FPGA-3C25开发板的研制 毕业论文.doc

本 科 毕 业 设 计 第 ii 页 共 ii 页目 录1 引言11.1 灯丝电源发展及现状11.2灯丝电源发展前景11.3 设计要求22 方案选择32.1 spwm信号产生选择32.2 逆变部分选择33 总体方案设计44 硬件设计54.1 pfc和辅电板54.1.1 pfc电路54.1.2辅电电路84.2功率底板114.2.1 取样电路114.2.2脉冲分配电路124.2.3逆变驱动电路124.2.4滤波电路154.3单片机控制板164.3.1c8051f120介绍164.3.2c8051f120单片机电源、晶振、复位及jtag电路214.3.3c8051f120单片机ad及比较器电路214.3.4 c8051f120单片机串行口电路224.3.5系统故障指示电路234.3.6 显示电路244.3.6键盘电路255 软件设计285.1 主程序设计285.2 显示程序设计305.3键盘扫描程序设计325.4 ad采样程序设计345.5串行口发送程序设计355.6 pwm程序设计376 系统调试386.1 硬件调试386.2软件调试38结论40致谢41参考文献42 本 科 毕 业 设 计 第 45 页 共 42 页1 引言1.1 灯丝电源发展及现状随着电子工业的飞速发展，电源作为供电装置正经历着日新月异的变化。在工业生产，科学研究，甚至日常生活中都要用到各种各样的电源。电源的种类随着电子元器件的更新换代而增加，目前已经发展出多种电源类型。灯丝电源作为电源的一种，采用先进的开关电源电路和自适应技术，能自动判断大功率电子管内阻的大小来平滑电压并使大功率电子管工作在高精度状态，解决了大功率电子管灯丝因冷态电阻小易受电流冲击而产生的各类故障，延长电子管使用寿命。早期的灯丝电源供电，一般是采用变压器降压，二极管整流，lc滤波的电路，这类电路的电压输出稳定度取决于电网电压的稳定度，而目前我国一般工业用电电网电压的稳定度约在10%-20%左右，电网电压的波动直接影响着灯丝变压器的输出电压，而灯丝电压的不稳定就导致灯丝加热温度的变化，进而影响电子管的工作状态的稳定，从而导致灯丝使用寿命降低。目前各电源厂商生产的灯丝专用稳压电源有两个特点：一是采用高精度的开关稳压电源技术，稳压精度高，效率高，节能；二是采用零起点平滑加电压，从根本上解决电流浪涌冲击的问题，从而减少电子管碰极故障，同时为电子管灯丝提供一个稳定的工作环境，以达到延长电子管寿命的目的。将开关稳压电源电路与平滑控制电路组合，开关稳压电源提供高精度的稳压输出，平滑控制电路采取从零开始平滑提升pwm输出脉冲宽度的办法，利用其输出电压随pwm的脉宽相应改变的原理，达到输出电压从零平滑升高的目的。1.2 灯丝电源发展前景随着集成电路技术的不断发展，脉宽调制电路（pwm）技术也得到很大提高，大部分灯丝电源都采用pwm来作为控制电路。目前各种灯丝电源已经广泛应用于广播电视、舰艇船舶、医疗设备等领域，显示出强大的生命力。灯丝电源的使用，能够节约电子管或x射线管经费，而且能够免除因换管时重新调整发射机幅频特性的工作，减少了电子管或x射线管维护工作量，取得了一定的经济效益和社会效益。目前，国内专门生产灯丝电源的电源厂商还比较少，而灯丝电源的应用领域正日益扩大，应用于灯丝电源设计与制造的技术也在不断提高。因此，灯丝电源的设计与应用发展前景广阔。1.3 设计要求ac-ac灯丝电源输入为交流220v15%，输出电压为交流170230v可调，输出频率为50hz5%，输出最大功率为152w，输出电流为交流0.63a，输出电压负载调整率 3，输出电压线网调整率 1，软启动时间小于30秒。该电源具有以下保护措施：输入欠压保护，输入过压保护，输出欠压保护，输出过压保护，输出欠流保护，输出过流保护，各种故障有报警指示。2 方案选择2.1 spwm信号产生选择方案一：由spwm专用芯片sa828系列配微处理器直接生成spwm信号，再驱动逆变器。因为sa828是由规则采样法产生spwm（正弦波脉冲宽度调制）信号的，故不易实现闭环控制，软件控制不灵活。方案二：采用单片机内部自带的pwm（脉冲宽度调制）模块产生spwm信号并驱动逆变器。该方案外围电路简单，利用软件产生spwm信号，硬件简单、成本低、软件控制灵活，调试工作量小，易实现。为便于实现设计要求，本系统选择方案二。