Cygnal在片系統(tǒng)單片機(jī)的特點(diǎn)與應(yīng)用

1引言

　　Cygnal C8051F系列是全集成混合信號(hào)在片系統(tǒng)單片機(jī)。在片系統(tǒng)隨著半導(dǎo)體生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展,集成度越來越高,對嵌入式控制技術(shù)可靠性要求也越來越高而產(chǎn)生的新概念,即SOC(System on chip),意思是整個(gè)系統(tǒng)都高度集成在一個(gè)芯片上。本文通過使用Cygnal C8051F000制作一個(gè)智能故障分析報(bào)警儀,介紹Cygnal C8051Fxxx系列全集成混合信號(hào)在片系統(tǒng)單片機(jī)的特點(diǎn),及其在智能儀器中的一般使用方法,和一些需要注意的問題。

　　故障分析報(bào)警儀的原理：從4個(gè)不同點(diǎn)采集電壓和電流數(shù)據(jù),綜合分析,得出故障的原因和位置,相應(yīng)地提供報(bào)警、顯示和電路切除。?

2C8051F000單片機(jī)簡介

2.1片內(nèi)資源概況

　　(1)12 位8通道輸入ADC;
　　(2)2路12位DAC;
　　(3)2路電壓比較器;
　　(4)電壓基準(zhǔn)（內(nèi)部、外部）;
　　(5)內(nèi)置溫度傳感器（±3 ℃）;
　　(6)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器（PCA）可用于（PWM）;
　　(7)4個(gè)通用16位定時(shí)器;
　　(8)32個(gè)通用I/O口;
　　(9)帶有I2C/SMBus,SPI,UART串行總線;
　　(10)32 k Flash存貯器;
　　(11)256數(shù)據(jù)RAM
　　(12) 片內(nèi)電源監(jiān)測片內(nèi)看門狗定時(shí)器片內(nèi)時(shí)鐘源。?

2.2主要特點(diǎn)

　　(1)高速的（20～25 MIPS）與8051全兼容的微控制器內(nèi)核;
　　(2)Flash存貯器可實(shí)現(xiàn)在線編程和用于非易失性數(shù)據(jù)存貯(E2 PROM的作用);
　　(3)工作電壓典型值為3 V (2.7～3.3 V), 全部I/O,RST,JTAG引腳均允許5 V電壓輸入;
　　(4)全系列芯片均為工業(yè)級(jí)（溫度范圍-45～+85 ℃）;
　　(5)片內(nèi)JTAG仿真電路提供全速、非插入式（不使用在片資源）的電路內(nèi)仿真。支持?jǐn)帱c(diǎn)、單步觀察點(diǎn)、運(yùn)行和停止等調(diào)試命令,支持存貯器和寄存器校驗(yàn)和修改。?

3系統(tǒng)設(shè)計(jì)?

3.1硬件設(shè)計(jì)

　　由在片系統(tǒng)單片機(jī)構(gòu)成故障分析報(bào)警儀的硬件電路非常簡單,系統(tǒng)硬件組成框圖如圖1所示。?

　　系統(tǒng)的核心是一片8051F000微處理器。由于沒有復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理,8051F000內(nèi)部的256b RAM已夠使用,因此沒有擴(kuò)展外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,當(dāng)然也可以選用帶有大容量外部RAM的8051Fxxx系列單片機(jī),來應(yīng)對復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理。32 k的內(nèi)部Flash ROM也足夠程序存儲(chǔ)和配置參數(shù)等非易失性信息的存儲(chǔ)。

外接100 kHz RC方式外部時(shí)鐘,用于低功耗設(shè)計(jì)。

　　4個(gè)按鍵：由于I/O口很多,而鍵盤數(shù)目又很少,因此采用簡單的非編碼鍵盤,工作于中斷方式。

　　LCD顯示（16字符×2行）：采用由HD44780構(gòu)成的液晶顯示模塊。

　　輸入電路由測量變壓器、精密檢波電路構(gòu)成：電壓互感器和電流互感器將被測電壓和電流變換至精密檢波電路所能接受的信號(hào),然后經(jīng)精密檢波電路傳送給8051F000的A/D。

　　輸出控制電路由P1口輸出控制信號(hào),控制8路固態(tài)繼電器的接通和短開。?

3.2軟件設(shè)計(jì)
　　軟件設(shè)計(jì)有幾點(diǎn)需要注意：

3.2.1如何從應(yīng)用程序?qū)慒lash

　　(1)要點(diǎn)
　　在線編程允許將Flash像E2PROM一樣用于非易失性信息的存儲(chǔ),用MOVC指令讀取（MOVC a,@A+DPTR）,用MOVX指令寫入（MOVX @A+DPTR, a）。Flash 是按一系列512 k的頁組織的,另外還有一個(gè)128 k的頁,該頁位于Flash的頂部,起始地址為0x8000 。由于寫操作只能寫入0, 因此在寫一個(gè)Flash字節(jié)之前,包含該字節(jié)的頁必須首先被擦除（使該頁中的所有位都為1）,該字節(jié)必須被初始化為0xFF,一個(gè)Flash 擦除操作將一頁內(nèi)的所有字節(jié)初始化為0xFF。含有讀鎖定字節(jié)和寫/擦除鎖定字節(jié)的Flash 頁不能由用戶軟件擦除（但是,該頁可以由用戶軟件寫入）,該頁只能通過JTAG 接口擦除。
　　(2)擦除一個(gè)Flash頁
　　在進(jìn)行Flash寫或擦除之前,必須根據(jù)當(dāng)前的系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)置FLSCL中的FLASCL位,在進(jìn)行寫之前必須將PSWE置1。在進(jìn)行Flash擦除之前,必須將PSWE和PSEE置1。
　　一個(gè)Flash頁可以通過下述過程擦除：
　　①根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)鐘頻率值按C8051F000數(shù)據(jù)表的說明設(shè)置FLSCL(當(dāng)使用缺省的2 MHz內(nèi)部振蕩器時(shí),FLSCL=0x86)。
　　②通過向PSCTL寫入03 H使PSWE和PSEE置1。

