【文章內(nèi)容簡介】 CPU，各種容量的 ROM、 RAM 以及功能各異的 I/O 接口電路等等，但是，單片機的品種規(guī)格仍然有限，所以只能選用某種單片機來進行擴展。擴展的方法有兩種：一種是并行總線，另一種是串行總線。由于串行總線的連線少，結(jié)構(gòu)簡單，往往不用專門的母板和插座而直接用導(dǎo)線連接各個設(shè)備。因此，采用串行線可大大簡化系統(tǒng)的硬件設(shè)計。PHILIPS 公司早在十幾年前就推出了 I2C 串行總線，利 用該總線可實現(xiàn)多主機系統(tǒng)所需的裁決和高低速設(shè)備同步等功能。因此，這是一種高性能的串行總線。 I2C 串行總線一般有兩根信號線，一根是雙向的數(shù)據(jù)線 SDA，另一根是時鐘線 SCL。所有接到 I2C 總線設(shè)備上的串行數(shù)據(jù) SDA 都接到總線的 SDA 上，各設(shè)備的時鐘線 SCL 接到總線的 SCL 上。 為了避免總線信號的混亂，要求各設(shè)備連接到總線的輸出端時必須是漏極開路（ OD）輸出或集電極開路（ OC）輸出。設(shè)備上的串行數(shù)據(jù)線 SDA 接口電路應(yīng)該是雙向的，輸出電路用于向總線上發(fā)送數(shù)據(jù)，輸入電路用于接收總線上的數(shù)據(jù)。而串行時鐘線也應(yīng)是雙向的， 作為控制總線數(shù)據(jù)傳送的主機，一方面要通過 SCL 輸出電路發(fā)送時鐘信號，另一方面還要檢測總線上的 SCL 電平，以決定什么時候發(fā)送下一個時鐘脈沖電平；作為接受主機命令的從機，要按總線上的 SCL 信號發(fā)出或接收 SDA 上的信號，也可以向 SCL 線發(fā)出低電平信號以延長總線時鐘信號周期。總線空閑時，因各設(shè)備都是開漏輸出，上拉電阻Rp 使 SDA 和 SCL 線都保持高電平。任一設(shè)備輸出的低電平都將使相應(yīng)的總線信號線變低，也就是說：各設(shè)備的 SDA 是“與”關(guān)系， SCL 也是“與”關(guān)系?？偩€對設(shè)備接口電路的制造工藝和電平都沒有特殊的要求（ NMOS、 CMOS 都可以兼容）。在 I2C 總線上的數(shù)據(jù)傳送率可高達每秒十萬位，高速方式時在每秒四十萬位以上。另外，總線上允許連接的設(shè)備數(shù)以其電容量不超過 400pF 為限?？偩€的運行（數(shù)據(jù)傳輸）由主機控制。所謂主機是指啟動數(shù)據(jù)的傳送（發(fā)出啟動信號）、發(fā)出時鐘信號以及傳送結(jié)束時發(fā)出停止信號的設(shè)備，通常主機都是微處理器。被主機尋訪的設(shè)備稱為從機。為了進行通訊，每個接到 I2C 總線的設(shè)備都有一個唯一的地址，以便于主機尋訪。主機和從機的數(shù)據(jù)傳送，可以由主機發(fā)送數(shù)據(jù)到從機，也可以由從機發(fā)到主機。凡是發(fā)送數(shù)據(jù)到總線的設(shè)備稱為發(fā)送器， 從總線上接收數(shù)據(jù)的設(shè)備被稱為接受器。 在 I2C 總線傳輸過程中，將兩種特定的情況定義為開始和停止條件（見圖 ）：當(dāng) SCL保持“高”時， SDA 由“高”變?yōu)椤暗汀睘殚_始條件；當(dāng) SCL 保持“高”且 SDA 由“低”變?yōu)椤案摺睍r為停止條件。開始和停止條件均由主控制器產(chǎn)生。使用硬件接口可以很容易地檢測到開始和停止條件，沒有這種接口的微機必須以每時鐘周期至少兩次對 SDA 取樣，以檢測這種變化。 武漢工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 (論文 )說明書 (封面無 ) 13 圖 IIC 開始 、 停止時序圖 RS23 RS485 簡介 RS232 是美國電子工業(yè)協(xié)會 EIA（ Electronic Industry Association）制定的一種串行物理接口標(biāo)準。 RS 是英文“推薦標(biāo)準”的縮寫， 232 為標(biāo)識號 。 RS232 標(biāo)準規(guī)定的數(shù)據(jù)傳輸速率為 50、 7 100、 150、 300、 600、 1200、 2400、 4800、 9600、 19200、 38400 波特。 