【正文】 科畢業(yè)設(shè)計 飛機場安檢系統(tǒng) 26 系統(tǒng)電源 電源系統(tǒng)為整個系統(tǒng)提供能量，是整個系統(tǒng)工作的基礎(chǔ)，具有極其重要的地位。一個好的系統(tǒng)電源，對整個系統(tǒng)工作穩(wěn)定性的提高、減少系統(tǒng)故障率都有極 其重要的作用。 測 試 / 調(diào) 試 接 口P L L向 量 中 斷 控 制 器系 統(tǒng) 功 能仿 真跟 蹤模 塊A H B 橋A R M 7 T D M I SS P I 串 行 接 口 0 amp。 1外 部 存 貯 器 控 制1 6 K B S R A MI N T E R N A L S R A M C O N T R O L L E RA H B 譯 碼 器V P B 分頻 器A H B T O V P B橋A R M 7 局 部 總 線A M B A A H B 先 進 的 高 性 能 總 線系 統(tǒng) 時 鐘實 時 時 鐘P W M 0通 用 I / OA / D 轉(zhuǎn) 換 器捕 獲 / 比 較 定 時 器 0 amp。 1外 部 中 斷系 統(tǒng) 控 制看 門 狗 定 時 器U A R T 0 amp。 1I2C 串 行 接 口E I N T 3 : 08 C A P 08 M A TA i n 3 : 0A i n 7 : 4P 0 , 3 0 : 0P 1 , 3 1 : 1 6 , 1 : 0P 2 , 3 1 : 0P 3 , 3 1 : 0P W M 6 : 1C S 3 : 0 *A 2 3 : 0 *B L S 3 : 0 *O E , W E *D 3 1 : 0 *S C L S D AC S K 0 , 1M O S I 0 , 1M I S O 0 , 1S S E L 0 , 1T D 0 , 1R D 0 , 1D S R 1 , C T S 1D C D 1 , R l 1XTAL1XTAL2RESETTRST(1)TMS(1)TCK(1)TDI(1)TDO(1)圖 4 2 L P C 2 2 1 0 A R M 內(nèi) 部 結(jié) 構(gòu) 圖 廣西大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 飛機場安檢系統(tǒng) 27 設(shè)計電源的過程實質(zhì)上是一個權(quán)衡的過程，必須考慮輸入的電壓、電流，輸出的電壓、電流、功率，功耗限制，成本限制，電磁干擾等各方面因素。本系統(tǒng)的電源設(shè)計經(jīng)過了以下幾個步驟 ： LPC2210ARM微處理器的電源供電需要 4組電源輸入 ： 數(shù)字 、數(shù)字、模擬 、模擬 。因此，理想情況下電源系統(tǒng)需要提供 4組獨立的電源 ： 兩組 ，他們需要單點接地或大面積接地。由于本系統(tǒng)中指紋識別模塊需要 5V直流電源，因此系統(tǒng)設(shè)計還要考慮 5V電源的供電。在本嵌入式指紋識別系統(tǒng)中，因未使用 LPC2210ARM的 A/D轉(zhuǎn)換功能，因此模擬電源和數(shù)字電源可以不分開供電。這樣需要提供 5V、 和 三組電源。 由 LPC221OAMR的數(shù)據(jù)手冊可知，其 70mA，其他部分無需 。為了保證可靠性并為以后升級留下余量，則電源系統(tǒng) 能夠提供的電流應(yīng)當(dāng)大于 30mA。 整個系統(tǒng)在 ，由于整個系統(tǒng)所消耗的電流不超過 30mA， 這樣，電源系統(tǒng) 能夠提供 60mA即可。 系統(tǒng)中指紋識別模塊用到 5V電源，此指紋識別模塊靜態(tài)的工作電流為50mA，動態(tài)工作電流為 200mA，因此 5V電源需要提供的電流不應(yīng)小于 50mA。因為系統(tǒng)對這三組電壓的要求比較高，且其功耗不是很大，所以不適合用開關(guān)電源，應(yīng)當(dāng)用低壓差模擬電源。合乎技術(shù)參數(shù)的低壓差模擬電源芯片很多，本系統(tǒng)采用性價比較高的 SPXlll7芯片。 SPXlll7是一個低功耗正向電壓調(diào)節(jié)器，可以用在一些高效率、小封裝的低功耗設(shè)計中。這款器件非常適合便攜式電腦及電池供電的應(yīng)用。 SPXlll7有 很低的靜態(tài)電流，在滿負載時其低壓差僅為 。當(dāng)輸出電流減少時，靜態(tài)電流隨負載變化，并提高效率。 SPXlll7輸出電壓可調(diào)節(jié)，可以選擇 ， ， ， ， 。 43所示。 廣西大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 飛機場安檢系統(tǒng) 28 S P X 1 1 1 7 M 3 3 . 