　　④如果不再進(jìn)行擦除操作,將PSEE設(shè)置為‘0’。
　　擦除每個(gè)頁需要10～20 ms的時(shí)間。注意CPU內(nèi)核在Flash擦除過程中停止工作,但外設(shè)（像ADC,UART,SMBus和定時(shí)器）仍然工作。在擦除過程中產(chǎn)生的任何中斷都將被掛起,直到該過程結(jié)束。在寫一個(gè)Flash字節(jié)期間CPU的工作情況與此相同。
　　(3)寫一個(gè)Flash字節(jié)

　　(4)更新Flash 中的數(shù)據(jù)
　　當(dāng)保存一組配置信息時(shí),經(jīng)常需要在一組字節(jié)中單獨(dú)改變某個(gè)字節(jié)的數(shù)值。單獨(dú)更新某個(gè)字節(jié)（或字節(jié)子集）的一般過程如下：
　　①將Flash頁拷貝到一個(gè)臨時(shí)存儲(chǔ)區(qū)（RAM或一個(gè)已被擦除的‘臨時(shí)’Flash頁）。

　②擦除Flash頁的數(shù)據(jù)。
　　③將前面存儲(chǔ)在臨時(shí)存儲(chǔ)區(qū)的內(nèi)容復(fù)制到Flash頁中。?

3.2.2模擬開關(guān)和PGA的編程

　　AMUX中的8個(gè)通道用于外部測量,而第9通道在內(nèi)部被接到片內(nèi)溫度傳感器（溫度傳輸函數(shù)如圖2所示）。?

　　注意,PGA的增益對溫度傳感器也起作用。可以將AMUX輸入對編程為工作在差分或單端方式。這就允許用戶對每個(gè)通道選擇最佳的測量技術(shù),甚至可以在測量過程中改變方式,在系統(tǒng)復(fù)位后AMUX的默認(rèn)方式為單端輸入。

　　有2個(gè)與AMUX相關(guān)的寄存器：通道選擇寄存器AMX0SL和配置寄存器AMX0CF。PGA對AMUX輸出信號(hào)的放大倍數(shù)由ADC配置寄存器ADC0CF中的AMPGN20確定。PGA增益可以用軟件編程為0.5,1,2,4,8或16。復(fù)位時(shí)的增益為1。

3.2.3ADC可編程窗口檢測器

　　ADC可編程窗口檢測器在很多應(yīng)用中非常有用。他不停地將ADC輸出與用戶編程的極限值進(jìn)行比較,并在檢測到越限條件時(shí)通知系統(tǒng)控制器。這在一個(gè)中斷驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)中尤其有效,既可以節(jié)省代碼空間和CPU帶寬又能提供快速響應(yīng)時(shí)間。窗口檢測器中斷標(biāo)志（ADC0CN中的ADWINT位）也可被用于查詢方式。參考字的高和低字節(jié)被裝入到ADC下限（大于）和ADC上限（小于）寄存器（ADC0GTH,ADC0GTL,ADC0LTH,ADC0LTL）。需要注意一點(diǎn),窗口寄存器標(biāo)志既可以在測量數(shù)據(jù)位于用戶編程的極限值以內(nèi)時(shí)有效,也可以在測量數(shù)據(jù)位于用戶編程的極限值以外時(shí)有效,這取決于ADC0GTx和ADC0LTx的編程值。?

3.3抗干擾對策

　　C8051F000內(nèi)部集成了WATCHDOG電路,使用非常方便。在設(shè)計(jì)程序時(shí),應(yīng)該采用軟件陷阱。同時(shí),應(yīng)對突發(fā)干擾,采用滑動(dòng)平均濾波法,去除最大值和最小值,再求平均值。

3.4低功耗設(shè)計(jì)

　　C8051F000單片機(jī)有內(nèi)部獨(dú)立的時(shí)鐘源,同時(shí)可接外部時(shí)鐘,并可在程序運(yùn)行時(shí)實(shí)現(xiàn)內(nèi)、外部時(shí)鐘的切換,此功能在低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中非常有用。設(shè)置一個(gè)低頻外部時(shí)鐘,在程序空閑或需節(jié)能時(shí),使OSCICN寄存器中的CLKSL位置1,切換到外部時(shí)鐘。當(dāng)然,也可以通過改變OSCICN寄存器中的IFCN1,IFCN0位的值來改變系統(tǒng)內(nèi)部時(shí)鐘的頻率。同時(shí),MCU可以關(guān)閉單個(gè)或全部外設(shè)以節(jié)省功耗。巧妙地設(shè)計(jì)程序,節(jié)能效果非常好。

4結(jié)語

　　總的來說,Cygnal C8051Fxxx系列全集成混合信號(hào)在片系統(tǒng)單片機(jī)是一種性價(jià)比非常高的新型51系列單片機(jī),非常適合老式模擬儀器數(shù)字化改造和舊51系列單片機(jī)儀表的升級(jí)換代。