【正文】 軟件完成 所有 功能模塊的電路仿真。整個(gè)系統(tǒng)從功能上劃分為 5 個(gè) 模塊，并分別對(duì)每個(gè)模塊進(jìn)行方案論證比較。本方案不利于系統(tǒng)的擴(kuò)展，對(duì)信號(hào)處理比較困難。此系統(tǒng)比較靈活，采用軟件方法來(lái)解決數(shù)據(jù)的預(yù)置以及電流的步進(jìn)控制，使系統(tǒng)硬件更加簡(jiǎn)潔，各類功能易于實(shí)現(xiàn)，能很好地滿足題目的要求 [1]。 數(shù)控直流恒流源的設(shè)計(jì) 第 4 頁(yè) 鍵盤與顯示模塊 常用的非編碼鍵盤有兩種 實(shí)現(xiàn)方案，一種是獨(dú)立式鍵盤，另一種是行列式鍵盤。行列式鍵盤一般采用鎖存器和可編程并行 I/O 接口芯片組成，軟 /硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜 [2]。 在單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)中，通常使用 LED（發(fā)光二極管）和 LCD（液晶顯示器）來(lái)觀察和監(jiān)視單片機(jī)的運(yùn)行情況以及運(yùn)行中間的結(jié)果及狀態(tài)等信息。 恒流源模塊 方案一 ：采用四端可調(diào)恒流源，這種器件靠改變外圍電阻元件參數(shù)，從而使電流達(dá)到可調(diào)的目的，這種器件能夠達(dá)到 1～ 2021 毫安的輸出電流。 方案二 ：壓控恒流源， 通過(guò)改變恒流源的 控制 電壓，利用電壓的大小來(lái)控制輸出電流的大小。 當(dāng)改變負(fù)載大小時(shí)，基本上不影響電流的輸出 。 存儲(chǔ)器擴(kuò)展模塊 在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，對(duì)某些狀態(tài)參數(shù)，不僅要求能夠在線修改，而 且斷電后能保存，以便 上電恢復(fù)系統(tǒng) 上一次的工作 狀態(tài)。具有斷電保護(hù)功能的 RAM 容量 數(shù)控直流恒流源的設(shè)計(jì) 第 5 頁(yè) 大，速度快，但占用口線多，成本高。 EEPROM 有并行和串行之分。串行芯片成本低， 接口 簡(jiǎn)單 ， 工作可靠，占用單片機(jī) I/O 口線資源少 [3]。 電源模塊 方案一：用開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源給整機(jī)供電，此方案能夠完成本設(shè)計(jì)直流恒流源的供電，但開(kāi)關(guān)電源比較復(fù)雜， 且輸出中帶有較大的高頻干擾 。電流源部分由于要給外圍測(cè)試電路提供比較大的功率，因此必須采用大功率器件。同時(shí) 考慮到恒流源運(yùn)算放大器 部分的功耗，需要預(yù)留功率余量，因此供電電源要求能輸出 5W 以上。此方案輸出電壓能滿足系統(tǒng) 要求，而且簡(jiǎn)單實(shí)用。 D / A轉(zhuǎn) 換電 壓 /電 流轉(zhuǎn) 換恒 流輸 出數(shù) 碼 管 顯 示鍵 盤系 統(tǒng) 電 源單 片 機(jī)E E P R O MA C 2 2 0 VV C C177。主要包括 AT89C51 單片機(jī)、 8 位數(shù) /模轉(zhuǎn)換芯片DAC083串行 EEPROM AT24C01 芯片、譯碼芯片 74LS138 及數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)芯片74LS273 等器件。