正文基于單片機(jī)的門控照明電路.

1、 引言本數(shù)字實(shí)驗(yàn)箱以單片機(jī)為核心，對各個(gè)模塊進(jìn)行控制，使其協(xié)同工作。單片機(jī)自問世以來，性能不斷提高和完善，加之單片機(jī)具有體積小、重量輕、價(jià)格廉價(jià)、功耗低、控制功能強(qiáng)及運(yùn)算速度快等特點(diǎn)，因而在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、軍事及家用電器等各個(gè)領(lǐng)域均得到了廣泛的應(yīng)用。對各個(gè)行業(yè)的技術(shù)改造和產(chǎn)品的更新?lián)Q代起到了重要的推動作用?，F(xiàn)在可以說單片機(jī)是處在百花齊放，百家爭鳴的時(shí)期，世界上各大芯片制造公司都推出了自己的單片機(jī)，從8位機(jī)到32位機(jī)，數(shù)不勝數(shù)，應(yīng)有盡有，有與主流51系列兼容的,也有自成一家的,它們各具特色,互成互補(bǔ),為單片機(jī)的應(yīng)用開辟了廣闊的天地?？v觀單片機(jī)的開展過程，可以預(yù)示單片機(jī)將會朝著以下趨勢開展：低本錢高

2、集成度的單片機(jī)片上系統(tǒng)；8位單片機(jī)的市場份額依然領(lǐng)先；處理器的多核結(jié)構(gòu)；功耗更低；電壓范圍更寬；工藝更先進(jìn)和封裝更小。近年來隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速開展，大量高性能、采用新技術(shù)、新原理的嵌入式系統(tǒng)CPU的面世，給傳統(tǒng)的微機(jī)教學(xué)帶來了很大的沖擊，對微機(jī)教學(xué)尤其是實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的安排提出了新的課題。微機(jī)的產(chǎn)生及其開展水平主要表達(dá)在其核心部件微處理器的性能上。隨著微處理器的不斷更新?lián)Q代，相關(guān)部件也隨之相應(yīng)開展，使人們對傳統(tǒng)微機(jī)教學(xué)內(nèi)容和方法都普遍感到缺乏。回憶我國微機(jī)教學(xué)走過的路，大多數(shù)院校都是從86系列或MCS-51系列走過來的。所以86系列和MCS-51系列單片機(jī)在國內(nèi)普及單片機(jī)應(yīng)用方面功不可沒，但是86

3、系列后來的開展，由于新的原理和技術(shù)的不斷引入，使它在短學(xué)時(shí)教學(xué)上發(fā)生困難，特別是PC機(jī)硬件和Windows技術(shù)的推進(jìn)，通用機(jī)的硬件很難作為教學(xué)的參考模型來講授。隨著一些高集成度、高性能的8位和16位RISC 單片機(jī)的推出，基于標(biāo)準(zhǔn)8051 內(nèi)核的單片機(jī)正面臨著退出市場的境地。因此一些半導(dǎo)體公司開始對傳統(tǒng)8051內(nèi)核進(jìn)行大的改造，主要是提高速度和增加片內(nèi)模擬和數(shù)字外設(shè)，以期大幅提高單片機(jī)的整體性能。Silicon Laboratories Labs 集成產(chǎn)品公司推出的C8051F 單片機(jī)的出現(xiàn)令業(yè)界人士耳目一新，使廣闊單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員看到了51單片機(jī)新的曙光。MCS-51 單片機(jī)引入教學(xué)已達(dá)1

4、0年之久，大家一直期盼著有更先進(jìn)的單片機(jī)引入教學(xué)，C8051F 已成為事實(shí)上51的升級換代產(chǎn)品，那么必然會成為經(jīng)典單片機(jī)教學(xué)的方向。課題的研究意義?單片機(jī)根底?是工科類專業(yè)的重要技術(shù)根底課。該課程實(shí)踐性和實(shí)用性都很強(qiáng)，其最終目標(biāo)在于培養(yǎng)工科學(xué)生的硬件應(yīng)用和軟件設(shè)計(jì)的綜合能力。因此，教學(xué)中實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的優(yōu)劣將直接影響該課程的教學(xué)效果和學(xué)生的應(yīng)用能力的培養(yǎng)。我校已建的計(jì)算機(jī)硬件應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室在多年的教學(xué)實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐環(huán)節(jié)中發(fā)揮了極其重要的作用。但也要看到，由于技術(shù)的開展，應(yīng)不斷更新教學(xué)內(nèi)容，淘汰不夠先進(jìn)的局部，以適應(yīng)社會對人才的需要。但是單片機(jī)課程對實(shí)踐環(huán)節(jié)的依賴比擬大，實(shí)驗(yàn)手段的局限是制約教學(xué)水平的重要因素

5、。為了提高未來各相關(guān)專業(yè)?單片機(jī)根底?類課程實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐環(huán)節(jié)的教學(xué)水平，迫切需要在圍繞滿足當(dāng)前和未來?單片機(jī)根底?類課程教學(xué)的要求根底上對新型微機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及其相關(guān)實(shí)踐環(huán)節(jié)的教學(xué)方法做一些探索性的研究工作。作為典型嵌入式系統(tǒng)的單片機(jī)，在我國大規(guī)模應(yīng)用已有二十余年歷史，在全國高等工科院校中，己普遍開設(shè)單片機(jī)及其相關(guān)課程。單片機(jī)成為電子系統(tǒng)中最普遍的應(yīng)用手段，除了單獨(dú)設(shè)課程外，在涉及的許多實(shí)踐環(huán)節(jié)，如課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)、甚至研究生論文課題中，單片機(jī)系統(tǒng)都是最廣泛的應(yīng)用手段。近年來，在高校中大力推行的各種電子設(shè)計(jì)競賽中采用單片機(jī)系統(tǒng)來解決各類電子設(shè)計(jì)問題已成趨勢，這些都給本課題的系統(tǒng)開發(fā)提供了許多有益的

6、借鑒和參考，并成為本課題研究的根底。實(shí)驗(yàn)作為教學(xué)的一個(gè)重要組成局部有其特殊的意義，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造能力和強(qiáng)化學(xué)生根底技能的重要環(huán)節(jié)，是教學(xué)工作的重要組成局部，特別是我校一直注重以實(shí)驗(yàn)技能為主，本實(shí)驗(yàn)箱開發(fā)的成功能夠給我院的學(xué)生提供了更好的學(xué)習(xí)時(shí)機(jī)，為學(xué)生進(jìn)行自主創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供了良好的軟硬件平臺。本實(shí)驗(yàn)箱所涉及到的所有實(shí)驗(yàn)工程，都可以發(fā)揮學(xué)生的想象和動手能力，每個(gè)實(shí)驗(yàn)都給學(xué)生預(yù)留了足夠的個(gè)人開展空間，可讓學(xué)生充分的發(fā)揮個(gè)人的能動性。本系統(tǒng)通過不同模塊的靈活組合，可完成從單元到系統(tǒng)，從簡單到復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)。1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)系統(tǒng)概述本系統(tǒng)采用Silicon Laboratories公司的8位C805

7、1F系列單片機(jī)C8051F020為主控制器,同時(shí)采用80C51為輔助控制器,在能滿足從中學(xué)習(xí)實(shí)用產(chǎn)品的開發(fā)方法的情況下同時(shí)兼顧到初學(xué)者的需求。控制器與各個(gè)模塊之間采用導(dǎo)線進(jìn)行連接，由使用者在做實(shí)驗(yàn)時(shí)自行連接，以到達(dá)加深對電路理解的目的。各個(gè)模塊之間相互獨(dú)立，可以數(shù)個(gè)模塊組合使用來完成一個(gè)綜合的實(shí)驗(yàn)工程。1.2系統(tǒng)組成本實(shí)驗(yàn)箱是一個(gè)完整的系統(tǒng)，它有以下幾個(gè)模塊組成：觸摸屏模塊、點(diǎn)陣模塊、數(shù)碼管顯示模塊、DDS模塊、頻率計(jì)模塊、直流電機(jī)模塊、步進(jìn)電機(jī)模塊、無線傳輸模塊、鍵盤模塊、紅外傳輸模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、流水燈模塊、語音模塊、串口通信模塊和溫度傳感器模塊。系統(tǒng)組成框圖如圖1.1所示

