基于通用單片機(jī)的最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

單片機(jī)最小系統(tǒng)，是指用最少的元件組成的可以工作的單片機(jī)系統(tǒng)。為了方便設(shè)計(jì)者自行開發(fā)和應(yīng)用，文章設(shè)計(jì)了基于一個(gè)通用的單片機(jī)的最小系統(tǒng)。該系統(tǒng)以C8051F320為主控芯片，設(shè)計(jì)了電源電路、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路、串口通信電路和液晶顯示電路，并介紹了各部分的功能。實(shí)驗(yàn)證明改最小系統(tǒng)原理正確，工作可靠?？捎糜诳蒲小㈦娮与娐吩O(shè)計(jì)等領(lǐng)域。

單片機(jī)(MCU)是一種集成電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、多種I／O口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器／計(jì)時(shí)器等功能集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個(gè)小而完善的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，單片機(jī)以其自身的特點(diǎn)，己廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、家用電器、智能儀器、電子玩具市場。
本文的最小系統(tǒng)以C805 1 F320為主控芯片，C8051F320／1系列器件使用SILICon Labs的專利CIP-51微控制器內(nèi)核。CIP-51內(nèi)核具有標(biāo)準(zhǔn)8052的所有外設(shè)部件，包括4個(gè)16位計(jì)數(shù)器／定時(shí)器、一個(gè)具有增強(qiáng)波特率配置的全雙工UART、一個(gè)增強(qiáng)型SPI端口、2304字節(jié)內(nèi)部RAM、128字節(jié)特殊功能寄存器(SFR)地址空間及25／21個(gè)I／O引腳。C8051F320片內(nèi)調(diào)試電路提供全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試(不需仿真器)；支持?jǐn)帱c(diǎn)、單步、觀察／修改存儲(chǔ)器和寄存器，比使用仿真芯片、目標(biāo)仿真頭和仿真插座的仿真系統(tǒng)有更優(yōu)越的性能。

1 最小系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案
單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)包含兩部分內(nèi)容：一是系統(tǒng)擴(kuò)展，即單片機(jī)內(nèi)部的功能單元，如ROM、RAM、I／O、定時(shí)器／計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)等不能滿足應(yīng)用系統(tǒng)的要求時(shí)，必須在片外進(jìn)行擴(kuò)展，選擇適當(dāng)?shù)男酒?，設(shè)計(jì)相應(yīng)的電路。二是系統(tǒng)的配置，即按照系統(tǒng)功能要求配置外圍設(shè)備，如電源、A／D、D／A轉(zhuǎn)換器等。要設(shè)計(jì)合適的接口電路。

此最小系統(tǒng)要求：電源，電路中我們可以用外部電源，也可以用自帶的充電電池；串口通信，能與計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行通信：時(shí)鐘，為CPU提供所需的時(shí)鐘或日歷；外接存儲(chǔ)器模塊；液晶顯示，可以按我們的要求顯示漢字、字符、數(shù)字及圖形。系統(tǒng)框圖如圖1所示。
1．1 電源電路
系統(tǒng)中所有的芯片都是用的3V的電壓，選用的芯片是TPS78930，這是一種低壓差穩(wěn)壓器，與傳統(tǒng)的低壓差穩(wěn)壓器相比，具有超低的靜態(tài)電流。輸入電壓為4～10V，輸出電壓3V。輸出電流為100mA。在電源模塊中通過4個(gè)電容進(jìn)行電源穩(wěn)壓濾波，為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源。另外，我們的系統(tǒng)中帶可充電的鋰電池，充電芯片采用MAX1501，其輸入電壓為4．5～6．5V，輸出為4．2V電壓。電網(wǎng)電壓經(jīng)5V的適配器可以只給電池充電，也可以只給系統(tǒng)供電，或一邊給電池充電，一邊給系統(tǒng)供電。給電池充電過程中，充電指示燈RLED亮，電池充滿后，滿電指示燈亮。在電池給系統(tǒng)供電過程中，電池電壓經(jīng)過兩個(gè)100k的電阻分壓后接到單片機(jī)的P15口，檢測到電池電壓低時(shí)，電壓低的指示燈亮。電源電路如圖2所示。

