【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 期性型終端點(diǎn)。其中控制終端點(diǎn)主要用于 USB 設(shè)備的枚舉和虛擬串口的波特率和數(shù)據(jù)類型（數(shù)據(jù)位數(shù)、停止位和起始位）設(shè)置的通信。輸出方向的非同步終端點(diǎn)用于主機(jī)向從設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)，相當(dāng)于傳統(tǒng)物理串口中的 TXD 線（從微控制器的角度 14 看），輸入方向的非同步終端點(diǎn)用于從設(shè)備向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，相當(dāng)于傳統(tǒng)物理串口中的 RXD 線。這樣即可保證與上位機(jī)的正常通信。 圖 CDC 分類 15 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 硬件整體設(shè)計(jì) 為盡可能的降低功耗，可只引出使用到的一些端口，未使用的資源一律不引出。對(duì)于功耗高的模塊，可通過(guò) 一個(gè) IO 口 控制 P 溝道 MOS 管 的通斷，從而控制對(duì)模塊的供電 。為方便調(diào)試程序，增加了無(wú)線模塊，故需要預(yù)留 SPI 接口。 表 列出了計(jì)步器最小系統(tǒng)所 使用的硬件資源。 表 最小系統(tǒng) 資源使 用表 功能分類 引腳名 引腳序號(hào) 功能描述 電源 VDD 7,38,60 電源 VSS 8,39,59 地 VREGIN 12 USB 模塊的參考電壓 （ 5V） 復(fù)位 nRST 42 復(fù)位引腳。拉低可使芯片復(fù)位 時(shí)鐘 EXTAL0， XTAL0 40,41 時(shí)鐘輸入輸出引腳 RTC RTC_CLKIN 56 時(shí)鐘輸入引腳 ，可 實(shí)現(xiàn)日歷，時(shí)間功能 下載接口 SWD_CLK 26 JTAG 時(shí)鐘 SWD_IO 29 JTAG 數(shù)據(jù)輸入、輸出 為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)步器的工作狀態(tài)，確保計(jì)步器正常工作，同時(shí) 為了直觀的快捷的觀測(cè)傳感器數(shù)據(jù)，本設(shè)計(jì)增加了 NRF24L01 模塊和 UART 接口作為系統(tǒng)的調(diào)試接口。 表 列出了系統(tǒng)調(diào)試工具所占用的資源 。 表 系統(tǒng)調(diào)試資源使用表 功能分類 引腳名 引腳序號(hào) 功能描述 串口 UART0_RX,TX 79,80 用于 UART 收發(fā)數(shù)據(jù)，用于 調(diào)試程序 無(wú)線模塊接口 SPI0_PCS0,SCK,MOSI,MISO 61,62,63，64 硬件 SPI PTD3 76 復(fù)用為外部中斷功能 PTC10 67 控制無(wú)線模塊的工作模式 PTD2 75 控制對(duì)無(wú)線模塊的供電 表 列出了系統(tǒng)所有外設(shè)所使用的 微控制器的引腳 。 16 表 外設(shè)資源使用表 功能分類 引腳名 引腳序號(hào) 功能描述 三軸加速度傳感器 I2C0_SCL,SDA 24,25 硬件 I2C PTA2,PTA1 28,27 復(fù)用 為中斷引腳 喚醒 LLWU_P14 77 復(fù)用為喚醒引腳 液晶屏 接口 PTB1,PTB2,PTB3, PTB8,PTB9, 44,45,46,47,48 模擬串行總線協(xié)議 PTB10 49 控制對(duì)液晶屏的供電 PTB11 50 控制液晶屏的背光 電容 觸摸 按鍵 TSI0_CH0,10,11,13,15 43,52,53,55,57 五個(gè)觸摸按鍵功能分別為：切換、進(jìn)入、退出、＋、－ 溫濕度傳感器 接口 PTD5 78 模擬單總線協(xié)議 PTE0 1 控制對(duì)溫濕度傳感器的供電 USB 通訊 USB_DP,USB_DM 9,10 USB 的差分信號(hào)線 確定 了 所使用的微控制器的引腳資源后，我們就可以著手設(shè)計(jì) 硬件電路。 各模塊設(shè)計(jì)與分析 最小系統(tǒng)電路 最小系統(tǒng)電路由以下幾部分組成：電源電路， SW 下載電路，復(fù)位電路，系統(tǒng)時(shí)鐘電路， RTC 時(shí)鐘電路和濾波電路。 