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基于C8051F020单片机的
串行通信系统的研究
摘要：介绍了C8051F系列单片机的特点，设计了基于C8051F020单片机的异步串行通信系统的硬件电路和软件通信程序。并介绍了设计过程中必须注意的问题。实践表明，该系统结构简单，配置灵活，数据传输便利，性能良好。
关键字：单芯片; C8051F020;异步串行通信系统；MAX3223E
1.介绍
单片机具有体积小，功能强大，成本低，功耗低，指令简单，抗干扰性能好，可靠性高等特点，被广泛应用于通信，仪器仪表，工业控制等领域。然而，由于其数据存储容量和低数据处理能力，在正常情况下，必须使用通信装置将单片机与PC连接。单片机可以将采集到的数据发送到PC，然后在PC中进行处理，以充分发挥自身的优势。
2.C8051F020单片机简介
C8051F020 MCU是由美国Cygnal公司制造和设计的C8051F系列单片机，其核心是具有独立产权的CIP-51 [1]。C8051F020 MCU是一款高性能，高速的单片机，与8051兼容，功能全面，性能卓越，是真正的片上混合信号系统。它的指令集与MCS-51 [2]完全兼容，因此编程非常容易。C8051F020单片机包含以下部分，例如64kB片上Flash程序存储器，4352B RAM，八个1/0端口（64 I / 0端口线），一个12位AID转换器，一个8位AID转换器，两个方式12位DIA转换器，两个比较器，VDD监视器和温度传感器等。C8051F020 MCU支持双时钟，工作电压范围在2.7 V至3.6V之间。与以前的51系列相比，C8051F020增加了许多功能。由于高集成度，C8051F020避免了外部扩展ROM，A/D，D/A，Watchdog，I/0端口，EEPROM，从而大大简化了硬件电路。同时，它的可靠性和速度都大大提高了。在芯片上，集成了两个UART，一个SM（兼容I2C）和一个SPI，这极大地提高了C8051F020与其他外围设备之间的通信灵活性[3]。
系统设计
3.1硬件设计
由于C8051F020单片机是一种低功耗产品，它使用3V电压供电。因此，具有3V电源的芯片将是首选。为了实现C8051F020与外围设备（如微型计算机）之间的通信，在硬件设计中，选择了MAXIM公司生产的MAX3223E作为RS232-TTL的电压电平转换器[4]。硬件示意图如图1所示。
MAX3323E是一个2接收/ 2发送RS232收发器，其外围电路很简单，电荷泵电路仅需要四个0.11l电容器。TlOUT和RUN分别连接微型计算机通信端口COMI（或COM2）的RX。TX，T20UT和R2IN与其他控制设备连接。EN连接低电压电平，FORCEON和FORCEOFF连接高电压电平，可以使MAX3223E在正常模式下工作。ROUT和TOUT始终有效，其工作模式如表1所示。
3.2软件设计
3.2.1 I / O端口配置
在I / O端口中使用C8051F020更加灵活。通过设置数据交叉开关寄存器，可以控制片上数字资源映射到外部I / O引脚，从而允许用户根据其特定应用选择通用I / O端口和所需的数字资源. .在此设计中，将使用两个异步串行端口，即UART端口。所以PO.1，PO.O可以单独用作UARTO的收发器端口。一旦将I / O端口配置为特殊功能端口，就不能将其作为常规端口。因此，必须在设计端口之前确定所需特殊功能的效用。当然，某些特定端口也可以保留。在这种设计中，PO.3，PO.2配置为UART1收发器端口[5]。数字I / O端口交叉开关寄存器的设置如下所示
MOV XBR2,#44H;纵横开关权限位 XBARE=1,UART=1使能
MOV XBR1,#00H;
MOV XBR0,#04H;UART0使能
3.2.2 UART0,UART1的初始化
T2和T4分别用作UART0和UART1的波特率发生器。UART0,UART1也使用中断方法接收数据，使用查询方法发送数据，使用12MHz的晶振。它们还具有一个起始位，八个数据位和一个停止位。UART0的波特率为2400，URAT1的波特率为9600。操作步骤如下：
MOV SCON0,#50H
MOV T2CON,#30H
MOV RCAP2L,#64H;定义UART0波特率2400，12M计时器
MOV RCAP2H,#0FFH
MOV PCON,#64H
SETB TR2
SETB ES0;UART0使能中断
MOV SCON1,#50H
MOV RCAP4H,#0FFH;定义UART0波特率9600，12M计时器
MOV RCAP4L,#0D8H
MOV T4CON,#34H
MOV EIE2,#40H;UART1使能中断
SETB EA;全局使能中断
3.2.3 通信协议和流程图
为了确保C8051F020可以与其他外部设备正确交换信息，此设计中规定了一个简单有效的通信协议。（在以下设计中以UARTO为例。UART1与之类似，因此不再赘述。）每次将发送7个字节。
