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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流点阵式LED电子显示屏硬件电路的设计.精品文档.摘 要本设计是设计一个1616点阵LED电子显示屏的硬件电路，最终能够实现10快1616点阵屏的动态刷新和显示功能。整体以100脚的单片机C8051F020为核心，介绍了以它为控制系统的LED点阵电子显示屏的动态设计和开发过程。通过该芯片控制行驱动器74HC154和列驱动器74HC595来驱动显示屏显示。该电子显示屏可以显示各种文字或单色图像，全屏能显示10个汉字，采用4块8 x 8点阵LED显示模块来组成一个16x16点阵显示模式。显示采用动态显示，使得图形或文字能够实现多种显示方式（例如左移
2、，右移，上移，下移）。文中详细介绍了LED点阵显示的硬件设计思路、硬件电路各个部分的功能及原理以及使用说明等。单片机控制系统程序采用单片机C语言进行编辑，通过编程控制各显示点对应LED阳极和阴极端的电平，就可以有效的控制各显示点的亮灭。所显示字符的点阵数据可以自行编写（即直接点阵画图），也可从标准字库中提取。 LED显示以其组构方式灵活、显示稳定、功耗低、寿命长、技术成熟、成本低廉等特点在车站、证券所、运动场馆、交通干道及各种室内/外显示场合的信息发布，公益宣传，环境参数实时，重大活动倒计时等等得到广泛的应用。设计结果证明，该系统显示误差小，性能稳定，结构合理，扩展能力强。关键词：C8051F
3、020单片机； LED； 点阵显示； 动态显示；KEILC语言AbstractThis design is to design a 16 16 dot matrix LED electronic display hardware circuit, finally able to achieve 10-speed 16 16 dot matrix screen refresh and display the dynamic. 100 feet overall C8051F020 MCU core, introduced with its LED matrix control system for
4、 the electronic display of dynamic design and development process. Control line by the chip and column driver 74HC154 74HC595 to drive the display driver display.The electronic display can display a variety of text or monochrome images, full screen can display 10 characters, with four 8 x 8 dot matr
5、ix LED display module to form a 16x16 dot matrix display mode. Shows the dynamic display, making graphics or text to achieve a variety of display (such as left, move right, move up, down). This paper details the LED dot matrix display hardware design ideas in various parts of hardware features and p
6、rinciples and the use of descriptions.Microcomputer control system with microcontroller C language program for editing, by programming the corresponding control points, the display LED anode and cathode of the level, you can effectively control the display points of light off. The characters dot mat
7、rix display data can be written on their own (ie, drawing a direct lattice), can also be extracted from the standard font.LED display is flexible in its fabric, display stability, low power consumption, long life, technology is mature, low cost features of the station, securities, sports venues, tra
8、nsportation corridors and a variety of indoor / outdoor display occasions, information dissemination, public advocacy, environmental parameters in real time, major events and so the countdown is widely used.Design results show that the system displays the error is small, stable performance, reasonab
9、le structure, expansion capability.Key words: C8051F020 MCU; LED; matrix display; dynamic display; KEILC language目录第一章 绪论11.1 课题背景及现状11.2 LED点阵显示屏概述21.3 LED显示屏控制技术现状31.3.1串行传输与并行传输31.3.2动态扫描与静态锁存技术31.3.3自动检测及远程控制技术31.4 课题研究的意义3第二章 系统整体方案42.1需要实现的功能42.2系统整体设计过程42.3 显示屏驱动方案的论证与选择523.1方案一：串行控制驱动方式62.3.
