嵌入式MCU電路設計詳解 —電路圖天天讀（206）

　　目前，集成電路的嵌入式技術發展越來越快，各色嵌入式產品也越來越受歡迎，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的設計也成為了諸多高等院校、各大公司進行市場競爭的一個主流發展方向。Samsung、FreeScale、Atmel、NXP、TI、ST等大公司已經大規模推出各類MCU，而且各具特色，因此設計具有自主知識產權的MCU應在系統架構等方面有別于這些大公司，一是避免侵權，二是更有利于市場競爭。同時應做好產品的規劃：從簡單到復雜，從單一產品到系列產品，設計平臺不斷維護與更新，設計人員的水平不斷提高。

　　時鐘和復位方案設計

　　時鐘和復位對整個電路而言起到了至關重要的作用。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位方案，需要給不同的外設提供不同的時鐘：USB單獨時鐘、CPU等高速外設一個時鐘、UART等低速外設一個時鐘，如圖1示。

　　圖1 時鐘方案示意圖

　　在線調試方案設計

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

　　圖2 典型在線調試系統示意圖

　　圖3 調試結構示意圖

　　遠程電源監控系統設計

　　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級芯片，具有與8051兼容的微控制器內核，與mcs-51指令集完全兼容。內核采用流水線結構，機器周期由標準的12個系統時鐘周期降為1個系統時鐘周期，70%指令的執行時間為1個或2個系統時鐘周期，處理能力大大提高，峰值性能可達25mips。同時，除具有標準8051的數字外設部件外，c8051- f020片內還集成了構成一個單片機數據采集、控制系統所需要的幾乎所有模擬、數字外設及其他功能部件。這些外設或功能部件包括：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、多個多功能計數器/定時器、以及看門狗定時器（wdt）和電源監視器等數字外設。

　　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的輸出能更好地驅動5v輸入的oled，需要對系統進行額外配置。除了將對應端口的輸出方式設置為“漏極開路”外，還應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狀態寄存器。以遠程dma方式發送或讀取rtl8019as的數據。詳見圖3。

　　由于網絡控制器具有 ethernet（ieee802.3）協議處理功能，系統便可直接rj45連接到以太網（再通過以太網接入 internet）。本文所設計的系統中選用的rj45連接器為lf1s022，它已經具有電平轉換功能，簡化了 pcb設計。值得注意的是，設計pcb時，rj45連接器不能與cpu和網絡芯片相距太遠，以免對數據傳輸造成影響。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據。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：嵌入式設備與以太網接口的組成，簡要介紹了rtl8019as和c8019f芯片，并給出了嵌入式mcu與以太網控制芯片的硬件設計，該設計以數據采集為例的，在工業生產中有很大的現實意義，主要有包括時鐘和復位方案、在線調試方案與遠程電源監控系統詳解的設計過程，供讀者參考。
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