【正文】 ...................... 33 第 5 頁 參考文獻(xiàn) .................................................................................................................... 34 致謝 ............................................................................................................................ 35 第 1 頁 1 緒論 系統(tǒng)背景 人類最早使用的定時(shí)工具是沙漏或水漏，但在鐘表誕生發(fā)展成熟之后，人們開始嘗試使用這種全新的計(jì)時(shí)工具來改進(jìn)定時(shí)器，達(dá)到準(zhǔn)確控制時(shí)間的目的。而隨著時(shí)代的進(jìn)步，科技的發(fā)展，定時(shí)器歷經(jīng)了機(jī)械式，電動式兩個階段后發(fā)展到電子式定時(shí)器?，F(xiàn)在的定時(shí)器廣泛運(yùn)用與工業(yè)控制，家用電器甚 至軍工領(lǐng)域，成為現(xiàn)在社會不可或缺的電子設(shè)備。 定時(shí)器的分類 定時(shí)器按結(jié)構(gòu)可分為機(jī)械式、電動式和電子式 三 類。 機(jī)械式定時(shí)器，以發(fā)條為原動力，用擒縱調(diào)速器控制走時(shí)精度，通過齒輪傳動和凸輪，按時(shí)間控制機(jī)構(gòu)預(yù)置的時(shí)段操縱執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作。計(jì)時(shí)精度要求不高的定時(shí)器（如風(fēng)扇定時(shí)器、洗衣機(jī)定時(shí)器、廚房用定時(shí)器、照相暗房用定時(shí)器、電視機(jī)控制用定時(shí)器、電燈開關(guān)定時(shí)器），一般采用無固有振動周期的調(diào)速器。這些定時(shí)器都是在手動上發(fā)條的同時(shí)預(yù)置時(shí)限，定時(shí)精度不高，但結(jié)構(gòu)簡單 ,使用方便。 電動式定時(shí)器，用交流同步電動機(jī)或石 英步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，通過齒輪傳動和凸輪簧片觸點(diǎn)機(jī)構(gòu)，按預(yù)置的時(shí)段或時(shí)刻控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。其中短時(shí)段控制的電動式定時(shí)器可用于程序控制式洗衣機(jī)、洗碗機(jī)、微波爐、烘箱及時(shí)間繼電器等 。長時(shí)段電動式定時(shí)器是一種 24 小時(shí)或 7 天程序控制的開關(guān)裝置，可預(yù)置開關(guān)動作多次，最短時(shí)間控制間隔一般為 15 分鐘，可用于用戶用電情況監(jiān)控、照明控制、實(shí)驗(yàn)室裝置控制、空調(diào)器控制和自動生產(chǎn)線上某些設(shè)備的定時(shí)控制等。 電子式定時(shí)器，利用石英振蕩器或民用交流電的標(biāo)準(zhǔn)頻率 ， 經(jīng)過分頻計(jì)數(shù)組成時(shí)間累加器或數(shù)字鐘 ， 按照預(yù)置的時(shí)間編碼輸出控制信號。這種定時(shí)器 走時(shí)精確，時(shí)間設(shè)定沒有誤差 ， 定時(shí)精度高 ,控制程序多。其中長時(shí)段定時(shí)器最小控制時(shí)段一般為 一 分鐘 ,配上微處理器后能精確地編制一年的時(shí)間程序，組成多路可編程序的定時(shí)器。