【正文】 要參數(shù)。 本文所述的微機(jī)補(bǔ)償晶體振蕩器 ,與以往相比 ,采用了功能強(qiáng)大、體積小的 新型芯片 C8051F007 ,而且自身帶有 A/ D 和 D/ A , 為實(shí)現(xiàn)小型化和高精度提供了前提條件。它一般有兩種工作模式，一 種是正常模式，在該模式下輸出標(biāo)稱(chēng)頻率同時(shí)提供 1Hz 的同 步時(shí)頻信號(hào)輸出；另一模式為省功耗模式， 該模式下不進(jìn)行溫度補(bǔ)償或是補(bǔ)償周期很長(zhǎng)，因而功耗很低。 目前西安電子科技大學(xué)在積極的 從事于微機(jī)補(bǔ)償晶體振蕩器的研發(fā)工作。 ℃ ； 其程序能夠自動(dòng)識(shí)別“溫度 試驗(yàn)標(biāo)定階段”及“正常運(yùn)行階段” ； “溫度試驗(yàn)標(biāo)定階段”標(biāo)定的溫度點(diǎn)為 26 個(gè)。第二章敘述微機(jī)補(bǔ)償晶體振蕩器的硬件設(shè)計(jì)，對(duì)芯片及電路的介紹。第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)， 介紹了系統(tǒng)主要模塊的軟件信息及編程方法。第六章 是對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)的總結(jié)和提出優(yōu)化措施 。 第二章 微機(jī)補(bǔ)償晶體振蕩器硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3 2 微機(jī)補(bǔ)償晶體振蕩器硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 系統(tǒng)組成原理及框圖 本系統(tǒng)“微機(jī)補(bǔ)償晶體振蕩器”主要由溫度傳感電路、壓控晶振電路、微處理器及外接按鍵 4 部分構(gòu)成。 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案如下： 首先對(duì)一系列補(bǔ)償溫度點(diǎn)的控制電壓 U和溫度值進(jìn)行標(biāo)定。在每一個(gè)標(biāo)定點(diǎn)上，通過(guò) 外接按鍵調(diào)節(jié)振蕩器的控制電壓 U，使其振蕩頻率達(dá)到標(biāo)稱(chēng)頻率 f0 ，同時(shí)對(duì)該點(diǎn)的溫度及電壓值進(jìn)行存儲(chǔ)； 其次，根據(jù)得出的 26個(gè)標(biāo)定點(diǎn)進(jìn)行曲線擬合，得出溫度補(bǔ)償曲線的“溫度 電壓”函數(shù)。 系統(tǒng) 硬件 框圖如圖 所示。 電壓通過(guò)壓控晶振電路來(lái)控制 晶體振蕩器的頻率。 ℃ ； 西安工業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 4 其程序能夠自動(dòng)識(shí)別“溫度試驗(yàn)標(biāo)定階段”及“正常運(yùn)行階段” ； “溫度試驗(yàn)標(biāo)定階段”標(biāo)定的溫度點(diǎn)為 26個(gè)。 下面給出了 AT 切型石英晶體諧振器的頻率溫度特性曲線 如圖 所示 。其主振電路的作用是將直流能量轉(zhuǎn)換成所需振蕩頻率（主要取決于石英晶體諧振器）的交流能量，它是晶體振蕩電路的核心。 頻率放大電路只對(duì)晶體的工作頻率放大，而對(duì)其它的雜波信號(hào)有抑制作用，并增加了負(fù)載隔離，有利于電路的穩(wěn)定性，而且可以使輸出的信號(hào)更加純凈 。因?yàn)樾阅芰己玫闹髡耠娐?，才能保證整個(gè)振蕩器的工作穩(wěn)定。只有在保證主振電路穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，對(duì)其頻率溫度特性進(jìn)行的補(bǔ)償才能取得良好的效果。 西安工業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 5 圖 容三點(diǎn)式原理圖 對(duì)于三點(diǎn)式振蕩電路，只要電路工作在振蕩頻率上，由巴克豪生準(zhǔn)則：“它是指交流通路中三極管的三個(gè)電級(jí)與諧振回路的三個(gè)引出端連接時(shí)，只要服從以下規(guī)律：與發(fā)射結(jié)相接的為兩個(gè)同性質(zhì)的電抗，而與另一個(gè)（接在集電極與基極間為異性質(zhì)電抗”。 實(shí)用電路 圖 是實(shí)際的壓控晶振電路， C8051F007 的管腳 DAC0 與電路相連。 C4是調(diào)整變?nèi)荻O管的壓控范圍， C12,C13的作用是調(diào)整振蕩電路振蕩頻率微調(diào)和確保振蕩振蕩電路起振。 