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  • AT89S51单片机基本结构如图所示。由内部结构框图上可以看出AT89S51单片机包括以下资源:(1)1个8位的CPU,含布尔(位)处理器;(2)1个片内振荡器及时钟电路;(3)总线控制逻辑;(4)4 KB的Flash ROM程序存储器(可外扩至64...

    一、 单片机的内部结构和功能

    单片机的内部有CPU、RAM、ROM、定时/计数器、输入/输出接口电路等,这些部件是通过内部的总线连接起来的。AT89S51单片机基本结构如图所示。

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    由内部结构框图上可以看出AT89S51单片机包括以下资源:

    (1)1个8位的CPU,含布尔(位)处理器;

    (2)1个片内振荡器及时钟电路;

    (3)总线控制逻辑;

    (4)4 KB的Flash ROM程序存储器(可外扩至64 KB);

    (5)128 B的内部数据存储器(可再外扩64 KB);

    (6)26个特殊功能寄存器SFR;

    (7)4个8位的并行口;

    (8)2个16位的定时/计数器;

    (9)1个全双工的异步串行口;

    (10)5个中断系统:2个外部中断,3个内部中断;

    (11)一个SPI串行接口,用于芯片的在系统编程(ISP)。

    CPU是单片机的核心,所有的运算和控制都由其实现,它包括两个部分:运算器和控制器。运算部件包括算术逻辑单元(ALU)、累加器(ACC)、寄存器B、状态寄存器(PSW)和暂存寄存器,实现8位算术运算和逻辑运算以及1位的逻辑运算。控制器主要由程序计数器PC、指令寄存器IR、指令译码器ID、堆栈指针SP、数据指针DPTR、时钟发生器及定时控制逻辑等组成。控制器是单片机的神经中枢,以振荡器的频率为基准,产生CPU时序,对指令进行译码,然后发出各种控制信号,实现各种操作。

    二、AT89S51单片机引脚的定义及功能

    AT89S51单片机有40个引脚,与其他51系列单片机引脚是兼容的,最常用的DIP封装的形式如图所示。其引脚分为四类:电源和地、时钟引脚、控制引脚和 I/O引脚。

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    (1)电源和地(2个)

    Vcc:芯片电源接入引脚;接+5 V。

    Vss:接地引脚。

    (2)及时钟引脚(2个)

    XTAL1:晶体振荡器接入的一个引脚(采用外部振荡器时,此引脚需接地)。

    XTAL2:晶体振荡器接入的另一个引脚(采用外部振荡器时,此引脚作为外部振荡器的输入端)。

    (3)控制线引脚(4个)

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    (4)并行I/O引脚(32个)

    P0.0~P0.7:一般I/O口引脚或数据/低位地址总线复用引脚。

    P1.0~P1.7:一般I/O口引脚。

    P2.0~P2.7:一般I/O口引脚或高位地址总线引脚。

    P3.0~P3.7:一般I/O口引脚或第二功能引脚。

    注意:控制信号线写法上的差别。有“—”表示低电平起作用,反之是高电平起作用。

    如喜欢,请关注、点赞和转发,谢谢。

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  • 在《嵌入式编程之单片机基本构成、工作原理》、《嵌入式编程之单片机的外围功能电路》和《单片机的编程语言和开发环境》,我们一起学习了单片机硬件和编程语言以及开发环境等。本文将带大家学习单片机的外围功能...
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    我走的电子开发道路其实和大多数人说的一样,基本的路线为模拟电子(熟练)→数字电路设计(掌握)→单片机(项目开发)→ARM硬件设计(项目开发)→学习→驱动学习→ARM&底层开发(项目开发)→ARM&linux顶层开发(项目开发)→项目经理。我现在还在路上折腾,现在将我的教训和心得拿来给大家分享,希望对于新手有借鉴。

