基于嵌入式系统的实时控制模块设计与实现

摘要 提出一个使用C51单片机的嵌入式系统在通信测试仪器中实现实时控制功能的案例，给出了硬件及软件设计方案，并指出了设计中需注意的问题。该设计成功地应用于某通信测试仪器中，较好地实现了预期的目标。
关键词 嵌入式系统；实时控制；通信测试仪器

    随着现代通信技术的发展，通信测试仪器不断推陈出新。各种新型设备对系统的实时响应能力的要求越来越高，一种通信测试仪器的实时响应性能，就成为系统设计能否成功的关键因素之一。笔者曾在多个通信测试仪器项目中，成功地应用ARM处理器、C51单片机等为主控芯片的嵌入式系统，实现了对仪器相关模块的实时控制功能。因此提出一种在某通信测试仪器中使用C51单片机来实现实时控制的设计方案。

1 硬件设计与实现
1．1 总体方案设计
    在该通信测试仪器中，实时控制模块主要实现对射频接收频综、射频发生频综、滤波器组件、射频输入模块、射频输出模块等实时控制作用。对射频检波信号进行A／D转换以获取数据。与上位计算机进行通信等功能。
    根据待实现的系统功能要求，综合考虑系统资源，及芯片性价比等因素，确定采用以C51单片机为主控芯片的嵌入式系统方案，芯片为Silicon Labs的C8051F120，具有128 kB片内Flash存储器、8×1 024+256 Byte的片内RAM，可寻址64 kB地址空间的外部数据存储器接口、SPI、UART、定时器、时钟振荡器、PLL等，片上外设资源丰富、控制方便。
    系统资源分配：射频接收、发射频综模块，内含DDS，PLL等，外部控制接口是微控制接口，因此直接用单片机的地址、数据、控制三总线实施控制。滤波组件、射频输入／输出模块等的工作状态与接口上信号电平高低有关，因此用GPIO的方式进行控制。A／D转换控制使用串行外围设备接口SPI。与上位机的通信使用RS-232串口。总体设计框图如图1所示。

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1．2 总线及I／O控制的设计
    对于射频接收频综、射频发射频综模块，直接采用总线控制，为避免不同的模块控制时相互干扰，用3—8译码器对总线地址译码，产生不同模块的片选信号。同时数据线通过总线收发器以提高带负载能力。对于滤波组件、射频输入／输出等用I／O控制的模块，并未直接使用51芯片的GPIO引脚，则是将数据总线经锁存后模拟GPIO信号供相关模块使用，如图2所示，其中，IO_／WR1由B_／CS7与单片机写线逻辑或后产生。

1．3 SPI及RS232控制接口
    C8051F120芯片上本身自带了A／D转换器，但只有12位，不适合该系统的需求，故在片外另加一片ADI公司的AD7707。其分辨率为16位，是∑-△体系结构，转换的是输入电平的平均值。三通道，输入电平范围可达±10 mV～±10 V。根据实际要求，该系统使用AIN3高电平输入端口，Unbuffered模式，HICOM、REF-接模拟地，VBIAS与REF+均接+2．5 V参考电压，模拟电源5 V，数字电源3．3 V，能检测输入范围为0～10 V的单极性电平。其控制接口是同步串行口，用51芯片的SPI直接控制。图3是AD7707的电气连接图。

    单片机与上位计算机的通信使用通用异步收发器UART，外接MAX3224，将UART信号转换为RS-232信号进行传输，MAX3224在3～5．5 V低电压下工作，却可产生RS-232的±12 V电压，只需连接Tx、Rx和地线即可实现异步串行通信。系统中仍有一些时钟、复位电路和电源等，在此不再赘述。
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2 软件设计与实现
2．1 主程序框架
    主程序流程图如图4所示。

    主程序是顺序结构，较为简单。主要分两部分：一是对系统各部分进行初始化设置，使其能够工作在正常状态。二是正常工作循环状态，当收到上位机的控制命令时，即进行相应的操作，无命令时则等待。对于嵌入式程序而言，无限循环是必要的。
2．2 串口通信程序
    串口通信程序实现与上位机的通信功能。具体操作中使用一个循环队列存放接收到的上位机命令，分别用头指针和尾指针指向队头和队尾，将各命令字节取出，进行相应操作。命令执行完毕(队列取空)，清标志位，等待新命令。如图5所示。

2．3 SPI通信程序
    C51采用SPI主模式与AD7707进行通信。主模式写AD7707较为简单，单片机先写1 Byte的配置数据给AD7707，其会自动将该数据放入自身的通信寄存器，随后AD7707根据该配置值确定下一步要写的寄存器及数据大小，再将单片机随后输入的数据放入指定位置。C8051F120发数据前，先根据SPICN寄存器的TXBMT位的值判断是否能够发送数据，再向自身的SPIDAT寄存器写数据即可，硬件会自动将数据发出。
    主模式读AD7707较为困难。当C51已设置AD7707的通信寄存器，表明下一步操作是读AD7707的某个寄存器值后，C51向SPIDAT写任意值，之后SPI数据线(MOSI)上会串行移出数据，同时时钟线上产生串行时钟，从设备(AD7707)收到时钟，将预备的数据送到MISO线上交给C51，同时不采纳主设备发送的任意值。C51将发送的串行数据放在移位寄存器中，当最后一位收到后即移入收缓冲器，再读SPIDAT便可读出数据。
2．4 其他软件模块
    其他软件模块均是根据各部分硬件的具体要求，通过向所分配的对应地址空间按序发送所需数据来实现相关功能。

3 结束语
    文中提出以C51单片机C8051F120为核心控制芯片的嵌入式系统，已成功应用于某通信测试仪器中，陔系统通过中断及查询等方式较好地实现了对整机的实时控制功能。