嵌入式MCU电路设计详解 —电路图天天读(206)

来源:电子发烧友 作者:华强电子网 时间:2019-01-18 18:44

电源管理 嵌入式 MCU

  目前,集成电路的嵌入式技术发展越来越快,各色嵌入式产品也越来越受欢迎,尤其是以大屏幕多功能的手机、平板电脑等为典型代表,做为其控制核心的高性能、低功耗的微控制器(MCU)起到了决定性作用。因此以CPU为核心MCU的设计也成为了诸多高等院校、各大公司进行市场竞争的一个主流发展方向。Samsung、FreeScale、Atmel、NXP、TI、ST等大公司已经大规模推出各类MCU,而且各具特色,因此设计具有自主知识产权的MCU应在系统架构等方面有别于这些大公司,一是避免侵权,二是更有利于市场竞争。同时应做好产品的规划:从简单到复杂,从单一产品到系列产品,设计平台不断维护与更新,设计人员的水平不断提高。

  时钟和复位方案设计

  时钟和复位对整个电路而言起到了至关重要的作用。如果这两路信号有问题,则电路不能正常工作。因此,需要作出详尽的时钟方案和复位方案,需要给不同的外设提供不同的时钟:USB单独时钟、CPU等高速外设一个时钟、UART等低速外设一个时钟,如图1示。

  嵌入式MCU电路设计详解 —电路如天天图(206)

  图1 时钟方案示意图

  在线调试方案设计

  目前,比较常用的在线调试方式为串行调试,如JTAG、EJTAG、UART等,使用PC机的并口、串口、网口或是USB接口,使得在线调试简单方便,成本低廉,如图2所示。由于被调试的程序要在目标板上运行,而且MCU必须正常工作,因此需要设计一个专用的调试模块以保证上位机软件可以调用CPU来进行软硬件的在线调试,并且符合IEEE1149.1的协议标准,此模块的基本结构如图3所示。

  嵌入式MCU电路设计详解 —电路如天天图(206)

  图2 典型在线调试系统示意图

  嵌入式MCU电路设计详解 —电路如天天图(206)

  图3 调试结构示意图

  远程电源监控系统设计

  c8051f020是一种混合信号soc型8位单片机,它是一种完全集成的混合信号系统级芯片,具有与8051兼容的微控制器内核,与mcs-51指令集完全兼容。内核采用流水线结构,机器周期由标准的12个系统时钟周期降为1个系统时钟周期,70%指令的执行时间为1个或2个系统时钟周期,处理能力大大提高,峰值性能可达25mips。同时,除具有标准8051的数字外设部件外,c8051- f020片内还集成了构成一个单片机数据采集、控制系统所需要的几乎所有模拟、数字外设及其他功能部件。这些外设或功能部件包括:用于多种模拟信号的模拟多路选择器、真正12位转换精度的adc,还有能满足特殊功能所需的smbus(i2c兼容)、uart、spi、多个多功能计数器/定时器、以及看门狗定时器(wdt)和电源监视器等数字外设。

  c8051f020具有100脚的tqfp封装,功耗低,供电电压为2.7~3.3v,全部i/o、rst、jtag引脚均耐5v电压。其 mcu具有p0~p7共64个通用i/o端口,每个端口引脚都可以被配置为推挽输出或漏级开路输出。对于rtl8019as,由于其工作电压是5v,而 c8051f020的工作电压是3.3v,所以要c8051f020的输出能更好地驱动5v输入的oled,需要对系统进行额外配置。除了将对应端口的输出方式设置为“漏极开路”外,还应在电路上将每个端口通过一个上拉电阻接到5v电源,这样可以保证c8051f020的逻辑“1”输出能够被提升到5v。单片机采用c8051f020芯片,以查询工作方式不断读取rtl8019as状态寄存器。以远程dma方式发送或读取rtl8019as的数据。详见图3。

  嵌入式MCU电路设计详解 —电路如天天图(206)

  由于网络控制器具有 ethernet(ieee802.3)协议处理功能,系统便可直接rj45连接到以太网(再通过以太网接入 internet)。本文所设计的系统中选用的rj45连接器为lf1s022,它已经具有电平转换功能,简化了 pcb设计。值得注意的是,设计pcb时,rj45连接器不能与cpu和网络芯片相距太远,以免对数据传输造成影响。rtl8019as的tpin+(59脚), tpin-(58脚)脚是tp 的一对输入脚,能以10mbits/s 的速率从双绞线接收差分曼彻斯特编码的数据。tpout+(45脚)、tpout-(46脚)是一对曼彻斯特编码的差分tp输出信号。为了防止双绞线超载,该输出信号会被提前中断,这样可以减少拥塞。连接时,这四个管脚分别接到 lf1s022的7、6、5、4脚。连接器的其他管脚都通过一个电容与地连接。最后,还必须在50、51脚之间接入一个20mhz的晶体振荡器。

  编辑点评:嵌入式设备与以太网接口的组成,简要介绍了rtl8019as和c8019f芯片,并给出了嵌入式mcu与以太网控制芯片的硬件设计,该设计以数据采集为例的,在工业生产中有很大的现实意义,主要有包括时钟和复位方案、在线调试方案与远程电源监控系统详解的设计过程,供读者参考。
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