基于C51的嵌入式實時控制模塊的設計與實現(xiàn)

　　隨著現(xiàn)代通信技術的發(fā)展，通信測試儀器不斷推陳出新。各種新型設備對系統(tǒng)的實時響應能力的要求越來越高，一種通信測試儀器的實時響應性能，就成為系統(tǒng)設計能否成功的關鍵因素之一。筆者曾在多個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(tǒng)，實現(xiàn)了對儀器相關模塊的實時控制功能。因此提出一種在某通信測試儀器中使用C51單片機來實現(xiàn)實時控制的設計方案。

　　1 硬件設計與實現(xiàn)

　　1.1 總體方案設計

　　在該通信測試儀器中，實時控制模塊主要實現(xiàn)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、射頻輸出模塊等實時控制作用。對射頻檢波信號進行A/D轉(zhuǎn)換以獲取數(shù)據(jù)。與上位計算機進行通信等功能。

　　根據(jù)待實現(xiàn)的系統(tǒng)功能要求，綜合考慮系統(tǒng)資源，及芯片性價比等因素，確定采用以C51單片機為主控芯片的嵌入式系統(tǒng)方案，芯片為Silicon Labs的C8051F120，具有128 kB片內(nèi)Flash存儲器、8×1 024+256 Byte的片內(nèi)RAM，可尋址64 kB地址空間的外部數(shù)據(jù)存儲器接口、SPI、UART、定時器、時鐘振蕩器、PLL等，片上外設資源豐富、控制方便。

　　系統(tǒng)資源分配：射頻接收、發(fā)射頻綜模塊，內(nèi)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(shù)據(jù)、控制三總線實施控制。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，因此用GPIO的方式進行控制。A/D轉(zhuǎn)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。

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　　1.2 總線及I/O控制的設計

　　對于射頻接收頻綜、射頻發(fā)射頻綜模塊，直接采用總線控制，為避免不同的模塊控制時相互干擾，用3-8譯碼器對總線地址譯碼，產(chǎn)生不同模塊的片選信號。同時數(shù)據(jù)線通過總線收發(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(shù)據(jù)總線經(jīng)鎖存后模擬GPIO信號供相關模塊使用，如圖2所示，其中，IO_/WR1由B_/CS7與單片機寫線邏輯或后產(chǎn)生。

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　　1.3 SPI及RS232控制接口

　　C8051F120芯片上本身自帶了A/D轉(zhuǎn)換器，但只有12位，不適合該系統(tǒng)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(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)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(jù)實際要求，該系統(tǒng)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(shù)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。

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　　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(zhuǎn)換為RS-232信號進行傳輸，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和地線即可實現(xiàn)異步串行通信。系統(tǒng)中仍有一些時鐘、復位電路和電源等，在此不再贅述。

　　2 軟件設計與實現(xiàn)

　　2.1 主程序框架

　　主程序流程圖如圖4所示。

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　　主程序是順序結(jié)構(gòu)，較為簡單。主要分兩部分：一是對系統(tǒng)各部分進行初始化設置，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，即進行相應的操作，無命令時則等待。對于嵌入式程序而言，無限循環(huán)是必要的。

　　2.2 串口通信程序

　　串口通信程序?qū)崿F(xiàn)與上位機的通信功能。具體操作中使用一個循環(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(jié)取出，進行相應操作。命令執(zhí)行完畢（隊列取空），清標志位，等待新命令。如圖5所示。

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　　2.3 SPI通信程序

　　C51采用SPI主模式與AD7707進行通信。主模式寫AD7707較為簡單，單片機先寫1 Byte的配置數(shù)據(jù)給AD7707，其會自動將該數(shù)據(jù)放入自身的通信寄存器，隨后AD7707根據(jù)該配置值確定下一步要寫的寄存器及數(shù)據(jù)大小，再將單片機隨后輸入的數(shù)據(jù)放入指定位置。C8051F120發(fā)數(shù)據(jù)前，先根據(jù)SPICN寄存器的TXBMT位的值判斷是否能夠發(fā)送數(shù)據(jù)，再向自身的SPIDAT寄存器寫數(shù)據(jù)即可，硬件會自動將數(shù)據(jù)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的某個寄存器值后，C51向SPIDAT寫任意值，之后SPI數(shù)據(jù)線（MOSI）上會串行移出數(shù)據(jù)，同時時鐘線上產(chǎn)生串行時鐘，從設備（AD7707）收到時鐘，將預備的數(shù)據(jù)送到MISO線上交給 C51，同時不采納主設備發(fā)送的任意值。C51將發(fā)送的串行數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)。

　　2.4 其他軟件模塊

　　其他軟件模塊均是根據(jù)各部分硬件的具體要求，通過向所分配的對應地址空間按序發(fā)送所需數(shù)據(jù)來實現(xiàn)相關功能。