2.2 逆变部分选择方案一：由2片半桥驱动芯片ir2110和4只igbt（10n120bnd）组成全桥从而进行dc-ac逆变。该方案成本低、软件控制较容易。方案二：采用ipm模块pm75dsa120，其内部集成两个驱动芯片和四个igbt。由于pm75dsa120是集成智能功率模块，所以其内部包含各种保护电路，驱动部分和逆变部分布局较紧密，逆变效果好。该方案外围电路简单，稳定性好。为便于实现设计要求，本系统选择方案二。3 总体方案设计将市电经整流滤波得到400v直流高压，然后分两路送出，一路为功率模块提供电源，另一路产生辅助电源。采用c8051f120单片机作为核心控制芯片，利用其内部的pca模块产生spwm信号，再通过脉冲分配电路、逆变功率驱动电路和lc串联滤波电路获得正弦波功率信号的输出。输出电压及电流信号经反馈电路送回pwm来自动调整输出脉冲的宽度，从而稳定输出电压。保护电路利用单片机内部的12位a/d对输入电压，输出电压，输出电流进行测量，当电压及电流出现欠缺或过量时，若需要关断，则保护电路给出控制信号，使pwm电路停止工作，以保护功率电路本身及负载。在欠压、过压、欠流、过流故障时有声光报警提示。220v50hz输入取样输出取样整流滤波逆变电路滤波电路 输出驱动电路pfc电路辅电电路p4.5-p4.7 p6.6-p7.3p5 tx /rx c8051f120adc0 pwm p6.0-p6.5显示键盘故障指示故障输出串口系统框图如图3.1所示： 图3.1 系统框图4 硬件设计4.1 pfc和辅电板4.1.1 pfc电路1） pfc电路原理功率因数是有效功率与总功率的比值。传统的全波整流和大容量电容滤波电路，由于大容量电解电容的充放电，导致电压波形和电流波形不一致，因此在电压与电流之间不可避免地会产生相位差，从而造成功率的损失。pfc全称为“power factor correction”，即“功率因数校正”。该种方法从电路上采取措施，使交流电源输入电流与输入电压保持同相。pfc电路使用ucc28019有源功率因数校正芯片。ucc28019是ti公司的一款采用平均电流模式的升压有源功率因数校正芯片，适用于较宽范围的交流输入，输出功率为100w至2kw。该芯片开关频率为固定的65khz ，同时具有峰值电流限制、软过流保护、开环检测、输入掉电保护、输出欠压/过压保护等保护电路。图4.1简单地描述了ucc28019构成的有源功率因数校正电路的工作原理。电流放大器和电压误差放大器的输出信号经脉冲宽度比较器调制构成栅极驱动信号，控制环路强迫电感电流跟随输入电压波形保持升压调节，从而达到功率因数校正的目的。图4.1 ucc28019构成的有源功率因数校正电路原理2） ucc28019芯片引脚ucc28019引脚功能如表4.1所示：表4.1 ucc28019引脚功能名称引脚i/o功能gate8o门驱动：推拉门驱动一或两个外部功率mosfet，灌电流2a，拉电流1.5agnd1地：地基准icomp2o电流环路补偿：跨导电流放大器输出isense3i电感电流取样：外部取样电阻电压输入，表征瞬时升压电感电流vcc7供电电源：外部供电输入vcomp5o电压环路补偿：跨导电压误差放大器输出vins4i输入交流电压取样vsense6i输出电压取样3） ucc28019内部单元电路a）供电启动时，vcc欠压闭锁电路设定pfc控制器工作的最小输入电压，分为开通和关断两个阈值。当vcc达到欠压闭锁开通阈值时，pfc控制器开通；当vcc降到欠压闭锁关断阈值以下时，pfc控制器关断。b）软启动在欠压闭锁、输入掉电保护和开路保护状态下，vcomp端被自动拉低。故障状态释放后，软启动控制vcomp端电压的上升速率，提供给电压补偿部件固定30a的电流，从而引起该端电压线性缓慢上升，直到输出达到额定值的85%，然后，该电流开始降低，直到输出达到额定值的95%。软启动时间由电压误差放大器所连接的补偿器件决定。c）vcc欠压闭锁启动时，欠压闭锁电路使芯片处于关断状态，直到vcc端电压升至10.5v开通阈值；当vcc端电压降至9.5v关断阈值时，芯片关断。d）输入掉电保护输入电压整流后通过电阻分压滤波送vins端取样，当vins端电压降至0.8v时，芯片进入待机模式；当vins升至1.5v时，芯片从待机模式转为正常工作模式。