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c8051f040单片机开发板设计

中北大学

毕业设计开题报告

学生姓名：

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专业：

设计题目：

C8051F040单片机学习板设计

指导教师:

年3月28日

毕业设计开题报告

1．结合毕业设计情况，根据所查阅的文献资料，撰写2000字左右的文献综述：

文献综述

一、课题研究的目的和意义

1、单片机

单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统[1]。

  二十世纪跨越了三个“电”的时代，即电气时代、电子时代和现已进入的电脑时代。

不过，这种电脑，通常是指个人计算机，简称PC机[2]。

它由主机、键盘、显示器等组成。

还有一类计算机，大多数人却不怎么熟悉。

这种计算机就是把智能赋予各种机械的单片机（亦称微控制器）[3]。

2、从CygnalC8051F看8位单片机发展之路　

在嵌入式系统低端的单片机领域，从8位单片机诞生至今，已近30年，在百花齐放的单片机家族中，80C51系列一直扮演着一个独特的角色。

Cygnal推出C8051F更令业界人士刮目相看。

回顾历史，在Intel公司推出了MCS-51不久便实施了最彻底的技术开放政策；在众多电器商、半导体商的积极参与下，将MCS-51发展成了众多型号系列的80C51MCU家族。

MCS-51经典的体系结构、极好的兼容性和Intel公司的开放政策不仅使众多厂家参与发展，也诱使半导体厂家对MCS-51实行为所欲为的改造。

由于MCS-51提供的最佳兼容性，使MCS-51在被"肢解"式改造后，还能以不变的指令系统、基本单元的兼容性保持着8051内核的生命延续，并在未来SoC发展中，担任8位CPU内核的重任。

回顾80C51系列从MCS-51、80C51到C8051F的过程，我们可以深刻领会到单片机发展的一些规律性东西[4]。

（1）嵌入式应用中的8位机现象  与从8位机迅速向16位、32位、64位过渡的通用计算机相比，8位单片机从20世纪70年代初期诞生至今，虽历经从单片微型计算机到微控制器、MCU和SoC的变迁，8位机始终是嵌入式低端应用的主要机型，而且在未来相当长的时间里，仍会保持这个势头。

这是因为嵌入式系统和通用计算机系统有完全不同的应用特性，从而走向完全不同的技术发展道路。

嵌入式系统嵌入到对象体系中，并在对象环境下运行。

与对象领域相关的操作主要是对外界物理参数进行采集、处理，对外界对象实现控制，并与操作者进行人机交互等。

而对象领域中的物理参数的采集与处理、外部对象的控制以及人机交互所要求的响应速度有限，而且不会随时间变化。

在8位单片机能基本满足其响应速度要求后，数据宽度不成为技术发展的主要矛盾。

因此8位单片机会稳定下来，其技术发展方向转为最大限度地满足对象的采集、控制、可靠性和低功耗等品质要求。

随着现代通信技术的发展，智能化系统对DSP需求的增长要求单片机相应提高运算速度。

当前8位单片机在不扩展数据总线的情况下，提高运行速度仍有潜力可挖。

例如，采用RISC结构实现并行流水线作业，CISC结构的C8051F采用CIP-8051结构，使单周期指令速度提高到原8051的12倍。

 鉴于嵌入式低端应用对象的有限响应要求、嵌入式系统低端应用的巨大市场以及8位机具有的速度潜力，可以预期在未来相当长的时间内，8位机仍然是嵌入式应用中的主流机型。

随着半导体技术的发展，8位单片机在CPU结构、CPU外围、功能外围、外围接口和集成开发环境方面都会迅速地发展；因此，可以说8位单片机虽然"古老"，但又会是一个十分活跃而新兴的嵌入式领域。