西安工業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 6 溫度傳感電路 芯片選擇 本系統(tǒng)中的溫度傳感器采用 DALLAS 半導(dǎo) 體公司生產(chǎn)的數(shù)字化溫度傳感器 DS18B20。 單 線總線獨(dú)特而且經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，使用戶可以輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，為測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)建引入全新的概念。新的“ 單 線器件”體積更小、適用電壓更寬，使用更經(jīng)濟(jì)、更靈活。其分辨率的設(shè)定及用戶設(shè)定的最高和最低報(bào)警溫度存儲(chǔ)在 EEPROM中，掉電后依然保存。繼“ 單 線總線”的早期產(chǎn)品 DS1820 開(kāi)辟了溫度傳感器技術(shù)的新概念后， DS18B20 和 DS1822 使電壓、特性及封裝又有更多的選擇，讓我們可以構(gòu)建適合自己的經(jīng)濟(jì)的測(cè)溫系統(tǒng)。 ℃的測(cè)量精度，在 55～ +125℃的溫度范圍內(nèi)測(cè)量精度為177。 測(cè)溫原理 DS18B20 的核心功能是其直接數(shù)字溫度傳感器。在電源上升沿默認(rèn) 的協(xié)議是 12 位。轉(zhuǎn)換結(jié)束后，得到的數(shù)據(jù)存放在暫存器 2字節(jié)的溫度寄存器里 ，并且 DS18B20 返回它的空閑狀態(tài)。如果 DS18B20 由寄生西安工業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 7 電源供電，由于在整個(gè)溫度轉(zhuǎn)換過(guò)程中總線必須由一個(gè)強(qiáng)的上拉來(lái)保持高電平，這種告知方式不能使用。溫度數(shù)據(jù)作為溫度寄存器中 16 位符號(hào)擴(kuò)展 2 位補(bǔ)足數(shù)來(lái)存儲(chǔ)。如果 DS18B20 分辨率 配置為 12 位，溫度寄存器的所有位都包含有效的數(shù)據(jù)。對(duì) 10 位的 分辨率 ， 0位和 1 位是未定義的。 圖 DS18B20外部電源供電 微處理器 C8051F007 C8051F007是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí) MCU芯片，有一個(gè)真正的 12位多通道 ADC。還有硬件實(shí)現(xiàn)的（不是在用戶軟件中用位操作模擬） I2C/SMBus、 UART、 SPI串行接口及一個(gè)具有 5個(gè)捕捉 /比較模塊的可編程計(jì)數(shù)器 /定時(shí)器陣列（ PCA）。 C8051F007有 2304字節(jié)的 RAM，執(zhí)行速度可達(dá) 25MIPS。每個(gè) MCU 都能有效地管理模擬和數(shù)字外設(shè)。每個(gè) MCU 都可以關(guān)閉任何一個(gè)或全部外設(shè)以節(jié)省功耗。該調(diào)試系統(tǒng)支持觀察和修改存儲(chǔ)器和寄存器，支持?jǐn)帱c(diǎn)、觀察點(diǎn)、單步及運(yùn)行和停機(jī)命令。 每個(gè) MCU 都可在工業(yè)溫度范圍（ 45℃到 +85℃）內(nèi)用 的電壓工作。 西安工業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 8 圖 C8051F007LQFP封裝 C8051F000系列器件使 用 Silicon Laboratories的專(zhuān)利 CIP51微控制器內(nèi)核。 CIP51內(nèi)核具有標(biāo)準(zhǔn) 8052的所有外設(shè)部件，包括 4個(gè) 16位的計(jì)數(shù)器 /定時(shí)器、一個(gè)全雙工 UART、 256字節(jié)內(nèi)部 RAM空間、 128字節(jié)特殊功能寄存器（ SFR）地址空間及 4字節(jié)寬的 I/O端口。 /RST引腳是雙向的，可接受外部復(fù)位或?qū)?nèi)部產(chǎn)生的上電復(fù)位信號(hào)輸出到 /RST引腳。在一次上電復(fù)位之后的MCU初始化期間， WDT可以一直被使能。如有需要，時(shí)鐘源可以在運(yùn)行時(shí)切換到外部振蕩器，外部振蕩器可以使用晶體、陶瓷諧振器、電容、 RC或外部時(shí)鐘源產(chǎn)生系統(tǒng)時(shí)鐘。 