C8051F920 详细中文资料

一、产品概述

C8051F920 是 Silicon Labs（芯科实验室）推出的一款高性能、超低功耗的 8 位混合信号微控制器（MCU），属于 C8051F92x/93x 系列。该系列 MCU 基于增强型 8051 内核，集成了丰富的模拟与数字外设，专为电池供电的便携式设备、工业控制、无线传感器网络、医疗电子等低功耗应用场景设计。C8051F920 具备 32KB 的 Flash 存储器、4.25KB 的 RAM、10 位 ADC、2 个比较器、多个通信接口（如 UART、SPI、I2C）以及灵活的时钟源和电源管理功能，能够满足复杂嵌入式系统的需求。

二、核心特性

1. 超低功耗设计

C8051F920 的设计目标之一是实现极致的低功耗性能，适用于电池供电设备。其功耗特性如下：

• 宽电压工作范围：支持 0.9V 至 3.6V 的供电电压，单节电池模式下可工作在 0.9V 至 1.8V，双节电池模式下可工作在 1.8V 至 3.6V。

• 低功耗模式：提供多种低功耗模式（如睡眠模式、停止模式），可通过软件配置进入不同模式以降低功耗。例如，在睡眠模式下，电流消耗可低至 0.5μA。

• 内置 DC-DC 转换器：支持单节电池模式下的 1.8V 至 3.3V 输出，可优化电源效率。

• 内置 LDO 稳压器：支持高模拟电压和低数字核心电压，进一步降低功耗。

2. 高性能 8051 内核

C8051F920 采用增强型 8051 内核，具备以下特点：

• 流水线指令结构：70% 的指令可在 1 或 2 个系统时钟周期内完成，显著提高了指令执行效率。

• 高时钟频率：最高支持 25MHz 的时钟频率，吞吐量可达 25MIPS。

• 扩展的中断系统：支持多达 22 个中断源，满足复杂应用的实时性需求。

3. 丰富的模拟外设

C8051F920 集成了多种模拟外设，适用于数据采集和信号处理：

• 10 位 ADC（模数转换器）：

• 采样速率高达 300ksps，可编程转换速率。

• 最多支持 23 个外部输入通道，片内集成 1.65V 电压基准。

• 片内 PGA（可编程增益放大器）允许测量两倍于基准电压的电压。

• 内置温度传感器（精度 ±3°C），可用于环境温度监测。

• 2 个比较器：

• 可编程回差电压和响应时间，支持多达 23 个容性触感输入。

• 可配置为唤醒或复位源，适用于低功耗应用中的唤醒机制。

• 6 位可编程电流基准：

• 输出范围 ±500μA，可用于电流偏置或生成定制基准电压。

4. 灵活的数字外设

C8051F920 提供了丰富的数字外设，支持多种通信协议和定时功能：

• I/O 端口：

• 提供 24 个通用 I/O 端口，全部支持 5V 电压输入，具备高灌电流能力和可编程驱动强度。

• 通信接口：

• UART：支持全双工异步串行通信。

• SPI：提供 2 个 SPI 接口，支持主/从模式。

• I2C（SMBus）：支持硬件 SMBus 兼容接口，适用于与 I2C 设备通信。

• 定时器/计数器：

• 4 个通用 16 位定时器/计数器，支持多种工作模式。

• 16 位可编程计数器/定时器阵列（PCA），包含 6 个捕捉/比较模块和看门狗定时器。

• 实时时钟（SmaRTClock）：

• 工作电压低至 0.9V，仅需小于 0.5μA 的供电电流，适用于低功耗应用中的时间管理。

5. 存储器配置

C8051F920 的存储器配置如下：

• Flash 存储器：32KB，支持在系统编程（ISP），扇区大小为 1024 字节。

• RAM：4352 字节（256 字节 + 4096 字节），满足复杂应用的存储需求。

6. 时钟源和电源管理

C8051F920 提供多种时钟源和电源管理功能，支持灵活的系统设计：

• 内部振荡器：

• 24.5MHz 振荡器，精度 ±2%，支持 UART 操作。

• 20MHz 低功耗振荡器，适用于低功耗模式。

