《现场总线与控制》实验指导书1207 1658.docx

1、现场总线与控制实验指导书1207 1658测控总线实用技术实验指导书北京服装学院信息工程学院2011年10月目录F040实验板使用说明书 1F040 CAN程序设计参考 13实验1 Cygnal IDE 使用练习 18实验2 CAN物理层通信接口 22实验3 简单的CAN通信 26实验4 CAN总线通信与控制 38实验5 RS485串行通信接口 49实验6 帧同步与差错控制 54实验7 485总线多机通信 62实验8 数码管扫描显示实验 65实验9 直流电动机控制实验 68实验10 A/D转换实验 71实验11 LCD显示控制实验 74实验12 电梯控制实验 79实验13 CAN节点与LONW

2、ORKS节点间的通信实验 83附录一 CYGNAL IDE Windows 88附录二 Menus and Toolbars 90附录三 Cygnal Configuration Wizard 92附录四 电梯管脚说明 94参考文献 97F040实验板使用说明书实验者在实验前应阅读本使用说明书。一、C8051F040开发系统简介C8051F040单片机开发系统由Cygnal SOC单片机开发工具和C8051F040 SOC单片机实验板两部分组成。前者提供了在PC机上开发全系列Cygnal SOC单片机应用的软件环境和与PC机的通信；后者提供了硬件环境和扩展手段。1Cygnal C8051F单片

3、机开发工具老式仿真器带有目标仿真头和仿真插座，还要或多或少地占用系统资源，如存储器、定时器、通信通道等，有时会造成开发工作不方便。C8051F系列的所有单片机在片内均设有调试电路，通过边界扫描方式获取单片机内部的状态信息，再经JTAG接口传送到PC机上的开发环境，从而实现在PC机上对用户系统进行调试。这种调试是在系统的、全速的、非侵入式的。调试时完全不占用系统资源，符合IEEE1149.1边界扫描标准。Cygnal 开发工具中的Debug可以观察/修改寄存器和存储器，支持单步运行、断点运行、连续运行和停止运行命令，还可以开辟观察窗口、设置观察点、堆栈监视器等。不仅支持汇编级调试，还支持C51源

4、代码级调试。它的编程工具Config也比较有新意，朝填表方式和傻瓜化的方向发展，使初学者也能较快开展工作。图 1 、JTAG适配器(EC2或EU2) 通过RS232接口与PC机连接（1）开发工具主要技术指标支持的目标系统： 所有C8051F系列单片机系统时钟： 最大25MHz支持汇编语言级和C51源代码级调试支持Keil C（2）IDE 软件运行环境操作系统： Windows 95/98/Me/NT/2000/XPRAM ： 32MB占用硬盘空间： 40MB空闲的COM 口： 1个（3）开发工具与PC 机硬件连接将适配器EC2（或EU2） 与目标系统用JTAG 扁平电缆连接。将PC 机与适配器

5、EC2 用RS232电缆连接，或与适配器EU2 用USB电缆连接。2C8051F040 SOC单片机片内资源（1）高速8051 微控制器内核流水线指令结构；70%指令的执行时间为1个或2个系统时钟周期；扩展的中断系统。（2）存储器4352字节数据存储器（4k+256）；64k字节程序存储器（FLASH）；（3）CAN 总线 2.0B32个报文对象；邮箱可根据需要仅中断CPU。（4）数字外设64 个I/O 口线，所有口线均耐5V 电压；5个通用16 位计数器/定时器；可编程的16 位计数器/定时器阵列（PCA），有6个捕捉/比较模块；2个UART、硬件SMBus（IC兼容）、SPI串口；看门狗定

6、时器。（5）模拟外设a.12 位ADC；1LSB INL保证单调；可编程转换速率，最大100kSPS；12个外部输入，可编程为单端输入或差分输入；可编程放大器增益16、8、4、2、1、0.5；数据相关窗口中断发生器；内置温度传感器3。b.高电压差分放大器60V普通模式输入范围；偏置调节为60V+60V；16种增益设置从16至0.05。c.8 位ADC可编程转换速率，最大500kSPS；8个外部输入，可编程为单端输入或差分输入；可编程放大器增益：4、2、1、0.5。d.2个12位DACe.3个模拟比较器f.内部电压基准g.精确的VDD监视器更详细的资料可参见Cygnal C8051F04x da

