1 概述
C8051F0XX系列單片機是Cygnal公司新推出的一種混合信號系統級單片機。該系列單片機片內含CIP-51的CPU內核，它的指令系統與MCS-51完全兼容。其中的C8051F020單片機含有64kB片內Flash程序存儲器，4352B的RAM、8個I/O端口共64根I/O口線、一個12位A/D轉換器和一個8位A/D轉換器以及一個雙12位D/A轉換器、2個比較器、5個16位通用定時器、5個捕捉/比較模塊的可編程計數/定時器陣列、看門狗定時器、VDD監視器和溫度傳感器等部分。C8051F020單片機支持雙時鐘，其工作電壓范圍為2.7～3.6V(端口I/O,RST和JTAG引腳的耐壓為5V)。與以前的51系列單片機相比，C8051F020增添了許多功能，同時其可靠性和速度也有了很大提高。
2 C8051F020的功能特點
C8051F020芯片的內部功能方框圖如圖1所示。
C8051F020微控制器的內核CIP-51在保持CISC結構及指令系統不變的基礎上對指令實行流水作業，該器件廢除了機器周期的概念，它的指令以時鐘周期為運行單位，因而大大提高了指令的運行速度。當晶振為25MHz時，C8051F020的指令執行速度峰值可達到25MIPS。CIP-51微控制器的存儲器結構與標準的8051類似，程序和數據存儲器共享同一地址空間，但可用不同的指令類型來訪問。
C8051F020帶有8個I/O端口(64根I/O口線)，其中包括四個低部端口P0～P3(可以位尋址)和四個高部端口P4～P7(不可以位尋址)。在C8051F020中，可通過網絡開關以硬件的方式實現I/O端口的靈活配置(如圖1所示)，也可以通過設置相應的寄存器控制交叉開關來把I/O 口配置為所選擇的特殊功能端口。
C8051F020有5個定時/計數器：T0、T1、T2、T3、T4。其中T0、T1和T2與標準8051用法一致。T3是一個具有自動重裝載功能的計數器，可以用作啟動ADC數據轉換、SMBus定時和通用計數器。T4可用作自動重裝載功能的16位定時/計數器、有捕獲功能的16位定時/計數器和 UART1的波特率發生器。其定時/計數器的工作模式均可通過配置相應的特殊功能寄存器來設定。
通過SPI可訪問4線(MOSI、MISO、SCK、NSS)全雙工串行總線。它可以工作于主、從兩種方式。當C8051F020的SPI工作于主方式時，NSS與數字電源相連接;而當其工作于從方式時，則通過NSS來選通該器件。SPI有全雙工和半雙工兩種操作模式。當C8051F020工作于全雙工模式的主方式時，可以通過向數據寄存器SPI0DAT寫入一字節來啟動一次數據傳輸。這時，C8051F020會立即在MOSI上串行移出數據，并在 SCK上提供串行時鐘。同時，從器件也可在MISO線上向C8051F020串行移出寄存器的內容。傳輸結束時，SPI0CN.7位被置“1”。 C8051F020的SPI可以在一次傳輸操作中移入/移出1～8位數據，以適應不同長度的從器件。當SPI未被配置為主器件時，它將作為從器件工作。
SMBus(系統管理總線)是雙線雙向串行接口，符合SMBus1.1版本，并與I2C串行總線完全一致。C8051F020的SMBus也可工作于主、從兩種方式。它們在進行數據交換時，均由主器件來啟動。
這種新型的C8051F020單片機芯片內部有一個9通道、12位A/D轉換器ADC0和一個8通道、8位A/D轉換器ADC1，而且在使用時可以通過寄存器配置來選擇通道號和通道數以及以下四種A/D轉換方式中的一種來啟動。
(1)給寄存器ADC0CN的AD0BUSY位寫“1”;
(2)定時器3溢出;
(3)定時器2溢出;
(4)CNVSTR有上升沿。
C8051F020有兩個12位D/A轉換器DAC0、DAC1，它們也可以通過寄存器配置來選擇。啟動D/A轉換也有以下四種方式：
(1)數據寫入到DAC的高字節寄存器;
(2)定時器2溢出;
(3)定時器3溢出;
(4)定時器4溢出。
