AT87F51：8位微控制器的技術剖析與應用指南

在嵌入式控制應用領域，一款性能卓越且功能豐富的微控制器往往能為工程師們帶來更多的設計靈感和便利。AT87F51就是這樣一款值得深入探究的8位微控制器，下面將為大家詳細介紹它的各項特性、功能及使用要點。

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一、產品概述

AT87F51是一款低功耗、高性能的CMOS 8位微計算機，擁有4K字節的QuickFlash可編程只讀存儲器。它采用Atmel的高密度非易失性存儲技術制造，與行業標準的MCS - 51?指令集和引腳排列兼容。將通用的8位CPU與QuickFlash集成在單芯片上，為眾多嵌入式控制應用提供了高度靈活且經濟高效的解決方案。

二、關鍵特性

2.1 內存與性能

• 可編程內存：具備4K字節的用戶可編程QuickFlash?內存，可通過傳統的非易失性存儲器編程器進行用戶編程。
• 靜態操作：支持全靜態操作，頻率范圍從0 Hz到24 MHz，能適應不同的工作場景。
• 內部RAM：擁有128 x 8位的內部RAM，為數據存儲和處理提供了一定的空間。

2.2 外設功能

• I/O端口：32條可編程I/O線，可靈活配置以滿足各種輸入輸出需求。
• 定時器/計數器：兩個16位定時器/計數器，可用于定時、計數等功能。
• 中斷系統：六個中斷源，提供了豐富的中斷處理能力，能及時響應外部事件。
• 串行通道：可編程串行通道，支持全雙工通信，方便與其他設備進行數據傳輸。

2.3 低功耗模式

• 空閑模式：CPU進入睡眠狀態，而片上外設如RAM、定時器/計數器、串行端口和中斷系統仍可繼續工作。可通過軟件調用，且片上RAM和特殊功能寄存器內容保持不變。可由任何使能的中斷或硬件復位終止。
• 掉電模式：振蕩器停止工作，調用掉電模式的指令是最后執行的指令。片上RAM和特殊功能寄存器的值會保留，直到通過硬件復位退出該模式。

三、引腳配置與功能

3.1 電源與接地引腳

• (V_{cc})：電源電壓引腳，為芯片提供工作所需的電能。
• GND：接地引腳，為電路提供參考電位。

3.2 I/O端口引腳

• 端口0（Port 0）：8位開漏雙向I/O端口，可作為輸出端口時每個引腳能吸收八個TTL輸入；寫入1時可作為高阻抗輸入。還可配置為復用的低階地址/數據總線，在QuickFlash編程和驗證時接收和輸出代碼字節。
• 端口1（Port 1）：8位雙向I/O端口，帶有內部上拉電阻。輸出緩沖器可吸收/源出四個TTL輸入，寫入1時可作為輸入，外部拉低引腳時會因內部上拉電阻而產生電流。在QuickFlash編程和驗證時接收低階地址字節。
• 端口2（Port 2）：8位雙向I/O端口，帶有內部上拉電阻。功能與端口1類似，在訪問外部程序和數據存儲器時，可發出高階地址字節。在QuickFlash編程和驗證時接收高階地址位和一些控制信號。
• 端口3（Port 3）：8位雙向I/O端口，帶有內部上拉電阻。除了基本的I/O功能外，還具有多種特殊功能，如串行輸入輸出、外部中斷、定時器外部輸入、外部數據存儲器讀寫選通等。

3.3 控制引腳

• RST：復位輸入引腳，在振蕩器運行時，該引腳高電平持續兩個機器周期可復位設備。
• ALE/PROG：地址鎖存使能輸出脈沖，用于在訪問外部存儲器時鎖存地址的低字節。在QuickFlash編程時作為編程脈沖輸入。正常操作時，ALE以振蕩器頻率的1/6恒定速率發出，可用于外部定時或時鐘。可通過設置特殊功能寄存器（SFR）位置8EH的第0位來禁用ALE操作。
• PSEN：程序存儲使能引腳，是訪問外部程序存儲器的讀選通信號。在執行外部程序存儲器代碼時，每個機器周期激活兩次，但在訪問外部數據存儲器時會跳過兩次激活。
• (overline{EA} / V{PP})：外部訪問使能引腳，(overline{EA})接地可使設備從外部程序存儲器地址0000H到FFFFH獲取代碼；接(V{CC})用于內部程序執行。在QuickFlash編程時，該引腳接收12伏編程使能電壓(V_{PP})。
• XTAL1和XTAL2：分別為反相振蕩器放大器的輸入和輸出引腳，可配置為片上振蕩器，可使用石英晶體或陶瓷諧振器。若使用外部時鐘源，XTAL2應懸空，XTAL1由外部時鐘信號驅動。

