【正文】 實(shí)時(shí)調(diào)整輸出電流。主要包括AT89C51單片機(jī)、8位數(shù)/模轉(zhuǎn)換芯片DAC083串行EEPROM AT24C01芯片、譯碼芯片74LS138及數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)芯片74LS273等器件。主控模塊是以單片機(jī)為核心的一個(gè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用ATMEL公司的AT89C51單片機(jī)，該型號(hào)單片機(jī)采用CMOS工藝，功耗低，因其與MCS51單片機(jī)的完全兼容性、優(yōu)良的工作性能、使用的靈活性以及較高的性價(jià)比成為AT89系列單片機(jī)的主流機(jī)型，在嵌入式控制系統(tǒng)中獲得廣泛應(yīng)用[1]。AT89C51單片機(jī)與Intel8051單片機(jī)在引腳排列、工作特性、硬件組成、指令系統(tǒng)等方面完全兼容，引腳排列如圖21所示。其主要工作特性為：l 內(nèi)含4KB的Flash存儲(chǔ)器，擦寫次數(shù)達(dá)1000次；l 內(nèi)含128字節(jié)的RAM；l 具有32根可編程I/O線；l 具有2個(gè)16位可編程定時(shí)器；l 具有6個(gè)中斷源、5個(gè)中斷矢量、2級(jí)優(yōu)先權(quán)的中斷結(jié)構(gòu)；l 具有1個(gè)全雙工的可編程串行通信接口；l 具有1個(gè)數(shù)據(jù)指針DPTR；l 兩種低功耗工作模式，即空閑模式和掉電模式；l 具有可編程的3級(jí)程序鎖定位；l 工作電源電壓為5177。，典型值為5V；l 最高工作頻率為24MHz。圖21 AT89C51引腳排列（PDIP） D/A轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，所設(shè)計(jì)的直流恒流源應(yīng)具有數(shù)控功能，輸出電流為10～100mA，步進(jìn)為1mA。由于本設(shè)計(jì)的直流電流源為壓控電流源，因此采用“單片機(jī)＋D/A”的方式來實(shí)現(xiàn)數(shù)控功能最為合適。根據(jù)指標(biāo)要求，D/A轉(zhuǎn)換芯片的位數(shù)至少為8位，故而選擇8位的D/A轉(zhuǎn)換芯片。由于單片機(jī)接口資源充足，所以選擇并行D/A轉(zhuǎn)換芯片，以提高轉(zhuǎn)換速度。DAC0832是使用較多的一種8位D/A轉(zhuǎn)換芯片，其轉(zhuǎn)換時(shí)間為1us，工作電壓為+5V～+15V，基準(zhǔn)電壓為+5V[5]。其引腳排列如圖22所示。各引腳功能如下：l DI0～DI7：數(shù)據(jù)輸入線，TTL電平，有效時(shí)間大于90ns；l ILE：數(shù)據(jù)鎖存允許控制信號(hào)輸入線，高電平有效；l CS：片選信號(hào)輸入端，低電平有效；l WR1：輸入寄存器的寫選通輸入端，低電平有效；l XFER：傳送控制信號(hào)輸入線，低電平有效；l WR2：DAC寄存器寫選通輸入線，負(fù)脈沖有效；l IOUT1：輸出電流1，當(dāng)輸入數(shù)據(jù)為全1時(shí)，IOUT1最大；l IOUT2：輸出電流2，當(dāng)輸入數(shù)據(jù)為全1時(shí)，IOUT2最?。籰 Rfb：運(yùn)算放大器外接反饋電阻引線端；l Vcc：芯片電源電壓，其值為+5V～+15V；l Vref：基準(zhǔn)電壓輸入線，其值為10V～+10V；l AGND：模擬地，為模擬信號(hào)和基準(zhǔn)電源的參考地；l DGND：數(shù)字地，為工作電源地和數(shù)字邏輯地。圖22 DAC0832引腳排列DAC0832利用WRWRILE、XFER控制信號(hào)可以構(gòu)成三種不同的工作方式，分別為直通方式、單緩沖方式和雙緩沖方式[6]。