3+ 5 V V D D 3 . 3 V V D D 1 . 8 VV I N V O U TGNDS P X 1 1 1 7 M 3 1 . 8+ 5 VC 4 41 0 4C 71 0 u F圖 4 3 電 源 系 統(tǒng) 末 級 電 源 設(shè) 計 圖C 3 31 0 4C 61 0 u FV I N V O U TGND 低壓差電壓調(diào)節(jié)芯片 SPXlll7允許輸入電壓可達 20V，但太高的電壓會使芯片的發(fā)熱量上升，若系統(tǒng)散熱性能不好，會影響芯片的性能。同時，波動的電壓對輸出電壓的波動也有影響，太高的壓差 也失去了選擇低壓差模擬電源的意義。這樣，就需要前級電路調(diào)整一下。本系統(tǒng)前級的輸出電壓為 5V，選擇 5V電壓作為前級的輸出電壓有兩個原因，其一是這個電壓滿足 SPXlll7的要求，其二是本系統(tǒng)中指紋識別模塊需要 5V供電，這樣 SV電壓在作 SPXlll7的前級電壓的同時兼作指紋識別模塊的供電電壓。 根據(jù)系統(tǒng)在 5V上消耗的電流和體積、成本等方面的考慮，前級電路可以使用開關(guān)電源，也可以使用模擬電源。相對模擬電源來說，開關(guān)電源效率較高，可以減少發(fā)熱量，因而在功率較大時可以減小電源模塊的體積，但電路復(fù)雜、輸出電壓紋波較大、在 功率不是特別大時成本較高， 同時開關(guān)電源是一個干擾源，對其他電路有一定的影響。 鑒于本指紋識別系統(tǒng)功率較小，且考慮到成本問題，因而采用了圖 44所示的模擬電源設(shè)計。圖中 9V電源輸入采用目前市面上常見的 220V— 9V變壓器， 7805芯片為三端正 5V穩(wěn)壓器，其內(nèi)部有過流、過載保護，且價格低廉，電路使用安全可靠。 7805芯片外部接 4個穩(wěn)壓電容即可為指紋識別模塊提供5V電源，同時又為 SPXlll7提供前級電源。 圖 44 電源系統(tǒng)前級電源設(shè)計圖 廣西大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 飛機場安檢系統(tǒng) 29 系統(tǒng)復(fù)位 微處理器在上電時狀態(tài)并不確定，這樣容易造成微處理 器不能正常工作。為解決這個問題，所有微處理器有一個復(fù)位邏輯，它負責(zé)將微處理器初 始化為某個確定的狀態(tài)。這個復(fù)位邏輯需要一個復(fù)位信號才能工作。一些微處理器自己在上電時會產(chǎn)生復(fù)位信號，但大多數(shù)微處理器需要外部輸入這個信號。因為這個信號會使微處理器初始化為某個確定的狀態(tài)，所以這個信號的穩(wěn)定性和可靠性對微處理器的正常工作有重大影響。圖 45為最簡單的阻容復(fù)位電路，此電路成本低廉，但不能保證任何情況都產(chǎn)生穩(wěn)定可靠的復(fù)位信號。此電路在要求不高的單片機應(yīng)用中經(jīng)常使用，但在對復(fù)位電路要求較高的應(yīng)用場合，一般都采用專門的復(fù)位 芯片。如果系統(tǒng)不需要手動復(fù)位，可以選擇 MAX809，如果系統(tǒng)需要手動復(fù)位，可以選擇 SP708SCN。復(fù)位芯片的復(fù)位門檻的選擇至關(guān)重要，一般應(yīng)當(dāng)選擇微處理器的 10口供電電壓為標準。針對 LPC2210ARM微處理器 10口的電壓范圍 — ，所以其復(fù)位門檻應(yīng)當(dāng)選擇為 圖 45 阻容復(fù)位電路 本系統(tǒng)出于系統(tǒng)穩(wěn)定性的考慮，采用了專門復(fù)位芯片復(fù)位的方式，且具有手動復(fù)位功能。專門復(fù)位芯片采用 Sipex公司的 SP708復(fù)位芯片。該芯片屬于微處理器監(jiān)控器件，其集成有一個看門狗定時器，一個微處理器復(fù)位模 塊，一個供電失敗比較器，及一個手動復(fù)位輸入模塊。可監(jiān)測微處理器及數(shù)字系統(tǒng)中的供電及電池的工作情況。根據(jù) SP708芯片的數(shù)據(jù)手冊，本系統(tǒng)設(shè)計的廣西大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 飛機場安檢系統(tǒng) 30 帶手動復(fù)位的復(fù)位電路如圖 46所示。 圖 46 LPC2210ARM復(fù)位電路 天線電路設(shè)計 電感 耦合 式射頻識別系統(tǒng)的讀寫器天線用于產(chǎn)生磁通量，而磁通量用于向非接觸式 IC卡提供電源并在讀卡器與非接觸式 IC卡之間傳輸信息。