8、。 圖1.1 系統(tǒng)組成框圖各模塊的功能 觸摸屏模塊：用液晶進(jìn)行漢字、數(shù)字、字母和圖形顯示和通過觸摸屏進(jìn)行輸入。點(diǎn)陣模塊：通過點(diǎn)陣進(jìn)行漢字、數(shù)字和字母顯示。數(shù)碼管顯示模塊：用數(shù)碼管顯示阿拉伯?dāng)?shù)字。DDS模塊：用直接數(shù)字式頻率合成的方法產(chǎn)生正弦波和方波。頻率計(jì)模塊：進(jìn)行信號的頻率測量。直流電機(jī)模塊：通過PWM方法進(jìn)行直流電機(jī)調(diào)速。步進(jìn)電機(jī)模塊：控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。無線傳輸模塊：進(jìn)行數(shù)據(jù)無線傳輸。鍵盤模塊：進(jìn)行人機(jī)交互。紅外傳輸模塊：通過紅外線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊：將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊：將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量。語音模塊：進(jìn)行聲音的錄放。串口通信模塊：通過串口進(jìn)行通信。溫度傳感

9、器模塊：顯示環(huán)境溫度。流水燈模塊：用各種方式點(diǎn)亮一排發(fā)光二極管。2 各模塊的設(shè)計(jì)該實(shí)驗(yàn)箱由多個(gè)模塊組成，下面主要介紹的系統(tǒng)模塊有：觸摸屏模塊、點(diǎn)陣模塊、數(shù)碼管顯示模塊、DDS模塊、頻率計(jì)模塊等。2.1仿真頭的設(shè)計(jì)1方案論證初學(xué)單片機(jī)或是業(yè)余單片機(jī)開發(fā)者特別是學(xué)生，每次總要不斷的調(diào)試程序，如沒有仿真設(shè)備又不喜歡用軟件仿真，那只有每次把編譯好的程序燒錄到芯片上，然后在應(yīng)用電路或?qū)嶒?yàn)板上觀察程序運(yùn)行的結(jié)果，對于一些小程序這樣的做好也可以很快找到程序上的錯(cuò)誤，但是程序大了，變量也會變的很多，而直接燒片就很難看到這些變量的值，在修改程序時(shí)還要不斷的燒片實(shí)驗(yàn)，確實(shí)很麻煩，這時(shí)如果有一臺仿真器就會變得很好方

10、便了。但一臺好的仿真器確實(shí)有一些貴，為了配合本實(shí)驗(yàn)箱中的80C51的實(shí)驗(yàn)制作了一個(gè)仿真頭。通過此仿真頭可以在沒有仿真器的情況下實(shí)現(xiàn)單片機(jī)程序的在線調(diào)試及程序的硬件仿真，對于初學(xué)者來說硬件仿真要比軟件仿真能更好地理解單片機(jī)指令執(zhí)行后產(chǎn)生的效果，即便是好手，在調(diào)試程序時(shí)，有了仿真頭的幫助會到達(dá)有事半功倍的效果。雖然這個(gè)仿真頭有些方面不夠完善，由于串口被占用而不能仿真串口通信的程序，但價(jià)格較仿真器有決對的優(yōu)勢，非常適合學(xué)生使用。2電路原理圖本電路有單片機(jī)SST89C58、振蕩電路、復(fù)位電路、3個(gè)3針的插接頭和1個(gè)40針的插接頭構(gòu)成。單片機(jī)SST89C58用來存放監(jiān)控程序，振蕩電路提供SST89C58

11、的時(shí)鐘信號。電路原理圖如圖2.1所示。3制作及設(shè)置方法可以從SST官方網(wǎng)站的壓縮包，解壓后就有SoftIce58.hex文件在其中，用編程器將寫入SST89C58中，再把它插到電路中即可。因?yàn)镾ST89C58有兩個(gè)程序存儲區(qū)，注意在燒寫時(shí)應(yīng)該把仿真監(jiān)控程序燒寫到SST89C58的第二個(gè)存儲區(qū)，也就是RB1。這里要注意如果要燒寫B(tài)SL固件程序，制作IAP在線下載器時(shí)不要對加密位SB1SB3進(jìn)行加密，并設(shè)存儲位位RB1，否那么無法用IAP功能。 圖 2.1 仿真頭電路原理圖a與Keil UV2的連接使用：制作好的仿真器要連接功能強(qiáng)大的Keil UV2單片機(jī)集成開發(fā)軟件才能發(fā)揮它所有的性能。使用時(shí)先

12、用串口線把仿真頭連接到電腦的串口上，再把仿真頭接到目標(biāo)板上，仿真頭所需的電源是通過40和20腳在目標(biāo)板上取得，如目標(biāo)板上有串口電路，那么把仿真器的撥碼開關(guān)1和2關(guān)掉，轉(zhuǎn)用目標(biāo)板上的串口接入電腦。如目標(biāo)板有晶振時(shí)應(yīng)關(guān)掉3和4。如目標(biāo)板上有完整的時(shí)鐘、復(fù)位和串口電路，那么可以直接把帶有仿真監(jiān)控程序的SST89C58芯片插到目標(biāo)板上使用。如果遇到仿真頭不能復(fù)位的情況，是因?yàn)榉抡骖^上的復(fù)位電路和目標(biāo)板上的復(fù)位電路有沖突，造成復(fù)位電平過低，暫時(shí)關(guān)掉其中的一個(gè)復(fù)位電路即可。(b) Keil根本設(shè)置和應(yīng)用：點(diǎn)擊圖2.2中的工程設(shè)置菜單進(jìn)行程序工程的設(shè)置。在工程設(shè)置Debug頁中選擇對應(yīng)本仿真器的KeilMo

13、n51驅(qū)動，如圖中2.3所示。圖2.4是在進(jìn)行的仿真器設(shè)置。設(shè)置好串口號、波特率，晶振為M時(shí)選用38400 。選取CacheOptions后會加快仿真的運(yùn)行的速度。設(shè)置好上述工程后編譯運(yùn)行程序就可以連接仿真器了，如果連接不成功就會出現(xiàn)圖2.5，這時(shí)可以先復(fù)位再按“Try Again，還連接不成功那么應(yīng)檢查軟件設(shè)置和硬件電路。圖 2.2 工程設(shè)置菜單 圖 2.3 驅(qū)動設(shè)置菜單 圖 2.5不成功提示圖 2.4 仿真頭設(shè)置1) 方案論證通常的LED顯示器有7段或8段和“米字段之分。這種顯示器有共陽極和共陰極兩種。共陰極LED顯示器的發(fā)光二極管的陰極連接在一起，通常此公共陰極接地。當(dāng)某個(gè)發(fā)光二極管的陽

14、極為高電平時(shí)，發(fā)光二極管點(diǎn)亮，相應(yīng)的段被顯示。同樣，共陽極LED顯示器的工作原理也一樣。方案一：采用靜態(tài)顯示方式。在這種方式下，各位LED顯示器的共陽極或共陰極連接在一起并接電源正極或地，每位的段選線分別與一個(gè)8位的鎖存器輸出相連，各個(gè)LED的顯示字符一經(jīng)確定，相應(yīng)鎖存器的輸出將維持不變，直到顯示另一個(gè)字符為止，正因?yàn)槿绱?，靜態(tài)顯示器的亮度都較高。假設(shè)用I/O口接口，這需要占用N x 8位I/O口LED顯示器的個(gè)數(shù)為N。這樣的話，如果顯示器的個(gè)數(shù)較多，那使用的I/O接口就更多，因此在顯示位數(shù)較多的情況下，一般都不采用靜態(tài)顯示方式。方案二：采用移位存放器擴(kuò)展I/O口，只需要占用3個(gè)I/O口，即數(shù)

