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如何基于C51设计与实现嵌入式实时控制模块?

作者:时间:2018-08-06来源:网络收藏

随着现代通信技术的发展,通信测试仪器不断推陈出新。各种新型设备对系统的实时响应能力的要求越来越高,一种通信测试仪器的实时响应性能,就成为系统设计能否成功的关键因素之一。笔者曾在多个通信测试仪器项目中,成功地应用ARM处理器、C等为主控芯片的系统,实现了对仪器相关模块的实时控制功能。因此提出一种在某通信测试仪器中使用C来实现实时控制的设计方案。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201808/385475.htm

1 硬件设计与实现

1.1 总体方案设计

在该通信测试仪器中,实时控制模块主要实现对接收频综、发生频综、滤波器组件、输入模块、输出模块等实时控制作用。对检波信号进行A/D转换以获取数据。与上位计算机进行通信等功能。

根据待实现的系统功能要求,综合考虑系统资源,及芯片性价比等因素,确定采用以C为主控芯片的系统方案,芯片为Silicon Labs的C8051F120,具有128 kB片内Flash存储器、8TImes;1 024+256 Byte的片内RAM,可寻址64 kB地址空间的外部数据存储器接口、SPI、UART、定时器、时钟振荡器、PLL等,片上外设资源丰富、控制方便。

系统资源分配:射频接收、发射频综模块,内含DDS,PLL等,外部控制接口是微控制接口,因此直接用单片机的地址、数据、控制三总线实施控制。滤波组 件、射频输入/输出模块等的工作状态与接口上信号电平高低有关,因此用GPIO的方式进行控制。A/D转换控制使用串行外围设备接口SPI.与上位机的通 信使用RS-232串口。总体设计框图如图1所示。


1.2 总线及I/O控制的设计

对于射频接收频综、射频发射频综模块,直接采用总线控制,为避免不同的模块控制时相互干扰,用3-8译码器对总线地址译码,产生不同模块的片选信号。同 时数据线通过总线收发器以提高带负载能力。对于滤波组件、射频输入/输出等用I/O控制的模块,并未直接使用51芯片的GPIO引脚,则是将数据总线经锁 存后模拟GPIO信号供相关模块使用,如图2所示,其中,IO_/WR1由B_/CS7与单片机写线逻辑或后产生。


1.3 SPI及RS232控制接口

C8051F120芯片上本身自带了A/D转换器,但只有12位,不适合该系统的需求,故在片外另加一片ADI公司的AD7707.其分辨率为16位, 是∑-△体系结构,转换的是输入电平的平均值。三通道,输入电平范围可达±10 mV~±10 V.根据实际要求,该系统使用AIN3高电平输入端口,Unbuffered模式,HICOM、REF-接模拟地,VBIAS与REF+均接+2.5 V参考电压,模拟电源5 V,数字电源3.3 V,能检测输入范围为0~10 V的单极性电平。其控制接口是同步串行口,用51芯片的SPI直接控制。图3是AD7707的电气连接图。


单片机与上位计算机的通信使用通用异步收发器UART,外接MAX3224,将UART信号转换为RS-232信号进行传输,MAX3224在 3~5.5 V低电压下工作,却可产生RS-232的±12 V电压,只需连接Tx、Rx和地线即可实现异步串行通信。系统中仍有一些时钟、复位电路和电源等,在此不再赘述。

2 软件设计与实现

2.1 主程序框架

主程序流程图如图4所示。


主程序是顺序结构,较为简单。主要分两部分:一是对系统各部分进行初始化设置,使其能够工作在正常状态。二是正常工作循环状态,当收到上位机的控制命令时,即进行相应的操作,无命令时则等待。对于程序而言,无限循环是必要的。

2.2 串口通信程序

串口通信程序实现与上位机的通信功能。具体操作中使用一个循环队列存放接收到的上位机命令,分别用头指针和尾指针指向队头和队尾,将各命令字节取出,进行相应操作。命令执行完毕(队列取空),清标志位,等待新命令。如图5所示。


2.3 SPI通信程序

C51采用SPI主模式与AD7707进行通信。主模式写AD7707较为简单,单片机先写1 Byte的配置数据给AD7707,其会自动将该数据放入自身的通信寄存器,随后AD7707根据该配置值确定下一步要写的寄存器及数据大小,再将单片机 随后输入的数据放入指定位置。C8051F120发数据前,先根据SPICN寄存器的TXBMT位的值判断是否能够发送数据,再向自身的SPIDAT寄存 器写数据即可,硬件会自动将数据发出。

主模式读AD7707较为困难。当C51已设置AD7707的通信寄存器,表明下一步操作是读AD7707的某个寄存器值后,C51向SPIDAT写任 意值,之后SPI数据线(MOSI)上会串行移出数据,同时时钟线上产生串行时钟,从设备(AD7707)收到时钟,将预备的数据送到MISO线上交给 C51,同时不采纳主设备发送的任意值。C51将发送的串行数据放在移位寄存器中,当最后一位收到后即移入收缓冲器,再读SPIDAT便可读出数据。

2.4 其他软件模块

其他软件模块均是根据各部分硬件的具体要求,通过向所分配的对应地址空间按序发送所需数据来实现相关功能。

3 结束语

文中提出以C51单片机C8051F120为核心控制芯片的嵌入式系统,已成功应用于某通信测试仪器中,陔系统通过中断及查询等方式较好地实现了对整机的实时控制功能。



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