數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計

數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計此處指包括微處理器的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計流程需求分析：對需要完成的功能、任務(wù)進(jìn)行技術(shù)分析，確定實現(xiàn)方案微處理器選型：根據(jù)需要完成的功能來選擇微處理器數(shù)字邏輯功能模塊劃分?jǐn)?shù)字邏輯設(shè)計與仿真芯片下載及實際測試1微處理器簡介微處理器-也稱單片機。它是一種具有數(shù)據(jù)運算模塊，可以根據(jù)事先設(shè)定的程序指令，并按照一定的時鐘周期順序執(zhí)行的特殊功能IC是所有智能系統(tǒng)中的核心單元根據(jù)總線寬度：8、16、32、64位定點/浮點：是否能運行帶有小數(shù)的數(shù)學(xué)運算指令格式：匯編、C程序（是由ANSICC演變的一種，大部分是兼容的，多了一些寄存器設(shè)置及特殊函數(shù)）2微處理器常用術(shù)語寄存器：用于存放配置數(shù)據(jù)的一種觸發(fā)器操作指令：用于實現(xiàn)某種功能的指令邏輯運算、搬移指令、移位運算、算術(shù)運算、跳轉(zhuǎn)、位操作時鐘周期：微處理器的基本時鐘周期指令周期：執(zhí)行一條指令所耗費的時鐘周期定時器：MCU內(nèi)置的一種可配置的倒計時計數(shù)器，用于實現(xiàn)定時操作等中斷：在正常運行過程當(dāng)中，可以實時監(jiān)測某些信息的變化，并保存當(dāng)前的指令狀態(tài)，跳轉(zhuǎn)至服務(wù)程序，去執(zhí)行相關(guān)的操作，然后再返回現(xiàn)場接著執(zhí)行當(dāng)前指令休眠：指MCU關(guān)閉當(dāng)前的某些模塊，停止執(zhí)行指令，僅讓必要的喚醒單元處于值守狀態(tài)。休眠狀態(tài)通常不改變RAM內(nèi)容和大部分的寄存器內(nèi)容。3復(fù)位：所有的MCU均需要執(zhí)行上電復(fù)位操作才能進(jìn)入正常的工作狀態(tài)高電平復(fù)位、低電平復(fù)位，復(fù)位信號保持一段時間系統(tǒng)才能徹底復(fù)位，例如100ms。外部復(fù)位：簡單的RC復(fù)位、專用的電源管理兼復(fù)位IC軟件復(fù)位：所謂的熱啟動。通過軟件設(shè)置來實現(xiàn)系統(tǒng)復(fù)位，軟件復(fù)位可以保留某些信息4常見的微處理器8051：Intel公司產(chǎn)品。8位MCU，128/256字節(jié)的RAM，12T的指令周期，采用外部程序存儲器改進(jìn)型8051單片機：縮短指令周期：1T、6T等，改用內(nèi)置FLASH存儲器，增大RAM容量，增加ADC等特殊功能模塊，降低功耗5AVR單片機：Atmel公司產(chǎn)品，屬于RISC指令型，有8位、16位、32位等產(chǎn)品，可以使用C語言開發(fā)PIC單片機：美國Microchip公司產(chǎn)品，支持C語言開發(fā)是51之外最流行的一種單片機具有動態(tài)功耗控制功能編程簡單MSP430單片機：美國TI公司產(chǎn)品，超低功耗，休眠狀態(tài)：0.1uA@1.8V，支持C語言開發(fā)6ARM：來自英國ARM公司。它是一種基于IP授權(quán)模式的MCU，具有很高的性價比，采用特殊的指令格式及多級流水線指令操作，既可以獨立使用，也可以方便的嵌入各種FPGA中。ARM是目前高端MCU的主流，在各類常見的數(shù)字系統(tǒng)中獲得了廣泛的應(yīng)用。某些高端的ARM器件可以使用SDRAM或DDRRAM等，可以運行l(wèi)inux等操作系統(tǒng)。硬件乘法器PLL時鐘調(diào)節(jié)內(nèi)存管理7微處理器在各種系統(tǒng)中的應(yīng)用8微處理器系統(tǒng)開發(fā)基本設(shè)備軟件編譯器/IDE：將文本格式的軟件代碼翻譯成二進(jìn)制機器代碼（HEX/BIN格式等），主要的編程語言-匯編/C語言；仿真器：用于對編寫的程序代碼進(jìn)行模擬運行或者用于查看MCU中的寄存器內(nèi)容、代碼中的臨時數(shù)據(jù)等等，是對代碼進(jìn)行性能評估和查錯的主要手段；編程器：將編譯后的二進(jìn)制代碼文件寫入EPROM/FLASH等程序存儲器中，為51單片機主要的編程方式；下載電纜：新一代單片機多使用下載電纜的方法編程目標(biāo)板：安裝有MCU的系統(tǒng)板9參考資料MCU指令參考手冊MCU編程指南MCU器件手冊匯編/C程序設(shè)計手冊10微處理器開發(fā)注意事項硬件方面：使用看門狗時，注意利用FLASH等存儲器來保存死鎖前的軟件狀態(tài)現(xiàn)場，使得MCU復(fù)位后可以很快恢復(fù)工作狀態(tài)；鍵盤/開關(guān)輸入時，需要考慮軟件防抖問題；MCU引腳驅(qū)動能力有限，只能驅(qū)動個別的LED，使用引腳驅(qū)動外設(shè)時，要考慮器件的最大承載能力，必要時使用晶體管