西安工業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 9 JETG調(diào)試電路 C8051F000 系列具有片內(nèi) JTAG 和調(diào)試電路，通過(guò) 4腳 JTAG 接口并使用安裝在最終應(yīng)用系統(tǒng)中的產(chǎn)品器件就可以進(jìn)行非侵入式、全速的在系統(tǒng)調(diào)試。 Silicon Labs 的調(diào)試系統(tǒng)支持觀察和修改存儲(chǔ)器和寄存器、斷點(diǎn)、觀察點(diǎn)、堆棧指示器和單步執(zhí)行。在調(diào)試時(shí)所有的模擬和數(shù) 字外設(shè)都正常工作。 本設(shè)計(jì)中 JTAG 電路設(shè)計(jì)如圖 ，管腳 7分別 連接 C8051F007 的 TCK、 TMS、TDO和 TDI。其電路如圖 所示。有鍵按下時(shí)，端口為低電平。本系統(tǒng)由開(kāi)關(guān)電源提供 12V的工作電壓，而根據(jù)系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)，西安工業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 10 電源 接口 部分要為各個(gè)功能模塊提供以下幾種電壓： (1)單片機(jī)的邏輯電源電壓 +，模擬電源電壓 +； DS18B20 工作電壓為 +。 本設(shè)計(jì)電源接口 部分要提供 12V的 工作電壓， +6V的工作電壓由芯片 78L05 和芯片78L06 提供。 在電源轉(zhuǎn)換芯片選擇過(guò)程中，除注意各芯片輸入輸出電壓范圍和輸出電流之外，對(duì)另外一些參數(shù)的選擇比較也很重要。另外芯片在典型應(yīng)用電路基礎(chǔ)上，對(duì)電壓輸出端均作了濾波，隔離（如使用 0ohm 電阻）等措施以盡量減小干擾，使 供給數(shù)字部分和模擬部分的電壓均符合要求。 圖 小結(jié) 本章 主要敘述了微機(jī)補(bǔ)償晶體振蕩器的設(shè)計(jì)思想和系統(tǒng)構(gòu)成。系統(tǒng)中 C8051F007 這個(gè)關(guān)鍵部件，充分利用了該單片機(jī)所具有的資源并發(fā)揮軟件的作用，通過(guò)軟件與簡(jiǎn)單硬件電路相配合的方法，節(jié)約了系統(tǒng)所需的大量硬件電路。 第三章 MCXO 補(bǔ)償電壓的算法分析 11 3 MCXO 補(bǔ)償電壓的算法分析 利用微處理機(jī) (CPU)對(duì)壓控晶 振 (VCXO)進(jìn)行電壓補(bǔ)償，這一思想是在溫補(bǔ)晶振 (TCXO)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。 本方案通過(guò) 外接按鍵調(diào)節(jié)控制電壓 U的大小 ，從而使晶體振蕩器的輸出頻率基本保持不變。為了解決以上問(wèn)題，同時(shí)達(dá)到減少測(cè)量時(shí)間、提高測(cè)試效率和提高 補(bǔ)償精度的目的，我們就需要尋找一個(gè)數(shù)學(xué)函數(shù)來(lái)近似描述出由溫度標(biāo)定 所測(cè)到的數(shù)據(jù)點(diǎn)的規(guī)律， 再通過(guò)這個(gè)函數(shù)來(lái)計(jì)算在兩個(gè)相鄰溫度測(cè)量點(diǎn)之間的溫度點(diǎn)上所需的補(bǔ)償電壓值 U，這種方法被稱(chēng) 為數(shù)值逼近。由于最小二乘曲線擬合方法簡(jiǎn)單、擬合精度高，通過(guò)理論計(jì)算和實(shí)際調(diào)試得到的補(bǔ)償結(jié)果都證明采用最小二乘曲線擬合方法是可行的 。用最小二乘曲線擬合法求取近似函數(shù)時(shí)，是根據(jù)殘差平方和最小作為判斷準(zhǔn)則的。在做函數(shù)逼近時(shí)，衡量近似函數(shù)好壞的標(biāo)準(zhǔn)是殘差的大小，這里所說(shuō)的殘差是指檢測(cè)值與近似函數(shù)求得的近似值。它的計(jì)算比較簡(jiǎn)單，也是實(shí)踐中常用的一種函數(shù)逼近方法。在節(jié)點(diǎn)處曲線上對(duì)應(yīng)點(diǎn)的 y坐標(biāo)值 f(xi)與相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)值 yi的差 id =yif(xi)稱(chēng)為殘差，最小二乘法就是要使殘差的平方和最小，即 id? 2為最小。在用最小二乘法擬合求取函數(shù)時(shí)，由給定數(shù)據(jù)確定近似函數(shù)的表達(dá)形式，一般可通過(guò)描點(diǎn)觀察或經(jīng)驗(yàn)估計(jì)得到。