、课程设计和毕业设计的实验，进而提高学生的实验能力和动手能力，提高教师授课质量。

本系统具有两大主要功能：

（1）提供两种操作平台，既可独立工作，也可与PC机联机工作。

（2）适用于《单片机原理与应用》、《单片机接口技术》等课程教学。

全文针对实验系统各部分的功能特点，在控制器芯片选型、硬件电路设计方面进行了详细的阐述，此外还论述了C8051F020单片机的集成开发环境。

阐述围绕三部分进行：

首先，对该实验系统的结构和美国德州Cygnal公司的C8051F020芯片作了总体的介绍；其次，详细介绍了在硬件方面所做的工作，硬件上主要完成了各功能模块的分析与设计，并利用Protel99SE软件绘制出了系统电路原理图，在电路板的布局、布线过程中，采用了一系列有关硬件抗干扰的技术，最终制作出了符合设计要求的PCB板.

【关键词】SOC单片机；DXP2004；电路设计；抗干扰

C8051F020MCU-basedIntegratedDesignandDevelopmentofExperimentalTeachingSystem——Experimentaldevelopmentboardhardwarecircuitdesign

ElectricalEngineeringandAutomationSpecialtyZHANGHui—chang

ABSTRACT:

ThisarticlewanttoarguehowtodevelopthesinglechipmicrocomputertestchestbasedonSOCsinglechipmicrocomputerrepresentingwithC8051F020，thisnewtestchestisaimedattheprofessionbasicclasses,theprofessionclasses（singlechipmicrocomputerprinciplesandapply,interfacetechnologyetc．），classdesignationandgraduatingdesignation，atthesametime，itwillimprovestudent’Sexperimentpracticalcapability,operatingabilityandtheteacher’Squalityofgivinglessons．

ThenewexperimentsystemonSOCsinglechipmicrocomputerhastwomainlyfunctions：

（1）Itofferstwooperatingplatforms，canindependentlywork,alsocanworkconnectingwithPC．

（2）Itadaptstotheteachingoftheclasses：

theprincipleandinterfaceofsinglechipmicrocomputer,theinterfacetecolonogyofsinglechipmicrocomputer．

Thisarticlesetforthineverydetailandparticularabouthowtoselecttypesofcontrollerchipandhowtodesignthecircuitofhardware，inadditionelaboratetheintegrateddevelopmentenvironmentofC8051F020singlechipmicrocomputer．Theelaborationincludethreeparts：

firstly,generalintroducethestructureofexperimentsystemandtheC8051F020chipoftheCygualcompanyinAmericanDecssarcestatesecondly,giveadetailintroductionfromthehardware．Atthehardware，thearticlemainlyfinishtheananlysis．anddesignationgofeveryfunctionalmodel，andusetheDXP2004todrawthediagramofsystemcircuitprinciple，intheprocessofmakethecircuitboard，weadoptaseriesoftechlonogyabouthardwareinterdisturb，lastmakeaPCBboardadaptingtoourdesignationdemand；

Keywords：

SOC；Protel99SE；electricdesign；interdisturbe

1引言

1.1单片机的发展历程及SOC单片机的出现

单片机诞生于20世纪70年代末，经历了SCM、MCU、SOC三大阶段。

1、SCM即单片微型计算机（SingleChipMicrocomputer）阶段，主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统体系结构。

“创新模式”获得成功，奠定了SCM与通用计算机完全不同的发展道路。

在开创嵌入式系统独立发展道路上，Intel公司功不可没。

2、MCU即微控制器（MicroControllerUnit）阶段，主要的技术发展方向是：

不断扩展满足嵌入式应用时对象系统所要求的各种外围电路与接口电路，突显其对象的智能化控制能力。

它所涉及的领域都与对象系统相关，因此，发展MCU的重任不可避免地落在电气、电子技术厂家。

从这一角度来看，Intel逐渐淡出MCU的发展也有其客观因素。

在发展MCU方面，最著名的厂家当数Philips公司。

Philips公司以其在嵌入式应用方面的巨大优势，将MCS．51从单片微型计算机迅速发展到微控制器。

因此，当我们回顾嵌入式系统发展道路时。

不要忘Intel和Philips的历史功绩。

3、单片机是嵌入式系统的独立发展道路，向MCU阶段发展的重要因素，就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决，因此，专用单片机的发展自然形成了SOC化趋势。

