【正文】 .................................................................................................................. 35 第 1 頁 1 緒論 系統(tǒng)背景 人類最早使用的定時工具是沙漏或水漏，但在鐘表誕生發(fā)展成熟之后，人們開始嘗試使用這種全新的計(jì)時工具來改進(jìn)定時器，達(dá)到準(zhǔn)確控制時間的目的。現(xiàn)在的定時器廣泛運(yùn)用與工業(yè)控制，家用電器甚 至軍工領(lǐng)域，成為現(xiàn)在社會不可或缺的電子設(shè)備。 機(jī)械式定時器，以發(fā)條為原動力，用擒縱調(diào)速器控制走時精度，通過齒輪傳動和凸輪，按時間控制機(jī)構(gòu)預(yù)置的時段操縱執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作。這些定時器都是在手動上發(fā)條的同時預(yù)置時限，定時精度不高，但結(jié)構(gòu)簡單 ,使用方便。其中短時段控制的電動式定時器可用于程序控制式洗衣機(jī)、洗碗機(jī)、微波爐、烘箱及時間繼電器等 。 電子式定時器，利用石英振蕩器或民用交流電的標(biāo)準(zhǔn)頻率 ， 經(jīng)過分頻計(jì)數(shù)組成時間累加器或數(shù)字鐘 ， 按照預(yù)置的時間編碼輸出控制信號。其中長時段定時器最小控制時段一般為 一 分鐘 ,配上微處理器后能精確地編制一年的時間程序，組成多路可編程序的定時器。電子定時器類的電子定時開關(guān)鐘，可用于按高、平、低峰用電收取不同電費(fèi)制度的場合，它將一天內(nèi)的用電高峰、平峰、低谷時間在定時開關(guān)中設(shè)定 ,并分別接通 3 種電表進(jìn)行計(jì)費(fèi)。 定時器的應(yīng)用 隨著時代的 進(jìn)步，定時器的應(yīng)用越來越廣泛。在家用電器中經(jīng)常用于延時自動開關(guān)、定時。定時可用于照相定時曝光、定時閃光、定時調(diào)速、定時烘箱、冰箱門定時報警、定時水位報警、延時催眠器、延時電鈴、延時電子鎖、觸摸定時開關(guān)等等。 此外， DSP 中的定時器還可用于數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換，信號的采樣，伺服位置控制， 數(shù)字振蕩器的設(shè)計(jì)等等。 DSP 微控制器用來處理定時器程序 ； 利用 DSP 的 SPI 接口和 74HC164 八 位串入、并出移位寄存器 相連，進(jìn)行串行通信，再由 74HC164 寄存器將 段碼 并行輸出給數(shù)碼管從而顯示數(shù)字；矩陣鍵盤與 DSP 的 GPIO 口相連接，以掃描的方式識別鍵值，實(shí)現(xiàn)鍵盤對定時器的控制。程序調(diào)試成功后通過 JTAG 將程序下載到 DSP 的 RAM 中進(jìn)行硬件調(diào)試，程序具體實(shí)現(xiàn)功能見 的功能實(shí)現(xiàn)。 TI 公司的產(chǎn)品線中有一大塊業(yè)務(wù)是數(shù)字信號處理器（ DSP）和微處理器 （ MCU）， CCS 是 TI 公司專門為 DSP 軟件工程師設(shè)計(jì)的集編譯、仿真、下載為一體的 DSP 開發(fā)軟件，可以通過 CCS 新建工程、編譯仿真工程、在線調(diào)試、下載程序 。它功能強(qiáng)大，體積小，重量輕，靈活好用，配以適當(dāng)?shù)慕涌谛酒梢詷?gòu)造各種各樣、功能各異的微電子產(chǎn)品。 為了實(shí)現(xiàn)定時器系統(tǒng)的主要功能，除了要有電源設(shè)備、時鐘電路、復(fù)位電路等必備 設(shè)備之外，還有必不可少的數(shù)碼管及其驅(qū)動電路，為了在定時結(jié)束時、報警，必須還有 LED 燈，為了能夠用鍵盤控制定時器狀態(tài)和輸入時間，還需要矩陣鍵盤及其控制電路。 定時器的功能 本次 設(shè)計(jì)的課題是基于 DSP 為控制器定時器設(shè)計(jì)，相關(guān)功能如下： ，最大定時時間為 100 分鐘。 ，暫停后，再按下開始鍵，則從暫停的 時間點(diǎn)繼續(xù)定時。 ， LED 燈開始不斷閃爍，提示定時時間到。輔以7 段數(shù)碼管，按鍵矩陣， LED 燈， 74HC164 芯片共同完成定時器的定時功能。 ，停止定時，數(shù)碼管上顯示“ 0000”， LED 燈開始閃亮，提示定時結(jié)束。 ：矩陣鍵盤上鍵有十個按鍵設(shè)定為 0~9 數(shù)字輸入功能，另外兩 個鍵作為時間設(shè)定的控制鍵，分別為暫停，開始。 第 5 頁 器 的顯示電路： 顯示時間 由 4 位共陽數(shù)碼管顯示，首先由 DSP 與74HC164 進(jìn)行 SPI 串行同步通信，將數(shù)碼管需要的段碼傳輸給 74HC164，再由74HC164 將段碼并行輸出給數(shù)碼管，達(dá)到數(shù)碼管顯示的目的。 DSP芯片外部連接一個 30MHz的石英晶體振蕩器。 以上是對定時器的 硬件組成 和具體工作流程進(jìn)行了大體的介紹，現(xiàn)對其各功能的實(shí)現(xiàn)方式 分別進(jìn)行講解。其工作原理是接收模擬信號，轉(zhuǎn)換為 0 或 1 的數(shù)字信號。它不僅具有可編程性，而且其實(shí)時運(yùn)行速度可達(dá)每秒數(shù)以千萬條復(fù)雜指令程序，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過通用微處理器，是數(shù)字化電子世界中日益重要的電腦芯片 [1]。 本程序使用的 TMS320F28335 型數(shù)字信號處理器 是 TI 公司的一款TMS320C28X 系列浮點(diǎn) DSP 控制器。 TMS320F28335 具有 150MHz 的高速處理能力，具備 32 位浮 點(diǎn)處理單元，6 個 DMA 通道支持 ADC、 McBSP 和 EMIF，有多達(dá) 18 路的 PWM 輸出，其中有 6 路為 TI 特有的更高精度的 PWM 輸出 (HRPWM)， 12 位 16 通道 ADC。 第 6 頁 定時器中斷的實(shí)現(xiàn) 為了實(shí)現(xiàn)定時器的精確走時功能，本系統(tǒng)利用 定時器 0、 PIE 模塊和 CPU 中斷共同作用產(chǎn)生 定時器中斷。當(dāng)定時器計(jì)數(shù)器寄存器遞減到零時，定時器會產(chǎn)生一個 中斷 TINT 并將其傳送給 PIE 外設(shè)中斷模塊，當(dāng) PIE 中的中斷時能位 PIEIER 被時能后， PIE會將這個中斷傳送給 CPU，如果 CPU 的中斷使能位和 INTM 被使能，則 CPU會相應(yīng)定時器 0 中斷，轉(zhuǎn)而執(zhí)行定時器 0 的中斷服務(wù)子程序。其中 CPU 定時器 2 被系統(tǒng)保留，用于實(shí)時操作系統(tǒng)，例如 DSP/ BIOS。 在本系統(tǒng)中使用的是定時器 0，定時器 0 的內(nèi)部原理圖如下所示： 圖 22 定時器 0 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 Cpu 定時器的通常工作過程如下，首先把周期寄存器 PRDH:PRD 的值裝入32 位計(jì)數(shù)寄存器 TIMH:TIM 中。其中， TIMCLK 由定時器分頻器 TDDRH:TDDR 和定時器預(yù)定標(biāo) 計(jì)數(shù) 器 PSCH:PSC 來控制。當(dāng) PSCH:PSC 中的值為 0 的時候，就會輸出一個 TIMCLK，從而TIMH:TIM 減 1。因此， TIMCLK 就等于(TDDRH:TDDR+1)個系統(tǒng)時鐘的時間 [3]。平時能夠用到的所有的外設(shè)中斷都被歸人了這 96 個中斷中，被分布在不同的組里 [3]。對于某一個具體的外設(shè)中斷請求，只要有任意一級不許可， CPU 最終都不會響應(yīng)該外設(shè)中斷。此時，如果該中斷相應(yīng)的中斷使能位 (IE=Interrupt Enable)已經(jīng)被置位，也就是值為 1，該外設(shè)就會向 PIE 控制器發(fā)出一個中斷請求。 但在本系統(tǒng)中，定時器 0 內(nèi)部的 計(jì)數(shù) 寄存器一旦遞減到零，就會向 PIE 產(chǎn)生一個中斷請求 TINT， 而 無需經(jīng)過外設(shè)內(nèi)部的中斷位置位 。 