1．2 復(fù)位電路
系統(tǒng)的復(fù)位模式有三種：上電復(fù)位、用戶按鍵復(fù)位和軟件復(fù)位。電路如圖3所示，該復(fù)位電路的工作原理如下：在系統(tǒng)上電時(shí)，通過電阻R1向電容C1、C2充電，當(dāng)C1、C2兩端的電壓未達(dá)到高電平的門限電壓時(shí)，REST端輸出為低電平，系統(tǒng)處于復(fù)位狀態(tài)；當(dāng)C1、C2兩端的電壓達(dá)到高電平的門限電壓時(shí)，REST端輸出為高電平，系統(tǒng)進(jìn)入正常工作狀態(tài)。當(dāng)用戶按下按鈕S時(shí)，C1、C2兩端的電荷被泄放掉，REST端輸出為低電平，系統(tǒng)進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。軟件可以通過向寄存RSTSRC中的PINRSF位寫“1”來強(qiáng)制產(chǎn)生一次上電復(fù)位。當(dāng)發(fā)生掉電或因電源波動(dòng)導(dǎo)致VDD降到VRST以下時(shí)，電源監(jiān)視器將／RST引腳驅(qū)動(dòng)為低電平并使CIP-5 1保持復(fù)位狀態(tài)。當(dāng)VDD又回到高于VRST的電平時(shí)，CIP-51將退出復(fù)位狀態(tài)。在選擇VDD監(jiān)視器作為復(fù)位源之前，必須使能VDD監(jiān)視器。

1．3 時(shí)鐘電路
C8051F320有一個(gè)可編程內(nèi)部振蕩器、一個(gè)外部振蕩器驅(qū)動(dòng)電路和一個(gè)4倍時(shí)鐘乘法器。系統(tǒng)時(shí)鐘(SYSCLK)可以來自內(nèi)部振蕩器、外部振蕩器電路或4倍時(shí)鐘乘法器二分頻。
如果使用內(nèi)部振蕩器，可以通過對OSCICN和OSCICL寄存器編程來使能／禁止內(nèi)部振蕩器和調(diào)節(jié)其輸出頻率。當(dāng)使用外部振蕩器電路時(shí)，必須對所用端口引腳進(jìn)行配置。當(dāng)外部振蕩器電路被配置為晶體／諧振器方式時(shí)，端口引腳P0．2和P0．3分別被用作XTAL1和XTAL2。當(dāng)外部振蕩器電路被配置為RC、電容或CMOS時(shí)鐘方式時(shí)，端口引腳P0．3被用作XTAL2。

我們在外部振蕩器模式時(shí)使用了一個(gè)CMOS時(shí)鐘芯片S3530，它與CPU之間是通過兩根線連接，具有兩個(gè)中斷／報(bào)警功能。所有的地址和數(shù)據(jù)通過I2C總線接收。電路如圖4所示。

時(shí)鐘電路產(chǎn)生整個(gè)電路的工作時(shí)序脈沖，它是系統(tǒng)正常工作的關(guān)鍵，又是單片機(jī)系統(tǒng)的主要噪聲源。我們采用以下措施來減小噪聲：1)時(shí)鐘脈沖電路要盡量靠近MPU，引線應(yīng)短而粗；2)用地線包圍振蕩電路，并將晶體振蕩器外殼接地；3)整個(gè)系統(tǒng)走線中，大電流信號線，電源變壓器要遠(yuǎn)離晶振走線；4)如果時(shí)鐘電路為其它芯片提供時(shí)鐘，應(yīng)充分做好隔離；5)若是雙面印制電路板，有導(dǎo)線不可避免地經(jīng)過時(shí)鐘電路，走線應(yīng)該垂直、交叉但不能平行。
1．4UART串口通信電路
串行通訊只需較少的端口就可以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和PC機(jī)的通信，具有無可比擬的優(yōu)勢。串行通訊有兩種方式：異步模式和同步模式。本設(shè)計(jì)中利用C805 1 F320的UART模塊來實(shí)現(xiàn)C805 1 F320與PC機(jī)之間的串行通信。PC機(jī)接口是RS-232，RS-232標(biāo)準(zhǔn)采用負(fù)邏輯方式，標(biāo)準(zhǔn)邏輯“1”對應(yīng)-5～-15 V電平，標(biāo)準(zhǔn)邏輯“0”對應(yīng)+5～+15V電平。C8051F320的接口為TTL電平。顯然，和PC機(jī)的RS232C電平不兼容，兩者間要進(jìn)行通信必須經(jīng)過信號電平的轉(zhuǎn)換，所以連接時(shí)必須使用電平轉(zhuǎn)換芯片。

