第3章 最小系統(tǒng)

1、第三章 最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1 最小系統(tǒng) 概述 一個(gè)嵌入式處理器自己是不能獨(dú)立工作的，必須給它供電、加上時(shí)鐘信號(hào)、提供復(fù)位信號(hào)，如果芯片沒有片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，則還要加上存儲(chǔ)器系統(tǒng)，然后嵌入式處理器芯片才可能工作。這些提供嵌入式處理器運(yùn)行所必須的條件的電路與嵌入式處理器共同構(gòu)成了這個(gè)嵌入式處理器的最小系統(tǒng)。而大多數(shù)基于ARM處理器核的微控制器都有調(diào)試接口，這部分在芯片實(shí)際工作時(shí)不是必需的，但因?yàn)檫@部分在開發(fā)時(shí)很重要，所以也把這部分也歸入最小系統(tǒng)中。 3.1 最小系統(tǒng) 框圖嵌入式控制器時(shí)鐘系統(tǒng)調(diào)試測試接口復(fù)位及其配置系統(tǒng)存儲(chǔ)器系統(tǒng)供電系統(tǒng)(電源)可選，因?yàn)樵S多面向嵌入式領(lǐng)域的微控制器內(nèi)部集成了程序和數(shù)據(jù)

2、存儲(chǔ)器可選，但是在樣品階段通常都會(huì)設(shè)計(jì)這部分電路嵌入式控制器時(shí)鐘系統(tǒng)調(diào)試測試接口復(fù)位及其配置系統(tǒng)存儲(chǔ)器系統(tǒng)供電系統(tǒng)(電源)嵌入式控制器時(shí)鐘系統(tǒng)調(diào)試測試接口復(fù)位及其配置系統(tǒng)存儲(chǔ)器系統(tǒng)供電系統(tǒng)(電源) 各部件簡介電源供電系統(tǒng)(電源) 電源系統(tǒng)為整個(gè)系統(tǒng)提供能量，是整個(gè)系統(tǒng)工作的基礎(chǔ)，具有極其重要的地位，但卻往往被忽略。如果電源系統(tǒng)處理得好，整個(gè)系統(tǒng)的故障往往減少了一大半。 各部件簡介電源嵌入式控制器時(shí)鐘系統(tǒng)調(diào)試測試接口復(fù)位及其配置系統(tǒng)存儲(chǔ)器系統(tǒng)供電系統(tǒng)(電源)供電系統(tǒng)(電源)設(shè)計(jì)電源時(shí)要考慮的因素：1.輸出的電壓、電流、功率；2.輸入的電壓、電流；3.安全因素；4.輸出紋波；5.電磁兼容和電磁干擾

3、；6.體積限制；7.功耗限制；8.成本限制。 各部件簡介電源1.分析需求 LPC1700系列芯片需要4組電源輸入：數(shù)字3.3V、模擬3.3V、RTC電源VBAT3.3V和片內(nèi)的ADC和DAC的參考電壓VREF。因此，理想情況下電源系統(tǒng)需要提供4組獨(dú)立的電源。如果系統(tǒng)的其它部分還有其它電源需求，則還需要更多的末級電源。但如果不使用LPC1768的AD功能，或?qū)D的要求不高，模擬電源和數(shù)字電源可以不分開供電，同時(shí)參考電壓也直接使用模擬電壓，RTC模塊直接由內(nèi)部供電或者外加一個(gè)電池作為掉電后的供電。 各部件簡介電源2.設(shè)計(jì)末級電源電路 整個(gè)系統(tǒng)在3.3V上消耗的電流與外部條件有很大的關(guān)系，這里假設(shè)