工業(yè)一般使用 9600pbs 較多。 在串行通訊時，要求通訊雙方都采用一個標(biāo)準接口，使不同的設(shè)備可以方便地連接起來進行通訊。 RS232C 接口 (又稱 EIARS232C)是目前最常用的一種串行通訊接口。 (“ RS232C”中的“ C”只不過表示 RS232 的版本，所以與“ RS232”簡稱是一樣的 )。 在 RS232C 中任何一條信號線的電壓均為負邏輯關(guān)系。即：邏輯“ 1”為 3 到 15V。邏輯“ 0”為 +3 到 +15V。在 RS232C 中任何一條信號線的電壓均為負邏輯關(guān)系。即：邏輯“ 1”為 3 到 15V。邏輯“ 0”為 +3 到 +15V。 RS232 端口的缺點也很明顯 ， 例如 ： 接口的信號電平值較高，易損壞接口電路的芯片，又因為與 TTL 電平不兼容故需使用電平轉(zhuǎn)換電路方能與 TTL 電路連接。 傳輸速率較低，在異步傳輸時，波特率為 20Kbps。因此在“南方的老樹 51CPLD 開發(fā)板”中，綜合程序波特率只能采用 19200，也是這個原因。 接口使用一根信號線和一根信號返回線而構(gòu)成共地的傳輸形式，這種共地傳輸容易產(chǎn)生共模干擾，所以抗噪聲干擾性弱。 傳輸距離有限，最大傳輸距離標(biāo)準值為 50 英尺，實際上也只能用在 50 米左右。 (通過外接 RS232 增強器可將傳輸距離擴大到 1000 米左右 )。 RS485 采用差分信號負邏輯， 2V～ 6V 表示 “1”， +2V～ +6V 表示 “0”。 RS485 有兩線制和四線制兩種接線，四線制只能實現(xiàn) 點對點 的通信方式，現(xiàn)很少采用，現(xiàn)在多采用的是兩線制接線方式，這種接線方式為 總線 式拓撲結(jié)構(gòu)在同一總線上最多可以掛接 32 個結(jié)點。在RS485 通信網(wǎng)絡(luò) 中 一般采用的是主從通信方式，即一個 主機 帶多個從機。很多情況下，連接RS485 通信鏈路時只是簡單地用一對雙絞線將各個接口的 “A”、 “B”端連接起來。而忽略了信號地的連接，這種連接方法在許多場合是能正常工作的，但卻埋下了很大的隱患，這有二個原因： (1)共模干擾問題： RS485 接口采用差分方式傳輸信號方式，并不需要相對于某個參照點來檢測信號，系統(tǒng)只需檢測兩線之間的電位差就可以了。 但人們往往忽視了收發(fā)器有一定的共模電壓范圍， RS485 收發(fā)器共模電壓范圍為 7～ +12V，只有滿足上述條件，整個網(wǎng)絡(luò)才能正常工作。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)線路中共模電壓超出此范圍時就會影響通信的穩(wěn)定可靠，甚至損壞接口。 (2)EMI 問題：發(fā)送驅(qū)動器輸出信號中的共模部分需要一個返回通路，如沒有一個武漢工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 (論文 )說明書 (封面無 ) 14 低阻的返回通道（信號地），就會以輻射的形式返回源端，整個 總線 就會像一個巨大的天線向外輻射電磁波。 RS485 網(wǎng)絡(luò)： RS485/MODBUS 是現(xiàn)在流行的一種布網(wǎng)方式，其特點是實施簡單方便 ，而且現(xiàn)在支持 RS485 的儀表又特多，特別是在油品行業(yè) RS485/MODBUS 簡直是一統(tǒng)天下，現(xiàn)在的儀表商也紛紛轉(zhuǎn)而支持 RS485/MODBUS，原因很簡單，原來的 HART儀表想買一個轉(zhuǎn)換口非常困難 而且價格昂貴， RS485 的轉(zhuǎn)換接口就便宜的多而且種類繁多。至少在低端市場 RS485/MODBUS 還將是最主要的組網(wǎng)方式，近兩三年內(nèi)不會改變 。 CAN 總線簡介 CAN(Controller Area Network)， 中文名稱為控制器局域網(wǎng)絡(luò)，通常稱為 CAN bus，即 CAN總線。是由德國 BOSCH(博世 )公司研究開發(fā)的，現(xiàn)已成為 ISO 國際標(biāo)準化的串行通信協(xié)議，是目前在國際上應(yīng)用最廣泛的開放式現(xiàn)場總線之一。 