C8051F330单片机最小系统设计.docx
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C8051F330单片机最小系统设计
摘要
随着现代电子技术的发展，各种处理器在现代机械及电子测量领域中应用相当广泛。
单片机系统以其功能面广，扩展方式多等优点应用在多个领域。
单片机最小系统又是研究单片机相关设计的基础，因此对单片机最小系统的研究和设计具有广泛的现实意义。
本文以C8051F330为研究对象，设计一个具有串口通信，D/A转换，A/D转换等功能的最小系统。
然后运用KeilC51软件，对每个功能进行验证。
通过3.3V供电的低功耗增强型SOC单片机C8051F330和串口驱动芯片MAX3232相互配合，结合单片机的片上外设D/A，在载入验证程序后，能够在示波器上显示数/模转换的正弦和方波。
并且实现了与计算机串口通信进行数据的接收和发送。
经过软硬件结合调试证明本次设计的系统是合理可行的。
本文主要分以下几章进行论述。
第一章是原理及相关设计工具介绍；第二章是系统的硬件设计；第三章是系统的软件设计部分；第四章是系统调试与分析部分；第五章是结论与展望。
关键词：
最小系统，C8051F330,MAX3232
ABSTRACT
Withthedevelopmentofmodernelectronictechnology,allkindsofprocessorsapplicationisquitewidespreadinthemodernmachineryandintheelectronicsurveyingdomain.Themonolithicintegratedcircuit（SCM）systemisalsousedinmanydomains,sotheresearchanddesignofSCMsystemisveryimportant.TheSCMsystem'sfunctionsurfaceisbroad,andtheexpansionmodearemany,andtheSCMminimumsystemisthebasisoftherelevantdesignaboutSCM,sothestudyofthisissuehasthepracticalsignificance
Inthispaper,IttakesC8051F330astheobjectofstudy，designsaminimumsystemincludingthehardwaresuchasaC8051F330,serial,D/A,A/D，andsoon.Atthesametime,itverifiestheconfirmationtoeachfunctionusingtheKeilC51software.3.3Vpowersupplyoflow-powerenhancedSOCSCMC8051F330andtheserialmicrocontrollerdrivechipMAX3232coordinatewitheachother,andthencombinetheon-chipD/Aofthemicrocontrollerperipherals,afterwritingdowntheprovingprogram,itcanshowthesineandsquarebytheoscilloscopeafterD/Aconversion.Systemalsoachievethecommunicationsfunctionsofreceivingandsendingdatawithacomputerserialport.Afterthefinalcombinationofhardwareandsoftwaredebuggingitprovedthatthedesignisreasonableandfeasible.
Thispaperisdividedintothefollowingchapterstodiscussed.Chapter1isthefirstprincipleandrelateddesigntoolsintroduced;Chapter2isthehardwaredesign;Chapter3isthesystemsoftwaredesign;Chapter4isthesystemdebuggingandanalysis;Chapter5istheconclusionsandprospects.
KEYWORDS：
minimumsystem，C8051F330，MAX3232
前言
单片机系统的发展很快，在电子行业运用的十分广泛。
