C8051F920 詳細中文資料

一、產品概述

C8051F920 是 Silicon Labs（芯科實驗室）推出的一款高性能、超低功耗的 8 位混合信號微控制器（MCU），屬于 C8051F92x/93x 系列。該系列 MCU 基于增強型 8051 內核，集成了豐富的模擬與數字外設，專為電池供電的便攜式設備、工業控制、無線傳感器網絡、醫療電子等低功耗應用場景設計。C8051F920 具備 32KB 的 Flash 存儲器、4.25KB 的 RAM、10 位 ADC、2 個比較器、多個通信接口（如 UART、SPI、I2C）以及靈活的時鐘源和電源管理功能，能夠滿足復雜嵌入式系統的需求。

二、核心特性

1. 超低功耗設計

C8051F920 的設計目標之一是實現極致的低功耗性能，適用于電池供電設備。其功耗特性如下：

• 寬電壓工作范圍：支持 0.9V 至 3.6V 的供電電壓，單節電池模式下可工作在 0.9V 至 1.8V，雙節電池模式下可工作在 1.8V 至 3.6V。

• 低功耗模式：提供多種低功耗模式（如睡眠模式、停止模式），可通過軟件配置進入不同模式以降低功耗。例如，在睡眠模式下，電流消耗可低至 0.5μA。

• 內置 DC-DC 轉換器：支持單節電池模式下的 1.8V 至 3.3V 輸出，可優化電源效率。

• 內置 LDO 穩壓器：支持高模擬電壓和低數字核心電壓，進一步降低功耗。

2. 高性能 8051 內核

C8051F920 采用增強型 8051 內核，具備以下特點：

• 流水線指令結構：70% 的指令可在 1 或 2 個系統時鐘周期內完成，顯著提高了指令執行效率。

• 高時鐘頻率：最高支持 25MHz 的時鐘頻率，吞吐量可達 25MIPS。

• 擴展的中斷系統：支持多達 22 個中斷源，滿足復雜應用的實時性需求。

3. 豐富的模擬外設

C8051F920 集成了多種模擬外設，適用于數據采集和信號處理：

• 10 位 ADC（模數轉換器）：

• 采樣速率高達 300ksps，可編程轉換速率。

• 最多支持 23 個外部輸入通道，片內集成 1.65V 電壓基準。

• 片內 PGA（可編程增益放大器）允許測量兩倍于基準電壓的電壓。

• 內置溫度傳感器（精度 ±3°C），可用于環境溫度監測。

• 2 個比較器：

• 可編程回差電壓和響應時間，支持多達 23 個容性觸感輸入。

• 可配置為喚醒或復位源，適用于低功耗應用中的喚醒機制。

• 6 位可編程電流基準：

• 輸出范圍 ±500μA，可用于電流偏置或生成定制基準電壓。

4. 靈活的數字外設

C8051F920 提供了豐富的數字外設，支持多種通信協議和定時功能：

• I/O 端口：

• 提供 24 個通用 I/O 端口，全部支持 5V 電壓輸入，具備高灌電流能力和可編程驅動強度。

• 通信接口：

• UART：支持全雙工異步串行通信。

• SPI：提供 2 個 SPI 接口，支持主/從模式。

• I2C（SMBus）：支持硬件 SMBus 兼容接口，適用于與 I2C 設備通信。

• 定時器/計數器：

• 4 個通用 16 位定時器/計數器，支持多種工作模式。

• 16 位可編程計數器/定時器陣列（PCA），包含 6 個捕捉/比較模塊和看門狗定時器。

• 實時時鐘（SmaRTClock）：

• 工作電壓低至 0.9V，僅需小于 0.5μA 的供電電流，適用于低功耗應用中的時間管理。

5. 存儲器配置

C8051F920 的存儲器配置如下：

• Flash 存儲器：32KB，支持在系統編程（ISP），扇區大小為 1024 字節。

• RAM：4352 字節（256 字節 + 4096 字節），滿足復雜應用的存儲需求。

6. 時鐘源和電源管理

C8051F920 提供多種時鐘源和電源管理功能，支持靈活的系統設計：

• 內部振蕩器：

• 24.5MHz 振蕩器，精度 ±2%，支持 UART 操作。

• 20MHz 低功耗振蕩器，適用于低功耗模式。