    本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/271309.htm

      设计是个庞大的工程,今天就说说硬件电路设计方面的几个注意事项,首先,咱们了解下的硬件构架。

      我们知道,CPU是这个系统的灵魂,所有的外围配置都与其相关联,这也突出了设计的一个特点硬件可剪裁。在做嵌入式硬件设计中,以下几点需要关注。

      第一、电源确定

      电源对于嵌入式系统中的作用可以看做是空气对人体的作用,甚至更重要:人呼吸的空气中有氧气、二氧化碳和氮气等但是含量稳定,这就相当于电源系统中各种杂波,我们希望得到纯净和稳定符合要求的电源,但由于各种因素制约,只是我们的梦想。这个要关注两个方面:

      a、电压

      嵌入式系统需要各种量级的电源比如常见的5v、3.3v、1.8v等,为尽量减小电源的纹波,在嵌入式系统中使用LDO器件。如果采用DCDC不仅个头大,其纹波也是一个很头疼的问题。

      b、电流

      嵌入式系统的正常运行不但需要稳定足够的电源,还要有足够的电流(其实就是功率达到要求),因此在选择电源器件的时候需要考虑其负载,我设计时一般留有30%的余量。

      如果是多层板,电源部分在layout的时候需电源分割,这时需要注意分割路径,尽量将一定量的电源放置在一起。如果是双面板,则走线宽度需要注意,在板子允许的情况下尽量加宽。合适的退耦电容尽量靠近电源管脚。

      第二、 晶振确定

      晶振相当于嵌入式系统的心脏,其稳定与否直接关系其运行状态和通讯性能。常见的振有无源晶振,有源晶振,首先要确定其振荡频率,其次要确定晶振类型。

      a、无源晶振

      其匹配电容和匹配电阻的选择,这部分一般依据参考手册。在单片机设计中,经常使用插件晶振配合瓷片电容。在ARM中,为了减少空间和便于布线,经常使用四角无源晶振配合贴片电容。虽然我们对于固定晶振的匹配电路比较熟悉,但是为了达到万无一失,还是要看参考手册确定电容大小,是否需要匹配电阻等细节。

      b、有源晶振

      具有更好的更准确的时钟信号,但是相比之下,比无缘晶振价格高,因此这也是在硬件电路设计中需要关注的成本。

      在做电路板设计时需要注意晶振走线尽量靠近芯片,关键信号远离时钟走线。在条件允许的情况下增加接地保护环。如果是多层板,也要讲关键信号远离晶振的走线。

      第三、 预留测试IO口

      在嵌入式调试阶段,在管脚资源丰富的情况下,我通常预留一个IO口连接led或者喇叭,为下一步软件的编写做铺垫。在嵌入式系统运行过程中适当控制该IO接口,从而判断系统是否正常运行。

      第四、外扩存储设备

      一个嵌入式系统如果有电源、晶振和CPU,那么这就是我们熟悉的最小系统。如果该嵌入式系统需要运行大点的操作系统,那么不但需要CPU具有MMU,CPU还需要外接SDRAM和NANDFLASH。如果该cpu具有SDRAM和NANDFLASH控制器,那么在硬件设计上不用过多的考虑地址线的使用。如果没有相关的控制器,那么需要注意地址线的使用。

      这部分在LAYOUT的时候是一个重点,究其原因就是要使相关信号线等长以确保信号的延时相等,时钟和DQS的差分信号线走线。在布线的时候各种布线技巧需要综合使用,例如与cpu对称分布,菊花链布线、T型布线,这都需要依据内存的个数多少来进行选择,一般来说个数越多,布线越复杂,但是知道其关键点,一切迎刃而解。

      第五、功能接口

      一个嵌入式系统最重要的就是通过各种接口来控制外围模块,达到设计者预设的目的。常用的接口有串口(可用来连接蓝牙,wifi和3G等模块),USB接口、 网络接口、JTAG接口、音视频接口、HDMI接口等等。由于这些接口与外部模块连接,做好电磁兼容设计是重要的一项工作。除此之外,在LAYOUT的时候注意差分线的使用。

      第六、屏幕

      这个功能之所以单独列出来,是由于其可有可无。如果一个嵌入式系统只是作为一个连接器连接外围设备模块,通过相关接口连接到电脑主机或者直接挂在网络上,那么屏幕就不需要了。但是如果做出来的是一个消费类产品,与用户交互频繁,这就不得不唠叨几句。

