（机械电子工程专业论文）c8051f040单片机系统设计及其在鞋靴压力测量中的应用.pdf

c 8 0 51 f 0 4 0 单片机系统设计及其在鞋靴压力测量中的应用 摘要 c 8 0 5 1 f 0 4 0 是款s o c 级微控制器芯片，在一个芯片内集成了数据采集和控制系统所 需要的模拟与数字外设及其它功能部件。本文在深入研究单片机系统与鞋靴压力测量技术 的基础上，完成了以c 8 0 5 1 f 0 4 0 为主控制器的单片机系统设计，以及该系统在鞋靴压力测 量中的应用研究。硬件设计中以c 8 0 5 1 f 0 4 0 的片上资源为基础，并配以其它接口部件，完 成了该系统的主控单元、电源、r s 2 3 2 通信、c a n 通信、键盘、l c d 显示、模拟输入输 出等功能模块的设计，之后完成了系统的p c b 设计、元器件的焊接和电路板的调试。同时， 通过编制三种类型数据帧的收发程序，说明了c a n 通信程序设计的常用方法。在此基础 上，将单片机系统搭配f l e x i f o r c e b 2 0 1 柔性压力传感器及相应的信号调理电路，设计出了 鞋靴压力测量仪，并对该测量仪进行了标定与精度等级测试。 实验表明，c 8 0 5 1 f 0 4 0 单片机系统运行稳定可靠，精度高，能完成一定的测量与控制 任务。由鞋靴压力测量仪的实测数据分析得出，该仪表基本上能满足测量要求。 关键词：c 8 0 5 1 f 0 4 0 ；硬件设计；c a n 总线；压力测量 t h ed e s i g no fs i n g l ec h i pm i c r o c o 咿u t e rs y s t e m b a s e d0 nc 8 0 51f 0 4 0a n di t sa p p l i c a t i o n i np r e s s u r em e a s u r e m e n to fs h o e s a b s t r a c t c 8 0 51f 0 4 0i sak i n do fs o cm i c r o p r o c e s s o rc h i p a n a l o g o u sa n dd i g i t a lp e r i p h e r a ld e v i c e s a n do t h e rf u n c t i o n a lc o m p o n e n t st h a ta r eu s e di nd a t aa c q u i s i t i o na n dc o n t r o ls y s t e m sa r e i n t e g r a t e di m ot h i sc h i p b a s e do nd e e pr e s e a r c ho ns i n g l ec h i pm i c r o p r o c e s s o rs y s t e ma n dt h e m e a s u r e m e n tt e c h n o l o g yo fp r e s s u r eo fs h o e s ，t h ed e s i g no fs i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e rs y s t e m b a s e do nc 8 0 51f 0 4 0a n di t sa p p l i c a t i o ni np r e s s u r em e a s u r e m e n to fs h o e sa r ef i n i s h e d b a s e do n t h er e s o u r c e so nc h i po fc 8 0 51f 0 4 0a n do t h e ri n t e r f a c ec o m p o n e n t s ，t h ed e s i g no fm a i nc o m r o l u n i t ，p o w e rs u p p l ym o d u l e ，r s 2 3 2c o m m u n i c a t i o nm o d u l e ，c a nc o m m u n i c a t i o nm o d u l e ， k e y b o a r d ，l c dm o d u l e ，a n a l o g o u si n p u ta n do u t p u tm o d u l ea r ef i n i s h e d a f t e rt h a t ，t h ed e s i g n o fp r i m e dc i r c u i tb o a r do ft h es y s t e m ，w e l d i n go fc o m p o n e m sa n dt e s t i n go ft h es y s t e ma r ea l s o f i n i s h e d m e a n w h i l e ，t h ec o m m o nd e s i g nm e t h o d so fc a nc o m m u n i c a t i o np r o g r a m sa r e p r e s