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基于C8051F020单片机串口通信系统的研究
作者：Ling Xu, Zhen Chen, Shi-Iei Zhang
地址：中国河南新乡
河南机械和电气工程学院
自动控制系
电子邮件:{ 965 } xulingI @126.com
摘要：本文介绍了C8051F系列单片机的特点，并设计了基于C8051F020单片机组成的串行通信系统的外围硬件电路和异步通讯软件程序。接着本文介绍了该课题在设计过程中应注意的问题，本次研究表明，该系统的结构简单，配置灵活，数据传输方便，并且成品性能相当不错。
关键词：单片机；C8051F020；异步串行；通信系统；MAX3223E
I. 概述
单片机具有许多特性，如型号小，功能强，低成本，低功耗，编程简单，抗干扰性能强，和可靠等优点，被广泛应用于通信，仪器仪表，工业控制等领域。 然而，由于它的数据存储容量小以及有限的数据处理能力，一般情况下，使用该通信装置必须将单片机与PC连接。该单片机可以将收集到的数据传送至PC，利用PC来处理数据，这样才能充分发挥它们各自的优点。
II. C8051F020单片机的介绍
C8051F020单片机是C8051F系列单片机，是美国公司Cygnal公司设计并制作的，其核心是CIP-51，具有自主产权[1]。 C8051F020 MCU是一款高性能，高速的单片机，与8051.1ts兼容，其性能优异，这是一个真正的混合信号片上系统。而它的指令集与MCS-51 [2]完全兼容，所以编程是很容易的。 C8051F020单片机包含以下几个部分：片内64kB的闪存程序存储器，4352B RAM，8个1/0端口（64个I / 0口线），12位A/D转换器，8位A/D转换器，一个双向12位D I A转换器，2通道比较器，VDD监视器，以及温度传感器等。 C8051F020单片机支持双时钟，以及操作电压范围为2.7 V之间和3.6V。相比于以前的51系列，C8051F020增添了许多功能。由于高集成度， C8051F020无需外扩ROM，A/D，D/A，看门狗，I/0端口，EEPROM等部件，从而大大简化了硬件电路。与此同时，它的可靠性和速度都得到了很大的提高。在芯片上，集成了2个UART，一个SM（兼容的I2C），一个SPI，这大大提高了C8051F020和其他设备之间的通信灵活性[3]。
III. 系统设计
A硬件电路设计
由于C8051F020单片机是一种低功耗的产品，它采用3V电压供电。因此，采用3V电源供电是首选。为了使C8051F02具备与外围之间的通信设备（如微型计算机）通信的功能， MAXIM公司选定MAX3223E为电压电平转换器，将其应用在由RS232- TTL[4]组成的硬件电路。该硬件原理图见图一， MAX3323E是一个2接收/2发送的RS232串口收发器，其组成的外围电路很简单，而电荷泵电路只需要四个0.11升电容。 TlOUT和RUN分别接单片机的RX的通信端口COMI（或COM2）。 TX，T20UT和R2IN与其他控制设备连接。 EN接低电压等级，FORCEON和FORCEOFF高通电压电平，这样的连接方式可以使MAX3223E处于正常工作状态。此时ROUT和TOUT总是处于正常输出状态，其工作模式可以在表1中显示。
B. 软件设计
1）I / O端口配置
C8051F02在I/ O端口的使用上非常灵活。通过设置数据交叉开关寄存器，用户可以根据具体需求选择相应的I/O口以及储存在芯片中的数据，并且将数据通过I/O口映射到外部I/O引脚输出。在该设计中，将会应用到两个异步串行端口，这两个端口是UART端口。因此我们可以用PO.1，PO.O可以分别作为UART端口收发器。需要注意的是，一旦I/ O端口配置为特殊端口，那么它将不能作为一般的端口。所以要实现特殊功能的程序必须在I/O端口配置完成前编写完毕。当然，有些具体的端口也可保留。在本设计中，PO.3，PO.2被配置为UART收发端口[5]。该组的数字I / O端口的交叉开关寄存器设置程序段如下：
MOV XBR2, #44H; 寄存器允许打开XBARE= 1，UART启用
MOV XBR1, #OOH
MOV XBRO, #04H; UARTO启用
2) UARTO, UARTI初始化
定时器T2和T4分别用作UARTO和UARTI的波特率发生器。 lUARTO，UARTI还使用中断方法来接收数据，使用查询方式发送数据；同时它们使用12MHz晶振。它们的控制字由有一个起始位，8位数据和一个停止位组成。设置UARTO的波特率为2400， UARTl波特率9600的程序段如下：
MOV SCONO, #50H
MOV TICON, #30H
MOV RCAP2L, #64H; 设置UARTO波特率2400, 12M定时器
MOV RCAP2H, #OFFH
MOV PCON, #64H
SETB TR2 SETB ESO; UARTO中断允许打开
MOV SCON!, #50H
MOV RCAP4H, #OFFH; 设置UARTO波特率9600, 12M定时器
MOV RCAP4L, #OD8H
MOV T4CON, #34H
MOV EIE2, #40H; UARTl中断允许打开
SETB EA; 总中断打开
3) 通信协议和流程图
为了保证C8051F020与其他外部设备通信的准确性，本设计中采用简单有效通信协议，该通信协议规定。（本例以UARTO为例。 UARTI与UARTO类似，在此不再赘述。）通信过程中，每7个字节发送一次。
如果是PC的COMI端口发送信息至C8051F020，则帧头(frame header)置为55H，如果由C8051F020发送到PC，则帧头是AAH。校验采用二进位累加器方法进行校验，接收数据则使用中断方法来接收数据。中断流程图如图2所示，中断处理程序的程序如下：
