C8051F單片機實(shí)驗系統設計

摘要：為滿(mǎn)足單片機學(xué)習中對實(shí)踐技能的要求，提高單片機開(kāi)發(fā)系統的穩定性和可擴展性，降低系統功耗，設計了一種基于FPGA的C8051F單片機開(kāi)發(fā)板。利用FPGA實(shí)現鍵盤(pán)掃描、液晶驅動(dòng)、地址譯碼以及其他外設接口，大幅度簡(jiǎn)化外圍電路結構。系統可在高低頻時(shí)鐘間切換以減小功耗，并增加了音頻處理模塊，實(shí)現基本的音頻信號的存儲和回放。實(shí)驗結果表明，該電路板相比普通的單片機開(kāi)發(fā)板系統功耗減小50％左右，擁有最高達25 MIPS的處理速度，單片機可以直接驅動(dòng)多達20多個(gè)LS TTL門(mén)電路，FPGA的引入使得外擴其他電路更為方便和靈活，具有良好的擴展性。
關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C；FPGA；外圍電路；電路板

目前高校單片機教學(xué)中大多是以MCS51單片機為首選機型進(jìn)行講解，所開(kāi)發(fā)的教學(xué)實(shí)驗系統也多是基于MCS51系列單片機開(kāi)發(fā)設計的。然而，隨著(zhù)單片機的應用進(jìn)入SoC時(shí)代，其不足和缺陷也顯而易見(jiàn)：片上資源不夠豐富，功耗較大，處理速度很有限，電路龐大且復雜，可靠性和可維護性較差，難以滿(mǎn)足高水平的設計要求。
為了進(jìn)一步簡(jiǎn)化電路結構，提出一種C8051F單片機實(shí)驗系統設計方案，該方案采用FPGA實(shí)現單片機各種外設接口。FPGA作為一種可編程邏輯器件憑借其優(yōu)越的可擴展性能受到設計者的青睞，逐漸成為分立元件的替代者。通過(guò)對FPGA編程，實(shí)現任何數字元件的邏輯功能，設計者可以通過(guò)原理圖輸入或硬件描述語(yǔ)言，方便地設計一個(gè)數字系統，這使得單片機外圍電路的設計簡(jiǎn)單、靈活、可靠。
本系統是為單片機實(shí)踐教學(xué)而開(kāi)發(fā)的，因此要求單片機的功能齊全，滿(mǎn)足教學(xué)中各種實(shí)驗的要求。一般的實(shí)驗板的功能有：模擬數字信號轉換實(shí)驗、通信接口實(shí)驗、存儲器實(shí)驗、各種顯示實(shí)驗，人機交互實(shí)驗等等。除此之外，還要考慮由于是非商業(yè)性質(zhì)的開(kāi)發(fā)，對一些功能的精度要求不是很高，在選擇最理想價(jià)格的同時(shí)，選擇盡可能多而全的片上資源，留待后期開(kāi)發(fā)擴充。
基于以上考慮，該平臺使用SoC系統級的C8051F020單片機作為核心控制器，CycloneⅡEP2C8型FPGA實(shí)現外設接口，加上LCD、鍵盤(pán)、UART串口等人機交互的模塊。
C8051F系列單片機是以流水線(xiàn)方式處理指令的CIP-5l內核，完全集成的混合信號系統級芯片(Soc)，片內集成了數據采集和控制系統中常用的模擬、數字外設及其他功能部件。C8051F020單片機具有片內調試電路，通過(guò)4引腳的JTAG接口可以進(jìn)行非侵入式、全速的在系統調試。
FPGA即現場(chǎng)可編程門(mén)陣列，它是作為專(zhuān)用集成電路(ASIC)領(lǐng)域中的一種半定制電路，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門(mén)電路數有限的缺點(diǎn)。FPGA使用靈活，同一片FPGA通過(guò)不同的編程數據可以產(chǎn)生不同的電路功能。

1 系統總體方案
本文設計并實(shí)現了基于FPGA的單片機開(kāi)發(fā)平臺，該平臺主要包括有：?jiǎn)纹瑱C及其外設、FPGA擴展電路、電源及下載電路。開(kāi)發(fā)平臺框架如圖l所示。

1．1 單片機外設
包括液晶顯示器(LCD)、鍵盤(pán)、SRAM、UART串口等，對FPGA進(jìn)行編程來(lái)實(shí)現LCD、鍵盤(pán)、SRAM的接口電路。
1．2 FPGA擴展電路
包括主動(dòng)串行(AS)配置電路、JTAG在線(xiàn)調試電路、輸入輸出電路等。采用EPCSlN8型芯片對FPGA進(jìn)行主動(dòng)串行(AS)配置，同時(shí)兼有JTAG在線(xiàn)調試模式。