基于MSP430G2211實現(xiàn)的風(fēng)速測試儀(林凱)

1、 MSP430G2系列Launchpad開發(fā)板應(yīng)用實例作品基于MSP430G2211實現(xiàn)的風(fēng)速測試儀林凱美國儀器半導(dǎo)體技術(shù)（有限）公司電子科技大學(xué)MSP430單片機聯(lián)合實驗室2011年12月目 錄第一章概述11.1基本情況介紹11.2總體設(shè)計方案介紹11.2.1硬件設(shè)計方案介紹11.2.2軟件設(shè)計方案2第二章硬件系統(tǒng)的設(shè)計32.1 MSP430G2系列LaunchPad開發(fā)板組成與硬件資源情況介紹32.2傳感器選型和性能指標(biāo)參數(shù)介紹52.3單元電路的介紹82.4系統(tǒng)組成原理圖和器件清單152.4.1系統(tǒng)組成框圖152.4.2系統(tǒng)組成原理圖152.4.3元器件清單172.5 PCB板的設(shè)計要求與

2、注意事項說明182.5.1原理圖的繪圖182.5.2 PCB的繪制182.6硬件的安裝、調(diào)試和測試25第三章軟件系統(tǒng)的設(shè)計343.1監(jiān)控程序總體流程框圖的介紹343.2各功能子程序在CCS環(huán)境下的設(shè)計與調(diào)試353.2.1工程的創(chuàng)建353.2.2源文件、頭文件的創(chuàng)建和源代碼的編寫383.3程序的調(diào)試50第四章總結(jié)與思考6057 / 59第一章 概述1.1基本情況介紹本風(fēng)速測試儀采用TI公司推出的LaunchPad開發(fā)板上的MSP430G2211單片機作為主控芯片，利用光電傳感器對CPU風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動（風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速可以通過調(diào)節(jié)電位器改變）進(jìn)行信號采集，對輸出的脈沖信號進(jìn)行濾波和整形處理后形成脈沖送入單片

3、機。但單片機的I/O對送入信號的上升沿進(jìn)行實時捕獲計數(shù)，并在設(shè)定的定時中斷由該計數(shù)值計算出當(dāng)前風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，最后將轉(zhuǎn)速值送由液晶顯示。1.2總體設(shè)計方案介紹1.2.1硬件設(shè)計方案介紹風(fēng)速測試儀的原理：調(diào)節(jié)電位器使CPU風(fēng)扇（實際上就是一個直流無刷電機）以一定的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動起來，由于電動機轉(zhuǎn)子上設(shè)置了一個遮光板，這樣電機每轉(zhuǎn)過一圈，遮光板就會將發(fā)光二極管照射到光敏管上的光線阻斷一次，光敏管的集電極上電壓改變一次，這樣便可得到反映電機轉(zhuǎn)速的脈沖信號（含高頻干擾窄脈沖）。對此脈沖信號進(jìn)行濾波和整形后形成已濾除高頻窄脈沖的脈沖信號輸入單片機，此信號的上升沿產(chǎn)生使單片機產(chǎn)生I/O口中斷并進(jìn)行計數(shù)。因為設(shè)置了單

4、片機定時器的1s定時中斷，就可以中斷程序由計數(shù)值計算出當(dāng)前的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，最終再將轉(zhuǎn)速送予液晶模塊顯示。此過程中，調(diào)節(jié)電位器，電機將以不同的轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)，液晶顯示的轉(zhuǎn)速值也將發(fā)生相應(yīng)的變化。另外需要專門的電源模塊為系統(tǒng)中各個模塊供電，具體各模塊框圖如圖1.1所示。圖1.1 風(fēng)速測試儀硬件組成框圖1.2.2軟件設(shè)計方案如圖1.2，首先初始化單片機的部和外部資源和設(shè)備，這些設(shè)備包括看門狗、時鐘、I/O、定時器和液晶模塊，然后開啟I/O上升沿中斷和定時器的1s中斷，之后程序進(jìn)入等待中斷狀態(tài)。當(dāng)I/O口捕捉到光電傳感器輸出的已經(jīng)過濾波和整形后的脈沖信號的上升沿就進(jìn)入IO中斷，在中斷進(jìn)行脈沖周期計數(shù)。當(dāng)1s定時

5、中斷到達(dá)時由I/O中斷得到的計數(shù)值計算風(fēng)扇當(dāng)前的轉(zhuǎn)速、將計數(shù)值清0并調(diào)用液晶顯示程序。圖1.2 風(fēng)速測試儀程序框圖第二章 硬件系統(tǒng)的設(shè)計2.1 MSP430G2系列LaunchPad開發(fā)板組成與硬件資源情況介紹首先，LaunchPad是一個完整的開發(fā)板。開發(fā)板上包括仿真器和目標(biāo)芯片，通過仿真器我們可以在線控制CPU的運行以與查看硬件寄存器；目標(biāo)芯片就是我們編寫的代碼要下載到的芯片。在圖2.1所示的開發(fā)板照片中，照片中得黃色方框出來的是仿真器，藍(lán)色方框出來的是目標(biāo)板，也就是我們編寫的代碼最終要運行的地方。LaunchPad開發(fā)板的容包括如下：（1）Lauchpad開發(fā)板（2）MinUSB電纜（3

6、）兩塊MSP430G系列芯片-MSP430G2231：低功耗16位單片機，片上擁有10位8通道的ADC、2K容量的Flash和128Bytes的RAM-MSP430G2211:低功耗16位單片機，包括一個片上比較器以與2K容量的Flash和128Bytes的RAM（4）2排10針的排針和2排10針的插座（5）1只32.768KHz的晶體圖2.1 LaunchPad開發(fā)板大家拿到開發(fā)板的時候可以看到在仿真器中最大的那塊芯片也是一款1xx系列MSP430單片機，但我們的代碼并不是在這塊單片機上運行的，這塊單片機其實是充當(dāng)了仿真器的功能，代碼真正還是在目標(biāo)板上運行。在初學(xué)階段不需要在仿真器上花時間，

