【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 公司的EDA工具軟件，Proteus軟件有近20年的歷史，在全球廣泛使用，除了其具有和其它EDA工具一樣的原理布圖、PCB自動(dòng)或人工布線功能外，應(yīng)用最多的功能是單片機(jī)仿真。，從8位的51系列單片機(jī)到16位的430系列單片機(jī)，它的功能越來(lái)越強(qiáng)大，越來(lái)越實(shí)用，越來(lái)越受到電子設(shè)計(jì)人員的青睞。在教學(xué)方面，以零成本，高速仿真、方便快捷等優(yōu)勢(shì)見(jiàn)長(zhǎng)的proteus成為學(xué)生學(xué)習(xí)的主要軟件，不愧為一款非常優(yōu)秀的單片機(jī)仿真軟件[19]。Proteus另一優(yōu)勢(shì)在于，豐富的庫(kù)資源。它是完全和實(shí)踐相連接的，隨著現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)中，各種新器件的產(chǎn)生，proteus的庫(kù)資源也在不斷地更新。從簡(jiǎn)單的LED,各式各樣的數(shù)碼管，矩陣鍵盤(pán)與獨(dú)立按鍵，再到LCD顯示屏，各種各樣的單片機(jī)，令設(shè)計(jì)人員不在為缺少元器件無(wú)法仿真而感到苦惱。Proteus這些強(qiáng)大的功能主要服務(wù)于兩類(lèi)人：第一是老師和學(xué)生，為使學(xué)生更快的掌握簡(jiǎn)單的電路和編程技巧，做實(shí)物顯然過(guò)于麻煩，而且人員多需要購(gòu)買(mǎi)器件的費(fèi)用也太高。第二類(lèi)是電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)人員，他們需要先在仿真上看自己方案的正確性，檢查完畢后才能投入生產(chǎn)。Proteus與其它單片機(jī)仿真軟件不同的是，其它軟件仿真主要是仿真CPU,看CPU的工作狀態(tài)和運(yùn)行情況，而proteus重視的是外圍電路實(shí)現(xiàn)的效果。仿真軟件中CPU引腳被顯示為不同的顏色來(lái)表示電平的高和低，看引腳的顏色就能確定信號(hào)運(yùn)行到的位置。一般來(lái)說(shuō)，我們?cè)O(shè)計(jì)一樣產(chǎn)品，想實(shí)現(xiàn)它的功能，主要是驗(yàn)證它的電路和程序的正確性。例如在本設(shè)計(jì)中，我們想實(shí)現(xiàn)矩陣鍵盤(pán)和數(shù)碼管之間的操作和顯示，在proteus里可以清楚地看到單片機(jī)哪個(gè)引腳在工作，該信號(hào)一直傳送到什么位置才停止。這都為我們的設(shè)計(jì)在糾錯(cuò)和添加新功能方面帶來(lái)很大方便，所以我們的仿真軟件選擇proteus[16]。本設(shè)計(jì)主要是搭建一個(gè)嵌入式的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，所以會(huì)涉及到多個(gè)基礎(chǔ)的小實(shí)驗(yàn)，在用proteus仿真時(shí)，從單片機(jī)到一些外圍電路都可能有重復(fù)使用的現(xiàn)象，在proteus可對(duì)重復(fù)使用的對(duì)象進(jìn)行復(fù)制粘貼，使用起來(lái)非常方便。而且proteus庫(kù)文件非常的強(qiáng)大，支持430系列的單片機(jī)，不用像原理圖那樣自己畫(huà)圖。第三章 硬件電路設(shè)計(jì) 本章會(huì)詳細(xì)的介紹硬件電路各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)，并對(duì)各模塊的應(yīng)用做詳細(xì)的介紹。硬件電路設(shè)計(jì)在本設(shè)計(jì)的總體設(shè)計(jì)中非常重要，電路的正確性直接影響到仿真的正確性。這一章不僅介紹了各功能模塊，如矩陣鍵盤(pán)的原理和使用，數(shù)碼管電路設(shè)計(jì)和AD轉(zhuǎn)換、DA轉(zhuǎn)換的具體電路，以及具體芯片的應(yīng)用和工作環(huán)境，讓讀者對(duì)設(shè)計(jì)的思路和具體細(xì)節(jié)的東西進(jìn)行全面的了解。 