并且随着功能越来越强大，体积却越来越小，逐渐成为我们现在电子领域的主要研究发展对象。
研究单片机最小系统是研究单片机设计的基础，有重要的现实意义。
本次设计中利用了3.3V供电的增强型（SOC）单片机C8051F330作为控制单元，也运用到了MAX3232等芯片。
设计实现了能够进行D/A转换生成正弦波和方波，且可以与计算机进行串口通信完成数据的接收和发送。
并且整个系统具有很强的扩展性，可根据实际需要通过软件扩充系统的性能。
增强型（SOC）单片机C8051F330片上集成了控制及信号处理等所需要的几乎所有的模拟及数字外设，以其低功耗，端口可灵活配置，支持JTAG端口可在线调试等特点将广泛应用在工业控制、通信及可便携电子产品中。
在系统的设计过程中主要做了两个方面的工作，一个方面是理论及原理的研究，另一个方面是硬件电路的制作、软件程序的编写及调试。
在理论及原理研究方面，首先，对单片机的基本工作原理进行了研究。
使自己对所用的单片机有了更加直观和深刻的认识，并对下一步的设计有了明确的目标。
其次，在了解了主芯片的基本工作原理之后，对设计方案进行了仔细的研究分析。
在硬件电路的制作及调试方面，首先，对印刷电路板的设计软件ProtelDXP进行了研究学习，并根据设计要求设计了系统硬件原理图和PCB图，制作了PCB板，并进行了器件焊接。
其次，编写了系统软件，在设计软件的过程中对用到的KeilC51、IDE软件的使用进行了学习，对系统软件进行了在线编程调试。
最后，在整体的调试过程中找出了自制PCB板和程序存在的一些问题，并进行了改进和优化。
调试完成后，对各项数据进行了统计，并进行了相应数据分析。
通过这次研究可以加深对单片机的原理的认识和提高硬件设计、调试的能力。
由于时间有限，再加上我自身在电子设计方面经验不足，在系统的设计过程中难免存在不足的地方。
还需要在今后的工作中不断学习,不断积累经验。
本论文共分为五章。
第一章是设计中的一些基本原理和相关硬件、相关软件的介绍。
第二章是系统硬件设计的介绍，包括了硬件的功能描述和硬件的总体设计和详细设计。
第三章是系统软件的设计，在这章里将会对系统软件的功能、总体设计和各个功能的具体设计实现作详细的介绍。
第四章是系统的调试与分析，这章主要对调试的过程作了详尽的描述，并对调试过程中产生的问题进行了分析。
第五章是系统设计的结论与展望，在这一章中，结论是对系统的设计结果作了简单的总结，展望则根据系统中存在的不足提出了一些相应的改进的方法。
第1章原理
本章主要是对基于单片机最小系统具体实现方案及其所要实现功能进行了分析，对设计中采用的解决方案和所涉及到的相关器件和软件进行了简单的介绍。
1.1最小系统概述
单片机最小系统或者称为最小应用系统，是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。
单片机又叫做嵌入式微控制器，现在常规的微控制器普遍都是将中央处理器（CPU）、随机存取数据存储（RAM）、只读程序存储器（ROM）、并行和串行通信接口，中断系统、定时电路、时钟电路集成在一块单一的芯片上，增强型的单片机将如A/D转换器、PMW（脉宽调制电路）、WDT（看门狗）都集成在单一的芯片上。
微控制器的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制，因此称为微控制器。
通常，嵌入式微控制器可分为通用和半通用两类，比较有代表性的通用系列包括8051、P51XA等。
而比较有代表性的半通用系列，如支持USB接口的C540、C541；支持I2C、CAN总线、LCD等的众多专用MCU和兼容系列。
由于单片机种类较多，设计时的思路也不尽相同。
考虑到若要设计的最小系统是通用的，采用通用型的微控制器8051系列。
若有什么特殊的系统设计要求就要选择合适的单片机进行设计，以减少系统电路的复杂程度和硬件功能实现的难度。
使得通过最简单的电路和最少的元件形成所要求的系统。
1.2最小系统的方案设计
一般最小系统都具有载入程序，在线调试，复位，数据传输和数字、模拟信号之间的相互转换等功能。
最小系统硬件一般包括下载口，扩展端口，串口和相关功能的芯片组成。
根据单片机自身所具有的特点，将结合其他的芯片对单片机进行最小系统的设计。
所用单片机为C8051F330，配合串行通信驱动芯片MAX3232等器件的使用，设计单片机最小系统，以实现单片机片上硬件功能，包括A/D，D/A转换，对LED的控制和与计算机串口进行通信等功能，并且方便今后对该单片机系统的直接使用和扩展。
硬件设计中，选用的单片机片上带有A/D，D/A转换功能，因此不需要在最小系统上另加这两个模块，以简化所设计系统的电路。