15、據(jù)DATA、時(shí)鐘CLOCK、輸出使能OUTPUT ENABLE，從理論上講就可以無限制地?cái)U(kuò)展I/O口，顯示數(shù)據(jù)為靜態(tài)顯示，占用較少的CPU資源。這種顯示方式占用的I/O口個(gè)數(shù)為3，需要的移位存放器的個(gè)數(shù)為NN為LED顯示器的個(gè)數(shù)，當(dāng)顯示位數(shù)較多時(shí)會造成本錢上升。方案三：采用動態(tài)顯示方式。當(dāng)多位LED顯示時(shí)，通常將所有位的段選線相應(yīng)的并聯(lián)在一起，有一個(gè)七段顯示譯碼器控制，形成段線的多路復(fù)用。而各位的共陽極或共陰極分別有相應(yīng)的I/O口線控制，實(shí)現(xiàn)各位的分時(shí)選通。其中段選線占用4位I/O口，而位選線占用N個(gè)I/O口N為LED顯示器的個(gè)數(shù)，當(dāng)N3時(shí)，可以參加一個(gè)譯碼器，以減少I/O口的占用數(shù)量。由于各

16、位的段選線并聯(lián)，段碼的輸出對各位來說都是相同的，因此，同一時(shí)刻，如果各位選線都處于選通狀態(tài)的話，那LED顯示器將顯示相同的字符。假設(shè)要各位LED能顯示出本位相應(yīng)的字符，就必須采用掃描顯示方式，即在某一時(shí)刻，只讓某一位的位選線處于選通狀態(tài)，而其他各位的位選線處于關(guān)閉狀態(tài)，同時(shí)，段選線上輸出相應(yīng)位要顯示的字符的段碼。這種顯示方式占用的I/O口個(gè)數(shù)為4+log2NN為LED顯示器的個(gè)數(shù)，相對于靜態(tài)顯示少了很多，但需要占用一定數(shù)量的CPU資源。通過論證比擬選擇方案三。理由：本設(shè)計(jì)需要八個(gè)LED顯示器，較方案一，可以節(jié)約相當(dāng)數(shù)量的I/O口資源，較方案二可以節(jié)約7塊IC，從而實(shí)現(xiàn)低本錢的目的。2) 硬件電

17、路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用8個(gè)共陽極8段數(shù)碼管，因此七段顯示譯碼器采用74LS47，與所有的LED的段選線相連，對其進(jìn)行段驅(qū)動。而位選線采用3線V1.8V,我們?nèi)∑渲虚g值1.7V。那么LED的限流電阻R為： R = U / I 2-1R = 5 1.7 V / 50 mA = 66 () 2-2考慮到有的實(shí)驗(yàn)工程只用到其中一局部數(shù)碼管進(jìn)行顯示,因此選擇100的限流電阻。將8個(gè)dp段并聯(lián)后再串聯(lián)100的限流電阻接至一個(gè)I/O口，這樣僅需要一個(gè)八位的I/O口即可完成對LED顯示器的控制。電路原理圖如圖2.6所示。 圖 2.6 數(shù)碼管顯示電路原理圖3軟件設(shè)計(jì)LED顯示器有靜態(tài)顯示和動態(tài)掃描顯示兩種工作方式。靜

18、態(tài)顯示。顯示驅(qū)動電路具有輸出鎖存功能，單片機(jī)將所要顯示的數(shù)據(jù)送出后就不再控制LED，直到下次顯示時(shí)再傳送一次新的顯示數(shù)據(jù)。顯示數(shù)據(jù)穩(wěn)定，占用的CPU時(shí)間少，使用的電路硬件較多，本錢較高。動態(tài)掃描顯示。動態(tài)掃描用分時(shí)的方法輪流控制各個(gè)顯示器的COM端，使各個(gè)顯示器輪流點(diǎn)亮。在輪流點(diǎn)亮掃描過程中，每位顯示器的點(diǎn)亮?xí)r間極為短暫，但由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)。顯示數(shù)據(jù)有閃爍感，占用CPU時(shí)間較多，但使用的硬件較少，節(jié)約本錢，具有一定的實(shí)用性，是目前單片機(jī)LED顯示較為常用的顯示方法。本設(shè)計(jì)用80C51單片機(jī)控制數(shù)碼管顯示“12345678 ，用定時(shí)中斷

19、效勞程序進(jìn)行掃描。每次點(diǎn)亮一個(gè)數(shù)碼管，每個(gè)數(shù)碼管點(diǎn)亮2毫秒，依次循環(huán)點(diǎn)亮。1) 方案論證方案一：靜態(tài)驅(qū)動顯示。從理論上講，不管顯示圖形還是文字，只要控制這些組成圖形或文字的各點(diǎn)所在位置相對應(yīng)的LED器件發(fā)光，就可以得到我們想要的顯示結(jié)果，這種同時(shí)控制各個(gè)發(fā)光點(diǎn)亮滅的方法稱為靜態(tài)驅(qū)動顯示方式。16 X 16點(diǎn)陣共有256個(gè)發(fā)光二極管，顯然單片機(jī)沒有這么多端口，如果我們采用鎖存器來擴(kuò)展端口，按8位的鎖存器來計(jì)算，16 X 16的點(diǎn)陣需要256 / 8 = 32 個(gè)鎖存器。這個(gè)數(shù)字很大，因?yàn)槲覀儍H僅是16 X 16的點(diǎn)陣，在實(shí)際應(yīng)用中的顯示屏往往要大的多，這樣在鎖存器上花的本錢將是一個(gè)很大的數(shù)字。因

20、此在實(shí)際應(yīng)用中的顯示屏幾乎都不采用這種設(shè)計(jì)，而采用另一種稱為動態(tài)掃描的顯示方法。方案二：動態(tài)掃描顯示。所謂動態(tài)掃描簡單地說就是逐行輪流點(diǎn)亮，這樣掃描驅(qū)動電路就可以實(shí)現(xiàn)多行比方16行的同名列共用一套列驅(qū)動器。以16 X 16點(diǎn)陣為例，我們把所有同一行發(fā)光管的陽極連在一起，把所有同一列發(fā)光管的陰極連在一起共陽的接法，先送出對應(yīng)第1行發(fā)光管亮滅的數(shù)據(jù)并鎖存，然后選通第一行使其點(diǎn)亮一定的時(shí)間，然后熄滅；再送出對應(yīng)第12行的數(shù)據(jù)并鎖存，然后選通第二行使其點(diǎn)亮相同的時(shí)間，然后熄滅；第16行之后又重新點(diǎn)亮第一行，這樣反復(fù)輪流。當(dāng)這樣輪流的速度足夠快時(shí)每秒24次以上，由于人眼的視覺暫留現(xiàn)象，及發(fā)光管的輝光效應(yīng)

21、，我們就能看到顯示屏上穩(wěn)定的文字或圖形了。采用掃描方式進(jìn)行顯示時(shí)，每行有一個(gè)行驅(qū)動器，各行的同名列共用一個(gè)列驅(qū)動器。顯示數(shù)據(jù)通常存儲在單片機(jī)的存儲器中，按8位一個(gè)字節(jié)的形式順序排列。顯示時(shí)要把一行中各列的數(shù)據(jù)都傳送到相應(yīng)的列驅(qū)動器上去，這就存在一個(gè)顯示數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴}。從控制電路到列驅(qū)動器的數(shù)據(jù)傳輸可以采用并行方式或川行方式。顯然，采用并行方式時(shí)，從控制電路到列驅(qū)動器的線路數(shù)量大，相應(yīng)的硬件數(shù)目多，當(dāng)列數(shù)很多時(shí)，并行傳輸方案是不可取的。采用串行傳輸方案，控制電路可以只用一根信號線，將列數(shù)據(jù)一位一位傳往列驅(qū)動器，在硬件方面無疑是十分經(jīng)濟(jì)的。但是，當(dāng)串行傳輸過程較長時(shí)，數(shù)據(jù)按順序一位一位地輸出給列驅(qū)