電源模塊設(shè)計(jì)圖31 電源模塊設(shè)計(jì)，又考慮到硬件系統(tǒng)要求電源具有穩(wěn)壓功能和波紋小等特點(diǎn)，另外也考慮到硬件系統(tǒng)的低功耗等特點(diǎn)，因此該硬件系統(tǒng)的電源先用LM7805穩(wěn)壓為5V給外圍模塊電路供電，，如圖31所示。圖32 復(fù)位模塊設(shè)計(jì)MSP430單片機(jī)復(fù)位模塊有兩個(gè)復(fù)位信號(hào)，一個(gè)是上電復(fù)位信號(hào)POR和上電清除信號(hào)PUC。POR信號(hào)是器件復(fù)位信號(hào)，當(dāng)POR信號(hào)產(chǎn)生時(shí)必然會(huì)產(chǎn)生PUC信號(hào)；而PUC信號(hào)產(chǎn)生時(shí)不會(huì)產(chǎn)生POR信號(hào)。系統(tǒng)復(fù)位后RST/NMI管腳功能被設(shè)置為復(fù)位功能，所有I/O口功能被設(shè)置為輸入，外圍模塊被初始化為原始狀態(tài)，狀態(tài)寄存器SR復(fù)位，看門(mén)狗激活進(jìn)入工作模式，程序計(jì)數(shù)器PC載入0xFFFE處的地址，微處理器從此地址開(kāi)始執(zhí)行程序[9]。在我的設(shè)計(jì)中采用的就是簡(jiǎn)單的RC復(fù)位，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，系統(tǒng)上電后能很好的復(fù)位，使其處于穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，如圖32所示。 時(shí)鐘模塊設(shè)計(jì) 圖33 時(shí)鐘模塊設(shè)計(jì)單片機(jī)的工作是以時(shí)鐘為基準(zhǔn)的，時(shí)鐘電路是為單片機(jī)提供時(shí)鐘信號(hào)的電路，時(shí)鐘穩(wěn)定是系統(tǒng)穩(wěn)定的基礎(chǔ)。MSP430系列單片機(jī)時(shí)鐘模塊由高速晶體振蕩器、低速晶體振蕩器、數(shù)字控制振蕩器DCO、鎖頻環(huán)FLL以及鎖頻環(huán)增強(qiáng)版本FLL+等部件構(gòu)成。MSP430所有器件都有時(shí)鐘模塊，都能實(shí)現(xiàn)低功耗的要求。①高頻率，用于對(duì)系統(tǒng)硬件需求和外部事件快速反應(yīng)。②低頻率，用于降低電流消耗。③穩(wěn)定的頻率，以滿(mǎn)足定時(shí)應(yīng)用，如實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC。④低Q值振蕩器，用于保證開(kāi)始及停止操作最小時(shí)間延遲如圖35所示，XIN1和XOUT1連接時(shí)鐘晶體低速晶體32768Hz，XIN2和XOUT2連接8MHz的高速晶體。430單片機(jī)支持低功耗模式，在低頻模式下使用32768Hz的晶體，而且連接在引腳上時(shí)不需外加電容，在低頻模式下內(nèi)部集成了電容。當(dāng)使用高頻振蕩器時(shí)，選用8MHz晶振工作，而且XIN2和XOUT2外接電容，如圖，兩邊各接一個(gè)12pF的電容[14]。 FLASH存儲(chǔ)器電路設(shè)計(jì) 很多系統(tǒng)中都需要在本地保存大量的數(shù)據(jù)和一些常數(shù)，然后進(jìn)行本地處理。在實(shí)際應(yīng)用中，很多數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)量比較大，因此對(duì)系統(tǒng)的存儲(chǔ)容量有很高的要求，一般普通的EPROM或者FLASH的容量都很難滿(mǎn)足要求，所以我選擇的是大容量的M25P80，其特點(diǎn)如下：1. 是意法半導(dǎo)體公司推出的8M大容量串行接口Nand Flash器件；2. ~，深度休眠只需1uA的電流；3. 標(biāo)準(zhǔn)的SPI接口，器件在上升沿接收數(shù)據(jù)，在下降沿發(fā)送數(shù)據(jù)，接口時(shí)鐘最高為25MHz；4. M25P80共有16個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)有256個(gè)頁(yè)，每頁(yè)有256字節(jié)；5. 