單片機Ｃ８０５１Ｆ３２０及其ＵＳＢ接口應(yīng)用

郭　靜　劉付火　王章瑞

C8051F320是由美國Cygnal公司推出的C8051F系列單片機中的一款小型單片機。它是集成的混合信號片上系統(tǒng)SOC（System on chip），具有與MCS-51內(nèi)核及指令集完全兼容的微控制器，除了具有標準8051的數(shù)字外設(shè)部件之外，片內(nèi)還集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬部件和其它數(shù)字外設(shè)及功能部件。內(nèi)部Flash存儲器可實現(xiàn)在系統(tǒng)編程，既可作程序存儲器也可作非易失性數(shù)據(jù)存儲。片內(nèi)JTAG仿真電路提供全速的電路內(nèi)仿真，不占用片內(nèi)用戶資源。支持斷點、單步、觀察點、運行和停止等調(diào)試命令，并支持存儲器和寄存器校驗和修改。

C8051F320片內(nèi)自帶有USB收發(fā)器和控制處理器是它區(qū)別與同一系列產(chǎn)品的一大特點。用C8051F320來進行USB技術(shù)開發(fā)既方便又快捷。

C8051F320單片機簡介

1.功能部件及特點

（1）模擬外設(shè)10位的ADC（±1LSB INL）：其最大可編程轉(zhuǎn)換速率可達200kbps，可多達17個外部輸入，可編程為單端輸入或差分輸入，內(nèi)置一個溫度傳感器（±3℃）；2個模擬比較器；2.4V的內(nèi)部電壓基準；精確的Vdd監(jiān)視器和欠壓檢測器。

（2）USB功能控制模塊 滿足USB2.0協(xié)議；可在全速（12 Mbps）或低速（1.5 Mbps）下運行；集成有一個時鐘恢復(fù)源，對于全速或低速傳輸均可不用外部晶振；支持8個靈活通用的端點；內(nèi)置一個1K的USB專用緩沖存儲器；集成了一個USB接收器，不需要外部電阻。

（3）片內(nèi)調(diào)試模塊 片內(nèi)調(diào)試電路提供全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試（不需仿真器）；支持端點、單步、觀察點、堆棧監(jiān)視器；可以觀察/修改存儲器和寄存器；比使用仿真芯片、目標仿真頭和仿真插座的仿真系統(tǒng)有更好的性能。

（4）工作溫度范圍：0～70℃

（5）高速8051微控制器內(nèi)核采用流水線指令結(jié)構(gòu)，其70%的指令的執(zhí)行時間為一個或兩個系統(tǒng)時鐘周期；速度可達25 MIPS（時鐘頻率為25MHz時）。

（6）存儲器1280字節(jié)的內(nèi)部數(shù)據(jù)RAM（1K+256）；16K字節(jié)的可以在系統(tǒng)編程的Flash閃速存儲器。

（7）數(shù)字外設(shè) 25個字節(jié)寬的端點I/O；所有口線均耐5V電壓；可同時使用UART串口、硬件SMBusTM、SPITM；帶有4個可編程的16位計數(shù)器/定時器陣列；帶有5個捕捉/比較模塊的通用16位計數(shù)器/定時器。

（8）時鐘源 內(nèi)部晶振，精度為0.25；支持所有USB和UART模式；外部晶振器：晶體、RC、C或外部時鐘；內(nèi)置一個針對USB控制器的片上時鐘乘法器。

（9）供電電壓 片上的參考電源校準器支持USB總線電源操作；校準器的Bypass模式支持USB內(nèi)部電源操作。

（10）性能特點 C8051F320在保持CISC結(jié)構(gòu)及指令系統(tǒng)不變的情況下，對指令運行實行流水作業(yè)，推出了CIP-51的CPU模式，從而大大提高了指令運行速度，使8051兼容機系列進入了8位高速單片機行列。

傳統(tǒng)的單片機I/O端口大都是固定為某個特殊功能的輸入/輸出口，可以是單功能或多功能，I/O端口可編程選擇為單向/雙向以及上拉、開漏等。這種固定方式既占用較多引腳，配置又不夠靈活。C8051F320采用開關(guān)網(wǎng)絡(luò)以硬件方式實現(xiàn)I/O端口的靈活配置，如圖1所示。在這種通過交叉開關(guān)配置的I/O端口系統(tǒng)中，單片機外部為通用I/O口，如P0口、P1口和P2口。內(nèi)有輸入/輸出的電路單元通過相應(yīng)的配置寄存器控制的交叉開關(guān)配置到所選擇的端口上。

C8051F320還提供了一個完整而先進的時鐘系統(tǒng)，如圖2所示。在這個系統(tǒng)中，片內(nèi)設(shè)置有一個可編程的時鐘振蕩器（無需外部器件），可提供2、4、8和16 MHz時鐘的編程設(shè)定。外部振蕩器可選擇4種方式。當程序運行時，可實現(xiàn)內(nèi)外時鐘的動態(tài)切換。編程選擇的時鐘輸出CYSCLK除供片內(nèi)使用外，還可從隨意選擇的I/O端口輸出。

C8051F320在8位單片機中率先配置了標準的EC2接口（IEEE1149.1）。在上位機軟件支持下，通過串行的EC2接口直接對產(chǎn)品系統(tǒng)進行仿真調(diào)試。C8051F的EC2接口不僅支持Flash ROM的讀/寫操作及非侵入式在系統(tǒng)調(diào)試，還為在系統(tǒng)測試提供邊界掃描功能。通過邊界寄存器的編程控制，可對所有器件引腳、SFR總線和I/O口弱上拉功能實現(xiàn)觀察和控制。