随着微电子技术、IC设计、EDA工具的发展，基于SOC的单片机应用系统设计有了较大的发展。

随着单片机的发展，出现了很多高速、高性能的新型单片机，被广大工程界所熟悉的80C51系列单片机面临被淘汰的局面，为此，生产80C51系列单片机的厂商都在对其内核进行改造，其中美国Sygnal公司推出的C8051系列单片机把80C51系列单片机从微控制器（MCU）时代推向片上系统（SOC）时代，使得以8051为内核的单片机上了一个新台阶。

SOC即SystemonChip的缩写，是把计算机常用的一些数字和模拟外设等全部都作在一块芯片上，使它成为一个完整的模拟数据采集与控制系统。

C8051Fxxx系列单片机是一种高度集成的SOC型芯片，具有与8051单片机兼容的微控制器内核，与MCS--51指令系统完全兼容。

除具有标准8051的数字外设作部件外，片内还具有数据采集和控制系统中常用的模拟部件及其他数字外设部件。

该单片机中增加的外设或功能部件包括：

模拟多路选择器、可编程增益放大器、ADC、DAC、电压比较器、电压基准、温度传感器、SMBus/12C、增强型UART、SPI、可编程计数器／定时器阵列（PCA）、电源监视器、看门狗定时器（WDT）和时钟振荡器等。

所有部件都有内置的FLASH程序存储器（简称闪存）和256B的内部RAM，有些器件内部还有位于外部数据存储空间的RAM，即XRAM。

由于C8051F系列单片机既能处理数字信号也能处理模拟信号，所以称它为混合信号系统级芯片或片上单片机系统。

C8051Fxxx系列单片机包含如下型号：

C8051F00x单片机、C8051F01x单片机、C8051F02x单片机、CS051F2xx单片机。

SOC新型单片机实验系统采用C8051F020单片机，所以在以下的3．2节中专门介绍C8051F020单片机。

1.2单片机国内的发展现状及趋势

由于单片机在工业控制领域内的广泛应用，目前单片机这门课程在各大院校都有开设。

因此单片机实验箱是目前各大、中专及本科院校电子信息类、电气工程类和计算机类专业必需的实验设备，然而，在目前国内众多厂家提供的各种型号的实验箱中，主要是基于MCS51/96/8088（属于SCM）等CPU的实验系统，即使有基于其它工业用MPU的实验系统，也不大适合高校基础教学的需要。

SOC是目前单片机发展的最新方向，高校计算机专业应该适应新形势下对实验设备快速性、及时性、准确性的要求，需要开发出一套基于SOC单片机的实验系统，以此调整目前高校所具有的基于SCM（主要是基于MCS51/96/8088）的单片机实验设备。

本论文探讨如何开发出基于目前在国内、外属于先进行列的C8051Fxxx系列SOC单片机的新型实验系统。

2SOC新型实验系统的总体设计

2.1系统的总体规划

本实验系统中提供给用户一些基本的单片机软、硬件实验。

1.电压采样实验（AD）

2.CPLD配置实验（CPLD）

3.DA函数波形输出实验（DA）

4.键盘操作和数码管显示实验（Key）

5.Flash读汉字实验（Flash）

6.IO实验（IO）

7.LCD显示实验（LCD）

8.时钟显示实验（IIC（RTC））

9.RS232和RS-422通讯（232-422）

10.PWM实验（PWM）

11.USB-Device通讯实验（USB）

12.TCP/IP网络通讯实验（LAN／TCPIP）

2.2系统中有关功能模块的简单介绍

本论文实际完成了12个功能模块硬件设计和软件编程的全部任务，现在先简单地介绍一下各功能模块的情况，而硬件的具体设计与实现，将在第4章中详细地介绍。

12个功能模块分别是：

C0851F020核心板、存储器模块、CPLD模块、电源模块、输入输出模块、LCD显示模块、键盘和数码管显示模块、实时时钟模块、A/D和D/A采集模块、以态网通讯模块、USB从模式通讯模块、其他通讯模块。

