基于AT89C5131的接口設(shè)計(jì)

　　引 言

　　AT89C5131是一個(gè)基于52內(nèi)核的單片機(jī)。在存儲(chǔ)器方面，其內(nèi)部集成了32 KB的FLASH存儲(chǔ)器用于代碼的存儲(chǔ);l KB的E2PROM存儲(chǔ)器用于用戶數(shù)據(jù)的存儲(chǔ);用戶可以使用片上的Bootloader或FLASHAPI，通過(guò)USB接口或其他接口(如UART和I2C總線)對(duì)FLASH存儲(chǔ)器和E2PROM存儲(chǔ)器進(jìn)行ISP或者IAP編程。AT89C5131支持USB 1.1和USB 2.0協(xié)議，擁有1個(gè)控制端口和6個(gè)普通可編程端口，支持控制、批量、中斷和同步傳輸4種傳輸方式，還支持串行I/O接口模式及Master和Slave的SPI接口模式。

　　1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　基于AT89C5131的通信和控制模塊主要完成以下功能：在通信方面，通過(guò)USB實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)的通信，接收計(jì)算機(jī)對(duì)設(shè)備的控制命令和計(jì)算機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，并將設(shè)備的工作狀態(tài)發(fā)送給計(jì)算機(jī)，同時(shí)將計(jì)算機(jī)傳來(lái)的控制命令和數(shù)據(jù)通過(guò)SPI接口傳送到其他設(shè)備模塊，并收集其他設(shè)備模塊的狀態(tài)信息;在控制方面，AT89C5131負(fù)責(zé)收集設(shè)備控制顯示面板的控制命令，更新設(shè)備顯示狀態(tài)等。由于采用USB通信系統(tǒng)，AT89C5131除了能夠根據(jù)控制面板控制設(shè)備的運(yùn)行，也能根據(jù)計(jì)算機(jī)的命令控制設(shè)備的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了對(duì)設(shè)備的雙重控制。該系統(tǒng)中AT89C5131的外圍連接如圖1所示。

　　1.1 AT89C5131的鍵盤端口特性及鍵盤設(shè)計(jì)

　　AT89C5131擁有一個(gè)允許與8×n矩陣鍵盤連接的鍵盤接口，其輸入均具有高或低電平可編程中斷能力。鍵盤接口與C51內(nèi)核的通信通過(guò)3個(gè)特殊功能寄存器實(shí)現(xiàn)，分別是鍵盤電平選擇寄存器(KBLS)、鍵盤中斷使能寄存器(KBE)和鍵盤標(biāo)志寄存器(KBF)。AT89C5131的鍵盤輸入被設(shè)計(jì)為分享同一個(gè)中斷向量的8個(gè)獨(dú)立的中斷源，寄存器IEN1中的中斷使能位KBD允許鍵盤中斷全局的使能及不使能，根據(jù)KBLS每一位的值，每一個(gè)鍵盤輸入都有檢測(cè)出可編程電平的能力，然后鍵盤檢測(cè)就被反應(yīng)到KBF中，而通過(guò)軟件使用KBE可以屏蔽中斷標(biāo)志KBF。正是這樣的結(jié)構(gòu)使得鍵盤排列可以從1×n延伸至8×n的矩陣，同時(shí)還使得P1輸入用于其他用途。

　　在該設(shè)計(jì)中，將4個(gè)鍵盤端口(P1.O，P1.2，P1.3，P1.4)及2個(gè)外部中斷端口(P3.2，P3.3)與控制面板上的6個(gè)按鍵相連;實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的內(nèi)外、啟停、暫停繼續(xù)控制及參數(shù)組的選擇等功能。這6個(gè)端口都采用低電平觸發(fā)產(chǎn)生中斷。

　　1.2 USB各端口的特性及USB通信設(shè)計(jì)

　　AT89C5131的控制端口O總是默認(rèn)為控制類型，用于控制傳輸，有32字節(jié)的FIFO;而其他6個(gè)可編程端口可以通過(guò)設(shè)置UEPTYPE的值配置為控制、批量、中斷和同步類型;Ping-pong模式的端口可以配置成批量、中斷和同步類型，對(duì)于批量、中斷和同步類型的端口，其方向可以通過(guò)設(shè)置UEPCONX的值配置為輸入或者輸出。端口1～端口3有32字節(jié)的FIFO;端口4，端口5有2個(gè)64 B的FIFO;端口6有2個(gè)512 B的FIFO，并且后三個(gè)端口均可工作于Ping-pong模式。

　　在該設(shè)計(jì)中，PC機(jī)將數(shù)據(jù)通過(guò)USB傳給AT89C5131，傳輸完一次后AT89C5131向PC機(jī)回傳數(shù)據(jù)傳輸正確與否的標(biāo)志，PC機(jī)可以根據(jù)收到的標(biāo)志進(jìn)行相應(yīng)的操作。PC機(jī)向AT89C5131傳輸?shù)臄?shù)據(jù)主要是參數(shù)和控制命令兩種類型。為將其區(qū)分開來(lái)，使用USB的端口4和端口6接收這兩種數(shù)據(jù)。其中，端口4用來(lái)接收控制命令;端口6用來(lái)接收參數(shù)。相應(yīng)地，控制命令的回傳使用端口5;參數(shù)的回傳使用端口3。為簡(jiǎn)單起見，端口3～端口6均被配置為批量類型;端口3、端口5為IN端口;端口4、端口6為OUT端口。

