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1、I 摘 要 本设计是设计一个 1616 点阵 LED 电子显示屏的硬件电路,最终能够实现 10 快 1616 点阵屏的动态刷新和显示功能。整体以 100 脚的单片机 C8051F020 为核心,介绍了以它为控制系统的 LED 点阵电子显示屏的动态设计和开发过程。 通过该芯片控制行驱动器 74HC154 和列驱动器 74HC595 来驱动显示屏显示。 该电子显示屏可以显示各种文字或单色图像,全屏能显示 10 个汉字,采用 4 块 8 x 8 点阵 LED 显示模块来组成一个 16x16 点阵显示模式。显示采用动态显 示,使得图形或文字能够实现多种显示方式(例如左移,右移,上移,下移) 。 文中详
2、细介绍了 LED 点阵显示的硬件设计思路、硬件电路各个部分的功能及原 理以及使用说明等。 单片机控制系统程序采用单片机 C 语言进行编辑,通过编程控制各显示点 对应 LED 阳极和阴极端的电平,就可以有效的控制各显示点的亮灭。所显示字 符的点阵数据可以自行编写(即直接点阵画图) ,也可从标准字库中提取。 LED 显示以其组构方式灵活、显示稳定、功耗低、寿命长、技术成熟、 成本低廉等特点在车站、证券所、运动场馆、交通干道及各种室内/外显示场合 的信息发布,公益宣传,环境参数实时,重大活动倒计时等等得到广泛的应用。 设计结果证明,该系统显示误差小,性能稳定,结构合理,扩展能力强。 关键词:C805
3、1F020 单片机; LED; 点阵显示; 动态显示;KEILC 语 言 II Abstract This design is to design a 16 16 dot matrix LED electronic display hardware circuit, finally able to achieve 10-speed 16 16 dot matrix screen refresh and display the dynamic. 100 feet overall C8051F020 MCU core, introduced with its LED matrix control
4、system for the electronic display of dynamic design and development process. Control line by the chip and column driver 74HC154 74HC595 to drive the display driver display.The electronic display can display a variety of text or monochrome images, full screen can display 10 characters, with four 8 x
5、8 dot matrix LED display module to form a 16x16 dot matrix display mode. Shows the dynamic display, making graphics or text to achieve a variety of display (such as left, move right, move up, down). This paper details the LED dot matrix display hardware design ideas in various parts of hardware feat
6、ures and principles and the use of descriptions. Microcomputer control system with microcontroller C language program for editing, by programming the corresponding control points, the display LED anode and cathode of the level, you can effectively control the display points of light off. The charact
7、ers dot matrix display data can be written on their own (ie, drawing a direct lattice), can also be extracted from the standard font. LED display is flexible in its fabric, display stability, low power consumption, long life, technology is mature, low cost features of the station, securities, sports
