??? 摘? 要: 介紹一種采用可編程" title="可編程">可編程CMOS頻率合成器" title="頻率合成器">頻率合成器DS1077設計的單片機系統(tǒng)" title="單片機系統(tǒng)">單片機系統(tǒng),使單片機能根據(jù)環(huán)境需要動態(tài)調整系統(tǒng)的工作頻率" title="工作頻率">工作頻率,既能滿足系統(tǒng)要求的實時處理能力,又盡可能地降低系統(tǒng)的耗電量及引起的電磁干擾。同時還討論了系統(tǒng)改變工作頻率后對RS232串行通訊" title="串行通訊">串行通訊的影響以及解決辦法,確保該系統(tǒng)在不同的工作頻率下仍能正常進行RS232串行通訊。這種單片機系統(tǒng)的變頻設計提高了系統(tǒng)的適用范圍和兼容性,使系統(tǒng)設計更加靈活。?
關鍵詞: 可編程CMOS頻率合成器? 串行通訊? 動態(tài)編程? DS1077
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??? 在單片機系統(tǒng)中,總希望單片機能夠工作于最大頻率,以提高系統(tǒng)的實時處理能力。但單片機系統(tǒng)工作頻率越高,其耗電量及引起的電磁干擾也就越大,并且單片機工作頻率的選擇直接影響到RS232串行通訊。特別是在51單片機系統(tǒng)中,RS232串行通訊的使用往往決定了系統(tǒng)時鐘的選用,這使得在設計單片機系統(tǒng)時的靈活性大大降低。在很多情況下,希望設計出一個工作頻率可根據(jù)任務的輕重實時改變,并且能夠在各種工作頻率下進行RS232串行通訊的單片機系統(tǒng),它既能滿足單片機的實時處理要求,又有利于降低系統(tǒng)的耗電量和電磁干擾。在采用可編程CMOS頻率合成器DS1077后,設計這種系統(tǒng)變得簡單了。?
1 可編程CMOS頻率合成器DS1077?
1.1 DS1077的引腳及其功能?
DS1077是一個具有兩路同步輸出的單片固定頻率合成器。它不需要外接任何元件即可工作,允許通過二線串行接口對頻率合成器進行動態(tài)編程。DS1077的輸出頻率范圍寬(8kHz～133MHz),且在整個溫度和電壓變化范圍內輸出頻率偏差小于1%。DS1077既可作為由控制器編程的兩路同步頻率合成器使用,也可以當作固定頻率振蕩器使用?？刂破骺赏ㄟ^編程片上的兩個預標定器和一個除法器來調整兩路同步輸出頻率。工作模式和輸出頻率的設定值存儲于片上EEPROM中。每次上電時,存儲于EEPROM中的值自動彈出到各個寄存器中,使DS1077工作于以前設定的初始狀態(tài)。?
引腳功能:?
SCL:串行時鐘輸入線(用于編程);?
SDA:串行數(shù)據(jù)輸入、輸出線(用于編程);?
CTR1:控制OUT1輸出允許或芯片掉電模式的多功能引腳;?
CTR0:控制OUT0輸出允許、芯片掉電模式或MUX選擇的多功能引腳;?
OUT1:參考頻率輸出引腳;?
OUT0:主振蕩頻率輸出引腳。?
1.2 DS1077的內部結構圖及工作原理?
DS1077內部框圖如圖1所示。主要由內部主振蕩器、2個預定標器、1個可編程除法器和3個控制寄存器四大部分組成。主振蕩器產生的時鐘信號MCLK既可直接輸出到OUT0,也可以經過P0預定標器分頻后輸出OUT0。另外時鐘信號MCLK經過P1預定標器分頻后要么直接輸出到OUT1,要么再經可編程除法器N分頻后輸出到OUT1。?
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主時鐘信號MCLK經過P0預定標器進行1、2、4或8分頻后送入MUX選擇器。同時,主時鐘信號MCLK經過P1預定標器進行1、2、4或8分頻后既可直接輸出到OUT1引腳,又可輸出到可編程除法器N進行2～1025之間的任一分頻后送到OUT1引腳。?
通過對控制寄存器進行編程,可決定DS1077輸出頻率和工作模式。控制寄存器的值存于片內的EEPROM中,因此只有改變輸出頻率和工作模式時才需要對DS1077重新編程。?
1.3 DS1077的控制寄存器?
DS1077的控制寄存器包括MUX寄存器、DIV寄存器和BUS寄存器共3個寄存器。MUX寄存器用于設置頻率合成器的工作模式,DIV寄存器用于設置工作頻率,BUS寄存器用于設置總線控制方式。它們的設置方式如下:?
MUX寄存器(16位):?
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其中,標志位EN0、SEL0、PDN0和引腳CTRL0對輸出OUT0的工作模式進行設定,如表1所示。標志位PDN1和引腳CTRL1對輸出OUT1的工作模式進行設定,如表2所示。標志位DIV決定是否使用可編程除法器N。當DIV=1時,可編程除法器被忽略;如果DIV=0,可編程除法器正常工作。標志位0M1和0M0、1M1和1M0分別決定了預定標器P0和P1的分頻比,如表3所示。?
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其中,MCLK為內部振蕩器產生的主時鐘信號,MCLK/M為主時鐘信號經P0預定標器分頻后的時鐘信號。?
DIV寄存器(16位):?
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10位二進制數(shù)決定了除法寄存器的值N,10位二進制數(shù)的值加2就是N的值。例如:0000000000表示2分頻,1111111111表示1025分頻。?
BUS寄存器(8位):?