設計時一般選擇第一種方式，當需要輸出方波時，可以選擇第二、三、四種方式中的一種。在第一種方式下，也可以先寫入DAC的低字節，然后再寫入高字節，從而啟動一次D/A轉換。
新型C8051F020單片機把單一的引腳復位發展成多源復位，包括上電復位、掉電復位、外部引腳復位、軟件復位、時鐘丟失檢測復位、比較器0復位、 WDT復位和外部CNVSTR引腳復位等。眾多的復位源為保障系統的安全、操作的靈活性和系統的零功耗設計等帶來了極大的好處。C8051F020完善的時鐘系統能夠在滿足相應速度的前提下可使平均時鐘頻率最低，而多復位源則可使系統在掉電方式下隨意喚醒。
C8051F020片內配置了標準的JTAG接口(IEEE1149.1)。在上位機軟件的支持下，通過串行的JTAG接口可直接對安裝在最終應用系統上的單片機進行非侵入式、不占用片內資源、全速在線系統的調試。該調試系統支持觀察和修改存儲器和寄存器，同時支持斷點、觀察點、單步運行及停機命令。在使用JTAG接口進行調試時，所有的模擬和數字外設都可全功能運行。不但如此，C8051F020的JTAG邏輯還可為在系統測試提供邊界掃描功能。通過邊界寄存器的編程控制可以對所有器件引腳、SFR總線和I/O口的弱上拉功能實現觀察和控制。
綜上所述，C8051F020是一種集成度高、功能強大的單片機芯片，非常適合于要求速度快、可靠性高、擴展功能強和節電的應用系統。
3 總磷在線自動分析儀設計
磷系藥劑(以有機磷酸鹽為主體的藥劑)以其具有良好的緩蝕阻垢性能和低污染排放，而在工業水處理中被廣泛采用。由于磷系藥劑的種類繁多，且有機磷成分難于直接測量，因此，開發總磷在線分析儀可節能節水、降低污染、提高效率，具有明顯的經濟效益和社會效益。采用UV-光催化及氧化法提高有機磷在水中的分解并監測其分解水樣，以實現定量分析的系統結構如圖2所示。
本儀器以C8051F020為核心，外圍擴展了數據存儲器AT45DB081、時鐘芯片 DS1687、數字溫度傳感器DS18B20、智能液晶和鍵盤等，它們主要用于完成信號的采集、按鍵掃描、液晶顯示和報警、溫度檢測、工業標準信號輸出、控制閥門的開關和各種光源指示等功能。
數據存儲器AT45DB081(SPI串行接口)的存儲容量為8MBit，可以存儲一年的測量數據;時鐘芯片DS1687(8位并行接口)可以自動更新年、月、日、時、分、秒，用以完成儀器的自動標定功能;數字溫度傳感器DS18B20(單總線接口)用于監測溶液的溫度，以保證液體恒溫，加快化學反應速度，減小測量周期，提高儀器測量的重現性和穩定性;智能液晶(UART串口通信)和按鍵則用于完成人機對話功能，形成良好的人機界面。
該儀器用到的I/O口有40多個，可用于控制各個閥門和各種光源的開關、鍵盤輸入和DS1687的擴展等，而C8051F020有64根I/O口線，因此可完全滿足需要。
利用該硬件電路配以完善的軟件設計可以實現：鍵盤操作、液晶顯示、數據采集及檢測、數據輸出、報警光源控制和攪拌器的控制。圖3是儀器系統的工作主流程框圖。在儀器開啟時，程序首先進行初始化自檢和設置中斷入口地址，然后刷新液晶顯示屏，讀出DS1687的時鐘信號并將顯示初始濃度值“0. 000mg/L"送到顯示屏。開啟控制閥，注入被測水樣對分解測量杯進行預清洗1分鐘，再通過中斷響應判斷有無鍵按下。若無鍵按下，則調用分析子程序以完成一個周期內的操作，并將計算結果送液晶顯示器顯示，同時將其輸送到C8051F020的D/A口作為現場標準信號，最后將測量結果存儲到 AT45DB081作為歷史記錄保存。一個周期測量完畢后，程序返回下一個測量周期。
4 結束語
由于該總磷在線自動分析儀利用了 C8051F020的D/A轉換、A/D轉換、UART和SPI串行通信等多種增強功能，因此，儀器結構緊湊，設計簡化。同時由于該總磷在線自動分析儀集恒溫、分解、測量、控制于一體，因而大大簡化了化學分析流程，提高了在線分析的檢測速度和穩定性，取得了良好的應用效果。