7、僅僅把它當(dāng)做工具使用即可。通過圖片可以看到，仿真器和目標(biāo)板是通過跳線連接的，其實這暗示著LaunchPad上的仿真器不止可以下載Gxxx系列的芯片，它還可以調(diào)試下載eZ430-RF2500T開發(fā)板、eZ430-2012/F2013T開發(fā)板以與eZ430-Chronos手表。他還有一個重要的功能就是提供了目標(biāo)板串口到PC的，串口速率為9600。仿真器使用的是minUSB接口，USB電纜在開發(fā)套件中包含?？梢岳肐AR(For MSP430)集成開發(fā)環(huán)境或者TI自己推出的CCS(Code Composer Studio)對應(yīng)用進(jìn)行仿真、調(diào)試以與下載。仿真器對全速硬件斷點以與單步執(zhí)行是完全支持的。目

8、標(biāo)板介紹目標(biāo)板上有一個20針的DIP插座可以用于更換MSP430單片機，芯片所有管腳全部通過開發(fā)板兩側(cè)的排陣引出，可以比較方便地進(jìn)行拓展實驗，比如焊上排陣插座后就可以使用觸摸板（LaunchPad套件本身不包含）。板上有2個LED和一個通用按鍵，還有一個按鍵旁邊標(biāo)有Reset是復(fù)位按鍵。板上有很多的跳線J1和J2是將IO引出的，J3是用于和eZ430開發(fā)板連接的跳線。J4是仿真器和目標(biāo)板間連接跳線其功能如表2.1所示：表2.1 仿真器和目標(biāo)板間連接的跳線跳線端子信號描述1Test編程和測試期間JTAG 引腳 /Spy-Bi-Wire測試時鐘輸入的測試模式2RST復(fù)位/Spy-Bi-Wire測試

9、數(shù)據(jù)輸入/編程和測試期間輸出3RXD通用異步收發(fā)器接收數(shù)據(jù)輸入4TXD通用數(shù)據(jù)收發(fā)器發(fā)送數(shù)據(jù)輸出5 VCC目標(biāo)板電源（功耗測試跳線端）J5選擇MSP430的IO接口P1.0和P1.6與LED連接，J6可用于外部供電。具體的連接可以參考附錄中的電路圖（MSP-EXP430G2 LaunchPad Experimenter Board User's Guide的電路圖部分）。2.2傳感器選型和性能指標(biāo)參數(shù)介紹查閱文獻(xiàn)資料發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在市場上關(guān)于電機產(chǎn)品的測速最常用的有兩種方案，一種是光電傳感器，還有一種是霍爾傳感器。本風(fēng)速測試儀的設(shè)計采用單光束反射式光電傳感器（ST188）1.特點：（1）采用

10、高發(fā)射功率紅外光電二極管和高靈敏度光電晶體管組成。（2）檢測距離可調(diào)整圍大，4-12mm可用。（3）采用非接觸檢測方式。（4）與方向判別電路ST288A相結(jié)合使用可判別被測物的運動方向與正反轉(zhuǎn)速測量、行程測量等。2.外形尺寸（單位：mm） 圖2.2 ST188外形尺寸和部電路圖3.極限參數(shù)（Ta=25）表2.2 ST188極限參數(shù)項 目符號數(shù) 值單 位輸入正向電流IF50mA反向電壓Vr6V耗散功率P75mW輸出集-射電壓Vceo25V射-集電壓Veco6V集電極電壓Pc50mW工作溫度Topr-20+65儲存溫度Tstg-30+754.光電特性表2.3 ST188光電特性項 目符號測試條件最

11、小典型最大單位輸入正向壓降VFIF=20mA_1.251.5mA反向電流IRVR=3V-10uA輸出集電極暗電流IceoVce=20V-1uA集電極亮電流ILVce=5VIF=8mAL30.30 -mAL40.40- mAL50.50-mA飽和壓降VCEIF=8mA Ic=0.15mA-0.4V傳輸特性響應(yīng)時間TrIF=20mA , Vce=5VRc=100-5-usTf-5-s注：集電極電流IL、飽和壓降VCE、響應(yīng)時間是在紅外光電傳感器前端面與亮檢測面距離7mm處測得，其數(shù)值受亮檢測面的表面光潔度與平整度影響。圖2.3 正向電流與正向壓降關(guān)系說明：圖2.3為傳感器典型曲線，僅供參考，具體的

12、傳感器與該曲線有一定差異。5.應(yīng)用電路圖2.4 ST188測速應(yīng)用電路圖注:由于剛開始并不知道所購的CPU風(fēng)扇帶有測速信號輸出端，故設(shè)計了基于FT188的風(fēng)扇測速電路，這是完全可行的！但考慮到傳感器的固定比較難的問題，最終決定采用風(fēng)扇部輸出的測速信號，而放棄了此電路的使用。2.3單元電路的介紹1.電機供電模塊圖2.5 電機供電電源如圖2.5，J1為開關(guān)電源的插頭，接上開關(guān)電源后將S1的可動端撥到2，這時開關(guān)電源指示燈亮，當(dāng)將S1的可動端撥到3，開關(guān)電源停止對系統(tǒng)供電。R1為分壓、限流作用，使LED上的導(dǎo)通電壓、電流分別為1.8V和20mA。C2是用來濾除電源的高頻尖峰，C1是用來濾除LM317

13、輸出端上的紋波電壓。調(diào)節(jié)電位器R2，可使得LM317的輸出電壓在1.210.2V之間變化，使電機的轉(zhuǎn)速隨著電位器的旋轉(zhuǎn)而發(fā)生變化。2.測速信號的處理模塊圖2.6 電機速度信號處理上圖Freq接CPU風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速脈沖的輸出腳，由于該腳是一個開漏輸出腳，所以用R5將其上拉至電源電壓，然后經(jīng)過簡單的一階RC低通濾波（截止頻率為），輸出類似三角波（曲邊三角形）的信號，經(jīng)過三極管的整形后就成為已濾除高頻窄脈沖干擾的脈沖信號。3.核心板和擴展板供電電源模塊圖2.7 3.3V電源產(chǎn)生模塊本來可以使用LaunchPad上下載程序時所用的USB電纜給板子供電，但這樣板子得始終跟電腦相連，斷開后就無法運行了，為了使