電子式定時(shí)器在工業(yè)自動化控制系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，它也是節(jié)約能源管理中一種有效的技術(shù)措施。電子定時(shí)器類的電子定時(shí)開關(guān)鐘，可用于按高、平、低峰用電收取不同電費(fèi)制度的場合，它將一天內(nèi)的用電高峰、平峰、低谷時(shí)間在定時(shí)開關(guān)中設(shè)定 ,并分別接通 3 種電表進(jìn)行計(jì)費(fèi)。電子式定時(shí) 第 2 頁 器在科學(xué)實(shí)驗(yàn)中和在微波爐、電飯鍋、洗衣機(jī)等電器中也有使用。 定時(shí)器的應(yīng)用 隨著時(shí)代的 進(jìn)步，定時(shí)器的應(yīng)用越來越廣泛。電子定時(shí)器在工業(yè)中經(jīng)常用于延時(shí)自動開關(guān)、定時(shí)、報(bào)警。在家用電器中經(jīng)常用于延時(shí)自動開關(guān)、定時(shí)。延時(shí)自動開關(guān)可用于電視機(jī)、收音機(jī)、錄音機(jī)、催眠器、門燈、路燈、汽車頭燈、轉(zhuǎn)彎燈以及其他電器的延時(shí)斷電和延時(shí)自停電源。定時(shí)可用于照相定時(shí)曝光、定時(shí)閃光、定時(shí)調(diào)速、定時(shí)烘箱、冰箱門定時(shí)報(bào)警、定時(shí)水位報(bào)警、延時(shí)催眠器、延時(shí)電鈴、延時(shí)電子鎖、觸摸定時(shí)開關(guān)等等。例如數(shù)控機(jī)床的定時(shí)器，在工作一段時(shí)間后便能自動切斷電源停止工作。 此外， DSP 中的定時(shí)器還可用于數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換，信號的采樣，伺服位置控制， 數(shù)字振蕩器的設(shè)計(jì)等等。 定時(shí)器系統(tǒng)概述 本系統(tǒng)主要分為由 DSP 微控制器，數(shù)碼管，矩陣鍵盤三部分。 DSP 微控制器用來處理定時(shí)器程序 ； 利用 DSP 的 SPI 接口和 74HC164 八 位串入、并出移位寄存器 相連，進(jìn)行串行通信，再由 74HC164 寄存器將 段碼 并行輸出給數(shù)碼管從而顯示數(shù)字；矩陣鍵盤與 DSP 的 GPIO 口相連接，以掃描的方式識別鍵值，實(shí)現(xiàn)鍵盤對定時(shí)器的控制。 定時(shí)器設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)的功能 設(shè)計(jì)過程 進(jìn)行定時(shí)器的設(shè)計(jì)首先就要熟悉 DSP 的編程環(huán)境， 本次編程使用的是CCS（ Code Composer Studio） 軟件，具體運(yùn)用的語言為 C 語言。程序調(diào)試成功后通過 JTAG 將程序下載到 DSP 的 RAM 中進(jìn)行硬件調(diào)試，程序具體實(shí)現(xiàn)功能見 的功能實(shí)現(xiàn)。 CCS 是 它是美國德州儀器公司（ Texas Instrument,TI）出品的代碼開發(fā)和調(diào)試套件。 TI 公司的產(chǎn)品線中有一大塊業(yè)務(wù)是數(shù)字信號處理器（ DSP）和微處理器 （ MCU）， CCS 是 TI 公司專門為 DSP 軟件工程師設(shè)計(jì)的集編譯、仿真、下載為一體的 DSP 開發(fā)軟件，可以通過 CCS 新建工程、編譯仿真工程、在線調(diào)試、下載程序 。 第 3 頁 定時(shí)器方案的確定 隨著 DSP 控制器性價(jià)比 不斷提高，新一代產(chǎn)品的應(yīng)用越來越廣泛，大可 應(yīng)用于 復(fù)雜的工業(yè)過程控制系統(tǒng)， 進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)字信號處理功能，如圖像處理，雷達(dá)信號處理等 ，小則可以用于家電控制，甚至能夠用來做兒童電子玩具。