7、tasheet。二、F040实验板使用注意事项图 2、C8051F040实验板1电源实验板上自带3.3V和5V电源，3.3V给F040单片机最小系统单独供电，5V供外围芯片使用。电源指示灯：红为+3.3V，黄为外加+5V。实验者需要扩展电路时，可引出实验板上的5V电源使用。如果外扩电路所需的电流较大（1A）时，需外接5V电源。先切断内部5V电源（将J1跳到“EX”），再将外接5V电源连接到板上。外接5V电源时极性不得接错，接线柱标志“”代表正极。当使用RS-232、CAN、RS-485、DAC及LED时需要5V电源。注意：先开3V电源，再开5V电源。关机时顺序相反。不得带电拔插EC2。2单片机

8、最小系统工作电压：3.3V，不允许高于3.6V。短路块：J9，J2。J9（MONEN）接DGND时，禁止VDD监视器。J9接VDD时，允许VDD监视器工作，当VDD2.7V时强制系统复位。在模拟应用时，应注意J2的接法：J2可以将片内基准源VREF输出给VREFD、VREF0和（或）VREF2。D/A转换： VREF与VREFD连接，12位A/D转换： VREF与VREF0连接，8位A/D转换： VREF与VREF2连接。3RS232接口工作电压：5V。短路块：J7。应用RS232时，短接J7，不用时断开J7。短接J7后，管脚P0.0、P0.1、P7.0、P7.1就分别配给RS232的通信线T

9、XD、RXD、RTS、CTS了。它们与9针RS232插座管脚号的对应关系见下表。表 1、9针RS232插座管脚号的对应关系F040管脚名P0.0P0.1P7.0P7.1RS232信号名TXDRXDRTSCTS9针RS232插座管脚号23874CAN/RS485工作电压：5V。短路块：J16、J17、J18、J19、J20、J24。这部分电路既可用于现场总线CAN通信，又可用于RS485总线通信，但不能同时使用，要用上述短路块来切换。当CAN总线通信时，将短路块J16、J17、J18、J19、J24跳线到“CAN”，485总线通信时，将短路块J16、J17、J18、J19、J24跳线到“485”

10、。CAN通信或485通信，J20都应短接。若采用其它CAN收发器时，J20开路。CAN方式：目前采用的CAN收发器为TJA1040。P7.2连接它的8脚STB（Standby），控制收发器的工作模式。系统复位时，STB是高电平，TJA1040处在待机模式；通信时，应在程序中将P7.2置为低电平，唤醒TJA1040。RS485方式：RS485是半双工通信，P7.2用于总线方向控制。P7.2 经过一级反相器，控制75176的发送允许端DE和接收允许端 。P7.2为高电平时，RS485总线处于接收状态，P7.2为低电平时，总线处于发送状态。系统复位时，485总线处于接收状态。5其余部分（1）按键P7

11、.3。短路块：J23。P7.3用作按键时应短接J23，P7.3用作一般口线时应断开J23。（2）四个增强驱动的输出口线P7.4P7.7。这些口线加强了驱动（15mA，+24mA），并各接1个LED，低电平亮。工作电压：5V。短路块：J8。控制P7.4P7.7输出。P7.4P7.7输出（LED显示）时，应短接J8。6扩展外部电路扩展插孔（247个，每个孔的定义见下表）扩展插针（88个，P0P7）扩展外部电路时，注意输入电压值：端口I/O（P0P7）、/RST 和JTAG 引脚允许5V 输入；其他数字管脚只允许3.3V输入；模拟输入不应超过基准源Vref。表 2、扩展插孔（247个）每个孔的定义信

12、号名称信号类型说 明电源AV5+电源、地模拟5V电源模拟地AGNDVDD5数字5V电源数字地DGND5V隔离后的5V电源隔离后的地GNDCPU外围电路XTAL1A I晶体输入。/RSTD I/O复位。内部接VDD监测器的OD输出。当MONEN有效且VDD2.7V时被驱动为低电平。模拟电路DAC0A ODAC 的电压输出（带跟随器）DAC1AIN0.03A IADC0输入通道03（带跟随器）HVCAPA I/O高压差分放大器电容HVREFA I参考HVAIN+同向输入端HVAIN-反向输入端VREFA I/O电压基准带隙电压基准输出端VREFDA IDAC的电压基准输入端VREF0ADC0的电压