各模块的主要功能如下：

1．C8051F020核心板：

本模块对C8051F020单片机的端口资源进行了分配，并且配置了JTAG接口以供单片机在线调试使用。

2．存储器模块：

系统外扩了512kB的FLASH和32kB的FRAM，其中512kB的FLASH主要用于存储标准一、二级汉字库，以满足实验对汉字显示的需要；32kB的FRAM为铁电RAM，它不仅可以作为普通RAM使用，还能作为FLASH用于存储一些重要数据。

3．CPLD模块：

系统通过CPLD配置各功能模块的使用，因此，用户不仅可以进行单片机的相关实验，还能进行CPLD的编程实验。

ALTERA公司的EPM3064拥有66个IO，完全满足系统对编码和译码的要求，CPLD大大简化了系统的硬件电路。

。

4．电源模块：

由DC9V2A电源适配器引入+9V电源，经由LM1805V3.3、LM1805V5、LM3491等集成稳压芯片转换成系统需要的+5V、+3.3V电平。

5．输入输出模块：

单片机实验系统具有强大的输入输出功能。

经达林顿驱动的16个输出口，每路可直接驱动50mA/50V的负载，无需外接驱动便能控制小型步进电机。

16路输入口与系统之间具有光电隔离保护电路，避免因输入电流过大而损坏其他电路。

6．LCD显示模块：

单片机实验系统设计了240*128的点阵液晶显示器接口，可以显示图形，字符和中文。

用户可灵活选择LCD显示屏，即可自配也可选用选配的240*128蓝底白字的LCD显示屏。

。

7.键盘和数码管显示模块：

单片机实验系统载有专用数码管和键盘控制芯片—BC7281，该芯片采用双线控制，有效节省了单片机IO资源。

8位7段数码管和4*4键盘作为人机交互设备完全能满足大多数单片机实验要求。

8.实时时钟模块：

设置本模块是为了让用户通过相关实验了解日历钟芯PCF8563的工作原理，掌握单片机与日历钟芯片的扩展、编程。

9.A/D和D/A采集模块：

单片机实验系统共有8路12位ADC和2路DAC转换器，其中ADC的采样率达到100kbps，两个12位DAC，可用定时器触发同步输出，用于产生无抖动波形。

10.以太网通讯模块：

单片机实验系统在功能上最大的特点是具有10M/100M的以太网接口，通过在C8051F中移植小型TCP/IP协议，便能实现基本的网络通讯。

11.USB从模式通讯模块：

单片机实验系统的USB从模式接口采用CH372芯片，它已集成了符合USB1.1标准的固件。

操作时，无需用户了解USB通讯的复杂协议和程序，而只需若干句语句即能实现USB1.1的从模式通讯。

12.其它通讯模块：

单片机实验系统还具有很多常规通讯接口，包括：

UART通讯接口、SPI通讯接口、485通讯接口等。

以上简单地介绍了各功能模块，这些模块是整个实验系统的主体结构，也就是我毕业论文的主体部分，当然，还有一些辅助模块的设计。

以下几章将对本系统所包括的每一模块，从硬件方面给予详细的介绍。

3SOC单片机——C8051F020

3.1C8051FXXX系列SOC单片机简介

CS051Fxxx系列单片机包含如下型号；C8051F00x单片机、C8051F01x单片机、C8051F02x单片机、CS051F2xx单片机。

《SOC新型单片机实验系统设计》采用C8051F020单片机，以下着重介绍C8051F020单片机。

3.1.1C8051FXXX系列SOC单片机的组成

C8051Fxxx系列单片机的主要组成及功能如下：

（1）CIP．51微控制器内核

C8051F单片机是完全集成的混合信号系统级芯片（SOC），具有与8051兼容的高速ClP.51内核，与MCS.51指令集完全兼容，片内集成了数据采集和控制系统中常用的模拟、数字外设及其他功能部件；内置FLASH程序存储器、内部RAM，大部分器件内部还有位于外部数据存储器空闻的RAM，即XRAM。