4、電流不超過200mA，這樣，電源系統(tǒng)3.3V能夠提供600mA電流即可。 分析得到以下參數(shù)：3.3V電源設(shè)計(jì)最大電流：600mA； 各部件簡介電源2.設(shè)計(jì)末級電源電路 在了解功率消耗之后，需要選擇合適的器件。 因?yàn)橄到y(tǒng)對這兩組電壓的要求比較高，且其功耗不是很大，所以不適合用開關(guān)電源，應(yīng)當(dāng)用低壓差模擬電源（LDO）。合乎技術(shù)參數(shù)的LDO芯片很多，1117系列芯片是一個(gè)較好的選擇，它的性價(jià)比較好，且多個(gè)廠家生產(chǎn)，減少采購風(fēng)險(xiǎn)。 各部件簡介電源SPX1117主要特點(diǎn)：0.8A穩(wěn)定輸出電流；1A穩(wěn)定峰值電流；3V可調(diào)節(jié)；低靜態(tài)電流；過流及溫度保護(hù)；多種封裝供選擇。Vin1GND2Vout3U12SPX

5、1117M3-3.3C33104C610uF/16V+5VVDD3.3Vin1GND2Vout3U11SPX1117M3-1.8C44104C710uF/16V+5VVDD1.8 各部件簡介電源3.設(shè)計(jì)前級電源電路 盡管1117允許的輸入電壓可達(dá)20V（參考芯片數(shù)據(jù)手冊），但太高的電壓使芯片的發(fā)熱量上升，散熱系統(tǒng)不好設(shè)計(jì)，同時(shí)影響芯片的性能。這樣，就需要前級電路調(diào)整一下。如果系統(tǒng)可能使用多種電源（如交流電和電池），各種電源的電壓輸出不一樣，就更需要前級調(diào)整以適應(yīng)末級的輸入。通過之前的分析，前級的輸出選擇為5V。選擇5V作為前級的輸出有兩個(gè)原因：這個(gè)電壓滿足1117的要求；目前很多器件還是需要5

6、V供電的，這個(gè)5V可以兼做前級和末級了。 各部件簡介電源3.設(shè)計(jì)前級電源電路 根據(jù)系統(tǒng)在5V上消耗的電流和體積、成本等方面的考慮，前級電路可以使用開關(guān)電源，也可以使用模擬電源。 它們的特別如下：開關(guān)電源：效率較高，可以減少發(fā)熱量，因而在功率較大時(shí)可以減小電源模塊的體積；模擬電源：電路簡單，輸出電壓紋波較小，并且干擾較開關(guān)電源小得多。 各部件簡介電源嵌入式控制器時(shí)鐘系統(tǒng)調(diào)試測試接口復(fù)位及其配置系統(tǒng)存儲(chǔ)器系統(tǒng)供電系統(tǒng)(電源) 各部件簡介時(shí)鐘 目前所有的微控制器均為時(shí)序電路，需要一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)才能工作，大多數(shù)微控制器具有晶體振蕩器。簡單的方法是利用微控制器內(nèi)部的晶體振蕩器，但有些場合（如減少功耗、需要

7、嚴(yán)格同步等情況）需要使用外部振蕩源提供時(shí)鐘信號(hào)。 時(shí)鐘系統(tǒng) 各部件簡介時(shí)鐘 目前所有的微控制器均為時(shí)序電路，需要一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)才能工作，大多數(shù)微控制器具有晶體振蕩器。簡單的方法是利用微控制器內(nèi)部的晶體振蕩器，但有些場合（如減少功耗、需要嚴(yán)格同步等情況）需要使用外部振蕩源提供時(shí)鐘信號(hào)。 LPC1700X1X2CCXtalLPC1700X1X2CClock使用內(nèi)部振蕩器使用外部時(shí)鐘源可以使用穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào)源，如有源晶振等。 各部件簡介時(shí)鐘嵌入式控制器時(shí)鐘系統(tǒng)調(diào)試測試接口復(fù)位及其配置系統(tǒng)存儲(chǔ)器系統(tǒng)供電系統(tǒng)(電源) 各部件簡介存儲(chǔ)器系統(tǒng) 對于大部分微控制器來說，存儲(chǔ)器系統(tǒng)不是必需的，但如果微控制器沒有片