e n t e db yt h r e ek i n d so fd a t af r a m er e c e i v i n ga n ds e n d i n gp r o g r a m s f u r t h e r m o r e ，t h ed e s i g n o fm e a s u r e m e n ti n s t r u m e n to fs h o e sp r e s s u r ei sf i n i s h e dw h i c hi sc o m p o s e do ft h es i n g l ec h i p m i c r o c o m p u t e rs y s t e m ，f l e x i b l ep r e s s u r e s e n s o rf l e x i f o r c e b 2 01a n dc o r r e s p o n d i n gs i g n a l c o n d i t i o n i n gc i r c u i t t h ec a l i b r a t i o na n dp r e c i s i o nt e s t i n go ft h i sm e a s u r e m e n ti n s t r u m e ma r e p e r f o r m e d e x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wt h a tt h e s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e rs y s t e mo fc 8 0 5 1f 0 4 0 p e r f o r m sw e l li ns t a b i l i t ya n dp r e c i s i o n ，a n df i t sf o ra c e r t a i na m o u n to fm e a s u r e m e n ta n dc o m r o l t a s k s a c c o r d i n gt o t h ea n a l y s i so fm e a s u r e m e n td a t a ，t h em e a s u r e m e n ti n s t r u m e n tc a n e s s e m i a l l ym e e tm e a s u r e m e n tr e q u i r e m e n t s k e yw o r d s ：c 8 0 5 1 f 0 4 0 ：h a r d w a r ed e s i g n ：c a nb u s ：p r e s s u r em e a s u r e m e n t 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师的指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和 集体，均已在文中以明确方式标明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 宗散 日期：2 d d 8 年i2 月1 日 学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解北京服装学院有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在 校攻读学位期i 习j 论文工作的知识产权单位属北京服装学院。学校有权保留并向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版，允许学位论文被查阅、借阅和复印；学校可以将学 位论文的全部或部分内容公开或编入有关数据库进行检索，可以允许采用影印、缩印或其 它复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后适用本授权书。 学位论文作者签名：日期：1 油8 年月j 日 刷谧轹和习绛 嗍m 躔引同 北京服装学院硕十学位论文 第l 章绪论 1 1单片机的发展历程 单片微型计算机( s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r ) 简称单片机，是将计算机的基本部分微型 化，使之集成在一块芯片上的微机。随着科技的发展，单片机已不是一个陌生的名词，它 的出现是近代计算机技术发展史上的一个重要罩程碑，单片机的诞生标志着计算机正式形 成了通用计算机系统和嵌入式计算机系统两大分支。单片机单芯片的微小体积和低的成 本，可广泛地嵌入到如家用电器、机器人、仪器仪表、汽车电子系统、工业控制单元、办 公自动化设备、金融电子系统、舰船、个人信息终端及通讯产品中，成为现代电子系统中 最重要的智能化工具。 从单片机技术的发展来看，经历了s c m ( s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r ) 、m c u ( m i c r o c o n t r o l l e ru n i t ) 以及s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 三个阶段【1 1 。 