【正文】 VR 1 I N13R 2 I N8T 1 I N11T 2 I N10R 1 O U T12R 2 O U T9T 1 O U T14T 2 O U T7C 1+1C 1 3C 2+4C 2 5VCC16GND15V6V+2U3M A X 323 2( 16 P )R X DT X DC 20 uFC 21 uFC 11 uFC9 uFR R X DT T X D第三章 單元電路的設計 34 單片機
。 該芯片常被使用在電池供電設備、手持式裝備、高速調(diào)制解調(diào)器、筆記本電腦、亞筆記本電腦與掌上電腦、外設以及打印機等設備中。 15 腳 GND、 16 腳 VCC（ +）。 TTL/CMOS 數(shù)據(jù)從T1IN、 T2IN 輸入轉(zhuǎn)換成RS232 數(shù)據(jù)從 T1OUT、T2OUT 送到電腦 DB9 插頭；DB9 插頭的 RS232 數(shù)據(jù)從R1IN、 R2IN 輸入轉(zhuǎn)換成TTL/CMOS 數(shù)據(jù)后從R1OUT、 R2OUT 輸出。其中 13 腳（ R1IN）、 12 腳（ R1OUT）、 11 腳（ T1IN）、14 腳（ T1OUT）為第一數(shù)據(jù)通道 。 第二部分是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通道。由 6 腳和 4 只電容構成。 因此，RS232C 不能和 TTL 電平直接相連，使用時必須進行電平轉(zhuǎn)換，否則將使 TTL電路燒壞 。傳輸距離短的另一原因是 RS232 屬單端信號傳送，存在共地噪 聲和不能抑制共模干擾等問題，因此一般用于 20m以內(nèi)的通信。 單片機與 PC 機接口數(shù)據(jù)傳輸電路 RS232 是 1970 年 美國電子工業(yè)協(xié)會 EIA（ Electronic Industry Association）聯(lián)合貝爾系統(tǒng)、調(diào)制解調(diào)器廠家及計算機終端生產(chǎn)廠家共同 制定的一種 用于 串行 通信的 接口標準。如果接收到的數(shù)據(jù)包校驗正確，是有效數(shù)據(jù)包時， PTR8000會去掉前導碼、地址和 CRC 校驗位，然后把數(shù)據(jù)準備就緒 (DR)置為高電平。如果發(fā)現(xiàn)與接收頻率一致的載波時，載波檢測 (CD)輸出高電平。 接收數(shù)據(jù)時，首先要通過把 TRX_CE 置高、 TX_EN 置低來使 PTR8000 進入接收模式。之后 PTR8000 內(nèi)部要進行無線系統(tǒng)加電、數(shù)據(jù)打包和編碼發(fā)射等處理。在掉電和待機模式下，配置內(nèi)容仍然有效，只有當電源撤除了之后 PTR8000 中的數(shù)據(jù)才會丟失。 PTR8000 的工作過程 上電后 CPU 首先對 PTR8000 模塊進行配置。 2) SPI 接口 SPI 接口 SCK、 MISO、 MOSI 以及 CSN 組成： ①在配置模式下，單片機通過 SPI 接口配置 PTR8000 的工作參數(shù)； ②在發(fā)射 /接收模式下，單片機 SPI 接口發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。 表 34 PTR8000 基本電氣特性 參 數(shù) 數(shù) 值 單 位 工作電壓 ～ V 最大發(fā)射功率 10 dBm 最大數(shù)據(jù)傳輸率（曼徹斯特編碼） 100 Kbps 輸出功率為 10dBm 時工作電流 11 mA 接收模式時工作電流 mA 溫度范圍 40 to +85 ℃ 典型靈敏度 100 dBm 掉電模式時工作電流 μA 3. PTR8000 的硬件接口及管腳功能 第三章 單元電路的設計 30 如圖 38所示，為 PTR8000的用戶接口，表 35 為 PTR8000 的引腳說明，用戶 接口由10 個數(shù)字輸入 /輸出 /I/O 組成，按照工作可分三組： 1) 模式控制 該接口由 TRX_CE， TX_EN， PWR 組成，控制 PTR8000 的四種工作模式：掉電和 SPI編程模式；待機和 SPI 編程模式；發(fā)射模式；接收模式；各種模式的控制模式見表 36 所示。 