• 外部振荡器：支持晶体、RC、C 或 CMOS 时钟输入。

• SmaRTClock 振荡器：支持 32kHz 晶体或内部振荡器。

• 时钟切换：运行中可动态切换时钟源，实现多种节电模式。

7. 在片调试功能

C8051F920 内置调试电路，支持全速、非侵入式的在系统调试（无需仿真器），主要功能包括：

• 断点设置和单步调试。

• 观察和修改存储器及寄存器状态。

• 支持 Keil、IAR 等主流开发环境。

三、应用场景

C8051F920 的超低功耗和丰富外设使其适用于多种应用场景，包括但不限于：

1. 便携式医疗设备：如血糖仪、血压计、心率监测仪等，要求低功耗和高精度数据采集。

2. 无线传感器网络：如环境监测、工业自动化中的无线节点，需长时间电池供电。

3. 消费电子：如智能手环、无线耳机、便携式音频设备等，要求低功耗和小型化。

4. 工业控制：如智能仪表、无线遥控、工业传感器等，需高可靠性和低功耗。

5. 智能家居：如智能门锁、无线开关、环境控制器等，需电池供电和无线通信。

四、开发工具和支持

1. 开发环境

C8051F920 支持多种开发环境，包括：

• Keil μVision：Silicon Labs 提供针对 C8051F920 的设备支持包，支持在线调试和编程。

• IAR Embedded Workbench：提供完整的开发工具链，支持代码优化和调试。

• Silicon Labs IDE：Silicon Labs 提供的免费集成开发环境，支持 C8051F920 的开发和调试。

2. 调试工具

• U-EC5/U-EC6 调试适配器：支持通过 USB 接口与 PC 连接，实现全速、非侵入式的在系统调试。

• C2 接口：C8051F920 提供 C2 调试接口，支持在线编程和调试。

3. 开发套件

Silicon Labs 提供多种开发套件，帮助开发者快速上手 C8051F920：

• C8051F930DK 开发套件：包含 C8051F920/F930 评估板、调试适配器、文档和示例代码，支持快速原型开发。

• 无线模块开发套件：如基于 C8051F920 和 Si4432 无线模块的套件，支持无线通信功能的快速实现。

五、硬件设计指南

1. 电源设计

• 电压范围：C8051F920 支持 0.9V 至 3.6V 的供电电压，设计时需根据应用场景选择合适的电源方案。

• 电源滤波：建议在电源输入端添加滤波电容，以减少电源噪声对芯片的影响。

• 低功耗模式：在低功耗模式下，需确保电源管理电路能够稳定提供所需的电压和电流。

2. 时钟设计

• 内部振荡器：24.5MHz 振荡器适用于大多数应用，精度 ±2%，可满足 UART 通信需求。

• 外部振荡器：如需更高精度，可选择外部晶体振荡器，需注意晶体的负载电容匹配。

• SmaRTClock：适用于低功耗应用中的时间管理，需连接 32kHz 晶体。

3. I/O 端口设计

• 5V 兼容性：C8051F920 的 I/O 端口支持 5V 电压输入，设计时需注意外部电路的电平匹配。

• 驱动强度：I/O 端口的驱动强度可编程配置，需根据负载需求选择合适的驱动强度。

• 上拉/下拉电阻：对于未使用的 I/O 端口，建议配置为上拉或下拉状态，以减少功耗和噪声。

4. ADC 输入设计

• 输入阻抗：ADC 输入阻抗较高，设计时需注意信号源的驱动能力。

• 滤波电容：建议在 ADC 输入端添加滤波电容，以减少高频噪声的影响。

• PGA 配置：如需测量较大范围的电压，可配置片内 PGA，放大输入信号。

六、软件设计指南

1. 系统初始化

• 时钟配置：根据应用需求选择合适的时钟源和频率，配置系统时钟。

• I/O 端口配置：初始化 I/O 端口的方向、驱动强度和上拉/下拉状态。

• 外设初始化：配置 ADC、比较器、定时器、通信接口等外设的工作模式。

2. 低功耗管理

• 模式切换：根据应用场景动态切换低功耗模式，如睡眠模式、停止模式等。