22、動器，只有一行的各列數(shù)據(jù)都已傳輸?shù)轿恢?，這一行的各列才能并行地進(jìn)行顯示。這樣，對于一行的顯示過程就可以分解成列數(shù)據(jù)準(zhǔn)備傳輸和列數(shù)據(jù)顯示兩局部。對于串行傳輸方式來說，列數(shù)據(jù)準(zhǔn)備時(shí)間可能相當(dāng)長，在行掃描周期確定的情況下，留給行顯示的時(shí)間就太少了，以至影響到LED的亮度?？紤]到本設(shè)計(jì)為16 X 16點(diǎn)陣，且所采用的單片機(jī)C8051F020有8個(gè)8位I/O口，因此采用動態(tài)掃描并行方式傳輸列數(shù)據(jù)的方案，較串行傳輸方案可以節(jié)約兩片8位鎖存器。2硬件電路設(shè)計(jì)硬件電路大致上可以分成單片機(jī)系統(tǒng)及外圍電路、列驅(qū)動電路和行驅(qū)動電路3局部。電路原理方框圖如圖2.7所示。 圖 2.7 電路原理方框圖(a) 單片機(jī)系統(tǒng)

23、及外圍電路： 單片機(jī)系統(tǒng)采用C8051F020，采用內(nèi)部16M晶振，以獲得較高的刷新頻率，使顯示更穩(wěn)定。P7、P6口來控制行驅(qū)動器，送出行選信號。P5、P4口送紅色顯示數(shù)據(jù)，P3、P2口送綠色顯示數(shù)據(jù)。(b) 列驅(qū)動電路：由P5、P4和P3、P2口分別直接做紅色和綠色的列驅(qū)動電路。(c) 行驅(qū)動電路：由P7和P6口與驅(qū)動器相連驅(qū)動對應(yīng)的行線。一條行線上要帶動16列的LED進(jìn)行顯示，按每一LED器件10mA電流計(jì)算，16個(gè)LED同時(shí)發(fā)光時(shí)，需要160mA電流，選用三極管8550作為驅(qū)動管可滿足要求。電路原理圖如圖2.8所示。 圖 2.8 點(diǎn)陣電路原理圖3) 軟件設(shè)計(jì)顯示屏軟件的主要功能是向屏體提

24、供顯示數(shù)據(jù)，并產(chǎn)生各種控制信號，使屏幕按設(shè)計(jì)的要求顯示。根據(jù)軟件分層設(shè)計(jì)的原理，可以把顯示屏的軟件系統(tǒng)分成兩大層：第一層是底層的顯示驅(qū)動程序，第二層是上層的系統(tǒng)主程序。顯示驅(qū)動程序負(fù)責(zé)向屏體送顯示數(shù)據(jù)，并負(fù)責(zé)產(chǎn)生行掃描信號和其它控制信號，配合完成LED屏的掃描顯示工作。顯示驅(qū)動程序由定時(shí)器T0中斷程序?qū)崿F(xiàn)。系統(tǒng)主程序完成完成初始化、顯示效果處理等工作。(a) 顯示驅(qū)動程序： 顯示驅(qū)動程序在進(jìn)入中斷后首先要對定時(shí)器T0重新賦初值以保證顯示刷新頻率的穩(wěn)定，1/16掃描顯示刷新頻率幀頻的計(jì)算公式如下： 刷新頻率幀頻=1/16X T0溢出率 = fosc/16 X 12 X(65536-t0) (2-

25、3)Fosc為晶振頻率，t0為定時(shí)器T0初值。顯示驅(qū)動程序查詢當(dāng)前點(diǎn)亮的行號，從顯示緩存區(qū)內(nèi)讀取下一行的顯示數(shù)據(jù)。為了消除在切換行顯示數(shù)據(jù)時(shí)產(chǎn)生的拖尾現(xiàn)象，驅(qū)動程序先要關(guān)閉顯示屏，即消隱。流程圖如圖2.9所示。(b) 系統(tǒng)主程序：系統(tǒng)主程序開始以后首先是對系統(tǒng)初始化，包括設(shè)置定時(shí)器、中斷和端口。然后以每次向左滾動一列效果顯示“天津工程師范學(xué)院，接著以每次向左滾動一個(gè)字效果顯示，可以設(shè)置系統(tǒng)不斷地循環(huán)執(zhí)行上述顯示效果。流程圖如圖2.10所示。 2.4觸摸屏模塊設(shè)計(jì)1) 方案論證液晶顯示器Liquid Crystal Display具有顯示信息豐富，功耗低，體積小，質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，是單片機(jī)控制的應(yīng)用

26、系統(tǒng)中理想的顯示器件，在自能儀器儀表、工業(yè)控制領(lǐng)域和家用電器中有著廣泛的應(yīng)用前景。通?？煞譃閿?shù)顯型液晶顯示器、點(diǎn)陣字符型液晶顯示器和點(diǎn)陣圖形型液晶顯示器三種。方案一：數(shù)顯型液晶顯示器。這是一種由段型液晶顯示器件與專用的集成電路組裝成一體的功能部件，大多應(yīng)用在便攜、袖珍設(shè)備上，具有某種通用的、特定的功能的受市場的歡送。常見的數(shù)顯型液晶顯示模塊有以下幾種：計(jì)數(shù)型、計(jì)量型、計(jì)時(shí)型等，但其僅能顯示數(shù)字和一些標(biāo)識符號。方案二：點(diǎn)陣字符型液晶顯示器。它是由點(diǎn)陣字符液晶顯示器件和專用的行、列驅(qū)動器、控制器及必要的連接件，結(jié)構(gòu)件裝配而成的，本身具有字符發(fā)生器，顯示容量大，功能豐富。一般該種模塊最少也可以顯示8

27、位1行或16位l行以上的字符。這種模塊的點(diǎn)陣排列是由57、58或511的一組組像素點(diǎn)陣排列組成的。每組為1位，每位間有一點(diǎn)的間隔，每行間也有一行的間隔。一般在模塊控制、驅(qū)動器內(nèi)具有已固化好192個(gè)字符字模的字符庫CGROM，還具有讓用戶自定義建立專用字符的隨機(jī)存儲器CGRAM，允許用戶建立8個(gè)58點(diǎn)陣的字符。但其只能顯示數(shù)字和西文字符不能顯示中文和圖形。方案三：點(diǎn)陣圖形型液晶顯示器。這種模塊也是點(diǎn)陣模塊的一種，其特點(diǎn)是點(diǎn)陣像素連續(xù)排列，行和列在排布中均沒有空隔。因此可以顯示了連續(xù)、完整的圖形。由于它也是有X-Y矩陣像素構(gòu)成的，所以除顯示圖形外，也可以顯示字符。通過論證比擬選擇方案三。具體的型號

28、為金鵬公司的OCMJ8X15B液晶顯示器。理由：方案一和方案二中的液晶顯示器的顯示能力較差，不能滿足本實(shí)驗(yàn)箱中其它模塊的顯示要求。OCMJ8X15B為240X128點(diǎn)陣圖形型液晶顯示器，它內(nèi)含 GB 2312 15X15點(diǎn)陣國標(biāo)一、二級簡體漢字和 8X8點(diǎn)陣及8X16點(diǎn)陣ASCII字符，用戶輸入GB2312區(qū)位碼或 ASCII 碼即可實(shí)現(xiàn)文本顯示。用戶可在指定的屏幕位置上以點(diǎn)為單位或以字節(jié)為單位橫向進(jìn)行圖形顯示操作，完全兼容一般的點(diǎn)陣圖形液晶顯示模塊的功能。可以實(shí)現(xiàn)漢字、ASCII碼、點(diǎn)陣圖形和變化曲線的同屏顯示，可以通過字節(jié)點(diǎn)陣圖形方式造字，可以上、下、左、右整屏移動顯示屏幕及整屏去除屏幕，