8、內(nèi)程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，就必須設(shè)計(jì)存儲(chǔ)器系統(tǒng)，這一般通過微控制器的外部總線接口實(shí)現(xiàn)。存儲(chǔ)器系統(tǒng) 各部件簡介存儲(chǔ)器系統(tǒng)LPC2210存儲(chǔ)器系統(tǒng)P2.22/D221P2.23/D2310P2.24/D2411P2.25/D2512P2.26/D26/BOOT013P2.27/D27/BOOT116P2.28/D28/RD617P2.29/D29/TD618P2.30/D30/AIN419P2.31/D31/AIN520P3.29/BLS2/AIN627P3.28/BLS3/AIN728P3.27/WE29P3.26/CS130P3.23/A23/XCLK40P3.22/A2241P3.21/A

9、2144P3.20/A2045P3.19/A1946P3.18/A1847P3.17/A1748P3.16/A1653P3.15/A1555P3.14/A1456P3.13/A1362P3.12/A1263P3.11/A1164P3.10/A1065P3.9/A966P3.8/A871P3.7/A772P3.6/A673P3.5/A574P3.4/A480P3.3/A381P3.2/A287P3.1/A188P3.0/A089P1.1/OE90P1.0/CS091P3.31/BLS096P3.30/BLS197P2.0/D098P2.1/D1105P2.2/D2106P2.3/D3108P2.

10、4/D4109P2.5/D5114P2.6/D6115P2.7/D7116P2.8/D8117P2.9/D9118P2.10/D10120P2.11/D11124P2.12/D12125P2.13/D13127P2.14/D14129P2.15/D15130P2.16/D16131P2.17/D17132P2.18/D18133P2.19/D19134P2.20/D20136P2.21/D21137P3.25/CS2/RD635P3.24/CS3/TD636LPC2210C?A01A12A23A34A45CE6I/O07I/O18I/O29I/O310Vcc11Vss12I/O413I/O51

11、4I/O615I/O716WE17A518A619A720A821A922A1023A1124A1225A1326A1427NC28I/O829I/O930I/O1031I/O1132Vcc33Vss34I/O1235I/O1336I/O1437I/O1538BLE39BHE40OE41A1542A1643A1744U5IS61LV25616ALD0D1D2D3D4D5D6D7D8D9D10D11D12D13D14D15A1A2A3A4A5A6A7A8A9A10A11A12A13A14A15A16A17nBLS0nBLS1nWEnCS1nOEVDD3.3C14104A18A151A142A13

12、3A124A115A106A97A88A199NC10WE11NC12NC13NC14NC15A1816A1717A718A619A520A421A322A223A124A025CE26Vss27OE28DQ029DQ830DQ131DQ932DQ233DQ1034DQ335DQ1136Vdd37DQ438DQ1239DQ540DQ1341DQ642DQ1443DQ744DQ1545Vss46NC47A1648U6SST39VF160D0D1D2D3D4D5D6D7D8D9D10D11D12D13D14D15A1A2A3A4A5A6A7A8A9A10A11A12A13A14A15A16A17A

13、18A19nWEnOEnCS0C15104VDD3.3A20A1A2A3A4A5A6A7A8A9A10A11A12A13A14A15A16A17A18A19D0D1D2D3D4D5D6D7D8D9D10D11D12D13D14D15nCS0nCS1nBLS0nBLS1nOEnWER24.7KR110KVDD3.3LPC2210SRAMFLASH嵌入式控制器時(shí)鐘系統(tǒng)調(diào)試測試接口復(fù)位及其配置系統(tǒng)存儲(chǔ)器系統(tǒng)供電系統(tǒng)(電源) 各部件簡介調(diào)試與測試接口 調(diào)試與測試接口不是系統(tǒng)運(yùn)行必須的，但現(xiàn)代系統(tǒng)越來越強(qiáng)調(diào)可測性，調(diào)試、測試接口的設(shè)計(jì)也要重視了。LPC1700有一個(gè)內(nèi)置JTAG調(diào)試接口，通過這個(gè)接口可以