s c m 阶段即单片机阶段，这一阶段的技术发展方向主要是寻求具有最佳单片形态的嵌 入式系统体系结构。在开创嵌入式系统独立发展的道路上，i n t e l 公司作出了巨大贡献，它 的“创新模式”获得成功，奠定了s c m 与通用计算机完全不同的发展道路。“创新模式” 利用大规模集成电路技术，将c p u 、r a m 、r o m 、定时计数器以及输入输出( 1 1 0 ) 接 口电路等主要计算机部件，集成在一块集成电路芯片上，这样所组成的芯片级微型计算机， 即为单片机的最初结构。虽然此时单片机只是一个芯片，但从组成和功能上看，它已具有 了微机系统的含义。这一阶段包含了两代单片机产品：第一代，以1 9 7 6 年推出的m c s 4 8 系列的8 0 4 8 为代表，其主要的技术特征是将c p u 和计算机外围电路集成到了一个芯片之 上，成功地构成了新型的s c m ，并与通用c p u 分道扬镳，为单片机的进一步发展开辟了 成功之路；第二代，以m c s 5 1 系列的8 0 5 1 、8 0 5 2 为代表，对比第一代的功能有了较大提 升，主要表现在： ( 1 ) 扩大了片内存储容量以及外部寻址空间，程序存储器和外部数据存储器的寻址都 增加为6 4 k b 。 ( 2 ) 在片内数据存储器方面，采用8 位地址，寻址范围为2 5 6 字节，其中在8 0 h f f h 范围内离散分布着2 1 个特殊功能寄存器，其中1 1 个特殊功能寄存器具有位寻址能力。在 内部r a m 中，0 0 h1 f h 可分为4 个寄存器工作区。该寄存器工作区由选择指令进行切 换，从而有效地提高了c p u 的现场保护能力和实时响应速度。 ( 3 ) 具备较强的指令寻址和运算等功能，m c s 一5 1 系列单片机有1 1 1 条指令，可分 为4 大类，使用了7 种寻址方式。指令执行时间均在l p , s 左右，最长为4 p , s ，这样大大提 1 第l 章绪论 高了c p u 的运算与数据处理能力。 ( 4 ) 增设了具有特色的布尔处理机，在m c s - - 5 1 的指令系统中设置有位操作指令， 可用于位寻址空问，这些位操作指令与寻址空间一起构成布尔处理机。布尔处理机对于实 时逻辑控制处理具有突出的优点。 ( 5 ) 增强了并行口，这4 个8 位的并行i o 接口，既可用于地址和数据的传送，也可 与其它芯片连接，进行外部i o 接口的扩展。增设了全双工串行i o 接口，此接口是一个 全双工串行通信口，可用于数据的串行接收和发送，为构成串行通信网络提供了方便。 ( 6 ) 增强了中断功能。m c s - - 5 1 系列单片机的中断优先级设置有2 级，可接收5 个 中断源的中断请求，中断优先级别可由用户自己定义，这样更加方便应用于数据采集与处 理、智能仪器仪表及工业过程控制。 ( 7 ) 增强了定时计数器功能。2 个定时计数器均为1 6 位( 8 0 4 8 为8 位) ，且提供4 种工作方式，这样既扩大了定时计数范围，又方便了用户的灵活使用。 这一阶段的两代单片机虽然都未能突破单片微机的内涵，但它们的形式结构、技术特 点为发展具有良好兼容性的新一代单片机奠定了良好的基础。 m c u 阶段即微控制器阶段，这一阶段主要的技术发展方向是为了满足嵌入式应用的要 求，不断扩展对象系统所要求的各种外围和接口电路，以实现对对象的智能化控制能力。 在单片机由s c m 阶段向m c u 阶段的发展过程中，p h i l i p s 公司起到了重要的推动作用。这 一阶段的单片机产品称为第三代单片机，以8 0 c 5 1 系列为代表，p h i l i p s 、s i e m e n s 、a t m e l 等公司也以8 0 c 5 1 为内核推出了大量各具特色、与m c s - - 5 1 兼容的单片机。第三代单片 机有以下一些突出的结构和技术特点： ( 1 ) 单片机在结构上多采用f l a s hr o m 技术，这项技术的应用极大的改变了传统单片 机系统的结构模式以及开发和运行条件。 ( 2 ) 8 0 c 5 1 系列单片机实现了向外部接口电路扩展，以完成完善的控制功能。如增加 了芯片间的串行总线，为单片机应用系统设计提供了更多灵活的方式。p h i l i p s 公司开发的 8 x c 5 9 2 单片机还引入了具有较强通信功能的网络系统总线( c a nb u s ) 等，这一系列单 片机具有的总线结构为系统的扩展打下了良好的基础。 ( 3 ) 8 0 c 5 l 系列有的产品中增加了以下外部接口功能单元，如a d 、w d t ( 看门狗定 时器) 、p c a ( 可编程急速器阵列) 、p w m 、高速i o 口等，方便了数据采集与处理。另外， 8 0 c 5 1 系列采用了c m o s 技术制造而成，比m c s - - 5 1 系列集成度高、速度快、功耗低。 s o c 即片上系统，它是在超深亚微米工艺技术的支持下，将不同功能模块集成到一块 2 北京服装学院硕士学位论文 硅片上的完整系统芯片。在嵌入式系统应用进入s o c 模式这个技术潮流中，作为8 位经典 结构的8 0 5 l 以其典型的体系结构和良好的兼容性，使它成为了一个通用的嵌入式处理器 内核的结构模式，得到了众多厂家的认可。