29、反白顯示，并且?guī)в杏|摸屏等，可以通過觸摸屏進(jìn)行輸入，更符合開展趨勢，同時(shí)更能表達(dá)本實(shí)驗(yàn)箱高端的特點(diǎn)。與同類型的帶觸摸屏點(diǎn)陣圖形液晶顯示器相比，具有硬件電路結(jié)構(gòu)簡單，硬件接口采用REQ/BUSY握手通訊協(xié)議，簡單可靠，用戶接口命令代碼簡單，僅有13個(gè)，非常容易記憶，且價(jià)格也略低于同類型的其它液晶顯示模塊的優(yōu)點(diǎn)。2硬件電路設(shè)計(jì)圖2.11為OCMJ8X15B與C8051F020連接的電路原理圖。電位器R1調(diào)整顯示比照度，電位器一端接地VSS，一端接17腳VEE/RT1，可調(diào)端接18腳VO/RT2，調(diào)整電位器可以調(diào)整顯示比照度。表2.1為OCMJ8X15B的引腳及功能。 表 2.1 OCMJ8X15B

30、的引腳及功能引腳名稱方向說明引腳名稱方向說明1LED-I背光源負(fù)極OV10DB5I數(shù)據(jù)52LED+I背光源正極+5V11DB6I數(shù)據(jù)63VSSI地12DB7I數(shù)據(jù)74VDDI+5V13BUSYO應(yīng)答信號=1：已收到數(shù)據(jù)并正在處理中=0：模塊空閑，可接收數(shù)據(jù)5DB0I數(shù)據(jù)014REQI請求信號，高電平有效6DB1I數(shù)據(jù)115RESI復(fù)位信號，低電平有效7DB2I數(shù)據(jù)216NC懸空8DB3I數(shù)據(jù)317VEELCD 驅(qū)動負(fù)壓輸出端9DB4I數(shù)據(jù)418VOLCD 驅(qū)動電壓輸入端以下19-30腳為觸摸屏接口19DCLKI外部時(shí)鐘輸入20/CSI片選信號21DINI串行數(shù)據(jù)輸入口22STAO應(yīng)答信號1忙

31、、0空閑23DOUTO串行數(shù)據(jù)輸出口24/INTO觸摸中斷25INT3I附加輸入可不用26INT4I附加輸入可不用27X1IX+輸入端28Y1IY+輸入端29X2IX-輸入端30Y2IY-輸入端 圖 2.11 觸摸屏電路原理圖3) 軟件設(shè)計(jì)OCMJ8X15B接口協(xié)議為請求/應(yīng)答REQ/BUSY握手方式。應(yīng)答B(yǎng)USY高電平BUSY =1表示 OCMJ8X15B 忙于內(nèi)部處理,不能接收用戶命令；BUSY 低電平BUSY =0表示OCMJ8X15B 空閑，等待接收用戶命令。發(fā)送命令到 OCMJ8X15B可在BUSY =0 后的任意時(shí)刻開始，先把用戶命令的當(dāng)前字節(jié)放到數(shù)據(jù)線上，接著發(fā)高電平REQ 信號

32、REQ =1通知OCMJ8X15B 請求處理當(dāng)前數(shù)據(jù)線上的命令或數(shù)據(jù)。OCMJ8X15B在收到外部的REQ高電平信號后立即讀取數(shù)據(jù)線上的命令或數(shù)據(jù)，同時(shí)將應(yīng)答線BUSY 變?yōu)楦唠娖?，說明模塊已收到數(shù)據(jù)并正在忙于對此數(shù)據(jù)的內(nèi)部處理，此時(shí)，用戶對模塊的寫操作已經(jīng)完成，用戶可以撤消數(shù)據(jù)線上的信號并可作模塊顯示以外的其他工作，也可不斷地查詢應(yīng)答線BUSY 是否為低BUSY =0？，如果BUSY =0，說明模塊對用戶的寫操作已經(jīng)執(zhí)行完畢。可以再送下一個(gè)數(shù)據(jù)。命令介紹：(1) 顯示國標(biāo)漢字命令格式： F0 XX YY QQ WW該命令為5字節(jié)命令最大執(zhí)行時(shí)間為1.2 毫秒，其中XX：為以漢字為單位的屏幕行

33、坐標(biāo)值，取值范圍00H 到07H、02H 到09H、00H 到0BH、00H 到09H、00H 到09H、00H 到0EHYY：為以漢字為單位的屏幕列坐標(biāo)值，取值范圍00H 到01H、00H到03H、00H到03H、00 到04H、00H到07H、00H 到07HQQ WW：坐標(biāo)位置上要顯示的GB 2312 漢字區(qū)碼、位碼(2) 顯示8X8 ASCII字符命令格式：F1 XX YY AS該命令為4字節(jié)命令最大執(zhí)行時(shí)間為0.8 毫秒，其中XX：為以ASCII碼為單位的屏幕行坐標(biāo)值，取值范圍00H 到0FH、04H 到13H、00H到17H、00H 到13H、00H 到13H、00H 到1DHYY

34、：為以ASCII碼為單位的屏幕列坐標(biāo)值，取值范圍00H 到1FH、00H 到3FH、00H 到3FH、00H到4FH、00H 到7FH、00H到7FHAS：坐標(biāo)位置上要顯示的ASCII 字符碼(3) 顯示8X16 ASCII字符命令格式：F9 XX YY AS該命令為4字節(jié)命令最大執(zhí)行時(shí)間為1.0 毫秒，其中XX：為以ASCII碼為單位的屏幕行坐標(biāo)值，取值范圍00H 到0FH、04H 到13H、00H到17H、00H 到13H、00H 到13H、00H 到1DHYY：為以ASCII碼為單位的屏幕列坐標(biāo)值，取值范圍00H 到1FH、00H 到3FH、00H 到3FH、00H 到4FH、00H 到

35、7FH、00H到7FHAS：坐標(biāo)位置上要顯示的ASCII 字符碼(4) 顯示位點(diǎn)陣命令格式： F2 XX YY該命令為3字節(jié)命令最大執(zhí)行時(shí)間為0.1 毫秒，其中XX：為以1*1點(diǎn)陣為單位的屏幕行坐標(biāo)值，取值范圍00H 到7FH、20H 到9FH、00H到0BFH、00H 到9FH、00H 到09FH、00H 到0EFHYY：為以1*1點(diǎn)陣為單位的屏幕列坐標(biāo)值，取值范圍00H 到1FH、00H 到3FH、00H到3FH、00H 到4FH、00H 到7FH、00H到7FH(5) 顯示字節(jié)點(diǎn)陣命令格式： F3 XX YY BT該命令為4字節(jié)命令最大執(zhí)行時(shí)間為0.1 毫秒，其中XX：為以1*8 點(diǎn)陣為

36、單位的屏幕行坐標(biāo)值，取值范圍00H 到0FH、04H 到13H、00H 到17H、00H 到13H、00H 到13H、00H 到1DHYY：為以1*1點(diǎn)陣為單位的屏幕列坐標(biāo)值，取值范圍00H 到1FH、00H 到3FH、00H 到3FH、00H到4FH、00H 到7FH、00H到7FHBT：字節(jié)像素值，0 顯示白點(diǎn)，1 顯示黑點(diǎn) 顯示字節(jié)為橫向(6) 清屏命令格式：F4該命令為單字節(jié)命令最大執(zhí)行時(shí)間為11 毫秒，Ts2=11mS，其功能為將屏幕清空。(7) 上移命令格式：F5該命令為單字節(jié)命令最大執(zhí)行時(shí)間為25 毫秒，Ts2=25mS，其功能為將屏幕向上移動一個(gè)點(diǎn)陣行。(8) 下移命令格式：F

37、6該命令為單字節(jié)命令最大執(zhí)行時(shí)間為30 毫秒，Ts2=30mS，其功能為將屏幕向下移動一個(gè)點(diǎn)陣行。(9) 左移命令格式：F7該命令為單字節(jié)命令最大執(zhí)行時(shí)間為12 毫秒，Ts2=12mS，其功能為將屏幕向左移動一個(gè)點(diǎn)陣列。(10) 右移命令格式： F8該命令為單字節(jié)命令最大執(zhí)行時(shí)間為12 毫秒，Ts2=12mS，其功能為將屏幕向右移動一個(gè)點(diǎn)陣列。(11) 反白命令格式：FAH該命令為單字節(jié)命令最大執(zhí)行時(shí)間為毫秒，。當(dāng)寫入指令#FAH；以后寫入的圖形或字符、漢字的顯示會出現(xiàn)反顯效果，就是把本應(yīng)顯示的數(shù)據(jù)取反再顯示。例如：寫入字節(jié)：“00010011b；顯示的是：“11101100b。當(dāng)再次寫入指令

