嵌入式MCU电路设计详解 —电路图天天读（206） 知识产权, 集成电路, 高等院校, Samsung, 平板电脑

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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。

　　

　　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。

　　

　　图2 典型在线调试系统示意图

　　

　　图3 调试结构示意图

　　远程电源监控系统设计
　　c8051f020(＄12.7386)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。

　　

　　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。