8、 venues, transportation corridors and a variety of indoor / outdoor display occasions, information dissemination, public advocacy, environmental parameters in real time, major events and so the countdown is widely used.Design results show that the system displays the error is small, stable performan
9、ce, reasonable structure, expansion capability. Key words: C8051F020 MCU; LED; matrix display; dynamic display; KEILC language III 目录 第一章第一章 绪论绪论 .1 1.1 课题背景及现状1 1.2 LED 点阵显示屏概述.2 1.3 LED 显示屏控制技术现状.3 1.3.1 串行传输与并行传输3 1.3.2 动态扫描与静态锁存技术3 1.3.3 自动检测及远程控制技术3 1.4 课题研究的意义3 第二章第二章 系统整体方案系统整体方案 .4 2.1 需要实现的
10、功能4 2.2 系统整体设计过程4 2.3 显示屏驱动方案的论证与选择5 23.1 方案一:串行控制驱动方式6 2.3.2 方案二:并行控制驱动方式6 第三章第三章 系统硬件电路的设计系统硬件电路的设计 .7 3.1 稳压电源的设计方法7 3.1.1 稳压电源原理8 3.23.2 单片机系统及外围电路单片机系统及外围电路 .9 3.2.13.2.1 单片机最小系统介绍单片机最小系统介绍 9 3.3 单片机的选择11 3.3.1C8051F020 与 80C51 之间的异同点11 3.3.2 相同点11 3.4 8051F020 单片机介绍.12 3.4.1 系统概述12 3.4.2 片内存储器
11、13 3.4.3 可编程数字 I/O 和交叉开关.14 3.4.4 12 位模/数转换器.14 3.4.5 8 位模/数转换器15 3.4.6 比较器和 DAC.16 3.4.7 C8051F020 引脚的定义17 3.5 列驱动电路19 3.5.1 74HC595 芯片的简介19 3.5.2 74HC595 芯片的功能21 3.6 行驱动电路21 36.1 74HC154 芯片的简介22 3.7 LED 的汉字显示原理.23 3.7.1 显示模块与 PC 机接口的连接25 3.8 通讯电路的设计25 IV 3.8.1 RS-485 总线的简介25 3.8.2 微机 USB 和 RS485 通
12、讯接口的硬件设计.27 第四章第四章 系统软件的设计系统软件的设计 .29 4.1 系统程序的设计29 4.1.1 显示驱动程序.30 4.1.2 系统主程序.30 4.2 ATIUM DESIGNER 6 软件的介绍31 4.2.1 本设计部分原理图简单介绍及实验结论.35 致谢致谢 .37 参考文献参考文献 .38 论文的附录论文的附录 .39 1 第一章 绪论 LED 显示屏是利用发光二极管点阵模块或像素单元组成的平面式显示屏幕。它具 有发光效率高,使用寿命长,组态灵活,色彩丰富以及对室内环境适应能力强等优点。 并广泛的应用于公交汽车,码头,商店,学校和银行等公共场合的信息发布和广告宣
13、传。LED 显示屏经历了从单色,双色图文显示屏到现在的全彩色视频显示屏的发展过 程, 自 20 世纪 80 年代开始,LED 显示屏的应用领域已经遍布交通、电信、教育、证 券、广告宣传等各方面。 1.1 课题背景及现状 单片机自 20 世纪 70 年代问世以来,以极其高的性能价格比受到人们的重视和关 注,所以应用很广,发展很快。单片机的特点是体积小、集成度高、重量轻、抗干扰 能力强,对环境要求不高,价格低廉,可靠性高,灵活性好,开发较为容易。正因为 单片机有如此多的优点,因此其应用领域之广,几乎到了无孔不入的地步。LED 是发 光二极管英文 Light Emitting Diode 的简称,是
