C8051F320及其USB介面應用

    C8051F320是由美國Cygnal公司推出的C8051F系列單片機中的一款小型單片機。它是集成的混合信號片上系統SOC（System on chip），具有與MCS-51內核及指令集完全兼容的微控制器，除了具有標準8051的數字外設部件之外，片內還集成了數據採集和控制系統中常用的模擬部件和其它數字外設及功能部件。內部Flash存儲器可實現在系統編程，既可作程序存儲器也可作非易失性數據存儲。片內JTAG模擬電路提供全速的電路內模擬，不佔用片內用戶資源。支持斷點、單步、觀察點、運行和停止等調試命令，並支持存儲器和寄存器校驗和修改。
    C8051F320片內自帶有USB收發器和控制處理器是它區別與同一系列產品的一大特點。用C8051F320來進行USB技術開發既方便又快捷。

C8051F320單片機簡介
1 功能部件及特點

1. 模擬外設 10位的ADC（±1LSB INL）：其最大可編程轉換速率可達200kbps，可多達17個外部輸入，可編程為單端輸入或差分輸入，內置一個溫度感測器（±3℃）；2個模擬比較器；2.4V的內部電壓基準；精確的Vdd監視器和欠壓檢測器。
2. USB功能控制模塊 滿足USB2.0協議；可在全速（12 Mbps）或低速（1.5 Mbps）下運行；集成有一個時鐘恢復源，對於全速或低速傳輸均可不用外部晶振；支持8個靈活通用的端點；內置一個1K的USB專用緩衝存儲器；集成了一個USB接收器，不需要外部電阻。
3. 片內調試模塊 片內調試電路提供全速、非侵入式的在系統調試（不需模擬器）；支持端點、單步、觀察點、堆棧監視器；可以觀察/修改存儲器和寄存器；比使用模擬晶元、目標模擬頭和模擬插座的模擬系統有更好的性能。
4. 工作溫度範圍：0～70℃
5. 高速8051微控制器內核 採用流水線指令結構，其70%的指令的執行時間為一個或兩個系統時鐘周期；速度可達25 MIPS（時鐘頻率為25MHz時）。
6. 存儲器 1280位元組的內部數據RAM（1K+256）；16K位元組的可以在系統編程的Flash閃速存儲器。
7. 數字外設 25個位元組寬的端點I/O；所有口線均耐5V電壓；可同時使用UART串口、硬體SMBusTM、SPITM；帶有4個可編程的16位計數器/定時器陣列；帶有5個捕捉/比較模塊的通用16位計數器/定時器。
8. 時鐘源 內部晶振，精度為0.25；支持所有USB和UART模式；外部晶振器：晶體、RC、C或外部時鐘；內置一個針對USB控制器的片上時鐘乘法器。
9. 供電電壓 片上的參考電源校準器支持USB匯流排電源操作；校準器的Bypass模式支持USB內部電源操作。
10. 性能特點 C8051F320在保持CISC結構及指令系統不變的情況下，對指令運行實行流水作業，推出了CIP-51的CPU模式，從而大大提高了指令運行速度，使8051兼容機系列進入了8位高速單片機行列。

　傳統的單片機I/O埠大都是固定為某個特殊功能的輸入/輸出口，可以是單功能或多功能，I/O埠可編程選擇為單向/雙向以及上拉、開漏等。這種固定方式既佔用較多引腳，配置又不夠靈活。C8051F320採用開關網路以硬體方式實現I/O埠的靈活配置，如圖1所示。在這種通過交叉開關配置的I/O埠系統中，單片機外部為通用I/O口，如P0口、P1口和P2口。內有輸入/輸出的電路單元通過相應的配置寄存器控制的交叉開關配置到所選擇的埠上。
 
　C8051F320還提供了一個完整而先進的時鐘系統，如圖2所示。在這個系統中，片內設置有一個可編程的時鐘振蕩器（無需外部器件），可提供2、4、8和16 MHz時鐘的編程設定。外部振蕩器可選擇4種方式。當程序運行時，可實現內外時鐘的動態切換。編程選擇的時鐘輸出CYSCLK除供片內使用外，還可從隨意選擇的I/O埠輸出。
 
　C8051F320在8位單片機中率先配置了標準的EC2介面（IEEE1149.1）。在上位機軟體支持下，通過串列的EC2介面直接對產品系統進行模擬調試。C8051F的EC2介面不僅支持Flash ROM的讀/寫操作及非侵入式在系統調試，還為在系統測試提供邊界掃描功能。通過邊界寄存器的編程式控制制，可對所有器件引腳、SFR匯流排和I/O口弱上拉功能實現觀察和控制。
　C8051F320把80C51單一的外部複位發展成多源複位：上電複位、掉電複位、外部引腳複位、軟體複位、時鐘檢測複位、比較器0複位和引腳配置複位。眾多的複位源為保障系統的安全、操作的靈活性以及零功耗系統設計帶來極大的好處。