支持最大256字節(jié)的快速頁(yè)面編程操作（）、快速的塊（512Kb）擦出操作（典型時(shí)間2s）和快速的整體（8Mb）擦出操作（典型時(shí)間8s）；6. 每扇區(qū)擦除/編程周期超過(guò)100 000次，超過(guò)20年的存儲(chǔ)時(shí)間，并且具有操作暫停和硬件寫(xiě)保護(hù)功能[12]。圖34 存儲(chǔ)器模塊設(shè)計(jì)M25P80與MSP430F149單片機(jī)的硬件連接非常簡(jiǎn)單，主要是片選信號(hào)。串行數(shù)據(jù)輸入、輸出以及時(shí)鐘信號(hào)與F149的連接，如圖34所示。下面簡(jiǎn)單的介紹下M25P80的引腳功能：表31 M25P80引腳功能表引腳號(hào)引腳名稱(chēng)引腳功能1S片選信號(hào)，低電平有效2Q串行數(shù)據(jù)輸出3W寫(xiě)保護(hù)信號(hào)，低電平有效 4VSS電源地5D串行數(shù)據(jù)輸入6C串行時(shí)鐘7HOLD暫停信號(hào)，低電平有效8VCC正電源 ADC模塊設(shè)計(jì)在MSP430F1612單片機(jī)中有ADC12模塊，在該系單片機(jī)中ADC模塊為12位ADC模塊，叫做ADC12。ADC12模塊支持快速的12位AD轉(zhuǎn)換。ADC12應(yīng)用了12位SAR核、采樣選擇控制、參考產(chǎn)生和16位的轉(zhuǎn)換控制緩沖區(qū)。轉(zhuǎn)換控制緩沖區(qū)可以支持多達(dá)16個(gè)ADC采樣轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)。ADC12的主要特點(diǎn)如下：(1)最高的轉(zhuǎn)換速度超過(guò)200ksps；(2)12位無(wú)失碼轉(zhuǎn)換；(3)可以通過(guò)軟件或定時(shí)器來(lái)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換；(4)參考電壓源可以選擇外部電壓，也可以選擇內(nèi)部電壓；(5)；(6)8個(gè)可以獨(dú)立配置的外部信號(hào)的輸入通道；(7)4個(gè)內(nèi)部通道：溫度傳感器、AVCC、VeREF+以及Ref_x；(8)每個(gè)通道可獨(dú)立選擇正的或負(fù)極的參考電源；(9)可選擇轉(zhuǎn)換的時(shí)鐘源；(10)具有單通道單次轉(zhuǎn)換、單通道多次轉(zhuǎn)換、序列通道單次轉(zhuǎn)換、序列通道多次轉(zhuǎn)換4種轉(zhuǎn)換模式。(11)ADC內(nèi)核以及參考電壓源能夠根據(jù)需要分別關(guān)閉；(12)具有可以快速解碼ADC中斷的中斷向量寄存器；ADC12由SAR內(nèi)核、采集時(shí)鐘電路、參考電壓發(fā)生器、采樣保持電路以及時(shí)間定時(shí)電路、多路模擬信號(hào)選擇器、轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲(chǔ)器以及轉(zhuǎn)換結(jié)果緩沖器組成。AD 轉(zhuǎn)換首先要選擇ADC轉(zhuǎn)換時(shí)鐘、參考電壓和轉(zhuǎn)換模式等，然后打開(kāi)中斷，啟動(dòng)ADC轉(zhuǎn)換，進(jìn)入中斷或查詢(xún)轉(zhuǎn)換完標(biāo)志，采樣轉(zhuǎn)換時(shí)序，轉(zhuǎn)換結(jié)果緩存及讀取AD轉(zhuǎn)換值。 DAC模塊設(shè)計(jì) TLC5615是TI公司設(shè)計(jì)的串行10位D/A轉(zhuǎn)換芯片，性能比早期電流型輸出的DAC要好。它只需要通過(guò)3根總線就可以完成10位數(shù)據(jù)的串行輸入，易于與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的微處理器或微控制器（單片機(jī)）接口，適用于電池供電的測(cè)試儀表、移動(dòng)電話(huà)，也適用于數(shù)字失調(diào)與增益調(diào)整以及工業(yè)控制場(chǎng)合。其主要特點(diǎn)如下：（1） 單5V電源工作；（2） 3線串行接口；（3） 高阻抗輸入端；（4） DAC輸出的最大電壓為基準(zhǔn)輸入電壓的2倍；（5） 上電時(shí)內(nèi)部自動(dòng)復(fù)位；（6） 微功耗：。