10、2方案二：并行控制驱动方式6第三章 系统硬件电路的设计73.1 稳压电源的设计方法73.1.1 稳压电源原理83.2 单片机系统及外围电路93.2.1单片机最小系统介绍93.3单片机的选择113.3.1C8051F020与80C51之间的异同点113.3.2相同点113.4 8051F020单片机介绍123.4.1系统概述123.4.2片内存储器133.4.3可编程数字I/O 和交叉开关143.4.4 12 位模/数转换器143.4.5 8位模/数转换器153.4.6比较器和DAC163.4.7 C8051F020引脚的定义173.5列驱动电路193.5.1 74HC595芯片的简介193.5
11、.2 74HC595芯片的功能213.6行驱动电路2136.1 74HC154芯片的简介223.7 LED的汉字显示原理233.7.1显示模块与PC机接口的连接253.8通讯电路的设计253.8.1 RS-485总线的简介253.8.2 微机USB和RS485通讯接口的硬件设计27第四章 系统软件的设计294.1系统程序的设计294.1.1 显示驱动程序304.1.2 系统主程序304.2 Atium Designer 6软件的介绍314.2.1 本设计部分原理图简单介绍及实验结论35致谢37参考文献38论文的附录39第一章 绪论LED显示屏是利用发光二极管点阵模块或像素单元组成的平面式显示屏
12、幕。它具有发光效率高，使用寿命长，组态灵活，色彩丰富以及对室内环境适应能力强等优点。并广泛的应用于公交汽车，码头，商店，学校和银行等公共场合的信息发布和广告宣传。LED显示屏经历了从单色，双色图文显示屏到现在的全彩色视频显示屏的发展过程， 自20世纪80年代开始，LED显示屏的应用领域已经遍布交通、电信、教育、证券、广告宣传等各方面。1.1 课题背景及现状单片机自20世纪70年代问世以来，以极其高的性能价格比受到人们的重视和关注，所以应用很广，发展很快。单片机的特点是体积小、集成度高、重量轻、抗干扰能力强，对环境要求不高，价格低廉，可靠性高，灵活性好，开发较为容易。正因为单片机有如此多的优点，
13、因此其应用领域之广，几乎到了无孔不入的地步。LED是发光二极管英文Light Emitting Diode 的简称，是六十年代末发展起来的一种半导体显示器件，七十年代，随着半导体材料合成技术、单晶制造技术和P-N结形成技术的研究进展，发光二极管在发光颜色、亮度等性能得以提高并迅速进入批量化和实用化。进入八十年代后，LED在发光波长范围和性能方面大大提高，并开始形成平板显示产品即LED显示屏。随着电子技术和计算机控制技术在客车上的日益广泛的应用，客车内的路牌显示器也经历了从灯光路牌、翻板式电子模块路牌、CRT显示、LCD液晶显示和LED点阵显示等几种发展类型；显示信息也从固定内容发展到任意内容的
14、多种显示方式；对显示信息的编辑、修改，也由遥控键盘有线通讯模式发展到用计算机编辑文字，在经专用无线控制器将其发射到各站点的通讯模式。以后的发展趋势是卫星定位系统站点显示器，客车内站牌显示器由天线、卫星定位模块、微处理器、LED点阵驱动电路、LED点阵站牌和电可擦写存储器构成。LED的发展不仅可以节约能源，推动环保，而且可以提升传统照明产业，带动相关产业转型，增加就业机会，为国防现代化做贡献。我国的LED显示屏产业经过几年的发展，基本形成了一批具有一定规模的骨干企业。据不完全统计，至1998年底，年度销售总额在1000万元以上的企业有20多家，其销售总额达6亿元左右，占行业市场总额的85%以上。
15、全国从事LED显示屏的各类企业有100余家，从业人员近6000人，行业年度销售总额近8亿元人民币，1996年、1997年的增长速度均保持40%左右，1998年略有回落。在国内市场上，国产LED显示屏的市场占有率近100%，国外同类产品基本没有市场，四十三届世乒赛主会场天津体育中心、京九铁路、北京西客站、首都机场、浦东机场等，均由国内代表企业中标。技术水平相对领先,我国LED显示屏产业在规模发展的同时，产品技术推陈出新，一直保持比较先进的水平。90年代初即具备了成熟的16级灰度256色视频控制技术及无线遥控等国际先进水平技术，近年在全彩色LED显示屏、256级灰度视频控制技术、集群无经线控制、多