2 引腳及封裝
　圖3為其引腳圖。其中，Vdd為數字電源；GND為模擬地；REGIN為5V校準器的輸入端；RST/C2CK為設備的複位引腳或EC2調試介面的時鐘信號；P3.0/C2D為埠3.0或EC2調試介面的雙向信號引腳；VBUS為USB匯流排輸入腳；D+為USB的D+；D-為USB的D-；P0.2/XTAL1為埠0.2或外部晶振輸入；P0.3/XTAL2為埠0.3或外部晶振輸出；P0.6/CNVSTR為埠0.6或ADC0外部轉換開始輸入腳；P0.7/VRFF為埠0.7或外部參考電源的輸入端或輸出端；P0.0、P0.1、P0.4、P0.5、P1.0～P1.7、P2.0～P2.7 均為相應的埠引腳。
 

3 電氣特性
　校準器的輸入電壓（REGIN引腳）為4.0～5.25V；Vdd（電壓校準器的輸出）為3.0～3.6V（通常取3.3V）；VREG偏流（電壓校準器有效時）為70μA；CPU和USB運行時的供給電流為18mA（CPU時鐘為24MHz，USB時鐘為48MHz時）或9mA（CPU時鐘為12MHz，USB時鐘為6 MHz時）；內部晶振頻率為12.0MHz；USB時鐘頻率為48.0MHz（全速）、6.0MHz（低速）。

典型的USB應用 　　
　C8051F320是一款完全集成的混合信號系統級晶元，片內集成了數據採集和控制系統中常用的模擬部件和其它數字外設及功能部件。其中值得我們注意的是，它集成有一個USB介面，所以我們也可將其看成是一款帶USB介面的微處理器。C8051F320與市場上同類帶USB介面的微處理器相比較，它內部強大的功能模塊大大簡化了USB技術的開發，還能很好地縮短開發周期。下面介紹它的一個典型的USB技術應用。
　在這個應用中，主機通過C8051F320晶元中USB介面與C8051F320通訊，來控制信號燈的狀態，檢測開關按鈕的狀態，並採集分壓器和片內溫度感測器中的數據。在整個通訊中，我們還要使用EC2適配器來進行系統調試。系統的電路原理圖見圖4。
 
　在該應用系統中，SW1按鈕開關連接到C8051F320的複位引腳。按一下SW1，設備將進入硬體複位狀態。將J15跳線的兩引腳連接上后，C8051F320就在外部電源的模式下開始工作。如果要讓320在自己供電的模式下運行，就需在斷開J15的同時，連接上J12的兩個引腳。J4是該應用系統的調試介面。將串列適配器EC2通過該介面連接到C8051F320，可實現在線調試和Flash編程的寫入和擦除（EC2的說明和使用請參見Cygnal公司的產品數據手冊）。J14是USB（通用串列匯流排）連接器，通過它就可將USB介面和C8051F320晶元連接起來。我們常將USB電纜的一端接上J14，另一端接在計算機的USB通訊口上。這樣就能實現數據傳輸任務。將J12跳線的兩引腳連接上后，外部電容就連接到了C8051F320的P0.7腳。C8051F320的P1.7引腳上連接有一個滑動電阻，只要將J13接上，C8051F320就可從P1.7腳採集到邏輯信號。實際應用中，我們要進行USB技術開發和應用，其硬體部分可在圖4的基礎上根據需要進行擴展。
　完整的USB應用系統除了必要的硬體部分，還包括軟體部分,圖5、圖6為主程序流程圖及USB中斷服務程序流程圖。軟體部分分為三大塊：在C8051F320設備上運行的固件程序，在主機上運行的USB設備驅動程序，一個主機應用程序。主機應用程序通過USB介面與C8051F320通訊，允許用戶觀察並改變C8051F320設備上的I/O外設的狀態。在運行主機應用程序前，我們要先安裝設備的USB驅動程序。當設備通過USB介面與主機連接好后，應用程序就開始枚舉，並通過端點0、1和2來完成設備與主機之間的數據傳輸。在USB協議中，端點0數據包被定義為控制數據包，端點1和2分別用來輸入數據和輸出數據。數據包用來顯示各個埠引腳上的邏輯值。在上述應用系統中，P1.7腳上分壓器的輸出邏輯值就通過應用程序中的端點1數據包來傳輸到主機，從而主機讀出數據並在用戶界面上顯示出來。
 
 
　C8051F320是一款性能優化的SOC高速單片機，也是一個功能強大的USB介面器件。在開發和應用其USB技術時，與同類產品相比，它在性能、速度、方便性以及成本等方面都具有很大的優勢。