【文章內(nèi)容簡介】 ，使8051兼容機系列進入了8位高速單片機行列。（11）、電氣特性校準器的輸入電壓(REGIN引腳):。VDD(電壓校準器的輸出):()。VREG偏流(電壓校準器有效時):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轉換器以及用于A／D轉換的參考電壓源等豐富的片上外設，因此對系統(tǒng)進行硬件設計時，無需再外擴上述電路，從而簡化了系統(tǒng)硬件結構，提高了集成度和可靠性?？稍诠I(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，可以使用標準803x/805x的匯編器和編譯器進行軟件開發(fā)。CIP51內(nèi)核具有標準8052的所有外設部件，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采用流水線結構，與標準的8051結構相比指令執(zhí)行速度有很大的提高。在一個標準的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)核和外設方面有幾項關鍵性的改進。擴展的中斷系統(tǒng)向CIP51提供16個中斷源（標準8051只有7個中斷源），允許大量的模擬和數(shù)字外設中斷微控制器。C8051F320的內(nèi)部振蕩器在出廠時已經(jīng)被校準為12MHz177。%，%的增量編程。時鐘恢復電路允許內(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)部配備強大的功能模塊大大簡化了USB技術的開發(fā)?？赏瑫r對兩路信號進行采樣，使用內(nèi)部集成的A/D轉換器和定時器完成信號采樣及數(shù)模轉換，簡化了電路的設計。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。下面就構建檢測系統(tǒng)使用到的C8051F320系統(tǒng)目標板上的器件進行介紹。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)設備的復位引腳，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 結構鋼調(diào)理電路由于流過結構鋼的雜散電流不是太大，在CPU的AD轉換范圍之內(nèi)，測量主體結構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行，儀表正極接主體結構鋼筋，負極接測量參比電極。以本次測量的電位為基準零電位，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變量特性的地鐵結構的極化電壓值。 結構鋼由于參比電極的電壓不是太大，在2V以內(nèi)，與結構鋼的電壓相似。在CPU的AD轉換范圍之內(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轉換的范圍內(nèi)。下圖中，電阻R5用來限流同時起保護作用。穩(wěn)壓二極管組成過壓保護電路。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構鋼之間的電壓，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構鋼的電壓。每30分鐘由軟件求得一次平均值。 鋼軌對結構鋼的測量調(diào)理電路因為軌道電壓一般在三十伏左右，所以需要進行分壓處理后進行采樣,在送入AD轉換[13]。按照規(guī)定鋼軌與結構鋼之間的電壓不能超過92V。在本設計中計算保護電路時按100V計算，接線時正端與走行軌扼流變壓器中性點相連接。其負極與主體結構鋼筋或接地極相連。在鋼軌信號進入調(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的電阻分開設置，設置一電阻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。在加上輸入進來的177。1V的電壓，即在AD轉換的范圍內(nèi)。為了繪制走行軌電壓分布圖,應在線路的不同監(jiān)測點上同時進行測量，～1km。下圖中的電路是直接測量鋼軌與結構鋼之間的電壓。經(jīng)過CPU的運算算出鋼軌與結構鋼之間的電壓，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。 鋼軌與結構鋼電壓測量電路 A/D轉換器：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的最高轉換速率為200ksps，即20KB/s。轉換時鐘由系統(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，每次轉換前有3個SAR時鐘的跟蹤時間，跟蹤發(fā)生在轉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，轉換系統(tǒng)時鐘基準為內(nèi)部振蕩器8分頻模式，并開始ADC轉換，轉換完成后，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)轉換。一個狀態(tài)位用于指示轉換完成，或產(chǎn)生中斷（如果被允許）。轉換結束后10位結果數(shù)據(jù)字被鎖存到ADC數(shù)據(jù)寄存器中。本設計中A/D轉換觸發(fā)通過定時器2溢出進行觸發(fā)。當定時器2高字節(jié)溢出時，硬件自動啟動A/D轉換，自動并把計數(shù)初值裝入定時器2寄存器里。并在A/D轉換完成時，置位A/D轉換結束中斷位，產(chǎn)生A/D轉換中斷。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接口的外部設備（C8051F320不能被用作USB主設備）。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存儲器和時鐘恢復電路組成，其結構圖如下圖所示。，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12MB/s。： USB接線圖USB通信流程圖：在本設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的中斷服務程序完成的。進入USB中斷后，程序先獲得USB中斷的進入原因。然后根據(jù)不同的情況，來進行相應的處理。 鍵盤電路為方便人機交互，在本系統(tǒng)中設計了鍵盤電路，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必須對所有按鍵進行監(jiān)視，一旦發(fā)現(xiàn)有鍵按下，CPU應通過程序加以識別，并轉入相應鍵的處理程序，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?。喝鬋PU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，可以預先設定一個竄健標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)生竄健時竄健標志寄存器中的值必須答應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，而是應繼續(xù)完成對所有列的一遍掃描，并在該列掃描結束后，根據(jù)竄健標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不斷進行列掃描，就可獲取最后放開健的行首鍵號