会昌单片机的综合实验教学系统设计与开发.doc

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 C8051F020 MCU-based Integrated Design and Development of Experimental Teaching SystemExperimental development board hardware circuit design (Times New Roman 16)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C8051F020 MCU-based Integrated Design and Development of Experimental Teaching SystemExperimental development board hardware circuit design Electrical Engineering and Automation Specialty ZHANG HuichangABSTRACT: This article want to argue how to develop the single chip microcomputer test chest based on SOC single chip microcomputer representing with C8051F020，this new test chest is aimed at the profession basic classes,the profession classes(single chip microcomputer principles and apply, interface technology etc)，class designation and graduating designation，at the same time，it will improve studentS experiment practical capability,operating ability and the teacherS quality of giving lessonsThe new experiment system on SOC single chip microcomputer has two mainly functions：(1)It offers two operating platforms，can independently work,also can work connecting with PC(2)It adapts to the teaching of the classes：the principle and interface of single chip microcomputer,the interface tecolonogy of single chip microcomputer This article set forth in every detail and particular about how to select types of controller chip and how to design the circuit of hardware，in addition elaborate the integrated development environment of C8051F020 single chip microcomputerThe elaboration include three parts：firstly,general introduce the structure of experiment system and the C8051F020 chip of the Cygual company in American Decssarce state secondly,give a detail introduction from the hardwareAt the hardware，the article mainly finish the ananlysisand designationg of every functional model，and use the DXP2004 to draw the diagram of system circuit principle，in the process of make the circuit board，we adopt a series of techlonogy about hardware interdisturb，last make a PCB board adapting to our designation demand；Key words：SOC；Protel99SE； electric design； interdisturbe目录1 引言41.1单片机的发展历程及SOC单片机的出现41.2单片机国内的发展现状及趋势52 SOC新型实验系统的总体设计52.1 系统的总体规划52.2 系统中有关功能模块的简单介绍63 SOC单片机C8051F02073.1 C8051FXXX系列SOC单片机简介73.1.1 C8051FXXX系列SOC单片机的组成73.1.2 C8051Fxxx系列SOC单片机的特点93.2 C8051F020单片机103.2.1 C8051F020的主要特点103.2.2 C8051F020单片机的组成133.3.2集成开发环境134 硬件电路的设计和实现154.1系统主要功能模块硬件电路的设计154.1.1 C8051_Core154.1.2 