C8051F單片機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：為滿足單片機(jī)學(xué)習(xí)中對(duì)實(shí)踐技能的要求，提高單片機(jī)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性，降低系統(tǒng)功耗，設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的C8051F單片機(jī)開(kāi)發(fā)板。利用FPGA實(shí)現(xiàn)鍵盤(pán)掃描、液晶驅(qū)動(dòng)、地址譯碼以及其他外設(shè)接口，大幅度簡(jiǎn)化外圍電路結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)可在高低頻時(shí)鐘間切換以減小功耗，并增加了音頻處理模塊，實(shí)現(xiàn)基本的音頻信號(hào)的存儲(chǔ)和回放。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該電路板相比普通的單片機(jī)開(kāi)發(fā)板系統(tǒng)功耗減小50％左右，擁有最高達(dá)25 MIPS的處理速度，單片機(jī)可以直接驅(qū)動(dòng)多達(dá)20多個(gè)LS TTL門(mén)電路，FPGA的引入使得外擴(kuò)其他電路更為方便和靈活，具有良好的擴(kuò)展性。
關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；FPGA；外圍電路；電路板

目前高校單片機(jī)教學(xué)中大多是以MCS51單片機(jī)為首選機(jī)型進(jìn)行講解，所開(kāi)發(fā)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)也多是基于MCS51系列單片機(jī)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的。然而，隨著單片機(jī)的應(yīng)用進(jìn)入SoC時(shí)代，其不足和缺陷也顯而易見(jiàn)：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(fù)雜，可靠性和可維護(hù)性較差，難以滿足高水平的設(shè)計(jì)要求。
為了進(jìn)一步簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)，提出一種C8051F單片機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，該方案采用FPGA實(shí)現(xiàn)單片機(jī)各種外設(shè)接口。FPGA作為一種可編程邏輯器件憑借其優(yōu)越的可擴(kuò)展性能受到設(shè)計(jì)者的青睞，逐漸成為分立元件的替代者。通過(guò)對(duì)FPGA編程，實(shí)現(xiàn)任何數(shù)字元件的邏輯功能，設(shè)計(jì)者可以通過(guò)原理圖輸入或硬件描述語(yǔ)言，方便地設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字系統(tǒng)，這使得單片機(jī)外圍電路的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、靈活、可靠。
本系統(tǒng)是為單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)而開(kāi)發(fā)的，因此要求單片機(jī)的功能齊全，滿足教學(xué)中各種實(shí)驗(yàn)的要求。一般的實(shí)驗(yàn)板的功能有：模擬數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)、通信接口實(shí)驗(yàn)、存儲(chǔ)器實(shí)驗(yàn)、各種顯示實(shí)驗(yàn)，人機(jī)交互實(shí)驗(yàn)等等。除此之外，還要考慮由于是非商業(yè)性質(zhì)的開(kāi)發(fā)，對(duì)一些功能的精度要求不是很高，在選擇最理想價(jià)格的同時(shí)，選擇盡可能多而全的片上資源，留待后期開(kāi)發(fā)擴(kuò)充。
基于以上考慮，該平臺(tái)使用SoC系統(tǒng)級(jí)的C8051F020單片機(jī)作為核心控制器，CycloneⅡEP2C8型FPGA實(shí)現(xiàn)外設(shè)接口，加上LCD、鍵盤(pán)、UART串口等人機(jī)交互的模塊。
C8051F系列單片機(jī)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(hào)系統(tǒng)級(jí)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(shè)及其他功能部件。C8051F020單片機(jī)具有片內(nèi)調(diào)試電路，通過(guò)4引腳的JTAG接口可以進(jìn)行非侵入式、全速的在系統(tǒng)調(diào)試。
FPGA即現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列，它是作為專(zhuān)用集成電路(ASIC)領(lǐng)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(mén)電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。FPGA使用靈活，同一片F(xiàn)PGA通過(guò)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(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于FPGA的單片機(jī)開(kāi)發(fā)平臺(tái)，該平臺(tái)主要包括有：?jiǎn)纹瑱C(jī)及其外設(shè)、FPGA擴(kuò)展電路、電源及下載電路。開(kāi)發(fā)平臺(tái)框架如圖l所示。

1．1 單片機(jī)外設(shè)
包括液晶顯示器(LCD)、鍵盤(pán)、SRAM、UART串口等，對(duì)FPGA進(jìn)行編程來(lái)實(shí)現(xiàn)LCD、鍵盤(pán)、SRAM的接口電路。
1．2 FPGA擴(kuò)展電路
包括主動(dòng)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(duì)FPGA進(jìn)行主動(dòng)串行(AS)配置，同時(shí)兼有JTAG在線調(diào)試模式。