目前的s o c 芯片与板上系统相比，具有以下一 些优点： ( 1 ) 集成技术的最大化利用，降低了产品开发成本，简化了系统加工的复杂程度，缩 短了产品开发周期，并有利于降低系统功耗，减少电路板信号传送时所造成的系统信号干 扰。 ( 2 ) 减少了外围驱动接口单元及电路板之问的信号传递，提高了数据传输与处理速度。 s o c 正在发展成为满足现代科学和工程技术要求的现代应用电子技术，它为现代电子 工程师提供了一个经济快捷的系统设计方法，使传统观念上认为高性能、高复杂度、高成 本的嵌入式结构，能够通过低成本的单片芯片实现。s o c 使单片机技术产生了历史性、革 命性的变化，将应用电子系统的设计技术，从选择厂家提供产品的阶段，推动到了用户自 行开发设计器件与应用系统的阶段。 1 2 鞋靴压力测量简述 1 2 1人体足部的生物力学 人体的足是由2 6 块骨，3 3 个关节和1 2 6 根韧带、肌肉和神经所组成的网状分层结构。 它的基本功能是承受体重、缓冲、吸收冲击力；产生向前的推动力以及协调和维持人体的 平衡等。相关研究资料显示【2 】，在人类步行中足部所承受的地面反作用力最高可达体重的 1 5 倍；跑步时能达到体重的2 - - - 3 倍；而在跳跃落地动作中足部所承受的地面反作用力更 能高达体重的7 倍，如在跳远起跳时支撑腿受到的地面反作用力达到了体重的1 0 倍。就 r 常的生活而言，平均每人每天大概要走8 0 0 0 - - - 1 0 0 0 0 步。可以看出，人体足部每天要承 受的压力是相当巨大的，对这些压力进行各种定性或定量的研究成为了一个生物学课题。 1 2 2 鞋靴压力测量的应用领域 随着时代的发展，物质生活水平的提高，人们对足部保健日趋重视。鞋早己脱离了人 类御寒保暖工具的概念，越来越向功能型、保健型的方向发展。从生物力学的角度来说， 站立与行走是人体最基本的运动形式之一，鞋是人体全部重量的承受者，因此，检测人体 行走时鞋靴的受力状态等与生物力学有关的物理量，从而进一步分析人体各部位的受力状 况以及机械功、代谓 能量消耗等情况是十分必要的。 鞋靴压力测量是步念研究中的一个重要分支，它既是步态研究的重点，也是一个难点。 第1 章绪论 对站立与行走时足部与鞋靴之间的压力进行测量和分析，可以获得反映人体下肢的结构、 功能以及全身协调性等方面的信息。目前，这项技术已经应用于各个领域，如生物力学、 康复医学、矫形外科、体育训练、公安、人机工程方面、制鞋业等等，具有重要的科学意 义和应用价值。 目前，鞋靴压力测量的应用主要集中于以下几个方面： ( 1 ) 在康复医疗领域，鞋靴压力分析可以为诊断疾病、确定康复和治疗方案提供重要 依据，是珍断病态步伐和评估康复仪器以及辅助步行装置性能的重要手段之一。 ( 2 ) 在临床医学领域，例如与临床医学相结合研究糖尿病患者足底溃疡和j x l 湿病患者 足骨变形等病理现象，以及对矫形术作出合理的评价，假肢的计算机辅助设计和制造。还 用于监测全髓置换术后病人、少年慢性关节炎患者以及膝关节手术后病人的步态情况p j 。 ( 3 ) 在体育运动领域，运动员对专业运动鞋的压力舒适方面个性化需求不断提高，更 加注重于运动时可以减缓足部震动，减轻足部压力的运动鞋，因此在专业运动鞋的设计方 面，鞋靴压力测量是一个必不可少的环节。 1 2 3 鞋靴压力测量的研究现状 在国外，已有多种成形的足部及鞋靴压力测量系统应用于测量研究。德国的n o v e l p e d a r 足底压力分布测量系统，采用电容传感器技术，该系统使用气体压力对设备进行 标准化设定，所有的传感器可以在同时进行标准化，而且方法简单方便快捷。该系统可以 使用不同的p c m c i a 卡进行长时间的数据采集，并且在数据采集时能够有很大的灵活性， 可以直接使用该系统进行走、跑、上楼、运送货物、甚至是骑自行车的足底数据采集，然 后再将数据传递给计算机分析处理，因此该仪器可用于日常运动训练时的负荷测量。美国 的a m t i 生物力学测力板系统，具有不同传感器，可以满足不同测量要求，测量三维足一 地作用力以及力矩，并进行频率分析，已用于运动员的训练分析。英国的m u s g r a v e 测 力板系统，可以测量足底压力、足地接触面积以及时间参数等。各家鞋类制造商也都有专 门的研究人员来进行鞋靴压力的测量与研究分析。著名运动鞋品牌n i k e 、a d i d a s 、r e e b o k 等公司，他们都有自己专门的研究机构，其中鞋靴压力测量是研究人员在进行运动学、动 力学测试时的一项重要内容。n i k e 公司每年在鞋类研究方面投资有上千力美元，该公司所 有新产品的基础研究都是由n i k e 体育实验室、瑞士e t h 生物力学实验室、p e n n s y l v a n i a 州大学生物力学实验室等合作进行的。这些实验室在各种运动鞋的设计与研究开发中，将 人体生物力学等诸多因素考虑在内，这样开发出的鞋类产品确保了运动员在运动时不仅穿 着舒适合体，而且足部受到了有效的保护。n i k e 公司的多种款式运动鞋，不仅具有缓冲、 4 北京服装学院硕士学位论文 减压、减震作用，还能提供推动力，对运动员提高成绩有一定的帮助1 4 。 我国丌始在该领域产品的开发和研制比国外晚了将近2 0 年，与世界先进水平也还有很 大的差距。