AT87F51：8位微控制器的技術(shù)剖析與應(yīng)用指南

在嵌入式控制應(yīng)用領(lǐng)域，一款性能卓越且功能豐富的微控制器往往能為工程師們帶來更多的設(shè)計(jì)靈感和便利。AT87F51就是這樣一款值得深入探究的8位微控制器，下面將為大家詳細(xì)介紹它的各項(xiàng)特性、功能及使用要點(diǎn)。

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一、產(chǎn)品概述

AT87F51是一款低功耗、高性能的CMOS 8位微計(jì)算機(jī)，擁有4K字節(jié)的QuickFlash可編程只讀存儲(chǔ)器。它采用Atmel的高密度非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS - 51?指令集和引腳排列兼容。將通用的8位CPU與QuickFlash集成在單芯片上，為眾多嵌入式控制應(yīng)用提供了高度靈活且經(jīng)濟(jì)高效的解決方案。

二、關(guān)鍵特性

2.1 內(nèi)存與性能

• 可編程內(nèi)存：具備4K字節(jié)的用戶可編程QuickFlash?內(nèi)存，可通過傳統(tǒng)的非易失性存儲(chǔ)器編程器進(jìn)行用戶編程。
• 靜態(tài)操作：支持全靜態(tài)操作，頻率范圍從0 Hz到24 MHz，能適應(yīng)不同的工作場(chǎng)景。
• 內(nèi)部RAM：擁有128 x 8位的內(nèi)部RAM，為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理提供了一定的空間。

2.2 外設(shè)功能

• I/O端口：32條可編程I/O線，可靈活配置以滿足各種輸入輸出需求。
• 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器：兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，可用于定時(shí)、計(jì)數(shù)等功能。
• 中斷系統(tǒng)：六個(gè)中斷源，提供了豐富的中斷處理能力，能及時(shí)響應(yīng)外部事件。
• 串行通道：可編程串行通道，支持全雙工通信，方便與其他設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

2.3 低功耗模式

• 空閑模式：CPU進(jìn)入睡眠狀態(tài)，而片上外設(shè)如RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串行端口和中斷系統(tǒng)仍可繼續(xù)工作。可通過軟件調(diào)用，且片上RAM和特殊功能寄存器內(nèi)容保持不變?？捎扇魏问鼓艿闹袛嗷蛴布?fù)位終止。
• 掉電模式：振蕩器停止工作，調(diào)用掉電模式的指令是最后執(zhí)行的指令。片上RAM和特殊功能寄存器的值會(huì)保留，直到通過硬件復(fù)位退出該模式。

三、引腳配置與功能

3.1 電源與接地引腳

• (V_{cc})：電源電壓引腳，為芯片提供工作所需的電能。
• GND：接地引腳，為電路提供參考電位。

3.2 I/O端口引腳

• 端口0（Port 0）：8位開漏雙向I/O端口，可作為輸出端口時(shí)每個(gè)引腳能吸收八個(gè)TTL輸入；寫入1時(shí)可作為高阻抗輸入。還可配置為復(fù)用的低階地址/數(shù)據(jù)總線，在QuickFlash編程和驗(yàn)證時(shí)接收和輸出代碼字節(jié)。
• 端口1（Port 1）：8位雙向I/O端口，帶有內(nèi)部上拉電阻。輸出緩沖器可吸收/源出四個(gè)TTL輸入，寫入1時(shí)可作為輸入，外部拉低引腳時(shí)會(huì)因內(nèi)部上拉電阻而產(chǎn)生電流。在QuickFlash編程和驗(yàn)證時(shí)接收低階地址字節(jié)。
• 端口2（Port 2）：8位雙向I/O端口，帶有內(nèi)部上拉電阻。功能與端口1類似，在訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，可發(fā)出高階地址字節(jié)。在QuickFlash編程和驗(yàn)證時(shí)接收高階地址位和一些控制信號(hào)。
• 端口3（Port 3）：8位雙向I/O端口，帶有內(nèi)部上拉電阻。除了基本的I/O功能外，還具有多種特殊功能，如串行輸入輸出、外部中斷、定時(shí)器外部輸入、外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀寫選通等。

3.3 控制引腳

• RST：復(fù)位輸入引腳，在振蕩器運(yùn)行時(shí)，該引腳高電平持續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期可復(fù)位設(shè)備。
• ALE/PROG：地址鎖存使能輸出脈沖，用于在訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)鎖存地址的低字節(jié)。在QuickFlash編程時(shí)作為編程脈沖輸入。正常操作時(shí)，ALE以振蕩器頻率的1/6恒定速率發(fā)出，可用于外部定時(shí)或時(shí)鐘?？赏ㄟ^設(shè)置特殊功能寄存器（SFR）位置8EH的第0位來禁用ALE操作。
• PSEN：程序存儲(chǔ)使能引腳，是訪問外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)。在執(zhí)行外部程序存儲(chǔ)器代碼時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期激活兩次，但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)會(huì)跳過兩次激活。
• (overline{EA} / V{PP})：外部訪問使能引腳，(overline{EA})接地可使設(shè)備從外部程序存儲(chǔ)器地址0000H到FFFFH獲取代碼；接(V{CC})用于內(nèi)部程序執(zhí)行。在QuickFlash編程時(shí)，該引腳接收12伏編程使能電壓(V_{PP})。
• XTAL1和XTAL2：分別為反相振蕩器放大器的輸入和輸出引腳，可配置為片上振蕩器，可使用石英晶體或陶瓷諧振器。若使用外部時(shí)鐘源，XTAL2應(yīng)懸空，XTAL1由外部時(shí)鐘信號(hào)驅(qū)動(dòng)。