（7） 轉(zhuǎn)換速率快：；（8） 。圖35 DAC模塊圖35為T(mén)LC5615的硬件連接圖，輸出電路采用RC低通濾波，濾除DAC本身的高頻干擾。TLC5615的引腳功能圖如表32：表32 TLC5615引腳功能表引腳號(hào)引腳名稱(chēng)功能1DIN串行二進(jìn)制數(shù)輸入端2SCLK串行時(shí)鐘輸入端3CS~芯片選擇，低電平有效4DOUT用于級(jí)聯(lián)的串行數(shù)據(jù)輸出5GND模擬地6REFIN基準(zhǔn)電壓輸入端7OUT模擬電壓輸出端8VDD正電源電壓端 TLC5615最大串行時(shí)鐘速率為：F(sclk)max=1/Tw(ch)+Tw(cl)=14MHz。 TLC5615內(nèi)部自帶2倍放大電路，輸出電壓為： Vout=2Vrefin*N/1024。其中，Vrefin是參考電壓，N為輸入的二進(jìn)制數(shù)[17]。 蜂鳴器設(shè)計(jì)圖36 蜂鳴器模塊圖36是一個(gè)簡(jiǎn)單的蜂鳴器驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)，在其兩端加上直流電壓就可以發(fā)聲。三極管起開(kāi)關(guān)作用，其基極的高電平使三極管飽和導(dǎo)通，使蜂鳴器發(fā)聲；而基極的低電平使三極管關(guān)閉，蜂鳴器停止發(fā)聲。 矩陣鍵盤(pán)設(shè)計(jì) 矩陣式鍵盤(pán)介紹矩陣式鍵盤(pán)控制系統(tǒng)可以提高效率，是進(jìn)行按鍵操作管理的有效方法，它可以提高系統(tǒng)準(zhǔn)確性，有利于資源的節(jié)約，降低對(duì)操作者本身的要求。并能正確、實(shí)時(shí)、高效地顯示按鍵信息，以提高工作效率和資源利用率。矩陣式鍵盤(pán)是當(dāng)今使用最為廣泛的鍵盤(pán)模式，該系統(tǒng)以N個(gè)端口連接控制N*N個(gè)按鍵，并通過(guò)單片機(jī)，顯示在LED數(shù)碼管上。單片機(jī)控制鍵盤(pán)顯示系統(tǒng)，可以對(duì)不同的按鍵進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，其核心是單片機(jī)、鍵盤(pán)矩陣電路和數(shù)碼管顯示電路。4*4矩陣式鍵盤(pán)以AT89C51單片機(jī)為核心，主要由矩陣式鍵盤(pán)電路、顯示電路等組成，軟件選用C語(yǔ)言編程。單片機(jī)將檢測(cè)到的按鍵信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，顯示于LED顯示器上。該系統(tǒng)靈活性強(qiáng)，易于操作，可靠性高，廣泛應(yīng)用于各種場(chǎng)合。矩陣式鍵盤(pán)（或者叫行列式鍵盤(pán)）常應(yīng)用在按鍵數(shù)量比較多的系統(tǒng)之中。這種鍵盤(pán)由行線和列線組成，按鍵設(shè)置在行、列結(jié)構(gòu)的交叉點(diǎn)上，行、列線分別接在按鍵開(kāi)關(guān)的兩端。行列式鍵盤(pán)可分為非編碼鍵盤(pán)和編碼鍵盤(pán)兩大類(lèi)。編碼鍵盤(pán)內(nèi)部設(shè)有鍵盤(pán)編碼器，被按下鍵的鍵號(hào)由鍵盤(pán)編碼器直接給出，同時(shí)具有防抖和解決重鍵的功能。非編碼鍵盤(pán)通常采用軟件的方法，逐行逐列檢查鍵盤(pán)狀態(tài)，當(dāng)有鍵按下時(shí)，通過(guò)計(jì)算或查表的方法獲取該鍵的鍵值，通常，計(jì)算機(jī)通過(guò)程序控制對(duì)鍵盤(pán)掃描，從而獲取鍵值，根據(jù)計(jì)算機(jī)掃描的方法可以分為定時(shí)掃描法和中斷掃描法兩種[2]。