【正文】 為傳感器芯片的面積較小，外部擴展的電路只能進行貼片焊接。其他的引腳也可以與凌陽單片機61板相連，用來拓展更多的功能。圖27為MMA7260QT三軸加速度傳感器芯片的封裝結(jié)構(gòu)簡圖。在下面的一節(jié)中，我們將涉及到加速度傳感器單元的硬件設(shè)計部分。由于DAC本身的物理特性，～。10%”。通常DAC的最大輸出電流和AVdd成正比。b9～b15為保留位。P_DAC1 (讀)：從DAR1內(nèi)讀出10位數(shù)據(jù)。在DAC方式下，該單元帶有10位的緩沖寄存器DAR1。P_DAC1(讀/寫)(7017H)。表210 DAC2單元b15 – b6b5 – b0DA2_Data(讀/寫)P_DAC2(寫)：通過此單元直接寫入10位數(shù)據(jù)到10位寄存器DAR2，來鎖存DAC2的輸入數(shù)值(無符號數(shù))。P_DAC2(讀/寫)(7016H)DAC2是個10位的D/A轉(zhuǎn)換單元。采用ramp up/down技術(shù)，可以減緩電壓變化的幅度，從而輸出高品質(zhì)的音頻數(shù)據(jù)。DAC的直流電壓必須保證平穩(wěn)地變化。上電復位后，兩個DAC均被自動打開，此時會消耗少量的電流(幾毫安)。如果DAC的輸出數(shù)據(jù)被處理成PCM數(shù)據(jù)，必須讓DAC輸出數(shù)據(jù)的直流電位保持為0x8000，且僅有高10位的數(shù)據(jù)有作用。 DAC方式音頻輸出設(shè)計SPCE061A為音頻輸出提供兩個DAC通道：DAC1和DAC2，分別由經(jīng)由DAC1和DAC2引腳輸出。注意，讀取P_ADC_LINEIN_Data(讀)(702CH)單元的值會再次觸發(fā)A/D轉(zhuǎn)換。采用Line_In通道A/D轉(zhuǎn)換時，通過讀P_ADC_LINEIN_Data(讀)單元的值，便可開始進行A/D轉(zhuǎn)換操作，同時，P_ADC_MUX_Ctrl單元的第15位RDY被清除為0。為保證P_ADC_LINEIN_Data(讀)單元讀取到正確的數(shù)據(jù)，用戶必須通過P_ADC_MUX_Ctrl(讀/寫)(702BH)單元的第14位FailB的值，確認A/D是否成功或是被打斷[9]。當MIC_In通道處于定時器鎖存狀態(tài)時，MIC_In通道的優(yōu)先級高于Line_In通道。MIC_In通道A/D轉(zhuǎn)換擁有多種的觸發(fā)方式，可通過設(shè)置P_DAC_Ctrl (寫)(702AH)單元的第3和4位來切換。通道切換可通過設(shè)置P_ADC_MUX_Ctrl(讀/寫)(702BH)單元的第0～2位來完成。SPCE提供了一個內(nèi)置的2V電壓源(通過設(shè)置P_ADC_Ctrl(寫)(7015H)單元的第8位V2VREFB＝0來啟用)，它可以被連接到VEXTREF引腳，作為Line_In通道的最大參考電壓。所以，Line_In通道的輸入電壓范圍從0V到VEXTREF，VEXTREF的值越低，Line_In通道的電壓范圍越小。VEXTREF＝1時，VEXTREF引腳被啟用，這時，必須輸入外部電壓到該引腳，作為Line_In通道的最大電壓。通過設(shè)置P_ADC_Ctrl(寫)(7015H)單元的第7位VEXTREF，可以決定Line_In通道輸入的最大電壓值。注意，由于IO口帶有內(nèi)部上拉和下拉輸入電阻，這會影響外部Line_In信號的電平。SPCE061A提供7個Line_In通道，它們與IOA[0～6]共享7個引腳。