基于C51的嵌入式實(shí)時(shí)控制模塊的設計與實(shí)現

　　隨著(zhù)現代通信技術(shù)的發(fā)展，通信測試儀器不斷推陳出新。各種新型設備對系統的實(shí)時(shí)響應能力的要求越來(lái)越高，一種通信測試儀器的實(shí)時(shí)響應性能，就成為系統設計能否成功的關(guān)鍵因素之一。筆者曾在多個(gè)通信測試儀器項目中，成功地應用ARM處理器、C51單片機等為主控芯片的嵌入式系統，實(shí)現了對儀器相關(guān)模塊的實(shí)時(shí)控制功能。因此提出一種在某通信測試儀器中使用C51單片機來(lái)實(shí)現實(shí)時(shí)控制的設計方案。

　　1 硬件設計與實(shí)現

　　1.1 總體方案設計

　　在該通信測試儀器中，實(shí)時(shí)控制模塊主要實(shí)現對射頻接收頻綜、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。對射頻檢波信號進(jìn)行A/D轉換以獲取數據。與上位計算機進(jìn)行通信等功能。

　　根據待實(shí)現的系統功能要求，綜合考慮系統資源，及芯片性?xún)r(jià)比等因素，確定采用以C51單片機為主控芯片的嵌入式系統方案，芯片為Silicon Labs的C8051F120,具有128 kB片內Flash存儲器、8×1 024+256 Byte的片內RAM,可尋址64 kB地址空間的外部數據存儲器接口、SPI、UART、定時(shí)器、時(shí)鐘振蕩器、PLL等，片上外設資源豐富、控制方便。

　　系統資源分配：射頻接收、發(fā)射頻綜模塊，內含DDS,PLL等，外部控制接口是微控制接口，因此直接用單片機的地址、數據、控制三總線(xiàn)實(shí)施控制。濾波組 件、射頻輸入/輸出模塊等的工作狀態(tài)與接口上信號電平高低有關(guān)，因此用GPIO的方式進(jìn)行控制。A/D轉換控制使用串行外圍設備接口SPI.與上位機的通 信使用RS-232串口?？傮w設計框圖如圖1所示。

　　1.2 總線(xiàn)及I/O控制的設計

　　對于射頻接收頻綜、射頻發(fā)射頻綜模塊，直接采用總線(xiàn)控制，為避免不同的模塊控制時(shí)相互干擾，用3-8譯碼器對總線(xiàn)地址譯碼，產(chǎn)生不同模塊的片選信號。同 時(shí)數據線(xiàn)通過(guò)總線(xiàn)收發(fā)器以提高帶負載能力。對于濾波組件、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，則是將數據總線(xiàn)經(jīng)鎖 存后模擬GPIO信號供相關(guān)模塊使用，如圖2所示，其中，IO_/WR1由B_/CS7與單片機寫(xiě)線(xiàn)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轉換器，但只有12位，不適合該系統的需求，故在片外另加一片ADI公司的AD7707.其分辨率為16位， 是∑-△體系結構，轉換的是輸入電平的平均值。三通道，輸入電平范圍可達±10 mV~±10 V.根據實(shí)際要求，該系統使用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,數字電源3.3 V,能檢測輸入范圍為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。

　　單片機與上位計算機的通信使用通用異步收發(fā)器UART,外接MAX3224,將UART信號轉換為RS-232信號進(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(xiàn)即可實(shí)現異步串行通信。系統中仍有一些時(shí)鐘、復位電路和電源等，在此不再贅述。

　　2 軟件設計與實(shí)現

　　2.1 主程序框架

　　主程序流程圖如圖4所示。

　　主程序是順序結構，較為簡(jiǎn)單。主要分兩部分：一是對系統各部分進(jìn)行初始化設置，使其能夠工作在正常狀態(tài)。二是正常工作循環(huán)狀態(tài)，當收到上位機的控制命令時(shí)，即進(jìn)行相應的操作，無(wú)命令時(shí)則等待。對于嵌入式程序而言，無(wú)限循環(huán)是必要的。

　　2.2 串口通信程序

　　串口通信程序實(shí)現與上位機的通信功能。具體操作中使用一個(gè)循環(huán)隊列存放接收到的上位機命令，分別用頭指針和尾指針指向隊頭和隊尾，將各命令字節取出，進(jìn)行相應操作。命令執行完畢(隊列取空)，清標志位，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(xiě)AD7707較為簡(jiǎn)單，單片機先寫(xiě)1 Byte的配置數據給AD7707,其會(huì )自動(dòng)將該數據放入自身的通信寄存器，隨后AD7707根據該配置值確定下一步要寫(xiě)的寄存器及數據大小，再將單片機 隨后輸入的數據放入指定位置。C8051F120發(fā)數據前，先根據SPICN寄存器的TXBMT位的值判斷是否能夠發(fā)送數據，再向自身的SPIDAT寄存 器寫(xiě)數據即可，硬件會(huì )自動(dòng)將數據發(fā)出。

　　主模式讀AD7707較為困難。當C51已設置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(xiě)任 意值，之后SPI數據線(xiàn)(MOSI)上會(huì )串行移出數據，同時(shí)時(shí)鐘線(xiàn)上產(chǎn)生串行時(shí)鐘，從設備(AD7707)收到時(shí)鐘，將預備的數據送到MISO線(xiàn)上交給 C51,同時(shí)不采納主設備發(fā)送的任意值。C51將發(fā)送的串行數據放在移位寄存器中，當最后一位收到后即移入收緩沖器，再讀SPIDAT便可讀出數據。

　　2.4 其他軟件模塊

　　其他軟件模塊均是根據各部分硬件的具體要求，通過(guò)向所分配的對應地址空間按序發(fā)送所需數據來(lái)實(shí)現相關(guān)功能。

　　3 結束語(yǔ)

　　文中提出以C51單片機C8051F120為核心控制芯片的嵌入式系統，已成功應用于某通信測試儀器中，陔系統通過(guò)中斷及查詢(xún)等方式較好地實(shí)現了對整機的實(shí)時(shí)控制功能。