14、用方便，故設(shè)計了由開關(guān)電源輸出電壓（12V）轉(zhuǎn)3.3V供電模塊，使板子在接通開關(guān)電源的情況下就可自行供電了。如圖2.7，LM1117輸入端接10uF的電容旁路到地，可以將12V開關(guān)電源輸出電壓中得高頻“尖峰”濾除；在LM1117的輸出端又用一大小為10uF的電容旁路到地這是為了濾除輸出電壓中的紋波。圖2.8 電源濾波器 圖2.9 電源指示燈將核心板上的電源引到擴展板上時需要用一個電源濾波電容，濾除干擾，使擴展板獲得一個干凈的供電電源。當(dāng)然有一個電源指示燈的話，就能清楚的看到當(dāng)前電源的供電是否正常。4.核心板與擴展板連接模塊圖2.10 核心板與擴展板的連接擴展板需要與核心板進(jìn)行信號和供電電源的傳

15、輸，這里通過排針與其插槽將核心板的各引腳引入到擴展板上。5.12864液晶顯示模塊圖2.11 液晶顯示模塊接線端 圖2.12 液晶模塊V0和VEE引腳與電位器接法為了減少對IO的開銷，這里選用了可以進(jìn)行串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)男吞枮?2864M1的點陣液晶模塊，以下是關(guān)于該液晶模塊的說明（1）實物圖圖2.13 12864M1實物圖（2）模塊特性（a）可由動態(tài)方式驅(qū)動128×64點陣顯示。（b）低功耗，供電電壓圍寬。（c）提供8位、4位與串行接口可選（d）64×16位字符顯示RAM（DDRAM最多16字符×4行，LCD顯示圍16×2行）（e）2M位中文字型ROM（C

16、GROM）,總共提供8192個中文字型（16×16點陣）（f）16K位半寬字型ROM（HCGROM），總共提供126個西文字符（16×8點陣）（g）64×16位字符產(chǎn)生RAM（CGRAM）（h）15×16位總共240點得ICON RAM（ICON RAM）（i）自動復(fù)位（RESET）功能（j）繪圖與文字畫面混合顯示功能（k）提供包括畫面清除、游標(biāo)歸位、顯示開/關(guān)、游標(biāo)顯示/隱藏、字符閃爍、游標(biāo)移位、顯示移位、垂直畫面旋轉(zhuǎn)、反白顯示和睡眠模式等多功能指令。（3）引腳特性表2.4 液晶模塊各引腳說明管腳名稱 符號 電平功能描述1VSS 0V接地（GND）2V

17、DD3.3V電源電壓3V0 接電位器液晶顯示驅(qū)動電壓調(diào)整端 4RS/CSH/L 并口模式寄存器選擇 H：數(shù)據(jù)，L：指令 串口片選指令 H：有效，L：失效5R/W / SIDH/L并口模式 H：讀 L:寫 串口數(shù)據(jù)線6E/SCLKH/L并口：讀/寫起始腳串口連續(xù)時鐘輸入710DB0DB3H/L數(shù)據(jù)低4位，4位并口與串口是懸空1114DB4DB7H/L數(shù)據(jù)高4位，串口時懸空，DB7可作BUSY標(biāo)志15PSBH/L H：8/4位數(shù)據(jù)接口模式 L：串行接口模式由硬件設(shè)置時，此腳懸空16NC懸空17RSTH/L復(fù)位信號，選擇硬件復(fù)位時，此腳懸空18VEE 接電位器液晶顯示器驅(qū)動電壓19BLA3.3V背光

18、正20BLK 0V背光負(fù)注：本次設(shè)計中由于采用串口傳送的方式可大大節(jié)省IO口的開銷，只需將電源端和背光正引腳接正電源，接地引腳和背光負(fù)引腳接地，V0和VEE分別接1K電位器的可動端和一固定端，電位器的另一固定端接地。由于串口液晶采用的接口方式，所以只需兩個IO口作為串口數(shù)據(jù)和連續(xù)時鐘輸出端口即可。（4）原理圖圖2.14 液晶模塊原理圖（5）最大工作圍(a)邏輯工作電壓（Vdd）： 5V±10%(b)電源地（GND）： 0V(c)LCD驅(qū)動電壓（Vop）： 69V(d)輸入電壓： 0Vdd（6）電氣特性（測試條件 Ta=25，Vdd=5.0±10%）（a）輸入高電平（Vih）

19、： 0.7VddVdd（b）輸入低電平（Vil）： 0.6Vmax（c）輸出高電平（Voh）： 0.8VddVdd（d）輸出低電平（Vol）： 0.4Vmax（e）模塊工作電流： 2.23.0mA（不含背光）（f）底黃綠光工作電流： 250mA(g)側(cè)白光工作電流： 30mA(7)串口時序圖圖2.15 串行發(fā)送時序圖圖2.15中接線端子從1到9分別對應(yīng)液晶模塊上的VSS(接地)、VDD（接正電源）、V0（接圖2.12中電位器引腳2，引腳3接地，如圖 所示）、CS（直接接高）、SID（串行數(shù)據(jù)傳送口，接單片機IO）、SCLK（時鐘信號輸入，接單片機IO）、VEE（接電位器引腳1，引腳3接地，如圖

20、2.12所示）、BLA（接正電源）和BLK（接地）這些引腳。6.CPU風(fēng)扇模塊圖2.16 CPU風(fēng)扇在擴展板上的接線端該CPU的風(fēng)扇都是3針連接線纜.各條電纜的說明如下:（1）Freq: CPU風(fēng)扇轉(zhuǎn)速脈沖信號輸出I/O，風(fēng)扇每轉(zhuǎn)一圈，會輸出一個脈沖信號。另外它是一個開漏輸出腳，需要一個電源上拉才能產(chǎn)生脈沖信號，否則是沒有信號輸出的，該端口與圖2.6中的輸入端相連接。（2）Vout：正電源，接圖2.5中穩(wěn)壓器LM317的輸出。（3） Power：接地。（4） Vin：代替開關(guān)電源的+12V外部電源的輸入端。（5） GND：代替開關(guān)電源的外部電源的接地端。2.4系統(tǒng)組成原理圖和器件清單2.4.1