为了体现系统工作的状态，设置有复位键和LED指示。
通过一个5V的电源适配器对系统供电，通过电压转换芯片产生3.3V电压供给单片机使其工作。
利用串行通信驱动芯片MAX3232连接串行通信口以实现通信的功能。
连接一个将程序载入主芯片的JTAG下载端口。
将单片机上的引脚用插针引出，便于日后的扩展和使用。
软件调试时，设计了实现功能的验证程序，验证程序通过SiliconLaboratoriesIDE软件下载到主芯片上，使其工作，用来验证硬件所具有的所有功能。
设计完成后通过对硬件和软件的检查和调试得出所要设计的最小系统。
这样安排设计方案的目的是为了得出功能更稳定，电路更简单可行的最小系统，达到一个最好的设计效果。
1.3相关器件介绍
1.3.1C8051F330介绍
1、C8051F330简单介绍
C8051F330是SiliconLaboratories公司生产的完全集成的混合信号片上系统型单片机。
采用与8051兼容的高速、流水线结构的CIP-51内核，速度可达25MIPS；全速、非侵入式的片内在线系统调试接口；带模拟多路器的真正10位200ksps的16通道单端/差分ADC；10位电流输出DAC；高精度可编程的25MHz内部振荡器；8KB可在系统编程的FLASH存储器；768字节片内RAM；硬件实现的SMBus/I2C、增强型UART和增强型SPI串行接口；4个通用的16位定时器；具有3个捕捉/比较模块和看门狗定时器功能的可编程计数器/定时器阵列（PCA）；片内上电复位、VDD监视器和温度传感器；片内电压比较器；17个可容许5V输入的I/O端口。
是真正能独立工作的片上系统。
FLASH存储器还具有在系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新8051固件。
用户软件对所有外设具有完全的控制，可以关断任何一个或所有外设以节省功耗。
片内SiliconLabs二线（C2）开发接口允许使用安装在最终应用系统上的产品MCU进行非侵入式（不占用片内资源）、全速、在系统调试。
调试逻辑支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、单步、运行和停机命令。
在使用C2进行调试时，所有的模拟和数字外设都可全功能运行。
两个C2接口引脚可以与用户功能共享，使在系统调试功能不占用封装引脚。
可在工业温度范围（-45℃到+85℃）内用2.7V-3.6V的电压工作。
端口I/O和/RST引脚都容许5V的输入信号电压，采用20脚MLP封装。
2、C8051F330的引脚功能：
C8051F330是20脚MLP封装，体积小，易用于便携仪器。
其引脚排列如图1-1所示：
图1-1C8051F330管脚图
管脚功能如下：
VDD：
电源；
GND：
地；
/RST/C2CK：
器件复位/C2调试接口时钟信号；
P2.0/C2D：
数字I/0端口/C2调试接口双向数据信号；
P0.0/VREF：
数字I/0端口或模拟输入/外部VREF输入；
P0.1/IDA0：
数字I/0端口或模拟输入/模拟IDA0输出；
P0.2/XTAL1：
数字I/0端口或模拟输入/模拟输入，外部时钟输入；
P0.3/XTAL2：
数字I/0端口/模拟I/0或数字输入，外部时钟输出；
P0.4：
数字I/O或模拟输入；
P0.5：
数字I/O或模拟输入；
P0.6/CNVSTR：
数字I/O或转换启模拟输入/数字输入，ADC0外部动输入或IDA0更新源输入；
P0.7：
数字I/O或模拟输入；
P1.0：
数字I/O或模拟输入；
P1.1：
数字I/O或模拟输入；
P1.2：
数字I/O或模拟输入；
P1.3：
数字I/O或模拟输入；
P1.4：
数字I/O或模拟输入；
P1.5：
数字I/O或模拟输入；
P1.6：
数字I/O或模拟输入；
P1.7：
数字I/O或模拟输入。
3、C8051F330内部组成原理图
C8051F330内部集成了几乎所有的数字和模拟外设，其内部组成原理图如下图1-2所示：
图1-2C8051F330内部组成原理图
1.3.2MAX3232介绍
简单地说MAX3232就是一个电平转换器，它把接受到的TTL/CMOS信号转化为RS323通信协议中所要求的电平信号，并且将接收到的RS323信号转换为TTL/CMOS信号，从而实现当电平不匹配时的逻辑电平转换。
MAX3232有16个引脚，是双列直插式封装，功能上与工业标准MAX232兼容，准确的说他是一个收发器。
MAX3232利用两个电荷泵可以产生3.0V到5.5V的电压，从而使RS232工作，而电泵这一块只需要4块可充电电容即可。