14、六十年代末发展起来的一种半导体显示 器件,七十年代,随着半导体材料合成技术、单晶制造技术和 P-N 结形成技术的研究 进展,发光二极管在发光颜色、亮度等性能得以提高并迅速进入批量化和实用化。进 入八十年代后,LED 在发光波长范围和性能方面大大提高,并开始形成平板显示产品 即 LED 显示屏。随着电子技术和计算机控制技术在客车上的日益广泛的应用,客车内 的路牌显示器也经历了从灯光路牌、翻板式电子模块路牌、CRT 显示、LCD 液晶显示 和 LED 点阵显示等几种发展类型;显示信息也从固定内容发展到任意内容的多种显示 方式;对显示信息的编辑、修改,也由遥控键盘有线通讯模式发展到用计算机编辑文 字
15、,在经专用无线控制器将其发射到各站点的通讯模式。以后的发展趋势是卫星定位 系统站点显示器,客车内站牌显示器由天线、卫星定位模块、微处理器、LED 点阵驱 动电路、LED 点阵站牌和电可擦写存储器构成。LED 的发展不仅可以节约能源,推动 环保,而且可以提升传统照明产业,带动相关产业转型,增加就业机会,为国防现代 化做贡献。 我国的 LED 显示屏产业经过几年的发展,基本形成了一批具有一定规模的骨干企 2 业。据不完全统计,至 1998 年底,年度销售总额在 1000 万元以上的企业有 20 多家, 其销售总额达 6 亿元左右,占行业市场总额的 85%以上。全国从事 LED 显示屏的各类 企业有
16、 100 余家,从业人员近 6000 人,行业年度销售总额近 8 亿元人民币,1996 年、 1997 年的增长速度均保持 40%左右,1998 年略有回落。在国内市场上,国产 LED 显 示屏的市场占有率近 100%,国外同类产品基本没有市场,四十三届世乒赛主会场天津 体育中心、京九铁路、北京西客站、首都机场、浦东机场等,均由国内代表企业中标。 技术水平相对领先,我国 LED 显示屏产业在规模发展的同时,产品技术推陈出新,一直 保持比较先进的水平。90 年代初即具备了成熟的 16 级灰度 256 色视频控制技术及无线 遥控等国际先进水平技术,近年在全彩色 LED 显示屏、256 级灰度视频控
17、制技术、集 群无经线控制、多级群控技术等方面均有国内先进、达到国际水平的技术和产品出现; LED 显示屏控制专用大规模集成电路也已由国内企业开发生产并得到应用。LED 显示 屏产业培养形成了一批 LED 显示屏科技队伍,在全国 LED 显示屏行业的从业人数 6000 人中,科技人员有 2800 多人,将近 50%。LED 显示屏产业正成为我国电子信息 产业的重要组成部分,也是平板显示领域唯一立足国内形成的民族高科技产业。 1.2 LED 点阵显示屏概述 LED 点阵显示屏的构成形式有多种,其中典型的有两种:一种把所需展示的广告 信息烧写固化到 EPROM 芯片内,能够进行固定内容的多幅汉字显示
18、,称为单显示型; 另一种在机内设置了字库,程序库,具有程序编译能力,能进行内容可变的多幅汉字 显示,称为可编程序型。 目前国内的 LED 点阵显示屏大部分是单显示型,其显示的内容较少,显示花样较 单一。一般在产品出厂时显示内容就已经写入显示屏控制系统中的 EPROM 芯片内, 当需要更换内容时就非常困难,这样使该类型的显示屏使用范围受到限制。国内的另 一种显示屏-可编程序型 LED 显示屏,虽然增加了显示屏系统的编程能力,显示内 容和显示花样都有所增加,大师也存在着更换显示内容不变的缺点。随着社会经济的 迅速发展,如今的广告牌都存在着显示内容丰富、信息量大、信息更换速度快的特点。 因此传统的
19、LED 显示屏控制系统已经越来越不能满足现代广告宣传业的需要。而利用 PC 机通讯控制技术 LED 显示屏,则具有显示内容丰富,信息更换灵活的优点。 3 1.3 LED 显示屏控制技术现状 显示屏的控制系统包括输入接口电路、信号控制、转化和数字化处理电路及输出 接口电路等,涉及的具体技术很多,其关键技术包括串行传输与并行传输技术、动态 扫描和静态锁存技术、自动检测及远程控制技术等。 1.3.1 串行传输与并行传输 LED 显示屏的数据传输方式主要有串行和并行两种。目前普遍采用串行控制技术, 显示屏每个单元内部的不同驱动电路和各级联单元之间,每个时钟只传输一个数据。 采用这种方式驱动的 IC 种
20、内较多,不同单元之间的级联较少,可以减少显示单元数据 传输驱动元件,从而提高整个系统的可靠性和性价比,具体工程实现也较为容易。 1.3.2 动态扫描与静态锁存技术 LED 显示屏控制系统实现显示信息的刷新技术有动态扫描和静态锁存两种方 式一般室内显示屏多采用动态扫描技术,即一行发光二极管共用一行驱动寄存器,根 据共用一行驱动寄存器的发光二极管像素数目,分为 1/4,1/16 扫描等。室外显示屏基 本上采用静态锁存技术,即每一个发光二极管对应有一个驱动寄存器,无需分时工作, 从而保证了每一个发光二极管的亮度占空比为 100%。动态扫描法可以大大减少控制器 的 I/O 口,因此应用较广。 1.3.