21、系統(tǒng)組成框圖系統(tǒng)的硬件組成框圖如下圖所示，具體說明見第一章，這里不再贅述。 圖2.17 系統(tǒng)組成框圖2.4.2系統(tǒng)組成原理圖該基于TI公司的LaunchPad （MSP430G2211為核心）的實例擴展板的最終原理圖如下：圖2.18 基于MSP430G2211實現(xiàn)的風(fēng)速測試儀的原理圖2.4.3元器件清單表2.5 項目元件清單2.5 PCB板的設(shè)計要求與注意事項說明2.5.1原理圖的繪圖畫原理圖前先將自己構(gòu)思的電路模塊借助于Multisim或Proteus等電路仿真軟件進(jìn)行仿真，通過現(xiàn)象觀察電路設(shè)計的可行性。仿真通過后，再將設(shè)計電路在萬用板上焊接出來或是在面包板上搭建出來，有些信號、信號的處理和

22、檢測在PCB未出來之時是無法直接得到和實現(xiàn)的，這時可以借助穩(wěn)壓源、信號發(fā)生器、示波器和萬用表等進(jìn)行模擬和測試，等全部實驗通過之后再進(jìn)行原理圖的繪制。當(dāng)然，對于比較復(fù)雜的電路來說，通常是邊繪制原理圖，邊進(jìn)行仿真和實驗，在這個過程中不斷更改電路形式和電路中的參數(shù)，待仿真、實驗都通過之時，原理圖的繪制也宣告完畢。畫原理圖的過程實際將自己設(shè)計的各電路模塊在圖紙上呈現(xiàn)出來并帶上相應(yīng)元件的封裝和相應(yīng)管腳的電氣連接的過程。Protel 99SE 或Altium Designer中的有自帶的原理圖庫和封裝庫，當(dāng)使用庫中自帶的元件或封裝時，請注意檢查、測量封裝與實際所購元件的封裝是否一致。有些元件與其封裝 庫中

23、沒有，那就要養(yǎng)成一個良好的習(xí)慣創(chuàng)建屬于自己的原理圖庫和封裝庫，然后將每次項目中用的元件和封裝分別添加到這兩個庫中，積累多了以后，再設(shè)計原理圖時好多元件和封裝就手到拈來，效率就越來越快了當(dāng)然為了使原理圖看起來條理清理，各模塊應(yīng)分開放置，在模塊間需要連接的管腳上放上一樣的網(wǎng)標(biāo)即可；為便于交流理解，可在相應(yīng)的模塊上加注文本說明。原理圖中如果使用的是層次設(shè)計，那就要注意各個文件最后要連接為一個整體。還有就是原理圖畫完后要進(jìn)行編譯、查錯，與時消除消除錯誤（不然等板子做好后焊接才發(fā)現(xiàn)問題那就太晚了），然后選擇更新PCB文件，這樣原理圖（包括元件封裝和電氣連接）就倒成PCB了。2.5.2 PCB的繪制通常的

24、制版過程是這樣的：1.制作物理邊框在Keep-out層上用線根據(jù)電路板將來所要安裝的機殼的尺寸或其他具體要求畫出封閉的物理邊框，這個物理邊框就是我們進(jìn)行后續(xù)元件布局和連線的基本平臺。如果電路板制成后是要往機殼上安裝的話，這時一定要注意測量和繪制的精確性，否則以后出現(xiàn)安裝問題麻煩可就大了。還有就是拐角地方最好用圓弧，一方面可以避免尖角劃傷工人，同時又可以減輕應(yīng)力作用。2.元件的布局元件的布局與走線對產(chǎn)品的壽命、穩(wěn)定性、電磁兼容都有很大的影響，是應(yīng)該特別注意的地方。一般來說應(yīng)該有以下一些原則： （1）放置順序 先放置與結(jié)構(gòu)有關(guān)的固定位置的元器件，如電源插座、指示燈、開關(guān)、連接件之類，這些器件放置好

25、后用軟件的Lock功能將其鎖定，使之以后不會被誤移動。再放置線路上的特殊元件和大的元器件，如發(fā)熱元件、變壓器、IC等。最后放置小器件。順序是這樣的，但大體上還是按照原理圖上的模塊來布局的，同一個模塊的元件就近擺放，這樣就不會無所規(guī)章，造成布局上無從下手?。?）注意散熱 元件布局還要特別注意散熱問題。對于大功率電路，應(yīng)該將那些發(fā)熱元件如功率管、變壓器等盡量靠邊分散布局放置，便于熱量散發(fā)，不要集中在一個地方，也不要高電容太近以免使電解液過早老化。3.布線布線（Layout）是PCB設(shè)計者最基本的工作技能之一，走線的好壞直接影響到整個系統(tǒng)性能的好壞，這一點在高速PCB的設(shè)計中尤為重要。首先，先講講導(dǎo)

26、線寬度與間距的選擇與確定： 根據(jù)印制電路板電流的大小，盡量加粗電源線寬度，減少環(huán)路電阻。 印制導(dǎo)線的最小寬度主要由導(dǎo)線與絕緣基扳間的粘附強度和流過它們的電流值決定。如當(dāng)銅箔厚度為0.050mm，寬度為 11.5mm 時，通過2A 的電流，溫度不會高于 3 ，導(dǎo)線寬度為 1.5mm可滿足要求（PCB板的線寬、覆銅厚度與通過的電流對應(yīng)的關(guān)系如表2.6所示）。對于集成電路，尤其是數(shù)字電路，通常選 0.020.3mm 導(dǎo)線寬度。當(dāng)然，只要允許，還是盡可能用寬線尤其是電源線和地線。表2.6 PCB板的線寬、覆銅厚度與通過的電流的對應(yīng)關(guān)系寬度（mm）電流（A）寬度（mm）電流（A）寬度（mm）電流（A）0