MAX3232可以在把TTL/CMOS信号转化为RS323通信协议中所要求的电平信号时，保持120k的转换速率。
它有两个接收器和两个驱动，在关机模式下仅需要1uA的电流，这不仅节省了电能，还延长了电池寿命，特别适合与便携式设备配合使用。
管脚功能如下：
EN非：
接收信号使能端；
C1+:
双电泵电容的正极；
C1-:
双电泵电容的负极；
V-,V+:
电荷泵产生的-5.5V,+5.5V电压；
C2+,C2-：
同以上解释C1+，C1-；
T_OUT:
RS232转换器输出端；
T_IN:
TTL/CMOS转换器输入端；
R_IN:
TTL/CMOS转换器（接收器）输入端；
R_OUT:
TTL/CMOS转换器（接收器）输入端；
GND:
地；
VCC:
3~5.5V供电电压。
其引脚排列图如图1-3所示：
图1-3MAX3232管脚图
1.3.3LM1117介绍
LM1117是一个低压差电压调节器系列。
其压差在1.2V输出，负载电流为800mA时为1.2V。
它与国家半导体的工业标准器件LM317有相同的管脚排列。
LM1117有可调电压的版本，通过2个外部电阻可实现1.25～13.8V输出电压范围。
另外还有5个固定电压输出（1.8V、2.5V、2.85V、3.3V和5V）的型号。
LM1117提供电流限制和热保护。
电路包含1个齐纳调节的带隙参考电压以确保输出电压的精度在±1%以内。
LM1117系列具有LLP、TO-263、SOT-223、TO-220和TO-252D-PAK封装。
输出端需要一个至少10uF的钽电容来改善瞬态响应和稳定性。
其封装图如1-4所示：
图1-4LM1117封装图
1.4相关软件介绍
1.4.1电路设计软件PROTELDXP介绍
ProtelDXP是Altium公司于2002年8月推出的一套基于Windows2000/XP环境下的桌面EDA开发工具。
ProtelDXP不但兼容了以前所有版本的Protel软件，而且集成了更多的工具，从而在电路原理图设计、PCB布局布线、电路仿真测试和FPGA/CPLD设计等方面较以前的版本有了极大的加强。
ProtelDXP作为一款功能强大的电路设计软件，它具有以下基本特点：
1、ProtelDXP包含电路原理设计、电路原理图仿真测试、印刷电路板设计、自动布线器和FPGA/CPLD设计，覆盖了以PCB为核心的整个物理设计。
因此，ProtelDXP是真正意义上的EDA软件，它的智能化、自动化较以前的版本有了极大的提高。
2、ProtelDXP提供了进行层次原理图设计的环境，支持“自上而下”和“自下而上”的层次设计思想，从而使得多名电路设计人员进行并行开发成为可能。
3、ProtelDXP提供丰富的元件原理图库和PCB封装库，并且库的管理和编辑功能更加完善，操作更加简便。
电路设计人员通过ProtelDXP提供的编辑工具，可方便地实现库中没有包含的元件原理图以及PCB封装地设计制作。
4、ProtelDXP提供了元件集成库的概念。
在ProtelDXP的元件集成库中集成了元件的原理图符号、PCB封装形式、SPICE仿真模型和信号完整性分析，这使得设计人员调用元件时能够同时调用元件的原理图符号和PCB封装符号。
5、ProtelDXP提供了电路原理图的混合仿真功能，可以方便地检查电路原理中各个设计模块地正确性。
同时，ProtelDXP也提供了丰富地仿真元件库，从而使得电路原理图的混合仿真成为可能。
6、ProtelDXP提供了丰富的设计检查功能。
它的设计检查功能主要包括电路原理图设计中的ERC和PCB设计中的DRC，它们能够使电路设计人员快速地查证错误，最大限度地减少设计差错。
7、ProtelDXP全面兼容TANGO以及Protel的以前版本，同时，ProtelDXP提供了与OrCAD格式文件的转换功能。
8、ProtelDXP中同一设计的电路原理图和PCB之间具有动态连接功能。
和以前的版本相比，ProtelDXP的同步化程度更高，支持自然的非线性设计流程—双向同步设计，可以更加有效地完成电路设计工作。
9、ProtelDXP同样也提供了丰富的快捷键支持以及连续操作功能，使得电路设计人员能够快速有效地完成电路设计工作。
10、ProtelDXP提供了全新的FPGA/CPLD设计功能，并且支持VHDL设计和混合设计模式。
1.4.2单片机开发软件KeilC51简介
KeilC51是美国KeilSoftware公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统。
与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上都有明显的优势，易学易用。