要滿足平方逼近的條件，應(yīng)使誤差的平方和： （ ） 20 1 2 0( , , ) ( ( ) ( ) )nm k kkS a a a a y x f x????， ...，西安工業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 12 為 最小。根據(jù) S取極值的條件，分別對(duì) ( 0,1,jaj? ? ,m )求偏導(dǎo)并在 kxx? 處令其為零： （ ） 方程組（ ）的系數(shù)矩陣是一個(gè)對(duì)稱(chēng)矩陣，并且是正定的。方程組（ ）中的 m+1 個(gè)方程通常稱(chēng)為法方程。 本章主要敘述了微機(jī)補(bǔ)償晶體振蕩器的補(bǔ)償原理及數(shù)據(jù)處理方法。0010 010101010[ ( ) ] 0[ ( ) ] 0[ ( ) ] 0nmk k m k kknmk k m k kknmmk k m k kkmSy x a a x a x xaSy x a a x a x xaSy x a a x a x xa????? ? ? ? ???? ? ? ? ???? ? ? ? ?????? ? ? ?西安工業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 13 4 微機(jī)補(bǔ)償晶體振蕩器的程序設(shè)計(jì) 程序設(shè)計(jì)是 MCXO設(shè)計(jì)的主要工作之一，良好的程序設(shè)計(jì)可以有效的發(fā)揮單片機(jī)的功能，提高系統(tǒng)的可靠性和抗干擾性。本系統(tǒng)的主流程圖見(jiàn)圖 。定義 COUNT 為標(biāo)定次數(shù)，存放于 FLASH 存儲(chǔ)器某一指定區(qū)域。通過(guò)外接按鍵調(diào)節(jié)振蕩器的控制電壓 U，使其振蕩頻率達(dá)到標(biāo)稱(chēng)頻率 f0。 （ 3） 溫度補(bǔ)償階段，調(diào)用曲線擬合參數(shù)，確定需要補(bǔ)償?shù)碾妷褐?。下面給出 C8051F007 的初始化程序： void C8051f007_init(void) { OSCICN=0xe4。 //端口 I/O 交叉開(kāi)關(guān)寄存器 ：自由 I/O口 XBR1=0。 //自由 I/O 口 ,弱上拉使能 PRT0CF=0x00。 // 輸出方式為漏極開(kāi)路 PRT2CF=0x00。 // 輸出方式為推挽 KEY_FIN=1。 //減少鍵初始化 為 1 KEY_INC=1。 //禁用看門(mén)狗 WDTCN = 0xad。 DS18B20 使用單線總線傳遞數(shù)據(jù)，所以就涉及到多個(gè)信號(hào)共同用一條數(shù)據(jù)線的問(wèn)題。由 CPU 發(fā)送除當(dāng)前脈沖之外的所有上述信號(hào)。當(dāng) DS18B20 發(fā)送完一個(gè)當(dāng)前脈沖來(lái)相應(yīng)復(fù)位脈沖后，就像 CPU 表明了傳感器已在總線上并準(zhǔn)備工作。 如果錯(cuò)過(guò)任何一步或時(shí)序錯(cuò)誤， DS18B20 都將不會(huì)響應(yīng)。 西安工業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 15 圖 總線初始化時(shí)序圖 的 ROM操作 ： 如果初始化正常，緊接著執(zhí)行 ROM操作。 圖 ROM結(jié)構(gòu)分布圖 ： 通過(guò)發(fā)送特定的命令字，達(dá)到控制 DS18B20 進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換，讀其內(nèi)部存儲(chǔ)區(qū)，寫(xiě) EEPROM 區(qū)等操作。 西安工業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 16 圖 /寫(xiě)應(yīng)時(shí)序圖 注意事項(xiàng) : （按照?qǐng)D ）： (1) 首先需要將 DQ拉低 480us以上。 (3) 接著讀取 DQ的值，如果 DQ為低，則初始化成功；如果 DQ為高，則初始化失敗，可再次初始化 (4) 拉高 DQ并延時(shí) 480us以上，以結(jié)束總線初始化。 (2) 然后延時(shí)幾個(gè) us（本示 例中延遲了 5us），并讀取 DQ的值。 (4) 讀完一位以后，需要延時(shí) 45us以上，并將 DQ置高。 (2) 接著向總線寫(xiě)入數(shù)據(jù)，并延時(shí) 50us以上。 西安工業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 17 (4) 按照時(shí)序圖 ，讀 /寫(xiě)每一位數(shù)據(jù)的間隔時(shí)