在本設(shè)計(jì)中，因?yàn)橹挥幸宦纺M量輸出，所以采用單緩沖方式。DAC0832與單片機(jī)的接口如圖23所示。圖23 DAC0832單緩沖方式與單片機(jī)的接口電路 恒流源電路的設(shè)計(jì)在本設(shè)計(jì)中，恒流源電路采用壓控電流源來實(shí)現(xiàn)。壓控電流源的核心就是電壓/電流（V/I）轉(zhuǎn)換電路，主要由給定與比較放大單元、功率放大單元組成[7]。其電路原理圖如圖24所示。在輸出回路中引入一個(gè)反饋電阻，輸出電流經(jīng)反饋電阻得到一個(gè)反饋電壓，經(jīng)、加到運(yùn)算放大器的兩個(gè)輸入端。由電路可知，其反相端和同相端的電壓分別為、。式中為反相端的電壓，為同相端的電壓，為輸入電壓（來自D/A輸出）。圖24 電壓/電流轉(zhuǎn)換電路對(duì)于運(yùn)算放大器，有，故有由于，則若令，則有。略去反饋回路的電流，則有，可見當(dāng)運(yùn)算放大器增益足夠大時(shí)，輸出電流與輸入電壓成正比，其比值只決定于反饋電阻而與負(fù)載電阻的大小無關(guān)，因而具有恒流性能[8]。當(dāng)在范圍內(nèi)時(shí)，輸出電流在直流范圍內(nèi)線性地與直流輸入電壓相對(duì)應(yīng)。 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展在本設(shè)計(jì)中由于只需要存儲(chǔ)最后一次電流設(shè)定值，數(shù)據(jù)量少，所以擴(kuò)展一片AT24C01芯片（引腳排列如圖25所示）。圖25 AT24C01引腳排列各引腳功能說明如下：l A0、AA2：片選或頁面選擇地址輸入；l WP：寫保護(hù)，用于硬件數(shù)據(jù)保護(hù)功能；l SDA：串行數(shù)據(jù)輸入/輸出端；l SCL：串行時(shí)鐘端，用于對(duì)輸入和輸出數(shù)據(jù)的同步。AT24C01芯片是由ATMEL公司生產(chǎn)的串行電可擦除的可編程CMOS只讀存儲(chǔ)器，其容量為1KB，自定時(shí)周期包括自動(dòng)擦除時(shí)間不超過10，典型時(shí)間為5，讀寫壽命達(dá)100萬次，數(shù)據(jù)保存達(dá)100年，采用單一電壓+5V，低功耗工作電流1，備用狀態(tài)時(shí)只有10[9]。由于只用一片AT24CO1因而將A0～A2接地；WP接到GND，可以正常讀寫；串行時(shí)鐘線SCL和串行數(shù)據(jù)線SDA分別與單片機(jī)I/、。由于SCL和SDA管腳是漏級(jí)開路驅(qū)動(dòng)，而單片機(jī)P1口內(nèi)部有上拉電阻，因此可以直接與單片機(jī)連接。AT24C01與單片機(jī)的接口電路如圖26所示。圖26 AT24C01與單片機(jī)的接口電路 系統(tǒng)資源分配在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，常用的地址譯碼方法有兩種，線選法和部分譯碼法。線選法是直接以系統(tǒng)的幾根高位地址線作為芯片的片選信號(hào)，把選定的地址線和芯片的片選端直接相連。線選法的特點(diǎn)是連接簡(jiǎn)單，不必專門設(shè)計(jì)譯碼電路，但芯片占的存儲(chǔ)空間不連續(xù)，并且地址空間利用率低，一般用于簡(jiǎn)單系統(tǒng)的擴(kuò)展。部分譯碼法是用譯碼器對(duì)系統(tǒng)的部分高位地址線進(jìn)行譯碼，譯碼電路將地址空間劃分若干塊，其輸出做為擴(kuò)展芯片的片選信號(hào)。這樣既充分利用了存儲(chǔ)空間，又避免了地址空間分散的缺點(diǎn)，還可以減少I/O口線的占用。在本設(shè)計(jì)中采用部分譯碼法為D/A芯片和三個(gè)數(shù)碼管提供地址譯碼信號(hào)，譯碼器采用74LS138（芯片引腳排列如圖27所示）。圖27 74LS138引腳排列單片機(jī)的、、分別接74LS138的EA、B、C。