14、控制芯片的運(yùn)行并獲取內(nèi)部信息。 調(diào)試測試接口 各部件簡介調(diào)試與測試接口 各部件簡介復(fù)位電路 各部件簡介串口電路一 各部件簡介串口電路二 各部件簡介按鍵電路 各部件簡介指示燈電路 各部件簡介指示燈電路 各部件簡介AD采集電路 各部件簡介液晶顯示電路 各部件簡介芯片電路 各部件簡介外擴(kuò)接口第三章補(bǔ)充內(nèi)容：數(shù)碼管和按鍵本講重點(diǎn)：本講重點(diǎn)：LED顯示接口（動(dòng)態(tài)與靜態(tài)，硬件譯碼與顯示接口（動(dòng)態(tài)與靜態(tài)，硬件譯碼與 軟件譯碼，電路與編程應(yīng)用）軟件譯碼，電路與編程應(yīng)用）鍵盤接口（鍵盤種類鍵盤接口（鍵盤種類, ,矩陣鍵盤和獨(dú)立鍵盤的矩陣鍵盤和獨(dú)立鍵盤的 編程）編程）數(shù)碼管接口擴(kuò)展一、一、LEDLED顯示器的擴(kuò)展

15、顯示器的擴(kuò)展( (結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)) )LEDLED數(shù)碼管的數(shù)碼管的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)：共陽與共陰共陽與共陰 微控制器微控制器系統(tǒng)擴(kuò)展系統(tǒng)擴(kuò)展LEDLED數(shù)碼管時(shí)數(shù)碼管時(shí)多用多用共陽共陽LEDLED: :共陽數(shù)碼管每個(gè)段筆畫是用低電平共陽數(shù)碼管每個(gè)段筆畫是用低電平( (“0 0”) )點(diǎn)亮的點(diǎn)亮的, ,要求驅(qū)動(dòng)要求驅(qū)動(dòng)功率很小；而共陰數(shù)碼管段筆畫是用高電平功率很?。欢碴帞?shù)碼管段筆畫是用高電平( (“0 0”) )點(diǎn)亮的，點(diǎn)亮的，要求驅(qū)動(dòng)功率較大。要求驅(qū)動(dòng)功率較大。 通常每個(gè)段筆畫要串一個(gè)數(shù)百歐姆的通常每個(gè)段筆畫要串一個(gè)數(shù)百歐姆的降壓電阻降壓電阻。公共公共陽陽極極h g f e d c b ah g f e d

16、 c b aa ab bc cd dg ge ef fh h公共公共陰陰極極h g f e d c b ah g f e d c b aa ab bc cd dg ge ef fh hh g f ah g f a高電平點(diǎn)亮高電平點(diǎn)亮低電平點(diǎn)亮低電平點(diǎn)亮接高電平接高電平接地接地LEDLED數(shù)碼管的數(shù)碼管的譯碼譯碼：硬件譯碼與軟件譯碼硬件譯碼與軟件譯碼共陰共陰LEDa ab bc cd dg ge ef fh hg gf fe ed dc cb b a aD DC CB BA AP1.3P1.3P1.2P1.2P1.1P1.1P1.0P1.0CD4511CD4511MCUMCU74LS48/CD4

17、51174LS48/CD4511是是“BCDBCD碼碼七段七段共陰共陰譯碼譯碼/ /驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)”IC; IC; 74LS4774LS47是是“BCDBCD碼碼七段七段共陽共陽譯碼譯碼/ /驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)”ICIC一、一、LEDLED顯示器的擴(kuò)展顯示器的擴(kuò)展( (結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)) )硬件譯碼特點(diǎn)硬件譯碼特點(diǎn): :采用專用的譯碼采用專用的譯碼/ /驅(qū)動(dòng)器件驅(qū)動(dòng)器件, ,驅(qū)動(dòng)功驅(qū)動(dòng)功率較大率較大; ;增加了硬件的開銷增加了硬件的開銷; ;軟件軟件編程簡單編程簡單; ;字型固字型固定定( (比如比如: :只有七段只有七段, ,只可譯數(shù)字只可譯數(shù)字, ,字型不好看字型不好看) )。一、一、LEDLED顯示器的擴(kuò)展顯示