對于復(fù)用的中斷源， PIE 模塊中的每個中斷組都有一個中斷標(biāo)志寄存器（ PIEIFR(x,y)）和中斷使能寄存器（ PIEIER(x,y)），其中 x=PIE 組 1~PIE 組 12，y 表示一組中的 8 個復(fù)用中斷 ,這樣， PIEIFRx,y 和 PIEIERx,y 將對應(yīng) PIE 組 x（ x=1~12）中的中斷 y(y=1~8),即代表相應(yīng)的中斷標(biāo)志位和中斷使能位。 當(dāng)外設(shè)向 PIE 控制器發(fā)送中斷請求時，則相應(yīng)的 PIE 中斷標(biāo)志位（ PIEIFRx,y） 置位， 如果相應(yīng)的 PIE 中斷使能位 PIEIER(x,y)也 置位 ，則 PIE 將檢查相應(yīng)的 PIEACKx 位，以確定 CPU 是否為該組中斷準(zhǔn)備好。 定時器 0 的中斷 TINT 使用的時 PIE 中的第一組的第七個中斷。相應(yīng)的 CPU 中斷標(biāo)志位置 1， 當(dāng)中斷標(biāo)志鎖存到標(biāo)志寄存器后。 由于定時器 0 占用的是 PIE 第一組的第七個中斷線。當(dāng)定時器 0 的中斷傳輸?shù)?CPU 級后， IFR1 會被置位，如果 IER 和 INTM 都被使能，那么定時器 0 的中斷服務(wù)子程序才會被執(zhí)行。其中 SPI 串行通信接口負(fù)責(zé)把數(shù)碼管需要的數(shù)據(jù)一位一位的傳送給74HC164 芯片，再由 74HC164 將數(shù)碼管所需的段碼并行輸出給數(shù)碼管，這樣數(shù)碼管就可以顯示數(shù)據(jù)了。 首先，數(shù)據(jù)要利用 SPI 在 DSP 和 74HC164 之間進(jìn)行通信。 其次 74HC164 還有 8 個輸出 QA~QH，其中 QA 是高位， QH 是低位， 所以QA 接數(shù)碼管的小數(shù)點(diǎn) DP 位， QB~QH 分別接數(shù)碼管的 g~a 位。三極管的 集電極接 +5V 電源， 基極 分別接 DSP 的四個 GPIO 口 5 5 54 和 55。 SPI 串行 外設(shè)接口 SPI 是 Serial Peripheral Interface 的縮寫，翻譯成中文就是串行外圍設(shè)備接口。 SPI 通常用 于 DSP 和外設(shè)及其他處理器之間的通信。 SPI 支持主 /從模式的多機(jī)通信。 SPI 的通信原理。其中， CS 信號是用來控制從機(jī)的芯片是否被選中的。當(dāng) SI 的片選信號 第 10 頁 為低電平時， S1 被選中， Ml 通過 MOSI 引腳 發(fā)送數(shù)據(jù)， S1 通過 MOSI 引腳接收數(shù)據(jù)，或者 S1 通過 MISO 引腳發(fā)送數(shù)據(jù)，而 M1 通過 MISO 引腳接收數(shù)據(jù)。從機(jī)只有通過 CS 信號被選中之后，對此從機(jī)的操作才一會有效，可見片選信號的存在使得允許在同一總線上連接多個 SPI 設(shè)備成為可能。通信時通過進(jìn)行數(shù)據(jù)交換 來完成，這里首先要知道 SPI 采用的是串行通信協(xié)議，也就是說通信時數(shù)據(jù)是一位一位進(jìn)行傳輸?shù)?。?dāng) M1 給 S1 發(fā)送數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)在時鐘脈沖的上升沿或者下降沿時通過 MI 的 MOSI 引腳發(fā)送，在緊接著的下降沿或者上升沿時通過 S1 的 MOSI 引腳接收 [6]。 值得注意的是， SCK 信號只由主設(shè)備控制，從設(shè)備不能控制時鐘信號線。在點(diǎn)對點(diǎn)的通信中， SPI 接口不需要尋址操作，且為全雙工通信，因此顯得簡單高效。 圖 25 SPI 模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 1)4 個外部引腳 SPISOMI:SPI 從輸出 /主輸入引腳； 第 11 頁 SPISIMO:SPI 從輸入 /主輸出引腳 SPISTE:SPI 從傳送使能引腳； SPICLK:SPI 串行時鐘引腳。 