【文章內(nèi)容簡介】 ，使8051兼容機(jī)系列進(jìn)入了8位高速單片機(jī)行列。（11）、電氣特性校準(zhǔn)器的輸入電壓(REGIN引腳):。VDD(電壓校準(zhǔn)器的輸出):()。VREG偏流(電壓校準(zhǔn)器有效時):70uA。CPU和USB運行時的供給電流:18mA(CPU時鐘為24MHz，USB時鐘為48MHz時)，或9mA(CPU時鐘為12MHz，USB時鐘為6MHz時)。內(nèi)部晶振頻率: MHz。USB時鐘頻率:(全速)，(低速)。由于C8051F340內(nèi)部集成了高精度時鐘源、電壓調(diào)節(jié)器、A／D轉(zhuǎn)換器以及用于A／D轉(zhuǎn)換的參考電壓源等豐富的片上外設(shè)，因此對系統(tǒng)進(jìn)行硬件設(shè)計時，無需再外擴(kuò)上述電路，從而簡化了系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，提高了集成度和可靠性。可在工業(yè)溫度范圍（45℃到+85℃）―。端口I/O參比電極和/RST引腳都容許5V的輸入信號電壓。C8051F320采用32腳LQFP封裝，其工作極限參數(shù)表和總體直流電氣特性表分別如下表所示。C8051F320微控制器核：C8051F320單片機(jī)系統(tǒng)使用Silicon Labs的專利CIP51微控制器內(nèi)核。CIP51與MCS51TM指令集完全兼容，可以使用標(biāo)準(zhǔn)803x/805x的匯編器和編譯器進(jìn)行軟件開發(fā)。CIP51內(nèi)核具有標(biāo)準(zhǔn)8052的所有外設(shè)部件，包括4個16位計數(shù)器/定時器、2304字節(jié)內(nèi)部RAM及25/21個I/O引腳等。CIP51采用流水線結(jié)構(gòu)，與標(biāo)準(zhǔn)的8051結(jié)構(gòu)相比指令執(zhí)行速度有很大的提高。在一個標(biāo)準(zhǔn)的8051中，除MUL和DIV以外所有指令都需要12或24個系統(tǒng)時鐘周期，最大系統(tǒng)時鐘頻率為1224MHz。而對于CIP51內(nèi)核，70%的指令的執(zhí)行時間為1或2個系統(tǒng)時鐘周期，只有4條指令的執(zhí)行時間大于4個系統(tǒng)時鐘周期。CIP51工作在最大系統(tǒng)時鐘頻率25MHz時，它的峰值速度達(dá)到25MIPS。 幾種控制器的時鐘峰值速度的比較另外，C8051F320系列MCU在CIP51內(nèi)核和外設(shè)方面有幾項關(guān)鍵性的改進(jìn)。擴(kuò)展的中斷系統(tǒng)向CIP51提供16個中斷源（標(biāo)準(zhǔn)8051只有7個中斷源），允許大量的模擬和數(shù)字外設(shè)中斷微控制器。C8051F320的內(nèi)部振蕩器在出廠時已經(jīng)被校準(zhǔn)為12MHz177。%，%的增量編程。時鐘恢復(fù)電路允許內(nèi)部振蕩器與4倍時鐘乘法器配合，提供全速方式USB時鐘源。內(nèi)部振蕩器還被用作低速方式下的USB時鐘源。由于C8051F320內(nèi)部配備強(qiáng)大的功能模塊大大簡化了USB技術(shù)的開發(fā)。可同時對兩路信號進(jìn)行采樣，使用內(nèi)部集成的A/D轉(zhuǎn)換器和定時器完成信號采樣及數(shù)模轉(zhuǎn)換，簡化了電路的設(shè)計。利用USB全速傳輸，保證了較高的數(shù)據(jù)傳輸率，同時無需外加單獨的USB電源。且A/D轉(zhuǎn)換器、定時器、USB控制器等器件互相獨立工作，需要較少的8051內(nèi)核干涉。下面就構(gòu)建檢測系統(tǒng)使用到的C8051F320系統(tǒng)目標(biāo)板上的器件進(jìn)行介紹。