本設(shè)計(jì)選用符合RS-232標(biāo)準(zhǔn)的SP3223驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)行串行通信。SP3 22 3電源3～5V，這里是3V供電。具有兩個(gè)發(fā)送和接收通道。SP3223的T1IN與C8051F320的TX0(P04)連接，R10U與C805 1 F320的RX0(P05)連接。串口電路如圖5所示。
1．5存儲(chǔ)器模塊電路
存儲(chǔ)器模塊包括Flash存儲(chǔ)器和SRAM存儲(chǔ)器兩個(gè)部分。C8051F320內(nèi)部有16kB可在系統(tǒng)編程的FLASH存儲(chǔ)器，2304字節(jié)片內(nèi)RAM。一般來說，應(yīng)該在片外擴(kuò)展存儲(chǔ)器用來存放用戶的程序代碼。另外，考慮到系統(tǒng)運(yùn)行中，MCU往往要做大量的數(shù)據(jù)處理工作，經(jīng)常有一些采集到的或生成的數(shù)據(jù)需要及時(shí)進(jìn)行存儲(chǔ)或調(diào)用，因此當(dāng)片上16kB的FLASH存儲(chǔ)器不夠用時(shí)，需要外部擴(kuò)展Flash存儲(chǔ)器，而且即使掉電，程序和數(shù)據(jù)都不會(huì)丟失。我們選用的是Flash存儲(chǔ)器AT45DB041B，其電壓為2．5～3．6V，適合我們的系統(tǒng)電壓3V。存儲(chǔ)容量為2048頁，每頁有264個(gè)字節(jié)。支持塊和頁的自動(dòng)擦除。AT45DB041B芯片通過SPI總線與單片機(jī)的連接，接口為MOSI、MISO、SCK。

1．6 液晶顯示電路
以往單片機(jī)最小系統(tǒng)都是數(shù)碼顯示，電路比較簡單，但是只能顯示數(shù)字不能顯示漢字，這里用液晶顯示，不但可以顯示數(shù)字，還可以顯示漢字和圖形、符號。我們用的液晶是LCM6432ZK，3V電源供電，液晶屏幕為64×32，可顯示兩行，每行可顯示4個(gè)漢字。低功耗設(shè)計(jì)可滿足產(chǎn)品的省電要求；同時(shí)與單片機(jī)等微控器的接口界面靈活(三種模式：并行8位／4位，串行3線／2線)。這里為了節(jié)省單片的I／O口，我們用串行2線。SID為輸入串行數(shù)據(jù)，SCLK為輸入串行脈沖。液晶顯示電路如圖7所示。

考慮到系統(tǒng)的通用性問題，因此還應(yīng)將單片機(jī)的一些必要引腳用接口插座引出，以方便使用。例如：USB主機(jī)與設(shè)備接口，A／D、D／A與單片機(jī)接口，I／O總線擴(kuò)展接口等。

2 系統(tǒng)軟硬件調(diào)試

用protel軟件繪制電路板圖。系統(tǒng)上電前，用萬用表仔細(xì)檢查電源是否有短路，元件是否有虛焊。系統(tǒng)上電后，檢查電路板上電壓是否正常，復(fù)位電路是否工作。

軟件是用C語言編程，與以往的匯編語言比較，它的可擴(kuò)充性、可移植性比匯編語言要好。本系統(tǒng)支持在線調(diào)試，調(diào)試比用仿真器要更容易，使用更方便。

3 結(jié)束語

本文中所設(shè)計(jì)的最小系統(tǒng)經(jīng)過調(diào)試，上述幾部分功能已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)可靠性好。此最小系統(tǒng)應(yīng)用在智能小車，成功控制智能小車前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎，顯示到達(dá)目的地所用時(shí)間。