表27 P_ADC_MUX_Ctrl單元b15b14b13b3b2b1b0控制功能描述RDYFailBChannel_sel010位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換未完成110位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換完成010位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換失敗(預設(shè))110位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換成功000模擬電壓信號經(jīng)由MIC_IN輸入001模擬電壓信號經(jīng)由LINE_IN1輸入010模擬電壓信號經(jīng)由LINE_IN2輸入011模擬電壓信號經(jīng)由LINE_IN3輸入100模擬電壓信號經(jīng)由LINE_IN4輸入101模擬電壓信號經(jīng)由LINE_IN5輸入110模擬電壓信號經(jīng)由LINE_IN6輸入111模擬電壓信號經(jīng)由LINE_IN7輸入ADC的多路LINE_IN輸入是與IOA[0～6]共享，如表28所示：表28 LINE_IN與IOA共享的對應關(guān)系IOA6IOA5IOA4IOA3IOA2IOA1IOA0LIN_IN 7LIN_IN 6LIN_IN 5LIN_IN 4LIN_IN 3LIN_IN 2LIN_IN 1P_ADC_MUX_Data(讀)(702CH)。其中，b15為RDY(讀)，b8為V2VREFB(寫)，b7為VEXTREF(寫)，b6為DAC_OUT(寫)，b2為AGCE(寫)，b1為MIC_ENB(寫)，b0為ADE(寫)。P_ADC_Ctrl(讀/寫)(7015H)。表24 P_ADC單元b15 b6b5 – b0DAR0(讀/寫)P_ADC(讀)：讀本單元實際為A/D轉(zhuǎn)換輸出的10位數(shù)。P_ADC單元(如表32所示)儲存MIC輸入的A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。放大器的增益值可由外部線路來調(diào)整，因此AGC可以控制MIC_In輸入信號的值在一定的范圍內(nèi)[8]。外部信號是由LIN_IN[1～7]即IOA[0～6]或通道MIC_IN輸入。而從該單元讀取數(shù)據(jù)后，又會使RDY自動清為0來重新開始進行A/D轉(zhuǎn)換。當10位A/D轉(zhuǎn)換完成時，RDY會被設(shè)1。接著，逐次逼近式控制又將下一位試設(shè)為1，其余低位依舊設(shè)為0，即1100000000B，VDAC0與Vin進行比較的結(jié)果若VinVDAC0，則仍保持原先設(shè)置位的值，否則該位便清為0。這時DAC0輸出電壓VDAC0為1/2最大值，用來與輸入電壓Vin進行比較。此時，DAC0的輸出電壓與外部輸入電壓進行比較，以盡快找出外部電壓的數(shù)字值。DAC_OUT的設(shè)置可改變DAC輸出的功率。P_ADC_Ctrl(寫)(7015H)單元的第5位DAC_OUT，可用來選擇兩通道音頻DAC的最大輸出。所以，不使用VMIC時，用戶須把P_ADC_Ctrl單元的第1位MIC_ENB設(shè)為1，以關(guān)閉VMIC。VMIC用于向外部的MIC提供電源，VMIC=AVDD。進入睡眠狀態(tài)后，ADC被關(guān)閉(包括AGC和VMIC)。當P_ADC(讀)(7014H)單元的數(shù)據(jù)被讀取/TimerA/TimerB事件發(fā)生后，可執(zhí)行A/D轉(zhuǎn)換。用戶可通過讀取P_ADC_LINEIN_Data(讀)(702CH)單元，取得從指定的Line_In通道輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換結(jié)果。用戶就可以從P_ADC_MUX_Ctrl的FailB位得知，Line_In ADC是否被MIC_In ADC打斷。只有當目前的AD轉(zhuǎn)換完成后，才能切換通道。通道包括MIC_In和Line_In兩種。當ADE=1時，應對P_ADC_Ctrl和P_ADC_MUX_Ctrl的其它控制位進行合理的設(shè)置。向P_ADC_Ctrl(寫)(7015H)單元第0位(ADE)寫入1，可以啟用ADC。