C8051F320單片機原理及引腳及封裝

隨著(zhù)現代工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究對數據采集系統的要求日益提高，傳輸速度、糾錯能力和操作安裝的簡(jiǎn)易性是人們進(jìn)行采集數據時(shí)一直關(guān)注的問(wèn)題，這使得數據通訊技術(shù)不可避免地成為了其中的關(guān)鍵技術(shù)，而數據采集系統采用何種接口進(jìn)行數據通訊是影響系統整體效率的重要因素之一。USB（通用串行總線(xiàn)）總線(xiàn)接口技術(shù)由于具有速度快、設備安裝和配置容易、易于擴展、能夠采用總線(xiàn)供電及使用靈活等優(yōu)點(diǎn)，已逐漸成為現代數據傳輸的發(fā)展趨勢[1-5]。

本文給出了一種基于C8051F320的數據采集系統USB 接口設計方案，完成了USB 接口硬件電路設計和軟件程序開(kāi)發(fā)，并將其應用到倉庫視頻監控系統中，實(shí)現了快速、方便的數據采集和傳輸。

2 C8051F320 單片機原理

2.1 C8051F320 的主要特點(diǎn)

C8051F320 是由美國Cygnal 公司推出的C8051F 系列單片機中的一款用于USB 設備的小型單片機。該器件內部集成有2304 Byte RAM 和16K Byte 的Flash 存儲器。由于利用該芯片進(jìn)行設計時(shí)可以不需要任何外部元件（包括電阻和晶振），因而是小型USB 應用的理想選擇。與其它同類(lèi)USB 產(chǎn)品相比，C8051F320 主要具有如下一些特點(diǎn)：

① 滿(mǎn)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(gè)時(shí)鐘源，對于全速或低速傳輸均可不用外部晶振；

④ 支持 8 個(gè)靈活通用的USB 端點(diǎn)；

⑤ 內置一個(gè) 1K 的USB 專(zhuān)用緩沖存儲器；

⑥ 集成了一個(gè) USB 接收器，不需要外部電阻。

⑦ 具有高速增強型 8051 MCU 內核，該MCU 內核采用流水線(xiàn)式指令結構，70%的指令執行時(shí)間為一個(gè)或兩個(gè)系統時(shí)鐘周期，處理速度可達25MIPS（時(shí)鐘頻率為25MHz 時(shí)）。此外，C8051F320 還有許多其它特性，如支持在系統編程（ISP），帶有可編程的數字I/O和數字交叉開(kāi)關(guān)，可提供全速、非侵入式的在系統片內調試電路等。

2.2 C8051F320 的引腳及封裝

C8051F320 的引腳排列如圖1 所示，封裝為T(mén)QFP-32。其中VDD 為數字電源；GND為模擬地；REGIN 為5V 校準器的輸入端；RST/C2CK 為設備的復位引腳或EC2 調試接口的時(shí)鐘信號；P3.0/C2D 為端口P3.0 或EC2 調試接口的雙向信號引腳；VBUS 為USB 總線(xiàn)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 外部轉換開(kāi)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 均為相應的端口引腳。

3 USB 接口電路設計

3.1 USB 接口硬件電路設計

由于 C8051F320 微控制器內部集成了一個(gè)USB 接收器，簡(jiǎn)單易用，因此，用它進(jìn)行USB 接口的硬件設計也顯得比較簡(jiǎn)單。主要包括兩部分的內容，一是接口轉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(gè)模塊的供電電源都來(lái)自外部5V 電源。C8051F320 中的USB 收發(fā)器內部已經(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 設備固件程序設計

USB 設備固件程序是USB 設備必須實(shí)現的部分，它的主要目的是：當USB 設備連接到主機上時(shí)，主機可以發(fā)現新設備，然后建立連接并完成數據傳輸任務(wù)，也就是能夠讓上位機能夠正常檢測和識別USB 設備。因此，本固件設計的目的是使主機能夠識別C8051F320設備，以及正確的與它進(jìn)行通信。同時(shí)為了在USB 上達到最大的傳輸速度，C8051F320 固件設計成中斷驅動(dòng)。