13、基准输入端VREF2ADC2的电压基准输入端CANCANRXD ICAN接收端CANTXD O发送端口线P0.04D I/OP0.04P0.5外部存储器ALE（复用方式）P0.5P0.6外部存储器/RDP0.6P0.7外部存储器/WRP0.7P1.07A IADC2输入通道07D I/O外部存储器A8A15（非复用方式）P1.07P2.07D I/O外部存储器A8A15（复用方式）外部存储器A0A7（非复用方式）P2.07P3.07D I/O外部存储器AD0AD7（复用方式）外部存储器D0D7（非复用方式）P3.07P4.04D I/OP4.04P4.5外部存储器ALE（复用方式）P4.5P4

14、.6外部存储器/RDP4.6P4.7外部存储器/WRP4.7P5.07D I/O外部存储器A8A15（非复用方式）P5.07P6.07D I/O外部存储器A8A15（复用方式）外部存储器A0A7（非复用方式）P6.07P7.03D I/O外部存储器AD0AD7（复用方式）外部存储器D0D7（非复用方式）P7.04P7.4*7*D O口线驱动能力：15mA，+24mA附件CLK、IN1D I与非门的两个输入端与非门的输出端OUT1D OIN2、IN3D I或非门的两个输入端或非门的输出端OUT2D O注：管脚的详细定义请参见Cygnal C8051F04x datasheet。三、C8051F0

15、40的特点1SOC的概念：内置数字设备、模拟设备尽管F040仍采用51内核，但其内部硬件资源比8051丰富得多，片内还带有PGA、8位ADC、12位ADC、12位DAC、温度传感器等模拟设备，往往无须扩展就能构成一般的小型应用系统，所以被称为SOC（System on Chip）。设计中应充分利用片内的资源，尽量不再扩展外部存储器和外部设备。因为扩展要对外提供数据总线、地址总线、控制总线，将这些总线引出去要占用原来口线的管脚，反而要损失约2.5个8位口，代价很大。如果必须扩展外部存储器和外部设备，可以优先考虑采用串行RAM和设备，通过SPI或SMBus（I2C）板内串行总线来实现扩展，尽量不要

16、通过系统总线扩展以免占用GPIO的管脚。2交叉开关（CROSSBAR）的概念：数字设备可配置到管脚交叉开关的作用：将需要引出的内置数字设备的输入输出线分配到低端口的管脚上，不能分配到高端口的管脚上。将内置模拟设备分配到端口的管脚上不由交叉开关负责。分配按固定优先权顺序进行，不能随意分配，不如1016等CPLD灵活。低端口管脚是多重复用的。除了8051的复用（P0口与数据总线、低8位地址总线复用，P2口与高8位地址总线复用，P3口与ALE、读、写信号复用）外，新增的内置数字设备和模拟设备，也要占用管脚。交叉开关就是将28条内置数字设备的I/O线分配到低端口的32个管脚上。一般不会要求将全部28条

17、内置数字设备的I/O线分配到管脚上，因为未必所有内置数字设备都要用到；有时可供分配的管脚不够32个，因为可能有些管脚已经被占用了；例如，若使用ADC2，则要占用P1口的8个管脚，就只剩下24个可供分配的管脚了。口线管脚：各口输出方式可配置：OD/推挽。（通过各口的输出方式寄存器配置）例外：当SDA,SCL,RX0,RX1出现在管脚上时，自动被配置成OD输出。P1、P3输入方式可配置：数字/模拟。（通过P1、P3的输入方式寄存器配置）弱上拉电阻：可全局禁止/全局允许。（禁止可进一步节能，8051中为固定上拉电阻）虽是3V电源，但口线管脚可耐5V输入。口线的管脚内部共连接5（或4）条线：（见下图）

18、图 3、口线的管脚内部连线图（引自Cygnal F040 Data Sheet）模拟输入：P1给ADC2，P3给ADC0。数字输入： 带施密特输入。数字输出上管：选OD输出时关，选推挽输出时开。（注）数字输出下管：可置1该口线，则关断。（注）弱上拉电阻：可全局关/开，不能单独对某一位关/开。根据使用情况，应将不用的线全部关掉，以保证精度，且节能。注：若交叉开关CROSSBAR将管脚分配给内置数字设备作为输入端时，该管脚的输出驱动器自动断开。交叉开关的缺点：可靠性：可程序配置的结构固然比固定结构灵活，但极端情况下，干扰脉冲可能造成错误配置，不如固定结构可靠。灵活性：管脚配置的灵活性不如1016，