C8051F单片机具有片内调试电路，通过4脚的JTAG接口可以进行非侵入式、全速的在系统调试。

C8051Fxxx系列单片机采用Intel公司的专利CIP-51微控制器内核。

C1P-51内核具有标准8052的所有外部设备，包括3个16位的计数／定时器、1个全双工UART、256B内部RAM空间、128B特殊功能寄存器（SFR）地址空间及4个8位的I/O端口。

C8051Fxxx系列的MCU与标准的8051相比，在CPU内核的内部和外部有几项关键性的改进，提高了整体性能，更易于应用。

（2）中断系统

扩展的中断系统可响应22个中断源（标准8051只有5个中断源）的中断，在设计多任务实时系统时，这些增加的中断源大大增加了单片机对外界复杂、多变情况的反应能力。

（3）存储器

C8051F系列单片机具有标准的8052的程序和数据地址配置。

包括256B的核内数据RAM，某些单片机中还有位于外部数据存储器地址空间的1KB-4KB的RAM存储区。

C8051F02x单片机中还有可用于访问外部数据存储器的外部存储器接口（EMIF）。

外部数据存储器地址空间包括：

片内数据存储器和片外数据存储器，或两者的组合，其中4KB以下的地址指向片内，4KB以上的地址指向EMIF。

EMIF可以被配置为地址／数据线复用方式或非复用方式。

C8051F的程序存储器为8KB一128KB（不同型号容量不同）的FLASH存储器，称为闪存。

该存储器以512B作为一个扇区，可以在系统编程，且无需在片外提供编程电压．

（4）模数和数模转张块

大部分C8051Fxxx单片机内部都有A/D转换模块，它们由逐次逼近型ADC、多通道模拟输入选择器和可编程增益放大器组成。

不同型号单片机的转换位数、转换速度和输入通道数不完全相同。

采样速率有100Ksps、200Ksps、500Ksps和1MkSps几种。

转换位数有8位、10位、12位、16位和24位几种。

外部输入通道数有2路、8路、16路和32路几种，可被配置为单端输入或差分输入。

所有A／D转换模块内部都配了可以用软件改变放大倍数的可编程增益放大器。

部分C8051Fxxx型号的单片机内部有两个12位数模转换器，MCU可以将任何一个DAC置于低功耗关断方式。

有灵活的输出更新机制，允许用软件命令和定时器2、定时器3及其定时器4的溢出信号更新DAC的输出。

（5）并行接口

C8051Fxxx系列单片机的并行接口（即是一般单片机的通用I/O端口）的引脚数量随单片机型号的不同而不同。

这些加端口的部分引脚可以通过软件配置成不同的特殊功能。

（6）串行接口

C8051Fxxx系列MCU除了具有全双工UART串口之外，还增加了SPI总线和SMBus/I2C总线。

每种串行总线口能向CIP-51发出中断申请，因此很少需要CPU的干预。

这些串行总线不“共享”定时器、中断或端口I/O，所以可以使用任何一个或全部同时使用。

C8051F系列MCU内部还有2个UART，这是增强型的全双工UART，具有硬件地址识别和错误检测功能，还有少数型号的单片机配置了USB和CAN串行接口。

（7）定时器和可编程计数器阵列

在C8051Fxxx系列单片机中都具有2～4个通用计数器/定时器，有些型号还具有一个片内可编程计数器/定时器阵列PCA。

PCA包括1个专用的16位计数器/定时器时间基准和5个可编程的捕捉比较模块。

时间基准的时钟可以选择6种时钟源。

每个捕捉/比较模块都有4种或6种工作方式：

边沿触发捕捉、软件定时器、高速输出、8位脉冲宽度调制器、频率输出、16位脉冲宽度调制器。

3.1.2C8051Fxxx系列SOC单片机的特点

C8051FXXX单片机除具有一般单片机的共同特点艺外，它与80C51系列单片机的主要相同点是其内核与8051基本相同，指令系统完全一样。

此外，还具有很多显著的优点和特点，因而能在近几年内得到快速发展。

它们的主要优点和特点如下：

（1）指令运行速度高

由于C8051Fxxx系列单片机采用流水线机构，废除了机器周期的概念，指令以时钟周期为运行单位，由标准的12个系统时钟周期降到1个时钟周期，处理能力大大提高，一般型号单片机的峰值速度可达到25兆/秒（MIPS），在相同的时钟下，指令运算速度比一般的80C51系列单片机提高大约10倍。