38、#FAH；取消反白功能，恢復(fù)原來顯示效果。(12) 光標(biāo)顯示命令格式：FBH+00H/07H/0FH該命令為雙字節(jié)命令最大執(zhí)行時(shí)間為0.11 毫秒，。該指令含有一個(gè)參數(shù)，參數(shù)=00H 時(shí)關(guān)光標(biāo)顯示；參數(shù)=07H時(shí)顯示光標(biāo)為8 點(diǎn)一個(gè)字節(jié)長度；參數(shù)=0FH 時(shí)顯示光標(biāo)為16 點(diǎn)兩個(gè)字節(jié)長度；光標(biāo)的移動是按照參數(shù)確定跳到下一地址顯示，不在最后顯示的字符或漢字下方。光標(biāo)具有閃爍效果。(13) 調(diào)整移動速度命令格式：FCH+00H/01H/07H/0FH該指令含有一個(gè)參數(shù)，參數(shù)“00H表示移動時(shí)按1個(gè)點(diǎn)行/列移動，這為默認(rèn)值，一般不設(shè)置上電后以此為參數(shù)；參數(shù)“01H表示移動時(shí)按2個(gè)點(diǎn)行/列移動；參數(shù)“

39、07H表示移動時(shí)按8 個(gè)點(diǎn)行/列移動；參數(shù)“0FH 表示移動時(shí)按16個(gè)點(diǎn)行/列移動。本觸摸屏為四線電阻式觸摸屏，控制芯片為FM7843，電路中包含觸摸屏驅(qū)動電路和一個(gè)12位電容分壓式逐次比擬模數(shù)轉(zhuǎn)換器。ADC具有同步串行數(shù)據(jù)接口，最高數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速率是125kHz，允許電源電壓2.7V到5V。當(dāng)觸摸屏被按下，可以讀其出橫向電阻值X和縱向電阻值Y。當(dāng)X1XX2,且Y1YY2時(shí)，說明是圖2.12中1的區(qū)域被按下，即通過觸摸屏輸入“1。 圖 2.12 觸摸屏輸入界面與C8051F020應(yīng)用程序例如：(1) 西文字符、漢字、數(shù)字同屏顯示。流程圖如圖2.13所示(2) 漢字、圖畫同屏顯示，且整屏正常顯示與反

40、白顯示同時(shí)進(jìn)行整屏上、下、左、右按不同的速度進(jìn)行移動。流程圖如圖2.14所示。(3) 觸摸屏輸入演示，演示內(nèi)容為一位數(shù)的四那么運(yùn)算。流程圖如圖2.15所示。圖2.13 液晶顯示1流程圖 4 液晶顯示2流程圖 圖 2.15 觸摸屏流程圖2.5 DDS模塊的設(shè)計(jì)1方案論證在現(xiàn)代通信技術(shù)中，頻率合成技術(shù)是其重要組成局部。將一個(gè)高穩(wěn)定度和高精度的標(biāo)準(zhǔn)頻率經(jīng)過加、減、乘、除的四那么運(yùn)算，產(chǎn)生同樣穩(wěn)定度和精確度的大量離散的技術(shù)稱為頻率合成技術(shù)。根本的頻率合成技術(shù)有直接式頻率合成DS和鎖相式頻率合成(PLL)等幾種 方案一：鎖相式頻率合成(PLL)。鎖相式頻率合成又稱為間接式頻率合成, 它是石英晶體通過壓電

41、效應(yīng)使電子振蕩器受高度穩(wěn)定的機(jī)械振動的控制而輸出高頻率穩(wěn)定度的信號，其核心是一個(gè)能夠在特定頻率上實(shí)現(xiàn)正反應(yīng)的環(huán)路，因此頻率更換非常不方便。其輸出頻帶寬可達(dá)上千兆赫,頻率分辨率到赫茲量級,但是由于非線性器件引入的雜波成分較多而且很復(fù)雜,所以需要大量的濾波器加以濾除。PLL結(jié)構(gòu)簡單、易于集成、輸出頻帶寬、頻譜純度好,但鎖相環(huán)本身是一個(gè)閉環(huán)的反應(yīng)系統(tǒng),所以鑒相頻率頻率分辨率與頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間的矛盾難以解決。 方案二：直接數(shù)字式頻率合成DDS。DDS是20世紀(jì)70年代開展起來的一種新的頻率合成法,它將先進(jìn)的數(shù)字處理技術(shù)和方法引入信號合成領(lǐng)域。它直接對參考正弦時(shí)鐘進(jìn)行抽樣和數(shù)字化，然后通過數(shù)字計(jì)算技術(shù)進(jìn)行頻

42、率合成。 本實(shí)驗(yàn)箱的頻率合成局部選擇直接數(shù)字式頻率合成DDS。理由：DDS較鎖相式頻率合成(PLL)具有相對帶寬很寬，頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間極短ns級，頻率分辨率很高可達(dá)Hz，全數(shù)字化結(jié)構(gòu)便于集成，輸出相位連續(xù)，頻率、相位和幅度均可實(shí)現(xiàn)程控。因此能夠與計(jì)算機(jī)緊密結(jié)合在一起，充分發(fā)揮軟件的作用。在實(shí)際應(yīng)用中，可以采用單片機(jī)來代替計(jì)算機(jī)對DDS芯片進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)合成頻率的輸出。另外還具有價(jià)格低廉和良好的可再調(diào)制性能，相位噪聲低,信號純度高，生成的正弦/ 余弦信號正交特性好。具體的DDS芯片采用AD公司的AD9851。它是采用CMOS技術(shù)生產(chǎn)的高集成度芯片，最高輸入時(shí)鐘頻率為180MHz。同時(shí)可選擇是否啟用內(nèi)

43、含的6倍頻乘法器。它帶有高性能的十位數(shù)模轉(zhuǎn)換器，且內(nèi)含一個(gè)高速比擬器，AD9851具有簡化的控制接口，允許串并行異步輸入控制字，該芯片采用32位頻率控制字，其內(nèi)部使用5位相位調(diào)制字。該器件的工作電源范圍為2.75.25 V，其掉電方式時(shí)的功耗為4 mW2.7V，AD9851的自由寄生動態(tài)范圍SFDR)大于43 dB70 MHz輸出，采用極小的28腳貼片式封裝。2硬件電路設(shè)計(jì)aDDS根本原理：DDS 技術(shù)是一種把一系列數(shù)字量形式的信號通過DAC 轉(zhuǎn)換成模擬量形式的信號合成技術(shù)。目前使用最廣泛的一種DDS 方式是利用高速存儲器作查尋表，然后通過高速DAC 產(chǎn)生已經(jīng)用數(shù)字形式存入的正弦波。常見的DD

44、S 系統(tǒng)由頻率控制字、相位累加器、正弦查詢表、D/A 轉(zhuǎn)換器和低通濾波器組成。參考時(shí)鐘為高穩(wěn)定度的晶體振蕩器，其輸出用于同步DDS 各組成局部的工作。圖2.16是DDS 的一個(gè)根本原理圖。 圖 2.16 DDS根本原理本DDS模塊主要有液晶顯示器、微控制器、觸摸板、DDS芯片、低通濾波器和模擬 開關(guān)組成。液晶顯示器和觸摸板采用金鵬公司的帶觸摸屏OCMJ8X15B，用來顯示輸出波形的類型、頻率，選擇波形的類型及輸入波形的頻率。微控制器選用C8051F020。DDS芯片采用AD9851，它在C8051F020的控制下產(chǎn)生一定頻率的正弦波經(jīng)低通濾波器后，一路送到模擬開關(guān)，另一路反應(yīng)給AD9851，在