本系統(tǒng)中的4*4矩陣式鍵盤(pán)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，按鍵數(shù)較少，采用非編碼式鍵盤(pán)，當(dāng)有鍵按下時(shí)，由單片機(jī)通過(guò)程序掃描確定鍵值，并將獲得的鍵值通過(guò)LED數(shù)碼管顯示出來(lái)，4*4矩陣式鍵盤(pán)結(jié)構(gòu)及鍵值分布如圖37：圖37 矩陣鍵盤(pán)模塊 鍵盤(pán)掃描原理為了更加貼近實(shí)際應(yīng)用，本系統(tǒng)采用中斷式掃描法，這樣可以節(jié)約單片機(jī)開(kāi)銷(xiāo)，提高單片機(jī)工作效率，使得單片機(jī)在沒(méi)有鍵盤(pán)輸入時(shí)可以處理其他工作，其具體工作過(guò)程為：在沒(méi)有鍵按下時(shí)矩陣鍵盤(pán)行線接高電平，列線接低電平，當(dāng)某個(gè)鍵被按下時(shí)，該按鍵所在行線電位被拉低，觸發(fā)單片機(jī)的外部中斷INT0，進(jìn)入中斷子程序，在中斷程序中，單片機(jī)對(duì)矩陣鍵盤(pán)進(jìn)行掃描以確定按下的鍵值，掃描過(guò)程如下：1. 檢測(cè)行線電平，確定是否有按鍵被按下；2. 延時(shí)去抖動(dòng)；3. 重新確認(rèn)是否有按鍵被按下，若有，掃描鍵值，若沒(méi)有，返回主程序；4. 掃描鍵值，首先行線接高電平，列線接低電平，對(duì)行線電平進(jìn)行檢測(cè)，以確定按下的鍵所在的行；5. 行線接低電平，列線接高點(diǎn)平，對(duì)列線電平進(jìn)行檢測(cè)，確定按下的鍵所在的列；6. 將掃描所得的按鍵值送入功能模塊。 數(shù)碼管設(shè)計(jì) 數(shù)碼管是顯示模塊最常用的一種器件，由來(lái)已久，種類(lèi)樣式繁多。在硬件電路圖38 數(shù)碼管模塊設(shè)計(jì)方面早已成熟，圖38是一種典型的電路設(shè)計(jì)，74HC573是一種鎖存器，在這里負(fù)責(zé)編程時(shí)的段鎖存和位鎖存。主要體現(xiàn)在功能方面，讓哪個(gè)數(shù)碼管亮，該數(shù)碼管顯示什么數(shù)值，都必須體現(xiàn)在程序編寫(xiě)當(dāng)中，程序與硬件電路對(duì)應(yīng)，才能設(shè)計(jì)出自己想要的產(chǎn)品。如圖38所示，數(shù)碼管用74HC573進(jìn)行段鎖存和位鎖存，它是八個(gè)鎖存器都是透明的D 型鎖存器。當(dāng)使能為低時(shí)，輸出將鎖存在已建立的數(shù)據(jù)電平上。輸出控制不影響鎖存器的內(nèi)部工作，即老數(shù)據(jù)可以保持，甚至當(dāng)輸出被關(guān)閉時(shí)，新的數(shù)據(jù)也可以置入。這種電路可以驅(qū)動(dòng)大電容或低阻抗負(fù)載，可以直接與系統(tǒng)總線接口并驅(qū)動(dòng)總線，而不需要外接口。特別適用于緩沖寄存器，I/O 通道，雙向總線驅(qū)動(dòng)器和工作寄存器。 JTAG下載線介紹 圖39 JTAG下載口 硬件仿真采用JTAG下載線，因?yàn)镮AR軟件支持JTAG下載線在線調(diào)試，本設(shè)計(jì)是仿真器通過(guò)PC機(jī)的并口仿真。如圖39所示，JTAG接口是一個(gè)十四引腳的雙排插座。 USB接口設(shè)計(jì)圖310 USB模塊如圖310，F(xiàn)T245芯片主要功能是進(jìn)行USB和并行I/O口之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換。一方面它可從主機(jī)接收USB數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)換為并行I/O口的數(shù)據(jù)流格式發(fā)送給外設(shè)；另一方面外設(shè)可通過(guò)并行I/O口將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為USB數(shù)據(jù)格式傳回主機(jī)。中間的轉(zhuǎn)換工作全部由芯片自動(dòng)完成。 4 軟件設(shè)計(jì)本章主要介紹具體程序的流程圖，一些具體程序模塊的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。這主要是設(shè)計(jì)思路的一個(gè)體現(xiàn)，在程序編寫(xiě)前這是一個(gè)必要的環(huán)節(jié)，研究各個(gè)器件的用法，編程的具體方法和引腳定義等。 LED閃爍程序設(shè)計(jì)延時(shí)開(kāi)始關(guān)看門(mén)狗，初始化時(shí)鐘初始化I/O軟件消抖延時(shí)點(diǎn)亮LED熄滅LED圖41