27、.150.20.150.50.150.70.20.550.20.70.20.90.30.80.31.10.11.30.41.10.41.350.41.70.51.350.51.70.520.61.60.61.90.62.30.820.82.40.82.812.312.613.21.22.71.231.23.61.53.21.53.51.54.22424.325.12.54.52.55.12.56 覆銅1OZ（0.035mm） 覆銅1.5OZ（0.050mm） 覆銅2OZ（0.07mm）導(dǎo)線的最小間距主要由最壞情況下的線間絕緣電阻和擊穿電壓決定。對于集成電路，尤其是數(shù)字電路，只要工藝允許，導(dǎo)線間

28、距可小至 58mm。 線寬太小,則印刷導(dǎo)線電阻大,線上的電壓降也就大,影響電路的性能； 線寬太寬,則布線密度不高,板面積增加,除了增加成本外,也不利于小型化. 地線，電源線，信號線之間的關(guān)系：地線電源線信號線，通常信號線寬為：0.20.3mm,最細(xì)寬度可達(dá)0.050.07mm,電源線為1.22.5 mm 。對數(shù)字電路的PCB可用寬的地導(dǎo)線組成一個回路, 即構(gòu)成一個地網(wǎng)來使用(模擬電路的地不能這樣使用) 用大面積銅層作地線用,在印制板上把沒被用上的地方都與地相連接作為地線用。但是對大電流的話，如果電流負(fù)荷以計算,當(dāng)覆銅箔厚度0.5mm時,(一般為這么多)則1mm(約40mil)線寬的電流負(fù)荷為1

29、A,因此,線寬取1-2.54mm(40100mil)能滿足一般的應(yīng)用要求,大功率設(shè)備板上的地線和電源,根據(jù)功率大小,可適當(dāng)增加線寬,而在小功率的數(shù)字電路上,為了提高布線密度,最小線寬取0.254-1.27mm(1015mil)就能滿足. 按上面所說的計算，可以算出20A 的電流要20mm,這是由于當(dāng)電流密度確定后，線路的截面積必須與通過的電流成正比。當(dāng)流通的電流過大時，線路將發(fā)熱而縮短壽命，嚴(yán)重時會影響周邊元器件的的穩(wěn)定性，或者被燒斷。 然后，再介紹幾種主要的走線方式與需要注意的地方：（1）直線走線直角走線一般是PCB布線中要求盡量避免的情況，也成為衡量布線好壞的標(biāo)準(zhǔn)之一。從原理上說，直角走線

30、會使傳輸線的線寬發(fā)生變化，造成阻抗的不連續(xù)。其實不光是直角走線，鈍角、銳角走線都可能造成阻抗變化的情況。W W*1.414 W*0.707 W W*1.082 W*2.613圖2.19 不同走線角度的的拐角線寬變化直角走線對信號的影響就是主要體現(xiàn)在三個方面：(a)拐角可以等效為傳輸線上的容性負(fù)載，減緩上升時間；(b)阻抗不連續(xù)會造成信號的反射；(c)直角尖端產(chǎn)生的EMI。（2）差分走線差分走線和普通單端信號走線線相比，具有三方面的優(yōu)勢：(a)抗干擾能力強，因為兩根差分走線之間的耦合很好，當(dāng)外界存在噪聲干擾時，幾乎是同時被耦合到兩條線上，而接收端關(guān)心的只是兩信號的差值，所以外界的共模噪聲可以被完

31、全抵消。(b)能有效抑制 EMI，同樣的道理，由于兩根信號的極性相反，他們對外輻射的電磁場可以相互抵消，耦合的越緊密，泄放到外界的電磁能量越少。(c)時序定位精確，由于差分信號的開關(guān)變化是位于兩個信號的交點，而不像普通單端信號依靠高低兩個閾值電壓判斷，因而受工藝，溫度的影響小，能降低時序上的誤差，同時也更適合于低幅度信號的電路。差分走線的一般要求:(a)等長。這是為了保證兩個差分信號時刻保持相反極性，減少共模分量；(b)等距。這主要是為了保證兩者差分阻抗一致，減少反射；(c)“盡量靠近原則”。差分線之間的間距盡量小有時也是差分走線的要求之一。（3）蛇形線蛇形線是布線時經(jīng)常使用的一類走線方式，它

32、的作用有：阻抗匹配、濾波電感和調(diào)節(jié)延時，滿足系統(tǒng)時序設(shè)計的要求。但是，蛇形線會破壞信號的質(zhì)量，改變傳輸延時，所以盡量避免使用。在實際設(shè)計中，為了保證信號有足夠的保持時間，或者減小同組信號之間的時間偏移，往往不得不故意進(jìn)行繞線。（a） （b） （c）圖2.20 幾種蛇形走線結(jié)構(gòu)圖2.21 蛇形走線模型蛇形走線時要注意的最關(guān)鍵的兩個參數(shù)就是平行耦合長度（Lp）和耦合距離（S），信號在蛇形走線上傳輸時，相互平行的線段之間會發(fā)生耦合，呈差模形式，S越小，Lp越大，則耦合程度也越大?？赡軙?dǎo)致傳輸延時減小，以與由于串?dāng)_而大大降低信號的質(zhì)量。盡量增加平行線間的距離（S）,至少大于3H，H指信號走線到參考平

33、面的距離。通俗的說就是繞大彎走線，只要蛇形走線的線距倍的線寬且S足夠大，就幾乎能完全避免相互的耦合效應(yīng)。減小耦合長度Lp，當(dāng)兩倍的Lp延時接近或超過信號上升時間時，產(chǎn)生的串?dāng)_將達(dá)到飽和。最后，補充一些布線時其他的通行原則:（1）所有平行信號線之間要盡量留有較大的間隔，以減少串?dāng)_。如果有兩條相近的信號線，最好在兩線之間走一條地線，這樣可以起到屏蔽作用。（2）雙面板布線時，兩面的導(dǎo)線宜相互垂直、斜交、或彎曲走線，避免相互平行，以減小寄生耦合；作為電路的輸入與輸出用的印制導(dǎo)線應(yīng)盡量避免相鄰平行，以免發(fā)生回授，在這些導(dǎo)線之間最好加接地線。（3）PCB板上若裝有大電流器件，如繼電器、指示燈、喇叭等，它們