C8051F320把80C51單一的外部復(fù)位發(fā)展成多源復(fù)位：上電復(fù)位、掉電復(fù)位、外部引腳復(fù)位、軟件復(fù)位、時鐘檢測復(fù)位、比較器0復(fù)位和引腳配置復(fù)位。眾多的復(fù)位源為保障系統(tǒng)的安全、操作的靈活性以及零功耗系統(tǒng)設(shè)計帶來極大的好處。

２．引腳及封裝

圖3為其引腳圖。其中，Vdd為數(shù)字電源；GND為模擬地；REGIN為5V校準器的輸入端；RST/C2CK為設(shè)備的復(fù)位引腳或EC2調(diào)試接口的時鐘信號；P3.0/C2D為端口3.0或EC2調(diào)試接口的雙向信號引腳；VBUS為USB總線輸入腳；D+為USB的D+；D-為USB的D-；P0.2/XTAL1為端口0.2或外部晶振輸入；P0.3/XTAL2為端口0.3或外部晶振輸出；P0.6/CNVSTR為端口0.6或ADC0外部轉(zhuǎn)換開始輸入腳；P0.7/VRFF為端口0.7或外部參考電源的輸入端或輸出端；P0.0、P0.1、P0.4、P0.5、P1.0～P1.7、P2.0～P2.7 均為相應(yīng)的端口引腳。

３.電氣特性

校準器的輸入電壓（REGIN引腳）為4.0～5.25V；Vdd（電壓校準器的輸出）為3.0～3.6V（通常取3.3V）；VREG偏流（電壓校準器有效時）為70μA；CPU和USB運行時的供給電流為18mA（CPU時鐘為24MHz，USB時鐘為48MHz時）或9mA（CPU時鐘為12MHz，USB時鐘為6 MHz時）；內(nèi)部晶振頻率為12.0MHz；USB時鐘頻率為48.0MHz（全速）、6.0MHz（低速）。

典型的USB應(yīng)用

C8051F320是一款完全集成的混合信號系統(tǒng)級芯片，片內(nèi)集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬部件和其它數(shù)字外設(shè)及功能部件。其中值得我們注意的是，它集成有一個USB接口，所以我們也可將其看成是一款帶USB接口的微處理器。C8051F320與市場上同類帶USB接口的微處理器相比較，它內(nèi)部強大的功能模塊大大簡化了USB技術(shù)的開發(fā)，還能很好地縮短開發(fā)周期。下面介紹它的一個典型的USB技術(shù)應(yīng)用。

在這個應(yīng)用中，主機通過C8051F320芯片中USB接口與C8051F320通訊，來控制信號燈的狀態(tài)，檢測開關(guān)按鈕的狀態(tài)，并采集分壓器和片內(nèi)溫度傳感器中的數(shù)據(jù)。在整個通訊中，我們還要使用EC2適配器來進行系統(tǒng)調(diào)試。系統(tǒng)的電路原理圖見圖4。

在該應(yīng)用系統(tǒng)中，SW1按鈕開關(guān)連接到C8051F320的復(fù)位引腳。按一下SW1，設(shè)備將進入硬件復(fù)位狀態(tài)。將J15跳線的兩引腳連接上后，C8051F320就在外部電源的模式下開始工作。如果要讓320在自己供電的模式下運行，就需在斷開J15的同時，連接上J12的兩個引腳。J4是該應(yīng)用系統(tǒng)的調(diào)試接口。將串行適配器EC2通過該接口連接到C8051F320，可實現(xiàn)在線調(diào)試和Flash編程的寫入和擦除（EC2的說明和使用請參見Cygnal公司的產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊）。J14是USB（通用串行總線）連接器，通過它就可將USB接口和C8051F320芯片連接起來。我們常將USB電纜的一端接上J14，另一端接在計算機的USB通訊口上。這樣就能實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)。將J12跳線的兩引腳連接上后，外部電容就連接到了C8051F320的P0.7腳。C8051F320的P1.7引腳上連接有一個滑動電阻，只要將J13接上，C8051F320就可從P1.7腳采集到邏輯信號。實際應(yīng)用中，我們要進行USB技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用，其硬件部分可在圖4的基礎(chǔ)上根據(jù)需要進行擴展。

完整的USB應(yīng)用系統(tǒng)除了必要的硬件部分，還包括軟件部分,圖5、圖6為主程序流程圖及USB中斷服務(wù)程序流程圖。軟件部分分為三大塊：在C8051F320設(shè)備上運行的固件程序，在主機上運行的USB設(shè)備驅(qū)動程序，一個主機應(yīng)用程序。主機應(yīng)用程序通過USB接口與C8051F320通訊，允許用戶觀察并改變C8051F320設(shè)備上的I/O外設(shè)的狀態(tài)。在運行主機應(yīng)用程序前，我們要先安裝設(shè)備的USB驅(qū)動程序。當設(shè)備通過USB接口與主機連接好后，應(yīng)用程序就開始枚舉，并通過端點0、1和2來完成設(shè)備與主機之間的數(shù)據(jù)傳輸。在USB協(xié)議中，端點0數(shù)據(jù)包被定義為控制數(shù)據(jù)包，端點1和2分別用來輸入數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)包用來顯示各個端口引腳上的邏輯值。在上述應(yīng)用系統(tǒng)中，P1.7腳上分壓器的輸出邏輯值就通過應(yīng)用程序中的端點1數(shù)據(jù)包來傳輸?shù)街鳈C，從而主機讀出數(shù)據(jù)并在用戶界面上顯示出來。在本刊的網(wǎng)站上給出了源程序，供讀者參考。

C8051F320是一款性能優(yōu)化的SOC高速單片機，也是一個功能強大的USB接口器件。在開發(fā)和應(yīng)用其USB技術(shù)時，與同類產(chǎn)品相比，它在性能、速度、方便性以及成本等方面都具有很大的優(yōu)勢。