參 數(shù)條 件最小值典型值最大值單位數(shù)字電源電壓(注1)V數(shù)字電源電流（CPU處于活動狀態(tài)）VDD=,CLK=24MHzVDD=,CLK=1MHzVDD=,CLK=32MHz1030mAmAuA數(shù)字電源電流（CPU和USB處于活動狀態(tài)，全速或低速）VDD=,CLK=24MHzVDD=,CLK=6MHzTBDTBDmA mA數(shù)字電源電流（CPU不活動，即不訪問FLASH）VDD=,CLK=24MHzVDD=,CLK=1MHzVDD=,CLK=32MHz514mAmAuA數(shù)字電源電流（停機(jī)方式）uARAM數(shù)據(jù)保持電源電壓15VSYSCLK(系統(tǒng)時鐘，注2)025MHzTSYSH(SYSCLK的高電平時間)18nsTSYSL（SYSCLK的低電平時間）18ns額定工作溫度范圍40+85℃注1：；注2：未能使用調(diào)試功能，SYSCLK最少為32KHz。參 數(shù)條 件最小值最大值單位環(huán)境溫度（通電情況下）55125℃儲存溫度65150℃任何端口I/O引腳或/RST相對GND的電壓VVDD引腳相對DGND的電壓V通過VDD和GND的最大總電流500mA/RST或任何端口引腳的最大輸出灌電流100mAC8051F320的引腳功能：引腳功能引腳功能(1)數(shù)字信號I/O(26)數(shù)字信號I/O，模擬信號I(32)數(shù)字信號I/O；模擬信號I；外部晶振輸入(25)數(shù)字信號I/O，模擬信號I(31)數(shù)字信號I/O,外部晶振輸出(24)數(shù)字信號I/O，模擬信號I(30)數(shù)字信號I/O(23)數(shù)字信號I/O，模擬信號I(29)數(shù)字信號I/O(22)數(shù)字信號I/O，模擬信號I(28)，ADC0外部轉(zhuǎn)換輸入引腳(21)數(shù)字信號I/O，模擬信號I(27)數(shù)字信號I/O，外部參考電源的輸入輸出端口。(20)數(shù)字信號I/O，模擬信號I(2)數(shù)字I/O(19)數(shù)字信號I/O，模擬信號I(18)數(shù)字信號I/O，模擬信號I(10)，EC2調(diào)試接口的雙向信號引腳(17)數(shù)字信號I/O，模擬信號IRST/C2CK(9)設(shè)備的復(fù)位引腳，EC2調(diào)試接口的時鐘信號(16)數(shù)字信號I/O，模擬信號IVBUS(8)USB總線輸入腳(15)數(shù)字信號I/O，模擬信號IREGIN(7)5V校準(zhǔn)儀的輸入端(14)數(shù)字信號I/O，模擬信號IVDD(6)數(shù)字電源(13)數(shù)字信號I/O，模擬信號ID(5)USB的D(12)數(shù)字信號I/O，模擬信號ID+(4)USB的D+(11)數(shù)字信號I/O，模擬信號IGND(3)地 信號調(diào)理電路 結(jié)構(gòu)鋼調(diào)理電路由于流過結(jié)構(gòu)鋼的雜散電流不是太大，在CPU的AD轉(zhuǎn)換范圍之內(nèi)，測量主體結(jié)構(gòu)鋼筋的自然電位時要在不受地鐵雜散電流影響時測量，在地鐵停運半小時以后進(jìn)行，儀表正極接主體結(jié)構(gòu)鋼筋，負(fù)極接測量參比電極。以本次測量的電位為基準(zhǔn)零電位，在地鐵運行時,按上述相同的測量條件和相同儀表測量具有隨機(jī)變量特性的地鐵結(jié)構(gòu)的極化電壓值。 結(jié)構(gòu)鋼由于參比電極的電壓不是太大，在2V以內(nèi)，與結(jié)構(gòu)鋼的電壓相似。在CPU的AD轉(zhuǎn)換范圍之內(nèi)，所以用運算放大器做調(diào)理電路時不必要放大，重點在過壓的保護(hù)及電平抬升上，用一加法電路抬升電壓，所用為兩個MAX4182放大器，該放大器輸入為0—5V。在加上輸入的177。1V的電壓，即在AD轉(zhuǎn)換的范圍內(nèi)。下圖中，電阻R5用來限流同時起保護(hù)作用。穩(wěn)壓二極管組成過壓保護(hù)電路。同時加以小電容C5以濾去不必要的雜波。然后經(jīng)過一加法電路，抬升電平。下圖中的電路是直接測量參比電極和結(jié)構(gòu)鋼之間的電壓，經(jīng)過CPU的運算算出兩點間的電壓，存儲到CPU的臨時存儲器中。經(jīng)由CPU計算出參比電極的對結(jié)構(gòu)鋼的電壓。每30分鐘由軟件求得一次平均值。 