【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 從 顯 示 緩 沖 區(qū) 中 取 數(shù) 據(jù) 發(fā) 往 移 動 寄存 器 ，并 設 置 相 對 應 的 掃 描 線 ，實 現(xiàn) 一 次 掃 描 。掃 描 顯 示 并 不 識別緩沖區(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 到 60Hz 以上，對掃描頻率的波動就不大敏感了 ，所 以 這 里 的 掃 描 顯 示 程 序 沒 有 使 用 定 時 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 算 機 的 串 行 通 信 ，數(shù) 據(jù) 的 地 址 計 算 ，外 界 光 強 度檢 測 幾 個 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 入 空 閑 等 待 ： 如 果 是 閃 爍 、 滾 動 等 顯 示 ， 則 需 要 定 時 從EEPROM 中取數(shù)據(jù)發(fā)生各顯示模塊。 PC 機部分的程序主要是點陣編輯功能和 RS232 通信功能。點 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，實現(xiàn)即時的信息 發(fā) 布 。 本 系 統(tǒng) 對 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，并已應用在交通狀況顯示場合，取得了良好效果，證 明 該 設 計 是 合 理 可 行 的 。 由 于 設 計 時 為 使 用 保 留 了 很 大 自 由芳 ，使 得 它 可 以 靈 活 組 合 運 用 于 各 種 不 同 需 求 的 場 合 ，而 不 必 重 復 設 計 ，有 效 節(jié) 約 了 資 源 。由 于 最 初 本 系 統(tǒng) 對 應 一 個 比 較 小 的 顯示 屏 ， 怕 以 選 用 了 I2C 總線，如果要做相當大的顯示零還可以換成 RS485 等總線，提供更大的擴展余地。此外基于這個設計思 路 ， 還 可 以 進 一 步 開 發(fā) 彩 色 LED 大屏幕顯示屏等產(chǎn)品。 第 二 章 單 片 機 系 統(tǒng) 硬 件 設 計 片 機 硬 件 設 計 的 參 數(shù) 影 響 隨著單片機的頻率和集成度、單位面積的功率及數(shù)字信號速度 的 不 斷 提 高 ，而 信 號 的 幅 度 卻 不 斷 降 低 ，原 先 設 計 好 的 、使 用很穩(wěn)定的單片機系統(tǒng)，現(xiàn)在可能出現(xiàn)莫名其妙的錯誤，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 來 實 現(xiàn) ， 設 計 人 員 如 何 快 速 掌 握 高 速 設 計 呢 ? 硬件設計包括邏輯設計和可靠性的設計。邏輯設計實現(xiàn)功能。硬件設計工程師可以直接通過驗 證功能是否實現(xiàn)，來判定是否滿足需 求 。這 方 面 的 資 料 相 當 多 ，這 里 就 不 敘 述 了 。硬 件 可 靠 性 設 計 ，主要表現(xiàn)在電氣、熱等關鍵參數(shù)上。我將這些歸納為特性阻抗、SI、 PI、 EMC、熱設計等 5 個部分。 1 特性阻抗 在 高 頻 情 況 下 ，印 制 板（ PCB）上 傳 輸 信 號 的 銅 導 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 ，會 得 到 以下公式： 在 PCB 的特性阻抗設計中，微帶線結構是最受歡迎的，因而得到最廣泛的推廣與應用。最常使用的微帶線結構有 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構，其它幾種可參考相關資料。表面微帶 線 模 型 結 構 如 圖 2 所示。 Z0 的 計 算 公 式 如 下 ： 對 于 差 分 信 號 ， 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 傳輸導線線寬； d1—— PCB 傳輸導線線厚； d2—— PCB 介質(zhì)層厚度； D—— 差分線對線邊沿之間的線距。 2 信 號 完 整 性 （ SI） SI 是 指 信 號 在 電 路 中 以 正 確 的 時 序 和 電 壓 作 出 響 應 的 能 力 。如果電路中的信號能夠以要求的時序、持續(xù)時間和電壓幅度到達IC，則 該 電 路 具 有 較 好 的 信 號 完 整 性 。反 之 ，當 信 號 不 能 正 常 響應 時 ，就 出 現(xiàn) 了 信 號 完 整 性 問 題 。從 廣 義 上 講 ，信 號 完 整 性 問 題主要表現(xiàn)為 5 個 方 面 ：延 遲 、反 射 、串 擾 、同 步 切 換 噪 聲 和 電 磁兼容性。 由于 PCB 板上的任何兩個器件或?qū)Ь€之間都存在互容和互感，因 此 ，當 一 個 器 件 或 一 根 導 線 上 的 信 號 發(fā) 生 變 化 時 ，其 變 化 會 通過互容和互感影響其 它 器 件 或 導 線 ，即 串 擾 。串 擾 的 強 度 取 決 于器 件 及 導 線 的 幾 何 尺 寸 和 相 互 距 離 。 時 鐘 抖 動 （ clock jitter），是由每個時鐘周期之間不穩(wěn)定性抖動而引起的。