存储器模块164.1.3 CPLD模块174.1.4电源模块184.1.5输入输出模块184.1.6 LCD显示模块204.1.8实时实钟模块214.1.9 A/D和D/A采集模块234.1.10 以太网通讯模块234.1.11 USB从模式通讯模块244.2 电路的各种抗干扰措施及其实现274.2.1电源模块的抗干扰设计274.2.2 实验系统接地方法274.2.3 0欧姆电阻的引入284.2.4 信号传输中的抗干扰措施295 PCB板的设计与实现295.1 PROTEL99SE软件的简介2952绘制实验系统的原理图与PCB板的制作315.2.1 实验系统的原理图设计315.2.2实验系统PCB板的设计326 结论341 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(Single Chip Microcomputer)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(Micro Controller Unit)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MCS51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System on Chip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32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。2 SOC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（LANTCPIP）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：1C8051F020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。3CPLD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 DC 9V 2A电源适配器引入+9V电源，经由LM1805 V3.3、LM1805 V5、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。6LCD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。3 SOC单片机C8051F0203.1 C8051FXXX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。3.1.1 C8051FXXX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)CIP51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AD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24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。3.1.2 C8051Fxxx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IEEEll491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27v-36V)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。3.2 C8051F020单片机3.2.1 C8051F020的主要特点C8051F020是高度集成的片上系统。在一个芯片内集成了两个多通道ADC子系统(每个子系统包括一个可编程增益放大器和一个模拟多路选择器)、两个电压输出DAC、两个电压比较器，电压基准、SMBus/12C总线接口、UART、SPI总线接口、5个通用的16位定时器、一个具有5个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列(PCA)、内部振荡器、8个8位通用数字I/O端口和64KB的FLASH程序存储器以及与8051兼容的高速微控制器内核。C8051F020的主要特点如下：1模拟外设(1)逐次逼近型(SAR)ADC(AD00)12位；可编程转换速率，最大100Ksps；可多达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：16，8，4，2，1，05；数据相关窗口中断发生器；内置温度传感器(3)。(2)8位ADC(ADCl)可编程转换速率，最大500 Ksps；8个外部输入；可编程放大器增益：4，2，1，05。(3)两个12位DAC可以同步输出，用于产生无抖动波形。(4)两个模拟比较器16个可编程回差电压值；可用于产生中断或复位。(5)电压基准内部基准(2.4V，15*10-6/)；外部基准输入；(6)精确的VDD监视器和降压检测器可通过 MODEN 引脚允许或禁止。 2.片内JTAG调试和边界扫描片内调试电路提供全速、非侵入式的在系统调试；支持断点、单步、观察点、堆栈监视器，支持观察/修改存储器和寄存器；完全符合IEEEll49.1边界扫描标准。 3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；速度可达25MIPS(时钟频率为25MHz)；22个矢量中断源。 4存储器4352B内部RAM(4KB+256B)：64Kb的FLASH存储器，可以在系统编程，每个扇区为512B；外部64KB数据存储器接口(可编程为复用方式或非复用方式)。 