16、级群控技术等方面均有国内先进、达到国际水平的技术和产品出现；LED显示屏控制专用大规模集成电路也已由国内企业开发生产并得到应用。LED显示屏产业培养形成了一批LED显示屏科技队伍，在全国LED显示屏行业的从业人数6000人中，科技人员有2800多人，将近50%。LED显示屏产业正成为我国电子信息产业的重要组成部分，也是平板显示领域唯一立足国内形成的民族高科技产业。1.2 LED点阵显示屏概述LED点阵显示屏的构成形式有多种，其中典型的有两种：一种把所需展示的广告信息烧写固化到EPROM芯片内，能够进行固定内容的多幅汉字显示，称为单显示型；另一种在机内设置了字库，程序库，具有程序编译能力，能进行
17、内容可变的多幅汉字显示，称为可编程序型。目前国内的LED点阵显示屏大部分是单显示型，其显示的内容较少，显示花样较单一。一般在产品出厂时显示内容就已经写入显示屏控制系统中的EPROM芯片内，当需要更换内容时就非常困难，这样使该类型的显示屏使用范围受到限制。国内的另一种显示屏-可编程序型LED显示屏，虽然增加了显示屏系统的编程能力，显示内容和显示花样都有所增加，大师也存在着更换显示内容不变的缺点。随着社会经济的迅速发展，如今的广告牌都存在着显示内容丰富、信息量大、信息更换速度快的特点。因此传统的LED显示屏控制系统已经越来越不能满足现代广告宣传业的需要。而利用PC机通讯控制技术LED显示屏，则具有
18、显示内容丰富，信息更换灵活的优点。1.3 LED显示屏控制技术现状显示屏的控制系统包括输入接口电路、信号控制、转化和数字化处理电路及输出接口电路等，涉及的具体技术很多，其关键技术包括串行传输与并行传输技术、动态扫描和静态锁存技术、自动检测及远程控制技术等。1.3.1串行传输与并行传输LED显示屏的数据传输方式主要有串行和并行两种。目前普遍采用串行控制技术，显示屏每个单元内部的不同驱动电路和各级联单元之间，每个时钟只传输一个数据。采用这种方式驱动的IC种内较多，不同单元之间的级联较少，可以减少显示单元数据传输驱动元件，从而提高整个系统的可靠性和性价比，具体工程实现也较为容易。1.3.2动态扫描与
19、静态锁存技术 LED显示屏控制系统实现显示信息的刷新技术有动态扫描和静态锁存两种方式一般室内显示屏多采用动态扫描技术，即一行发光二极管共用一行驱动寄存器，根据共用一行驱动寄存器的发光二极管像素数目，分为1/4,1/16扫描等。室外显示屏基本上采用静态锁存技术，即每一个发光二极管对应有一个驱动寄存器，无需分时工作，从而保证了每一个发光二极管的亮度占空比为100%。动态扫描法可以大大减少控制器的I/O口，因此应用较广。1.3.3自动检测及远程控制技术LED显示屏的构成复杂，特别是室内显示屏，供电，环境亮度，环境温度等条件都直接影响显示屏的正常运行。在LED显示屏的控制系统中，因根据需要对温度，亮度
20、，电源等进行自动检测控制，也可以根据需要，远程实现对显示屏的 亮度，色度调节，图像水平和垂直位置的调节以及工作方式的转换等。1.4 课题研究的意义该设计课题使我们能够掌握LED显示屏的基本显示原理和设计方法，对LED显示屏这个行业有了较为深刻的了解和认识。并且对大学期间所学习的一些理论进行了实践，使我们对所学过的理论知识有了新的认识。并且通过该设计课题掌握了C8051单片机的的软硬件开发工具的使用方法，为以后从事相关行业的工作积累了实际工作经验。目前我国的信息行业发展迅速，作为主要平面显示媒介的LED显示屏的作用也越练越广泛，相关的从业人员也会越来越紧缺。但同时应该清楚的认识到我国的LED技术