18、器的擴(kuò)展( (軟件譯碼軟件譯碼) )LEDLED數(shù)碼管的譯碼：數(shù)碼管的譯碼：軟件譯碼軟件譯碼軟件譯碼特點(diǎn)軟件譯碼特點(diǎn): : 不用專用的譯碼不用專用的譯碼/ /驅(qū)動(dòng)器件，驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)器件，驅(qū)動(dòng)功率較小功率較??；不增不增加加硬件的開銷；軟件硬件的開銷；軟件編程較復(fù)雜編程較復(fù)雜；字型；字型靈活靈活( (比如：比如：有八段，只可譯多種字符，字型好看有八段，只可譯多種字符，字型好看) )。共陽共陽LEDa ab bc cd dg ge ef fh hP1.0P1.0P1.1P1.1P1.2P1.2P1.3P1.3P1.4P1.4P1.5P1.5P1.6P1.6P1.7P1.7+5V+5VMCUMCULEDL

19、ED數(shù)碼管的軟件譯碼數(shù)碼管的軟件譯碼八段八段LEDLED數(shù)碼管數(shù)碼管段代碼編碼表段代碼編碼表( (連線不同可有多種表連線不同可有多種表):):公共陽極公共陽極h g f e d c b ah g f e d c b aa ab bc cd dg ge ef fh h公共陰極公共陰極h g f e d c b ah g f e d c b aa ab bc cd dg ge ef fh hh g f ah g f a高電平點(diǎn)亮高電平點(diǎn)亮低電平點(diǎn)亮低電平點(diǎn)亮接高電平接高電平接地接地字形字形0123456789黑黑共陽共陽0C00F90A40B09992820F880900FF共陰共陰3F065B4

20、F666D7D077F6F00一、一、LEDLED顯示器的擴(kuò)展顯示器的擴(kuò)展( (顯示方式顯示方式) )LEDLED數(shù)碼管的數(shù)碼管的顯示方式顯示方式：靜態(tài)與動(dòng)態(tài)靜態(tài)與動(dòng)態(tài)動(dòng)態(tài)顯示特點(diǎn)動(dòng)態(tài)顯示特點(diǎn): : 有閃爍有閃爍，用，用元器件少元器件少，占占I/OI/O線少線少，必須掃描必須掃描，花費(fèi)花費(fèi)CPUCPU時(shí)間時(shí)間，編程復(fù)雜。編程復(fù)雜。( (有多個(gè)有多個(gè)LEDLED時(shí)尤為突出）時(shí)尤為突出）靜態(tài)顯示特點(diǎn)靜態(tài)顯示特點(diǎn): : 無閃爍無閃爍，用，用元器件多元器件多，占占I/OI/O線多線多，無須掃描無須掃描，節(jié)省節(jié)省CPUCPU時(shí)間時(shí)間，編程簡單。編程簡單。靜態(tài)顯示靜態(tài)顯示: : 各數(shù)碼管在顯示過程中各數(shù)碼

21、管在顯示過程中持續(xù)持續(xù)得到送顯信號(hào)，與各數(shù)碼管接口得到送顯信號(hào)，與各數(shù)碼管接口的的I/OI/O口線口線是是專用專用的。的。動(dòng)態(tài)顯示動(dòng)態(tài)顯示: : 各數(shù)碼管在顯示過程中各數(shù)碼管在顯示過程中輪流輪流得到送顯信號(hào)，與各數(shù)碼管接口得到送顯信號(hào)，與各數(shù)碼管接口的的I/OI/O口線口線是是共用共用的。的。A AB BCLKCLKh g f e d c b ah g f e d c b aCLRCLRA AB BCLKCLKCLRCLRA AB BCLKCLKCLRCLR+5V+5VVCCVCCTxDTxDRxDRxD MCU74LS16474LS16474LS164h g f e d c b ah g f