34、的地線最好要分開單獨走，以減少地線上的噪聲，這些大電流器件的地線應(yīng)連到插件板和背板上的一個獨立的地總線上去，而且這些獨立的地線還應(yīng)該與整個系統(tǒng)的接地點相連接。（4）大電流信號、高電壓信號與小信號之間應(yīng)該注意隔離（隔離距離與要承受的耐壓有關(guān)，通常情況下在2KV時板上要距離2mm，在此之上以比例算還要加大，例如若要承受3KV的耐壓測試，則高低壓線路之間的距離應(yīng)在3.5mm以上，許多情況下為避免爬電（在兩個導(dǎo)電部分之間沿絕緣材料表面的最短距離），還在印制線路板上的高低壓之間開槽。（5）如果板子上有小信號放大器，則放大前的弱信號線要遠(yuǎn)離強信號線，而且走線要盡可能地短，如有可能還要用地線對其進(jìn)行屏蔽。（

35、6）盡量減少過孔、跳線的使用。（7）與焊盤相連的線盡量畫粗，能放淚滴就放淚滴。4.覆銅所謂覆銅，就是將PCB上閑置的空間作為基準(zhǔn)面，然后用固體銅填充，這些銅區(qū)又稱為灌銅。敷銅的意義在于，減小地線阻抗，提高抗干擾能力；降低壓降，提高電源效率；還有，與地線相連，減小環(huán)路面積。如果PCB的地較多，有SGND、AGND、GND等等，就要根據(jù)PCB板面位置的不同，分別以最主要的“地”作為基準(zhǔn)參考來獨立覆銅，數(shù)字地和模擬地應(yīng)分開來敷銅。同時在覆銅之前，首先加粗相應(yīng)的電源連線：5.0V、3.3V等等。這樣一來，就形成了多個不同形狀的多變形結(jié)構(gòu)。覆銅需要處理好幾個問題：（1）不同地的單點連接，做法是通過0歐電

36、阻或者磁珠或者電感連接；（2）晶振附近的覆銅，電路中的晶振為一高頻發(fā)射源，做法是在環(huán)繞晶振敷銅，然后將晶振的外殼另行接地。（3）孤島（死區(qū)）問題，如果覺得很大，那就定義個地過孔添加進(jìn)去也費不了多大的事。另外，對于大面積覆銅好還是網(wǎng)格覆銅好，不好一概而論。為什么呢？大面積覆銅，如果過波峰焊時，板子就可能會翹起來，甚至?xí)鹋荨倪@點來說，網(wǎng)格的散熱性要好些。通常是高頻電路對抗干擾要求高的多用網(wǎng)格，低頻電路有大電流的電路等常用完整的鋪銅。覆銅面只在你設(shè)置的前提下才會與覆銅網(wǎng)絡(luò)一樣的焊盤和過孔連接。是不會和網(wǎng)絡(luò)不同的導(dǎo)線焊盤連接的，但覆銅是PCB制作的后期工作，覆銅之后再對PCB進(jìn)行修改就要注意短路問

37、題了。5.其他覆玩銅后，還有一些掃尾的事可以做，比如將板子的Keep-Out Layer的尺寸Altium Designer帶有的測距工具標(biāo)示出來。另外，為了焊接的方便，還可以將電阻、電容等原件的參數(shù)標(biāo)注在板子上做完這些工作，板子設(shè)計基本完畢！下面是本次設(shè)計最終產(chǎn)生的PCB圖：圖2.22 風(fēng)速測試儀PCB圖2.6硬件的安裝、調(diào)試和測試一、元件的焊接和調(diào)試（按模塊進(jìn)行）1.電機（CPU風(fēng)扇）供電電源模塊將開關(guān)電源插座J1、電源導(dǎo)通/關(guān)斷開關(guān)S1、電源指示燈D1與限流電阻R1、濾波電阻C2和C1、穩(wěn)壓器U1和電位器R2依次安裝到板子上并安裝好，將撥動開關(guān)S1打到2端，觀察指示燈是否亮起，若未亮，請

38、檢查開關(guān)電源是否插上，電源插座是否已焊接好，直到D1亮起。用萬用表測量穩(wěn)壓芯片LM317輸入端與地之間的壓差，看是否為12V左右；繼續(xù)測量穩(wěn)壓芯片的輸出端對地電壓，看是否有電壓輸出，手動調(diào)節(jié)電位器R2，觀察輸出端的電壓是否發(fā)生變化，如果一切正常，輸出電壓應(yīng)該在1.210.2V之間變化。圖2.23 風(fēng)扇供電電源模塊23.3V電源模塊將3.3V電源模塊包括濾波電容C3、C5、C6和穩(wěn)壓芯片LM1117-3.3安裝并焊接到板子上，測量1117的輸入端電壓是否為12V左右，輸出端電壓是否為3.3V左右，再將電源指示燈D2和限流分壓電阻9、濾波電容C3依次安裝焊接，看到電源指示燈亮，C3非接地端的電壓測

39、量值為3.3V左右，則說明該模塊一切正常。(a) (b) (c)圖2.24 3.3V供電電源模塊3.電機和外部電源接線端將電機接線端P3焊接到板子上，然后將將CPU風(fēng)扇的三根引出線轉(zhuǎn)速信號線、電源線和地線分別通過排針接到排針P3相應(yīng)的針腳（1、2和3）上，看電機是否轉(zhuǎn)動，若未轉(zhuǎn)動，請手動調(diào)節(jié)電位器，觀察電機是否轉(zhuǎn)動，若已轉(zhuǎn)動，繼續(xù)看轉(zhuǎn)速是否發(fā)生變化，若隨著電位器的旋動，電機的轉(zhuǎn)速也同步發(fā)生變化，則說明一切正常，可以進(jìn)行下一步的焊接了。這里，4和5針腳是在沒有開關(guān)電源供電的情況下由外部輸入12V的供電電壓。圖2.25電機接線端4.電機測速信號的調(diào)理整形模塊 圖2.26 電機測速信號的調(diào)理整形電路

