C8051F320單片機原理及引腳及封裝

隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求日益提高，傳輸速度、糾錯能力和
操作安裝的簡易性是人們進(jìn)行采集數(shù)據(jù)時一直關(guān)注的問題，這使得數(shù)據(jù)通訊技術(shù)不可避免地
成為了其中的關(guān)鍵技術(shù)，而數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用何種接口進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊是影響系統(tǒng)整體效率的
重要因素之一。USB（通用串行總線）總線接口技術(shù)由于具有速度快、設(shè)備安裝和配置容易、
易于擴(kuò)展、能夠采用總線供電及使用靈活等優(yōu)點，已逐漸成為現(xiàn)代數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌l(fā)展趨勢[1-5]。
本文給出了一種基于C8051F320的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)USB 接口設(shè)計方案，完成了USB 接口硬件
電路設(shè)計和軟件程序開發(fā)，并將其應(yīng)用到倉庫視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，實現(xiàn)了快速、方便的數(shù)據(jù)采
集和傳輸。
2 C8051F320 單片機原理
2.1 C8051F320 的主要特點
C8051F320 是由美國Cygnal 公司推出的C8051F 系列單片機中的一款用于USB 設(shè)備的
小型單片機。該器件內(nèi)部集成有2304 Byte RAM 和16K Byte 的Flash 存儲器。由于利用該
芯片進(jìn)行設(shè)計時可以不需要任何外部元件（包括電阻和晶振），因而是小型USB 應(yīng)用的理想
選擇。與其它同類USB 產(chǎn)品相比，C8051F320 主要具有如下一些特點：
① 滿足 USB2.0 協(xié)議；
② 可在全速（12 Mbps）或低速（1.5 Mbps）下運行；
③ 集成有一個時鐘源，對于全速或低速傳輸均可不用外部晶振；
④ 支持 8 個靈活通用的USB 端點；
⑤ 內(nèi)置一個 1K 的USB 專用緩沖存儲器；
⑥ 集成了一個 USB 接收器，不需要外部電阻。

⑦ 具有高速增強型 8051 MCU 內(nèi)核，該MCU 內(nèi)核采用流水線式指令結(jié)構(gòu)，70%的指
令執(zhí)行時間為一個或兩個系統(tǒng)時鐘周期，處理速度可達(dá)25MIPS（時鐘頻率為25MHz 時）。
此外，C8051F320 還有許多其它特性，如支持在系統(tǒng)編程（ISP），帶有可編程的數(shù)字I/O
和數(shù)字交叉開關(guān)，可提供全速、非侵入式的在系統(tǒng)片內(nèi)調(diào)試電路等。

2.2 C8051F320 的引腳及封裝
C8051F320 的引腳排列如圖1 所示，封裝為TQFP-32。其中VDD 為數(shù)字電源；GND為模擬地；REGIN 為5V 校準(zhǔn)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P3.0 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P0.3 或外部晶振輸出；P0.6/CNVSTR 為端口P0.6 或ADC0 外部轉(zhuǎn)換開
始輸入腳；P0.7/VRFF 為端口P0.7 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 USB 接口電路設(shè)計
3.1 USB 接口硬件電路設(shè)計
由于 C8051F320 微控制器內(nèi)部集成了一個USB 接收器，簡單易用，因此，用它進(jìn)行
USB 接口的硬件設(shè)計也顯得比較簡單。主要包括兩部分的內(nèi)容，一是接口轉(zhuǎn)換模塊供電方
式的選擇，二是USB 引腳的連接。圖2 是其USB 接口電路圖。模塊選擇自供電模式，圖2
所示的整個模塊的供電電源都來自外部5V 電源。C8051F320 中的USB 收發(fā)器內(nèi)部已經(jīng)集
成了上拉電阻，不需要任何外部器件就可直接與USB 接口相連。

圖 2 USB 接口連接電路圖

3.2 USB 設(shè)備固件程序設(shè)計

USB 設(shè)備固件程序是USB 設(shè)備必須實現(xiàn)的部分，它的主要目的是：當(dāng)USB 設(shè)備連接
到主機上時，主機可以發(fā)現(xiàn)新設(shè)備，然后建立連接并完成數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)，也就是能夠讓上位
機能夠正常檢測和識別USB 設(shè)備。因此，本固件設(shè)計的目的是使主機能夠識別C8051F320
設(shè)備，以及正確的與它進(jìn)行通信。同時為了在USB 上達(dá)到最大的傳輸速度，C8051F320 固件設(shè)計成中斷驅(qū)動。