當(dāng)、時(shí)單片機(jī)選通74LS138進(jìn)行譯碼。系統(tǒng)中各擴(kuò)展芯片的地址見表21。表21 系統(tǒng)資源地址分配表系統(tǒng)地址分配部件地址片選讀寫有效電平D/A芯片8000H～87FFHY0只寫低數(shù)碼管個(gè)位8800H～8FFFHY1只寫低十位9000H～97FFHY2百位9800H～9FFFHY3系統(tǒng)管腳分配鍵盤設(shè)置鍵74LS138AA11加一鍵BA12減一鍵CA13左移位鍵A14右移位鍵E3A15確認(rèn)鍵WRAT24C01SCL鍵盤中斷INT0SDA看門狗電路的喂狗信號(hào)輸入 人機(jī)接口的設(shè)計(jì) 鍵盤的設(shè)計(jì)在本設(shè)計(jì)中的獨(dú)立式鍵盤采用中斷方式（如圖28所示）。當(dāng)P1口外接的6個(gè)按鍵中任何一個(gè)按鍵被按下時(shí)，與之相連的輸入線即被置為低電平，則會(huì)引起中斷請(qǐng)求，CPU進(jìn)入中斷處理。鍵盤分布如圖29所示。圖28 鍵盤與單片機(jī)的接口電路各按鍵功能說明如下：l 設(shè)置鍵：進(jìn)入設(shè)置狀態(tài)；l 加1鍵：在設(shè)置狀態(tài)下，按一次數(shù)值加1；l 減1鍵：在設(shè)置狀態(tài)下，按一次數(shù)值減1；l 左移位鍵：在設(shè)置狀態(tài)下，按一次左移1位；l 右移位鍵：在設(shè)置狀態(tài)下，按一次右移1位；l 確認(rèn)鍵：在設(shè)置狀態(tài)下，使設(shè)置電流值生效并退出設(shè)置狀態(tài)。圖29 鍵盤分布 顯示電路的設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用3個(gè)七段共陰極LED數(shù)碼管作為顯示器，其引腳排列如圖210所示，其字符段碼如表22所示。LED數(shù)碼管采用靜態(tài)顯示方式，數(shù)碼管的共陰極點(diǎn)連接在一起接地。為了使七段數(shù)碼管的每一段的亮度一致，并避免工作電流過大而縮短數(shù)碼管的壽命，在其公共端與地之間接入了一個(gè)限流二極管。一片74LS273鎖存器驅(qū)動(dòng)一個(gè)LED數(shù)碼管，只要把數(shù)據(jù)送給鎖存器，則該位就能一直保持相應(yīng)的顯示符。74LS273鎖存器的CLK引腳接片選信號(hào)，LED數(shù)碼管與單片機(jī)的接口電路如圖211所示。表22 共陰極字符段碼表字符段碼字符段碼03FH67DH106H707H25BH87FH34FH96FH466H．80H56DH熄滅00H圖210 LED數(shù)碼管引腳排列圖211 LED數(shù)碼管與單片機(jī)的接口電路 系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì) 看門狗電路的設(shè)計(jì)在實(shí)際應(yīng)用中系統(tǒng)可能由于受到干擾而失控，引起程序跑飛，也可能使程序陷入“死循環(huán)”。指令冗余技術(shù)、軟件陷阱技術(shù)不能在任何情況下都使失控的程序擺脫“死循環(huán)”。為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定工作，通常采用程序監(jiān)視技術(shù)，即“看門狗”技術(shù)，使程序脫離“死循環(huán)”?！翱撮T狗”技術(shù)就是不斷監(jiān)視程序循環(huán)運(yùn)行時(shí)間，若發(fā)現(xiàn)時(shí)間超過已知的循環(huán)設(shè)定時(shí)間，則認(rèn)為系統(tǒng)陷入了“死循環(huán)”，然后強(qiáng)迫程序返回到上電復(fù)位的入口，使系統(tǒng)運(yùn)行納入正軌?！