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如果WC=0,表示每次操作控制寄存器后自動保存到EEPROM中;如果WC=1表示只有對控制寄存器進行寫操作時才把值保存到EEPROM中。A3A2A1代表該DS1077芯片在總線操作中的地址。因此,同一系統(tǒng)中最多可接入8個DS1077。?
2 系統(tǒng)硬件電路及工作原理?
可編程CMOS頻率合成器DS1077在單片機系統(tǒng)中的硬件電路如圖2所示。?
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在圖2中,可編程CMOS頻率合成器DS1077的輸出引腳OUT1接到單片機AT89C51的XTL1引腳,單片機的XTL2引腳不接,DS1077的輸出引腳OUT0不使用(在軟件中禁止),CTRL1和CTRL0接地。由于AT89C51單片機沒有二線串行接口,所以把DS1077的SCL和SDA接到單片機的P1.0和P1.1,用單片機的P1.0和P1.1模擬二線串行接口。?
可編程CMOS頻率合成器DS1077設定為:引腳OUT0禁止使用;引腳OUT1的輸出頻率略低于單片機的最高工作頻率;BUS寄存器的WC位置1(只有向頻率合成器DS1077發(fā)出寫命令時才把各個寄存器的值寫入EEPROM中)。這樣,在每次啟動單片機系統(tǒng)時,單片機總運行在較高的工作頻率；當完成了系統(tǒng)的初始化后,單片機就可以根據(jù)工作情況重新設置合適的工作頻率。在單片機工作過程中,最好不要向頻率合成器DS1077發(fā)出寫EEPROM命令。因為重新設置工作頻率即使超出了單片機的頻率范圍,造成單片機死機,由于寄存器的值沒有寫入EEPROM中,當重新啟動時,單片機仍然能夠工作;如果把錯誤的工作頻率寫入EEPROM中,會造成系統(tǒng)不能重新啟動,此時只能取下DS1077芯片,用其他工具對它進行重新編程。?
3 系統(tǒng)頻率改變對RS232串行通訊的影響及動態(tài)調整工作頻率時的解決辦法?
在單片機系統(tǒng)中,時鐘頻率與RS232串行通訊有著密切的關系。例如,對于使用12MHz晶振的系統(tǒng)(早期的8051的最大工作頻率是12MHz),表4顯示了定時器1的自動重裝載值與波特率之間的關系、與標準波特率的誤差。?
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??? 其中,fosc為振蕩頻率,SMOD為單片機的波特率倍增位,TH1為定時器1的自動重裝載值。?
??? 在RS232串行通訊時,波特率發(fā)生器的誤差一般都不允許超過3%,否則就會造成通訊失敗。也就是說在采用12MHz晶振的51系統(tǒng)中只能夠使用2400波特率進行RS232通訊。顯然這在很多情況下都不能滿足系統(tǒng)需要。為了滿足RS232串行通訊的需要,通常選用少數(shù)特殊頻率的晶振,如11.059MHz和22.118MHz。這大大減小了波特率發(fā)生器的誤差(見表5),但也使得設計的靈活性大大降低。?
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在使用DS1077芯片的系統(tǒng)中,這個問題就變得簡單了。DS1077芯片共有133MHz、125MHz、120MHz、100MHz、66.666MHz五種型號。下面以66.666MHz的DS1077x-66為例來介紹在各種工作頻率下進行RS232串行通訊的實現(xiàn)方案。?
由于DS1077在整個溫度和電壓變化范圍內的頻率偏差小于1%,加上DS1077的輸出作為單片機時鐘所產生的波特率與理想值之間的誤差0.47%(66.666MHz除6即11.111MHz與理想頻率11.059MHz之間的誤差為0.47%),所以選用DS1077x-66所引入的誤差小于1.47%,完全能夠滿足串行通訊3%的精度要求。表6列出了單片機系統(tǒng)工作在能夠滿足上述要求的各種頻率下的波特率及此時定時器1的自動重裝載值(該表由計算機模擬得出)。?
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如果單片機選用最高頻率為40MHz的89C51,則可以把DS1077的可編程除法器N設置為2,即讓單片機工作于33.333MHz。由表6可知,當定時器1的自動重裝載值設置不同時,單片機系統(tǒng)可以分別以28.8kbps、14.4kbps、9600bps、4800bps、2400bps進行可靠的串行通訊。當系統(tǒng)對單片機速度要求不高時,單片機則可以把N設置成3、6、9、18、36,則系統(tǒng)分別工作于22.222MHz、11.111MHz、7.4073MHz、3.7037MHz和1.85183MHz。值得一提的是,當單片機工作頻率太低時,單片機只能以較低的波特率通訊。例如,當單片機工作在1.85183MHz時,串行通訊只能是2400bps或更低。當然,如果單片機不按這些標準波特率進行通訊或根本就不需要串行通訊,單片機系統(tǒng)的工作頻率的選擇范圍也就更寬了。?
??? 從上面的討論可看出,在單片機編程時只需把表6設計成工作頻率表格存于程序存儲器中。在需要改變工作頻率時從表格中查出該頻率所對應的N值和所需要的波特率對應的自動重裝載值,通過N值計算出DIV寄存器的值寫入到DS1077中,把系統(tǒng)的工作頻率設置到了相應的值上;同時,用該自動重裝載值對T1定時器進行設置,就能保證系統(tǒng)的RS232串行通訊。?
參考文獻?
1 Dallas Semiconductor. DS1077.Programmable EconOscillator.2002?
1 陸坤. 電子設計技術.成都:電子科技大學出版社，1997?
2 何立民.單片機應用系統(tǒng)設計. 北京:北京航空航天大學出版社，1990?