C8051F320 固件分為兩個部分：前臺主程序和后臺中斷服務(wù)程序（ISR）。在USB 固件
程序中，最重要的工作就是USB 描述符的定義和USB 傳輸中斷的處理。
USB 描述符是USB 協(xié)議定義的一套描述設(shè)備功能和屬性的固定結(jié)構(gòu)的描述語言。
USB2.0 中的描述符包括設(shè)備描述符、配置描述符、接口描述符、端點描述符等8 種標(biāo)準(zhǔn)描
述符和其它一些非標(biāo)準(zhǔn)描述符。USB 主機通過USB 描述符完成設(shè)備類型的識別和配置，客
戶端驅(qū)動程序通過這些信息來正確訪問設(shè)備并與其通信。本文在對C8051F320 的配置中除
了端點0 外還用到了端點1 和端點2，它們的描述符如表1 所示。

USB 傳輸中斷的處理也是一個重要的部分。傳輸中斷的處理由ISR 和前臺主程序共同
完成。這兩部分的數(shù)據(jù)交換通過事件標(biāo)志和數(shù)據(jù)緩沖區(qū)來實現(xiàn)[6]。當(dāng)C8051F320 的USB 引
擎從主機收到一個數(shù)據(jù)包時，就會產(chǎn)生一個中斷請求，C8051F320 立即響應(yīng)中斷，通過讀取
USB 功能控制器的三個中斷寄存器CMINT、IN1INT 和OUT1INT 來判斷中斷來源（USB
復(fù)位中斷、端點0 中斷、端點1 輸入中斷、端點2 輸出中斷），然后根據(jù)不同的中斷來源跳
入相應(yīng)的處理模塊以進(jìn)行不同的中斷處理，并在處理完畢后返回。其中，端點0 是每個USB
設(shè)備都必須支持的默認(rèn)控制傳輸端點，主要用于主機對USB 設(shè)備的配置、狀態(tài)信息的獲取
和設(shè)備錯誤的糾正等，它的中斷處理模塊由控制輸出和控制輸入兩部分組成。每次傳輸首先
由設(shè)置事務(wù)開始，然后根據(jù)設(shè)置事務(wù)數(shù)據(jù)不同的中斷來源跳入相應(yīng)的處理模塊以進(jìn)行不同的
中斷處理，并在處理完畢后返回。同時在ISR 中，固件將數(shù)據(jù)包從C8051F320 的USB 引擎
內(nèi)部緩沖區(qū)移到一個自定義的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，并在隨后請求清零其內(nèi)部緩沖區(qū)，以使其能夠繼
續(xù)接收新的數(shù)據(jù)包。然后返回到主循環(huán)，檢查自定義緩沖區(qū)內(nèi)是否有新的數(shù)據(jù)并開始其它的
任務(wù)。由于這種結(jié)構(gòu)，主循環(huán)只用檢查自定義緩沖區(qū)內(nèi)需要處理的新數(shù)據(jù)，專注于新數(shù)據(jù)的
處理，而ISR 也能夠以最大速度進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。這樣，程序?qū)SB 的操作更加簡單，也
便于程序的維護(hù)。主程序和端點0 的控制傳輸程序流程分別如圖3、圖4 所示。端點1 和端
點2 的程序流程與之類似。

4 數(shù)據(jù)的接收和顯示
在主機中安裝基于 C8051F320 USB 設(shè)備的驅(qū)動程序（可以在新華龍網(wǎng)站上下載）之后，
該設(shè)備就會被默認(rèn)成該主機的一個串口，因此在主機的處理中可以將它當(dāng)作一個虛擬的串口
進(jìn)行處理，讀取其數(shù)據(jù)就如讀串口數(shù)據(jù)一樣方便，很快就能夠建立快速通信平臺。
主機軟件采用 VC＋＋開發(fā)的，串行通信部分采用API 函數(shù)直接進(jìn)行編寫。它為應(yīng)用程
序提供了通過串行接口收發(fā)數(shù)據(jù)的方法。主機軟件使用API 文件函數(shù)進(jìn)行串口通信的控制。
具體函數(shù)以及使用，可以查閱MSDN。
將基于 C8051F320 的USB 接口電路應(yīng)用到倉庫視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖5 所示。?

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5 結(jié)束語
本文利用C8051F320 速度快、處理能力強、結(jié)構(gòu)簡單等特點，設(shè)計了一種基于C8051F320
的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)USB 接口方案，給出了USB 接口電路具體的設(shè)計方法，并對主機的數(shù)據(jù)和
顯示進(jìn)行了開發(fā)。將設(shè)計的USB 接口應(yīng)用到倉庫視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，能夠?qū)崿F(xiàn)快速、方便的
數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)通信能達(dá)到上兆的傳輸速率，滿足了實時、快速傳遞數(shù)據(jù)的要求。