如果用戶指定的參考電壓源的值不超過AVdd，它還可以被當作ADC的最高參考電壓。如果起作用，用戶可向VEXTREF引腳輸入2V電壓。第7位VEXTREF決定了ADC的參考電壓為AVdd或是外部參考電壓。由于Line_In通道和IOA[0～6]共享引腳，建議用戶選擇其它的IO引腳(非IOA[0～6])，以避免由于無效的IO信號造成電壓不穩(wěn)(超過VDDIO+)而降低ADC的性能。SPCE061A的A/D轉(zhuǎn)換范圍是整個輸入范圍。 模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換設(shè)計SPCE061A有8個10位ADC通道，其中一個通道(MIC_In)用于語音輸入，模擬信號經(jīng)過自動增益控制器和放大器放大后進行A/D轉(zhuǎn)換。傳入的數(shù)據(jù)需要進行AD轉(zhuǎn)換，因此輸入引腳的功能應該定為“不帶喚醒功能的懸浮式輸入”。_Data位在端口位的輸出狀態(tài)下被寫入的是輸出數(shù)據(jù)，不過，數(shù)據(jù)是經(jīng)過反相器輸出還是經(jīng)過同相寄存器輸出要由_Attrib位來決定。在端口位的輸出狀態(tài)下則決定其輸出是反相的還是同相的；0為反相輸出，1則為同相輸出。由表31可以得出以下一些結(jié)論：_Dir位決定了端口位的輸入/輸出方向：即0為輸入，1為輸出。這三個端口中每個對應的字節(jié)合在一起，形成一個控制字，來定義相對應I/O端口位的輸入/輸出狀態(tài)和方式。A端口的屬性向量單元，用于A端口屬性向量的設(shè)置。Dir位決定了端口位的輸入/輸出方向：即0為輸入，1為輸出。P_IOA_Dir(讀/寫)(7002H)。此時從P_IOA_Data讀回為0，但P_IOA_Buffer則為1。若P_IOA_Data的IOA[0]為1。但對輸入而言，P_IOA_Data讀的是IO的值，P_IOA_Buffer讀的是buffer內(nèi)的值。當A口處于輸出狀態(tài)時，寫入輸出數(shù)據(jù)到A端口的數(shù)據(jù)寄存器。A端口的數(shù)據(jù)向量單元，用于向數(shù)據(jù)向量寄存器寫入或從該寄存器讀出數(shù)據(jù)。當A口處于輸出狀態(tài)時，寫入輸出數(shù)據(jù)到A端口的數(shù)據(jù)寄存器。A端口的數(shù)據(jù)單元，用于向A口寫入或從A端口讀出數(shù)據(jù)。下面就各個控制單元的功能實現(xiàn)作簡要說明。A口和B口的Data、Attribution和Direction的設(shè)定值均在不同的寄存器里，用戶在進行I/O端口設(shè)置時要特別注意這一點。與其它的單片機相比，SPCE061A除了每個I/O口可以單獨定義其狀態(tài)外，每個對應狀態(tài)下的I/O端口性質(zhì)電路都是內(nèi)置的，在實際的電路中不需要再外接。SPCE061A提供了位控制結(jié)構(gòu)的I/O端口，每個獨立的位用于數(shù)據(jù)輸入還是輸出，可通過以下3種控制向量來作設(shè)定：數(shù)據(jù)向量Data、屬性向量Attribution、方向控制向量Direction。其中，A口的IOA0～IOA7作為輸入端口時，具有喚醒功能，即當輸入電平發(fā)生變化時，會觸發(fā)CPU中斷。圖26 I/O結(jié)構(gòu)示意圖SPCE061A有兩個16位的通用并行I/O口：A口和B口。輸出端口負責向外界傳送由內(nèi)部電路產(chǎn)生的處理結(jié)果、顯示信息、控制命令、驅(qū)動信號等。輸入端口負責從外界接收檢測信號、鍵盤信號等各種開關(guān)量信號。以下將對本次設(shè)計中應用到的輸入/輸出接口、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器ADC、凌陽音頻等部分做重點的知識介紹與設(shè)計說明。