等擴(kuò)流器件合理設(shè)置及分配MCU的時鐘頻率，頻率越高，功耗越大，電磁輻射（EMI）越大（很多產(chǎn)品對EMI有要求）11UART通信時，主-從設(shè)備之間的碼率差別<2%，高碼率時應(yīng)考慮使用糾錯碼來檢查通信中的錯誤復(fù)雜系統(tǒng)中，需要考慮MCU優(yōu)先供電，并利用MCU對從設(shè)備進(jìn)行控制微處理器對電源波動敏感，電磁環(huán)境惡劣的應(yīng)用場合，需要考慮采取ESD、EMI防護(hù)，加強電源濾波，保證電源工作穩(wěn)定性12微處理器開發(fā)注意事項軟件方面模塊化設(shè)計：層次分明，條理清晰，數(shù)據(jù)流向明確；編寫程序代碼前，做好軟件規(guī)劃，并完成軟件流程圖；良好的軟件規(guī)劃是項目按期完成的基礎(chǔ)盡量使用C語言編程，實時操作時，注意測試C語音指令周期；不能大量占用RAM，注意軟件升級可能導(dǎo)致的存儲器空間緊張問題；避免死循環(huán)；13考慮人機交互，對某些意外情況需要進(jìn)行提示或者報警；使用EEPROM/FLASH來保存數(shù)據(jù)表，可以加快某些復(fù)雜函數(shù)運算（三角函數(shù)等）；盡量使用定點運算；利用定時器來實現(xiàn)周期性的任務(wù)；利用中斷來完成對實時性要求高的任務(wù)；14GPIO輸入信息時，采用多次判別，避免干擾詳盡、充分的仿真走查是避免軟件出現(xiàn)問題的重要步驟15最小系統(tǒng)：可以供MCU獨立運行的電路系統(tǒng)，包括電源、時鐘、復(fù)位電路等基本系統(tǒng)16KeilC軟件系統(tǒng)171819202122232425下載軟件26編程設(shè)備27開發(fā)板28溫度控制器2930軟件流程例子3151MCU例子32作業(yè)調(diào)研ARM微處理器的優(yōu)點以及市場上已有的ARM種類，闡述ARM處理器在電子系統(tǒng)中的典型應(yīng)用MSP430系列單片機是目前少有的幾種超低功耗單片機之一，在調(diào)研的基礎(chǔ)上，簡述利用這種單片機的潛在應(yīng)用，并給出1-2種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，并說明工作原理看門狗電路對于重要場合應(yīng)用中的微處理器是非常重要的單元，通過調(diào)研說明看門狗電路的實現(xiàn)原理，并給出電路圖33作業(yè)現(xiàn)在有4路模擬信號需要進(jìn)行數(shù)字化采集，模擬信號的帶寬為100Hz，幅度范圍是-5~+5V，采用16bitsADC并行采集，核心控制元件為51單片機，采集后的數(shù)據(jù)通過UART端口輸出，請設(shè)計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，并選擇元件，說明工作原理，給出軟件流程圖。34作業(yè)在使用MCU控制220V或者380V高壓系統(tǒng)時，必須采用物理隔離技術(shù)，包括電源隔離及輸入輸出的隔離?，F(xiàn)在請在調(diào)研的基礎(chǔ)上，設(shè)計一個使用51單片機控制220V電燈的電子開關(guān)系統(tǒng)。輸入指令由4個撥碼開關(guān)輸入，可以控制16路燈的狀態(tài)。設(shè)每個燈的功耗為0.1A@220V，采用繼電器控制。請給出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，說明工作原理，并指出系統(tǒng)是如何實現(xiàn)物理隔離的35作業(yè)任意波形發(fā)生器是重要的儀器設(shè)備之一。主要模塊包括波形數(shù)據(jù)ROM、DAC及控制電路。請使用至少2種方案實現(xiàn)一個1024點的任意波形發(fā)生器，信號頻率最大為100kHz。DAC分辨率為8bits36作業(yè)多選一模擬開關(guān)可以用于單個ADC對多路模擬信號的采集系統(tǒng)中，請查閱器件資料-ADG506，并設(shè)計一個應(yīng)用，給出系統(tǒng)框圖，說明工作原理37作業(yè)通過調(diào)研，說明單電源供電運放和雙電源供電運放在特性及使用方面的異同點利用單電源供電運放設(shè)計一個8階巴特沃斯低通濾波器，系統(tǒng)工作電壓3.3V，截止頻率=20kHz。38數(shù)字邏輯設(shè)計組合邏輯時序電路存儲器、寄存器I/O端口：GPIO特殊功能I/O：LVDS功能模塊：算術(shù)運算、移位、位變換、數(shù)據(jù)變換39數(shù)字邏輯設(shè)計總線內(nèi)部總線外部總線總線控制與管理40組合邏輯組合邏輯電路是指在任何時刻，輸出狀態(tài)只決定于同一時刻各輸入狀態(tài)的組合，而與電路以前狀態(tài)無關(guān)，而與其他時間的狀態(tài)無關(guān)。其邏輯函數(shù)如下：Li=f（A1，A2，A3……An）(i=1，2，3…m)其中，A1~An為輸入變量，Li為輸出變量。組合邏輯電路的特點歸納如下：①輸入、輸出之間沒有返饋延遲通道；②電路中無記憶單元。41組合邏輯加法器編碼器解碼器數(shù)據(jù)選擇器42組合邏輯