1. PTR8000 芯片的產(chǎn)品特性 PTR8000 芯片的產(chǎn)品特性如下所示： 1) 430/868/915Mhz 高性能嵌入式無線模塊，多頻道多頻 段， ～ 低電壓工作，待機功耗 2μA ； 2) 超小體積，內(nèi)置環(huán)形天線，性能穩(wěn)定且不受外界影響，對電源不敏感，距離更遠； 第三章 單元電路的設計 29 3) 最大發(fā)射功率 +10dBm，高抗干擾 GFSK 調(diào)制，可跳頻，數(shù)據(jù)速率 50Kbps，獨特的載波監(jiān)測輸出，地址匹配輸出，數(shù)據(jù)就緒輸出 4) 內(nèi)置完整的通信協(xié)議和 CRC，只需通過 SPI 即 可 完成所有的無線收發(fā)傳輸，無線通信如同 SPI 通信一樣方便； PTR8000 的應用領域為：遙控、遙測、無線抄表、門禁系統(tǒng)、小區(qū)傳呼、工業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、無線標簽、身份識別、非接 觸 RF 智能卡、小型無線數(shù)據(jù)終端、安全防火系統(tǒng)、無線遙控系統(tǒng)、生物信號采集、水文氣象監(jiān)控、機器人控制、信息家電、無線 23無線 422/485 數(shù)據(jù)通信等。 表 33 芯片的比較和選擇 Brand nRF401 Nordic nRF905 Nordic RF2915 RFMD XC1201 Xemics CC400 ChipCon 工作電壓 ~ ~ ~ ~ ~ 數(shù)據(jù)可否直接接單片機串口使用 可直接接單片機串口使用，數(shù)據(jù)無需可直接接單片機串口使用，數(shù)據(jù)無需不能直接接單片機串口，數(shù)據(jù)需要進不能直接接單片機串口，數(shù)據(jù)需要進不能直接接單片機串口，數(shù)據(jù)需要進第三章 單元電路的設計 28 曼徹斯特編碼，效率高 曼徹斯特編碼，效率高 行曼徹斯特編碼，效率低 行曼徹斯特編碼 ，效率低 行曼徹斯特編碼，效率低 最大輸出功率 +10dBm +10dBm +5dBm 5dBm +14dBm 速率 20kbit/s 50kbit/s 需要外接天線的數(shù)量 1 1 1 2* 1 外圍元件數(shù)量 約 10 個 約 10 個 約 50 個 兩根天線約20 個，一根天線約 35 個 25 個 從表 33 中芯片的對比可以看出，目前較為流行的無線收發(fā)芯片中，無論是從使用的方便性、傳輸速度還是輸出功率等各個方面， nRF401 以及 nRF905 都是較為理想的無線數(shù)傳芯片 ，而 PTR2022 是一款基于 nRF401 芯片的無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊， PTR8000 是一款基于 nRF905 的無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊。 5) 收發(fā)芯片的封裝和管腳數(shù) 較少的引腳以及較小的封裝，有利于減少 PCB 面積。 3) 功耗 由于無線收發(fā)芯片是應用在測控系統(tǒng)上，因此功耗非常重要，應該根據(jù)需要選擇綜合功耗較小的模塊。這方面 nRF401 是一個較為理想的選擇。而采用串口傳輸?shù)男酒?，?nRF401 系列的芯片，應用及編程非常簡單，傳送的效率很高，標稱速率就是實際速率，因為串口的編程相對簡單，編程開發(fā)工作也很方便。 無線收發(fā)芯片的選擇 由于無線收發(fā)芯片的種類和數(shù)量比較多 ，如何在設計中選擇所需要的 芯片非常關鍵。一個完整串行接口讀操作需 16 個時鐘周期，在時鐘的下降沿讀 16 個輸出位，第 1 位和第 15 位是一偽標志位，并總為 0；第 14 位到第 3 位為以 MSB 到 LSB 順序排列的轉(zhuǎn)換溫度值；第 2 位平時為低，當熱電偶輸入開放時為高，開放熱電偶檢測電路完全由 MAX6675 實現(xiàn)，為開放熱電偶檢測 器 操作， T必需接地，并使接地點盡可能接近 GND 腳；第 1位為低以提供 MAX6675 器材身份碼，第 0 位為三態(tài) [6]。 MAX6675 從 SPI 串行接口輸出數(shù)據(jù)的過程如下： MCU使 CS 變低并提供時鐘信號給 SCK，由 SO 讀取測量結(jié)果。 （ 6） SPI 串行接口 MAX6675 采用標準的 SPI 串行外設總線與 MCU 接口，且 MAX6675 只能作為從設備。為降低電源噪聲的影響，可在 MAX6675 的電源引腳附近接入 1 只 陶瓷旁路電容。為降低芯片自熱引起的測第三章 單元電路的設計 25 量誤差，可在布線時使用大面積接地技術提高 MAX6675 溫度測量精度。因此在實際測溫應用時，應 盡量 避免在 MAX6675 附近放置發(fā)熱器件或元件，因為這樣會造成冷端誤差。該器件內(nèi)部電路將二極管電壓和熱電偶電壓送到 ADC 中轉(zhuǎn)換 ，以計算熱電偶的熱端溫度。 MAX6675 是通過冷端補償檢測和校正周圍溫度變化的。冷端即安裝 MAX6675 的電路板周圍溫度，此溫度在20℃～ +85℃范圍內(nèi)變化。