21、3 自动检测及远程控制技术 LED 显示屏的构成复杂,特别是室内显示屏,供电,环境亮度,环境温度等条件 都直接影响显示屏的正常运行。在 LED 显示屏的控制系统中,因根据需要对温度,亮 度,电源等进行自动检测控制,也可以根据需要,远程实现对显示屏的 亮度,色度调 节,图像水平和垂直位置的调节以及工作方式的转换等。 1.4 课题研究的意义 该设计课题使我们能够掌握 LED 显示屏的基本显示原理和设计方法,对 LED 显 4 示屏这个行业有了较为深刻的了解和认识。并且对大学期间所学习的一些理论进行了 实践,使我们对所学过的理论知识有了新的认识。并且通过该设计课题掌握了 C8051 单片机的的软硬件
22、开发工具的使用方法,为以后从事相关行业的工作积累了实际工作 经验。目前我国的信息行业发展迅速,作为主要平面显示媒介的 LED 显示屏的作用也 越练越广泛,相关的从业人员也会越来越紧缺。但同时应该清楚的认识到我国的 LED 技术虽然发展迅速但和世界先进水平还有一定的差距。因此此课题不论是对自己的就 业还是对我国 LED 显示技术的发展都有非常现实与积极的意义。 第二章 系统整体方案 2.1 需要实现的功能 利用 Cygnal 单片机设计点阵 LED 显示屏,实现 10 块 16*16 的点阵屏动态刷新和显 示功能。主要包括以下几个内容: 1、485 通讯电路设计; 2、LED 扫描驱动电路设计
23、3、电源电路设计; 4、动态刷新率的计算 2.2 系统整体设计过程 本设计采用 C8051F020 单片机为核心芯片的电路来实现,主要由 C8051F020 芯片、 电源、行驱动器、列驱动器、1616LED 点阵五部分组成,电路框图如下图所示,即图 1 所示 5 图 1 显示屏电路框图 从理论上说不论显示图形还是文字,只要控制与组成这些文字或图形各个点所在 的位置相对应的 LED 器件发光,就可以得到我们想要的显示结果。这种同时控制各个 发光点亮灭的方法称为静态驱动显示方式。1616 的点阵共有 256 个发光二极管,显 然单片机没有这么多的接口,如果采用锁存器扩展端口,按照 8 位的锁存器来
24、计算, 1616 的点阵需要 256/8=32 个锁存器。这个数字很庞大,因为我们仅仅是 1616 的点 阵,在实际应用中的显示屏往往要大得多,这样在锁存器上花费的成本将是一个很庞 大的数字,因此在实际应用中显示器的设计是相当重要的。 2.3 显示屏驱动方案的论证与选择 目前以 LED 半导体发光器件为显示介质的大型显示屏已广泛地被应用。其控制驱 动方式各种各样 ,也各具特色。在 LED 发光管的驱动设计上也有许多的方式。由于大 型的点阵显示屏是由上万个或几十万个 LED 发光象元组成 ,这也就需要大量的驱动电 路来支持。那末驱动电路设计的好坏就直接影响系统的生产制造成本和显示的效果及 系统的
25、运行性能。设计个即能满足控制驱动要求 ,同时使用器件少成本底的单元控制驱 动方案是必要的。下面我们就以 LED8 8 点阵模块 共阳极 为显示器件的显示屏为例 ,来 论述一下几个驱动方案并加以比较。 众所周知以 LED8 8 点阵模块为显示器件的显示屏其工作方式是扫描式的 1/8 ,驱 动电路可分为行和列。每一行的模块 可以是四个、六个或更多 的行可以并联形成八 条行线 ,显示点阵的列数为 8 并联的模块数。由于控制等方面的原因一般是将一个较 6 大的显示系统分为几个标准化的小单元。每个小单元是完全一样的 ,这将有利于灵活组 屏和方便生产调试。对于标准单元的设计应本着这样的原则:较少的输入引入
26、,方便 的级联;针对这样的驱动单元我们来看一下几个设计方案。 23.1 方案一:串行控制驱动方式 所谓串行控制驱动方式就是显示的数据是通过串行方式送入点 列 驱动电路。其 特点是单元内的线路连接简单 ,这给印刷电路板的设计带来了方便。同时也减少了印刷 电路板的布线密度 ,从而为生产和调试带来了有利的一面。当然 ,单元的可靠性也相应 的提高了。串行控驱动方式可选用的芯片有: MC4094、74LS595、74HC595、6B595、9094 等等。其中 MC4094、74HC595 均为 CMOS 芯片 ,应与功率芯片结合使用;例如使用 2803 驱动芯片。建议采用 6B595 或 9094 7