80C51系列从Intel公司的MCS-51发展到Cygnel公司的C8051F的过程充分地说明了这一点。

 28位单片机中的80C51现象 在8位单片机中，80C51系列形成了一道独特的风景线。

历史最长，长盛不衰，众星捧月，不断更新，形成了既具有经典性，又不乏生命力的一个单片机系列。

当前，Cygnal公司推出的C8051F又将8051兼容单片机推上了8位机的先进行列。

总结80C51系列的发展历史，可以看出单片机的3次技术飞跃[5]。

（2）Intel公司于1980年推出的MCS-51奠定了嵌入式应用的单片微型计算机的经典体系结构，但不久就放弃了进一步发展计划，并实施了8051的技术开放政策。

无论从主观因素还是客观因素，都是明智之举。

因为在创建一个完善的嵌入式计算机体系结构后，面临的是不断满足嵌入式对象要求的各种控制功能。

在8051实现开放后，PHILIPS公司作为全球著名的电器商以其在电子应用系统的优势，着力发展80C51的控制功能及外围单元。

将MCS-51的单片微型计算机迅速地推进到80C51的MCU时代，形成了可满足大量嵌入式应用的单片机系列产品[6]。

当前，嵌入式系统普遍采用FlashROM技术。

FlashROM的使用加速了单片机技术的发展。

基于FlashROM的ISP/IAP技术，极大地改变了单片机应用系统的结构模式以及开发和运行条件；而在单片机中最早实现FlashROM技术的是ATMEL公司的AT89Cxx系列。

MCS-51典型的体系结构以及极好的兼容性，对于MCU不断扩展的外围来说，形成了一个良好的嵌入式处理器内核的结构模式。

当前嵌入式系统应用进入SoC模式，从各个角度，以不同方式向SoC进军，形成了嵌入式系统应用热潮。

在这个技术潮流中，8051又扮演了嵌入式系统内核的重要角色。

在MCU向SoC过渡的数、模混合集成的过程中，ADI公司推出了ADμC8xx系列，而Cygnal公司则实现了向SoC的C8051F过渡；在PLD向SoC发展过程中，Triscend公司在可配置系统芯片CSoC的E5系列中便以8052作为处理器内核[7]。

　　我们习惯于将各厂家生产的与51兼容的形形色色的单片机系列称之为80C51系列。

它们都采用CMOS工艺，并与MCS-51兼容。

与MCS-51相比较，80C51已有很大发展。

然而，当前Cygnal公司发展的C8051F系列，在许多方面已超出当前8位单片机水平，有许多新的技术概念需要学习与更新。

迄今为止，MCS-51已成为8位机中运行最慢的系列。

为了提升速度，DALLAS公司和PHILIPS公司采用传统的改变总线速度的办法，将机器周期从12个缩短到4个和6个，速度提升有限。

Cygnal公司在提升8051速度上采取了新的途径，即设法在保持CISC结构及指令系统不变的情况下，对指令运行实行流水作业，推出了CIP-51的CPU模式。

在这种模式中，废除了机器周期的概念，指令以时钟周期为运行单位。

平均每个时钟可以执行完1条单周期指令，从而大大提高了指令运行速度。

即与8051相比，在相同时钟下单周期指令运行速度为原来的12倍；整个指令集平均运行速度为原来8051的9.5倍，使8051兼容机系列进入了8位高速单片机行列。

迄今为止，I/O端口大都是固定为某个特殊功能的输入/输出口，可以是单功能或多功能，I/O端口可编程选择为单向/双向以及上拉、开漏等。

固定方式的I/O端口，既占用引脚多，配置又不够灵活。

为此，Scenix公司在推出的8位SX单片机系列中，采取虚拟外设的方法将I/O的固定方式转变为软件设定方式。

而在Cygnal公司的C8051F中，则采用开关网络以硬件方式实现I/O端口的灵活配置，如图1所示。

在这种通过交叉开关配置的I/O端口系统中，单片机外部为通用I/O口，如P0口、P1口和P2口。

内有输入/输出的电路单元通过相应的配置寄存器控制的交叉开关配置到所选择的端口上[8]。

3、C8051F040单片机

Cygnal公司的51系列单片机C8051F040是集成在一块芯片上的混合信号系统级单片机，在一个芯片内集成了构成一个单片机数据采集或控制的智能节点所需要的几乎所有模拟和数字外设以及其他功能部件，代表了目前8位单片机控制系统的发展方向[9]。