上式中， outV 為熱電偶輸出電壓（ mV ） ， Rt 是測量點溫度； AMBt 是周圍溫第三章 單元電路的設計 24 度。在將溫度電壓值轉(zhuǎn)換為相等價的溫度值之前，它需要對熱電偶 的冷端溫度進行補償，冷端溫度即是 MAX6675 周圍溫度與 0℃實際參考值之間的差值。 （ 1）溫度變換 MAX6675 內(nèi)部具有將熱電偶信號轉(zhuǎn)換為與 ADC 輸入通道兼容電壓的信號調(diào)節(jié)放大器， T+和 T輸入端連接到低噪聲放大器 A1，以保證檢測輸入的高精度，同時使熱電偶連接導線 與干擾源隔離。 第三章 單元電路的設計 23 表 32 MAX6675 引腳功能 引 腳 名 稱 功 能 1 GND 接地端 2 T K 型熱電偶負極 3 T+ K 型熱電偶正極 4 VCC 正電源端 5 SCK 串行時鐘輸入 6 CS 片選段， CS 為低時啟動串行接口 7 SO 串行數(shù)據(jù)輸出 8 . 空引腳 2. MAX6675 的工作原理 MAX6675 的內(nèi)部結(jié)構如圖 35 所示。 該器件采用 8 引腳 SO 貼片封裝。 Maxim 公司新近推出的 MAX6675 即是一個集成 了熱電偶放大器、冷端補償、 A/D 轉(zhuǎn)換器 及 SPI 串口 的熱 K 型熱電偶信號放大 與數(shù)字轉(zhuǎn)換器。因此，若將熱電偶應用于嵌入式系統(tǒng)時，須進行復雜的信號放大、 A/D 轉(zhuǎn)換、 查表線性化、溫度補償及數(shù)字化輸出接口 等軟硬件設計。②冷端補償 ：熱電偶輸出的熱電勢為冷端保持為 0℃時與測量端的電勢差 值，而在實際應用中冷端的溫度是隨著環(huán)境溫度而變化的，故需進行冷端補償。但是將熱電偶應用在基于單片機的嵌入式系統(tǒng)領域時，卻存在著以下幾方面的問題。圖中由熱電偶溫度采集部分輸 出的 4～ 20mA 的電流經(jīng)過取樣電阻 R14 的處理轉(zhuǎn)換為 ~4V的 電壓信號經(jīng)過 LF356進行 數(shù)據(jù)的處理輸出可以滿足單片機 A/D轉(zhuǎn)換范圍的 0~ 電壓 。 溫度數(shù)據(jù)采集部分的信號 放大 電路如圖 33所示。例如信號源 的性質(zhì)，是電壓源還是電流源；負載的性質(zhì)，集成運放輸出電壓和電流是否滿足要求 ；環(huán)境條件，集成運放允許工作范圍、工作電壓范圍、功耗與體第三章 單元電路的設計 21 積等因素是否滿足要求。所以，對于放大音頻、視頻等交流信號的電路，選 SR（轉(zhuǎn)換速率 ）大的運放比較合適；對于處理微弱的直流信號的電路，選用精度比較高的運放比較合適（即 失調(diào)電流、失調(diào)電壓及溫 漂 均比較?。?。一般用優(yōu)值系數(shù) K來衡量集成運放的優(yōu)良程度，其定義為： OSib VISRK ?? 式中 ， SR 為轉(zhuǎn)換率，單位為 V/?s，其值越大，表明運放的交流特性越好； Iib為運放的輸入偏置電流，單位是 nA； VOS為輸入失調(diào)電壓，單位是 mV。當一個系統(tǒng)中使用多個運放時，盡可能選用多運放集成電路，例如 LM32 LF347 等都是將四個運放封裝在一起的集成電路。在由運算放大器組成的各種系統(tǒng)中，由于應用要求不一樣，對運算放大器的性能要求也不一樣。 150V，μ A791集成運放的輸出電流可達 1A 。高壓大電流集成運算放大器外部不需附加任何電路，即可輸出高電壓和大電流。在普通的運算放大器中，輸出電壓的最大值一般僅幾十伏，輸出電流僅幾十毫安。目前有的產(chǎn)品功耗已達微瓦級，例如 ICL7600的供電電源為 ，功耗為 10μW ，可采用單節(jié)電池供電。 2V ～ 177。 5) 低功耗型運算放大器 由于電子電路集成化的最大優(yōu)點是能使復雜電路小型輕便，所以隨著便攜式儀器應用范圍的擴大，必須使用低電源電壓供電、低功率消耗的運算放大器相適用。高速型運算放大器主要特點是具有高的轉(zhuǎn)換速率和寬的頻率響應。目前常用的高精度、低溫漂運算放大器有 OP0 OP2 AD508及由 MOSFET組成的斬波穩(wěn)零型低漂移器件 ICL7650等。 3) 低溫漂型運算放大器 在精密儀器、弱信號檢測等自動控制儀表中，總是希望運算放大器的失調(diào)電壓要小且不隨溫度的變化而變化。用 FET作輸入級，不僅輸入阻抗高，輸入偏置電流低，而且具有高速、寬帶和低噪聲等優(yōu)點，但輸入失調(diào)電壓較大。 2) 高阻型運算放大器 這類集成運算放大器的特點是差模輸入阻抗非常高，輸入偏置電流非常小，一般 idr ＞（ 910 ～ 1210 ） ? ， IBI 為幾皮安到幾十皮安。例 μ A741（單運放）、LM358（雙運放）、 LM324（四 運放）及以場效應管為輸入級的 LF356都屬于此種。 輸入級 中