27、4LS595 也可用 ,因为这几种芯片都具有一定的驱动能力可直接驱动 LED 发光管 而无须另外添加驱动芯片。同时 ,串行移位并行功率输出的芯片 6B595、9094 自具有 级联功能 ,为单元的级联提供了支持。关于行的控制和驱动是相对容易的 ,因为行的工 作方式是分时顺序工作的。由于行的组成是几个模块并联形成的 ,因此驱动的功率要求 是比较大的。行的驱动一般是采用 PNP 用于共阳方式 功率三极管 ,行的逻辑控制可 选用三 八译码方式和直接行线控制方式。译码方式是应用三条行控制线控制一个三 八译码器 如 74LS138 等 ,八选一顺序控制八条行线。直接行线控制方式是比较简单 的 ,这里就不
28、赘述了。在应用串行控制驱动系统时 ,尽管串行移位芯片具有级联功能 , 但设计时要考虑时钟信号、STR 信号、行控制信号的级联驱动问题。另外为提高单元 的多级级联的数量 ,设计时要考虑到每个信号的传输延迟 ,以保证控制时序的正确运行。 2.3.2 方案二:并行控制驱动方式 并行控制驱动方式就是显示的数据是通过并行 8 位 方式送入点 列 驱动电路。 每送入一个字节就完成了一个模块的一个行的数据置入 ,其优点是数据的刷新速度块 , 这就减轻了上一级控制系统的压力。在同样的数据处理量的前提下 ,对处理速度要求的 降低 ,就意味着对系统投入的降低。同时处理速度的降低也相应地提高了系统的稳定性。 在并行
29、控制驱动方式下 ,我们可以选用 74LS374 这样一类锁存芯片 ,采用首尾相连的 7 方式将控制、驱动一并形成。也可以将这一方式称其为并行移位锁存方式。这一设计 方案的特点是设计线路简洁 ,控制方便快速。系统的整体投入成本比较低 ,这一设计方 案将大大地提高系统的性能价格比。关于在并行控制驱动方式下的行控制驱动的设计 可参照串行控制驱动方式设计。并行控制驱动方式的缺点是:由于数据是并行输入的 , 这就使得单元内的线路连接复杂。由此增加了单元的印刷线路板的设计难度。同时提 高了印刷线路板 的密度 ,对生产加工和调试提出了较高的要求。但设计难度的加大仅仅是一次性的 ,而 生产和调试的难度是可以提
30、高生产的手段和使用先进的仪器设备加以克服的。由于并 行控制驱动方式的自身特点 ,使得单元的级联不成问题。只要设计时对控制信号的级联 驱动加以注意就可以了。并行控制驱动方案中也可采用总线式结构 ,即选用的八位锁存 器不是首尾级联方式而是共用总线方式。但这种方式将增加控制逻辑的投入 ,也就是说 每个锁存器都要有一个独立的锁存控制时钟。因此 ,这一方式一般不采用。 结论:考虑各方面的因素,最终应选择串行控制驱动方式 第三章 系统硬件电路的设计 硬件电路大致上可以分为单片机系统及外围电路、列驱动电路和行驱动电路三部 分 3.1 稳压电源的设计方法 稳压电源的设计,是根据稳压电源的输出电压 Uo、输出电
31、流 Io、输出纹波电压 Uop-p 等性能指标要求,正确地确定出变压器、集成稳压器、整流二极管和滤波电路 中所用元器件的性能参数,从而合理的选择这些器件。 稳压电源的设计可以分为以下三个步骤: 1)根据稳压电源的输出电压 Uo、最大输出电流 Iomax,确定稳压器的型号及电路 形式。 2)根据稳压器的输入电压 I U ,确定电源变压器副边电压 u2 的有效值 U2;根据 稳压电源的最大输出电流 I0max,确定流过电源变压器副边的电流 I2 和电源变压器副 边的功率 P2;根据 P2,从表 1 查出变压器的效率 ,从而确定电源变压器原边的功率 8 P1。然后根据所确定的参数,选择电源变压器。
32、3)确定整流二极管的正向平均电流 ID、整流二极管的最大反向电压 RM U 和滤 波电容的电容值和耐压值。根据所确定的参数,选择整流二极管和滤波电容。 3.1.1 稳压电源原理 小功率稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四个部分组成。 (C)220V 交流转换成 5V 直流电源的原理图 从图上看,变压器输入端经过一个保险连接电源插头,如果变压器或后面的电路发生 短路,保险内的金属细丝就会因大电流引发的高温溶化后断开。变压器后面由 4 个二 极管组成一个桥式整流电路,整流后就得到一个电压波动很大的直流电源,所以在这 里接一个 330uF/25V 的电解电容。变压器输出端的 9V 电