e）输出过电压保护输出过电压保护值是指输出电压超过额定输出电压5%时的电压值，此时vsense引脚达到5.25v阈值电压。f）过流保护升压电感上的电流由连接在整流输入回路的取样电阻取样，取样电阻的另一端连接系统的地。该电流有两种过流保护：峰值电流限制电路防止电感饱和，软启动电流保护防止输出过载。g）门驱动门级输出具有电流优化的结构，可以在高速开关状态下直接驱动mosfet。gate端内部钳位限制电压为12.5v。连接门驱动端的外部电阻用来限制上升时间、抑制由寄生电感和寄生电容引起的震荡，从而减小电磁干扰。在门级和地之间的10k电阻用来泄放门级电流、防止误触发。h）电压误差放大器跨导误差放大器输出与vsense端电压反馈信号和内部5v基准之差成比例的电流，该电流对vcomp引脚的补偿网络电容进行充电或放电，从而建立合适的补偿电压。设计的pfc电路如图4.2所示：4） pfc电路主要参数计算u 功率mosfet的选取开关器件的最大峰值电流可通过公式（4-1）计算： （4-1）根据输出电压的最大值及最大峰值电流，选择相应的功率场效应管。图4.2 pfc电路计算可得，选取功率mosfet型号为47n60c3，其，满足设计要求。u 升压电感的选取 （4-2）计算可得，取实际值3mh。u 电压反馈电阻的选取 （4-3）取4.1.2 辅电电路1） 辅电电路原理该电路采用unitrode公司生产的单端输出脉宽调制器uc3845，该芯片是专门用于离线和dc/dc变换的高性能、固定频率、电流模式控制器，能够为用户提供使用最少外部器件的高性价比的解决方案。uc3845启动后，通过输出一定宽度的脉冲控制驱动功率管的导通和截止。当功率管开通时，输入的直流电压通过初级绕组向变压器灌入能量；功率管关断时，变压器内灌注的电量通过次级绕组释放，经二极管整流、电容滤波后供负载使用。该种电源称为单端反激式电源，该结构与网电隔离（离线式），安全性好；结构相对简单，设计较容易；通过改变开关脉冲占空比和变压器变比可以很容易地实现大范围的电压调整。但是，这种设计也存在一些限制，其一就是输出功率，一般在100w以内。由于该电路的输出功率取决于通过变压器原边的电流峰值，而该峰值与原边的电感量有关，若想将电源的功率增至较大值，则变压器的电感量会减小到与分布参数接近，变压器无法绕制。另一个限制就是占空比，单端反激的结构中，开关信号的占空比一般不超过45%，这是由于变压器绕组存在反电动势，市电情况下，考虑20%的波动，开关管在关断时需要承受的电压为近800v，因而对功率管的耐压有较高要求。2） uc3845芯片引脚uc3845芯片引脚功能如表4.2所示：表4.2 uc3845芯片引脚功能引脚功能说明1补偿该引脚为误差放大输出，并可用于环路补偿2电压反馈该引脚为误差放大器的反相输入，通过一个电阻分压器连至开关电源输出3电流取样该输入被接至一与电感电流成正比的电压4rt/ct将rt连至vref并将ct连至地，使振荡器的频率及最大输出占空比可调5地电源和控制电路公共地6输出输出直接驱动功率mosfet的栅极，输出开关频率为振荡器频率的一半7vcc电路的正电源8vref参考输出，经rt向ct提供充电电流3）uc3845内部单元电路a）振荡器振荡器振荡频率由外接的rt和ct确定。电容ct由5v参考电压通过电阻rt充电，充至2.8v再放电至1.2v。b）输出输出设计为单图腾柱输出，用于直接驱动功率mosfet。其内部电路使得任何时候只要欠压锁定有效，输出就进入灌电流模式，从而可去除外部的下拉电阻。c）误差比较器vref经电阻分压变为2.5v接到误差比较器的正端，负端接外部监测电压输入，误差比较器输出用于外部回路的补偿。ac-ac灯丝电源采用的辅电电路图如图4.3所示：图4.3 辅电电路4.2 功率底板4.2.1 取样电路取样电路采用电压互感器对输入电压、输出电压进行取样，采用电流互感器对输出电流进行取样，直接焊接安装，外型美观；内置精密电阻，可直接测量，使用方便；电压隔离能力强，安全可靠。具体电路如图4.4所示：图4.4 取样电路采用tv2033-02d电压互感器对输入电压、输出电压进行取样，该电压互感器额定输入为交流220v，额定输出为直流5v，经分压后可直接送至单片机ad端。采用ta1015母线内置式微型精密交流电流互感器对输出电流进行取样，该电流互感器额定输入电流为5a，额定输出电流为5ma，加采样电阻后，经整流、滤波、分压可直接送至单片机ad端。