本設(shè)計(jì)采用聚合物鋰電池供電，故需要低壓差穩(wěn)壓器件。 MIC5203 是一種低壓差穩(wěn)壓器（ LDO），最低壓差可達(dá)到 ，完全滿足本設(shè)計(jì)要求，同時(shí)我們又設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)易的充電電路，可通過(guò) USB 方便地為鋰電池充電。電路如 圖 所示。 圖 電源電路 17 復(fù)位引腳低電平可導(dǎo)致該 MCU 復(fù)位。電阻 R4 的作用是防止復(fù)位按鍵按下時(shí)，電容放電電流過(guò)大。電路如 圖 所示。由于飛思卡爾的這一款芯片支持 SW 下載方式，故預(yù)留了下載接口，電路如 圖 所示。多組 VSS/VDD 可保證內(nèi)部信號(hào)完整性，故芯片電源引 腳的濾波電容要盡量靠近其引腳，電源線中的電流應(yīng)先通過(guò)濾波電容，再通過(guò)芯片引腳，如此有利于抑制高頻噪音，電路如 圖 所示。 圖 系統(tǒng)復(fù)位電路 圖 下載接口電路圖 圖 芯片電源濾波電路 無(wú)源晶振是有兩個(gè)引腳的無(wú)極性元件，需借助時(shí)鐘電路（即晶振諧振器）才能產(chǎn)生震蕩信號(hào)，自身無(wú)法振蕩起來(lái)。有源晶振一般有四個(gè)引腳，它是一個(gè)完整的振蕩器，其中除了石英晶體外，還有晶體管和阻容元件。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)鐘電路采用無(wú)源晶振，電路如 圖 所示。 RTC 時(shí)鐘電路采用有源晶振電路，電路如 圖 所示。 圖 系統(tǒng)時(shí)鐘電路 圖 RTC 時(shí)鐘電路 電容觸摸按鍵電路 電容式觸摸按鍵的硬件電路僅將 TSI 引腳 連接到一定面積的覆銅區(qū)即可。 在 PCB 制作過(guò)程中，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)： （ 1） 應(yīng)盡量使觸摸按鍵到 MCU 觸摸引腳的走線盡量短和細(xì)（建議 7~10 mil），以保證信號(hào)的穩(wěn)定性。如 圖 為理想的布線方式和不理想的布線方式。 圖 TSI 理想走線與不理想走線 （ 2） 走線間的間距盡量保持兩倍以上距離，最小不能小于 7mil，如果空間允 18 許盡量大。 （ 3） 同一條線盡量不使用過(guò)孔，若要 使 用不要超過(guò)兩個(gè)以上，避免干擾源增加。 （ 4） 觸摸按鍵 走線盡量遠(yuǎn)離其他元件和走線，尤其是遠(yuǎn)離信號(hào)線（如 IIC， SPI，高頻通信線）， 因?yàn)樾盘?hào)線會(huì)產(chǎn)生一個(gè)變化的磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電流，若觸摸按鍵走線與信號(hào)線相鄰，那么就會(huì)影響觸摸按鍵的充放電，從而 影響觸摸按鍵的性能，在沒(méi)有辦法避免的情況下，讓 兩條線垂直布線， 而 不能走平行線。如 圖 和 圖 分別為傳感線與通訊線在同層與不同層的分布示范。 圖 傳感線與通訊線在同層的分布 圖 傳感線與通訊線在不同層的分布 （ 5） 不推薦將傳感器的走線放在任何電源層上。充 滿在傳感器下面的地層或電源層會(huì)增加對(duì)地的寄生電容，并降低靈敏度。當(dāng)將地層放在傳感器下面時(shí)，地層必須使用十字交叉形以保證銅的覆蓋率小于 40%，并置于最遠(yuǎn)的一層，以降低對(duì)地的寄生電容，同時(shí)保證較好的屏蔽效果。本次設(shè)計(jì)在按鍵背面采用網(wǎng)格鋪地。 按鍵與地層之間的間隔設(shè)定，若間隔太大，觸摸按鍵的基本電容值越小， RC 震蕩的頻率越大，靈敏度也越高，地對(duì)電場(chǎng)的約束越小，干擾越大。若間隔太小，基本電容值越大，靈敏度越低，且電場(chǎng)對(duì)地的約束太大，一般建議在 ~，若 PCB 允許，則建議在 1mm 以上的間隔。本次 PCB 設(shè)計(jì)中按鍵與地層之間的距離在 左右。 （ 6） 關(guān)于 按鍵形狀設(shè)計(jì) 。 任何形狀的按鍵均可用于電容感應(yīng)式觸摸中，如 圖 所示。不同的形狀不會(huì)影響感應(yīng)的性能，僅與板子的美觀程度有關(guān)。