• 唤醒源配置：配置比较器、定时器、通信接口等作为唤醒源，实现低功耗唤醒。

• 电源管理：在低功耗模式下，关闭未使用的外设时钟，进一步降低功耗。

3. 中断处理

• 中断优先级：配置中断优先级，确保关键任务能够及时响应。

• 中断服务程序：编写高效的中断服务程序，减少中断响应时间。

• 中断屏蔽：在关键代码段中屏蔽中断，避免中断干扰。

4. 通信协议实现

• UART 通信：配置 UART 波特率、数据位、停止位和校验位，实现串行通信。

• SPI 通信：配置 SPI 模式、时钟极性和相位，实现主/从设备通信。

• I2C 通信：配置 I2C 地址和时钟频率，实现与 I2C 设备的通信。

七、示例代码

以下是一个基于 C8051F920 的简单示例代码，演示如何初始化系统时钟、ADC 和 UART，并实现数据采集和传输：

#include <C8051F920.h>  // 包含 C8051F920 的头文件



// 系统时钟初始化

void SYSCLK_Init(void) {

int i;

OSCICN |= 0x03;  // 配置内部振荡器为 24.5MHz

for (i = 0; i < 3000; i++);  // 等待振荡器稳定

}



// UART 初始化

void UART0_Init(void) {

SCON0 = 0x10;  // UART0 模式 1，8 位数据，无校验

TH1 = 0xFD;    // 配置波特率为 9600（假设系统时钟为 24.5MHz）

TL1 = 0xFD;

TMOD |= 0x20;  // 定时器 1 工作在模式 2

TR1 = 1;       // 启动定时器 1

TI = 1;        // 设置发送中断标志

}



// ADC 初始化

void ADC0_Init(void) {

REF0CN = 0x03;  // 启用内部电压基准和缓冲器

ADC0CF = 0x80;  // 配置 ADC0 为 10 位，右对齐

ADC0CN = 0x80;  // 启用 ADC0，启动转换

EIE1 |= 0x04;   // 启用 ADC0 转换完成中断

EA = 1;         // 开启全局中断

}



// 主函数

void main(void) {

unsigned int adc_result;



PCA0MD &= ~0x40;  // 禁用看门狗定时器

SYSCLK_Init();    // 初始化系统时钟

UART0_Init();     // 初始化 UART

ADC0_Init();      // 初始化 ADC



while (1) {

// 等待 ADC 转换完成

while (!(ADC0CN & 0x20));

ADC0CN &= ~0x20;  // 清除转换完成标志

adc_result = ADC0;  // 读取 ADC 结果



// 通过 UART 发送 ADC 结果

SBUF0 = adc_result >> 8;  // 发送高 8 位

while (!TI);

TI = 0;

SBUF0 = adc_result;       // 发送低 8 位

while (!TI);

TI = 0;

}

}



// ADC0 转换完成中断服务程序

void ADC0_ISR(void) interrupt 10 {

// ADC 转换完成后的处理（如需）

}

八、总结

C8051F920 是一款功能强大、超低功耗的 8 位混合信号微控制器，适用于多种电池供电的嵌入式系统。其丰富的模拟与数字外设、灵活的时钟源和电源管理功能，以及强大的开发支持，使其成为便携式医疗设备、无线传感器网络、消费电子、工业控制和智能家居等领域的理想选择。通过合理设计硬件和软件，开发者可以充分发挥 C8051F920 的性能优势，实现高效、低功耗的嵌入式系统。