45、AD9851內(nèi)部經(jīng)高速比擬器后產(chǎn)生同頻率的方波輸出，且送至模擬開關(guān)。模擬開關(guān)選用CD4502。電路原理方框圖如圖2.17所示。 圖 2.17 DDS電路原理方框圖(b) 低通濾波器的設(shè)計(jì)：常用的LC低通濾波器有巴特沃思型、切比雪夫型、貝塞爾型和高斯型之分。在可用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的濾波器中，巴特沃思型濾波器是最為有名的，具有設(shè)計(jì)簡單，對構(gòu)成濾波器的元件Q值要求較低，易于制作和到達(dá)設(shè)計(jì)性能，且在性能方面有沒有明顯的缺點(diǎn)，因此得到了廣泛的應(yīng)用。所以本電路的低通濾波器采用巴特沃思型3階低通濾波器。采用歸一化的方法設(shè)計(jì)本低通濾波器。歸一化低通濾波器設(shè)計(jì)數(shù)據(jù),指的是特征阻抗為1且截止頻率為1/(2)的低通

46、濾波器的數(shù)據(jù)。用這種歸一化低通濾波器的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)濾波器，能夠很簡單地計(jì)算出具有任何截止頻率和任何特征阻抗的濾波器。截止頻率的變換，通過先求出待設(shè)計(jì)濾波器截止頻率與基準(zhǔn)濾波器截止頻率的比值M，再用這個(gè)M去除濾波器中的所有元件值來實(shí)現(xiàn)，其計(jì)算公式如下： (2-4) LNEW=LOLD/M (2-5) CNEW=COLD/M (2-6)歸一化3階巴特沃思型低通濾波器設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)如圖2.18所示：本設(shè)計(jì)中低通濾波器的截止頻率為10MHz，特征阻抗為1。選用圖2-26 這種形式。M=10000000 Hz / 1/2 Hz 62831853 (2-7)LNEW = LOLD/M = 2/6283185

47、3 3.183 x 10-8 (H) (nH) (2-8)CNEW=COLD/M = 1 / 62831853 1.591 x 10-8 (F) =15.91 (nF) = 15910 (pF) (2-9)設(shè)計(jì)完成的低通濾波器如圖2.19所示： 圖 2.19 低通濾波器 3階巴特沃思型低通濾波器 電路原理圖如圖2.20所示： 圖 2.20 DDS電路原理圖3) 軟件設(shè)計(jì)aAD9851的控制字與控制時(shí)序：頻率/相位控制字可通過微處理器以并行方式/串行方式輸入到AD9851，其中最前面的8位分別為5位相位控制字，一位用于電源休眠(powerdown)控制，2位用于選擇工作方式，工作方式的選擇要謹(jǐn)慎

48、，無論是并行還是串行，最好都寫成00，并行時(shí)的10、01和串行時(shí)的10、01、11都是工廠測試用的保存控制字，不慎使用可能導(dǎo)致難以預(yù)料的后果。剩余32位的是頻率控制字，用來對頻率進(jìn)行調(diào)制。并行方式輸入控制字的時(shí)序圖為圖2.21所示(在圖2.21中，tCD：頻率更新后參考時(shí)鐘延遲；tDS：數(shù)據(jù)設(shè)置時(shí)間；tDH：數(shù)據(jù)裝入時(shí)間；tFH：頻率更新控制信號高電平有效時(shí)間；)，通過8位總線D0 D7可將數(shù)據(jù)輸入到存放器，在重復(fù)5次之后再在FQUD上升沿把40位數(shù)據(jù)從輸入存放器裝入到頻率/相位數(shù)據(jù)存放器(更新DDS輸出頻率和相位)，同時(shí)把地址指針復(fù)位到第一個(gè)輸入存放器。 圖 2.21 并行方式輸入控制字的時(shí)

49、序(b) 頻率控制字的計(jì)算：如果相位累加器的位數(shù)為N，相位控制字的值為FN，相位控制字的位數(shù)為M，頻率控制字的值為FM，系統(tǒng)外部參考時(shí)鐘頻率為30MHz，6倍參考時(shí)鐘倍乘器使能，經(jīng)過內(nèi)部6倍參考時(shí)鐘倍乘器后，可得到AD9851內(nèi)部工作時(shí)鐘FC為180MHz，最終合成信號的頻率可由公式2-10來決定，合成信號的相位由公式2-11來決定。F = FM * FC / 2N (2-10) = FN * 2 / 2M (2-11) 本設(shè)計(jì)中頻率和相位控制字可由公式2-12和公式2-13求得。FM = F *2N / FC = F * 232/180000000 (2 12)FN =*2M / 2 =*2

50、5/ 2 (2-13)(c) 與C8051F020應(yīng)用程序例如：通過觸摸屏輸入波形的頻率1-1999999Hz,選擇波形的類型。如果按上述公式2-12用匯編語言編程來求11MHz范圍內(nèi)任意頻率的控制字是很困難的。如果按下述算法可以很容易用匯編語言實(shí)現(xiàn)編程。首先我們可以根據(jù)公式2-13很容易計(jì)算出1MHz、100KHz、10KHz、1KHz、100Hz、10Hz、1Hz上述頻率的控制字K1、K2、K3、K4、K5、K6、K7，并且用幾位十六進(jìn)制數(shù)來表示這些控制字。以678535Hz為例，那么它的頻率K=6*K2+7*K3+8*K4+5*K5+3*K6+5*K7。這個(gè)表達(dá)式用匯編語言編程很容易實(shí)現(xiàn)

51、。程序流程圖如圖2.22所示。 圖 2.22 DDS程序流程圖頻率計(jì)模塊的設(shè)計(jì)1) 方案論證方案一：手動切換量程。首先用最大量程進(jìn)行測量，根據(jù)顯示數(shù)據(jù)，決定是否再選用小一點(diǎn)的量程進(jìn)行測量，直到量程適宜為止，具有測量速度慢的缺點(diǎn)。 方案二：自動切換量程。用單片機(jī)對信號的頻率進(jìn)行粗測，確定信號頻率的范圍，然后再選擇適宜的測量方法進(jìn)行精確測量。整個(gè)測量過程有單片機(jī)自主完成，無須人的參與，因此測量速度快。 選擇方案二。以51單片機(jī)為核心，利用它的外部中斷和定時(shí)器進(jìn)行信號的頻率或周期的測量。本設(shè)計(jì)測量的信號頻率范圍為1Hz2MHz之間，首先選用100分頻的信號通道，10毫秒的閘門時(shí)間對信號進(jìn)行測量，如果

52、產(chǎn)生的外部中斷大于10次，說明信號頻率大于100KHz,選用針對的信號通道和閘門時(shí)間進(jìn)行精確測量。大于1次而小于10次，說明信號頻率大于10KHz小于100KHz,選用針對的信號通道和閘門時(shí)間進(jìn)行精確測量。依次類推，先確定信號的頻率范圍，再選擇針對的信號通道和閘門時(shí)間進(jìn)行精確測量，從而實(shí)現(xiàn)量程的自動選擇，自動測量的目的。2) 硬件電路設(shè)計(jì)硬件電路大體上可分成波形變換電路、電平轉(zhuǎn)換電路、分頻電路、模擬開關(guān)切換電路、顯示電路和單片機(jī)系統(tǒng)六局部，原理方框圖如圖2.23所示。 圖 2.23 頻率計(jì)原理方框圖 (a) 波形變換電路： 如圖2.23中輸入局部所示，為零偏置放大器，當(dāng)輸入信號為零或者為負(fù)電壓

53、時(shí)，三極管截止，輸出高電平；當(dāng)輸入信號為正電壓時(shí)，三極管導(dǎo)通，輸出電壓隨著輸入電壓的上升而下降。零偏置放大器把如正弦波樣的正負(fù)交替波形變換成單向脈沖，這使得頻率計(jì)既可以測量任意方波信號的頻率，也可以測量正弦波信號的頻率。放大器的放大能力實(shí)現(xiàn)了對小信號的測量，本電路可以測量幅度=1V的正弦波或脈沖波待測信號。三極管應(yīng)采用高頻三極管以保證放大器具有良好的高頻響應(yīng)。(b) 電平轉(zhuǎn)換電路：采用帶施密特觸發(fā)器的反相器7414，它用于把放大器生成的單向脈沖變換成與TTL/COMS電平相兼容的方波。(c) 分頻電路：采用CD4017來實(shí)現(xiàn)10分頻，7414輸出的方波送到CD4017的CLK，由CARRY-O