本系統(tǒng) 采用 ATMEL 公司的 AT89C51 單片機(jī)， 該型號(hào)單片機(jī)采用 CMOS 工藝，功耗低， 因其與 MCS51 單片機(jī)的完全兼容性、優(yōu)良的工作性能、使用的靈活性以及較高的性價(jià)比成為 AT89系列單片機(jī)的主流機(jī)型，在 嵌入式 控制系統(tǒng)中獲得廣泛應(yīng)用 [1]。 其主要工作特性為： ? 內(nèi)含 4KB 的 Flash 存儲(chǔ)器，擦寫(xiě)次數(shù)達(dá) 1000 次； ? 內(nèi)含 128 字節(jié)的 RAM； ? 具有 32 根可編程 I/O 線； ? 具有 2 個(gè) 16 位可編程定時(shí)器； ? 具有 6 個(gè)中斷源、 5 個(gè)中斷矢量、 2 級(jí)優(yōu)先權(quán)的中斷結(jié)構(gòu)； ? 具有 1 個(gè)全雙工的可編程串行通信接口； ? 具有 1 個(gè)數(shù)據(jù)指針 DPTR； ? 兩種低功耗工作模式，即空閑模式和掉電模式； ? 具有可編程的 3 級(jí)程序鎖定位； 數(shù)控直流恒流源的設(shè)計(jì) 第 7 頁(yè) ? 工作電源電壓為 5177。 圖 21 AT89C51 引腳排列（ PDIP） D/A 轉(zhuǎn)換電路 的 設(shè)計(jì) 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，所設(shè)計(jì)的直流恒流源應(yīng)具有數(shù)控功能，輸出電流為 10～100mA，步進(jìn)為 1mA。根據(jù)指標(biāo)要求， D/A 轉(zhuǎn)換芯片 的位數(shù)至少為 8 位，故而 選擇 8 位的 D/A 轉(zhuǎn)換 芯片 。 DAC0832 是 使用較多的一種 8 位 D/A轉(zhuǎn)換芯片 ，其轉(zhuǎn)換時(shí)間為 1us，工作電壓為 +5V～ +15V，基準(zhǔn)電壓為 +5V[5]。各引腳功能如下： ? DI0～ DI7：數(shù)據(jù)輸入線， TTL 電平，有效時(shí)間大于 90ns； ? ILE：數(shù)據(jù)鎖存允許控制信號(hào)輸入線，高電平有效； ? CS：片選信號(hào)輸入端，低電平有效； ? WR1：輸入寄存器的寫(xiě)選通輸入端，低電平有效； 數(shù)控直流恒流源的設(shè)計(jì) 第 8 頁(yè) ? XFER：傳送控制信號(hào)輸入線，低電平有效； ? WR2： DAC 寄存器寫(xiě)選通輸入線，負(fù)脈沖有效； ? IOUT1：輸出電流 1，當(dāng)輸入數(shù)據(jù)為全 1 時(shí)， IOUT1 最大； ? IOUT2：輸出電流 2，當(dāng)輸入數(shù)據(jù)為全 1 時(shí)， IOUT2 最??； ? Rfb：運(yùn)算放大 器外接反饋電阻引線端； ? Vcc：芯片電源電壓，其值為 +5V～ +15V； ? Vref：基準(zhǔn)電壓輸入線，其值為 10V～ +10V； ? AGND：模擬地，為模擬信號(hào)和基準(zhǔn)電源的參考地； ? DGND：數(shù)字地，為工作電源地和數(shù)字邏輯地。 在本設(shè)計(jì)中，因?yàn)橹挥幸宦纺M量輸出，所以采用單緩沖方式。 圖 23 DAC0832 單緩沖方式與單片機(jī)的接口電路 數(shù)控直流恒流源的設(shè)計(jì) 第 9 頁(yè) 恒流源 電路 的 設(shè)計(jì) 在本設(shè)計(jì)中，恒流源電路采用壓控電流源 來(lái)實(shí)現(xiàn) 。其電路原理圖如圖 24 所示。由電路可知，其反相端和同相端的電壓分別為 )/()( 41422 RRRVVVV in ???? 、 )/( 3221 RRVV p ?? 。 圖 24 電壓 /電流轉(zhuǎn)換電路 對(duì)于運(yùn)算放大器，有 pn VV? ，故有 )()/())/(1( 32214144142 RRRVRRRVRRRV i ?????? 