该电流互感器内部电路如图4.5所示：图4.5 电流互感器内部电路4.2.2 脉冲分配电路脉冲分配电路如图4.6所示：图4.6 脉冲分配电路单片机输出的spwm信号通过三极管q3进行电平转换，然后经过或非门cd4001分配输出两路信号in_a和in_b。单片机的p2.7口线接q4的基极，用于控制脉冲分配电路输出。当p2.7输出高电平时，两路信号in_a和in_b至ipm模块上；输出低电平时，关断in_a和in_b的输出；从而实现了软件开、关机操作。4.2.3 逆变驱动电路逆变电路采用了两个ipm模块pm75dsa120构成全桥，驱动电路采用光耦hcpl4504驱动，ipm模块内部故障经光耦pc817隔离后输出，具体电路如图4.7所示：1） 逆变原理介绍dc/ac逆变技术的基本原理是通过半导体功率开关器件(例如scr,gto，gtr,igbt和功率mosfet模块等)的开通和关断作用，把直流电能转换成交流电能，是整流变换的逆过程。逆变器则是根据该原理设计的电能变换装置。由于图4.7 逆变驱动电路是通过半导体功率开关器件的开通和关断来实现电能转换的，因此转换效率比较高。但转换输出的波形却很差，是含有相当多谐波成分的方波。而多数应用场合要求逆变器输出的是理想的正弦波，因此，利用半导体功率开关器件的开通和关断的转换，使逆变器输出正弦波和准正弦波是dc/ac逆变器技术中重要的组成部分。 2） ipm模块介绍ipm（intelligent power module），即智能功率模块。该模块不仅把功率开关器件和驱动电路集成在一起，而且还内藏有过电压，过电流和过热等故障检测电路，并可将检测信号送到cpu。它由高速低功耗的管芯和优化的门极驱动电路以及快速保护电路构成。即使发生负载事故或使用不当，也可以保证ipm自身不受损坏。ipm一般使用igbt作为功率开关元件，内藏电流传感器及驱动电路的集成结构。ipm以其高可靠性，使用方便赢得越来越大的市场，尤其适合于驱动电机的变频器和各种逆变电源，是变频调速、冶金机械、电力牵引、伺服驱动、变频家电的一种非常理想的电力电子器件。 ipm与以往igbt模块及驱动电路的组件相比具有如下特点： a)内含驱动电路。设定了最佳的igbt驱动条件，驱动电路与igbt间的距离很短，输出阻抗很低，因此，不需要加反向偏压。所需电源为下桥臂1组，上桥臂3组，共4组。 b)内含过电流保护(oc)、短路保护(sc)。由于是通过检测各igbt集电极电流实现保护的，因此不管哪个igbt发生异常，都能保护，特别是下桥臂短路和对地短路的保护。 c)内含驱动电源欠电压保护(uv)。每个驱动电路都具有uv保护功能。当驱动电源电压ucc小于规定值uv时，产生欠电压保护。 d)内含过热保护(oh)。oh是防止igbt、frd(快恢复二极管)过热的保护功能。ipm内部的绝缘基板上设有温度检测元件，检测绝缘基板温度tcoh(igbt、frd芯片异常发热后的保护动作时间比较慢)。ripm进一步在各igbt芯片内设有温度检测元件，对于芯片的异常发热能高速实现oh保护。 e)内含报警输出(alm)。alm是向外部输出故障报警的一种功能，当oh及下桥臂oc、tcoh、uv保护动作时，通过向控制ipm的微机输出异常信号，能切实停止系统。 f)内含制动电路。和逆变桥一样，内含igbt、frd驱动。ipm模块内部结构如图4.8所示：3） ipm驱动电路设计由ipm内部结构图（图4.8）可知，ipm模块本身包含有驱动电路，所以只要提供满足驱动功率要求的pwm信号、驱动电路电源和抗干扰电气隔离即可。但是，ipm模块对驱动电路输出电压要求很严，驱动电压为13.5v至16.5v，低图4.8 ipm模块内部结构图于13.5v发生欠压保护，高于16.5v则有可能损坏内部器件；驱动信号频率为5hz至20khz。驱动电源绝缘电压至少应为ipm极间反向耐压值的2倍，驱动电流为19ma至26ma。驱动电路输出端滤波电容不能太大，当寄生电容超过100pf时，噪声干扰可能误触发内部驱动电路。来自控制电路的pwm信号分别经r17、r18、r19、r20限流，再经过高速光耦隔离放大后接ipm内部驱动电路控制开关管工作，故障信号fo经过光耦隔离输出。pwm高速隔离光耦选用hcpl4504，fo输出选用低速光耦pc817。