21、虽然发展迅速但和世界先进水平还有一定的差距。因此此课题不论是对自己的就业还是对我国LED显示技术的发展都有非常现实与积极的意义。第二章 系统整体方案2.1需要实现的功能利用Cygnal单片机设计点阵LED显示屏,实现10块16*16的点阵屏动态刷新和显示功能。主要包括以下几个内容:1、485通讯电路设计；2、LED扫描驱动电路设计3、电源电路设计；4、动态刷新率的计算2.2系统整体设计过程本设计采用C8051F020单片机为核心芯片的电路来实现，主要由C8051F020芯片、电源、行驱动器、列驱动器、1616LED点阵五部分组成，电路框图如下图所示，即图1所示图1显示屏电路框图从理论上说不论显
22、示图形还是文字，只要控制与组成这些文字或图形各个点所在的位置相对应的LED器件发光，就可以得到我们想要的显示结果。这种同时控制各个发光点亮灭的方法称为静态驱动显示方式。1616的点阵共有256个发光二极管，显然单片机没有这么多的接口，如果采用锁存器扩展端口，按照8位的锁存器来计算，1616的点阵需要256/8=32个锁存器。这个数字很庞大，因为我们仅仅是1616的点阵，在实际应用中的显示屏往往要大得多，这样在锁存器上花费的成本将是一个很庞大的数字，因此在实际应用中显示器的设计是相当重要的。2.3 显示屏驱动方案的论证与选择目前以LED 半导体发光器件为显示介质的大型显示屏已广泛地被应用。其控制
23、驱动方式各种各样 ,也各具特色。在LED 发光管的驱动设计上也有许多的方式。由于大型的点阵显示屏是由上万个或几十万个 LED发光象元组成 ,这也就需要大量的驱动电路来支持。那末驱动电路设计的好坏就直接影响系统的生产制造成本和显示的效果及系统的运行性能。设计个即能满足控制驱动要求 ,同时使用器件少成本底的单元控制驱动方案是必要的。下面我们就以LED8 8 点阵模块 共阳极 为显示器件的显示屏为例 ,来论述一下几个驱动方案并加以比较。众所周知以LED8 8 点阵模块为显示器件的显示屏其工作方式是扫描式的 1/8 ,驱动电路可分为行和列。每一行的模块 可以是四个、六个或更多 的行可以并联形成八条行线
24、 ,显示点阵的列数为 8 并联的模块数。由于控制等方面的原因一般是将一个较大的显示系统分为几个标准化的小单元。每个小单元是完全一样的 ,这将有利于灵活组屏和方便生产调试。对于标准单元的设计应本着这样的原则：较少的输入引入，方便的级联;针对这样的驱动单元我们来看一下几个设计方案。23.1方案一：串行控制驱动方式所谓串行控制驱动方式就是显示的数据是通过串行方式送入点 列 驱动电路。其特点是单元内的线路连接简单 ,这给印刷电路板的设计带来了方便。同时也减少了印刷电路板的布线密度 ,从而为生产和调试带来了有利的一面。当然 ,单元的可靠性也相应的提高了。串行控驱动方式可选用的芯片有:MC4094、74L
25、S595、74HC595、6B595、9094等等。其中 MC4094、74HC595 均为 CMOS 芯片 ,应与功率芯片结合使用;例如使用 2803驱动芯片。建议采用 6B595 或 9094 74LS595也可用 ,因为这几种芯片都具有一定的驱动能力可直接驱动LED 发光管而无须另外添加驱动芯片。同时 ,串行移位并行功率输出的芯片 6B595、9094 自具有级联功能 ,为单元的级联提供了支持。关于行的控制和驱动是相对容易的 ,因为行的工作方式是分时顺序工作的。由于行的组成是几个模块并联形成的 ,因此驱动的功率要求是比较大的。行的驱动一般是采用 PNP 用于共阳方式 功率三极管 ,行的逻
26、辑控制可选用三 八译码方式和直接行线控制方式。译码方式是应用三条行控制线控制一个三 八译码器 如74LS138等 ,八选一顺序控制八条行线。直接行线控制方式是比较简单的 ,这里就不赘述了。在应用串行控制驱动系统时 ,尽管串行移位芯片具有级联功能 ,但设计时要考虑时钟信号、STR信号、行控制信号的级联驱动问题。另外为提高单元的多级级联的数量 ,设计时要考虑到每个信号的传输延迟 ,以保证控制时序的正确运行。2.3.2方案二：并行控制驱动方式并行控制驱动方式就是显示的数据是通过并行 8 位 方式送入点 列 驱动电路。每送入一个字节就完成了一个模块的一个行的数据置入 ,其优点是数据的刷新速度块 ,这就