• 外部振蕩器：支持晶體、RC、C 或 CMOS 時鐘輸入。

• SmaRTClock 振蕩器：支持 32kHz 晶體或內部振蕩器。

• 時鐘切換：運行中可動態切換時鐘源，實現多種節電模式。

7. 在片調試功能

C8051F920 內置調試電路，支持全速、非侵入式的在系統調試（無需仿真器），主要功能包括：

• 斷點設置和單步調試。

• 觀察和修改存儲器及寄存器狀態。

• 支持 Keil、IAR 等主流開發環境。

三、應用場景

C8051F920 的超低功耗和豐富外設使其適用于多種應用場景，包括但不限于：

1. 便攜式醫療設備：如血糖儀、血壓計、心率監測儀等，要求低功耗和高精度數據采集。

2. 無線傳感器網絡：如環境監測、工業自動化中的無線節點，需長時間電池供電。

3. 消費電子：如智能手環、無線耳機、便攜式音頻設備等，要求低功耗和小型化。

4. 工業控制：如智能儀表、無線遙控、工業傳感器等，需高可靠性和低功耗。

5. 智能家居：如智能門鎖、無線開關、環境控制器等，需電池供電和無線通信。

四、開發工具和支持

1. 開發環境

C8051F920 支持多種開發環境，包括：

• Keil μVision：Silicon Labs 提供針對 C8051F920 的設備支持包，支持在線調試和編程。

• IAR Embedded Workbench：提供完整的開發工具鏈，支持代碼優化和調試。

• Silicon Labs IDE：Silicon Labs 提供的免費集成開發環境，支持 C8051F920 的開發和調試。

2. 調試工具

• U-EC5/U-EC6 調試適配器：支持通過 USB 接口與 PC 連接，實現全速、非侵入式的在系統調試。

• C2 接口：C8051F920 提供 C2 調試接口，支持在線編程和調試。

3. 開發套件

Silicon Labs 提供多種開發套件，幫助開發者快速上手 C8051F920：

• C8051F930DK 開發套件：包含 C8051F920/F930 評估板、調試適配器、文檔和示例代碼，支持快速原型開發。

• 無線模塊開發套件：如基于 C8051F920 和 Si4432 無線模塊的套件，支持無線通信功能的快速實現。

五、硬件設計指南

1. 電源設計

• 電壓范圍：C8051F920 支持 0.9V 至 3.6V 的供電電壓，設計時需根據應用場景選擇合適的電源方案。

• 電源濾波：建議在電源輸入端添加濾波電容，以減少電源噪聲對芯片的影響。

• 低功耗模式：在低功耗模式下，需確保電源管理電路能夠穩定提供所需的電壓和電流。

2. 時鐘設計

• 內部振蕩器：24.5MHz 振蕩器適用于大多數應用，精度 ±2%，可滿足 UART 通信需求。

• 外部振蕩器：如需更高精度，可選擇外部晶體振蕩器，需注意晶體的負載電容匹配。

• SmaRTClock：適用于低功耗應用中的時間管理，需連接 32kHz 晶體。

3. I/O 端口設計

• 5V 兼容性：C8051F920 的 I/O 端口支持 5V 電壓輸入，設計時需注意外部電路的電平匹配。

• 驅動強度：I/O 端口的驅動強度可編程配置，需根據負載需求選擇合適的驅動強度。

• 上拉/下拉電阻：對于未使用的 I/O 端口，建議配置為上拉或下拉狀態，以減少功耗和噪聲。

4. ADC 輸入設計

• 輸入阻抗：ADC 輸入阻抗較高，設計時需注意信號源的驅動能力。

• 濾波電容：建議在 ADC 輸入端添加濾波電容，以減少高頻噪聲的影響。

• PGA 配置：如需測量較大范圍的電壓，可配置片內 PGA，放大輸入信號。

六、軟件設計指南

1. 系統初始化

• 時鐘配置：根據應用需求選擇合適的時鐘源和頻率，配置系統時鐘。

• I/O 端口配置：初始化 I/O 端口的方向、驅動強度和上拉/下拉狀態。

• 外設初始化：配置 ADC、比較器、定時器、通信接口等外設的工作模式。

2. 低功耗管理

• 模式切換：根據應用場景動態切換低功耗模式，如睡眠模式、停止模式等。