在當(dāng)前的汽車產(chǎn)業(yè)中，出于對安全性、舒適性、方便性、低公害、低成本的要求，各種各樣的電子控制系統(tǒng)被開發(fā)了出來。由于這些系統(tǒng)之間通信所用的數(shù)據(jù)類型及對可靠性的要求不盡相同，由多條總線構(gòu)成的情況很多，線束的數(shù)量也隨之增加。為適應(yīng)“減少線束的數(shù)量”、“通過多個 LAN，進行大量數(shù)據(jù)的高速通信”的需要， 1986 年德國電氣商博世 公司開發(fā)出面向汽車的 CAN 通信協(xié)議。此后， CAN 通過 ISO11898 及 ISO11519 進 行了標(biāo)準化，現(xiàn)在在歐洲已是汽車網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準協(xié)議?，F(xiàn)在， CAN 的高性能和可靠性已被認同，并被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動化、船舶、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)設(shè)備等方面。圖 是車載網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)想示意圖。 CAN 等通信協(xié)議的開發(fā)，使多種 LAN 通過網(wǎng)關(guān)進行數(shù)據(jù)交換得以實現(xiàn)。 圖 車載網(wǎng)絡(luò)構(gòu)想 在硬件部分 ， 汽車節(jié)點 ECU 的開發(fā)可以選擇帶有在片 CAN 的微控制器，也可以選擇其它微控制器和相應(yīng)的片外 CAN 控制器、收發(fā)器。 本文以后者為例說明 ECU 的開發(fā)。帶有 CAN 接口的 ECU 設(shè)計是總線開發(fā)的核心與關(guān)鍵，其中 ECU 的 CAN 總線模塊有幾個功能單元構(gòu)成 ――CAN 控制器和 CAN 收發(fā)器。 CAN 控制器執(zhí)行完整的 CAN 協(xié)議，完成通訊功能，包括信息緩沖和接收濾波。 CAN 控制器與物理總線之間需要一個接口 ――CAN 收發(fā)器，它實現(xiàn) CAN 控制器與總線之間邏輯電平信號的轉(zhuǎn)換。 CAN 控制器和收發(fā)器完成 CAN物理層和邏輯電路層的所有功能。應(yīng)用層的功能則由軟件來實現(xiàn)。各節(jié)點的 ECU 主要由武漢工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 (論文 )說明書 (封面無 ) 15 MCU、 DSP、 CAN 控制器 SJA1000、 CAN 收發(fā)器 PCA2C250 和其它外圍器件構(gòu)成。 在軟件部分 ， CAN 設(shè)計的三層結(jié)構(gòu)模型為：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的功能由 CAN 接口器件完成，包括硬件電路和通訊協(xié)議兩部分。 CAN 通訊協(xié)議規(guī)定了四種不同用處的網(wǎng)絡(luò)通訊幀，即數(shù)據(jù)幀、遠程幀、錯誤指示幀和超載幀。 CAN 通訊協(xié)議的實現(xiàn)，包括各種通訊幀的組織和發(fā)送，均是由集成在 SJA1000 通訊控制器中的電路實現(xiàn)的，因此系統(tǒng)的開發(fā)主要在應(yīng)用層的設(shè)計上。應(yīng)用層軟件的核心部分是 CPU 與 SJA1000 通訊控制器之間的數(shù)據(jù)接收和發(fā)送程序，即 CPU 把待發(fā)的數(shù)據(jù)發(fā)給 SJA1000 通訊控 制器，再由 SJA1000通訊控制器發(fā)到總線上；當(dāng) SJA1000 通訊控制器從總線接受到數(shù)據(jù)后， CPU 再把數(shù)據(jù)取走。對于單片機而言，操作 SJA1000 就象訪問外部 RAM 一樣簡單。首先，應(yīng)對 SJA1000 中的有關(guān)控制寄存器寫入控制字，進行初始化。