C8051F320固件分為兩個(gè)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備功能和屬性的固定結構的描述語(yǔ)言。USB2.0中的描述符包括設備描述符、配置描述符、接口描述符、端點(diǎn)描述符等8種標準描述符和其它一些非標準描述符。USB主機通過(guò)USB描述符完成設備類(lèi)型的識別和配置，客戶(hù)端驅動(dòng)程序通過(guò)這些信息來(lái)正確訪(fǎng)問(wèn)設備并與其通信。本文在對C8051F320的配置中除了端點(diǎn)0外還用到了端點(diǎn)1和端點(diǎn)2，它們的描述符如表1所示。

USB傳輸中斷的處理也是一個(gè)重要的部分。傳輸中斷的處理由ISR和前臺主程序共同完成。這兩部分的數據交換通過(guò)事件標志和數據緩沖區來(lái)實(shí)現[6]。當C8051F320的USB引擎從主機收到一個(gè)數據包時(shí)，就會(huì )產(chǎn)生一個(gè)中斷請求，C8051F320立即響應中斷，通過(guò)讀取USB功能控制器的三個(gè)中斷寄存器CMINT、IN1INT和OUT1INT來(lái)判斷中斷來(lái)源（USB復位中斷、端點(diǎn)0中斷、端點(diǎn)1輸入中斷、端點(diǎn)2輸出中斷），然后根據不同的中斷來(lái)源跳入相應的處理模塊以進(jìn)行不同的中斷處理，并在處理完畢后返回。其中，端點(diǎn)0是每個(gè)USB
設備都必須支持的默認控制傳輸端點(diǎn)，主要用于主機對USB設備的配置、狀態(tài)信息的獲取和設備錯誤的糾正等，它的中斷處理模塊由控制輸出和控制輸入兩部分組成。每次傳輸首先由設置事務(wù)開(kāi)始，然后根據設置事務(wù)數據不同的中斷來(lái)源跳入相應的處理模塊以進(jìn)行不同的中斷處理，并在處理完畢后返回。同時(shí)在ISR中，固件將數據包從C8051F320的USB引擎內部緩沖區移到一個(gè)自定義的數據緩沖區，并在隨后請求清零其內部緩沖區，以使其能夠繼續接收新的數據包。然后返回到主循環(huán)，檢查自定義緩沖區內是否有新的數據并開(kāi)始其它的任務(wù)。由于這種結構，主循環(huán)只用檢查自定義緩沖區內需要處理的新數據，專(zhuān)注于新數據的處理，而ISR也能夠以最大速度進(jìn)行數據的傳輸。這樣，程序對USB的操作更加簡(jiǎn)單，也便于程序的維護。主程序和端點(diǎn)0的控制傳輸程序流程分別如圖3、圖4所示。端點(diǎn)1和端點(diǎn)2的程序流程與之類(lèi)似。

4數據的接收和顯示

在主機中安裝基于C8051F320USB設備的驅動(dòng)程序（可以在新華龍網(wǎng)站上下載）之后，該設備就會(huì )被默認成該主機的一個(gè)串口，因此在主機的處理中可以將它當作一個(gè)虛擬的串口進(jìn)行處理，讀取其數據就如讀串口數據一樣方便，很快就能夠建立快速通信平臺。主機軟件采用VC＋＋開(kāi)發(fā)的，串行通信部分采用API函數直接進(jìn)行編寫(xiě)。它為應用程序提供了通過(guò)串行接口收發(fā)數據的方法。主機軟件使用API文件函數進(jìn)行串口通信的控制。具體函數以及使用，可以查閱MSDN。將基于C8051F320的USB接口電路應用到倉庫視頻監控系統中，其系統結構框圖如圖5所示。

5結束語(yǔ)

本文利用C8051F320速度快、處理能力強、結構簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，設計了一種基于C8051F320的數據采集系統USB接口方案，給出了USB接口電路具體的設計方法，并對主機的數據和顯示進(jìn)行了開(kāi)發(fā)。將設計的USB接口應用到倉庫視頻監控系統中，能夠實(shí)現快速、方便的數據傳輸，數據通信能達到上兆的傳輸速率，滿(mǎn)足了實(shí)時(shí)、快速傳遞數據的要求。