它功能強(qiáng)大，體積小，重量輕，靈活好用，配以適當(dāng)?shù)慕涌谛酒梢詷?gòu)造各種各樣、功能各異的微電子產(chǎn)品。鑒此， 本文 設(shè)計(jì)開發(fā)了一種基于 DSP 微控制器的多用途定時(shí)器 ， 它造價(jià)低，功能全， 性價(jià)比高 ，配以小鍵盤和 數(shù)碼管 顯示，可適應(yīng)各種場合的定時(shí)預(yù)警之用。 為了實(shí)現(xiàn)定時(shí)器系統(tǒng)的主要功能，除了要有電源設(shè)備、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路等必備 設(shè)備之外，還有必不可少的數(shù)碼管及其驅(qū)動電路，為了在定時(shí)結(jié)束時(shí)、報(bào)警，必須還有 LED 燈，為了能夠用鍵盤控制定時(shí)器狀態(tài)和輸入時(shí)間，還需要矩陣鍵盤及其控制電路?？偟膩碚f，綜合以上的各功能電路和相應(yīng)的軟件程序相結(jié)合，便能實(shí)現(xiàn)一個功能強(qiáng)大的多位定時(shí)器。 定時(shí)器的功能 本次 設(shè)計(jì)的課題是基于 DSP 為控制器定時(shí)器設(shè)計(jì)，相關(guān)功能如下： ，最大定時(shí)時(shí)間為 100 分鐘。 ，更新的定時(shí)時(shí)間 。 ，暫停后，再按下開始鍵，則從暫停的 時(shí)間點(diǎn)繼續(xù)定時(shí)。 ，可以利用鍵盤上的數(shù)字鍵 0~9 重新設(shè)定定時(shí)時(shí)間，在按下開始鍵，則定時(shí)器開始從剛剛設(shè)置的定時(shí)時(shí)間重新開始定時(shí)。 ， LED 燈開始不斷閃爍，提示定時(shí)時(shí)間到。 第 4 頁 2 定時(shí)器系統(tǒng)的 硬件設(shè)計(jì) 總體硬件設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)采用德州儀器的 TMS320F28335 DSP 微控制器作為核心部件。輔以7 段數(shù)碼管，按鍵矩陣， LED 燈， 74HC164 芯片共同完成定時(shí)器的定時(shí)功能。 方案設(shè)計(jì)框圖如下所示 : 圖 21 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)圖 定時(shí)器工作過程如下： 通電或復(fù)位狀態(tài) 8 位共陽數(shù)碼管不顯示任何字符； “開始”鍵后，定時(shí)器開啟，數(shù)碼管顯示定時(shí)時(shí)間并進(jìn)行逆行計(jì)數(shù)，默認(rèn)情況下定時(shí)時(shí)間為 1 分鐘 “暫?！辨I， 則暫停計(jì)時(shí)，數(shù)碼管顯示“ ” ； ，可通過鍵盤上的數(shù)字鍵重新設(shè)定定時(shí)時(shí)間； ，按下“開始”鍵則定時(shí)器按照重新設(shè)定的定時(shí)時(shí)間開始定時(shí)，若沒有設(shè)置新的定時(shí)時(shí)間，則從暫停時(shí)的時(shí)間點(diǎn)繼續(xù)定時(shí)。 ，停止定時(shí)，數(shù)碼管上顯示“ 0000”， LED 燈開始閃亮，提示定時(shí)結(jié)束。 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本系統(tǒng)主要硬件電路由 DSP 微控 制器、按鍵、共陽數(shù)碼管、LED 顯示電路組成。 ：矩陣鍵盤上鍵有十個按鍵設(shè)定為 0~9 數(shù)字輸入功能，另外兩 個鍵作為時(shí)間設(shè)定的控制鍵，分別為暫停，開始。