因此，對讀卡器天線的構(gòu)造就有三個基本要求 ： 首先是使天線線圈的電流最大，用于產(chǎn)生最大的磁通量 ； 其次是功率要匹配，以最大程度地利用產(chǎn)生磁通量的可 用能量 ； 最后是要有足夠的帶寬，以無失真地傳送用數(shù)據(jù)調(diào)制的載波信號。 品質(zhì)因數(shù) Q和諧振頻率是電感 耦合 式射頻識別系統(tǒng)讀卡器天線的特征值， 品質(zhì)因數(shù) Q會影響天線讀寫距離，所以是天線設(shè)計中的一個重要參數(shù)，它可以通過電感線圈的電抗與電阻的比值計算出來，是 0( 2 / )coi l coi lQ f L R?? ，較高的品質(zhì)因數(shù)，會得到較高的讀卡器天線電壓，其中可增加應(yīng)答器即 IC 卡的能量傳輸。與之相反，天線的傳輸帶寬與品質(zhì)因數(shù) Q值成反比。選擇的品質(zhì)因數(shù)過高，會導(dǎo)致帶寬縮小，從而明顯地減弱應(yīng)答器接收到的調(diào)制邊帶。此外，由于 Mifare卡是無源非接觸式 IC卡，其能量是通過天線感應(yīng)來的。而且由于受到卡形狀的限制，卡中不可能封裝很大的天線，使得接收的能量較小，從而決定了讀卡器天線讀寫距離很短，一般在 100mm以內(nèi)。 (1)天線大小和讀寫距離 由于 MF RC5000是低功耗設(shè)計，因此卡和天線之間的 耦合 系數(shù)必須滿足一定的值，卡和天線之間的藕合系數(shù)不能低于 。 天線一般設(shè)計為三圈，可以設(shè)計為圓形或者方形天線。天線的直徑必須介于 — 。表 41廣西大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 飛機場安檢系統(tǒng) 31 給出了卡和天線的 耦合 系數(shù)為 表 41 天線大小 與讀寫距離關(guān)系表 大小 (mm) 讀寫距離 (mm) 50?50 7 65?54 10 85?54 12 85?85 8 90?90 5 注 ： 上述表中的讀寫距離是在非金屬環(huán)境中的測定值，實際應(yīng)用中的讀寫距離是此距離的兩到三倍 。 (2)天線電感的 計算 天線的電感必須介于 80nH和 。天線的電感通過下列公式計算 ： 1. 82 ln( 1 / )L I D N? ? ? ? 其中 ： L： 讀卡器天線電感 (單位 cm)； I： 天線導(dǎo)體長度 ； D： 天線導(dǎo)體寬度 (必須介于 — )； N： 天線導(dǎo)體圈數(shù) (三圈 )。 (3)天線藕合電路圖 天線藕合電路圖如圖 47所示 ： 圖 47 天線藕合電路圖 廣西大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 飛機場安檢系統(tǒng) 32 圖中電容 C2 C2 C2 C27 (通稱 C2)的值是由天線的電感值決定的，并且需要根據(jù)天線的形狀進行調(diào)整。 C2電容值的大小嚴重影響讀卡器的性能 ，也就是影響讀卡器的讀寫距離。不同類型的卡和不同的使用環(huán)境都將影響讀卡器的性能表現(xiàn)，這就需要在確定了卡的類型之后，在實際的使用環(huán)境中進行試驗，確定不同的 C2值，使讀卡器具有最好的性能表現(xiàn)。 MF RC500有一個引腳，當(dāng)讀卡器發(fā)出某一指令時，可以通過使用示波器觀察該引腳的輸出信號，不斷改變卡與讀卡器之間的距離和 C2值，示波器將輸出不同的波形，根據(jù)不同的波形即可確定讀卡器最好性能時候的 C2值。 在本課題設(shè)計的非接觸式 CI卡讀卡器中， C2值如表 42所示 ： 表 42 C2電容值表 電容 值（ pf） C32 150 C24 18 C26 150 C27 22 FLASH 模塊 FLASH存儲器又稱閃存，是一種可在線多次擦除的非易失性存儲器，即掉電后數(shù)據(jù)不會丟失。 FLASH存儲器還具有體積小、功耗低、抗震性強等優(yōu)點，是嵌入式系統(tǒng)的首選存儲設(shè)備。 FLASH存儲器又分兩種，一種為 NOR型 FLASH，另一種為 NAND型 FLASH。 NOR型 FLASH可以直接讀取芯片內(nèi)存儲器的數(shù)據(jù)，速度比較快，但價格較高。應(yīng)用程序可以直接在 FLASH上運行，不必再把代碼讀到系統(tǒng) RAM中。而 NAND型FLASH芯片一內(nèi)部數(shù)據(jù) 以塊為單位進行存儲，地址線和數(shù)據(jù)線共用，使用控制信號選擇。具有極高的單元密度，可以達到高存儲密度，并且寫入和擦除的速度也很快。應(yīng)用 NAND型的困難在于 FLASH的管理需要特殊的系統(tǒng)接口。 LPC2210ARM微處理器內(nèi)部不含有 FLASH存儲器，因此必須外擴 FLASH芯片作為其程序存儲器。本指系統(tǒng)