以C51單片機(jī)為核心的嵌入式系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制設(shè)計(jì)

隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展，通信測(cè)試儀器不斷推陳出新。各種新型設(shè)備對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)能力的要求越來越高，一種通信測(cè)試儀器的實(shí)時(shí)響應(yīng)性能，就成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)能否成功的關(guān)鍵因素之一。筆者曾在多個(gè)通信測(cè)試儀器項(xiàng)目中，成功地應(yīng)用ARM處理器、C51單片機(jī)等為主控芯片的嵌入式系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)儀器相關(guān)模塊的實(shí)時(shí)控制功能。因此提出一種在某通信測(cè)試儀器中使用C51單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制的設(shè)計(jì)方案。

1 硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.1 總體方案設(shè)計(jì)

在該通信測(cè)試儀器中，實(shí)時(shí)控制模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)射頻接收頻綜、射頻發(fā)生頻綜、濾波器組件、射頻輸入模塊、射頻輸出模塊等實(shí)時(shí)控制作用。對(duì)射頻檢波信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換以獲取數(shù)據(jù)。與上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信等功能。

根據(jù)待實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)功能要求，綜合考慮系統(tǒng)資源，及芯片性價(jià)比等因素，確定采用以C51單片機(jī)為主控芯片的嵌入式系統(tǒng)方案，芯片為Silicon Labs的C8051F120，具有128 kB片內(nèi)Flash存儲(chǔ)器、8TImes;1 024+256 Byte的片內(nèi)RAM，可尋址64 kB地址空間的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器接口、SPI、UART、定時(shí)器、時(shí)鐘振蕩器、PLL等，片上外設(shè)資源豐富、控制方便。

系統(tǒng)資源分配：射頻接收、發(fā)射頻綜模塊，內(nèi)含DDS，PLL等，外部控制接口是微控制接口，因此直接用單片機(jī)的地址、數(shù)據(jù)、控制三總線實(shí)施控制。濾波組 件、射頻輸入/輸出模塊等的工作狀態(tài)與接口上信號(hào)電平高低有關(guān)，因此用GPIO的方式進(jìn)行控制。A/D轉(zhuǎn)換控制使用串行外圍設(shè)備接口SPI.與上位機(jī)的通 信使用RS-232串口?？傮w設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

1.2 總線及I/O控制的設(shè)計(jì)

對(duì)于射頻接收頻綜、射頻發(fā)射頻綜模塊，直接采用總線控制，為避免不同的模塊控制時(shí)相互干擾，用3-8譯碼器對(duì)總線地址譯碼，產(chǎn)生不同模塊的片選信號(hào)。同 時(shí)數(shù)據(jù)線通過總線收發(fā)器以提高帶負(fù)載能力。對(duì)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(shù)據(jù)總線經(jīng)鎖 存后模擬GPIO信號(hào)供相關(guān)模塊使用，如圖2所示，其中，IO_/WR1由B_/CS7與單片機(jī)寫線邏輯或后產(chǎn)生。

1.3 SPI及RS232控制接口

C8051F120芯片上本身自帶了A/D轉(zhuǎn)換器，但只有12位，不適合該系統(tǒng)的需求，故在片外另加一片ADI公司的AD7707.其分辨率為16位， 是∑-△體系結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)換的是輸入電平的平均值。三通道，輸入電平范圍可達(dá)±10 mV~±10 V.根據(jù)實(shí)際要求，該系統(tǒng)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(shù)字電源3.3 V，能檢測(cè)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。

單片機(jī)與上位計(jì)算機(jī)的通信使用通用異步收發(fā)器UART，外接MAX3224，將UART信號(hào)轉(zhuǎn)換為RS-232信號(hào)進(jìn)行傳輸，MAX3224在 3~5.5 V低電壓下工作，卻可產(chǎn)生RS-232的±12 V電壓，只需連接Tx、Rx和地線即可實(shí)現(xiàn)異步串行通信。系統(tǒng)中仍有一些時(shí)鐘、復(fù)位電路和電源等，在此不再贅述。

2 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 主程序框架

主程序流程圖如圖4所示。

主程序是順序結(jié)構(gòu)，較為簡(jiǎn)單。主要分兩部分：一是對(duì)系統(tǒng)各部分進(jìn)行初始化設(shè)置，使其能夠工作在正常狀態(tài)。二是正常工作循環(huán)狀態(tài)，當(dāng)收到上位機(jī)的控制命令時(shí)，即進(jìn)行相應(yīng)的操作，無命令時(shí)則等待。對(duì)于嵌入式程序而言，無限循環(huán)是必要的。

2.2 串口通信程序

串口通信程序?qū)崿F(xiàn)與上位機(jī)的通信功能。具體操作中使用一個(gè)循環(huán)隊(duì)列存放接收到的上位機(jī)命令，分別用頭指針和尾指針指向隊(duì)頭和隊(duì)尾，將各命令字節(jié)取出，進(jìn)行相應(yīng)操作。命令執(zhí)行完畢（隊(duì)列取空），清標(biāo)志位，等待新命令。如圖5所示。

2.3 SPI通信程序

C51采用SPI主模式與AD7707進(jìn)行通信。主模式寫AD7707較為簡(jiǎn)單，單片機(jī)先寫1 Byte的配置數(shù)據(jù)給AD7707，其會(huì)自動(dòng)將該數(shù)據(jù)放入自身的通信寄存器，隨后AD7707根據(jù)該配置值確定下一步要寫的寄存器及數(shù)據(jù)大小，再將單片機(jī) 隨后輸入的數(shù)據(jù)放入指定位置。C8051F120發(fā)數(shù)據(jù)前，先根據(jù)SPICN寄存器的TXBMT位的值判斷是否能夠發(fā)送數(shù)據(jù)，再向自身的SPIDAT寄存 器寫數(shù)據(jù)即可，硬件會(huì)自動(dòng)將數(shù)據(jù)發(fā)出。

主模式讀AD7707較為困難。當(dāng)C51已設(shè)置AD7707的通信寄存器，表明下一步操作是讀AD7707的某個(gè)寄存器值后，C51向SPIDAT寫任 意值，之后SPI數(shù)據(jù)線（MOSI）上會(huì)串行移出數(shù)據(jù)，同時(shí)時(shí)鐘線上產(chǎn)生串行時(shí)鐘，從設(shè)備（AD7707）收到時(shí)鐘，將預(yù)備的數(shù)據(jù)送到MISO線上交給 C51，同時(shí)不采納主設(shè)備發(fā)送的任意值。C51將發(fā)送的串行數(shù)據(jù)放在移位寄存器中，當(dāng)最后一位收到后即移入收緩沖器，再讀SPIDAT便可讀出數(shù)據(jù)。

2.4 其他軟件模塊

其他軟件模塊均是根據(jù)各部分硬件的具體要求，通過向所分配的對(duì)應(yīng)地址空間按序發(fā)送所需數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能。

3 結(jié)束語

文中提出以C51單片機(jī)C8051F120為核心控制芯片的嵌入式系統(tǒng)，已成功應(yīng)用于某通信測(cè)試儀器中，陔系統(tǒng)通過中斷及查詢等方式較好地實(shí)現(xiàn)了對(duì)整機(jī)的實(shí)時(shí)控制功能。