矩陣鍵盤由 GPIO00~GPIO03輸入， GPIO50~GPIO53 輸出。 第 5 頁 器 的顯示電路： 顯示時(shí)間 由 4 位共陽數(shù)碼管顯示，首先由 DSP 與74HC164 進(jìn)行 SPI 串行同步通信，將數(shù)碼管需要的段碼傳輸給 74HC164，再由74HC164 將段碼并行輸出給數(shù)碼管，達(dá)到數(shù)碼管顯示的目的。 DSP 的 GPIO54和 GPIO56 設(shè)置為 SPI 的數(shù)據(jù)發(fā)送和時(shí)鐘端， GPIO58~59 和 GPIO62~63 設(shè)置為數(shù)碼管的位選端 DSP 芯片的 GPIO4 引腳來控制 LED 燈閃亮提示報(bào)警。 DSP芯片外部連接一個 30MHz的石英晶體振蕩器。系統(tǒng)工作是通過編程選擇 5 倍頻的 PLL 鎖相環(huán)使得 DSP 工作在最高主頻150MHz。 以上是對定時(shí)器的 硬件組成 和具體工作流程進(jìn)行了大體的介紹，現(xiàn)對其各功能的實(shí)現(xiàn)方式 分別進(jìn)行講解。 DSP 微控制器 DSP（ Digital Signal Processor）是一種獨(dú)特的微處理器，是以數(shù)字信號來處理 大量信息的器件。其工作原理是接收模擬信號，轉(zhuǎn)換為 0 或 1 的數(shù)字信號。再對數(shù)字信號進(jìn)行修改、刪除、強(qiáng)化，并在其他系統(tǒng)芯片中把數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)解譯回模擬數(shù)據(jù)或?qū)嶋H環(huán)境格式。它不僅具有可編程性，而且其實(shí)時(shí)運(yùn)行速度可達(dá)每秒數(shù)以千萬條復(fù)雜指令程序，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過通用微處理器，是數(shù)字化電子世界中日益重要的電腦芯片 [1]。它的強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力和高運(yùn)行速度，是最值得稱道的兩大特色。 本程序使用的 TMS320F28335 型數(shù)字信號處理器 是 TI 公司的一款TMS320C28X 系列浮點(diǎn) DSP 控制器。與以往的定點(diǎn) DSP 相比，該 器件的精度高，成本 低， 功耗小，性能高，外設(shè)集成度高，數(shù)據(jù)以及程序存儲量大， A/D轉(zhuǎn)換更精確快速等。 TMS320F28335 具有 150MHz 的高速處理能力，具備 32 位浮 點(diǎn)處理單元，6 個 DMA 通道支持 ADC、 McBSP 和 EMIF，有多達(dá) 18 路的 PWM 輸出，其中有 6 路為 TI 特有的更高精度的 PWM 輸出 (HRPWM)， 12 位 16 通道 ADC。得益于其浮點(diǎn)運(yùn)算單元，用戶可快速編寫控制算法而無需在處理小數(shù)操作上耗費(fèi)過多的時(shí)間和精力，與前代 DSC 相比，平均性能提高 50%，并與定點(diǎn) C28x 控制器軟件兼容，從而簡化軟件開發(fā)，縮短開發(fā)周期 ，降低開發(fā)成本 [2]。 第 6 頁 定時(shí)器中斷的實(shí)現(xiàn) 為了實(shí)現(xiàn)定時(shí)器的精確走時(shí)功能，本系統(tǒng)利用 定時(shí)器 0、 PIE 模塊和 CPU 中斷共同作用產(chǎn)生 定時(shí)器中斷。 首先為定時(shí)器 0 設(shè)置 定時(shí) 初值，并開啟定時(shí)器使其計(jì)數(shù)。