27、减轻了上一级控制系统的压力。在同样的数据处理量的前提下 ,对处理速度要求的降低 ,就意味着对系统投入的降低。同时处理速度的降低也相应地提高了系统的稳定性。在并行控制驱动方式下 ,我们可以选用 74LS374这样一类锁存芯片 ,采用首尾相连的方式将控制、驱动一并形成。也可以将这一方式称其为并行移位锁存方式。这一设计方案的特点是设计线路简洁 ,控制方便快速。系统的整体投入成本比较低 ,这一设计方案将大大地提高系统的性能价格比。关于在并行控制驱动方式下的行控制驱动的设计可参照串行控制驱动方式设计。并行控制驱动方式的缺点是:由于数据是并行输入的 ,这就使得单元内的线路连接复杂。由此增加了单元的印刷线路
28、板的设计难度。同时提高了印刷线路板的密度 ,对生产加工和调试提出了较高的要求。但设计难度的加大仅仅是一次性的 ,而生产和调试的难度是可以提高生产的手段和使用先进的仪器设备加以克服的。由于并行控制驱动方式的自身特点 ,使得单元的级联不成问题。只要设计时对控制信号的级联驱动加以注意就可以了。并行控制驱动方案中也可采用总线式结构 ,即选用的八位锁存器不是首尾级联方式而是共用总线方式。但这种方式将增加控制逻辑的投入 ,也就是说每个锁存器都要有一个独立的锁存控制时钟。因此 ,这一方式一般不采用。结论：考虑各方面的因素，最终应选择串行控制驱动方式第三章 系统硬件电路的设计硬件电路大致上可以分为单片机系统及
29、外围电路、列驱动电路和行驱动电路三部分3.1 稳压电源的设计方法稳压电源的设计，是根据稳压电源的输出电压Uo、输出电流Io、输出纹波电压Uop-p等性能指标要求，正确地确定出变压器、集成稳压器、整流二极管和滤波电路中所用元器件的性能参数，从而合理的选择这些器件。稳压电源的设计可以分为以下三个步骤：1）根据稳压电源的输出电压Uo、最大输出电流Iomax，确定稳压器的型号及电路形式。2）根据稳压器的输入电压I U ，确定电源变压器副边电压u2的有效值U2；根据稳压电源的最大输出电流I0max，确定流过电源变压器副边的电流I2和电源变压器副边的功率P2；根据P2，从表1 查出变压器的效率，从而确定电
30、源变压器原边的功率P1。然后根据所确定的参数，选择电源变压器。3）确定整流二极管的正向平均电流ID、整流二极管的最大反向电压RM U 和滤波电容的电容值和耐压值。根据所确定的参数，选择整流二极管和滤波电容。3.1.1 稳压电源原理小功率稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四个部分组成。（C）220V交流转换成5V直流电源的原理图从图上看,变压器输入端经过一个保险连接电源插头,如果变压器或后面的电路发生短路，保险内的金属细丝就会因大电流引发的高温溶化后断开。变压器后面由4个二极管组成一个桥式整流电路，整流后就得到一个电压波动很大的直流电源，所以在这里接一个330uF/25V的电解电
31、容。变压器输出端的9V电压经桥式整流并电容滤波，在电容C1两端大约会有11V多一点的电压，假如从电容两端直接接一个负载，当负载变化或交流电源有少许波动都会使C1两端的电压发生较大幅度的变化，因此要得到一个比较稳定的电压，在这里接一个三端稳压器的元件。三端稳压器是一种集成电路元件，内部由一些三极管和电阻等构成，在分析电路时可简单的认为这是一个能自动调节电阻的元件，当负载电流大时三端稳压器内的电阻自动变小，而当负载电流变小时三端稳压器内的电阻又会自动变大，这样就能保持稳压器的输出电压保持基本不变。 因为我们要输出5V的电压，所以选用7805，7805前面的字母可能会因生产厂家不同而不同。LM780
32、5最大可以输出1A的电流，内部有限流式短路保护，短时间内，例如几秒钟的时间，输出端对地（2脚）短路并不会使7805烧坏，当然如果时间很长就不好说了，这跟散热条件有很大的关系 三端稳压器后面接一个105的电容，这个电容有滤波和阻尼作用。 最后在C2两端接一个输出电源的插针，可用于与其它用电器连接,比如MP3等。 虽然7805最大电流是一安培，但实际使用一般不要超过500mA,否则会发热很大，容易烧坏。一般负载电有200mA以上时需要散热片。3.2 单片机系统及外围电路单片机采用C8051F020芯片，采用24HZ或更高的频率晶振，以获得较高的刷新频率，使其显示更稳定。单片机的串口与列驱动器相连，
