第四章 控制系统硬件模块化设计研究与实现.doc

第四章 控制系统硬件模块化设计研究与实现 4.1微处理器的选择 由于机械手控制系统中没有大量的信号需要处理，同时又要满足控制要求，决定采用美国Silicon Labs公司的C8051F型单片机，具体型号为C8051F020。从嵌入式计算机系统的角度来看，单片机的技术发展经历了SCM(Single Chip Microcomputer，单片微型计算机)，MCU(Microcontroller Unit，微控制器)以及SoC(System on Chip，片上系统)三个阶段。该单片机C8051F020为高度集成的混合信号SoC系统级芯片，具有与8051单片机兼容的高速、流水线CIP-51微处理器内核，与MCS-51指令集完全兼容。64K字节可在线编程的FLASH存储器，可寻址64K字节地址空间的外部数据存储器接口等资源。 除了具有标准8051的数字外设部件外，片内还集成了数据采集和控制系统中的常用的模拟部件及其他一些数字外设部件[15]。C8051F020单片机内部的结构如图4.1所示。 图4.1 C8051F020单片机内部结构框图 Fig.4.1 C8051F020 SCM internal structure diagram C8051F020的封装为100脚TQ型式。其中电源10根，分为数字电源和模拟电源。JIAG接口引脚为6根。C8051F020单片机是混合信号型的单片机所以引脚分为数字子系统引脚(64根)和模拟子系统(18根)。I/O端口有复用方式和非复用方式两种方式。C8051F020单片机引脚如图4.2所示。 图4.2 C8051F020引脚结构图 Fig.4.2 The C8051F020 pin structure picture 在C8051F系列单片机中采用交叉开关网络以硬件方式实现I/O端口的灵活配置。在这种通过交叉开关配置的I/O端口的系统中，单片机外部为通用I/O口，内有输入/输出的电路单元通过相应的配置寄存器控制的交叉开关配置到所选择的端口上。 对C8051F020引脚功能的熟悉是设计外围硬件电路和绘制电路原理图的基础。只有深刻的理解这100个引脚每个引脚的功能，复用方式，才能合理分配使用每个引脚，在与外围硬件电路的设计中达到C8051F020效能的最大化。 4.2模块化控制系统硬件总体设计方法 4.2.1单片机外围硬件电路设计基本原则 C8051F020 SoC型单片机具有集成度高，功能强大的特点。过去设计单片机系统往往采取的是搭积木式扩展的方式。根据需要将外设(如A/D，D/A，RAM等)进行片外扩展，体积规模较大，与之相配合的供电，时钟信号，抗干扰一系列问题也要考虑，系统的复杂程度越大故障点就越多。而片上系统具有高度集成性，我们要做的只是根据自己的设计要求进行设置。因此，应用SoC系统可靠性会提高不少[16]。尽管如此，SoC设计与应用仍然有一些共性的问题和设计原则需要处理，处理妥当才可以把它的特点和性能较好的发挥出来。 (1)尽可能选择典型电路，并符合51单片机常规设计规范。典型电路为硬件系统的标准化，模块化打下良好基础，典型电路易查找资料，改正问题[17]。 (2)系统设计应充分满足控制系统的功能要求，并一定要有预留模块，以便扩展系统功能。 (3)硬件设计出的实物最后是PCB板，所以系统设计时要规划好PCB的设计。SoC工作频率较高，对电源的要求也较高，因此所设计的电路板至少是2层。除从PCB考虑外，还要从供电电源考虑，无论单片机片内是否有稳压器，最好都要接稳压器再连接单片机，并在电源入口处加容量为4.7uF与0.1uF的电容。 (4)要充分利用C8051F020的可编程I/O口的分配功能，若在设计PCB时发现问题可再调整电路原理图，做到I/O口最佳的分配方案。 (5)C8051F020的电压较低，连接其他系统或本系统的高压外设时要经过光耦隔离。这种做法可以有效的切断干扰，保证电路不被烧坏。 4.2.2模块化硬件系统总体架构与设计 硬件设计上以功能特征作为划分模块的依据，分为基本功能模块、预留功能模块和辅助功能模块。选择触摸屏作为软硬件交互的平台。硬件上C8051F020单片机作为主控芯片，基本功能模块部分分为串口电路模块、JTAG接口模块、步进电机驱动两关节模块，输出端子口J1模块。预留功能模块部分设计了12位电路转换模块、输入端子口模块、输出端子口模块、驱动三关节模块等。其中12位模数转换电路模块的设计是考虑到采集到的视频信号的输入与转换。输入端子口模块电路的预留是方便用开关按键对机械手的控制。输出端子口的设计是考虑到若手动按键时LCD可