由于 fVVV ?? 12 ，則 ? ? ? ? ? ? ? ?322141144111 / RRRVRRRVRVRRRV fi ?????? 若令 ??? kRR 10021 ， ??? kRR 2043 ，則有 5// 14 iif VRRVV ?? 。當(dāng) LR 在 ?100~0 范圍內(nèi)時(shí)，輸出電流 OI 在 mA100~0 直流范圍內(nèi)線性地與 V5~0 直流輸入電壓相對(duì)應(yīng)。 圖 25 AT24C01 引腳排列 各引腳功能說(shuō)明如下： ? A0、 A A2：片選或頁(yè)面選擇地址輸入； ? WP：寫(xiě)保護(hù)，用于硬件數(shù)據(jù)保護(hù)功能 ； ? SDA：串行數(shù)據(jù)輸入 /輸出端； ? SCL：串行時(shí)鐘端，用于對(duì)輸 入和輸出數(shù)據(jù)的同步。 由于只用一片 AT24CO1 因而將 A0～ A2 接地； WP接到 GND，可以正常讀寫(xiě) ；串行時(shí)鐘 線 SCL 和 串行數(shù)據(jù)線 SDA 分別與單片機(jī) I/O 口的 、 相連 。 AT24C01 與單片機(jī)的接口 電路如圖 26 所示。 線選法是直接以系統(tǒng)的幾根高位地址線作為芯片的片選信號(hào)，把選定的地址線和芯片的片選端直接相連。 部分 譯碼法是 用 譯碼器對(duì)系統(tǒng)的 部分高位 地址 線 進(jìn)行譯碼，譯碼電路將地址空間劃分若干塊，其輸出 做 為 擴(kuò)展 芯片的片選信號(hào) 。 在本設(shè)計(jì)中采用 部分 譯碼法 為 D/A 芯片和三個(gè)數(shù)碼管 提供 地址譯碼 信號(hào) ，譯碼器采用 74LS138（芯片引腳 排列 如圖 27 所示）。當(dāng) 115?A 、 0?WR 、 014?A 時(shí) 單片機(jī)選通 74LS138 進(jìn)行 譯碼。 表 21 系統(tǒng)資源地址分配表 系統(tǒng)地址分配 部件 地址 片選 讀寫(xiě) 有效電平 D/A 芯片 8000H～ 87FFH Y0 只 寫(xiě) 低 數(shù)碼管 個(gè)位 8800H～ 8FFFH Y1 只寫(xiě) 低 十位 9000H～ 97FFH Y2 百位 9800H～ 9FFFH Y3 系統(tǒng)管腳分配 鍵盤 設(shè)置鍵 74LS138 A A11 加一鍵 B A12 減一鍵 C A13 左移位鍵 1E A14 右移位鍵 E3 A15 確認(rèn)鍵 E2 WR AT24C01 SCL 鍵盤中斷 INT0 SDA 看門狗電路的喂狗信號(hào)輸入 人機(jī)接口的設(shè)計(jì) 鍵盤的設(shè)計(jì) 在本設(shè)計(jì)中 的 獨(dú)立式鍵盤采用中斷方式 （如圖 28 所示） 。 鍵盤 分布 如圖 29 所示。 左 移 位 右 移 位加 1減 1確 認(rèn)設(shè) 置 圖 29 鍵盤分布 數(shù)控直流恒流源的設(shè)計(jì) 第 14 頁(yè) 顯示電路的設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)采用 3 個(gè) 七 段共陰極 LED 數(shù)碼管作為顯示器，其 引腳排列 如圖 210所示，其字符段碼如表 22 所示。 為了使七段數(shù)碼管的每一段的亮度一致，并避免工作電流過(guò)大而縮短數(shù) 碼管的壽命，在 其公共端與地之間接入 了 一個(gè) 限流二極管。 74LS273 鎖存器 的 CLK 引腳接片選信號(hào)， LED 數(shù)碼管與單片機(jī)的接口電路如圖 211 所示。指令冗余技術(shù)、軟件陷阱技術(shù)不能 在任何情況下都 使失控的程序擺脫“死循環(huán)” 。