目自仃市场虽然大部分被国外产品所占据，应该看到，国内也有不少机构正在进 行该领域的研究工作，国家基金对此方面的投入也在逐步加大，所有我们正在逐步缩小与 美国、德国等发达国家的差距。 国内产品中较有代表性的是合肥旭宁科技有限公司研制开发的分布式阵列传感器测试 系统，其传感器采用厚膜传感器制备工艺和复合压制成型工艺生产，有印迹传感器阵列、 柔性力传感器阵列和柔性压力传感器阵列三类。点阵密度最高可达4 点c m 2 ，压力敏感面 积为l m x l 2 m ，可裁剪成各种形状的传感器( 如鞋垫) ，也可以组合成很大的面积( 如跑 道、实验室、场馆) 。该系列产品应用领域为：数字化跑道、数字化跑鞋、步态分析：工 业测量( 测量两个接触面的压力、印迹分布图) ：检测密封垫、轮胎纹路、跑道、坐垫或 椅子舒适度等【5 1 。 1 3 课题研究背景与内容 本学位论文得到了北京市教委“基于人机工学的高跟鞋压力舒适性的研究面上项目 的资助。该项目中关于鞋压力舒适性的研究需要测量鞋靴压力数据作为研究对象，国内现 有的测量技术与系统有诸多不足之处，国外的成套系统价格也非常昂贵，因此需要开发出 一套能够实现鞋靴压力信号的采集、调理、计算、存储与显示等功能的系统。s o c 型单片 机c 8 0 5 1 f 0 4 0 具有完善的体系结构、良好的兼容性和易扩展性以及丰富的模拟与数字资源， 非常适合数据采集与处理的需要，因此本文将它作为主控制器开发出一套单片机系统，在 此基础上，选择合适的压力传感器及信号调理电路，以完成鞋靴压力测量的任务。此s o c 单片机系统也可与其它设备构成测量网络，完成一定的测量与控制任务。此外，开发s o c 单片机系统对于我校单片机课程教学研究工作也有一定的帮助作用。 1 4 论文的主要结构 本论文共分5 个章节展开论述，各章节内容如下： 第一章为绪论，对单片机的发展、人体生物力学、鞋靴压力测量的应用领域和发展现 状、课题的研究背景及内容做了阐述。 第二章为c 8 0 5 1 f 0 4 0 单片机系统硬件设计，先对整体设计框架、各模块功能以及 c 8 0 5 1 f 0 4 0 的技术特点做了介绍，然后逐个对系统各个硬件模块的设计做了论述，设计中 对系统可靠性、抗干扰性能做了较多考虑，最后介绍了系统p c b 的设计。 第三章为c a n 总线通信研究。系统介绍了c a n 通信协议、报文帧结构以及c 8 0 5 1 f 0 4 0 s 第l 章绪论 的c a n 寄存器，然后介绍了c a n 网上3 种通信的软件设计方法。 第四章为鞋靴压力测量。对传感器的选择、性能指标、信号调理电路、a d 转换与压 力显示做了逐一说明，并对压力测量仪进行了标定。最后由实测数据得出了该压力测量仪 的一些技术参数。 第五章为本文的结论，总结了论文的主要工作，并对以后的工作进行了展望。 6 北京服装学院硕十学位论文 第2 章c 8 0 51 f 0 4 0 单片机系统硬件设计 2 1 硬件总体结构与功能 2 1 1总体结构 在单片机系统的设计过程中，自上而下按系统功能层次把硬件和软件分成若干个模 块，分别进行设计与调试，然后把它们连接起来，进行总调，这就是设计的最基本思想。 本文设计的单片机系统以c 8 0 5 1 f 0 4 0 为核心，向外扩展设计各功能模块，c 8 0 5 1 f 0 4 0 在其 中起控制及数据处理作用。图1 为c 8 0 51 f 0 4 0 单片机系统硬件结构框图。 图1c 8 0 5 1 f 0 4 0 单片机系统硬件结构框图 2 1 2 各模块功能 c 8 0 5 1 f 0 4 0 单片机系统由主控制单元、电源模块、c a n 通信模块、r s 2 3 2 串行通信模 块、键盘与l c d 显示模块、模拟输入输出模块六大功能模块组成。主控制单元是系统的 核心部件，负责完成数据处理与存储、基本指令控制等，它是整个c 8 0 5 1 f 0 4 0 单片机系统 最不可或缺的部分；电源模块是系统的动力能源，为其它模块正常工作提供必需的能源输 出；c a n 通信模块、r s 2 3 2 串行通信模块是系统与外界联系的路径；键盘是操作人员向系 统发出指令的工具，l c d 显示模块则是系统显示其输出结果的平台；模拟输入输出通道对 模拟量( 主要是电压信号) 进出主控制器前做一定的处理，保证系统正常工作。 2 1 3 c 8 0 5 1 f 0 4 0 单片机 s i l i c o nl a b s 公司推出的c 8 0 5 1 f 系列单片机在许多方面已超出当前8 位单片机的水平， 7 第2 章c 8 0 5 1 f 0 4 0 单片机系统硬什设计 实现了真正的系统单片化。图2 为c 8 0 5 1 f 0 4 0 的基本结构图： i 系1 墓羽 丝太墨i 佩 q g i 1 2 位l a d c i 模拟外设 数字i 0 c a n 2 0 b u a r t 0 u a r t l s m b 嗵一 s p i ，总线 ；日j 。编程t f | 数器阵列 ( p r a ) 定 、j 器o 每替 器l 1 器2 定h !