3)波特率 :具有 125 種可編程的波特率。 4)依次發(fā)送的數(shù)據(jù)字的長度為 1~~16s 位，可以通過寄存器設(shè)定。當(dāng)然，發(fā)送功能可以通過 SPICTL，寄存器的 TALK 位禁止或者使能。 8)具有 6 個控制寄存器、 3 個數(shù)據(jù)寄存器和 3 個 FIFO 寄存器。但是，3 個數(shù)據(jù)寄存器 SPIRXBUF , SPITXBUF 和 SPIDAT 都是 16 位的。 SPI 的主從工作方式 圖 26 SPI 主從通信原理圖 圖示的是典型的 SPI 工作于主機(jī)模式，系統(tǒng)中 有兩個處理器，處理器 1 的SPI 工作于主機(jī)模式，而處理器 2 的 SPI 工作于從機(jī)模式。從圖中也可以看到，時鐘信號 SPICLK 是由主機(jī)提供給從機(jī)的，主機(jī)和從機(jī)在 SPICLK 的協(xié)調(diào)下同步進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送或者接收，數(shù)據(jù)在時鐘脈沖信號的上升沿或者下降沿進(jìn)行發(fā)送或者讀取。主機(jī)和從機(jī)之間可以同時實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā) 送和接收，也就是說可以工作于全雙工模式。數(shù)據(jù)是從 SPISIMO 引腳輸出，并將鎖存 SPISOMI 引腳輸入的數(shù)據(jù)。寫入 SPIDAT（串行數(shù)據(jù)寄存器）或 SPITXBUF（串行輸出緩沖寄存器）的書籍啟動 SPISOMI 引腳的數(shù)據(jù)發(fā)送，數(shù)據(jù)的最高位（ MSB）最先發(fā)送。當(dāng)設(shè)定的位發(fā)送完畢后。數(shù)據(jù)以右對齊的方式存儲于 SPIRXBUF 寄存器中 。從上面的波特率計(jì)算公式可以看出， SPI 模塊最大的波特率為 LSPCLK/4。當(dāng)時鐘 極性位被清零時， SPILCK 的低電平比高電平多一個系統(tǒng)時鐘周期 。 74HC164 74HC164 是 8 位串入、并出移位寄存器，主要用于數(shù)字電路和 LED 顯示控制電路應(yīng)用。數(shù)據(jù)通過兩個輸入端（ DSA 或 DSB）之一串行輸入；任一輸入端可以用作高電平使能端，控制另一輸入端的數(shù)據(jù)輸入。時鐘 (CP) 每次由低變高時，數(shù)據(jù)右移一位，輸入到 Q0， Q0 是兩個數(shù)據(jù)輸入端（ DSA 和 DSB）的邏輯與，它將上升時鐘沿之前保持一個建立時間的長度。 圖 27 74HC164 引腳圖 表 21 74HC164 引腳說明 符號 管腳名稱 管腳號 描述 A,B 數(shù)據(jù)輸入 1,2 該管腳為與門輸入 QA~QH 數(shù)據(jù)輸出 3,4,5,6,10,11,12,13 并行輸出口 CLK 時鐘輸入 8 在上升沿讀取串行數(shù)據(jù) CLR 復(fù)位 9 端口輸入為低時，所有輸入無效，所有輸出清零，端口為高時，輸出數(shù)據(jù) VDD 邏輯電源 15 電源 GND 邏輯地 7 系統(tǒng)地 數(shù)碼管 數(shù)碼管是一種半導(dǎo)體發(fā)光器件，其基本單元是發(fā)光二極管，是 常用的一種顯示輸出 元件。共陽數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陽極接到一起形成公共陽極 (COM)的數(shù)碼管 ，其 在應(yīng)用時應(yīng)將公共極 COM 接到 +5V，當(dāng)某一字段發(fā)光二極管 的陰極為低電平時，相應(yīng)字段就點(diǎn)亮；當(dāng)某一字段的陰極為高電平時，相應(yīng)字段就不亮。 圖 28 七段數(shù)碼管示意圖 數(shù)碼管有共陽和共陰兩種，由于共陰數(shù)碼管要靠微控制器 DSP 提供電流，顯示效果往往沒有共陽數(shù)碼管好，所以本系 統(tǒng)采用的是共陽數(shù)碼管。本程序用的