33、压经桥式整流并电容滤波,在 电容 C1 两端大约会有 11V 多一点的电压,假如从电容两端直接接一个负载,当负载 变化或交流电源有少许波动都会使 C1 两端的电压发生较大幅度的变化,因此要得到一 个比较稳定的电压,在这里接一个三端稳压器的元件。三端稳压器是一种集成电路元 件,内部由一些三极管和电阻等构成,在分析电路时可简单的认为这是一个能自动调 节电阻的元件,当负载电流大时三端稳压器内的电阻自动变小,而当负载电流变小时 三端稳压器内的电阻又会自动变大,这样就能保持稳压器的输出电压保持基本不变。 因为我们要输出 5V 的电压,所以选用 7805,7805 前面的字母可能会因生产厂家不同 9 而不
34、同。LM7805 最大可以输出 1A 的电流,内部有限流式短路保护,短时间内,例如 几秒钟的时间,输出端对地(2 脚)短路并不会使 7805 烧坏,当然如果时间很长就不 好说了,这跟散热条件有很大的关系 三端稳压器后面接一个 105 的电容,这个电容有 滤波和阻尼作用。 最后在 C2 两端接一个输出电源的插针,可用于与其它用电器连接, 比如 MP3 等。 虽然 7805 最大电流是一安培,但实际使用一般不要超过 500mA,否则 会发热很大,容易烧坏。一般负载电有 200mA 以上时需要散热片。 3.2 单片机系统及外围电路 单片机采用 C8051F020 芯片,采用 24HZ 或更高的频率晶
35、振,以获得较高的刷新 频率,使其显示更稳定。单片机的串口与列驱动器相连,用来显示数据。其中 P1 口的 低四位与行驱动器相连,送出行选信号;高四位则用来发送控制信号。 3.2.1 单片机最小系统介绍 单片机最小系统是由时钟电路和复位电路两部分组成 1、时钟电路 系统的时钟电路设计是采用的内部方式,即利用芯片内部的振荡电路。AT89 单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器。引脚 XTAL1 和 XTAL2 分别 是此放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外晶体谐振器一起构 成一个自激振荡器。外接晶体谐振器以及电容 C1 和 C2 构成并联谐振电路,接在放大 器的反馈回路中
36、。对外接电容的值虽然没有严格的要求,但电容的大小会影响震荡器 频率的高低、震荡器的稳定性、起振的快速性和温度的稳定性。因此,此系统电路的 晶体振荡器的值为 12MHz,电容应尽可能的选择陶瓷电容,电容值约为 22F。在焊接 刷电路板时,晶体振荡器和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近,以减少寄生电容, 更好地保证震荡器稳定和可靠地工作。 2、复位电路 复位是由外部的复位电路来实现的。片内复位电路是复位引脚 RST 通过一个斯密 特触发器与复位电路相连,斯密特触发器用来抑制噪声,它的输出在每个机器周期的 S5P2,由复位电路采样一次。复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式, 10 此电路系
37、统采用的是上电与按钮复位电路,如图所示。当时钟频率选用 6MHz 时,C 取 22F,Rs 约为 200,Rk 约为 1K。 3、单片机最小系统的原理图 单片机最小系统模块中的主选 C8051F020 芯片是一种低功耗,具有在线编程, Flash 程序存储器的单片机。所谓在线编程 ISP(In System Program)指的是允许单片机芯 片在不离开电路板或不离开设备的情况下实现程序固化和察除操作,在线编程给单片 机用户的研发和使用带来了极大的方便 图 5 为本设计中单片机的最小系统 根据实验和理论的需要,上电自动复位电路的电容选择 10u,上拉电阻选择 8.2K,时钟电路的电容选择 33
38、PF,晶振选择 12MZ 的,这样可以获得更高的刷新频率。 4 刷新频率的计算公式: 11 刷新频率=1/16T0 溢出率=1/16f/12(65536-t) 其中 f 为晶振频率,t 为定时器 T0 初值(工作在 16 位定时器模式) 3.3 单片机的选择 3.3.1C8051F020 与 80C51 之间的异同点 80C51 系列单片机及其衍生产品在我国乃至全世界范围获得了非常广泛的应用。 片机领域的大部分工作人员都熟悉 80C51 单片机,各大专院校都采用 80C51 系列单片 机作为教学模型。随着单片机的不断发展,市场上出现了很多高速、高性能的新型单 片机,基于标准 8051 内核的单