33、用来显示数据。其中P1口的低四位与行驱动器相连，送出行选信号；高四位则用来发送控制信号。3.2.1单片机最小系统介绍单片机最小系统是由时钟电路和复位电路两部分组成1、时钟电路 系统的时钟电路设计是采用的内部方式，即利用芯片内部的振荡电路。AT89单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器。引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外晶体谐振器一起构成一个自激振荡器。外接晶体谐振器以及电容C1和C2构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响震荡器频率的高低、震荡器的稳定性、起振的快速性和温度的稳
34、定性。因此，此系统电路的晶体振荡器的值为12MHz，电容应尽可能的选择陶瓷电容，电容值约为22F。在焊接刷电路板时，晶体振荡器和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，更好地保证震荡器稳定和可靠地工作。2、复位电路复位是由外部的复位电路来实现的。片内复位电路是复位引脚RST通过一个斯密特触发器与复位电路相连，斯密特触发器用来抑制噪声，它的输出在每个机器周期的S5P2，由复位电路采样一次。复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式，此电路系统采用的是上电与按钮复位电路，如图所示。当时钟频率选用6MHz时，C取22F，Rs约为200，Rk约为1K。3、单片机最小系统的原理图单片机最
35、小系统模块中的主选C8051F020芯片是一种低功耗，具有在线编程，Flash程序存储器的单片机。所谓在线编程ISP(In System Program)指的是允许单片机芯片在不离开电路板或不离开设备的情况下实现程序固化和察除操作，在线编程给单片机用户的研发和使用带来了极大的方便图5 为本设计中单片机的最小系统根据实验和理论的需要，上电自动复位电路的电容选择10u，上拉电阻选择8.2K，时钟电路的电容选择33PF，晶振选择12MZ 的，这样可以获得更高的刷新频率。4 刷新频率的计算公式：刷新频率=1/16T0溢出率=1/16f/12(65536-t)其中f为晶振频率，t为定时器T0初值（工作在
36、16位定时器模式）3.3单片机的选择3.3.1C8051F020与80C51之间的异同点80C51系列单片机及其衍生产品在我国乃至全世界范围获得了非常广泛的应用。片机领域的大部分工作人员都熟悉80C51单片机，各大专院校都采用80C51系列单片机作为教学模型。随着单片机的不断发展，市场上出现了很多高速、高性能的新型单片机，基于标准8051内核的单片机正面临着退出市场的境地。C8051F系列单片机是完全集成的混合信号系统级芯片，具有与8051兼容的CIP-51微控制器内核，采用流水线结构，单周期指令运行速度是8051的12倍，全指令集运行速度是原来的9.5倍。熟悉NCS-51系列单片机的工程技术
37、人员可以很容易地掌握C8051F的应用技术并能进行软件的移植。 3.3.2相同点C8051F020单片机与80C51系列单片机的指令系统完全一样。掌握80C51单片机的人可以很容易地接受C8051F020的应用技术并能完成相应软件的移植。3.3.3主要硬件不同点(1)运行速度C8051F020的指令运行速度是一般80C51系列单片机的10倍以上。因为其CIP-51中采用了流水线处理结构，已经没有了机器周期时序，指令执行的最小时序单位为系统时钟，大部分指令只要12个系统周期即可完成。又由于其时钟系统比80C51的更加完善，有多个时钟源，且时钟源可编程，时钟频率范围为025 MHz，当CIP-5l