鋼軌對結(jié)構(gòu)鋼的測量調(diào)理電路因為軌道電壓一般在三十伏左右，所以需要進(jìn)行分壓處理后進(jìn)行采樣,在送入AD轉(zhuǎn)換[13]。按照規(guī)定鋼軌與結(jié)構(gòu)鋼之間的電壓不能超過92V。在本設(shè)計中計算保護(hù)電路時按100V計算，接線時正端與走行軌扼流變壓器中性點相連接。其負(fù)極與主體結(jié)構(gòu)鋼筋或接地極相連。在鋼軌信號進(jìn)入調(diào)理電路之前加以80V的穩(wěn)壓二極管，將輸入的電壓限制在80V之內(nèi)，做為安全限制電壓，再進(jìn)入調(diào)理電路，由于CPU可接受的輸入電流為18mA。所以按18 mA來計算電阻值。計算如下：R = ≈ 6 KΩ為精確控制輸入的信號，將這6 KΩ的電阻分開設(shè)置，設(shè)置一電阻R6為5KΩ，作為大的限流電阻，剩下的1 KΩ分為兩部分， KΩ, KΩ，作為精確調(diào)制信號的部分。同樣用一加法電路抬升電壓，所用為兩個MAX4182放大器，該放大器輸入為0—5V。在加上輸入進(jìn)來的177。1V的電壓，即在AD轉(zhuǎn)換的范圍內(nèi)。為了繪制走行軌電壓分布圖,應(yīng)在線路的不同監(jiān)測點上同時進(jìn)行測量，～1km。下圖中的電路是直接測量鋼軌與結(jié)構(gòu)鋼之間的電壓。經(jīng)過CPU的運算算出鋼軌與結(jié)構(gòu)鋼之間的電壓，存儲到CPU的臨時存儲器中。每半小時由軟件求得的多次電壓的平均值。 鋼軌與結(jié)構(gòu)鋼電壓測量電路 A/D轉(zhuǎn)換器：C8051F320內(nèi)部有一個10位逐次逼近寄存器型ADC和一個17通道差分輸入多路選擇器。ADC工作在200ksps的最大采樣速率時可提供真正10位的線性度，INL為177。1LSB。ADC0的最高轉(zhuǎn)換速率為200ksps，即20KB/s。轉(zhuǎn)換時鐘由系統(tǒng)時鐘分頻得到，分頻系數(shù)由ADC0CF寄存器的AD0SC位決定，轉(zhuǎn)換時鐘（SAR時鐘）頻率計算公式為： 0≤AD0SC≤31式中：為SAR時鐘頻率，為系統(tǒng)時鐘頻率，AD0SC為ADC0CF寄存器的AD0SC位十進(jìn)制數(shù)值。ADC系統(tǒng)包含一個可編程的模擬多路選擇器，用于選擇ADC的正輸入和負(fù)輸入。端口1～3可作為ADC的輸入。、 ADC工作在差分方式下，對電壓信號進(jìn)行采樣。 AD內(nèi)部圖ADC0工作在低功耗跟蹤保持方式。在該方式，每次轉(zhuǎn)換前有3個SAR時鐘的跟蹤時間，跟蹤發(fā)生在轉(zhuǎn)換啟動信號有效之后，如圖所示。、而ADC有建立時間要求，所以有必要采用低功耗跟蹤保持的工作方式，三個SAR時鐘的延遲可以滿足ADC最小建立時間的要求。系統(tǒng)從空閑模式被喚醒時，系統(tǒng)啟動內(nèi)部振蕩器與ADC，轉(zhuǎn)換系統(tǒng)時鐘基準(zhǔn)為內(nèi)部振蕩器8分頻模式，并開始ADC轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完成后，讀ADC數(shù)據(jù)，而后停止ADC及內(nèi)部振蕩器并令CPU回到空閑模式，為了捕捉ADC采樣數(shù)據(jù)。A/D轉(zhuǎn)換可以有6種啟動方式：軟件命令、定時器0溢出、定時器1溢出、定時器2溢出、定時器3溢出或外部轉(zhuǎn)換啟動信號。這種靈活性允許用軟件事件、周期性信號（定時器溢出）或外部硬件信號觸發(fā)轉(zhuǎn)換。一個狀態(tài)位用于指示轉(zhuǎn)換完成，或產(chǎn)生中斷（如果被允許）。轉(zhuǎn)換結(jié)束后10位結(jié)果數(shù)據(jù)字被鎖存到ADC數(shù)據(jù)寄存器中。本設(shè)計中A/D轉(zhuǎn)換觸發(fā)通過定時器2溢出進(jìn)行觸發(fā)。當(dāng)定時器2高字節(jié)溢出時，硬件自動啟動A/D轉(zhuǎn)換，自動并把計數(shù)初值裝入定時器2寄存器里。