【文章內(nèi)容簡介】 包 括 掃 描 顯 示 、 特 效 處 理 和 I2C 通信三 部 分 。三 顯 示 模 塊 CPU 的 RAM 中開辟出 32 字節(jié)作為顯示緩沖 區(qū) ，掃 描 顯 示 程 序 只 是 定 時(shí) 從 顯 示 緩 沖 區(qū) 中 取 數(shù) 據(jù) 發(fā) 往 移 動(dòng) 寄存 器 ，并 設(shè) 置 相 對(duì) 應(yīng) 的 掃 描 線 ，實(shí) 現(xiàn) 一 次 掃 描 。掃 描 顯 示 并 不 識(shí)別緩沖區(qū)里的數(shù)據(jù)是什么。掃描是利用了人眼的圖象滯留效果，如 果 掃 描 頻 率 達(dá) 到 60Hz 以上，對(duì)掃描頻率的波動(dòng)就不大敏感了 ，所 以 這 里 的 掃 描 顯 示 程 序 沒 有 使 用 定 時(shí) 器 中 斷 ，僅 由 循 環(huán) 完成。 控 制 模 塊 程 序 包 括 與 顯 示 模 塊 的 I2C 通信，與 EEPROM 的I2C 通 信 ，與 計(jì) 算 機(jī) 的 串 行 通 信 ，數(shù) 據(jù) 的 地 址 計(jì) 算 ，外 界 光 強(qiáng) 度檢 測 幾 個(gè) 部 分 。 如 果 是 靜 態(tài) 顯 示 ， 則 控 制 模 塊 僅 接 收 到 命 令 后 傳 送 一 次 數(shù) 據(jù)就 進(jìn) 入 空 閑 等 待 ： 如 果 是 閃 爍 、 滾 動(dòng) 等 顯 示 ， 則 需 要 定 時(shí) 從EEPROM 中取數(shù)據(jù)發(fā)生各顯示模塊。 PC 機(jī)部分的程序主要是點(diǎn)陣編輯功能和 RS232 通信功能。點(diǎn) 陣 編 輯 不 僅 可 以 寫 各 種 字 體 的 字 符 ， 還 可 以 繪 制 簡 單 圖 形 ；RS232 通信不僅包括所有可以用鍵盤實(shí)現(xiàn)的功能外，還可以直接在顯示屏上顯示圖形而不用先保存到控制模塊中，實(shí)現(xiàn)即時(shí)的信息 發(fā) 布 。 本 系 統(tǒng) 對(duì) 常 用 的 LED 大屏幕顯示裝置作了規(guī)范化、模塊化的有益嘗試，并已應(yīng)用在交通狀況顯示場合，取得了良好效果，證 明 該 設(shè) 計(jì) 是 合 理 可 行 的 。 由 于 設(shè) 計(jì) 時(shí) 為 使 用 保 留 了 很 大 自 由芳 ，使 得 它 可 以 靈 活 組 合 運(yùn) 用 于 各 種 不 同 需 求 的 場 合 ，而 不 必 重 復(fù) 設(shè) 計(jì) ，有 效 節(jié) 約 了 資 源 。由 于 最 初 本 系 統(tǒng) 對(duì) 應(yīng) 一 個(gè) 比 較 小 的 顯示 屏 ， 怕 以 選 用 了 I2C 總線，如果要做相當(dāng)大的顯示零還可以換成 RS485 等總線，提供更大的擴(kuò)展余地。此外基于這個(gè)設(shè)計(jì)思 路 ， 還 可 以 進(jìn) 一 步 開 發(fā) 彩 色 LED 大屏幕顯示屏等產(chǎn)品。 第 二 章 單 片 機(jī) 系 統(tǒng) 硬 件 設(shè) 計(jì) 片 機(jī) 硬 件 設(shè) 計(jì) 的 參 數(shù) 影 響 隨著單片機(jī)的頻率和集成度、單位面積的功率及數(shù)字信號(hào)速度 的 不 斷 提 高 ，而 信 號(hào) 的 幅 度 卻 不 斷 降 低 ，原 先 設(shè) 計(jì) 好 的 、使 用很穩(wěn)定的單片機(jī)系統(tǒng)，現(xiàn)在可能出現(xiàn)莫名其妙的錯(cuò)誤，分析原因，又找不出問題所在。