背景

目前在食品加工、饲料、家用电器等行业中广泛的应用的露点测试系统要求具有高精度、高可靠性及高稳定性等特点。而且整个测试过程中需要动态连续或者间歇性动态连续进行。测试系统的控制核心部分一般采用单片机系统，其硬件电路示意图如图1所示，这种单片机系统虽然基本能满足生产需要，但是，由于系统扩展芯片多，线路复杂，也都不同程度地暴露出资源再扩受限、易出故障、编程麻烦、升级维护困难等缺点，而且可靠性和稳定性也难以保证。因此，具有高速、高性能、高集成度并与8051完全兼容的单片机就显得非常需要。美国Cygnal公司新近推出的C8051F 系列单片机正好可满足这些需求。下面就该产品中适用于露点测试系统的C8051F020单片机进行探讨。

C8051F020单片机简介

C8051F020采用64脚TQFP封装，是一个全集成混合信号在SoC（System On Chip）单片机。实际上，SoC是随着半导体生产技术的不断发展而产生的新概念。它是集成度越来越高和对嵌入式控制技术可靠性越来越高的产物。

C8051F020单片机内集成了两个多通道ADC子系统（每个子系统包括一个可编程增益放大器和一个模拟多路选择器）、两个电压输出DAC、两个电压比较器、电压基准、SMBus/I2C总线接口、UART、SPI总线接口、5个通用的16位定时器、一个具有5个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列（PCA）、内部振荡器、8个8位通用数字I/O端口、64KB Flash程序存储器和4352B数据RAM，同时还具有片内电源监测、片内看门狗定时器时钟源，因而是一种功能比较齐全的高速、高性能单片机。
C8051F020单片机具有100个引脚，其主要特点如下：
●带有与8051全兼容的高速（峰值达25MIPS）微控制器内核；
●大容量的Flash程序存储（64KB和内部数据存储器RAM（4352B）；
●具有较高精度和速度的两个多通道ADC（最大速度可达100kbps）和2路12位DAC；
●工作温度范围较大，为-45℃－＋85℃；
●功耗低，供电电压为2.7-3.3V，典型工作电流为12mA，并具有多种节电休眠和停机模式，全部I/O、RST、JTAG引脚均允许5V电压输入；
●片内JTAG仿真电路可提供全速、非插入式的电路内仿真。

C8051F020的功能及原理

1.CPU

C8051F020单片机采用Cygnal公司的专利CIP－51微处理器内核。CIP－51在提升8051速度上采取了新的途径，即设法在保持CISC结构及指令系统不变的情况下，对指令运行实行流水作业。在这种模式中，废除了机器周期的概念，指令以时钟周期为运行单位。平均每个时钟可以执行完1条单周期指令，从而大大提高了指令运行速度。即与8051相比，在相同时钟下单周期指令运行速度为原来的12倍；整个指令集平均运行速度为原来8051的9.5倍，使8051兼容机系列进入了8位高速单片机行列。同时，C8051F020单片机扩展了中断处理，增加了中断源，可提供22个中断源，这对实时多任务系统的实现是很重要的；另外C8051F020单片机还具有内部时钟，但若需要也可接外部时钟。该芯片在程序运行时可实现内、外部时钟的切换，这在低功耗应用系统中非常实用；同时C8051F020还在内部增加了复位源，从而大大提高了系统的可靠性。

2.ADC和DAC

C8051F020单片机内部有两个多通道的ADC子系统（12位的ADC0和8位的ADC1），两个子系统由逐次逼近型ADC、多通道模拟输入输出选择器和可增益放大器组成。其ADC0的最大采样速率可达100kbps，可提供12位精度。ADC1的最大采样速率达500kbps，可提供8位精度，该ADC均由CIP－51通过特殊功能寄存器控制。在低功耗应用当中，当转换结束时，系统控制器还可以关断ADC以节省功耗。该芯片内部的可增益放大器的增益可以用软件设置，当不ADC输入电压信号范围差距较大或需要放大一个具有较大直流偏移信号时，该可编程增益放大器是非常有用的。
C8051F020单片机内部具有2通道12位DAC和2个比较器，CPU一般通过特殊功能寄存器来控制数模转换器和比较器，CPU可以将任何一个DAC置于低功耗关断方式。C8051F020中的DAC为电压输出模式，它可与ADC共用参考电平，并允许软件命令、定时器2、定时器3及定时器4的溢出信号更新DAC出口。

3.I/O口

C8051F020单片机除具有标准8051的P0、P1、P2和P3四个8位I/O口外，还有更多的扩展8位I/O口，每个端口I/O引脚都可以设置为推挽或漏极开路输出，同时具有低功耗模式。它?quot;数字交叉开关"设计可将内部数字系统资源定向到P0、P1和P2端口，并可将定时器、串行总线、外部中断源、A/D转换输入以及比较器输出通过"数字交叉开关"控制寄存器定向到P0、P1、P2中的I/O口，以允许用户根据自己的特定应用选择通用I/O端口和所需数字资源的组合。

4.存储器

C8051F020中包含有数据存储器和程序存储器。C8051F020单片机的CIP－51具有标准8051的程序数据地址结构，它包含有4352B的RAM以及64K字节的扩展数据RAM。
C8051F020单片机内部带有64k字节Flash存储器，该存储器可按128字节为一个扇区来编程，同时也可以在线编程而不需要程序代码的未用扇区可作为非易失性数据存储器使用。

5.串行总线及JTAG编程调试

C8051F020单片机除设计有标准的全双UART之外，还设有I2C/SMBus、SPI串行总线等多类型串行总线端口，且通讯功能更加强大。另外，C8051F020单片机设计有JTAG口与片内调试电路，因此可以实现非插入式"在片"仿真调试，与使用传统的仿真相比更优越，更能真实地"在片"放映仿真实时信息。

C8051F020在露点测试系统中的应用

C8051F020单片机是分段可编程混合信号SOC器件，称重配料系统的许多功能均可由该片实现。针对露点测试系统的特点和要求，结合C8051F020单片机的功能和特点，经过分析论证，采用C8051F020单片机对原单片机系统进行升级更新不仅可以，而且具有更高的性能价格比。图2所示是C8051F020单片机在露点测试系统中应用示意图。

将C8051F020在露点测试系统中使用后，可使系统所需扩展电路及芯片大大减少，从而使系统再扩展为可能，而且具有线路简单、便于维护的优点，因而有利于提高系统的稳定性和可靠性，具有可归纳为以下几方面：

（1）C8051F020单片机具有的12位ADC0，带有可编程增益和差分输入端且采样速度高达100kbps，并具有16位的测量精度，这些特点给系统动态提供了高分辨率和实时性的基本条件，满足了系统动态精度要求，同时避免了增益放大和A/D转换环节，从而使系统前向通道更具稳定性。

（2）C8051F020单片机具有大容量的Flash程序存储器（64K）和数据存储器RAM（4352B），这在露点测试系统中已能满足程序存储和数据存储的需要。由于外部无须另外加扩展且便于编程，因而提高了系统的运行效率。

（3）C8051F020单片机具有丰富的可编程数字I/O资源，因此不进行I/O扩展已能满足该系统对I/O的需求，同时可使系统的人机通道和输入/输出开关量与CPU的联系更加通畅便利；片内12位DAC更加完善了系统的后向通道。

（4）C8051F020单片机提供的独立时钟源的时钟误差小，稳定性高；而片内增加的7个复位源则可使系统的可靠性更高，同时也简化了电路。

（5）C8051F020单片机内具有的多类型串行总线端口为系统通讯的兼容性设计提供了可能。