四、編程與驗證

4.1 QuickFlash編程

AT87F51的片上QuickFlash內存陣列可進行編程，編程接口需要12伏的高電壓編程使能信號，且與傳統的第三方Flash或EPROM編程器兼容。編程算法如下：

1. 在地址線上輸入所需的內存位置。
2. 在數據線上輸入適當的數據字節。
3. 激活正確的控制信號組合。
4. 將(EA/V_{PP})提升到12V。
5. 脈沖ALE/PROG一次，對QuickFlash陣列中的一個字節或鎖定位進行編程。字節寫入周期是自定時的，通常不超過1.5 ms。重復上述步驟，直到完成整個陣列的編程或到達目標文件的末尾。

4.2 數據輪詢與狀態監測

• 數據輪詢：AT87F51具有數據輪詢功能，用于指示寫周期的結束。在寫周期內，嘗試讀取最后寫入的字節時，PO.7上會出現寫入數據的補碼。寫周期完成后，所有輸出上的數據才有效，可開始下一個周期。
• Ready/Busy信號：可通過RDY/BSY輸出信號監測字節編程的進度。編程時ALE變高后，P3.4被拉低表示忙碌；編程完成后P3.4被拉高表示就緒。

4.3 程序驗證與簽名字節讀取

• 程序驗證：若鎖定位LB1和LB2未編程，可通過地址和數據線讀取編程的代碼數據進行驗證，但鎖定位不能直接驗證，需通過觀察其功能是否啟用進行驗證。
• 簽名字節讀取：通過與正常驗證位置030H、031H和032H相同的程序讀取簽名字節，但需將P3.6和P3.7拉低到邏輯低電平。返回的值分別為(030H) = 1EH（表示由Atmel制造）、(031H) = 87H（表示87F系列）、(032H) = 01H（表示87F51）。

五、電氣特性

5.1 絕對最大額定值

• 工作溫度：-55°C至+125°C。
• 存儲溫度：-65°C至+150°C。
• 引腳電壓：相對于地為-1.0V至+7.0V。
• 最大工作電壓：6.6V。
• 直流輸出電流：15.0 mA。

5.2 直流特性

在不同的輸入輸出條件下，對輸入低電壓、輸入高電壓、輸出低電壓、輸出高電壓、輸入電流、輸入泄漏電流等參數都有明確的規定。例如，輸入低電壓（除EA外）范圍為 -0.5至0.2(V_{CC}) - 0.1 V；輸出高電壓在不同的輸出電流和電源電壓條件下有不同的值。

5.3 交流特性

包括外部程序和數據存儲器的各種時序參數，如ALE脈沖寬度、地址有效到ALE低電平的時間、PSEN脈沖寬度等，這些參數在不同的振蕩器頻率下有不同的取值范圍。

六、訂購與封裝信息

6.1 訂購信息

提供了不同速度（12 MHz、16 MHz、20 MHz、24 MHz）和電源（5V ± 20%）組合下的多種封裝選項，包括44A（44引腳薄塑料鷗翼四方扁平封裝，TQFP）、44J（44引腳塑料J形引腳芯片載體，PLCC）和40P6（40引腳0.600”寬塑料雙列直插封裝，PDIP），并區分了商業級（0°C至70°C）和工業級（-40°C至85°C）的工作范圍。

6.2 封裝尺寸

詳細給出了三種封裝的尺寸信息，包括毫米和英寸兩種單位，方便工程師在設計PCB時進行布局。

七、總結與思考

AT87F51以其豐富的功能、低功耗特性和靈活的編程方式，在嵌入式控制領域具有廣泛的應用前景。工程師們在使用時，需要根據具體的應用需求合理配置引腳、選擇合適的工作模式，并嚴格遵守電氣特性的要求，以確保芯片的穩定運行。同時，對于編程和驗證過程中的細節，如鎖定位的設置和數據輪詢的使用，也需要深入理解和掌握。大家在實際應用中是否遇到過類似芯片的使用問題呢？又是如何解決的呢？歡迎在評論區分享交流。