38、工作在最大系统时钟频率25 MHz时，它的峰值速度可以达到25 MIs，C8051F020已进入了8位高速单片机行列。(2)IO端口的配置方式C8051F020拥有8个8位的IO端口， 大量减少了外部连线和器件扩展， 有利于提高可靠性和抗干扰能力。其中低4个IO端口除可作为一般的通用I O端口外，还可作为其他功能模块的输入或输出引脚，它是通过交叉开关配 置寄存器XBR0、XBR1、XBR2(各位名称及格式如表1所示)选择并控制的，它 们控制优先权译码选择开关电路如图1所示，可将片内的计数器定时器、串行 总线、硬件中断、比较器输出及其它的数字信号配置为在端口IO引脚出现，这样用户可以根据自己的特
39、定需要选择所需的数字资源和通用IO口。数字交叉开关是一个比较大的数字开关网路，这在所有80C51系列单片机上是一个空白。另外P1MDIN用于选择P1的输入方式是模拟输入还是数字输入，复位值为11111111B，即默认为数字输入方式。而80C51单片机的IO引脚是固定分配的，即占用引脚多，配置又不够灵活。(3)内部功能C8051F020内部带有数据采集所需的ADC和DAC，其中ADC有两个，一个是8路12位逐次逼近型ADC，可编程转换速率，最大为100 kSs可通过多通道选择器配置为单端输入或差分输入。内有可编程增益放大器PGA用于将输入的信号放大，提高AD的转换精度。可编程增益为：0.5、1、
40、2、4、8或16，复位时默认值为1。另一个是8路8位ADC，可编程转换速率最大为500 kSs，其可编程放大增益为0.5、1、2、4，复位时默认值为0.5。有2个12位的DAC，用于将12位的数字量转换为电压量，可产生连续变化的波形，两路信号可同步输出。 (4) 外部接口C8051F020外设还增添了三个串行口。可同时与外界进行串行数据通信，SMBus兼容于I2C串行扩展总线；SPI串行扩展接口；两个增强型UART串口。C8051F020具有基于JTAG接口的在系统调试功能，片内的调试电路通过JTAG接口可提供高速、方便的在系统调试。3.4 8051F020单片机介绍3.4.1系统概述C805
41、1F020/1/2/3 器件是完全集成的混合信号系统级MCU 芯片，具有64 个数字I/O 引脚（C8051F020/2）或32 个数字I/O 引脚（C8051F021/3）。下面列出了一些主要特性； （1）高速、流水线结构的8051 兼容的CIP-51 内核（可达25MIPS） （2）全速、非侵入式的在系统调试接口（片内） （3）真正12 位（C8051F020/1）或10 位（C8051F022/3）、100 ksps 的8 通道ADC，带PGA和模拟多路开关 （4）真正8 位500 ksps 的ADC，带PG
42、A 和8 通道模拟多路开关 （5）两个12 位DAC，具有可编程数据更新方式 （6）64K 字节可在系统编程的FLASH 存储器 （7）4352（4096+256）字节的片内RAM （8）可寻址64K 字节地址空间的外部数据存储器接口 （9）硬件实现的SPI、SMBus/ I2C 和两个UART 串行接口 （10）5 个通用的16 位定时器 （11）具有5 个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列 （12）片内看门狗定时器、VDD 监
43、视器和温度传感器具有片内VDD 监视器、看门狗定时器和时钟振荡器的C8051F020/1/2/3 是真正能独立工作的片上系统。所有模拟和数字外设均可由用户固件使能/禁止和配置。FLASH 存储器还具有在系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新8051 固件。片内JTAG 调试电路允许使用安装在最终应用系统上的产品MCU 进行非侵入式（不占用片内资源）、全速、在系统调试。该调试系统支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、观察点、单步及运行和停机命令。在使用JTAG 调试时，所有的模拟和数字外设都可全功能运行。3.4.2片内存储器CIP-51 有标准的8051 程序和数据地址配置。