翱撮T狗”技術(shù)既可由硬件實(shí)現(xiàn)，也可由軟件實(shí)現(xiàn)，還可以由兩者結(jié)合來實(shí)現(xiàn)。硬件“看門狗”技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案主要有：l 由計(jì)數(shù)器構(gòu)成的“看門狗”；l 由定時(shí)器構(gòu)成的“看門狗”；l 由專門芯片構(gòu)成的“看門狗”。[10]本設(shè)計(jì)采用第一種方案，由兩片CD4020計(jì)數(shù)器構(gòu)成的“看門狗”電路如圖212所示，計(jì)數(shù)器CD4020為14位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器。在本系統(tǒng)中，單片機(jī)晶振為6MHz，則ALE信號(hào)周期為1。U107計(jì)數(shù)器的Q14腳定時(shí)時(shí)間為。主程序在循環(huán)過程中，程序正常運(yùn)行。當(dāng)程序進(jìn)入“死循環(huán)”超過時(shí)，Q4為高電平，使系統(tǒng)復(fù)位。圖212 由計(jì)數(shù)器構(gòu)成的看門狗電路 電源供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在對(duì)電源進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)我采用直流穩(wěn)壓電源。從系統(tǒng)對(duì)紋波電流的要求出發(fā)，我選擇了用78系列集成三端穩(wěn)壓器構(gòu)成的穩(wěn)壓電源。其優(yōu)點(diǎn)是：（1）可以進(jìn)行預(yù)穩(wěn)壓，以提高輸出電流對(duì)輸入交流電源電壓變化的穩(wěn)定度；（2）為壓控電流源電路提供具有穩(wěn)壓特性且紋波電流很小的高質(zhì)量工作電源，以有效降低輸出電流紋波系數(shù)[11]。本系統(tǒng)需要四組電源，即+5V、177。12V、+24V和為D/A轉(zhuǎn)換芯片提供的+5V基準(zhǔn)電壓電源。220V交流電源經(jīng)過電源變壓器、整流濾波器和集成三端穩(wěn)壓器產(chǎn)生出系統(tǒng)所需的各種電源。在本設(shè)計(jì)中采用以78系列三端固定輸出集成穩(wěn)壓器為核心的穩(wěn)壓電源，另外加上保護(hù)電路。為防止220V電源掉電后三端穩(wěn)壓器的輸出電壓高于輸入電壓，造成三端穩(wěn)壓器的損壞，在三端穩(wěn)壓器的輸入端和輸出端之間跨接了一個(gè)保護(hù)二極管。系統(tǒng)電源原理圖如圖213所示。圖213 系統(tǒng)電源電路 基準(zhǔn)電壓的設(shè)計(jì)D/A轉(zhuǎn)換芯片是恒流源系統(tǒng)中的重要部分，D/A輸出電壓值的精度直接影響恒流源系統(tǒng)輸出電流值的精度。D/A輸出電壓值的精度不僅與二進(jìn)制數(shù)碼有關(guān)，還與基準(zhǔn)電壓有關(guān)。在本設(shè)計(jì)中采用運(yùn)算放大器OP07來產(chǎn)生所需的+5V基準(zhǔn)電壓，而基準(zhǔn)電壓源則采用MC1403。MC1403是美國(guó)摩托羅拉公司生產(chǎn)的高精確度、低溫漂的基準(zhǔn)電壓源[10]?；鶞?zhǔn)電壓電路如圖214所示。輸入電壓，（典型值），可達(dá)。輸出電壓，其中是負(fù)反饋電阻，是反相輸入端電阻。當(dāng)時(shí)。圖214 基準(zhǔn)電壓電路第3章 控制軟件的設(shè)計(jì) 主程序的設(shè)計(jì)在本系統(tǒng)中，主程序負(fù)責(zé)的工作有初始化系統(tǒng)、讀寫EEPROM、D/A轉(zhuǎn)換及處理鍵盤。主程序的循環(huán)部分是查詢各個(gè)按鍵的標(biāo)志位，并根據(jù)標(biāo)志位的狀態(tài)轉(zhuǎn)到相應(yīng)的按鍵處理程序。