器3 定h - 、+ 器4 冈圈 副蠢lu i 器i i _ j 8 0 51c p u 6 4 i ( 2 5 m i p s ) i s p 2 0 个d e b i 中断源调试畦 图2c 8 0 5 1 f 0 4 0 的内部结构图 c 8 0 51 f 0 4 0 是高度集成的混合信号s o c 级微控制器芯片，具有与8 0 51 单片机兼容的 高速c i p 5 1 微控制器内核，除了标准8 0 5 1 的数字外设部件外，片内还集成了数据采集与 控制系统中常用的模拟部件及其它些数字外设部件。下面对它的基本功能与特性作一介 绍： ( 1 ) 增强型8 0 5 1 c p u c i p 5 1 微控制器 c 8 0 5 1 f 0 4 0 单片机系统控制器的内核采用c i p 5 1 微控制器，它与m c s 5 1 指令集完全 兼容，可以使用标准8 0 3 x 8 0 5 x 汇编器和编译器进行软件开发。c i p 5 1 内核具有标准8 0 5 2 的所有外设部件，包括5 个1 6 位的计数器定时器、两个全双工u a r t 串行接口、2 5 6 字 节内部r a m 、1 2 8 字节特殊功能寄存器( s f r ) 地址空间及8 个8 位宽的i o 端口。 ( 2 ) 速度提升 c i p 5 l 采用流水线结构，与标准的8 0 5 1 结构相比指令执行速度有很大的提高。在标 准8 0 5 1 中，除m u l 和d i v 以外所有指令都需要1 2 或2 4 个系统时钟周期，最大系统时 钟频率为1 2 - 2 4 m h z 。而对于c i p 5 1 内核，7 0 的指令的执行时间为l 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。c i p 5 1 共有1 1 1 条指令。c i p 5 l 工 霹 霹 北京服装学院硕士学位论文 作在最大系统时钟频率2 5 m h z 时，其峰值性能达到2 5 m i p s 。下表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1c i p 5 1 内核指令条数与系统时钟周期数的关系 ( 3 ) 功能改进 c 8 0 5 1 f 0 4 x 系列m c u 对c i p 5 1 内核和外设有几项关键性的改进，提高了整体性能， 更易于最终应用。标准8 0 5 1 只有7 个中断源，c 8 0 5 1 f 0 4 x 系列m c u 通过对内核中断系统 的扩展，可向c i p 5 1 提供2 0 个中断源。允许大量的模拟和数字外设中断微控制器。 m c u 可有多达7 个复位源：一个片内v d d 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、c n v s t r 0 输入引脚 及r s t 引脚。r s t 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 r s t 引脚。除了v d d 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。 ( 4 ) 其他设备 控制器局域网( c a n 2 0 b ) 控制器，具有3 2 个消息对象，每个消息对象有其自己 的标识符； 全速、非侵入式的在系统调试接口( 片内) ； 1 0 0k s p s 的1 2 位a d c ，带p g a 和8 通道模拟多路开关； 允许高电压差分放大器输入到1 2 位a d c ( 6 0 v 峰峰值) ，增益可编程； 5 0 0k s p s 的8 位a d c ，带p g a 和8 通道模拟多路开关； 两个1 2 位d a c ，具有可编程数据更新方式； 6 4 k b 的可在系统编程的f l a s h 存储器； 4 3 5 2 ( 4 k + 2 5 6 ) 字节的片内r a m ； 可寻址6 4 k b 地址空间的外部数据存储器接口； 硬件实现的s p i 、s m b u s 1 2 c 总线接口： 具有6 个捕捉比较模块的可编程计数器定时器阵列： 片内看门狗定时器、v d d 监视器和温度传感器。 ( 5 ) 可编程数字i o 端口和交叉丌关 c 8 0 5 1 f 0 4 0 中除具有4 个标准的8 0 5 1 端口p o 、p 1 、p 2 、p 3 外，还附加了4 个端口 9 第2 章c 8 0 5 1f 0 4 0 单片机系统硬件设计 p 4 、p 5 、p 6 、p 7 。这6 4 个多功能的i o 端口每个引脚都可以被配置为漏极开路或推挽输 出方式，方便用户使用 6 。 另外，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、 a d c 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在端口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。 2 2 主控制单元 主控制单元是指能够维持单片机正常运行的基本配置系统，它是单片机系统的核心。 因此，主控制单元设计的好坏将直接影响整个单片机系统的性能。 2 。2 1主控制单元的基本组成 主控制单元的构成如图3 所示： 图3 主控制单兀结构图 主控制单元由五大部分组成，分别为时钟电路、复位电路、电源、c p u ( c 8 0 5 1 f 0 4 0 ) 、 j t a g 调试电路。