5数字外设8个8位的端口I/O，所有口线均耐5V电压；可同时使用的硬件SMBus(与i2c兼容)、SPI及两个增强型UART串口；可编程的16位计数器/定时器阵列(PCA)，有5个捕捉/比较模块，6种工作方式；5个通用16位计数器/定时器；专用的看门狗定时器。 6时钟源内部可编程振荡器：2-16MHz；外部振荡器：晶体、RC、C或外部时钟；实时时钟(RTC)方式(用定时器3或PCA)。7封装100脚TQFPC8051F020单片机引脚图3.2.2 C8051F020单片机的组成C8051F022 原理框图PGA可编程增益放大嚣。PCA可编程计数器阵列。RTC实时时钟。SPI串行外设接口。UART异步传输串行口。SMBus系统管理总线。SFR特殊功能寄存器。3.3.2集成开发环境Cygnal提供的开发开发套件具有开发应用代码和进行在系统调试所需要的全部硬件和软件。每个套件包括：1一个具有调试器和8051汇编器的集成开发环境(IDE)；2一个从USB到JTAG的协议转换模块；3一个UCE-5在线调试下载工具；4一个电源适配器DC 9V 2A一、SilabsDE的主要优点Cygnal的集成开发环境(IDE)提供了开发和调试一个设计所必需的所有工具。IDE与C8051FxxxMcU的片内JTAG和调试逻辑接口，提供一个完整的开发系统，可以对安装在最终应用系统中的MCU进行在系统编程和非侵入式的全速、在系统调试。在系统调试不需要额外的目标RAM、程序存储器和寄存器。 Silabs公司用于CS051Fxxx系列SOC单片机的集成开发环境IDE(Integrated Development Environment)，提供了开发和调试所有必须的软件和硬件工具。IDE和ICP(在线编程)功能可对C8051Fxxx系列单片机的FLASH存储器进行编程。利用第三方工具软件，可以在Windows操作系统下实现编写程序、编译、下载、电路内仿真及调试程序等功能，可对硬件和软件进行实时测试。其主要有特点有：(1)具有源码编辑器。可利用PC提供源码编辑器，具有标准Windows编辑器的所有功能，包括编辑、复制、查找等。(2)内置调试电路。取代了传统仿真器的仿真头，可实时执行代码。(3)具有项目管理器。可保存编译过程中的所有文件。(4)内置FLASH编程器。允许在代码生成后，立即下载到单片机内部FLASH存储器。(5)可在线调试。包括运行控制、单步、实时断点等。(6)支持第三方软件开发工具。，(7)具有配置向导软件，简化了编程过程，减少了出错率。(8)用户界面可采用c语言编译器和汇编源代码调试。二、SilabslDE的工作原理在PC软件的支持下，通过片内JTAG接口可直接对安装在最终用户应用系统上的MCU进行非侵入式、实时在系统的仿真调试，所有的模拟和数字外设都可全功能运行。C8051Fxxx的调试系统连接图如图34所示。C8051F的U-EC5适配器通过RS-232串口或USB端口与PC主机连接，它的另一端插入目标板的标准JTAG接口上，目标板可以是用户的目标应用系统，也可以是厂方提供的开发套件。调试电路通过JTAG接口与PC主机之间利用单片机的TMS、TCK、TDI和TDO线，通过在线通信协议进行通信。因此TMS、TCK、TDI和TDO线在调试过程中不能作其他用途，在编程过程中也要用到这4条线。C8051Fxxx的适配器U-EC5既是一个在线调试器也是一个编程工具，它将程序写入C8051Fxxx单片机，并且提供实时代码执行、分步执行和断电等调试功能。其调试功能是通过内置调试电路与边界扫描功能电路实现的。众所周知，传统的在线仿真目标应用程序是在仿真器内部执行和仿真，而C8051Fxxx的调试系统是利用目标单片机承担在线操作，这就意味着所有的单片机外设(定时器、A/D转换器、旧引脚等)不是通过外部设备来进行重构和模拟，而是通过目标单片机进行模拟，而且利用U-EC5适配器的调试方法完全可以满足目标单片机的电气特性。 调试系统连接图4 硬件电路的设计和实现 4.1系统主要功能模块硬件电路的设计4.1.1 C8051_Core由于该实验系统由两块电路板组合完成，C8051F020_Core为核心板，该板子主要由C8051F020单片机及其外围电路构成，并包括一个JTAG口，可以对单片机进行在线调试。同时也对C8051F020单片机的端口资源分配，通过连接器与下层板子相连接。端口资源使用和分配如下：（电源端口、接地端口除外）端口功能端口功能端口功能端口功能1TMS23AIN0.555（P0.7）SCL70（P7.2）AD22TCK24AIN0.656（P0.6）SDA71（P7.1）AS13TDI25AIN0.757（P0.5）NSS72（P7.0）AD04TDO32（P1.4）CEX058（P0.4）MOSI73（P6.7）A155/RST33（P1.3）CEX159（P0.3）MISO74（P6.6）A1412VREF34（P1.2）CEX260（P0.2）SCK75（P6.5）A1315VREFD35（P1.1）RXD161（P0.1）RX076（P6.4）A1216VREF036（P1.0）TXD162（P0.0）TX077（P6.3）A1118AIN0.039P2.765（P7.7）AD778（P6.2）A1019AIN0.140P2.666（P7.6）AD679（P6.1）A920AIN0.243P2.367（P7.5）AD580（P6.0）A821AIN0.344P2.268（P7.4）AD491（P4.7）/WR22AIN0.445P2.169（P7.3）AD392（P4.6）/RD93（P4.5）ALE99DAC1100DAC051F020端口使用表图见附录14.1.2 存储器模块系统外扩了512kB 的FLASH 和256kB 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；256kB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。 