来自PC的COMI的帧头是55H，C8051F020发送到PC的帧头是AAH。校验和使用二进制累加并使用中断方法来接收数据。中断流程图如图2所示，中断处理程序如下：
UARTINT: CLR ES;
JBC TI, RCKS1;
RUARTINT: PUSH ACC
PUSH PSW
汇编程序如下：
SETB PSW.4
CLR PSW.3
MOV A, SBUF0
MOV 3AH, A
MOV A, 36H
CJNE A, #00H,RBSZT
MOV A, 3AH
CJNE A, #55H,RZDHM;
INC 36H
MOV UARTRH, 3AH;
JMP RZDHM
RBSZT :MOV A, 36H
MOV 37H, #06H
MOV A, 36H
ADD A, #UARTRH
MOV RO, A
MOV A, 3AH
MOV @RO, A
MOV A, 36H
CJNE A, 37H,
SETB OOH;
CLR RI
POP PSW
POP ACC
SETB ES
RETI
RMSW: INC 36H
RZDHM: CLR RI
POP PSW
POP ACC
RCKSl: SETB ES
RETI
4.必须解决的几个问题设计中的注意事项
4.1外部振荡器频率的选择
由于Cygnal MCU的CIP-51内核采用了流水线架构，因此指令的执行速度得到了极大的提高。标准的8051单片机系统需要12个时钟周期才能实现单周期指令，但是Cygnal的MCU仅需要一个系统时钟周期。如果系统时钟频率为25MHz，则执行单个周期所需的时间仅为40ns，因此必须注意片上或片外振荡器的配置，并且还必须注意振荡器频率的选择。
4.2 ADC性能的改进
为了有效地提高ADC的性能，应采取以下措施。
(1)分开模拟和数字电源，例如两者之间的简单滤波器。
(2)印刷电路板时，可使用大面积的铜接地以减少噪声。
(3)使用的模拟引脚必须接地。
(4)确保参考的稳定性。参考引脚必须与去耦电容器连接。
(5)模拟电平的输入电压范围为O-VDD。
如果模拟输入的外部存在侵入性高级别（超出芯片的允许限制范围），即必须采取保护措施（例如，添加两个肖特基二极管等）。如果模拟输入存在瞬时过电流，则必须采取极限保护措施。
为了提高单片机的可靠性和使用寿命，建议在端口级瞬时过渡的情况下增加限流保护电阻。如果有如果存在瞬态电压电平超过端口的限制范围，则必须加入瞬变保护(I/0端口，访问TVS或快速响应二极管）。
4.3 I / O端口保护测量
在通信应用中，C8051F020没有及时对其端口（62、69、71、74、91、92和其他引脚）采取端口保护措施。在施加PIT信号的过程中，即时信号切换将导致端口损坏。因此，通信将中断并且设备无法正常工作，从而导致大量设备报废。经过仔细分析，可以采取一些端口保护措施，例如使用级联的10on限流电阻器，连接OI电容电容器和增加NUP4201MR6型瞬态电压抑制器（ON公司）等等。使用这些措施，可以显着提高设备的质量可靠性，并且在生产过程中的损耗浪费率几乎等于O。因此，保护I/O端口非常重要。
5.结论
综上所述，C8051F020的集成度很高，功能强大。将单片机被用作异步串行通信中的主芯片是一个理想的解决方案。实践证明该系统运行良好。
参考文献
[1]李刚.林玲.高性能和高速单芯片与S05I--CS05IFxxx兼容.北京航空航天大学,2002.
[2]孙汉芳.徐爱清. MCS-51 / 96 Serias单片机的原理与应用.北京航空航天大学,1990.
[3]潘卓进.史国军. CS051FXXX高速SOC单芯片的原理与应用.北京航空航天大学,2002.
[4]毛伦.刘克明.徐光明.CS05IF020串行通讯的应用.煤矿机械,2005.
[5]隋涛.滕令忠.李冰和杜尊桐.基于CS05If020的多串行接口在小型测控设备中的应用.制造业自动化.2009.
图1 硬件原理图
表1 ROUT和TOUT的工作模式
|
工作模式 |
FORCEON |
/FORCEOFF |
/EN |
有效接收电平 |
TOUT |
ROUT |
|
关闭 |
X |
0 |
0 |
X |
高阻抗 |
有效 |
|
关闭 |
X |
0 |
1 |
X |
高阻抗 |
高阻抗 |
|
正常 |
1 |
1 |
0 |
X |
有效 |
有效 |
|
正常 |
1 |
1 |
1 |
X |
有效 |
高阻抗 |
|
正常 （自动关闭） |
0 |
1 |
0 |
YES |
有效 |
有效 |
|
0 |
1 |
1 |
YES |
有效 |
高阻抗 |
图2 中断响应流程图
N
N
N
Y
Y
Y
Y
N
是否是帧头?（3AH）=55H?
接收数据指针（36H）=0?
TI=1?
是否成功接收（36H）=(37H)?
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