四、編程與驗(yàn)證

4.1 QuickFlash編程

AT87F51的片上QuickFlash內(nèi)存陣列可進(jìn)行編程，編程接口需要12伏的高電壓編程使能信號(hào)，且與傳統(tǒng)的第三方Flash或EPROM編程器兼容。編程算法如下：

1. 在地址線上輸入所需的內(nèi)存位置。
2. 在數(shù)據(jù)線上輸入適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)字節(jié)。
3. 激活正確的控制信號(hào)組合。
4. 將(EA/V_{PP})提升到12V。
5. 脈沖ALE/PROG一次，對(duì)QuickFlash陣列中的一個(gè)字節(jié)或鎖定位進(jìn)行編程。字節(jié)寫入周期是自定時(shí)的，通常不超過1.5 ms。重復(fù)上述步驟，直到完成整個(gè)陣列的編程或到達(dá)目標(biāo)文件的末尾。

4.2 數(shù)據(jù)輪詢與狀態(tài)監(jiān)測(cè)

• 數(shù)據(jù)輪詢：AT87F51具有數(shù)據(jù)輪詢功能，用于指示寫周期的結(jié)束。在寫周期內(nèi)，嘗試讀取最后寫入的字節(jié)時(shí)，PO.7上會(huì)出現(xiàn)寫入數(shù)據(jù)的補(bǔ)碼。寫周期完成后，所有輸出上的數(shù)據(jù)才有效，可開始下一個(gè)周期。
• Ready/Busy信號(hào)：可通過RDY/BSY輸出信號(hào)監(jiān)測(cè)字節(jié)編程的進(jìn)度。編程時(shí)ALE變高后，P3.4被拉低表示忙碌；編程完成后P3.4被拉高表示就緒。

4.3 程序驗(yàn)證與簽名字節(jié)讀取

• 程序驗(yàn)證：若鎖定位LB1和LB2未編程，可通過地址和數(shù)據(jù)線讀取編程的代碼數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，但鎖定位不能直接驗(yàn)證，需通過觀察其功能是否啟用進(jìn)行驗(yàn)證。
• 簽名字節(jié)讀取：通過與正常驗(yàn)證位置030H、031H和032H相同的程序讀取簽名字節(jié)，但需將P3.6和P3.7拉低到邏輯低電平。返回的值分別為(030H) = 1EH（表示由Atmel制造）、(031H) = 87H（表示87F系列）、(032H) = 01H（表示87F51）。

五、電氣特性

5.1 絕對(duì)最大額定值

• 工作溫度：-55°C至+125°C。
• 存儲(chǔ)溫度：-65°C至+150°C。
• 引腳電壓：相對(duì)于地為-1.0V至+7.0V。
• 最大工作電壓：6.6V。
• 直流輸出電流：15.0 mA。

5.2 直流特性

在不同的輸入輸出條件下，對(duì)輸入低電壓、輸入高電壓、輸出低電壓、輸出高電壓、輸入電流、輸入泄漏電流等參數(shù)都有明確的規(guī)定。例如，輸入低電壓（除EA外）范圍為 -0.5至0.2(V_{CC}) - 0.1 V；輸出高電壓在不同的輸出電流和電源電壓條件下有不同的值。

5.3 交流特性

包括外部程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的各種時(shí)序參數(shù)，如ALE脈沖寬度、地址有效到ALE低電平的時(shí)間、PSEN脈沖寬度等，這些參數(shù)在不同的振蕩器頻率下有不同的取值范圍。

六、訂購(gòu)與封裝信息

6.1 訂購(gòu)信息

提供了不同速度（12 MHz、16 MHz、20 MHz、24 MHz）和電源（5V ± 20%）組合下的多種封裝選項(xiàng)，包括44A（44引腳薄塑料鷗翼四方扁平封裝，TQFP）、44J（44引腳塑料J形引腳芯片載體，PLCC）和40P6（40引腳0.600”寬塑料雙列直插封裝，PDIP），并區(qū)分了商業(yè)級(jí)（0°C至70°C）和工業(yè)級(jí)（-40°C至85°C）的工作范圍。

6.2 封裝尺寸

詳細(xì)給出了三種封裝的尺寸信息，包括毫米和英寸兩種單位，方便工程師在設(shè)計(jì)PCB時(shí)進(jìn)行布局。

七、總結(jié)與思考

AT87F51以其豐富的功能、低功耗特性和靈活的編程方式，在嵌入式控制領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。工程師們?cè)谑褂脮r(shí)，需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求合理配置引腳、選擇合適的工作模式，并嚴(yán)格遵守電氣特性的要求，以確保芯片的穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)，對(duì)于編程和驗(yàn)證過程中的細(xì)節(jié)，如鎖定位的設(shè)置和數(shù)據(jù)輪詢的使用，也需要深入理解和掌握。大家在實(shí)際應(yīng)用中是否遇到過類似芯片的使用問題呢？又是如何解決的呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。