复位电路是系统能否处于初始状态和正常工作的基本电路；时钟电路是 单片机的心脏，它控制着单片机的工作节奏；电源是系统能源的保障( 电源电路设计见2 3 节) ；单片机是系统的核心：j t a g 调试电路则是单片机系统在线调试的工具。要保证主控 制单元的可靠工作，只有在其各个组成部分协调可靠工作的前提下才能够实现。 c 8 0 5 1 f 0 4 0 功能已经非常完备，但仍有一些功能器件无法集成到芯片内部，如晶振( 时 钟电路) 、复位电路等，需要在片外接相应的电路。 2 2 2时钟电路 c 8 0 5 1 f 0 4 0 包含一个内部振荡器和一个外部振荡器驱动电路，每个驱动电路都能产生 系统时钟。当r s t 引脚为低电平时，两个振荡器都被禁止。c 8 0 5 1 f 0 4 0 可以从内部振荡器 或外部振荡器起振，使用c l k s e l ( 时钟选择寄存器) 的c l k s l 位可控制系统时钟在两 个振荡器之间切换。c 8 0 5 1 f 0 4 0 的各种起振方式如图4 所示。 l o 北京服装学院硕十学位论文 0 s c l c ro s c i c 摊c u ( s e l 选鹱3 秀吝 舀 。 鎏 悉 x t l 1霹堇垃 曼 耵a l 2 i 一一 l 硫i 口4 i hi 卜 x t a l l e 褂 厶，。 _ 荭 缡程n 箭 旧l - o ”卿发生器 造强2选王盘1 s y s c “ ；v 、x t a l l x刁 喜 z 7 1 口 输入电路 d s c i x t a l l 、!由 ， x t a i 甜 | t j l ! 专 i _ ； i 盘冒 8n一 。 o1 石u舀 矗露 弓o 毖 妇蠡 曼 鲁：g霉 m o s c x c 辩 l 图4c 8 0 5 1 f 0 4 0 起振方式示意图 ( 1 ) 可编程内部振荡器 c 8 0 5 1 f 0 4 0 包含一个可编程内部振荡器，该振荡器在系统复位后被默认为系统时钟。 内部振荡器的周期可以通过o s c i c l ( 内部晶振控制寄存器) 调整。o s c i c l 在出厂前已 被校准，对应2 4 5 m h z 的振荡频率。内部振荡器可以被允许和禁止，可编程内部振荡器频 率不能超过2 5m h z 。系统时钟可以从内部振荡器分频得到，分频数由寄存器o s c i c n 中 的i f c n 位设定，可为1 、2 、4 或8 。 ( 2 ) 外部振荡器驱动电路 外部振荡器电路可以驱动外部晶体、陶瓷谐振器、电容或r c 网络来提供系统时钟， 也可以使用一个外部c m o s 时钟来提供。下面来一一说明。 外部c m o s 驱动器 主时钟可以由一个接到x t a l l 输入脚的外部c m o s 电平时钟源提供。在这种配置下， x t a l 2 悬空，如图4 中选项4 所示。 外部r c 网络 如果用外部r c 网络产生m c u 的时钟，则应选择图4 中的选项2 。电容不能大于1 0 0 p f ， 但由于p w b 寄生电容的影响，使用过小的电容将增加频率偏差。选择振荡器频率范围参 第2 章c 8 0 5 1 f 0 4 0 单片机系统硬什设计 照式( 2 1 ) ： f = ( 1 2 3 x 1 0 3 ) ( r x c ) ( 2 1 ) 外部电容网络 如使用外部电容产生m c u 的时钟，则电路为图2 3 中的选项3 。选择振荡器频率范围 由式( 2 2 ) 决定： f = k f ( c xav + ) ( 2 2 ) 式( 2 - - 2 ) 中：f 为振荡器频率( m h z ) ；c 为x t a l l 、x t a l 2 引脚上的电容值( p f ) ； a v + 为供给m c u 的模拟电源电压值( v ) 。 外部晶体 主时钟可以通过将一个晶体或陶瓷谐振器并接x t a l l 和x t a l 2 而得到。这种配置需 要将x o s c m d ( o s c n c n 寄存器的4 、5 、6 位) 设置为1 1 0 以直接使用晶体频率，或 设置为1 1 1 以允许二分频器，并且要根据晶体频率、等效负载电容和晶体的等效串联电 阻( e s r ) 来设置x f c n 。图4 中选项1 给出了使用外部晶体的系统配置。 注意，负载电容 应接到模拟地平面。还应该注意晶体振荡器反向器的反馈电阻已在片内提供，不需要外接 电阻。 新华龙公司推荐采用这种方案，并且推荐两个电容值都为3 3 p f ，晶振为2 2 1 1 8 4 m h z 。 本文采用的也是这种方案。接口电路如图5 所示： l 茹坩叫二2 i q 口卜 2 2 1 1 8 4 h 皿z = ? 王= c 2 3 3 p f3 3 p f 图5 晶振电路 2 2 3复位电路 复位电路允许很容易地将控制器置于一个预定的缺省状念。在进入复位状态时，以下 事件将发生： 1 2 北京服装学院硕士学位论文 c i p 5 1 执行代码重新回到0 x 0 0 0 0 ，即p c ( p r o g r a mc o u n t e r ) 的值为0 x 0 0 0 0 ； 特殊功能寄存器( s f r ) 被初始化为默认值； 外部端口被置于一个己知状态； 中断和定时器被禁止。 