22、 e d c b ah g f e d c b ah g f e d c b a+5V+5V共陽共陽LED數(shù)碼管數(shù)碼管LEDLED數(shù)碼管數(shù)碼管靜態(tài)靜態(tài)顯示舉例顯示舉例有幾個(gè)有幾個(gè)LEDLED就要幾個(gè)就要幾個(gè)74LS16474LS164，但只要數(shù)據(jù)不變，但只要數(shù)據(jù)不變，送一次就保持住了，且不閃爍，編程十分簡單。送一次就保持住了，且不閃爍，編程十分簡單。LEDLED數(shù)碼管數(shù)碼管動(dòng)態(tài)動(dòng)態(tài)顯示舉例顯示舉例P1.5 P1.5 P1.4P1.4P1.3P1.3P1.2P1.2P1.2P1.2P1.0P1.0P0.7 P0.7 P0.6 P0.6 P0.5 P0.5 P0.4 P0.4 P0.3 P0.3

23、P0.2 P0.2 P0.1 P0.1 P0.0P0.07406 OC7406 OC門門 X 3X 3上拉上拉電阻電阻1414+5V+5VMCU工作原理工作原理：從從P0P0口送段代碼口送段代碼,P1,P1口送位選信號(hào)口送位選信號(hào)。段碼雖同時(shí)。段碼雖同時(shí)到達(dá)到達(dá) 6 6個(gè)個(gè)LEDLED，但，但一次僅一個(gè)一次僅一個(gè)LEDLED被選中被選中。利用。利用“視覺暫視覺暫留留”，每送一個(gè)字符并選中相應(yīng)位線，延時(shí)一會(huì)兒，每送一個(gè)字符并選中相應(yīng)位線，延時(shí)一會(huì)兒, ,再送再送/ /選下一個(gè)選下一個(gè)循環(huán)掃描循環(huán)掃描即可。即可。共陰共陰 數(shù)碼管數(shù)碼管位位選選線線段段代代碼碼擴(kuò)展鍵盤接口二、鍵盤接口鍵盤鍵盤 單片機(jī)

24、系統(tǒng)中完成控制參數(shù)輸入及修改的單片機(jī)系統(tǒng)中完成控制參數(shù)輸入及修改的基本輸基本輸入設(shè)備入設(shè)備，是人工干預(yù)系統(tǒng)的重要手段。，是人工干預(yù)系統(tǒng)的重要手段。單片機(jī)與計(jì)算機(jī)在鍵盤規(guī)模單片機(jī)與計(jì)算機(jī)在鍵盤規(guī)模/ /鍵符設(shè)置等方面差別鍵符設(shè)置等方面差別很大。很大。鍵盤分類鍵盤分類 按鍵值按鍵值編碼方式編碼方式分分 ( (硬件硬件) )編碼鍵盤編碼鍵盤與與非非( (硬件硬件) )編碼鍵盤編碼鍵盤。 按鍵組按鍵組連接方式連接方式分分 獨(dú)立連接鍵盤獨(dú)立連接鍵盤與與矩陣連接鍵盤矩陣連接鍵盤。編碼鍵盤編碼鍵盤: : 采用專用的編碼采用專用的編碼/ /譯碼譯碼器件器件, ,被按下的鍵被按下的鍵由該器件譯碼輸出相應(yīng)的由該器件譯碼輸出相應(yīng)的鍵碼鍵碼/ /鍵值鍵值。特點(diǎn)：特點(diǎn)：增加了硬件開銷，編碼因選用器件而異，編增加