之后， CPU 即可通過 SJA1000 接收 /發(fā)送緩沖區(qū)向物理總線接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。 觸摸屏的選擇及接口電路的設(shè)計 現(xiàn)如今 ， 市場普通使用的是四線電阻式觸摸屏 。 其高解析度 ， 高速傳輸反應(yīng)一直都受到各界人士的青睞 。 但是這已經(jīng)滿足不了市場的需求了 ， 自從電容觸摸屏的面世 ， 其高效的觸摸計算方式更有取代電阻屏的趨勢 ， 電容式觸摸屏技術(shù)是利用人體的電流感應(yīng)進行工作的。電容式觸摸屏是一塊四層復(fù)合玻璃屏，玻璃屏的內(nèi)表面和夾層各涂有一層 ITO，最外層是一薄層矽土玻璃保護層，夾層 ITO 涂層作為工作面，四個角上引出四個電極，內(nèi)層 ITO 為屏蔽層以保證良好的工作環(huán)境。 當(dāng)手指觸摸在金屬層上時，由于人體電場，用戶和觸摸屏表面形成以一個耦合電容，對于高頻電流來說，電容是直接導(dǎo)體，于是手指從接觸點吸走一個很小的電流。這個電流分別從觸摸屏的四角上的電極中流出，并且流經(jīng)這四個電極的電流與手指到四角的距離成正比，控制 器通過對這四個電流比例的精確計算，得出觸摸點的位置。其多點觸摸的功能更讓電容觸摸屏技術(shù)更上一層樓。在此，本課題決定選擇敦泰的 FT5206驅(qū)動電容觸摸屏，支持 5 點同時觸摸，使用 IIC 讀取數(shù)據(jù)。電路圖如下 所示： 圖 電容觸摸屏接口電路 圖 觸摸屏與 STM32 接口匹配 武漢工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 (論文 )說明書 (封面無 ) 16 在顯示部分 ， 使用 SSD1963 作為液晶驅(qū)動電路。 ssd1963 是 1215k 字節(jié)幀緩沖顯示控制器，支持 864 x 480 x 24 位圖形內(nèi)容。它也配有不同寬度并行接口總線來接收圖形數(shù)據(jù)和命令從單片機。它的顯示 界面，支持常見的內(nèi)存更少的 LCD 驅(qū)動器 , 每 — 像素的顏色深度可達 24 比特。 支持 8 位串行 RGB 接口， 0、 90176。、 180176。、 270176。硬件旋轉(zhuǎn) ， 硬件顯示鏡像 ， 包含 4 個通用 I/O 口，內(nèi)置時鐘發(fā)生器，動態(tài)背光控制（ DBC），具體驅(qū)動電路如下圖 所示： 圖 SSD1963 驅(qū)動電路 下載電路 CH340 是一個 USB 總線的轉(zhuǎn)接芯片，實現(xiàn) USB 轉(zhuǎn)串口、 USB 轉(zhuǎn) IrDA 紅外或者 USB轉(zhuǎn)打印口。在串口方式 下， CH340 提供常用的 MODEM 聯(lián)絡(luò)信號，用于為計算機擴展異步串口，或者將普通的串口設(shè)備直接升級 到 USB 總線。 STM32 是 支持串口 下載與 調(diào)試 的 ， 本課題選用 CH340G 作為串口調(diào)試 IC，如下圖 所示： 圖 串口下載電路 電源管理電路 對于電源輸入端 ， 首先應(yīng)考慮的應(yīng)該是紋波要求 ， 紋波太大很容易對板載電路產(chǎn)生程度不一的損壞 ， 這里第一級就是濾波電路 。 然后通過一個 TVS 管防靜電，靜電對電子設(shè)備的損壞是隨時都能發(fā)生的，我們應(yīng)做好必要的保護措施。接著，必須是放反接電路，由電源反武漢工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 (論文 )說明書 (封面無 ) 17 接引起的損失是可以避免的，簡單的可以通過串聯(lián)一個二極管保證， 正常工作時二極管正向?qū)?，反向電壓時二極管截止； 盡量選擇壓降小的二極管 ,以減少系統(tǒng)供電低時對系統(tǒng)的影響。 由于二極管正向壓降基本不變，因此隨著正常工作電流增加，消耗在二極管上的功率也要相應(yīng)增加。不適用于工業(yè)應(yīng)用，本設(shè)計選擇使用承受電壓電流能力更強的 P 溝道 MOSFET電路。正常工作時首先電流正向經(jīng)過體二極管， source 端電壓 接近 24V， Gate 端電壓為零，相對于 Source端是負電壓，