并在A/D轉(zhuǎn)換完成時，置位A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷位，產(chǎn)生A/D轉(zhuǎn)換中斷。通過定時器2的計時，定時器2計時時間即完成一次采樣時間。 AD時鐘圖 USB總線控制器：C8051F320單片機(jī)系統(tǒng)集成了全速/低速USB功能控制器，用于實現(xiàn)USB接口的外部設(shè)備（C8051F320不能被用作USB主設(shè)備）。USB功能控制器（USB0）由串行接口引擎（SIE）、USB收發(fā)器（包括匹配電阻和配置上拉電阻）、1KB FIFO存儲器和時鐘恢復(fù)電路組成，其結(jié)構(gòu)圖如下圖所示。，可以全速或低速工作。片內(nèi)4倍時鐘乘法器和時鐘恢復(fù)電路允許使用內(nèi)部高精度振蕩器作為USB時鐘源，實現(xiàn)全速和低速通信。外部振蕩器也可以與4倍時鐘乘法器配合使用來產(chǎn)生USB時鐘。CPU時鐘源與USB時鐘相互獨立。共有8個端點：一個雙向控制端點（端點0）和三對輸入/輸出端點（端點13輸入/輸出）。使用1024字節(jié)的片內(nèi)XRAM作為USB0的FIFO空間。FIFO空間在端點0–3之間的分配如圖所示。分配給端點1–3的FIFO空間可以被配置為輸入（IN）、輸出（OUT）或兩者兼有（分割方式：一半空間給輸入，一半空間給輸出）。本系統(tǒng)使用USB全速通信。并且使用端點0作為控制端點，端點1作為單向批量輸入端點，端點2作為單向批量輸出端點。 USB內(nèi)部圖 USBFIFO空間分配D+和D為數(shù)據(jù)輸入和輸出線，且都要串聯(lián)一個18歐姆的匹配電阻，用來穩(wěn)定輸出的電流，VBUS為數(shù)據(jù)控制線。由于USB采用的是全速傳輸，傳輸速度可達(dá)12MB/s。： USB接線圖USB通信流程圖：在本設(shè)計中主要用到了初始化、讀、寫、中斷這四個函數(shù)，USB的所有處理程序都是通過USB的中斷服務(wù)程序完成的。進(jìn)入USB中斷后，程序先獲得USB中斷的進(jìn)入原因。然后根據(jù)不同的情況，來進(jìn)行相應(yīng)的處理。 鍵盤電路為方便人機(jī)交互，在本系統(tǒng)中設(shè)計了鍵盤電路，為在實際測量時做些必要的調(diào)整。 如何判斷是何健按下采用非編碼鍵盤，CPU必須對所有按鍵進(jìn)行監(jiān)視，一旦發(fā)現(xiàn)有鍵按下，CPU應(yīng)通過程序加以識別，并轉(zhuǎn)入相應(yīng)鍵的處理程序，實現(xiàn)該鍵功能。鍵值表：CPU掃描鍵盤時可以通過程序讀取被按鍵的行首鍵號，和列值，并求出被按鍵的鍵號，然后在查鍵值表即可知道什么鍵被按下。判斷是否有健按下：高電平即表示有鍵按下。被按鍵行首和列值的讀取：若CPU發(fā)現(xiàn)有鍵按下，則獲取被按鍵的行首鍵號和列值。CPU獲取被按鍵的行首鍵號和列值只需對鍵盤行和列掃描即可。按鍵的去抖動和竄健處理：在按下某個按鍵時，被按鍵的彈簧總會有輕微的抖動，這種抖動常常會持續(xù)10ms左右。因此，CPU在按鍵抖動期間掃描鍵盤必然會得到錯誤的行首鍵號和列值，最好的辦法是使CPU在檢測到有鍵按下時延時20ms在進(jìn)行列向掃描。用戶在操作時常常因為不小心同時按下一個以上的按鍵，即發(fā)生了竄健。CPU處理竄健的原則是把最后放開的按健認(rèn)作真正被按的按鍵。CPU在處理發(fā)生在兩個不同列上的竄健時，可以預(yù)先設(shè)定一個竄健標(biāo)志寄存器在列掃描前清零，在列掃描期間用于記錄被按鍵個數(shù)，故發(fā)生竄健時竄健標(biāo)志寄存器中的值必須答應(yīng)01H。因此，CPU在列掃描時必須不以發(fā)現(xiàn)第一個被按鍵為滿足，而是應(yīng)繼續(xù)完成對所有列的一遍掃描，并在該列掃描結(jié)束后，根據(jù)竄健標(biāo)志寄存器來判斷是否發(fā)生竄健。如果未發(fā)現(xiàn)竄健，則本次掃描的行首鍵號和列值就是被按鍵的行首鍵號和列值；如果發(fā)現(xiàn)了竄健，則CPU不斷進(jìn)行列掃描，就可獲取最后放開健的行首鍵號