“看門狗”技術(shù)就是不斷監(jiān)視程序循環(huán)運(yùn)行時(shí)間，若發(fā)現(xiàn)時(shí)間超過(guò)已知的循環(huán)設(shè)定時(shí)間，則認(rèn)為系統(tǒng)陷入了“死循環(huán)”，然后強(qiáng)迫程序返回到 上電復(fù)位的 入口，使系統(tǒng)運(yùn)行納入正軌 。硬件“看門狗”技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案 主要有： ? 由計(jì)數(shù)器構(gòu)成的“看門狗”； ? 由定時(shí)器構(gòu)成的“看門狗”； ? 由專門芯片構(gòu)成的“看門狗”。 在本系統(tǒng)中，單片機(jī)晶振為 6MHz，則 ALE 信號(hào)周期為 1 s? 。 主程序在循環(huán)過(guò)程中， 腳定時(shí)發(fā)出清 0 負(fù) 脈沖 使 U108 計(jì)數(shù)器 Q4 端輸出為 低電平 ，程序正常運(yùn)行。 數(shù)控直流恒流源的設(shè)計(jì) 第 16 頁(yè) 圖 212 由計(jì)數(shù)器構(gòu)成的看門狗電路 電源供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 在對(duì) 電源進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)我 采用直流穩(wěn)壓電源。其優(yōu)點(diǎn)是：（ 1）可以進(jìn)行預(yù)穩(wěn)壓，以提高輸出電流對(duì)輸入交流電源電壓變化的穩(wěn)定度；（ 2）為壓控電流源電路提供具有穩(wěn)壓特性且紋波電流很小的高質(zhì)量工作電源，以有效降低輸出電流紋波系 數(shù) [11]。 12V、 +24V 和為 D/A 轉(zhuǎn)換 芯片提供的 +5V基準(zhǔn)電壓電源。 在本設(shè)計(jì)中采用以 78 系列三端固定輸出集成穩(wěn)壓器為核心的穩(wěn)壓電源，另外加上保護(hù)電路。 系統(tǒng)電源原理圖如圖 213 所示。 D/A 輸出電壓值的精度不僅與二進(jìn)制數(shù)碼有關(guān)，還 與 基準(zhǔn)電壓 refV 有關(guān)。 MC1403 是美國(guó)摩托羅拉公司生產(chǎn)的高精確度、低溫漂的 基準(zhǔn)電壓源 [10]。 輸入電壓 VVU i 15~? ， VUt ? （典型值）， T? 可達(dá) Co/1010 6?? 。當(dāng) ??? kRR f 201 時(shí)， VUO 5? 。 主程序的循環(huán)部分是查詢各個(gè)按鍵的標(biāo)志位，并根據(jù)標(biāo)志位的狀態(tài)轉(zhuǎn)到相應(yīng)的按鍵 處理 程序。 主程序流程 如圖 31 所示。只要時(shí)鐘線為高電平，數(shù)據(jù)線都必須保持穩(wěn)定，否則數(shù)據(jù)線上的變化會(huì)被當(dāng)作“啟動(dòng)”或“停止”信號(hào)。在開(kāi)始與停止信號(hào)之間傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)由計(jì)算機(jī)決定，從理論上說(shuō)對(duì)字節(jié)數(shù)沒(méi)有限制 [1]。（ 2）單片機(jī)重新發(fā)送一個(gè)開(kāi)始信號(hào)，然后發(fā)送含讀操作的控制字節(jié)； EEPROM 發(fā)回應(yīng)答信號(hào)后，要讀取的數(shù)據(jù)就從 SDA 上輸出。 由于本系統(tǒng)需要寫(xiě)的數(shù)據(jù)不多，故采用字節(jié)寫(xiě)。