70％的指令执行时问为1个或2个系统时钟周期，只有4条指令的执行时间大于4个系统时钟周期。

（2）I/O端口功能采用软件配置实现

多数单片机的FO端口都是某个单功能或多功能的固定输入输出引脚，而在C8051Fxxx系列单片机中，虽然耽I端口的通用基本输入、输出特性与标准8051是兼容的，但I/O端口的其他特殊功能则是由软件配置实现的，这样极大地提高了端口配置的灵活性。

用软件配置的方法是引入了功能选择开关（也称交叉开关）。

这是一个数字开关网络，允许将内部数字系统资源分配给端口I/O引脚，这种结构可支持所有的功能组合，可通过设置交叉开关寄存器，将片内的计数器/定时器、串行接口总线等数字信号配置到I/0引脚。

用户可以根据需要选择通道和所需的数字资源组合。

每个端口引脚都可以被配置为推挽或漏极开路输出，内部“弱上拉”可以通过软件设置禁止，这样可以进一步降低功耗。

（3）时钟系统更加完美

C8051Fxxx系列单片机可以采用多种时钟源。

MCU内部有一个能独立工作的时钟发生器，在复位后被默认为系统时钟，其时钟振荡频率是可编程的，还可同时选择外部时钟源产生的时钟。

外部振荡器可以使用晶体、陶瓷谐振器、电容、RC或外部时钟源产生系统时钟，并可实时切换。

（4）可实现通过JTAG接口的在系统调试

C8051FXxx系列8位单片机中首先配置了片内JTAG接口和调试电路，完全符合IEEEll49．1标准，可为生产和测试提供完全的边界扫描功能，可以实现对器件所有引脚及相应引线的控制和观察。

JTAG接口使8位单片机传统的仿真调试产生质的变化（标准的MCU仿真器要使用在板仿真芯片和目标电缆，还需要在应用板上有MCU的插座，而C8051F系列具有片内JTAG和调试电路，通过4脚JTAG接口TCK、TMS、TDI、TDO并使用安装在最终应用系统中的器件就可以进行非侵入式、全速的在系统调试，不需要额外的目标RAM、程序存储器和寄存器），在PC机软件的支持下，通过片内JTAG接口可直接对安装在最终应用系统上的产品MCU进行非侵入式（不占用片内资源）、实时在系统仿真调试。

在调试时，所有的模拟和数字外设都可全功能运行。

（5）多种复位方式

传统的80C51系列单片机通常只有通过RST引脚进行复位这样一种复位方法，而C8051F系列提供了多达7个复位源：

1个VDD片内监视器、一个看门狗定时器、1个时钟失效监测器、1个由比较器0提供的电压监测器、1个软件强制复位、CNVSTR引脚及/RST引脚。

除了VDD监视器和复位输入引脚以外，每个复位源都可以用软件禁止。

多复位源提高了系统的安全性、灵活性，并有利于零功耗设计。

（6）进一步降低了系统功耗

C8051Fxxx单片机采用了可降低系统功耗的多种方法，例如，采用3V（电压范围2．7v-3．6V）供电，完善的时钟系统可在满足响应速度的要求下，使系统的平均时钟频率最低。

由于功耗与电压和频率成正比，因而可方便地降低功耗：

多种复位源可使系统在掉电方式下，方便、灵活地重新复位；片上外设都能单个关闭或全部关闭以节省功耗。

3.2C8051F020单片机

3.2.1C8051F020的主要特点

C8051F