一般由于 PLL 在時鐘驅(qū)動時的不穩(wěn)定性引起，同 時 ， 時 鐘 抖 動 引 起 了 有 效 時 鐘 周 期 的 減 小 。 串 擾（ crosstalk）。鄰 近 的 兩 根 信 號 線 ，當 其 中 的 一 根 信 號線上的電流變化時（稱為 aggressor，攻擊者），由于感應電流的 影 響 ，另 外 一 根 信 號 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 起 伏 的 電 信號。 ◆ 地 彈 噪 聲 。 當 PCB 板上的眾多數(shù)字信號同步進行切換時 (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 產(chǎn) 生 同 步 切 換 噪 聲 ， 在 地 線 上 還 會 出 現(xiàn) 地 平 面 反 彈 噪 聲 (簡稱地彈 )。 SSN 和地彈的強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 載 電 容 的 增 大 、負 載 電 阻 的 減 小 、地 電 感 的 增 大 、同時 開 關 器 件 數(shù) 目 的 增 加 均 會 導 致 地 彈 的 增 大 。 ◆ 回 流 噪 聲 。 只 有 構 成 回 路 才 有 電 流 的 流 動 ， 整 個 電 路 才 能 工作 。這 樣 ，每 條 信 號 線 上 的 電 流 勢 必 要 找 一 個 路 徑 ，以 從 末 端 回到 源 端 。一 般 會 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 ，當數(shù) 字 信 號 走 到 模 擬 地 線 區(qū) 域 時 ， 就 會 產(chǎn) 生 地 平 面 回 流 噪 聲 。 ◆ 斷 點 ，是 信 號 線 上 阻 抗 突 然 改 變 的 點 。如 用 過 孔（ via）將 信號輸送到板子的另一側，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。這會增大反射。還 有 ，從 水 平 方 向變?yōu)榇怪狈较虻?90176。 的拐點是一個斷點，會產(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 果 ，一 般 會 從 降 低 信 號 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 部 分 。 一 般 數(shù) 字 電 路 EMS 能力較強，但是 EMI 較大。電磁兼容技術的 控 制 干 擾 ，在 策 略 上 采 用 了 主 動 預 防 、整 體 規(guī) 劃 和 “ 對抗 ” 與“ 疏導 ” 相結合的方針。 主要的 EMC 設計規(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 上 映 象 平 面 (ImagePlane) 的 作 用 。若 信 號 線 平 行 相 鄰 于 接 地 面 ，可 產(chǎn) 生 映 像 電 流 抵 消 信 號電流所造成的輻射場。 PCB 上的信號線會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 構 ，電 磁 場 會 集 中 在 PCB 的 介 質(zhì) 層 中 ，減 低 電 磁 輻射。 因為， 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，如時鐘線等，最好走成 Strip Line 結 構 。 ③ 混合信號 PCB 的分區(qū)設計。第一個原則是盡可能減小電流環(huán)路 的 面 積 ；第 二 個 原 則 是 系 統(tǒng) 只 采 用 一 個 參 考 面 。相 反 ，如 果 系統(tǒng)存在兩個參考面，就可能形成一個偶極天線；而如果信號不能 通過盡可能小的環(huán)路返回，就可能形成一個大的環(huán)狀天線。對于實在必須跨區(qū)的情況，需要通過，在兩區(qū)之間加連接高頻電容等技術。 ④ 通過 PCB 分層堆疊設計控制 EMI 輻射。 PCB 分 層 堆 疊 在 控制EMI 輻射中的作用和設計技巧，通過合適的疊層也可以降低 EMI。 ⑤ 降低 EMI 的機箱設計。實際的機箱屏蔽體由于制造、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 熱設計 電子元件密度比以前高了很多，同時功率密度也相應有了增加 。由 于 電 子 元 器 件 的 性 能 會 隨 溫 度 發(fā) 生 變 化 ，溫 度 越 高 其 電 氣性 能 會 越 低 。 (1)數(shù) 字 電 路 散 熱 原 理 半導體器件產(chǎn)生的熱量來源 于芯片的功耗，熱量的累積必定導致半導體結點溫度的升高。隨著結點溫度的提高，半導體器件性能將會下降，因此芯片廠家都規(guī)定了半導體器件的結點溫度。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 證芯片的結點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 、對 流 、輻 射 3 種方式進行。 簡 單 熱 量 傳 遞 模 型 ： 熱 量 分 析 中 引 入 一 個 熱 阻 參 數(shù) ， 類 似于電路中的電阻。