40、由于風(fēng)扇轉(zhuǎn)速脈沖輸出是開漏輸出，所以由電阻R5將其上拉自3.3V電源電壓是必須的。R5還有后面的一階低通濾波R6和C4，然后就是三極管共射極電路的基極偏置電阻R7、三極管Q1、集電極上拉電阻R4和輸出假負(fù)載R8，這些元件都安裝和焊接完畢后，用示波器觀察三極管集電極對地輸出的波形，若該波形已濾除高頻窄脈沖干擾的脈沖信號，則證明電路工作正常；調(diào)節(jié)前面講到的電位器R2，從零點到滿點，觀察輸出的脈沖頻率是否從0Hz變化到90Hz左右，若達(dá)到該要求，說明該模塊安裝完畢、工作正常，若達(dá)不到要求，請逐一檢查該模塊的其他元件是否焊接完好，比如，上拉電阻R5如果沒焊好或未焊上都會導(dǎo)致無信號輸出。5.液晶模塊 圖

41、2.27 液晶模塊截取9腳排針焊接到電路板P4的位置，將1K的電位器焊接到R10的位置，分別用排線P4 的1到9引腳接到液晶的VSS、VDD、VO、CS、SID、SCLK、VEE、BLA和BLK引腳，檢查液晶的背光是否已亮起，若未亮起，啟用螺絲刀旋動電位器R10改變其接入電路的阻值，直至背光明亮為止。6.核心板和擴展板的連接端子截取兩排10腳的排針，分別焊接在P1和P2的位置，完成之后觀看LauchPad（核心板）上的電源指示燈是否已經(jīng)亮起，若已亮起，再將萬用表打到二極管檔，測試核心板上的P1.0、P1.1、P1.2分別和液晶上的SID、SCLK和電機的測速信號輸出管腳，是否一一短路現(xiàn)象，若已

42、觀察到此現(xiàn)象，則說明電路焊接正常，接下來的工作就只剩下軟件的調(diào)試了。圖2.28 擴展板和核心板的連接端子二、硬件的安裝、調(diào)試和測試1.核心板和擴展板的連接 (a) (b)(c)圖2.29 核心板和擴展板的連接如圖2.29(a)(b)和(c)所示，核心板和擴展板的連接是通過排針和排針插槽連接的。2.核心板的從USB接口和PC機的主USB接口圖2.30 核心板和PC機的連接如圖所示核心板和PC機的連接是通過USB數(shù)據(jù)線進(jìn)行的。3.開關(guān)電源與擴展板上的電源插座相連圖2.31 開關(guān)電源與擴展板的連接4.CPU風(fēng)扇與擴展板上的對應(yīng)接線端子的連接 (a) (b)圖2.32 CPU風(fēng)扇和擴展板上的接線端子的

43、連接如圖CPU風(fēng)扇和擴展板的相應(yīng)的接線端子通過導(dǎo)線進(jìn)行連接。5. 液晶模塊和擴展板上的對應(yīng)接線端子圖2.33 液晶模塊和擴展板的連接擴展板上的P4接線端子的管腳19分別對應(yīng)液晶模塊上的GND、VCC、V0、CS、SID、SCLK、VEE、BLA、BLK管腳,安裝時只需用排線將它們一一相連即可。6.風(fēng)速測試儀完整的硬件組裝結(jié)果圖2.34 風(fēng)速測試儀最終的組裝結(jié)果7. 通過手動調(diào)節(jié)電位器（電源接通后）調(diào)節(jié)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速圖2.35 風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)8.測試 將CPU風(fēng)扇與核心板連接后，將示波器的探針一端接地（擴展板上任意一處地比如P3的管腳5），另一端負(fù)責(zé)接對測速信號進(jìn)行整形的三極管的集電極（如圖2.36

44、（a）所示），在示波器上可以看到脈沖信號的圖形。旋轉(zhuǎn)電位器，改變風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，可以看到示波器顯示的脈沖波形的頻率也發(fā)生了變化（風(fēng)速越大，電機轉(zhuǎn)速越快，輸出的脈沖波形的頻率越高），如圖2.36(a)和(b)所示分別為電機較低和較高轉(zhuǎn)速下示波器上看到的波形，觀察顯示屏底部的頻率項可以看到脈沖的頻率（注意此頻率并不是真正的電機轉(zhuǎn)速，由于實際測試中發(fā)現(xiàn)，手動波動風(fēng)扇每轉(zhuǎn)過一周，示波器上輸出兩個周期的脈沖信號，所以此頻率值的一半才是真正的電機轉(zhuǎn)速）。(a) (b) (c)圖2.36 風(fēng)速測試儀的測試第三章 軟件系統(tǒng)的設(shè)計3.1監(jiān)控程序總體流程框圖的介紹先對設(shè)備包括看門狗、時鐘、IO口、定時器和液晶進(jìn)行初始

45、化，然后開啟中斷（P1.1上升沿中斷和1s中斷）接著就是等待中斷的到來。當(dāng)P1.1捕獲到電機輸出的轉(zhuǎn)速信號的上升沿時，就將事先定義的一用于計數(shù)的變量加1，然后中斷返回，待下次捕獲到轉(zhuǎn)速脈沖的上升沿再次進(jìn)入中斷。當(dāng)1s定時中斷到來的時候，就由上述的IO口的計數(shù)值計算電機在1min轉(zhuǎn)動的圈數(shù)，與RPM（Revolution Per Minute,每秒轉(zhuǎn)動圈數(shù)），并將上述IO口中斷中計數(shù)值清0，下次再次進(jìn)入IO口中斷時就從0重新開始計數(shù)，最后將計算得出的每分鐘轉(zhuǎn)速值送由液晶顯示，然后中斷返回，待下次1s中斷到來時再次進(jìn)入中斷。圖3.1 風(fēng)速測試儀流程圖3.2各功能子程序在CCS環(huán)境下的設(shè)計與調(diào)試3.