本次設(shè)計(jì)采用圓形按鍵和鋸齒條狀按鍵。 19 圖 各種觸摸按鍵形狀 按鍵的尺寸大小與其靈敏度息息相關(guān)，若按鍵太小，觸摸電容較低，導(dǎo)致靈敏度降低。若按鍵太大則不會(huì)顯著提高觸摸電容。只有當(dāng)按鍵面積 增大至與觸摸物（手指）相當(dāng)時(shí)，觸摸電容才能達(dá)到最大值，推薦按鍵大小 8mm~15mm。單個(gè)按鍵之間的距離推薦大于 ，以避免相鄰按鍵的影響。對(duì)于滑動(dòng)條來(lái)說(shuō)，各個(gè)按鍵之間的距離最好保持在 ~ 的范圍?；瑒?dòng)條與周圍地層的間距最好與按鍵相同，那么兩者之間的邊緣電容可降至足夠低，從而對(duì)感應(yīng)的影響非常小。滑動(dòng)條設(shè)計(jì)如所示。 圖 滑動(dòng)條 根據(jù)以上分析，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了如 圖 和 圖 所示的 電容 觸摸按鍵的 PCB設(shè)計(jì)。 本次觸摸按鍵設(shè)計(jì)考慮到了傳感線走線，避免了與通訊線相鄰且平行的情況，考慮了地層與觸摸按鍵之間的關(guān)系，使寄生電容對(duì)觸摸按鍵的影響降到最低值，還考慮了按鍵形狀，使人手觸摸后的效果達(dá)到最大化，整個(gè)設(shè)計(jì)最終取得了靈敏度高、功耗低等效果。 20 圖 TSI 設(shè)計(jì)（頂層） 圖 TSI 設(shè)計(jì)（底層） 液晶顯示接口電路 LCD5110 是一塊集成了低功耗 CMOS LCD 控制驅(qū)動(dòng)器的液晶屏，分辨率為8448，采用串行接口與主處理器進(jìn)行通信，接口信號(hào)線數(shù)量大幅度減少，包括電源和地在內(nèi)的信號(hào)線僅有 8 條。支持多種串行通信協(xié)議（如 AVR 單片機(jī)的 SPI、 MCS51 的串口模式 0 等），傳輸速率高達(dá) 4Mbps，可全速寫入顯示數(shù)據(jù)，無(wú)等待時(shí)間。模塊的體積很小，采用 低電壓供電，正常顯示時(shí)的工作電流在 200181。A 以下，傳輸速度快，是 LCD12864 的 40 倍，是 LCD 的 20 倍。 表 列出了 LCD5110 引腳的功能。 表 LCD5110 引腳功能表 引腳 SDIN SCLK D/C SCE RES 功能 串行數(shù)據(jù)線 串行時(shí)鐘線 模式選擇 芯片使能 復(fù)位實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊 本設(shè)計(jì)采用 P 溝道 MOS 管控制對(duì)液晶的供電，采用 N 溝道 MOS 管控制液晶的背光。如此可根據(jù)實(shí)際需要控制液晶的 工作 狀態(tài)，從而達(dá)到降低功 耗的目的。接口電路如 圖 所示。 圖 液晶 LCD5110 接口電路 21 傳感器接口電路 本設(shè)計(jì)舍棄了市面上廣泛使用的振動(dòng)傳感器，優(yōu)先選擇功耗極低，分辨率較高的三軸加速度傳感器，具體型號(hào)為 MMA8451Q。傳感器外圍電路非常簡(jiǎn)單，如 圖 所示 。其中 I2C 數(shù)據(jù)線需要有上拉電阻拉高， SA0 引腳用來(lái)選擇傳感器的節(jié)點(diǎn)地址。 圖 MMA8451Q 電路 如 圖 所示，為本系統(tǒng)的溫濕度傳感器 DHT11 的接口， DHT11 傳感器采用的是單總線的傳輸方式，由主機(jī)發(fā)起讀信息指令，通過(guò)單總線完成信號(hào)傳輸，這種傳感器的缺點(diǎn)是傳輸速度慢，耗時(shí)長(zhǎng)，功耗高，所以在硬件設(shè)計(jì)的時(shí)候，增加了 MOS管 控制溫濕度 傳感器 的工作狀態(tài) ，達(dá)到控制功耗的效果。 圖 DHT11 接口 通訊接口電路 為了在設(shè)計(jì)計(jì)步算法時(shí)， 為 獲取步伐的真實(shí)數(shù)據(jù)，我們?cè)黾恿藷o(wú)線模塊作為輔助調(diào)試手段，這樣可以加快調(diào)試進(jìn)度。同時(shí)我們?cè)O(shè)計(jì)了 用 一個(gè) P 溝道 MOS 管來(lái)控制對(duì)它的供電，以避免正常工作狀態(tài)下不必要的功率消耗。如 圖 所示。 22 圖 無(wú)線模塊接口電路 USB 接口 電路如 圖 ， USB 是差分信號(hào)傳輸。 這種傳輸方式可以增強(qiáng) USB數(shù)據(jù)傳輸?shù)目垢蓴_能力。 