另外，由于市場的需求，產(chǎn)品需要采用高速單 片 機(jī) 來 實(shí) 現(xiàn) ， 設(shè) 計(jì) 人 員 如 何 快 速 掌 握 高 速 設(shè) 計(jì) 呢 ? 硬件設(shè)計(jì)包括邏輯設(shè)計(jì)和可靠性的設(shè)計(jì)。邏輯設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)功能。硬件設(shè)計(jì)工程師可以直接通過驗(yàn) 證功能是否實(shí)現(xiàn)，來判定是否滿足需 求 。這 方 面 的 資 料 相 當(dāng) 多 ，這 里 就 不 敘 述 了 。硬 件 可 靠 性 設(shè) 計(jì) ，主要表現(xiàn)在電氣、熱等關(guān)鍵參數(shù)上。我將這些歸納為特性阻抗、SI、 PI、 EMC、熱設(shè)計(jì)等 5 個(gè)部分。 1 特性阻抗 在 高 頻 情 況 下 ，印 制 板（ PCB）上 傳 輸 信 號(hào) 的 銅 導(dǎo) 線 可 被 視 為由一連串等效電阻及一并聯(lián)電感所組合而成的傳導(dǎo)線路，如圖 1 所 示 。只 考 慮 雜 散 分 布 的 串 聯(lián) 電 感 和 并 聯(lián) 電 容 的 效 應(yīng) ，會(huì) 得 到 以下公式： 在 PCB 的特性阻抗設(shè)計(jì)中，微帶線結(jié)構(gòu)是最受歡迎的，因而得到最廣泛的推廣與應(yīng)用。最常使用的微帶線結(jié)構(gòu)有 4 種 ：表 面微帶線（ surface microstrip）、嵌入式微帶線（ embedded microstrip）、帶 狀 線（ stripline）、雙 帶 線（ dualstripline）。下面只說明表面微帶線結(jié)構(gòu)，其它幾種可參考相關(guān)資料。表面微帶 線 模 型 結(jié) 構(gòu) 如 圖 2 所示。 Z0 的 計(jì) 算 公 式 如 下 ： 對(duì) 于 差 分 信 號(hào) ， 其 特 性 阻 抗 Zdiff 修正公式如下： 公式中： —— PCB 基材的介電常數(shù)； b—— PCB 傳輸導(dǎo)線線寬； d1—— PCB 傳輸導(dǎo)線線厚； d2—— PCB 介質(zhì)層厚度； D—— 差分線對(duì)線邊沿之間的線距。 2 信 號(hào) 完 整 性 （ SI） SI 是 指 信 號(hào) 在 電 路 中 以 正 確 的 時(shí) 序 和 電 壓 作 出 響 應(yīng) 的 能 力 。如果電路中的信號(hào)能夠以要求的時(shí)序、持續(xù)時(shí)間和電壓幅度到達(dá)IC，則 該 電 路 具 有 較 好 的 信 號(hào) 完 整 性 。反 之 ，當(dāng) 信 號(hào) 不 能 正 常 響應(yīng) 時(shí) ，就 出 現(xiàn) 了 信 號(hào) 完 整 性 問 題 。從 廣 義 上 講 ，信 號(hào) 完 整 性 問 題主要表現(xiàn)為 5 個(gè) 方 面 ：延 遲 、反 射 、串 擾 、同 步 切 換 噪 聲 和 電 磁兼容性。 由于 PCB 板上的任何兩個(gè)器件或?qū)Ь€之間都存在互容和互感，因 此 ，當(dāng) 一 個(gè) 器 件 或 一 根 導(dǎo) 線 上 的 信 號(hào) 發(fā) 生 變 化 時(shí) ，其 變 化 會(huì) 通過互容和互感影響其 它 器 件 或 導(dǎo) 線 ，即 串 擾 。串 擾 的 強(qiáng) 度 取 決 于器 件 及 導(dǎo) 線 的 幾 何 尺 寸 和 相 互 距 離 。 時(shí) 鐘 抖 動(dòng) （ clock jitter），是由每個(gè)時(shí)鐘周期之間不穩(wěn)定性抖動(dòng)而引起的。