基于嵌入式系統的實時控制模塊設計與實現

顧 良

(中國電子科技集團第50研究所微波部，上海 200063)

隨著現代通信技術的發展，通信測試儀器不斷推陳出新。各種新型設備對系統的實時響應能力的要求越來越高，一種通信測試儀器的實時響應性能，就成為系統設計能否成功的關鍵因素之一。筆者曾在多個通信測試儀器項目中，成功地應用ARM處理器、C51單片機等為主控芯片的嵌入式系統，實現了對儀器相關模塊的實時控制功能。因此提出一種在某通信測試儀器中使用C51單片機來實現實時控制的設計方案。

1 硬件設計與實現

1.1 總體方案設計

在該通信測試儀器中，實時控制模塊主要實現對射頻接收頻綜、射頻發生頻綜、濾波器組件、射頻輸入模塊、射頻輸出模塊等實時控制作用。對射頻檢波信號進行A/D轉換以獲取數據。與上位計算機進行通信等功能［1］。

根據待實現的系統功能要求，綜合考慮系統資源，及芯片性價比等因素，確定采用以C51單片機為主控芯片的嵌入式系統方案，芯片為 Silicon Labs的C8051F120［2］，具有 128 kB 片內 Flash 存儲器、8 ×1024+256 Byte的片內RAM，可尋址64 kB地址空間的外部數據存儲器接口、SPI、UART、定時器、時鐘振蕩器、PLL等，片上外設資源豐富、控制方便。

系統資源分配:射頻接收、發射頻綜模塊，內含DDS，PLL等，外部控制接口是微控制接口，因此直接用單片機的地址、數據、控制三總線實施控制。濾波組件、射頻輸入/輸出模塊等的工作狀態與接口上信號電平高低有關，因此用GPIO的方式進行控制。A/D轉換控制使用串行外圍設備接口SPI。與上位機的通信使用RS－232串口［3］。總體設計框圖如圖1所示。

圖1 總體硬件設計框圖

1.2 總線及I/O控制的設計

對于射頻接收頻綜、射頻發射頻綜模塊，直接采用總線控制，為避免不同的模塊控制時相互干擾，用3－8譯碼器對總線地址譯碼，產生不同模塊的片選信號。同時數據線通過總線收發器以提高帶負載能力［4］。對于濾波組件、射頻輸入/輸出等用I/O控制的模塊，并未直接使用51芯片的GPIO引腳，則是將數據總線經鎖存后模擬GPIO信號供相關模塊使用，如圖2所示，其中，IO_/WR1由B_/CS7與單片機寫線邏輯或后產生［5］。

圖2 總線及I/O控制

1.3 SPI及RS232控制接口

C8051F120芯片上本身自帶了A/D轉換器，但只有12位，不適合該系統的需求，故在片外另加一片ADI公司的AD7707。其分辨率為16位，是∑－Δ體系結構，轉換的是輸入電平的平均值。三通道，輸入電平范圍可達±10 mV～±10 V。根據實際要求，該系統使用 AIN3高電平輸入端口，Unbuffered模式，HICOM、REF－接模擬地，VBIAS與 REF+均接+2.5 V參考電壓，模擬電源5 V，數字電源3.3 V，能檢測輸入范圍為0～10 V的單極性電平。其控制接口是同步串行口，用51芯片的SPI直接控制。圖3是AD7707 的電氣連接圖［6］。

圖3 AD7707電氣連接圖

單片機與上位計算機的通信使用通用異步收發器UART，外接MAX3224，將UART信號轉換為RS－232信號進行傳輸，MAX3224在3～5.5 V低電壓下工作，卻可產生RS－232的±12 V電壓，只需連接Tx、Rx和地線即可實現異步串行通信。系統中仍有一些時鐘、復位電路和電源等，在此不再贅述。

2 軟件設計與實現

2.1 主程序框架

主程序流程圖如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

主程序是順序結構，較為簡單。主要分兩部分:一是對系統各部分進行初始化設置，使其能夠工作在正常狀態。二是正常工作循環狀態，當收到上位機的控制命令時，即進行相應的操作，無命令時則等待。對于嵌入式程序而言，無限循環是必要的。

2.2 串口通信程序

串口通信程序實現與上位機的通信功能。具體操作中使用一個循環隊列存放接收到的上位機命令，分別用頭指針和尾指針指向隊頭和隊尾，將各命令字節取出，進行相應操作。命令執行完畢(隊列取空)，清標志位，等待新命令。如圖5所示。

圖5 串口通信命令隊列

2.3 SPI通信程序

C51采用SPI主模式與AD7707進行通信。主模式寫AD7707較為簡單，單片機先寫1 Byte的配置數據給AD7707，其會自動將該數據放入自身的通信寄存器，隨后AD7707根據該配置值確定下一步要寫的寄存器及數據大小，再將單片機隨后輸入的數據放入指定位置。C8051F120發數據前，先根據SPICN寄存器的TXBMT位的值判斷是否能夠發送數據，再向自身的SPIDAT寄存器寫數據即可，硬件會自動將數據發出。

主模式讀AD7707較為困難。當C51已設置AD7707的通信寄存器，表明下一步操作是讀AD7707的某個寄存器值后，C51向SPIDAT寫任意值，之后SPI數據線(MOSI)上會串行移出數據，同時時鐘線上產生串行時鐘，從設備(AD7707)收到時鐘，將預備的數據送到MISO線上交給C51，同時不采納主設備發送的任意值。C51將發送的串行數據放在移位寄存器中，當最后一位收到后即移入收緩沖器，再讀SPIDAT便可讀出數據。

2.4 其他軟件模塊

其他軟件模塊均是根據各部分硬件的具體要求，通過向所分配的對應地址空間按序發送所需數據來實現相關功能。

3 結束語

文中提出以C51單片機C8051F120為核心控制芯片的嵌入式系統，已成功應用于某通信測試儀器中，該系統通過中斷及查詢等方式較好地實現了對整機的實時控制功能。

［1］ JOHN C.嵌入式硬件設計［M］.北京:中國電力出版社，2004.

［2］ 潘琢金.C8051f12x數據手冊［M］.深圳:新華龍電子有限公司，2004.

［3］ 肖利平.基于LWIP的嵌入式串口服務器的設計與實現［J］.電子科技，2009，22(5):14 －16.

［4］ 魏毅，柯賡.基于SOPC的商品信息查詢系統設計與實現［J］.西安郵電學院學報，2005(3):87 －91.

［5］ 王巍，吳智銘.嵌入式Linux中的仿真集成開發環境設計［J］.計算機仿真，2005(9):248 －250，260.

［6］ 丘宏烈，楊燕祥，羅曉雪，等.基于ARM7－μCLinux并采用超級終端監測兩路電壓參數［J］.電子設計工程，2010(11):98－100.