• 喚醒源配置：配置比較器、定時器、通信接口等作為喚醒源，實現低功耗喚醒。

• 電源管理：在低功耗模式下，關閉未使用的外設時鐘，進一步降低功耗。

3. 中斷處理

• 中斷優先級：配置中斷優先級，確保關鍵任務能夠及時響應。

• 中斷服務程序：編寫高效的中斷服務程序，減少中斷響應時間。

• 中斷屏蔽：在關鍵代碼段中屏蔽中斷，避免中斷干擾。

4. 通信協議實現

• UART 通信：配置 UART 波特率、數據位、停止位和校驗位，實現串行通信。

• SPI 通信：配置 SPI 模式、時鐘極性和相位，實現主/從設備通信。

• I2C 通信：配置 I2C 地址和時鐘頻率，實現與 I2C 設備的通信。

七、示例代碼

以下是一個基于 C8051F920 的簡單示例代碼，演示如何初始化系統時鐘、ADC 和 UART，并實現數據采集和傳輸：

#include <C8051F920.h>  // 包含 C8051F920 的頭文件



// 系統時鐘初始化

void SYSCLK_Init(void) {

int i;

OSCICN |= 0x03;  // 配置內部振蕩器為 24.5MHz

for (i = 0; i < 3000; i++);  // 等待振蕩器穩定

}



// UART 初始化

void UART0_Init(void) {

SCON0 = 0x10;  // UART0 模式 1，8 位數據，無校驗

TH1 = 0xFD;    // 配置波特率為 9600（假設系統時鐘為 24.5MHz）

TL1 = 0xFD;

TMOD |= 0x20;  // 定時器 1 工作在模式 2

TR1 = 1;       // 啟動定時器 1

TI = 1;        // 設置發送中斷標志

}



// ADC 初始化

void ADC0_Init(void) {

REF0CN = 0x03;  // 啟用內部電壓基準和緩沖器

ADC0CF = 0x80;  // 配置 ADC0 為 10 位，右對齊

ADC0CN = 0x80;  // 啟用 ADC0，啟動轉換

EIE1 |= 0x04;   // 啟用 ADC0 轉換完成中斷

EA = 1;         // 開啟全局中斷

}



// 主函數

void main(void) {

unsigned int adc_result;



PCA0MD &= ~0x40;  // 禁用看門狗定時器

SYSCLK_Init();    // 初始化系統時鐘

UART0_Init();     // 初始化 UART

ADC0_Init();      // 初始化 ADC



while (1) {

// 等待 ADC 轉換完成

while (!(ADC0CN & 0x20));

ADC0CN &= ~0x20;  // 清除轉換完成標志

adc_result = ADC0;  // 讀取 ADC 結果



// 通過 UART 發送 ADC 結果

SBUF0 = adc_result >> 8;  // 發送高 8 位

while (!TI);

TI = 0;

SBUF0 = adc_result;       // 發送低 8 位

while (!TI);

TI = 0;

}

}



// ADC0 轉換完成中斷服務程序

void ADC0_ISR(void) interrupt 10 {

// ADC 轉換完成后的處理（如需）

}

八、總結

C8051F920 是一款功能強大、超低功耗的 8 位混合信號微控制器，適用于多種電池供電的嵌入式系統。其豐富的模擬與數字外設、靈活的時鐘源和電源管理功能，以及強大的開發支持，使其成為便攜式醫療設備、無線傳感器網絡、消費電子、工業控制和智能家居等領域的理想選擇。通過合理設計硬件和軟件，開發者可以充分發揮 C8051F920 的性能優勢，實現高效、低功耗的嵌入式系統。