采用C8051F020设计的嵌入式测试仪

　　0 引言

　　测控技术的不断发展，将嵌入式操作系统应用到测控领域，从而实现在线实时测试已经成为一种发展趋势，而且越来越多的工业现场对各种测试仪器的需求不断增高，希望测试仪器能够向在线实时测试方向发展。基于这些需求，本文给出了基于C8051F020控制的测试仪键盘显示部分的设计方案。在整个嵌入式测试系统中，本部分只是作为下位机，并通过RS485总线接口与上位机进行通信，从而将接收到的测试数据根据控制命令的要求在显示器中予以显示，同时将测试人员发送的各类请求信号回送给上位机以对测试数据进行一定的处理。

　　1 系统硬件设计

　　本系统的硬件由MCU模块(C8051F020)、电源模块、显示模块(OCM320240K)、矩阵键盘模块等四部分构成，其系统总体硬件设计框图如图1所示。其中，本设计中外扩的缓冲存储器和FLASH存储器。解决了高速数据接收与处理不匹配、字符库容量小的问题。

　　1.1 MCU模块C8051F020

　　C8051F020是美国Cygnal公司推出的高性能单片机，是完全集成的混合信号系统级芯片，它的出现彻底改变了人们对8051单片机速度慢、性能低的印象。C8051F020使用了Cygnal专利的高速、流水线结构以及与MCS-51指令集完全兼容的CIP-51微处理器内核。CIP-51在提升8051速度上采取了新的途径，该芯片在保持CISC结构及指令系统不变的情况下，可对指令运行实行流水作业，从而废除了机器周期的概念。它的指令以时钟周期为运行单位，平均每个时钟周期可执行1条单周期指令，从而大大提高了指令运行速度，是一种功能比较齐全的高速、高性能单片机。

　　本系统设计选用此款单片机作为测试仪的MCU的最主要原因，一方面是由于CIP-51与MCS-51指令完全兼容，可使用标准的8051的汇编器、编译器及软件包进行软件开发，同时也很方便使用人员进行软件移植；另一方面可充分利用其丰富的通用数字端口资源，而不用地址／数据线复用，其外围电路的设计也可以大大简化。由于该芯片的低端口(P0、P1、P2、P3)既可按位寻址，也可按字节寻址，所以系统所需的控制信号都设计在低端口部分；而高端口(P4、P5、P6、P7)只能按字节寻址，故MCU与显示模块、存储器等模块的数据、地址总线均设计在高端口部分；C8051F020丰富的端口资源及其分配的灵活性是通过使用优先权交叉开关译码器实现的；而且所有引脚都采用5V电压．并都可以配置为漏极开路或推挽输出方式和弱上拉。

　　1.2 液晶显示模块OCM320240K

　　人类获取信息有80％来自视觉，且各种信息最终都通过信息显示来实现人机交换。由于液晶显示器件(LCD)具有低工作电压，微功耗，使用CMOS电路直接驱动，而且轻便易携带，因此，一经出现就倍受青睐，自然成为智能仪表等产品的首选显示器件。

　　本系统中的单片机对液晶模块的控制采用间接控制方式。即不使用单片机的数据系统，而利用它的I／O口来实现与液晶模块的联系。设计时可将液晶模块的数据总线与单片机的P1口进行连接作为数据总线，另外三根时序控制信号线通常利用8051的P3口中未被使用的I／O口来控制。该访问方式不占用CPU的存储器空间，它的接口电路与时序无关，其时序完全靠软件编程来实现。

　　图形点阵式液晶显模块OCM320240K的PCB板上含有完整的驱动器系统(内置SED1335液晶显示控制器)，其接口系统则包含了驱动系统所需的控制信号和电源。它的行、列驱动器均采用KS0086，并由4个运算放大器组成液晶显示偏压电路。点阵液晶显示控制器SED1335通过其与单片机的接口及编程可实现对液晶显示器的文字、图形、菜单、翻页和内容的左右移动等功能。对输出到液晶显示器件电极上的电位信号进行相位、峰值、频率等参数的调制可以建立交流驱动电场，从而实现液晶显示。

　　1.3 电源模块

　　针对工业现场使用的便携式嵌入式测试仪，可考虑采用直流电源供电。本系统所需的三个电源分别为+5 V、+3.3 V、-23 V。其中+3.3 V是给C8051F020芯片供电。-23 V是液晶显示器所需的大负电压驱动电源，+5 V是驱动器和其它芯片的逻辑电源。电源模块的设计采用外部双电源供电，+8 V和-33 V直流电源经过稳压电路后可分别提供上述三种电压。具体电路设计如图2所示，其中在+5 V和+3.3 V的电源接口中连接的LED灯可作为电源指示灯，灯亮表示电源接通。电路中的电容则用于电源的滤波。

　　1.4 矩阵键盘模块

　　键盘模块的设计采用中断方式非编码8×8矩阵键盘，为了节省功耗，设计中选用了上拉电阻。按钮的行、列线分别接到MCU的P2、P3端口，INT0作为外部中断连接到MCU的P0.2端口。按键包含有0～9数字键、菜单显示的"确定"、"取消"、"上翻"、"下翻"等控制键及测试系统所需的其它基本功能键。