39、片机正面临着退出市场的境地。C8051F 系列单片机是 完全集成的混合信号系统级芯片,具有与 8051 兼容的 CIP-51 微控制器内核,采用流 水线结构,单周期指令运行速度是 8051 的 12 倍,全指令集运行速度是原来的 9.5 倍。 熟悉 NCS-51 系列单片机的工程技术人员可以很容易地掌握 C8051F 的应用技术并能进 行软件的移植。 3.3.2 相同点 C8051F020 单片机与 80C51 系列单片机的指令系统完全一样。掌握 80C51 单片机 的人可以很容易地接受 C8051F020 的应用技术并能完成相应软件的移植。 3.3.3 主要硬件不同点 (1)运行速度 C80
40、51F020 的指令运行速度是一般 80C51 系列单片机的 10 倍以上。因为其 CIP-51 中采用了流水线处理结构,已经没有了机器周期时序,指令执行的最小时序单位为系 统时钟,大部分指令只要 12 个系统周期即可完成。又由于其时钟系统比 80C51 的更 加完善,有多个时钟源,且时钟源可编程,时钟频率范围为 025 MHz,当 CIP-5l 工 作在最大系统时钟频率 25 MHz 时,它的峰值速度可以达到 25 MIs,C8051F020 已 进入了 8 位高速单片机行列。 (2)IO 端口的配置方式 C8051F020 拥有 8 个 8 位的 IO 端口, 大量减少了外部连线和器件扩展
41、, 有 利于提高可靠性和抗干扰能力。其中低 4 个 IO 端口除可作为一般的通用 I O 端口 12 外,还可作为其他功能模块的输入或输出引脚,它是通过交叉开关配 置寄存器 XBR0、XBR1、XBR2(各位名称及格式如表 1 所示)选择并控制的,它 们控制优先权 译码选择开关电路如图 1 所示,可将片内的计数器定时器、串行 总线、硬件中断、 比较器输出及其它的数字信号配置为在端口 IO 引脚出现,这样用户可以根据自己的 特定需要选择所需的数字资源和通用 IO 口。数字交叉开关是一个比较大的数字开关 网路,这在所有 80C51 系列单片机上是一个空白。另外 P1MDIN 用于选择 P1 的输入
42、 方式是模拟输入还是数字输入,复位值为 11111111B,即默认为数字输入方式。而 80C51 单片机的 IO 引脚是固定分配的,即占用引脚多,配置又不够灵活。 (3)内部功能 C8051F020 内部带有数据采集所需的 ADC 和 DAC,其中 ADC 有两个,一个是 8 路 12 位逐次逼近型 ADC,可编程转换速率,最大为 100 kSs可通过多通道选择器 配置为单端输入或差分输入。内有可编程增益放大器 PGA 用于将输入的信号放大,提 高 AD 的转换精度。可编程增益为:0.5、1、2、4、8 或 16,复位时默认值为 1。另 一个是 8 路 8 位 ADC,可编程转换速率最大为 5
43、00 kSs,其可编程放大增益为 0.5、1、2、4,复位时默认值为 0.5。有 2 个 12 位的 DAC,用于将 12 位的数字量转换 为电压量,可产生连续变化的波形,两路信号可同步输出。 (4) 外部接口 C8051F020 外设还增添了三个串行口。可同时与外界进行串行数据通信,SMBus 兼容于 I2C 串行扩展总线;SPI 串行扩展接口;两个增强型 UART 串口。C8051F020 具有基于 JTAG 接口的在系统调试功能,片内的调试电路通过 JTAG 接口可提供高速、 方便的在系统调试。 3.4 8051F020 单片机介绍 3.4.1 系统概述 C8051F020/1/2/3
44、器件是完全集成的混合信号系统级 MCU 芯片,具有 64 个数字 I/O 引脚(C8051F020/2)或 32 个数字 I/O 引脚(C8051F021/3)。下面列出了一些主 要特性; (1)高速、流水线结构的 8051 兼容的 CIP-51 内核(可达 25MIPS) (2)全速、非侵入式的在系统调试接口(片内) (3)真正 12 位(C8051F020/1)或 10 位(C8051F022/3)、100 ksps 的 8 通 13 道 ADC,带 PGA 和模拟多路开关 (4)真正 8 位 500 ksps 的 ADC,带 PGA 和 8 通道模拟多路开关 (5)两个 12 位 DAC