外扩ROMAT49BV040B是一个512KB的FLASH存储器，其存储结构为：空间地址空间地址引导扇区16K00000-03FFF主存储区4：30000-3FFFF参数扇区8K04000-05FFF主存储区5：40000-4FFFF参数扇区8K06000-07FFF主存储区6：50000-5FFFF主存储区1：32K08FFF-0FFFF主存储区7：60000-6FFFF主存储区2：64K10000-1FFFF主存储区8：70000-7FFFF主存储区3：64K20000-2FFFF其地址A0-A118，其中低8位由CPLD提供，其高位由C8051F020单片机的P6口和P2.1、P2.2提供。具体使用方法见附录AT49BV040B.PDF。 外扩RAMFM18L08是Ramtrom公开发中心近年推出的一款存储容量为32KB的8位FRAM，其主要特点如下：3.0V3.6V单电源供电；并行接口；功耗低，静态电流小于15uA，读写电流小于10mA；非挥发性，掉电后数据能保存10年；读写无限次。/CE：片选，/WE：写使能，/OE：输出使能。其地址由CPLD和C8051F020单片机的P6口提供。具体使用方法见附录FM18L08.PDF。4.1.3 CPLD模块EPM3064是Altera的MAX3000A系列低成本CPLD器件。有1250个与门，64个宏单元，可支持在系统可编程能力（ISP），能够轻松地实现现场重配置。每个宏单元都可以独立地配置成顺序或组合逻辑操做。在本实验系统中它不能进行CPLD的编程实验，而且还能通过CPLD配置实验系统中各功能模块的使用，从而大简化了系统的硬件电路。 图见附录 CPLD地址译码表片选空间编码片选空间编码FLASH/CE=0&/OE=0I/Ooutput4KSECTOR10FFFF/O157FFSECTOR21FFFF/O25FFFSECTOR32FFFFLCD4K /CE=0SECTOR43FFFFC/D=1 COM27FFSECTOR54FFFFC/D=0 DATA2FFFSECTOR65FFFFLAN4K /CS=0SECTOR76FFFFCMD=0 COM37FFSECTOR87FFFFCMD=1 DATA3FFFFRAM32K8000USB4K /CS=0I/Oinput4KC/D=1 COM67FF/I147FFC/D=0 DATA6FFF/I24FFFREST7FFF4.1.4电源模块由DC 9V电源适配器引入+9V的电源，经过LM1085 3.3V/5V等集成稳压元件转化为系统芯片可以使用的+5V，+3.3V电平。其中整流二极管IN5404在电路起到保护作用。由发光二极管D4、D5监视电源模块是否正常工作。4.1.5输入输出模块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500mA/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。外部信号经过TLP521_4S光耦转化成单片机可以接受的信号，并且加以LED指示灯用以提醒实验人员是哪一路输入，输入是正常。单片机的输出指令经过74LVC574锁存器，通过TLP521_4S光耦实现与外部信号的隔离，并通过ULN2803N放大输出，用于驱动外部器件。同上，也配以LED指示灯加以指示，提醒实验人员是那一路输出，输出是否正常。 部分输入电路 部分输出电路 输出放大电路4.1.6 LCD显示模块系统设计了240*128 的点阵液晶显示器接口，可以显示图形，字符和中文。设置本模块是为了让用户通过相关实验利用单片机并行控制LCD显示，掌握单片机与LCD之间接口电路设计及编程。（标准的一、二级汉字库储存在外扩ROM中） 图见附录其中74ALVC164245为电平转换芯片，可以实现电平3.3V、5V的互相转换，由DIR引脚控制转换方身，当DIR为高电平时，AB；当DIR为低电平时，BA。4.1.7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。 LED显示部分 键盘控制部分4.1.8实时实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。1. 利用实验系统键盘设置日历、时钟；2. 利用实验系统的显示器显示时、分、秒；3. PCF8563内部寄存器结构：地址（H)寄存器名称地址（H)寄存器名称00控制/状态寄存器108年01控制/状态寄存器209分闹钟02秒0A时闹钟03分钟0B日闹钟04小时0C星期闹钟05日0DCLCKOUT频率寄存器06星期0E定时器控制寄存器07月/世纪0F定时器倒计数数值寄存器4. PCF8563的控制寄存器： (1)控制/状态寄存器1BIT符号描述7TEST1TEST1=0：普通模式TEST1=1：EXT_CLK测试模式5STOPSTOP=0:芯片时钟运行STOP=1:所有芯片分频器异步置逻辑0；芯片时钟停止运行（CLKOUT在32.768KHz时可用）3TESTCTESTC=0：有源复位功能失效（普通模式时置逻辑TESTC=1：有源复位功能有效6，4，2，1，00默认值逻辑0 (2)控制/状态寄存器2Bit符号描述7，6，50默认值逻辑04TI/TPTI/TP=0：当TF有效时INT有效（取决于TIE的状态）TI/TP=1：INT脉冲有效（取决于TIE的状态）注意：若AF和AIE都有效时，则INT一直有效3AF 当报警发生时，AF被置逻辑1；在定时器倒计数结束时，TF被置逻辑1，它们在被软件重写前一直保持原有值，若定时器和报警中断都有中断请求时，中断源由AF和TF决定，若要使