随着微电子技术的飞速发展,CPU已经变成低成本器件。

在可能的情况下,各种机电设备已经或者正在嵌入CPU构成的嵌入式系统。

美国的Silabs公司推出的C8051F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的台阶[10]。

SOC即systemonchip的缩写,意思是把计算机常用的一些数字核模拟外设等全部做在一块芯片上,使它成为一个完整的模拟数据采集与控制系统。

4、C8051F040单片机主要特性

（1）高速流水线结构的8051兼容的CIP-51内核，最高25MIPS执行速度；

（2）全速非侵入式的系统调试接口（片内，JTAG接口）；

（3）真正12位C8051F040100ksps的13通道ADC带PGA可编程放大器增益：

16、8、4、2、1、0.5和模拟多路开关[11]；

（4）2个12位DAC转换器；

（5）高精度可编程的24.5MHz内部震荡器；

（6）64KB字节可在系统编程的FLASH存储器；

（7）4352（4096+256）字节的片内RAM；

（8）硬件实现的SPI，SMBus/IIC和2个UART串行接口；

（9）5个通用的16位定时器；

（10）具有6个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列；

（11）片内上电复位，看门狗定时器，3个电压比较器，VDD监视器和温度传感器；

（12）64个I/O端口；

（13）-40~85度工业级温度范围；

（14）2.7V~3.6V工作电压，TQFP100封装[12]；

二、研究现状

随着科技的不断进步，单片机技术也有新的发展方向。

计算机系统的发展已明显地朝三个方向发展；这三个方向就是：

巨型化，单片化，网络化[13]。

以解决复杂系统计算和高速数据处理的仍然是巨型机在起作用，故而，巨型机在目前在朝高速及处理能力的方向努力[7]。

单片机在出现时，Intel公司就给其单片机取名为嵌入式微控制器（embeddedmicrocontroller）。

单片机的最明显的优势，就是可以嵌入到各种仪器、设备中。

这一点是巨型机和网络不可能做到的[14]。

数字单片机的技术进步反映在内部结构、功率消耗、外部电压等级以及制造工艺上。

在这几方面，较为典型地说明了数字单片机的水平。

在目前，用户对单片机的需要越来越多，但是，要求也越来越高。

下面分别就这三个方面说明单片机的技术进步状况：

1、内部结构的进步2、功耗、封装及电源电压的进步3、工艺上的进步[8]。

单片机在目前的发展形势下，表现出几大趋势：

可靠性及应用越来越水平高和互联网连接已是一种明显的走向；所集成的部件越来越多；NS（美国国家半导体）公司的单片机已把语音、图象集成到单片机中，也就是说，单片机的意义只是在于单片集成电路，而不在于其功能了；如果从功能上讲它可以讲是万用机。

原因是其内部已集成上各种应用电路[15]。

功耗越来越低和模拟电路结合越来越多[16]。

随着半导体工艺技术的发展及系统设计水平的提高，单片机还会不断产生新的变

化和进步，最终人们可能发现：

单片机与微机系统之间的距离越来越小，甚至难以辨认[17]。

三、研究的组成和重点难点

首先通过查阅资料和阅读相关文章来了解C8051F040单片机的相关内容。

复习和巩固单片机的结构、程序、设计方法、I/O分配、线路连接方式等内容，分析和考虑本设计所需要的要求，以实现串口通信功能，IIC数据传输功能，SPI串行传输功能，点阵式液晶显示功能，AD/DA数据转换功能，矩阵键盘输入功能，电池和USB接口供电功能[13]。

最后，运用仿真软件ProtelDXP来实现这一系列控制的仿真，来验证设计方法和原理是否合理，结果是否正确[18]。

参考文献

[1]潘琢金.施国君C8051FXXX高速SOC单片机原理及应用2002

[2]郭天祥.新概念51单片机C语言教程，电子工业出版社，2009-01

[4]万福军.单片微机原理系统设计与应用.合肥：

中国科学技术大学出版社，2001

[5]毛谦敏.吴洪谭.单片机原理及应用系统设计.北京：

国防工业出版社，2005

[6]张有德.单片机原理及应用技术机械工业出版社，2004-01

[7]高海生.杨文涣.单片机应用技术大全.成都：

西南交通大学出版社，1996

[8]胡乾等.单片微型计算机的原理及应用.武汉:

华中科技大学出版社,1997

[9]张靖武.单片机系统的PROTEUS设计与仿真.电子工业出版社，2007-10

[10]李朝青.单片机原理及接口技术1998

[11]张俊馍.SoC单片机原理与应用-基于C8051F系列2007

[12]李朝青.单片机原理及接口技术.第二版.北京：

北京航空航天大学出版社，1996

[13]林伟，等.Protel2004原理图于PCB设计实例.北京：

机械工业出版社，2005:

142-197

[14]潭浩强.C程序设计（第二版）北京：

清华大学出版社，1999:

106-141

[15]何立民.单片机高级教程.北京：

北京航空航天大学出版社，2000:

72-104

[16]孙九安,等.C8051F系列SOC单片机原理及应用.北京：

国防工业出版社，2006:

56-98

[17]鲍可进，等.C8051F单片机原理及应用.北京：

中国电力出版社，2006:

69-80

[18]先锋工作室.单片机程序设计实例.北京：

清华大学出版社，2003:

31-54

毕业设计开题报告

２．本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：

1、本课题要解决的问题

（1）如何实现各种功能（串口通信功能，IIC数据传输功能，SPI串行传输功能，点阵式液晶显示功能，AD/DA数据转换功能，矩阵键盘输入功能，电池和USB接口供电功能）；

（2）如何制作电路原理图和印刷电路图；

2、拟采用的研究手段

图1系统硬件功能总体框图

2.1硬件设计

1、C8051F040单片机开发板采用C8051F040单片机为最小系统。

2、PC机RS232串口实现通信的硬件接口。

TTL电平到RS232接口电平的转换采用MAXIM公司的MAX232标准RS232接口芯片，该芯片可以用单电压（+5V）实现RS232接口逻辑“1”（-3V～15V）和逻辑“0”（+3V～15V）的电平转换。

3、采用AT24C02外部EEPROM芯片实现IIC数据传输功能：

一条串行数据线（SDA）；一条串行时钟总线。

4、IIC接口的RTC时钟，选用PCF8563,带停电保护功能；

5、单片机ISP下载编程器：

单片机可通过SPI或其他串行接口接收上位机传来的数据并写入存储器中。

ISP的提出改变了传统硬件系统开发的流程，大大方便了开发者．加快了开发速度。

下载电缆是一种使用计算机的并行端口通过软件的仿零点实现ATAG或ISP接口协议，访问可编程器件的廉价T具。

6、采用博控公司生产的NS*128A点阵图形型LCD，不带中文字库实现液晶显示功能。

7、C8051F040单片机的I／O口设计4x4行列式键盘。

采用程序扫描法识别按下的键，当有按键按下时．其键号显示在共阴极LED数码管上。

8、由于C8051F040单片机为3.3V供电，在电路的设计当中，可以通过正5V电源适配器对系统提供5V直流电压，通过电压转换芯片产生3.3V电压供给单片机工作；也可以通过USB供电系统，直接插接到电脑USB口即可提供电源。

2.2软件设计

在程序的编写上，因C语言的简洁、灵活，程序的操作性强，更易于移植。

选用了C语言。

本设计通过采用单片机控制D/A的方法设计利用C8051F040单片机和验证程序实现正弦波和方波信号输出。

在控制上，只需上电，系统就能自动运行，并可在示波器上显示输出波形，没有明显的失真。

并且配合串口通信驱动芯片MAX232使系统实现数据在计算机上接收和发送。

整个系统需要具有可在线编程，操作方便、控制灵活的功能。

综上所述系统参数的基本要求是：

1、通过A/D转换，将信号源输入的波形转化为数字在计算机上显示；

2、LED通过按键控制亮灭；

3、通过D/A转换，可在示波器上输出正弦波或方波信号；

4、具有串口通信功能，数据可接受发送。

毕业设计开题报告

指导教师意见：

指导教师：

年月日

所在系审查意见：

系主任：

年月日