圖25 系統(tǒng)外部電路連接原理圖SPCE061A單片機是本次設(shè)計的核心部件。由于加速度傳感器模塊的電壓輸出滿足61板的輸入要求，這里不需要功率放大器。其他的引腳，如加速度選擇、睡眠模式等可作為本系統(tǒng)的優(yōu)化方向進行考慮，我們在現(xiàn)階段的電路圖連接與分析中不做顯示。61板的輸入輸出接口部分，是61板與外部電路進行信息交換的出入通道，我們應把插線的一段連接在輸入輸出口上。硬件設(shè)計時，首先應對單片機進行自檢測試。加速度傳感器模塊三路數(shù)據(jù)傳入61板，控制揚聲器發(fā)聲。整個系統(tǒng)基本上主要由傳感器模塊、61板兩部分組成。S1和S2兩個引腳可以被空置，(800mV/g)。加速度選擇特性對于這些產(chǎn)品是相當理想的。(如表22所示)。MMA7260QT三軸加速度傳感器可以在四種不同靈敏度之間進行選擇。圖23 MMA7260QT傳感器的接線端可見，傳感器模塊引腳豐富。用單片機的A/D轉(zhuǎn)換器讀取此輸出信號，就可以檢測其運動和方向。各軸的信號在不運動或不被重力作用的狀態(tài)下(0g),。如圖22中的RESET按鍵。外部復位。I/O端口電壓此時只有一種選擇。5V供電時，用戶可以用3節(jié)電池來供電。對應的引腳中1，對于I/O端口的電壓55，這兩種電平的選擇通過跳線J5來選擇。圖22中J10是電源接口， 而I/。圖22中的J11是EZ_PROBE的接口，我們提供一根下載線用作程序的下載，一端連接PC機的25pin并口，另外一端接61板的5pin EZ_PROBE接口。在圖22中J4為PROBE的接口，該接口有5pin，我們就是通過它將PROBE與PC機連接起來進行調(diào)試、仿真和下載程序的。正如我們在前面介紹的61板具有強大的語音處理功能，如圖22所示，X1是語音的MIC輸入端，自帶自動增益(AGC)控制，J3是語音輸出接口，一個2pin的插針外接喇叭，由DAC輸出引腳21或2經(jīng)語音集成放大器SPY0030A放大，然后輸出，SPY0030A是凌陽的一款芯片，功能相當于LM386， 但是比LM386音質(zhì)好，～，最大輸出功率可達700mW。而且該I/O口是可編程的，即可以設(shè)置為輸入或輸出：設(shè)置為輸入時，分為懸浮輸入或非懸浮輸入，非懸浮輸入又可以設(shè)置為上拉輸入或是下拉輸入；在5V情況下，上拉電阻為150K，下拉電阻為110K；設(shè)置為輸出時，可以選擇同相輸出或者反相輸出。61板將SPCE061A的32個I/O口全部引出：IOA0～IOA15，IOB0～IOB15。下面我們將就本次設(shè)計中重點應用到的接口作簡要的說明。圖22中顯示了61板上的各個接口分布。表21 61板框圖簡要說明POWER5vamp。它是“凌陽科技大學計劃”專為大學生、電子愛好者等進行電子實習、課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計、電子制作及電子競賽所設(shè)計的，也可作為單片機項目初期研發(fā)使用。 SPCE061A單片機SPCE061A是一款16位結(jié)構(gòu)的微控制器，主要包括輸入/輸出端口、定時器/計數(shù)器、數(shù)/模轉(zhuǎn)換、模/數(shù)轉(zhuǎn)換、串行設(shè)備輸入輸出、通用異步串行接口、低電壓監(jiān)測和復位等部分，并且內(nèi)置在線仿真電路ICE接口，較高的處理速度使其能夠快速的處理復雜的數(shù)字信號[5]。對于本設(shè)計來說，能夠較為精確地出反映“出氣寶寶”受擊打力后的運動情況。61板是SPCE061A EMU BOARD的簡稱，是以凌陽16位單片機SPCE061A為核心的精簡開發(fā)－仿真－實驗板，除了具備單片機最小系統(tǒng)電路外，還包括有電源電路、音頻電路(含MIC輸入部分和DAC音頻輸出部分)、復位電路等，采用電池供電。第2章 硬件設(shè)計 硬件器件的選擇本次設(shè)計的整個系統(tǒng)主要由SPCE061