為實(shí)現(xiàn) 阻抗匹配， 在數(shù)據(jù)線上 各串聯(lián)一個(gè) 33Ω 的電阻 ，防止 差分信號(hào) 在高速傳輸過(guò)程中 ，由于阻抗不匹配，造成 信號(hào)反射。 圖 USB 接口 電路 小結(jié) 硬件設(shè)計(jì)不是一蹴而就的，需要反復(fù) 驗(yàn)證方案的可行性，同時(shí)要充分考慮到所需的硬件資源。由于傳感器為 QFN 封裝，腐蝕板達(dá)不到 它的 精度要求。我們的 PCB是發(fā)給 PCB 廠商做的，一共做了兩次。 第一次一味追求緊湊、小巧，導(dǎo)致 TSI 觸摸按鍵太小，干擾也很大。此外，芯片封裝偏小，非常不利于手工焊接。由于對(duì)芯片資源了解的不夠清晰，還有個(gè)別引腳連接錯(cuò)誤，最后被迫跳了幾根線。還有絲印層偏小、覆銅間距偏小、 RTC 晶振選型錯(cuò)誤等等問(wèn)題，如 圖 和 圖 所 示?！俺砸粔q長(zhǎng)一智” ， 第二個(gè)版本完美地解決了上述問(wèn)題，使得我對(duì)這一款 MCU 的硬件資源了解地更加透徹，同時(shí)自己的 PCB制作能力也得到了很大地提升。如 圖 和 圖 所示。 23 圖 計(jì)步器 正面 圖 計(jì)步器 背面 圖 計(jì)步器 正面 圖 計(jì)步器 背面 24 4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 軟件整體設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)思路 本次設(shè)計(jì)主要有 6 個(gè)功能，即計(jì)步算法的實(shí)現(xiàn)， Flash 存儲(chǔ) 運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù) ， USB 與上位機(jī)的通信，溫濕度傳感器的實(shí)現(xiàn)， TSI 電容觸摸按鍵的實(shí)現(xiàn)，及人機(jī)界面的設(shè)計(jì)。首先上電之后， 主界面 顯示當(dāng)前時(shí)間和溫 濕度。之后設(shè)置個(gè)人參數(shù)，輸入性別、步長(zhǎng)、體重。隨后切換界面，進(jìn)入計(jì)步狀態(tài)，加速度計(jì)正常工作，實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前步數(shù)、距離和 消耗的熱量 。計(jì)步完成 后 ， 可以將 信息存儲(chǔ)起來(lái)，下次上電之后可以調(diào)出該信息，計(jì)步器可記錄七天的運(yùn)動(dòng) 信息。將計(jì)步器與上位機(jī) 通過(guò) USB 數(shù)據(jù)線 連接后，可以通過(guò)上位機(jī)發(fā)送指令獲取計(jì)步信息，使其在上位機(jī)顯示出來(lái)。在沒(méi)有按鍵按下一段時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)關(guān)屏以降低功耗，在加速度計(jì)不工作時(shí)且沒(méi)有其他操作，系統(tǒng)經(jīng)過(guò)一段時(shí)間自動(dòng)進(jìn)入低功耗模式。本項(xiàng)目軟件部分采用模塊化設(shè)計(jì)的思想，把系統(tǒng)分為七個(gè)模塊，然后每個(gè)模塊對(duì)外留出接口，方 便其他模塊與其通信，每個(gè)模塊之間無(wú)不干擾，相對(duì)獨(dú)立。 設(shè)計(jì)流程圖 圖 為主程序流程圖。 首先初始化系統(tǒng)時(shí)鐘、 RTC 時(shí)鐘 ，配置 液晶屏 的初始界面，以及 加速度傳感器、溫濕度傳感器、 USB、 Flash 和個(gè)人信息配置 等初始化工作，并 取得電容觸摸按鍵無(wú)遮擋狀態(tài)下的電容值 。 然后進(jìn)入任務(wù)循環(huán)， 根據(jù)當(dāng)前的按鍵操作調(diào)用相應(yīng)的功能函數(shù)，如 若 在主界面，則正常顯示日期、時(shí)間，環(huán)境的溫濕度； 要開始運(yùn)動(dòng)， 則 使 加速度傳感器 處于激活狀態(tài)，并開始計(jì)步；若要 存 儲(chǔ)運(yùn)動(dòng)信息，則調(diào)用 Flash 讀寫函數(shù)。最后 若一段時(shí)間沒(méi)有使用計(jì)步器