UARTINT: CLR ES; 串行中断关闭
JBC TI, RCKS1; 如果中断是关闭的，跳转到结束程序段
RUARTINT: PUSH ACC
PUSH PSW
汇编程序如下：
SETB PSWA.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 00H;
CLR RI
POP PSW
POP ACC
SETB ES
RETI
RMSW: INC 36H
RZDHM: CLR RI
POP PSW
POP ACC
RCKSl: SETB ES
RETI
IV. 设计中必须注意的几个问题
A晶振频率的选择
由于Cygnal公司的MCU内核CIP-51采用流水线结构，指令执行速度大大提高。标准的8051单片机系统采用12时钟周期来执行单周期指令，但Cygnal公司的MCU只需要一个系统时钟周期。如果系统时钟频率为25MHz，因此单周期指令执行所需的时间仅是为40ns，因此我们必须重视片内和片外振荡器的配置以及振荡器的频率的选择。
B.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）分离模拟和数字电源，如在两者之间加入简单的过滤器作为隔离。
（2）在印刷电路板过程中，可通过采用大面积的铜接地来降低噪音。
（3）所使用的模拟引脚必须接地。
（4）确认参考点的稳定性，参考引脚必须与去耦电容器连接。
（5）该模拟电平的输入电压范围是0-VDD。
如果外部模拟输入有高电压侵入（超过芯片所允许的范围），必须要采取防护措施（例如，添加两个肖特基二极管等）。如果模拟输入存在瞬时过流的现象，必须采取限流保护措施。为了提高单个芯片的可靠性和寿命，在存在端口瞬时极性切换的情况下，建议相应电路中增加保护电阻;如果存在超过限制范围瞬态电压电平侵入的情况，必须采用瞬态保护（在I/O端口连接TVS或快速反应二极管）。
C.I/O端口防护措施
在通信应用中，C8051F020并不采取及时的保护措施保护它的端口（62,69,71,74,91,92引脚等）。在运行过程中，加入PIT信号，即时信号切换会导致端口损坏。因此，通信将会中断，设备无法正常工作，从而导致在大量的设备报废。经过仔细分析，可以采取一些端口保护措施，如在相应电路中连接限流电阻，连接滤波电容和增加NUP4201MR6型瞬态电压抑制器（ON公司）等。使用这些措施，设备的可靠性显著增加，在生产过程中的损失浪费率是几乎等于0，所以对端口的保护是很重要的。
V 小结
总之，C8051F020是一款集成度是高而功能强大的单片机。该单片机用作异步串行通讯系统的主芯片效果是相当理想的。实践证明，该系统运行良好，能达到设计目的。
参考文献
[I] Li Gang，Lin Ling，'Hign Performance and High Speed SingleChipbeing Compatibel with S05I---CS05IFxxx' ，北京：北京航空航天大学出版社，2002年。
[2] Sun Han-fang,Xu Ai-qing 'Principles and Application of MCS-51/96 Serias Singlechip' 北京：北京航空航天大学航天大学出版社，1990年
[3] Pan Zhuo-jin, Shi Guo-jun 'Principle and Application of CS051FXXX Hign Speed SOC SingleChip'，北京：北京航空航天大学出版社，2002年
[4] MAO lun, LIU Ke-ming, XU Guang-ming 'The Application of Serial Communication of CS05IF020'，煤矿机械，pp.79-SI，2005年5月
[5] SUI Tao, TENG ling-zhong，LI Bing, 和 DU Zun-tong，'Application of multi-serial-interface in small measure and control device base on the CS05If020'，制造自动化，第31卷，pp.29-30， 2009年4月
附录
图1硬件原理图
表1 ROUT和TOUT的工作模式
图2中断处理程序框图
基于单片机的步进电机控制电路
AT89C51单片机是一种低功耗，高性能的8位CMOS单片机具有4K字节的Flash可编程可擦除只读存储器（ROM）。该设备采用Atmel的高密度非易失性存储器技术制造，与标准的MCS-51指令集和引脚兼容。片上Flash可通过程序储存器进行重新编程。AT89C51将一个多功能的8位CPU和闪存集成在一个芯片上，Atmel的AT89C51是一个功能强大的微处理器，它为许多嵌入式控制应用提供一个高度灵活并且具低成本的解决方案。
功能特点
AT89C51单片机具有以下标准功能：4K字节Flash，128字节RAM，32个I / O口线，2个16位定时器/计数器，一个五向量两级中断结构，全双工串行口，片振荡器和时钟电路。此外，AT89C51设计了静态逻辑运算下降到零频率和支持两种软件可选节电模式。同时允许RAM，定时器/计数器，串行口和中断系统继续工作在空闲模式下，CPU停止工作。掉电方式保存RAM中的内容，但冻结振荡器禁用所有其他芯片功能，直到下一个硬件复位。
引脚说明
VCC：电源引脚
GND：接地引脚
Port 0：
P0口是一个8位漏极开路双向I/ O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL输入。对端口写“1”，引脚可以用作高阻抗输入口。P0口也可以被配置为访问外部程序和数据存储器中的复用
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