一般由于 PLL 在時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)時(shí)的不穩(wěn)定性引起，同 時(shí) ， 時(shí) 鐘 抖 動(dòng) 引 起 了 有 效 時(shí) 鐘 周 期 的 減 小 。 串 擾（ crosstalk）。鄰 近 的 兩 根 信 號(hào) 線 ，當(dāng) 其 中 的 一 根 信 號(hào)線上的電流變化時(shí)（稱為 aggressor，攻擊者），由于感應(yīng)電流的 影 響 ，另 外 一 根 信 號(hào) 線 上 的 電 流 也 將 引 起 變 化（ 稱 為 victim，受 害 者 ） 。 3 電 源 完 整 性 PI ◆ 電 子 噪 聲 ， 指 電 子 線 路 中 某 些 元 器 件 產(chǎn) 生 的 隨 機(jī) 起 伏 的 電 信號(hào)。 ◆ 地 彈 噪 聲 。 當(dāng) PCB 板上的眾多數(shù)字信號(hào)同步進(jìn)行切換時(shí) (如CPU 的 數(shù) 據(jù) 總 線 、地 址 總 線 等 )，由 于 電 源 線 和 地 線 上 存 在 阻 抗 ，會(huì) 產(chǎn) 生 同 步 切 換 噪 聲 ， 在 地 線 上 還 會(huì) 出 現(xiàn) 地 平 面 反 彈 噪 聲 (簡稱地彈 )。 SSN 和地彈的強(qiáng)度也取決于集成電路的 I/O 特性、 PCB 板電 源 層 和 地 平 面 層 的 阻 抗 以 及 高 速 器 件 在 PCB 板上的布局和布線 方 式 。負(fù) 載 電 容 的 增 大 、負(fù) 載 電 阻 的 減 小 、地 電 感 的 增 大 、同時(shí) 開 關(guān) 器 件 數(shù) 目 的 增 加 均 會(huì) 導(dǎo) 致 地 彈 的 增 大 。 ◆ 回 流 噪 聲 。 只 有 構(gòu) 成 回 路 才 有 電 流 的 流 動(dòng) ， 整 個(gè) 電 路 才 能 工作 。這 樣 ，每 條 信 號(hào) 線 上 的 電 流 勢(shì) 必 要 找 一 個(gè) 路 徑 ，以 從 末 端 回到 源 端 。一 般 會(huì) 選 擇 與 之 相 近 的 平 面 。由 于 地 電 平 面（ 包 括 電 源和 地 ）分 割 ，例 如 地 層 被 分 割 為 數(shù) 字 地 、模 擬 地 、屏 蔽 地 等 ，當(dāng)數(shù) 字 信 號(hào) 走 到 模 擬 地 線 區(qū) 域 時(shí) ， 就 會(huì) 產(chǎn) 生 地 平 面 回 流 噪 聲 。 ◆ 斷 點(diǎn) ，是 信 號(hào) 線 上 阻 抗 突 然 改 變 的 點(diǎn) 。如 用 過 孔（ via）將 信號(hào)輸送到板子的另一側(cè)，板間的垂直金屬部分是不可控阻抗，這 樣的部分越多，線上不可控阻抗的總量就越大。這會(huì)增大反射。還 有 ，從 水 平 方 向變?yōu)榇怪狈较虻?90176。 的拐點(diǎn)是一個(gè)斷點(diǎn)，會(huì)產(chǎn)生 反 射 。 如 果 這 樣 的 過 孔 不 能 避 免 ， 那 么 盡 量 減 少 它 的 出 現(xiàn) 。 在一定程度上，我們只能減弱因電源不完整帶來的系列不良結(jié) 果 ，一 般 會(huì) 從 降 低 信 號(hào) 線 的 串 繞 、加 去 耦 電 容 、盡 量 提 供 完 整的 接 地 層 等 措 施 著 手 。 4 EMC EMC 包 括 電 磁 干 擾 和 電 磁 抗 干 擾 兩 個(gè) 部 分 。 一 般 數(shù) 字 電 路 EMS 能力較強(qiáng)，但是 EMI 較大。