4.2.4 滤波电路由于逆变电路采用脉宽调制（pwm）技术，因此，输出电压含有较多的谐波分量，需要用滤波器进行滤波处理，使输出的正弦波形平滑，减少谐波对负载的影响。采用lc滤波器进行滤波。滤波电路如图4.9所示：图4.9 滤波电路1）lc滤波器的参数设计在对滤波器进行设计时，一般先设计电感的取值。电感的选取和纹波电流的大小及系统功耗有关。通常，电感上的纹波电流选择为额定电流的15% 25%，在单极性调制情况下 （4-4）在开关频率远远大于工频频率的条件下，根据单极性spwm原理可得每个开关周期占空比为 （4-5）由此可得， （4-6）于是有 （4-7）若将滤波电感电流纹波近似看作正弦波且假设均由滤波电容吸收，则输出电压纹波的最大值应为 （4-8）由此可得 （4-9）由上式可计算出l、c的取值。l=40mh，c=1600pf仿真实验表明，通过对l、c参数的进一步调整，可以有效地滤除高频成分，输出较为平滑的正弦波。但当负载稍微变化，输出波形变形或纹波增加，使逆变输出质量大大下降。 4.3 单片机控制板控制部分采用silicon laboratories公司的c8051f120单片机对灯丝电源进行控制。4.3.1 c8051f120介绍1） 系统概述c8051f120是完全集成的混合信号片上系统型mcu芯片，具有64个数字i/o 引脚（100脚tqfp 封装）。下面列出了一些该芯片的主要特性：u 高速、流水线结构的8051兼容的cip-51 内核（100mips）u 全速、非侵入式的在系统调试接口（片内） u 12位100 ksps的adc，带pga 和8通道模拟多路开关 u 8位500 ksps的adc，带pga 和8通道模拟多路开关u 两个12位dac，具有可编程数据更新方式 u 2周期的16 x 16乘累加单元u 128kb可在系统编程的flash 存储器 u 8448（8k+256）字节的片内ram u 可寻址64kb地址空间的外部数据存储器接口 u 硬件实现的spi、smbus/ i2c和两个uart 串行接口 u 5个通用的16位定时器u 具有6个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列 u 片内看门狗定时器、vdd 监视器和温度传感器 具有片内vdd 监视器、看门狗定时器和时钟振荡器的c8051f120器件是真正能独立工作的片上系统。所有模拟和数字外设均可由用户固件使能/禁止和配置。flash 存储器还具有在系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新 8051固件。 片内 jtag 调试电路允许使用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）、全速、在系统调试。该调试系统支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、观察点、单步及运行和停机命令。在使用 jtag 调试时，所有的模拟和数字外设都可全功能运行。 该mcu 可在工业温度范围（-45到+85）工作。端口 i/o、/rst 和 jtag 引脚都容许5v的输入信号电压。 封装为100脚tqfp封装。2）cip-51tm 微控制器核a）与 8051 完全兼容 c8051f120器件使用 silicon lab 的专利 cip-51 微控制器内核。cip-51与mcs-51tm 指令集完全兼容，可以使用标准803x/805x的汇编器和编译器进行软件开发。cip-51 内核具有标准 8052 的所有外设部件，包括5个16位的计数器/定时器、两个全双工uart、256 字节内部ram、128字节特殊功能寄存器（sfr）地址空间及8个8位宽的i/o 端口。 b）速度提高 cip-51 采用流水线结构，与标准的8051结构相比指令执行速度有很大的提高。在标准8051中，除 mul和 div 以外所有指令都需要12或24个系统时钟周期，最大系统时钟频率为12-24mhz。而对于cip-51内核，70%的指令执行时间为1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。 cip-51 共有111 条指令。表4.3列出了指令条数与执行时所需的系统时钟周期数的关系。