19、1016更方便PCB设计。但比固定管脚方便，如：EMIF可选高端口或低端口。3特殊功能寄存器（SFR）引入页（PAGE）的概念通过SFR实现配置（初始化）和访问端口、内置设备。2维地址：起因：内部增加了许多数字/模拟设备，8051原有的128个SFR字节不够了，必须扩展。采用按页索引的扩展方法。2维地址是逻辑的，是一种数据结构。SFR管理方法：页地址+（页内）字节地址。8051的SFR相当于只有一页，F040的SFR可以有256页，目前只用了0、1、2、3、F页，每页仍为128字节。这种方法给以后的扩展留有充分的余地。访问F040的SFR只能用页索引的方法，这是学生常犯的错误之一。AllPag

20、es属性：一些常用的SFR字节具有这种属性，在任何页都可直接访问，访问前后不必换页，比较方便。页栈的作用：中断时保护页地址，中断后自动恢复，无须用户程序保护、恢复。4低端口、高端口F040/042的封装是100Pin的，高低端口的64条口线全部引出到管脚。F041/043的封装是64Pin的，其内部虽然也有高端口，但只引出了低端口的32条口线，高端口的寄存器只能当通用寄存器用。对高端口未引出的口线（CMOS输入端）也要配置，以节电。低端口可字节寻址，也可位寻址。根据F040 Data Sheet ，高端口只能字节寻址，但实际操作中发现也可以位寻址。通过交叉开关CROSSBAR，内置的数字设备只

21、能配置给低端口，不能配置给高端口。但外部存储器接口EMI和模拟设备ADC2可以配置给高端口或低端口。（不是通过交叉开关CROSSBAR）任何时候MOV A, Pn 所得到的是引脚状态，而不是Pn口或分配给引脚的内置数字/模拟设备的状态。5EMIF外部存储器接口（1）用途 访问片外XRAM、PRAM，访问片外I/O接口。（2）指令： MOVX A,DPTR MOVX A,Ri （与8051不同，高8位地址由EMIF0CN给出，而不是由P2给出）e.g. MOV EMIF0CN,#12H MOV R0,#34H MOVX A,R0；A 1234H时序可编程：以便接口不同速度的器件。可编程：/RD、

22、/WR、ALE脉宽，地址的建立、保持时间。A0A7与D0D7复用/不复用可选，而8051只能复用AD0AD7。复用方式少占用一个口（P1或P5），但要增加一片74LS373作地址锁存器，PCB布线麻烦些。F040/042的 XRAM可配置在高/低端口上，通过将PRTSEL（EMI0CF.5）设置为1/0实现。若选择低端口，则应令EMIFLE（XBR2.1）=1，以通知交叉开关在复用方式时跳过P0.7、P0.6、P0.5（/WR、/RD、ALE）。6内置数字设备PCA（可编程计数器阵列）6个（F020为5个）捕捉/比较模块公用一个计数器，因此它们的时钟是相同的。这与T0、T1、T2、T3、T4（

23、F020无T4）不同，后者是独立计数器，可以具有不同的时钟源。16位计数器无“飞读”，要求先读L8。计数器功能有所增强，需CPU干预少。如PWM方式时有电平切换功能，不必靠程序对某一位口线取反。CAN控制器（CAN2.0B）只有CAN控制器，不带收发器。CAN RAM与系统RAM互相独立，CAN RAM不由CPU管理，而由CAN控制器管理。CAN RAM中有32个报文对象。CPU访问报文对象通过接口寄存器IF进行。CPU支持CAN中断。“邮箱”只在必要时中断CPU。7内置模拟设备ADC0 12/10bit，13通道，100sps，单端/差动（4个独立管脚模拟输入Ain，P3的8个管脚可按位配置

24、为模拟/数字，HVDA。020为8个独立管脚）PGA从0.516，共6挡。8路通过交叉开关配置到P3口的管脚。其余为固定管脚。有窗口检测器中断。可设定上下限，越限中断，节省CPU带宽。窗口内外两种设定方法，灵活。HVDA：60VPP，对AGND60V。ADC2（在F020中叫ADC1）8bit，8通道，500sps，单端/差动（F020无差动）PGA从0.54，共4挡。通过交叉开关配置到P1口的管脚。有上下限窗口检测器中断。（F020无）DAC 12bit，2通道（可8bit方式），固定管脚输出更新方式：写数据寄存器高位时。（先写L后写H）T2、T3、T4溢出时，用当前数据寄存器的值自动更新一