由于系統(tǒng)啟動(dòng)后需要輸出的電流為上次系統(tǒng)關(guān)閉時(shí)的電流設(shè)定值，因此當(dāng)系統(tǒng)初始化之后則先執(zhí)行一次讀EEPROM子程序，然后執(zhí)行D/A轉(zhuǎn)換子程序輸出電流。主程序流程如圖31所示。 讀寫EEPROM子程序的設(shè)計(jì)AT24C01存儲(chǔ)器傳輸時(shí)序符合總線協(xié)議，要特別說明的是SCL要求的頻率范圍100kHz～400kHz。只要時(shí)鐘線為高電平，數(shù)據(jù)線都必須保持穩(wěn)定，否則數(shù)據(jù)線上的變化會(huì)被當(dāng)作“啟動(dòng)”或“停止”信號(hào)。每個(gè)數(shù)據(jù)的傳輸都是由啟動(dòng)信號(hào)開始，停止信號(hào)結(jié)束。在開始與停止信號(hào)之間傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)由計(jì)算機(jī)決定，從理論上說對(duì)字節(jié)數(shù)沒有限制[1]。串行EEPROM讀操作一般分兩步進(jìn)行：（1）單片機(jī)發(fā)出一個(gè)開始信號(hào)，通過寫操作設(shè)置EEPROM的芯片地址和EEPROM存儲(chǔ)單元地址。（2）單片機(jī)重新發(fā)送一個(gè)開始信號(hào)，然后發(fā)送含讀操作的控制字節(jié)；EEPROM發(fā)回應(yīng)答信號(hào)后，要讀取的數(shù)據(jù)就從SDA上輸出。串行EEPROM寫操作可分為字節(jié)寫和數(shù)據(jù)塊寫兩種形式。由于本系統(tǒng)需要寫的數(shù)據(jù)不多，故采用字節(jié)寫。在這種方式下，單片機(jī)發(fā)出開始信號(hào)后，緊接著發(fā)送控制字節(jié)到SDA總線上，待EEPROM芯片發(fā)回一個(gè)應(yīng)答信號(hào)后，單片機(jī)發(fā)出存儲(chǔ)單元地址碼，并被寫入EEPROM片內(nèi)的地址指針。單片機(jī)接收到EEPROM發(fā)回的一個(gè)應(yīng)答信號(hào)后，才發(fā)送1字節(jié)的數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)暫存入數(shù)據(jù)緩沖器。EEPROM再一次發(fā)出應(yīng)答信號(hào)，單片機(jī)便產(chǎn)生停止信號(hào)，然后把接收到的8位數(shù)據(jù)寫入指定的EEPROM存儲(chǔ)單元。為了不影響鍵盤處理子程序和顯示中斷服務(wù)程序的數(shù)據(jù)，讀/寫EEPROM子程序使用3區(qū)工作寄存器。讀/寫EEPROM子程序流程如圖32所示。 鍵盤處理子程序的設(shè)計(jì)鍵盤處理子程序是根據(jù)相應(yīng)的標(biāo)志位來執(zhí)行相關(guān)的程序模塊。因?yàn)楸鞠到y(tǒng)最大輸出電流是100mA，所以該子程序兼有檢查電流值設(shè)置合法性的功能。當(dāng)設(shè)置電流值超過100mA時(shí)，程序會(huì)強(qiáng)制把百位清0，并繼續(xù)保持系統(tǒng)處于設(shè)置狀態(tài)。在本設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)退出鍵盤處理子程序前分別調(diào)用一次D/A轉(zhuǎn)換子程序和寫EEPROM子程序。這樣做的目的是避免主程序循環(huán)體重復(fù)調(diào)用D/A轉(zhuǎn)換子程序和寫EEPROM子程序造成輸出電流不穩(wěn)定及頻繁寫EEPROM而縮短EEPROM的壽命。本設(shè)計(jì)中編寫的鍵盤處理子程序，主要注重了以下3個(gè)問題：l 如何減少按鍵的使用次數(shù)，以提高按鍵的使用壽命；l 如何更快捷，更方便地給出設(shè)定值；l 如何更有