表4.3 c8051f120指令条数与执行周期数关系执行周期数122/333/444/558指令数265051673121cip-51工作在最大系统时钟频率100mhz 时，c8051f120的峰值性能达到 100mips。c）增加的功能cip-51 内核和外设有几项关键性的改进，提高了整体性能，更易于在最终应用中使用。 扩展的中断系统向 cip-51 提供 20 个中断源（标准 8051 只有 7 个中断源），允许大量的模拟和数字外设中断微控制器。中断驱动的系统需要较少的 mcu 干预，因而有更高的执行效率。在设计一个多任务实时系统时，这些增加的中断源是非常有用的。 mcu 可有多达 7个复位源：一个片内vdd 监视器、一个看门狗定时器、一个时钟丢失检测器、一个由比较器0提供的电压检测器、一个软件强制复位、cnvstr0输入引脚及/rst 引脚。/rst引脚是双向的，可接受外部复位或将内部产生的上电复位信号输出到/rst 引脚。除了 vdd 监视器和复位输入引脚以外，每个复位源都可以由用户用软件禁止；使用 monen 引脚使能/禁止vdd 监视器。在一次上电复位之后的 mcu 初始化期间，可以用软件将 wdt 永久性使能。 mcu 内部有一个独立运行的时钟发生器，在复位后被默认为系统时钟。如果需要，时钟源可以在运行时切换到外部振荡器，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。时钟切换功能在低功耗系统中是非常有用的，它允许 mcu 从一个低频率（节电）外部晶体源运行，当需要时再周期性地切换到24.5mhz的内部振荡器。另外，片内提供的pll允许达到更高的系统时钟频率以提高运行速度。3）片内存储器cip-51 有标准的8051 程序和数据地址配置。它包括256 字节的数据ram，其中高128字节为双映射。用间接寻址访问通用ram 的高128字节，用直接寻址访问128字节的sfr地址空间。数据 ram的低 128字节可用直接或间接寻址方式访问。前32个字节为4个通用寄存器区，接下来的16 字节既可以按字节寻址也可以按位寻址。 c8051f120还另有位于外部数据存储器地址空间的 8k 字节的 ram 块和一个可用于访问外部数据存储器的外部存储器接口（emif）。这个片内的8k字节 ram块可以在整个64k外部数据存储器地址空间中被寻址（以8k为边界重叠）。外部数据存储器地址空间可以只映射到片内存储器、只映射到片外存储器、或两者的组合（8k 以下的地址指向片内，8k 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。 c8051f120的程序存储器包含 128k 字节的分块 flash。该存储器以 1024字节为一个扇区，可以在系统编程，且不需特别的外部编程电压。从 0x1fc00 到 0x1ffff 的 1024字节被保留。 还有两个位于地址0x20000 - 0x200ff的 128字节扇区，这两个扇区可被软件用于数据存储。4）可编程数字i/o和交叉开关该系列mcu具有标准8051的端口（0、1、2和3）。同时又有4个附加的端口（4、5、6和7），因此共有64个通用端口i/o。这些端口i/o的工作情况与标准8051相似，但有一些改进。 每个端口i/o引脚都可以被配置为推挽或漏极开路输出。在标准8051中固定的“弱上拉”可以被总体禁止，这为低功耗应用提供了进一步节电的能力。 c8051f120单片机引入了数字交叉开关。这是一个大的数字开关网络，允许将内部数字系统资源映射到p0、p1、p2和p3的端口i/o引脚。与具有标准复用数字i/o的微控制器不同，这种结构可支持所有的功能组合。可通过设置交叉开关控制寄存器将片内的计数器/定时器、串行总线、硬件中断、adc转换启动输入、比较器输出以及微控制器内部的其它数字信号配置到端口i/o引脚。这一特性允许用户根据自己的特定应用选择通用端口i/o和所需数字资源的组合。5） 可编程计数器阵列除了5个16位的通用计数器/定时器之外，c8051f120中还有一个片内可编程计数器/定时器阵列（pca）。pca包括一个专用的16位计数器/定时器时间基准和6个可编程的捕捉/比较模块。时间基准的时钟可以是下面的六个时钟源之一：系统时钟/12、系统时钟/4、定时器0溢出、外部时钟输入（eci） 、系统时钟和外部振荡源/8。 