當(dāng)定時(shí)器計(jì)數(shù)器寄存器遞減到零時(shí)，定時(shí)器會產(chǎn)生一個 中斷 TINT 并將其傳送給 PIE 外設(shè)中斷模塊，當(dāng) PIE 中的中斷時(shí)能位 PIEIER 被時(shí)能后， PIE會將這個中斷傳送給 CPU，如果 CPU 的中斷使能位和 INTM 被使能，則 CPU會相應(yīng)定時(shí)器 0 中斷，轉(zhuǎn)而執(zhí)行定時(shí)器 0 的中斷服務(wù)子程序。 DSP 內(nèi)部定時(shí)器 TMS320F28335芯片內(nèi)部具有 3個 32位的 CPU定時(shí)器 —— Timer0 、 Timerl和 Timer2。其中 CPU 定時(shí)器 2 被系統(tǒng)保留，用于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，例如 DSP/ BIOS。只有 CPU 定時(shí)器 0 和定時(shí)器 1 可以供用戶使用。 在本系統(tǒng)中使用的是定時(shí)器 0，定時(shí)器 0 的內(nèi)部原理圖如下所示： 圖 22 定時(shí)器 0 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 Cpu 定時(shí)器的通常工作過程如下，首先把周期寄存器 PRDH:PRD 的值裝入32 位計(jì)數(shù)寄存器 TIMH:TIM 中。接著每經(jīng)過一個 TIMCLK 周期 ， 計(jì)數(shù)器就遞減一次，最后當(dāng)計(jì)數(shù)寄存器 TIMH:TIM 等于 0 時(shí)，定時(shí)器 中斷輸出信號產(chǎn)生一個中斷脈沖。其中， TIMCLK 由定時(shí)器分頻器 TDDRH:TDDR 和定時(shí)器預(yù)定標(biāo) 計(jì)數(shù) 器 PSCH:PSC 來控制。先給定時(shí)器分頻器 TDDRH : TDDR 賦值，然后裝載 入預(yù)定標(biāo) 計(jì)數(shù) 器 PSCH:PSC 中，每隔一個 SYSCLKOUT 脈沖， PSCH : PSC 中的值減 1。當(dāng) PSCH:PSC 中的值為 0 的時(shí)候，就會輸出一個 TIMCLK，從而TIMH:TIM 減 1。在下一個定時(shí)器輸 入 時(shí)鐘周期開始時(shí)， TDDRH:TDDR 中的值 第 7 頁 重新裝載人 PSCH:PSC 中，周而復(fù)始地循環(huán)下去 [3]。因此， TIMCLK 就等于(TDDRH:TDDR+1)個系統(tǒng)時(shí)鐘的時(shí)間 [3]。 當(dāng) 32 位計(jì)數(shù)器寄存器 TIMH:TIM 中的值遞減到零時(shí)，定時(shí)器 0 會 產(chǎn)生一個中斷 TINT，并傳送給 PIE， PIE 對這個中斷的處理詳見 PIE 外設(shè)中斷擴(kuò)展模塊 PIE 一共可以支持 96 個不同的中斷，并把這些中斷分成了 12 個組，每個組有 8 個中斷，而且每個組都被反饋到 CPU 內(nèi)核的 INT1~INT12 這 12 條中斷線中的某一條上。平時(shí)能夠用到的所有的外設(shè)中斷都被歸人了這 96 個中斷中，被分布在不同的組里 [3]。 F28335 的中斷采用的是三級中斷機(jī)制，分別 為外設(shè)級、 PIE 級和 CPU 級。對于某一個具體的外設(shè)中斷請求，只要有任意一級不許可， CPU 最終都不會響應(yīng)該外設(shè)中斷。 圖 23 PIE 模塊原理圖 一般來說， 在程序執(zhí)行過程中，某一個外設(shè)產(chǎn)生了一個中斷事件，那么在這個外設(shè)的某個寄存器中與該中斷事件相關(guān)的中斷標(biāo)志位 (IF= Interrupt Flag)被置為 1。此時(shí)，如果該中斷相應(yīng)的中斷使能位 (IE=Interrupt Enable)已經(jīng)被置位，也就是值為 1，該外設(shè)就會向 PIE 控制器發(fā)出一個中斷請求。相反，雖然中斷事件已經(jīng)發(fā)生了，相應(yīng)的中斷標(biāo) 志位也被置位了，但是該中