　　1.3 SPI端口特性及SPI通信設(shè)計(jì)

　　AT89C5131的SPI模塊允許在McU和其他外圍設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)全雙工、同步、串行通信，它能以配置為主或者從兩種操作模式提供可編程極性和相位串行時(shí)鐘，同時(shí)還提供8個(gè)可編程的主機(jī)時(shí)鐘率。SPI模塊包括4個(gè)端點(diǎn)(MOSI，MISO，SCK，SS)，MOSI和MISO都是用來(lái)傳輸數(shù)據(jù)的，且每次只能傳輸1個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。不同的是，MOSI將數(shù)據(jù)由主機(jī)輸出從機(jī)輸入，而MISO正好相反。SCK信號(hào)用以使通過(guò)MOSI和MI-SO的數(shù)據(jù)輸人/輸出設(shè)備同步，它可以由主機(jī)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生8個(gè)時(shí)鐘周期，用以完成一個(gè)字節(jié)在串行通道上的交換。SS用于從機(jī)的選擇，低有效。SPI模塊的配置和初始化可以通過(guò)寄存器SPCON完成，而數(shù)據(jù)的交換則需要使用寄存器SPSTA和SPDAT兩個(gè)寄存器，在軟件編寫過(guò)程中，SPI能否正常工作主要取決于對(duì)上述3個(gè)寄存器的操作。

　　在該設(shè)計(jì)中，SPI被配置為主機(jī)模式;SS端口處于無(wú)效狀態(tài);AT89C5131通過(guò)MOSI端口向DSP傳輸參數(shù)及控制命令;DSP通過(guò)軟件設(shè)置P1.1(SS)端口的狀態(tài)表明數(shù)據(jù)是否正確接收，即若正確接收，則置P1.1為1，否則置P1.1為0;AT89C5131通過(guò)檢測(cè)P1.1的值來(lái)決定是否重傳數(shù)據(jù)。

　　2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

　　要使得上述設(shè)計(jì)在工程應(yīng)用中得以實(shí)現(xiàn)，在硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上。還需對(duì)接口進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。AT89C5131的軟件設(shè)計(jì)主要是USB固件程序的設(shè)計(jì)，包括系統(tǒng)的初始化，USB接口、UART接口和SPI接口數(shù)據(jù)的收發(fā)以及控制面板按鍵的功能實(shí)現(xiàn)幾個(gè)方面。軟件設(shè)計(jì)采用C語(yǔ)言編程，最后軟件通過(guò)FLIP下載到AT89C5131芯片中。這里所采用的編譯環(huán)境為KeilμVision 3軟件設(shè)計(jì)平臺(tái)。在具體的工程實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，也遇到了一些問(wèn)題，但經(jīng)過(guò)反復(fù)的修改及調(diào)試，這些問(wèn)題都得到了很好的解決，其中主要有以下幾個(gè)方面：

　　按鍵功能實(shí)現(xiàn)控制面板按鍵的功能是通過(guò)電平觸發(fā)中斷實(shí)現(xiàn)的。在設(shè)計(jì)之初，手動(dòng)按下一次按鍵總會(huì)觸發(fā)多次中斷，對(duì)應(yīng)的LED顯示總會(huì)很快的跳變，不能滿足按一次按鍵就顯示一個(gè)狀態(tài)的要求，于是筆者就在按鍵功能實(shí)現(xiàn)的程序中添加了等待函數(shù)，即每發(fā)生完一次中斷，就等待一段時(shí)間，經(jīng)過(guò)調(diào)試，上面的問(wèn)題沒有再出現(xiàn)。

　　USB通信系統(tǒng) 系統(tǒng)要求USB能夠快速、高效地實(shí)現(xiàn)通信，對(duì)于速度問(wèn)題可以通過(guò)Ping-pong模式得以解決。系統(tǒng)還要求USB實(shí)現(xiàn)雙向通信，為使其接收和發(fā)送數(shù)據(jù)互不干擾，所以選用了幾個(gè)端口實(shí)現(xiàn)不同數(shù)據(jù)的傳輸。

　　SPI端口通信 SPI端口工程實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是速度和工作模式的匹配。在設(shè)計(jì)之初，AT89C5131的SPI工作于從機(jī)模式，其數(shù)據(jù)傳輸受到DSP的控制，由于其傳輸速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于DSP中SPI端口的處理速度，所以每通過(guò)AT89C5131的SPI傳輸一組數(shù)據(jù)時(shí)，DSP總需要通過(guò)軟件控制等待很長(zhǎng)一段時(shí)間，既便如此也不能保證數(shù)據(jù)得到正確接收。于是，后來(lái)就將AT89C5131的SPI工作模式修改為主機(jī)模式，由AT89C5131主動(dòng)控制數(shù)據(jù)的傳輸。然而實(shí)現(xiàn)雙向通信的關(guān)鍵是對(duì)SS信號(hào)的控制，在上述工作模式下，SS必須無(wú)效，Slave才能較可靠地向發(fā)送寄存器寫數(shù)。

　　3 結(jié) 語(yǔ)

　　AT89C5131宜于構(gòu)成低成本的USB控制和通信系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與設(shè)備的通信，并可靈活選擇多種通信協(xié)議。文中介紹基于AT89C5131的接口設(shè)計(jì)，主要是實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與MCU以及MCU與DSP的通信，該設(shè)計(jì)已經(jīng)在工程實(shí)際中得到應(yīng)用。經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)，證明其合理且操作靈活，具有一定的實(shí)用意義。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，深切體會(huì)到硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)的極大不同。編譯正確且邏輯沒有問(wèn)題的程序源代碼，將其燒寫至芯片后，硬件電路并不一定能完全地實(shí)現(xiàn)所要求的功能，所以必須經(jīng)過(guò)反復(fù)的修改程序、燒寫、調(diào)試，直至正確實(shí)現(xiàn)功能。