44、它包括256 字节的数据RAM，其中高128字节为双映射。用间接寻址访问通用RAM 的高128 字节，用直接寻址访问128 字节的SFR地址空间。数据RAM 的低128 字节可用直接或间接寻址方式访问。前32 个字节为4 个通用寄存器区，接下来的16 字节既可以按字节寻址也可以按位寻址。C8051F020/1/2/3 中的CIP-51 还另有位于外部数据存储器地址空间的4K 字节的RAM 块和一个可用于访问外部数据存储器的外部存储器接口（EMIF）。这个片内的4K 字节RAM 块可以在整个64K 外部数据存储器地址空间中被寻址（以4K 为边界重叠）。外部数据存储器地址空间可以只映射到片内存储器
45、、只映射到片外存储器、或两者的组合（4K 以下的地址指向片内，4K 以上的地址指向EMIF）。EMIF 可以被配置为地址/数据线复用方式或非复用方式。MCU 的程序存储器包含64K 字节的FLASH。该存储器以512 字节为一个扇区，可以在系统编程，且不需特别的外部编程电压。从0xFE00 到0xFFFF 的512 字节被保留，由工厂使用。还有一个位于地址0x10000 - 0x1007F 的128 字节的扇区，该扇区可作为一个小的软件常数表使用。图1.7 给出了MCU 系统的存储器结构。3.4.3可编程数字I/O 和交叉开关该系列MCU具有标准8051的端口（0、1、2和3）。在F020/2
46、中有4个附加的端口（4、5、6和7），因此共有64个通用端口I/O。这些端口I/O的工作情况与标准8051相似，但有一些改进。每个端口I/O引脚都可以被配置为推挽或漏极开路输出。在标准8051中固定的“弱上拉”可以被总体禁止，这为低功耗应用提供了进一步节电的能力。可能最独特的改进是引入了数字交叉开关。这是一个大的数字开关网络，允许将内部数字系统资源映射到P0、P1、P2和P3的端口I/O引脚（见图1.9）。与具有标准复用数字I/O的微控制器不同，这种结构可支持所有的功能组合。可通过设置交叉开关控制寄存器将片内的计数器/定时器、串行总线、硬件中断、ADC转换启动输入、比较器输出以及微控制器内部的
47、其它数字信号配置为出现在端口I/O引脚。这一特性允许用户根据自己的特定应用选择通用端口I/O和所需数字资源的组合。1.3 可编程计数器阵列除了5个16位的通用计数器/定时器之外，C8051F020 MCU系列还有一个片内可编程计数器/定时器阵列（PCA）。PCA包括一个专用的16位计数器/定时器时间基准和5个可编程的捕捉比较模块。时间基准的时钟可以是下面的六个时钟源之一：系统时钟/12、系统时钟/4、定时器0溢出、外部时钟输入（ECI）、系统时钟和外部振荡源频率/8。每个捕捉/比较模块都有六种工作方式：边沿触发捕捉、软件定时器、高速输出、频率输出、8位脉冲宽度调制器和16位脉冲宽度调制器。PC
48、A捕捉/比较模块的I/O和外部时钟输入可以通过数字交叉开关连到MCU的端口I/O引脚。1.4 串行端口C8051F020系列MCU内部有两个增强型全双工UART、SPI总线和SMBus/I2C。每种串行总线都完全用硬件实现，都能向CIP-51产生中断，因此需要很少的CPU干预。这些串行总线不“共享”定时器、中断或端口I/O等资源，所以可以使用任何一个或全部同时使用。3.4.4 12 位模/数转换器C8051F020/1有一个片内12位SAR ADC（ADC0），一个9通道输入多路选择开关和可编程增益放大器。该ADC工作在100ksps的最大采样速率时可提供真正的12位精度，INL为1LSB。C8051F022/3有一个片内10位SAR ADC，技术指标和配置选项与C8051F020/1的ADC类似。DC0的电压基准可以在DAC0输出和一个外部VREF引脚之间选择。对于C8051F020/2器件，ADC0有其专用的VREF0输入引脚；对于C8051F021/3器件，ADC0与8位的ADC1共享VREFA输入引脚。片内15ppm/C的电压基准可通过VREF输出引脚为其它系统部件或片内ADC产生基准电压。ADC完全由CIP-51通过特