用过汇编语言后再使用C来开发，体会更加深刻。
KeilC51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。
另外重要的一点是KeilC51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。
基于KeilC51的所有这些优点，在本设计中选用其作为软件设计环境。
1.4.3下载软件SiliconLaboratoriesIDE简介
SiliconLaboratoriesIDE软件是SiliconLaboratories公司为C8051F系列单片机开发的集成开发环境，可实现程序代码的编译、下载、在线调试、单步执行等功能。
且具有界面简单、操作方便、下载稳定等优点。
图1-5是SiliconLaboratoriesIDE软件的操作界面。
它是由全功能的开发平台所构成，独立式的缓存器映像图与内存窗口可让你检查你的系统的目前状态，单一周期的硬件断点可让你暂停MCU，检查机器运行状态。
客制化的观察窗口可让你检查任何变量的值，甚至是更详尽的数据架构内容（指针器与数组）。
简洁的使用界面包括一个专业文字编辑器与可靠的管理界面，项目可以用档案与工作空间两种方式来进行管理，IDE可以与业界公认的8051C语言编译器如KeilC51、Tasking、SDCC、Hi-Tech和IAR等完全兼容。
图1-5SiliconLaboratoriesIDE软件的操作界面
第2章硬件设计
在这一章里，主要介绍系统的硬件部分，包括总体设计方案及各电路详细设计方案和实现的功能等。
2.1系统硬件功能
根据系统设计方案，系统硬件的主要功能为：
（1）上电后直接可以下载和运行程序；
（2）能直接接+5V直流电源适配器，并带有电源通断开关和通电LED指示；（3）具有手动复位功能，具有可选的1个按键和1个LED；（4）具有调试和程序下载接口；（5）有A/D，D/A功能；（6）可采集环境温度。
2.2硬件总体设计
根据系统功能的要求，系统的总体设计方案如图2-1所示。
其中，正弦波和方波信号由主控制模块C8051F330单片机软件及其片上的电流模式输出的数/模转换器（IDAC）实现，并将各信号通过引出的引脚接到示波器上显示，数据的接受和发送靠C8051F330和串行通信驱动芯片MAX3232的连接得以实现。
图2-1系统硬件功能总体框图
C8051F330为主芯片，此设计的主要目的是使主芯片上的功能方便实现并且通过外围电路的设计令系统容易扩展，设计出的系统满足最小系统的要求。
主控制模块C8051F330芯片具有在线可编程功能，能够满足信号生成、LED显示模块控制的要求，满足系统控制功能的要求。
串行通信驱动芯片MAX3232协助主芯片完成数据在单片机与计算机的串行通信。
通过电源电路的供电令主控制模块工作，设计按键去实现对LED的控制，引出主芯片上的所有引脚，便于日后的扩展，并通过引出引脚的连接和将验证程序下载到主芯片的寄存器里运行去验证主芯片上的功能。
可以外接示波器对D/A转换的结果进行验证。
由图2-1可见硬件系统主要包括六部分:
电源电路模块、C8051F330单片机复位电路模块、下载口电路模块、串口通信电路模块、LED电路和扩展IO口模块。
下面就对硬件各模块加以介绍。
1、电源电路模块
主芯片C8051F330的工作电压是3.3V，设计中采用的是5V的电源适配器供电，所以用电压转换芯片产生3.3V电压使主芯片工作。
设计电源开关和指示灯以便说明硬件系统的工作情况。
2、单片机复位电路模块
单片机复位模块的主要工作是通过对复位键的控制来使主芯片重新运行载入验证程序，通过这种方式能更好的了解验证程序的运行情况以及更好的观察硬件功能实现的结果。
3、下载接口电路模块
对所设计的硬件要进行功能验证，JTAG下载端口和主芯片的对应引脚相连接，将验证硬件功能的程序载入主芯片C8051F330的寄存器中让系统能下载和运行验证程序，来说明硬件的功能。
4、串口通信电路模块
系统具有发送传输数据的功能，利用串口通信电路达到和计算机通信的效果。
以便利用串口调试器验证硬件的功能能否实现。
5、LED电路模块
LED电路模块由简单的按键电路来实现。
通过主芯片中载入的程序和硬件上的按键一起控制。
6、扩展IO口模块
由于主芯片的高集成化，体积小，很多引脚在使用时不方便，将这些端口扩展出来方便以后对硬件系统的扩展和进一步开发。
2.3硬件详细设计
这部分里面将对硬件电路的各部分设计进行详细的介绍包括：
电源电路的设计，单
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