25、次，即输出上一次的值。在定时器中断服务程序中再给DAC的数据寄存器赋值，但该值不立即输出，要落后一次。注意：采样频率可设定。复位时为最低 SYSCLK/32。分频系数为031。但应使采样频率7.5MHz。还可以采用外时钟。启动转换方式可设定。ADC0/ADC 2，16通道可同步启动转换。可通过短路块选择基准源VREF的来源。8片内JTAG调试与边界扫描片内Debug电路帮助非入侵式、全速在电路在系统调试，不再需要仿真器。调试手段齐全：断点、单步、存储器与寄存器的检查与修改、Watch Point、堆栈监视器等。9其它F040F020OSCXCN的bit7空有XTLVLDOSC频率稳定中断无有交

26、叉开关配置寄存器个数4（XBR0,1,2,3）3（XBR0,1,2）四、配置F040的交叉开关1优先权交叉开关（CROSSBAR）译码器内部数字设备的输入输出线要经过配置才能引出到管脚上。已分配给内部数字设备的I/O线的管脚不能再用作GPIO的口线。一般设计不会使用所有的内部数字设备的输入输出线，未用到的就不必配置到管脚上，以节省管脚。多占一个管脚就意味着损失一条口线。CROSSBAR将内部数字设备的I/O线分配到低端口（P0P3）的管脚，而不能分配到高端口的管脚，也不能分配内部模拟设备。分配按固定的优先权顺序进行：UART0、SPI、SMBus、UART1。端口引脚的分配顺序是从P0.0开始

27、。参见下交叉开关优先权译码表：表 3、交叉开关优先权译码表（该表引自Cygnal F040 Data Sheet）分配交叉开关引脚的操作方法有两种：（1）直接对交叉开关配置寄存器XBR0XBR3赋值。每一条内部数字设备的I/O线对应交叉开关配置寄存器中的一位，如果将某位置1，交叉开关将该位所对应的I/O线按优先权顺序分配给端口引脚。（参考下面的例子）。（2）使用配置向导。在Cygnal IDE的Tools菜单中，选择Cygnal Configuration Wizard，即可进入配置向导。2交叉开关引脚分配示例要求：将UART0、SMBus、UART1、/INT0和/INT1分配到管脚（共8个

28、）。将外部存储器接口配置为复用方式，并使用低端口。将P1.2、P1.3和P1.4配置为模拟输入（单端输入），以便用ADC2测量加在这些引脚上的电压。管脚配置步骤：片内数字外设配置：即设置XBR0XBR2，将其中的位UART0EN、SMB0EN、INT0E、INT1E和EMIFLE置1，得到XBR0=05h，XBR1=14h，XBR2=02h。外部存储器接口配置：复用方式并使用低端口，令PRTSEL = 0，EMD2 = 0。输入方式配置：将P1.4、P1.3和P1.2引脚配置为模拟输入，设置P1MDIN=0E3h。允许交叉开关：置位XBARE =1，使得XBR2=42h。至此，求出的管脚分配为

29、：表 4、管脚分配表芯片引脚信号（非固定位置的信号，按优先权排序）说明P0.0TX0UART0P0.1RX0P0.2SDASMBusP0.3SCLP0.4TX1UART1P0.5ALEEMI在低端口，复用方式。（固定位置）P0.6/RDP0.7/WRP1.0RX1UART1P1.1/INT0P1.2AIN2.2P1.2P1.4为模拟输入。（固定位置）P1.3AIN2.3P1.4AIN2.4P1.5/INT1P2.0P2.7A8A15EMI在低端口，复用方式。（固定位置）P3.0P3.7AD0AD7配置相关口线的输出方式：（1）将内部数字外设的输出引脚配置为推挽方式：包括TX0、TX1。得到P0MDOUT=11h。（2）将EMI控制的输出引脚配置为推挽方式：包括AD0AD7、A8A15、ALE、/RD、/WR。得到P2MDOUT=P3MDOUT=0FFh、P0MDOUT=0E0h。和（1）的P0MDOUT相或，得到P0MDOUT=0F1h。（3）断开模拟输入引脚内部的输出管，以免损失ADC精度：设置P1MDOUT = 00h（漏极开路），P1 = 0FFh（高阻态）。 F040 CAN程序设计参考一、F040中CAN控制器的结