      电容屏幕是嵌入式屏幕的首选,在电路设计中需要注意触屏连接线和显示屏连接线的布局。在走线的过程中尽量短的靠近主控cpu,同时注意配对信号走差分线,RGB控制信号走等长。各种信号走线间距遵循3W规则,避免相互干扰。 在屏幕的设计中,一定要确保功率和防止干扰,以防屏幕闪屏和花屏现象的出现。

      以上就是我做嵌入式板子设计中的一些经验,有些经验是经过沉痛教训获得的。希望对你有所启发。

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  • 以上的需求电路都可以有一个基本电路(如下):同相放大带路 VDD–R6–GND:代表待测电路,R6为负载 U1是这个同相放大电路的放大器 R4是测量电阻(1KΩ意味着它是用于检测小电流的uA级别的) 放大倍数为10倍...

     在嵌入式(单片机)开发过程中,会有测量电流的需求。涉及到的有:

    • uA 级别的
    • mA 级别的
    • A 级别的

    以上的需求电路都可以有一个基本的电路(如下):同相放大电路

    • VDD–R6–GND:代表待测电路,R6为负载
    • U1是这个同相放大电路的放大器
    • R4是测量电阻(1KΩ意味着它是用于检测小电流的uA级别的)
    • 放大倍数为10倍:(R3+R2)/R1

    如果这是一个理想电路的话,待测电路中的电流为100uA(500KΩ)那在测量电阻上的电压就是100uA*1KΩ = 10mV经过10倍放大之后就是100mV。经过单片机的ADC采样就可以推算出电流值了。
    在这里插入图片描述

    测量范围

     上面那个电路的测量范围可以这么计算,前提设置为ADC参考电压为Vref = 0.6V,即放大器的输出端的最大输出电压就是VAout = 0.6V,因为放大器的放大倍数为10倍所以放大器输入电压就是VAin = 0.06V。
     电流加载在电阻上面会有电压,通过这个基本原理就可以计算出该电路的最大测量电流为:Icmax = VAin/Rc = 0.06V/1000Ω = 0.00006A = 60uA。

    进一步

     进一步来说,在这个电路的基础上通过更改R4的阻值就可以测量一个很大范围的电流值了,在实际应用过程中通过设置多路的测量电路,每一路设置不同的测量电阻,然后通过单片机控制各路的切换来达到精确的电流测量。比如可以设置:

    测量电阻可选:

    • 1000Ω—用于测量最大电流为60uA的电流
    • 120Ω—用于测量最大电流为500uA的电流
    • 15Ω—用于测量最大电流为4mA的电流
    • 2.3Ω—用于测量最大电流为26mA的电流
    • 0.23Ω—用于测量最大电流为260mA的电流
    • 0.02Ω—用于测量最大电流为3A的电流

     通过使用比较器(单片机内部比较器或外部比较器)可以及时的转换相应的通道(比较电压0.6V检测信号高或低)。

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  • 本期让我们来学习单片机必须具有的硬件电路(外围功能电路)。这样,下期就可以将挑战一个实际单片机的运行了!“动力”―电源电路上期我们学习了单片机基本构成和工作原理。想必大家对单片机的工作原理已经有了...
    

    上期在《单片机入门(1)》中,我们讲解了单片机的基础知识。本期让我们来学习单片机必须具有的硬件电路(外围功能电路)。这样,下期就可以将挑战一个实际单片机的运行了!


