第四章控制系统硬件模块化设计研究与实现.pdf

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