電磁兼容技術(shù)的 控 制 干 擾 ，在 策 略 上 采 用 了 主 動(dòng) 預(yù) 防 、整 體 規(guī) 劃 和 “ 對(duì)抗 ” 與“ 疏導(dǎo) ” 相結(jié)合的方針。 主要的 EMC 設(shè)計(jì)規(guī)則有： ① 20H 規(guī)則。 PowerPlane（電源平面）板邊緣小于其 與GroundPlane（地平面）間距的 20 倍。 ② 接 地 面 處 理 。 接 地 平 面 具 有 電 磁 學(xué) 上 映 象 平 面 (ImagePlane) 的 作 用 。若 信 號(hào) 線 平 行 相 鄰 于 接 地 面 ，可 產(chǎn) 生 映 像 電 流 抵 消 信 號(hào)電流所造成的輻射場。 PCB 上的信號(hào)線會(huì)與相鄰的接地平面形成微 波 工 程 中 常 見 的 Microstrip Line（ 微 帶 線 ） 或 Strip Line（ 帶 狀 線 ）結(jié) 構(gòu) ，電 磁 場 會(huì) 集 中 在 PCB 的 介 質(zhì) 層 中 ，減 低 電 磁 輻射。 因?yàn)椋?Strip Line 的 EMI 性能要比 Microstrip Line 的性能好。所以，一些輻射較大的走線，如時(shí)鐘線等，最好走成 Strip Line 結(jié) 構(gòu) 。 ③ 混合信號(hào) PCB 的分區(qū)設(shè)計(jì)。第一個(gè)原則是盡可能減小電流環(huán)路 的 面 積 ；第 二 個(gè) 原 則 是 系 統(tǒng) 只 采 用 一 個(gè) 參 考 面 。相 反 ，如 果 系統(tǒng)存在兩個(gè)參考面，就可能形成一個(gè)偶極天線；而如果信號(hào)不能 通過盡可能小的環(huán)路返回，就可能形成一個(gè)大的環(huán)狀天線。對(duì)于實(shí)在必須跨區(qū)的情況，需要通過，在兩區(qū)之間加連接高頻電容等技術(shù)。 ④ 通過 PCB 分層堆疊設(shè)計(jì)控制 EMI 輻射。 PCB 分 層 堆 疊 在 控制EMI 輻射中的作用和設(shè)計(jì)技巧，通過合適的疊層也可以降低 EMI。 ⑤ 降低 EMI 的機(jī)箱設(shè)計(jì)。實(shí)際的機(jī)箱屏蔽體由于制造、裝配、維 修 、散 熱 及 觀 察 要 求 ，其 上 一 般 都 開 有 形 狀 各 異 、尺 寸 不 同 的孔 縫 ，必 須 采 取 措 施 來 抑 制 孔 縫 的 電 磁 泄 漏 。一 般 來 說 ，孔 縫 泄漏量的大小主要取決于孔的面積、孔截面上的最大線性尺寸、頻率 及 孔 的 深 度 。 5 熱設(shè)計(jì) 電子元件密度比以前高了很多，同時(shí)功率密度也相應(yīng)有了增加 。由 于 電 子 元 器 件 的 性 能 會(huì) 隨 溫 度 發(fā) 生 變 化 ，溫 度 越 高 其 電 氣性 能 會(huì) 越 低 。 (1)數(shù) 字 電 路 散 熱 原 理 半導(dǎo)體器件產(chǎn)生的熱量來源 于芯片的功耗，熱量的累積必定導(dǎo)致半導(dǎo)體結(jié)點(diǎn)溫度的升高。隨著結(jié)點(diǎn)溫度的提高，半導(dǎo)體器件性能將會(huì)下降，因此芯片廠家都規(guī)定了半導(dǎo)體器件的結(jié)點(diǎn)溫度。在 高 速 電 路 中 ，芯 片 的 功 耗 較 大 ，在 正 常 條 件 下 的 散 熱 不 能 保 證芯片的結(jié)點(diǎn)溫度不超過允許工作溫度，因此需要考慮芯片的散熱問題 。 在 通 常 條 件 下 ，熱 量 的 傳 遞 通 過 傳 導(dǎo) 、對(duì) 流 、輻 射 3 種方式進(jìn)行。 簡 單 熱 量 傳 遞 模 型 ： 熱 量 分 析 中 引 入 一 個(gè) 熱 阻 參 數(shù) ， 類 似于電路中的電阻。