    “动力”―电源电路

    上期我们学习了单片机的基本构成和工作原理。想必大家对单片机的工作原理已经有了大致的了解。这次我们将举例说明单片机工作所必须的硬件电路(外围功能电路)。

    我们将以瑞萨电子的新一代产品,通用型单片机“RL78族(RL78/G14)”为例进行说明。


    与迄今为止所学的各种电路相同,单片机的工作也需要电源。因此,单片机的外部都连接有象电池等电源部分。

    请看图1,是“RL78族(RL78/G14)”的引脚配置,该产品有64个引脚。电源有2个引脚是13/14号(VSS/EVSS0)和15/16号 (VDD/EVDD0),


    13号引脚(VSS)和14号引脚 (EVSS0)连接GND

    15号引脚VDD和16号引脚 (EVDD0)连接电源正极

    参阅“RL78族(RL78/G14)”数据手册(或硬件手册),您会发现“电源电圧VDD = 1.6~5.5 V”。这是指当电源电压处于1.6V到5.5V之间时,可以保证单片机的正常工作。这个电压范围称为工作电源电压。在有些单片机数据手册上把这个范围称为推荐工作电压范围。

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    图1:“RL78族(RL78/G14)”(64引脚)的引脚连接图


    图2是 “RL78族(RL78/G14)”的电源引脚连接的一个例子。


    与15号引脚连接的C1称为旁路电容。可以防止因瞬间大电流引起的电源电压下降,而导致的单片机的误动作。通常选择0.01μF~0.1μF的陶瓷电容作为旁路电容。

    “RL78/G14”的内部电路工作电圧是通过内部电压调节器调节电源电压得到的,内部电路的工作电压是1.8或2.1V。为了保证内部电压调节器的稳定性,在12号引脚上也连接了电容C2。

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    图2:“RL78族(RL78/G14)”(64引脚)的电源电路连接实例


    “总指挥”―振荡电路

    正如数字电路入门③中所讲的那样,时序电路是按时钟信号(CK)的上升沿(信号从L→H的变化)或下降沿(信号从H→L的变化)同步工作的。单片机是由时序电路构成的,所以,要在外部连接一个振荡电路提供时钟信号。象这样从单片机的外部输入的时钟信号称为“外部时钟信号”。


    图3是单片机(RL78/G14)接连一个振荡电路的例子。晶体振荡器被连接在X1和X2之间。

    从图上可以看出一个外部时钟信号可以驱动单片机内部中的2个时钟振荡器。


    主时钟振荡器主要用作CPU的工作时钟

    子时钟振荡器主要用作外围电路和实时时钟的工作时钟

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    图3:振荡电路的作用


    在内部外围功能十分强大的“RL78族(RL78/G14)”上内部有频率偏差仅为1%的高精度振荡电路。因此,无需从外部提供时钟信号 。这种单片机上内部的时钟产生电路称为“内部振荡器”。因为不需要外部振荡电路,减少了设计工序,降低了成本。


    类似这样只要备有“内部振荡器”,大家可能认为就可以“无需从外部提供时钟信号”。但实际上在电子手表中,通常使用频率几乎不随温度而变化的、更加精确的晶体振荡器。


    「闹钟」―复位电路

    刚刚接通电源的单片机内部处于不稳定的状态,CPU无法正常运转。因此,就需要进行单片机状态初始化,这就叫做复位。单片机带有复位信号输入引脚,可以将这个信号调至低电平状态后让单片机复位。也就是说通过输入复位信号来彻底叫醒单片机进入工作状态。


    接下来讲解一下复位的时序(图4)。只有在向单片机提供稳定的时钟信号和电源的状态下才能实现复位,同时需将复位信号调至低电平。为了实现这种状态,需要将相比电源上电稍迟一步上电的电路与复位输入引脚相连接。这种电路在电源上电后通过电阻电流慢慢流向电容,电压缓缓上升。因此,电源上电后经过一段时间可以形成解除复位的电 路。这种外部电路称为“上电复位电路”。

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    图4:简易复位电路及其波形


    如上图4所示,上电复位电路左侧的电路称为“手动按钮复位电路”。这是通过手动按下按钮后让单片机进入初始化状态的电路。


    普通单片机上复位信号必须在一定时间内保持低电平。具体时间记载在硬件手册和数据手册上。必须根据这个时间的长短来确定电阻R和电容C。


    而“RL78族(RL78/G14)”采用的是内部型上电复位电路。因此,只要提供超过工作电压的电源,就可以叫醒单片机进入工作状态。真是太方便了!


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