54、UT腳 輸出10分頻后占空比為百分之五十的方波，本設(shè)計(jì)采用兩個(gè)CD4017進(jìn)行級聯(lián)，以擴(kuò)大測量范圍。(d) 模擬開關(guān)：采用CD4052，完成信號通道的切換。(e) 顯示電路：采用四位數(shù)碼管進(jìn)行顯示，用動態(tài)掃描的方法顯示。(f) 單片機(jī)系統(tǒng)： 采用80C51單片機(jī)，12MHz晶振，完成信號通道的選擇、信號頻率測量任務(wù)及數(shù)碼管的控制任務(wù)。電路原理圖如圖2.24所示。圖2.24 頻率計(jì)電路原理圖3) 軟件設(shè)計(jì)整個(gè)程序可分為主程序、顯示程序和各個(gè)頻率范圍的精確測量程序。在頻率計(jì)開始工作，或者完成一次頻率測量，主程序都進(jìn)行測量初始化，完成對信號的頻率進(jìn)行粗測，確定信號的頻率范圍，選定精確測量的子程序。當(dāng)

55、信號頻率在100KHz到2MHz之間時(shí)，選用100分頻信號通道，10毫秒閘門時(shí)間進(jìn)行精確測量。當(dāng)信號頻率在10KHz到100KHz之間時(shí)，選用10分頻信號通道，10毫秒閘門時(shí)間進(jìn)行精確測量。當(dāng)信號頻率在1KHz到100KHz之間時(shí)，選用無分頻信號通道，10毫秒閘門時(shí)間進(jìn)行精確測量。當(dāng)信號頻率在100Hz到1000Hz之間時(shí)，選用無分頻信號通道，100毫秒閘門時(shí)間進(jìn)行精確測量。當(dāng)信號頻率在1Hz到100Hz之間時(shí)，選用無分頻信號通道，1秒閘門時(shí)間進(jìn)行精確測量。閘門時(shí)間由定時(shí)器T0來控制。顯示程序用定時(shí)器T1來完成對數(shù)碼管的動態(tài)掃描，顯示測量結(jié)果。每個(gè)數(shù)碼管點(diǎn)亮5毫秒，依次輪流點(diǎn)亮。定時(shí)器T1的中

56、斷優(yōu)先級最低，以保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確度。各個(gè)頻率范圍的精確測量程序，在測量前對數(shù)值存放器清零，完成對定時(shí)器T0的設(shè)置，信號通道的選擇，外部中斷的控制，當(dāng)測量時(shí)間結(jié)束時(shí)及時(shí)關(guān)閉外部中斷。通過測量信號觸發(fā)外部中斷，并累加在測量時(shí)間內(nèi)觸發(fā)的次數(shù)。對測量結(jié)果進(jìn)行處理，單位標(biāo)定，更新顯示存放器。主程序流程圖如圖2.25所示，各個(gè)頻率范圍的精確測量程序流程圖如圖2.26所 5 主程序流程圖6 測量程序流程圖抗干擾措施硬件抗干擾措施：單片機(jī)系統(tǒng)通常都會受到外界干擾因素的影響，主要的干擾因素有：供電系統(tǒng)干擾；空間電磁干擾，電磁信號通過空間輻射進(jìn)入系統(tǒng)；過程通道干擾，干擾通過與系統(tǒng)相連的前向通道、后向通道及與其它

57、系統(tǒng)的相互通道進(jìn)入；接地干擾，因單片機(jī)是小功率器件，要控制大功率器件，小功率和大功率之間的相互干擾；其它干擾，如溫度、濕度、壓力等因素的影響。根據(jù)以上的干擾因素，可采取如下硬件抗干擾措施加以解決。使用性能良好的抗干擾電源；采取過壓和過流保護(hù)；在輸入和輸出通道上采用光電隔離器來進(jìn)行信息傳輸；單片機(jī)系統(tǒng)中通常既有數(shù)字信號，又有模擬信號，既有大功率信號，又有小功率信號，既有直流信號，又有交流信號(尤其是50Hz的工頻干擾)，在接地處理時(shí)，應(yīng)該將數(shù)字和模擬信號地、小功率和大功率信號地、直流信號和交流信號地分開，再匯總接電源地；對于強(qiáng)電磁干擾的場合，加上屏蔽層，防止電磁干擾；其它硬件的抗干擾措施，如選擇

58、性能優(yōu)良的元器件、合理的元器件布局、合理的走線、單片機(jī)系統(tǒng)中集成器件閑置端口的正確處理。b軟件抗干擾措施：通常的軟件抗干擾措施有：插入冗余指令、軟件陷阱技術(shù)和軟件看門狗等。插入冗余指令：當(dāng)程序彈飛到某一條單字節(jié)指令上時(shí)，便自動納入正規(guī)；當(dāng)程序彈飛到某一條雙字節(jié)指令上時(shí)，有可能落到其操作數(shù)上，從而繼續(xù)出錯(cuò)；當(dāng)程序彈飛到某一條三字節(jié)指令上時(shí)，因?yàn)樗袃蓚€(gè)操作數(shù)，繼續(xù)出錯(cuò)的時(shí)機(jī)就會更大。因此我們應(yīng)多采用單字節(jié)指令，并在關(guān)鍵的地方認(rèn)為地插入一些單字節(jié)指令NOP，或?qū)⒂行У膯巫止?jié)指令重復(fù)書寫，這便是指令冗余。在雙字節(jié)指令和三字節(jié)指令之后插入兩條NOP指令，可保護(hù)其后的指令不被拆散。軟件陷阱技術(shù)：當(dāng)彈飛的

59、程序落到非程序區(qū)，冗余指令就無能為力了?？梢圆捎密浖葳?，就是用一條引導(dǎo)指令，強(qiáng)行將捕獲的程序引向一個(gè)指定的地址，在那里有一段專門對程序出錯(cuò)進(jìn)行處理的程序。軟件陷阱一般安排在以下四種地方：1未使用的中斷向量區(qū)；2未使用的大片ROM空間；3表格；4程序區(qū)。軟件看門狗：當(dāng)程序彈飛到一個(gè)臨時(shí)構(gòu)成的死循環(huán)中時(shí)，冗余指令和軟件陷阱也就無能為力了，這時(shí)系統(tǒng)將完全癱瘓?？撮T狗技術(shù)可以很好地解決此問題，看門狗分為硬件看門狗和軟件看門狗。有時(shí)為了簡化硬件電路，可以建立一個(gè)純軟件的看門狗系統(tǒng)?？梢杂靡粋€(gè)定時(shí)器來做看門狗，將它的溢出中斷設(shè)定為最高優(yōu)先級中斷，系統(tǒng)中的其它中斷均設(shè)為低優(yōu)先級中斷。看門狗啟動后，系統(tǒng)工作

60、程序必須經(jīng)常巡回它，在定時(shí)器溢出之前將定時(shí)器清零，通常稱之為喂狗。如果在定時(shí)器溢出之前系統(tǒng)程序沒有喂狗就認(rèn)為系統(tǒng)陷入了不正常的循環(huán)當(dāng)中，這就會引起定時(shí)器溢出中斷，在中斷向量區(qū)放一條LJMP ERR指令即可。由出錯(cuò)處理程序來完成各種善后工作，并用軟件方法使系統(tǒng)復(fù)位。 系統(tǒng)調(diào)試在實(shí)驗(yàn)箱的軟硬件制作完成后,需要進(jìn)行調(diào)試,排除軟件中的錯(cuò)誤和硬件中的故障,使各個(gè)模塊可以正常完成其功能。由于本實(shí)驗(yàn)箱中的各個(gè)模塊都是相互獨(dú)立的，所以可以逐個(gè)模塊進(jìn)行調(diào)試，但調(diào)試方法和步驟是完全相同的。3.1硬件調(diào)試系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試時(shí)，首先要對硬件進(jìn)行調(diào)試，硬件調(diào)試的目的是排除各種明顯的硬件故障。集成電路器件未插入電路板之前，必須