C8051F單片機實驗系統(tǒng)設計

摘要：為滿足單片機學習中對實踐技能的要求，提高單片機開發(fā)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可擴展性，降低系統(tǒng)功耗，設計了一種基于FPGA的C8051F單片機開發(fā)板。利用FPGA實現(xiàn)鍵盤掃描、液晶驅(qū)動、地址譯碼以及其他外設接口，大幅度簡化外圍電路結構。系統(tǒng)可在高低頻時鐘間切換以減小功耗，并增加了音頻處理模塊，實現(xiàn)基本的音頻信號的存儲和回放。實驗結果表明，該電路板相比普通的單片機開發(fā)板系統(tǒng)功耗減小50％左右，擁有最高達25 MIPS的處理速度，單片機可以直接驅(qū)動多達20多個LS TTL門電路，FPGA的引入使得外擴其他電路更為方便和靈活，具有良好的擴展性。
關鍵詞：單片機；FPGA；外圍電路；電路板

目前高校單片機教學中大多是以MCS51單片機為首選機型進行講解，所開發(fā)的教學實驗系統(tǒng)也多是基于MCS51系列單片機開發(fā)設計的。然而，隨著單片機的應用進入SoC時代，其不足和缺陷也顯而易見：片上資源不夠豐富，功耗較大，處理速度很有限，電路龐大且復雜，可靠性和可維護性較差，難以滿足高水平的設計要求。
為了進一步簡化電路結構，提出一種C8051F單片機實驗系統(tǒng)設計方案，該方案采用FPGA實現(xiàn)單片機各種外設接口。FPGA作為一種可編程邏輯器件憑借其優(yōu)越的可擴展性能受到設計者的青睞，逐漸成為分立元件的替代者。通過對FPGA編程，實現(xiàn)任何數(shù)字元件的邏輯功能，設計者可以通過原理圖輸入或硬件描述語言，方便地設計一個數(shù)字系統(tǒng)，這使得單片機外圍電路的設計簡單、靈活、可靠。
本系統(tǒng)是為單片機實踐教學而開發(fā)的，因此要求單片機的功能齊全，滿足教學中各種實驗的要求。一般的實驗板的功能有：模擬數(shù)字信號轉換實驗、通信接口實驗、存儲器實驗、各種顯示實驗，人機交互實驗等等。除此之外，還要考慮由于是非商業(yè)性質(zhì)的開發(fā)，對一些功能的精度要求不是很高，在選擇最理想價格的同時，選擇盡可能多而全的片上資源，留待后期開發(fā)擴充。
基于以上考慮，該平臺使用SoC系統(tǒng)級的C8051F020單片機作為核心控制器，CycloneⅡEP2C8型FPGA實現(xiàn)外設接口，加上LCD、鍵盤、UART串口等人機交互的模塊。
C8051F系列單片機是以流水線方式處理指令的CIP-5l內(nèi)核，完全集成的混合信號系統(tǒng)級芯片(Soc)，片內(nèi)集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬、數(shù)字外設及其他功能部件。C8051F020單片機具有片內(nèi)調(diào)試電路，通過4引腳的JTAG接口可以進行非侵入式、全速的在系統(tǒng)調(diào)試。
FPGA即現(xiàn)場可編程門陣列，它是作為專用集成電路(ASIC)領域中的一種半定制電路，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點。FPGA使用靈活，同一片F(xiàn)PGA通過不同的編程數(shù)據(jù)可以產(chǎn)生不同的電路功能。

1 系統(tǒng)總體方案
本文設計并實現(xiàn)了基于FPGA的單片機開發(fā)平臺，該平臺主要包括有：單片機及其外設、FPGA擴展電路、電源及下載電路。開發(fā)平臺框架如圖l所示。

1．1 單片機外設
包括液晶顯示器(LCD)、鍵盤、SRAM、UART串口等，對FPGA進行編程來實現(xiàn)LCD、鍵盤、SRAM的接口電路。
1．2 FPGA擴展電路
包括主動串行(AS)配置電路、JTAG在線調(diào)試電路、輸入輸出電路等。采用EPCSlN8型芯片對FPGA進行主動串行(AS)配置，同時兼有JTAG在線調(diào)試模式。