每个捕捉/比较模块都有六种工作方式：边沿触发捕捉、软件定时器、高速输出、频率输出、8位脉冲宽度调制器和16位脉冲宽度调制器。 pca捕捉/比较模块的i/o和外部时钟输入可以通过数字交叉开关连到mcu的端口i/o引脚。6）12位模数转换器c8051f120中有一个片内12位的模数转换器（adc0）和一个8位的模数转换器（adc2），一个9通道输入多路选择开关和可编程增益放大器。该adc工作在100ksps的最大采样速率时可提供真正的12位精度。adc0的电压基准可以在dac0输出和一个外部vref引脚之间选择。adc0有其专用的vref0输入引脚。 adc完全由cip-51通过特殊功能寄存器控制。有一个输入通道被连到内部温度传感器，其它8个通道接外部输入。8个外部输入通道的每一对都可被配置为两个单端输入或一个差分输入。系统控制器可以将adc置于关断状态以节省功耗。 可编程增益放大器接在模拟多路选择器之后，增益可以用软件设置，从0.5到16以2的整数次幂递增。当不同adc输入通道之间输入的电压信号范围差距较大或需要放大一个具有较大直流偏移的信号时（在差分方式，dac可用于提供直流偏移），这个放大环节是非常有用的。4.3.2 c8051f120单片机电源、晶振、复位及jtag电路c8051f120单片机的最小系统如图4.10所示：图4.10 c8051f120单片机最小系统电路供电电压为5v，经lm1117稳压成3.3v滤波后作为单片机的数字电源和模拟电源。1） 稳压芯片lm1117介绍lm1117是一种低压差电压调整器，该系列芯片有五种固定电压输出（1.8v，2.5v，2.85v，3.3v和5v）和一种可调输出（输出调整范围从1.25v至13.8v）。4.3.3 c8051f120单片机ad及比较器电路ad及比较器电路如图4.11所示：图4.11 ad及比较器电路两路电位器、电阻分压调整后接到c8051f120单片机adc引脚，用来对输出电压、频率进行手动调整。一路电位器、电阻分压调整后接比较器cp0-端与输出电流采样值进行比较，以实现过流关断。4.3.4 c8051f120单片机串行口电路串行口电路如图4.12所示：图4.12 串行口电路max3232芯片是一款采用低压差发送输出的低功耗收发器，利用双电荷泵在3.0v至5.5v电源供电时能够实现rs-232通讯接口，而外部电路仅需四个0.1uf的电容。此芯片具有两路接收器和两路驱动器，其引脚功能如表4.4所示。1） max3232内部单元电路a）双充电泵电压转换器表4.4 max3232引脚功能max3232引脚名称和功能1c1+倍压电荷泵电容正端2v+电荷泵产生的+5.5v3c1-倍压电荷泵电容负端4c2+反相电荷泵电容正端5c2-反相电荷泵电容负端6v-电荷泵产生的-5.5v7、14t_outrs-232发送器输出8、13r_inrs-232接收器输入9、12r_outttl/cmos接收器输出10、11t_inttl/cmos发送器输入15gnd地16vcc供电电源max3232内部供电电路包含一个双充电泵，在输入电压（vcc）在3v到5.5v之间时，提供5.5v输出电压（双重充电泵）和-5.5v输出电压（反向充电泵）。充电泵工作在一种间断的模式，如果输出电压小于5.5v，充电泵使能；如果输出电压达到5.5v，充电泵被禁止。每个充电泵需要连接一个快速电容和一个蓄电容，用于生成v+和v-。b）rs-232发送器发送器将cmos逻辑电平转换成eia/tia-232电平。max3232能够在最坏的情况下（负载3k电阻并联1000pf电容）保证120kbps的数据传输率，从而与pc-pc通信软件（例如laplink）兼容。max3232可工作在235kbps的典型数据传输率。发送器可并联驱动多路接收器或鼠标。当芯片关断时，max3232输出过程关断（高阻）。掉电时，输出可被驱动至12v。发送器输入没有上拉电阻，未用的输入应接电源或地。c）rs-232接收器接收器将rs-232信号转换成cmos逻辑电平。4.3.5 系统故障指示电路该电路将6个led经74ls245驱动连接至c8051f120单片机i/o引脚，用于指示系统故障状态（输入欠压、输入过压、输出欠压、输出过压、输出欠流、输出过流）。将一个蜂鸣器连接至c8051f120单片机i/o引脚，用于对系统故障进行报警。