有7 种情况会导致c 8 0 5 1 f 0 4 0 进入复位状态：上电、失电、外部r s t 引脚低电平、 外部c n v s t r 0 信号、软件命令、比较器o 、时钟失步检测及看门狗溢出。设计中硬件复 位采用按键复位电路，即将r s t 引脚置为低电平。复位电路如图6 所示，3 3 v d 为数字 电压源，b 1 即为复位按键。 图6 按键复位电路图 2 2 4j t a g 调试电路 ( 1 ) j t a g 简介 针对现代集成器件规模越来越大，而封装越来越小，内部也更加复杂，传统的电路测 试方法已经远远不能满足需要，现代s o c 型单片机系统对电路调试提出了更高的要求，为 此国际标准化组织制定了边界扫描结构与测试协议i e e e l l 4 9 1 ( 又称为j t a g 协议) 。协 议中定义了可用于完成功能测试、互连测试以及内建自测过程的各种指令。芯片生产厂商 对其扩充后，使j t a g 接口广泛应用于f l a s h 芯片的编程。 ( 2 ) j t a g 调试电路设计 c 8 0 5 1 f 0 4 0 具有一个完全符合i e e e l l 4 9 1 协议规范的片内j t a g 接口和逻辑，提供生 产和在系统测试所需要的边界扫描功能，支持f l a s h 的读、写操作以及非侵入式在系统调 试。 j t a g 接口使用c 8 0 5 1 f 0 4 0 上的四个专用引脚，它们是：t c k 、t m s 、t d i 和t d o 。 设计中采用一个1 0 针直插封装的接口连接片内j t a g 的4 个引脚与p c 机，具体电路如图 i3 第2 章c 8 0 5 i f 0 4 0 单片机系统硬什没计 7 所示，j l 即为j t a g 接口，各口线接法如表2 所示。 图7 j t a g 接口电路图 表2c 8 0 5 1 f 0 4 0j t a g 口线定义 引脚定义 3 3 v d ( 3 3 数字电压) 3 3v d g n d ( 接地) t c k t m s t d o t d i 悬空 2 3电源模块 电源涉及到整个单片机系统中的主控制单元、显示模块、通信模块等的供电，要做较 细致的考虑。c 8 0 5 1 f 0 4 0 上的电源引脚均需要3 3 v 直流电源供电，其中又有模拟电源与数 字电源之分。通信模块与显示模块中的芯片需要5 v 直流电源供电。因此，整个电源模块 的设计基于这样两个考虑：一是处理好3 3 v 模拟与数字电源的关系，二是设计3 3 v 与5 v 混合直流电源【7 1 。 2 3 1 设计3 3 v 模拟与数字电源 c 8 0 5 1 f 0 4 0 工作时所需的模拟电源和数字电源是要分别供电的，可以使用两个稳压源 分别供电，但是两个电源之间的电压差必须满足数据手册中的规定( o 5 v ，相差0 3 v 是 1 4 9 o 3 4 5 6 7 ， 8 2 北京服装学院硕士学位论文 比较理想的) 。实际使用中模拟电源和数字电源可以来自同一个稳压源的输出，只是需要 在a v + 与v d d 之间进行简单的滤波处理。滤波处理一般采用如下三种方案： ( 1 ) r c 滤波 该方案是在3 3 v a ( 3 3 v 模拟) 与3 3 v d ( 3 3 v 数字) 之间分别采用r c 滤波，电路 如图8 所示，电阻是采用2 q 的电阻( 并带有足够的寄生电感) ；这样既能降低成本又能 减少体积，但是电阻要消耗一定的功率，并且电阻两端有一定的压降；虽然这个压降是满 足数据手册中的标准，但是该电阻在市场上是比较难以买到的。 2 o 3 3 v d3 3 1 3 ，3 v k z下 1 r _ 1上 ， + 百= b ( 1 2 = 生毒- - 一 l u f tufl5 1 t fr 一叫 = i o 。 i o j - l 心 li 一j 弋7 图8r c 滤波电路 ( 2 ) 两个电源之间用一个小磁珠连接 图9 中l 1 为小磁珠( 原理图中用电感的符号) 。这种方案恰好适合a v + 与v d d 之 间的滤波，不过存在一定的弊端：串联的元件比较多，若其中有一个元件出了问题，导致 其他的电源也不能f 常工作，且查找错误也不方便。 图92 个电源之间用磁珠相连 ( 3 ) l c 滤波 如图1 0 所示，d 1 为3 3 v d 电源指示灯。该方案是将上面的两种方案结合在一起的， 是比较理想的。不仅能达到滤波的效果，而且几个电源电压之间差值非常小( 满足数据手 1 5 第2 章c 8 0 5 1 f 0 4 0 单片机系统硬什设计 册中的标准) 。成本低，性能好，因此3 3 v 电源采用这种方案。 图1 0l c 滤波电路 2 3 2 设计3 3 v 与5 v 混合直流电源 ( 1 ) 5 v 直流电源的设计 电源电路是引入强干扰的主要通道，瞬间干扰可以通过电源线窜入c p u 系统，所以电 源电路要较多的考虑抗干扰性能。在5 v 电源设计中，首先通过普通的变压器将2 2 0 v 交流 变为1 2 v 直流，然后通过电源模块z y l 2 0 5 i b s 1 w 将1 2 v 直流变换为稳定的5 v 直流电压。 z y l 2 0 5 i b s 1 w 是广州致远电子公司出产的定压输入、稳压单输出隔离电源模块，它 的效率高、体积小、可靠性高、耐冲击、隔离特性好，温度范围宽。具有良好的电磁兼容 性，输出纹波及噪声非