46、2.1工程的創(chuàng)建首先在D、E或F盤下新建一個名為Wind Speed Tester的文件夾，再在此文件夾下建立一個名為CCS的文件夾，這里以在F盤下建立此文件夾作為例子來說明。雙擊Code Composer Studio Vx Core Edition圖標(biāo)，出現(xiàn)Workspace Launcher窗口，提示你選擇一個工作空間文件夾的路徑，在該路徑下用于存放新建的工程文件，如圖3.2，新建工作空間文件夾的路徑選擇為：F:Wind Speed TesterCodeCCS，點擊OK，然后進(jìn)入到CCS編程環(huán)境界面，如圖3.3。圖3.2 選擇工作空間文件夾路徑圖3.3 CCS編程環(huán)境界面在編程環(huán)境界面下

47、，在菜單欄中依次選擇File->NewCCSproject，新建一個工程（Creat a new CCS Project），將此工程命名為Wind Speed Tester，如圖3.4，點擊next進(jìn)入一個提示選擇工程類型(Select a type of Project)的窗口中如圖3.5圖3.4 工程命名窗口圖3.5 選擇工程類型窗口在上面的窗口中選擇默認(rèn)的MSP430這一類型。點擊next進(jìn)入到提示為附加工程設(shè)置（Additional Project Settings）的窗口，如圖3.6，保持默認(rèn)設(shè)置，點擊next進(jìn)入提示為工程設(shè)置（Project Setting）的窗口，如圖3.

48、7圖3.6 附加工程設(shè)置窗口圖3.7 工程設(shè)置窗口在上面的窗口中Project setting 的 Device Variant下的<select filter>下拉框中選擇MSP430GXXX Family,在其右邊的下拉框中選擇MSP430G2211,其他的選項保持默認(rèn)的設(shè)置，點擊next進(jìn)入提示為工程模板（Project Templates）的窗口，如圖3.8圖3.8 工程模板窗口保持默認(rèn)設(shè)置，點擊Finish這樣一個新的工程就創(chuàng)建成功了！3.2.2源文件、頭文件的創(chuàng)建和源代碼的編寫右擊C/C+ Projects視窗中的工程文件名Wind Speed TesterActive

49、 - Debug,在下拉菜單的new后選擇Source File，彈出的提示為創(chuàng)建一個新的源文件（Creat a new source file）的窗口，如圖3.9所示，在Source File一欄中輸入main.c，點擊Finish，main.c源文件創(chuàng)建成功，如圖3.10同樣的方法創(chuàng)建名為LCD_12864.c的源文件。同樣在下拉菜單的new后選擇Head File，彈出的提示為創(chuàng)建一個新的頭文件（Creat a new header file）的窗口，如圖3.11所示，在Header file一欄中輸入LCD_12864.h，點擊Finish，這樣LCD_12864.h的頭文件就創(chuàng)建成功

50、了！圖3.9 新建一個新的源文件圖3.10 main.c源文件的創(chuàng)建圖3.11 新建一個新的頭文件源文件和頭文件都創(chuàng)建成功后下面就開始往這些文件中輸入應(yīng)用代碼了，寫完一個子程序就可以點擊工具欄的“編譯活動的工程（Build Active Project ）”圖標(biāo)進(jìn)行編譯了 ，該圖標(biāo)只是增量編譯和單一已經(jīng)修改的源文件的，要進(jìn)行完全編譯和所有的文件編譯需要點擊 “重新編譯活動工程（Rebuild Active Project）”圖標(biāo)。圖3.12 編譯和調(diào)試（1）main.c的編寫在編寫main函數(shù)時，首先應(yīng)在文件的開頭加上兩個頭文件#include<msp430g2211.h> 和#i

51、nclude"LCD_12864.h"，前者的作用是將本MSP430G2211單片機的標(biāo)準(zhǔn)的寄存器和為定義包含到main函數(shù)中，后者的作用是將LCD_12864.c源文件中定義的一些變量和函數(shù)通過外部變量的形式包含到main.c函數(shù)中，有了這兩個頭文件G2211單片機的寄存器和位還有LCD_12864.c定義的函數(shù)和部分變量就可以在main函數(shù)中使用了。同樣在LCD_12864.c中也應(yīng)包含頭文件#include<msp430g2211.h>，這樣就可以對IO口的使用進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮甓x了。在main.c文件中在頭文件的后面和main（）函數(shù)的前面，先定義兩個全局變

52、量 Num和Speed，其中Num為無符號字符型是對光電傳感器輸出的測速信號的上升沿進(jìn)行捕獲后的計數(shù)值，初值賦為0，Speed為無符號整型是在定時中斷中由Num計算電機的分鐘轉(zhuǎn)速值。 然后在main函數(shù)中開始設(shè)備的初始化，以下是各種初始化函數(shù)：Watchdog_Config(); /"看門狗"配置Clocks_Config(); /時鐘配置 GPIO_Config(); /GPIO配置，P1.0-液晶串行數(shù)據(jù)輸出，P1.1-液晶時鐘輸出/P1.2上升沿中斷使能TimerA0_Config(); /"TimerA0"配置,產(chǎn)生1s定時中斷init_lcd (); /LCD配置接下來就是這些初始化函數(shù)的編寫，這些函數(shù)與其中每條語句的作用見注釋：void FaultRoutine(void) /時鐘故障，進(jìn)入此"陷阱" while(1); / 陷阱void Watchdog_Config(void) /"看門狗"配置 WDTCTL=WDTPW+WDTHOLD;void Clocks_Config(void) /時鐘配置if (CALBC1_1MHZ=0xFF|CALDCO_1MHZ=0xFF) FaultRoutine();/如果校準(zhǔn)數(shù)據(jù)被擦除，則運行 FaultRout