45、,具有可编程数据更新方式 (6)64K 字节可在系统编程的 FLASH 存储器 (7)4352(4096+256)字节的片内 RAM (8)可寻址 64K 字节地址空间的外部数据存储器接口 (9)硬件实现的 SPI、SMBus/ I2C 和两个 UART 串行接口 (10)5 个通用的 16 位定时器 (11)具有 5 个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列 (12)片内看门狗定时器、VDD 监视器和温度传感器 具有片内 VDD 监视器、看门狗定时器和时钟振荡器的 C8051F020/1/2/3 是真正能 独立工作的片上系统。所有模拟和数字外设均可由用户固件使能/禁止和配置。FLASH 存
46、储器还具有在系统重新编程能力,可用于非易失性数据存储,并允许现场更新 8051 固件。 片内 JTAG 调试电路允许使用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)、全速、在系统调试。该调试系统支持观察和修改存储器和寄存 器,支持断点、观察点、单步及运行和停机命令。在使用 JTAG 调试时,所有的模拟 和数字外设都可全功能运行。 3.4.2 片内存储器 CIP-51 有标准的 8051 程序和数据地址配置。它包括 256 字节的数据 RAM,其 中高 128 字节为双映射。用间接寻址访问通用 RAM 的高 128 字节,用直接寻址访问 128 字节的 SFR 地址空间。
47、数据 RAM 的低 128 字节可用直接或间接寻址方式访问。 前 32 个字节为 4 个通用寄存器区,接下来的 16 字节既可以按字节寻址也可以按位寻 址。 C8051F020/1/2/3 中的 CIP-51 还另有位于外部数据存储器地址空间的 4K 字节的 RAM 块和一个可用于访问外部数据存储器的外部存储器接口(EMIF)。这个片内的 4K 字节 RAM 块可以在整个 64K 外部数据存储器地址空间中被寻址(以 4K 为边界 重叠)。外部数据存储器地址空间可以只映射到片内存储器、只映射到片外存储器、 或两者的组合(4K 以下的地址指向片内,4K 以上的地址指向 EMIF)。EMIF 可以
48、14 被配置为地址/数据线复用方式或非复用方式。MCU 的程序存储器包含 64K 字节的 FLASH。该存储器以 512 字节为一个扇区,可以在系统编程,且不需特别的外部编程 电压。从 0xFE00 到 0xFFFF 的 512 字节被保留,由工厂使用。还有一个位于地址 0x10000 - 0x1007F 的 128 字节的扇区,该扇区可作为一个小的软件常数表使用。图 1.7 给出了 MCU 系统的存储器结构。 3.4.3 可编程数字 I/O 和交叉开关 该系列 MCU 具有标准 8051 的端口(0、1、2 和 3)。在 F020/2 中有 4 个附加的 端口(4、5、6 和 7),因此共有
49、 64 个通用端口 I/O。这些端口 I/O 的工作情况与标准 8051 相似,但有一些改进。每个端口 I/O 引脚都可以被配置为推挽或漏极开路输出。 在标准 8051 中固定的“弱上拉”可以被总体禁止,这为低功耗应用提供了进一步节电的 能力。可能最独特的改进是引入了数字交叉开关。这是一个大的数字开关网络,允许 将内部数字系统资源映射到 P0、P1、P2 和 P3 的端口 I/O 引脚(见图 1.9)。与具有标 准复用数字 I/O 的微控制器不同,这种结构可支持所有的功能组合。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、ADC 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为出现在端口 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。 1.3 可编程计数器阵列 除了 5 个 16 位的通用计数器/定时器之外,C8051F020 MCU 系列还有一个片内可 编程计数器/定时器阵列(PCA)。PCA 包括一个专用的 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是下面的六个时钟源之一:系统 时钟/12、系统时钟/4、定时器 0
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