1）74ls245芯片介绍74ls245是一款八位总线收发器，在数据总线间进行异步双向传输。该芯片通过dir引脚的逻辑电平，允许数据从a总线传输至b总线或从b总线传输至a总线。使能输入/g用于使能/禁止芯片工作，从而有效地起到隔离作用。74ls245引脚功能如表4.5所示：表4.5 74ls245引脚功能 /g(使能) dir(方向控制) 操作 l l l h h b数据传向a总线a数据传向b总线 输出隔离故障指示电路如图4.13所示：图4.13 故障指示电路4.3.6 显示电路显示电路由cd4094移位寄存器对6位数码管和16个led灯进行动态扫描，从而获得数码管显示和led灯指示状态。1） cd4094芯片介绍cd4094是带输出锁存和三态控制的串入/并出高速转换器，内部包含一个8位移位寄存器和一个三态8位锁存器，具有使用简单、功耗低、驱动能力强和控制灵活等优点。数据在时钟上升沿通过移位寄存器串行移位。最终一级（qs）可被应用于器件的级联。qs 端输出的数据在下一个时钟负跳变沿送至qs端。每一级移位寄存器的输出送至锁存器，在strobe输入端负跳变沿锁存。当strobe端为高电平时，数据通过锁存器传输至三态输出门。当output enable为高电平时，三态输出门使能。具体状态如表4.6所示：表4.6 cd4094状态表时钟输出使能锁存数据并行输出串行输出q1qnqsqs0高阻高阻q7无变化0高阻高阻无变化q710无变化无变化q7无变化1100qn-1q7无变化1111qn-1q7无变化111无变化无变化无变化q7cd4094的引脚定义：(1)脚为锁存端，(1)脚为高电平时，8位并行输出口q1q8在时钟的上升沿随串行输入而变化；(1)脚为低电平时，输出锁定。利用锁存端可方便地进行片选和级联输出控制。(2)脚为串行数据输入端。(3)脚为串行时钟端。(9)脚qs、(10)脚qs是串行数据输出端，用于级联。qs端在第9个串行时钟的上升沿开始输出，qs端在第9个串行时钟的下降沿开始输出。(15)脚为并行输出状态控制端，(15)脚为低电平时，并行输出端处在高阻状态，在用cd4094作显示输出时，可使显示数码闪烁。显示电路如图4.14所示：4.3.6 键盘电路键盘电路采用8位直连键盘，8个i/o口均外接4.7k的上拉电阻。按键未按下时i/o口为高电平，一旦有按键按下则相应的i/o口变低。除此之外为了防止干扰信号对i/o口的影响，每一路按键都加入了滤波电路。该电路简易，控制方便。键盘电路如图4.15所示：图4.14 显示电路 图4.15 键盘电路5 软件设计5.1 主程序设计主程序流程图如图5.1所示：开始ad采样系统初始化显示状态动态显示故障判断键盘扫描系统状态机串口收发10ms事件处理1ms事件处理100ms事件处理图5.1 主程序流程图主程序主要完成系统初始化及1ms、10ms、100ms的事件处理。应用c8051f120内部定时器2产生1ms中断，由该1ms衍生出其它的10ms、100ms事件处理。将其它部分的程序根据需要调用的间隔放入不同的事件处理中。主程序如下：void main( void )init_cpu(); /cpu初始化while(1) / 1ms事件处理 if( flag_1ms ) flag_1ms = 0; counter_1ms+;if( counter_1ms = 10 ) counter_1ms = 0; flag_10ms = 1;fun_adc();fun_disp();/ 1ms事件处理 结束 / 10ms事件处理 if( flag_10ms ) flag_10ms = 0; counter_10ms+;if( counter_10ms = 10 ) counter_10ms = 0; flag_100ms = 1;fun_keyscan();fun_faultjudge();fun_uart(); fun_statemachine(); / 10ms事件处理 结束/ 100ms事件处理 if( flag_100ms ) flag_100ms = 0; counter_100ms+;if( counter_100ms = 10 ) counter_100ms = 0; flag_1s = 1; fun_dispstate(); / 100ms事件处理 结束/ 1s事件处理 if( flag_1s ) flag_1s