單片機(jī)接收 到 EEPROM 發(fā)回的一個(gè)應(yīng)答信號(hào)后，才發(fā)送 1 字節(jié)的數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)暫存入數(shù)據(jù)緩沖器。 為了不影響鍵盤處理子程序和顯示中斷服務(wù)程序的數(shù)據(jù)，讀 /寫(xiě) EEPROM 子程序使用 3 區(qū)工作寄存器。 鍵盤處理子程序的設(shè)計(jì) 鍵盤處理子程序是根據(jù)相應(yīng)的標(biāo)志位來(lái)執(zhí)行相關(guān)的程序模塊。當(dāng)設(shè)置電流值超過(guò) 100mA 時(shí)，程序會(huì)強(qiáng)制把百位清 0，并繼續(xù)保持系統(tǒng)處于設(shè)置狀態(tài)。這樣做的目的是避免主程序循環(huán)體重復(fù)調(diào)用 D/A 轉(zhuǎn)換子程序和寫(xiě) EEPROM 子程序造成輸出電流不穩(wěn)定及頻繁寫(xiě) EEPROM 而縮短 EEPROM 的壽命。 鍵盤處理子程序使用 0 區(qū)工作寄存器， 指示閃爍位 數(shù)據(jù)在 RAM 中 的地址存在R0 中 ， 個(gè)、十、百位的數(shù)據(jù)分別存在 32H、 31H、 30H 內(nèi)存單元中。 D/A 轉(zhuǎn)換子程序的設(shè)計(jì) D/A 轉(zhuǎn)換程序的核心部分是如何將電流設(shè)定值轉(zhuǎn)換成 D/A 輸入值。經(jīng)過(guò)比較論證， 在本設(shè)計(jì)中 兩種方法 的轉(zhuǎn)換精度是一樣的，但查表法的程序更加簡(jiǎn)潔高效，因此本設(shè)計(jì)采用查表法。 D/A 轉(zhuǎn)換程序的 另一 重要組成 部分 是 BCD 碼轉(zhuǎn)成十六進(jìn)制程序模塊。但在單片機(jī)內(nèi)部都是以二進(jìn)制表示，單片機(jī)并不知道 編程者 的意圖，因此必須先把 BCD 碼轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制數(shù)，再給單 數(shù)控直流恒流源的設(shè)計(jì) 第 21 頁(yè) 片機(jī) 進(jìn)行 處理。 D/A 轉(zhuǎn)換 子程序流程如圖 34 所示。 當(dāng)沒(méi)有鍵按下時(shí)， CPU 執(zhí)行其它任務(wù)，而不用重復(fù)調(diào)用鍵盤掃描程序。 如果是按鍵抖動(dòng)，則直接退出中斷服務(wù)程序。 鍵盤中斷服務(wù)程序流程如圖 35 所示。 系統(tǒng)啟動(dòng)后默認(rèn)進(jìn)入正常顯示方式。 閃爍顯示程序模塊 當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入設(shè)置狀態(tài)時(shí)進(jìn)入閃爍顯示，閃爍周期為 1 秒。 首次進(jìn)入默認(rèn)個(gè)位閃爍，閃爍位表示當(dāng)前設(shè)置位，可通過(guò)移位鍵 來(lái) 改變閃爍位。 顯示中斷服務(wù)程序流程如圖 36 所示。 Proteus 嵌入式系統(tǒng)仿真與開(kāi)發(fā)平臺(tái)由英國(guó) Labcenter 公司開(kāi)發(fā)，是目前世界上最先進(jìn)最完整的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真平臺(tái)。 利用 Proteus 進(jìn)行電路原理圖設(shè)計(jì)的流程如圖 41 所示。電路原理圖布線完畢后先建立網(wǎng)絡(luò)表，然后進(jìn)行電氣規(guī)則檢測(cè)，電器規(guī)則檢測(cè)報(bào)告如圖 42