C8051F020硬件电路设计.doc

C8051F020硬件电路设计 一直觉得自己设计的C8051F020电路板的过程比较凌乱，想找个时间来总结下，所以就有了这篇文章。其实这个电路板的功能很简单，主要就是板上设计了LCD12864、LCD1602以及键盘的接口，但是在设计过程中出现了很多问题，现在来做个总结。首先来个电路板的照片如图1所示。电路板所以的IO口都用牛角座引出，方便连接。 图1 系统板实物图片 1、关于ADC的设计。 去年在研究C8051F020片内的ADC0的时候发现一个奇怪的问题，每当采采集电压达到3V左右的时候采集的数字量就已经达到了最大值4095（参考电压接的是3.3v），即使电压再升高，比如达到3.2V，采集的电压的数字量始终是4095（12位的ADC），当时想当然的认为是器件的非线性问题，但是官方给出的数据是转换误差为：±1LSB，当时就一直怀疑芯片给的数据有问题。为了验证是否是非线性问题，于是就自己做测试，采集到的数据如图2所示。 图2 ADC0测试曲线 从图2中看到器件在0~3 V左右的时候采集的数据线性是非常好的，只是在达到3 V以后数据始终是4095。这到底是什么问题呢，当时由于时间紧，没有仔细的读数据手册，只是在程序中把参考电压的值改为3.1V（测试的时候3.1V达到极限），这样程序处理也是没有问题的。 现在又要从新设计这个板子，由于时间比较充裕，自己就发誓一定要找到原因。首先排除的是器件的非线性问题，这个从图2中就已经证实了。那么是数据手册给的数据有问题么？虽然有这个怀疑，但是想来数据手册给的数据应该是没问题的，那么估计是没有仔细了解数据手册的内容，于是乎就仔细的研读了数据手册。在一个叫电压基准的电气特性的表格中找到了答案，如图3所示。 图3 电压基准的电气特性 从图3中看到外部基准电压的范围为1~AV+-0.3V，这里的AV+为3.3V，也就是说外部输入的参考电压必须比输入给ADC的电源电压小0.3V。这确实让我感到欣喜与震惊。欣喜的是找到了问题，震惊的是以前用过的ADC参考电压和电源电压一般都是相同的（也可能是自己见识少了吧，呵呵）。 找到问题后，解决起来就简单了。在单片机外部设计一个小于3.1V的参考电压电路就行了。其实设计参考电压一般有两种方案，采用专用稳压IC和用稳压管设计稳压电路。当时在网上找来找去没找到3.1V和3.0V的稳压IC，没办法，就用稳压管设计吧，由于以前用过TL431，设计起来也蛮方便的，精度的话普通的应用还是可以满足的。 图4 TL431设计图 图4电路中设计了三个接线柱，主要是为了参考电压也可以选择芯片内部产生的2.4V的电压。具体参数设计如下：设计的输出稳压电压为3.0V，那么电阻R17上的压降为2V，查询数据手册，TL431工作的最大需要电流为1mA，最小电流为0.4mA，那么R17的阻值范围为2K~5K，实际电路中R18、R19以及芯片还需要一定的电流，最后确定的R17的值还需要修正；先来看看R18,R19的设计，由于R19和R18的压降是确定的（R19为2.5V，R18为0.5V），为了使电路耗电最小，电阻的值应该越大越好，但是电阻越大越容易受到干扰，这里取R19的值为10K，那么R18的值就可计算得到为2K，这时候R18和R19消耗的电流为0.25mA；芯片的电流官方给的数据是1uA，所以这个电流可以忽略，那么现在可以得到该稳压电路需要的提供的电流范围为0.65mA~1.25mA，那么R17的取值范围为1.6K~3K，电路中取的值为2K。 2、C8051F020单片机IO口深入分析 C8051F020有八个IO端口，每个端口有八位，可分为两组：低四个端口P0~P3和高四个端口P4~P7。八个端口的结构都是一样的，不同之处为：高端口的输出形式是统一设定的，由P74OUT寄存器统一配置。当P74OUT配置为0xFF时，为推挽输出形式；当P74OUT配置为0x00时，为漏极开路输出。而且高端口不能位寻址，这个特点给编程带来了很多不便，但是通过电路的设计是可以克服的，下面会具体谈到。低端口则由相对应的PXMDOUT（X的值为0、1、2、3），而且可以单独配置端口的每一个位的输出形式。低端口是可以位寻址的。端口的电路框图如图5所示。 图5 I/O单元功能框图 如图5所示的电路结构框图中，配置为推挽输出时，当端口输出为“1”时，MOS管1打开，端口引脚电压为VDD；当端口输出为“0”时，MOS管1关闭，MOS管2打开，端口引脚输出为DGND。配置为漏极开路时，当端口输出为“1”时，MOS管1和MOS管2关闭，端口引脚输出为高阻态；当端口输出为“0”时，端口引脚输出为DGND。不管端口配置为什么输出形式，只要读取端口寄存器，都将返回端口的电平值。但是，当配置为推挽输出时，引脚端口电压是确定的“1”或“0