嵌入式MCU電路設(shè)計詳解 —電路圖天天讀（206）

　　目前，集成電路的嵌入式技術(shù)發(fā)展越來越快，各色嵌入式產(chǎn)品也越來越受歡迎，尤其是以大屏幕多功能的手機、平板電腦等為典型代表，做為其控制核心的高性能、低功耗的微控制器（MCU）起到了決定性作用。因此以CPU為核心MCU的設(shè)計也成為了諸多高等院校、各大公司進(jìn)行市場競爭的一個主流發(fā)展方向。Samsung、FreeScale、Atmel、NXP、TI、ST等大公司已經(jīng)大規(guī)模推出各類MCU，而且各具特色，因此設(shè)計具有自主知識產(chǎn)權(quán)的MCU應(yīng)在系統(tǒng)架構(gòu)等方面有別于這些大公司，一是避免侵權(quán)，二是更有利于市場競爭。同時應(yīng)做好產(chǎn)品的規(guī)劃：從簡單到復(fù)雜，從單一產(chǎn)品到系列產(chǎn)品，設(shè)計平臺不斷維護(hù)與更新，設(shè)計人員的水平不斷提高。

　　時鐘和復(fù)位方案設(shè)計

　　時鐘和復(fù)位對整個電路而言起到了至關(guān)重要的作用。如果這兩路信號有問題，則電路不能正常工作。因此，需要作出詳盡的時鐘方案和復(fù)位方案，需要給不同的外設(shè)提供不同的時鐘：USB單獨時鐘、CPU等高速外設(shè)一個時鐘、UART等低速外設(shè)一個時鐘，如圖1示。

　　圖1 時鐘方案示意圖

　　在線調(diào)試方案設(shè)計

　　目前，比較常用的在線調(diào)試方式為串行調(diào)試，如JTAG、EJTAG、UART等，使用PC機的并口、串口、網(wǎng)口或是USB接口，使得在線調(diào)試簡單方便，成本低廉，如圖2所示。由于被調(diào)試的程序要在目標(biāo)板上運行，而且MCU必須正常工作，因此需要設(shè)計一個專用的調(diào)試模塊以保證上位機軟件可以調(diào)用CPU來進(jìn)行軟硬件的在線調(diào)試，并且符合IEEE1149.1的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，此模塊的基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　圖2 典型在線調(diào)試系統(tǒng)示意圖

　　圖3 調(diào)試結(jié)構(gòu)示意圖

　　遠(yuǎn)程電源監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

　　c8051f020是一種混合信號soc型8位單片機，它是一種完全集成的混合信號系統(tǒng)級芯片，具有與8051兼容的微控制器內(nèi)核，與mcs-51指令集完全兼容。內(nèi)核采用流水線結(jié)構(gòu)，機器周期由標(biāo)準(zhǔn)的12個系統(tǒng)時鐘周期降為1個系統(tǒng)時鐘周期，70%指令的執(zhí)行時間為1個或2個系統(tǒng)時鐘周期，處理能力大大提高，峰值性能可達(dá)25mips。同時，除具有標(biāo)準(zhǔn)8051的數(shù)字外設(shè)部件外，c8051- f020片內(nèi)還集成了構(gòu)成一個單片機數(shù)據(jù)采集、控制系統(tǒng)所需要的幾乎所有模擬、數(shù)字外設(shè)及其他功能部件。這些外設(shè)或功能部件包括：用于多種模擬信號的模擬多路選擇器、真正12位轉(zhuǎn)換精度的adc，還有能滿足特殊功能所需的smbus（i2c兼容）、uart、spi、多個多功能計數(shù)器/定時器、以及看門狗定時器（wdt）和電源監(jiān)視器等數(shù)字外設(shè)。

　　c8051f020具有100腳的tqfp封裝，功耗低，供電電壓為2.7～3.3v，全部i/o、rst、jtag引腳均耐5v電壓。其 mcu具有p0～p7共64個通用i/o端口，每個端口引腳都可以被配置為推挽輸出或漏級開路輸出。對于rtl8019as，由于其工作電壓是5v，而 c8051f020的工作電壓是3.3v，所以要c8051f020的輸出能更好地驅(qū)動5v輸入的oled，需要對系統(tǒng)進(jìn)行額外配置。除了將對應(yīng)端口的輸出方式設(shè)置為“漏極開路”外，還應(yīng)在電路上將每個端口通過一個上拉電阻接到5v電源，這樣可以保證c8051f020的邏輯“1”輸出能夠被提升到5v。單片機采用c8051f020芯片，以查詢工作方式不斷讀取rtl8019as狀態(tài)寄存器。以遠(yuǎn)程dma方式發(fā)送或讀取rtl8019as的數(shù)據(jù)。詳見圖3。

　　由于網(wǎng)絡(luò)控制器具有 ethernet（ieee802.3）協(xié)議處理功能，系統(tǒng)便可直接rj45連接到以太網(wǎng)（再通過以太網(wǎng)接入 internet）。本文所設(shè)計的系統(tǒng)中選用的rj45連接器為lf1s022，它已經(jīng)具有電平轉(zhuǎn)換功能，簡化了 pcb設(shè)計。值得注意的是，設(shè)計pcb時，rj45連接器不能與cpu和網(wǎng)絡(luò)芯片相距太遠(yuǎn)，以免對數(shù)據(jù)傳輸造成影響。rtl8019as的tpin+（59腳）， tpin-（58腳）腳是tp 的一對輸入腳，能以10mbits/s 的速率從雙絞線接收差分曼徹斯特編碼的數(shù)據(jù)。tpout+（45腳）、tpout-（46腳）是一對曼徹斯特編碼的差分tp輸出信號。為了防止雙絞線超載，該輸出信號會被提前中斷，這樣可以減少擁塞。連接時，這四個管腳分別接到 lf1s022的7、6、5、4腳。連接器的其他管腳都通過一個電容與地連接。最后，還必須在50、51腳之間接入一個20mhz的晶體振蕩器。

　　編輯點評：嵌入式設(shè)備與以太網(wǎng)接口的組成，簡要介紹了rtl8019as和c8019f芯片，并給出了嵌入式mcu與以太網(wǎng)控制芯片的硬件設(shè)計，該設(shè)計以數(shù)據(jù)采集為例的，在工業(yè)生產(chǎn)中有很大的現(xiàn)實意義，主要有包括時鐘和復(fù)位方案、在線調(diào)試方案與遠(yuǎn)程電源監(jiān)控系統(tǒng)詳解的設(shè)計過程，供讀者參考。
電子發(fā)燒友六月《嵌入式技術(shù)特刊》榮邀各界資深專家，與您一探究竟！