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嵌入式硬件系统接口电路设计 魏伟胡玮王永清编著化学工业出版社 主要内容 1 嵌入式系统开发基础2 键盘接口技术3 显示接口技术4 模拟量输出传感器5 数字量输出传感器6 过程通道与人机接口7 常用电信电路接口8 控制接口电路9 数据通信及其接口电路 第1章嵌入式系统开发基础 第一部分嵌入式系统的基本概念第二部分嵌入式系统的组成结构第三部分嵌入式系统的硬件组成第四部分嵌入式系统的开发流程 1 1嵌入式系统的基本概念 IEEE 国际电气和电子工程师协会 对嵌入式系统的定义 用于控制 监视或者辅助操作机器和设备的装置 原文为 DevicesUsedtoControl MonitororAssisttheOperationofEquipment MachineryorPlants 这主要是从应用对象上加以定义 从中可以看出嵌入式系统是软件和硬件的综合体 还可以涵盖机械等附属装置 国内普遍认同的嵌入式系统定义为 以应用为中心 以计算机技术为基础 软硬件可裁剪 适应应用系统对功能 可靠性 成本 体积 功耗等严格要求的专用计算机系统 一个嵌入式系统装置一般都由嵌入式计算机系统和执行装置组成 如图1 1所示 嵌入式计算机系统是整个嵌入式系统的核心 由硬件层 中间层 系统软件层和应用软件层组成 执行装置也称为被控对象 它可以接受嵌入式计算机系统发出的控制命令 执行所规定的操作或任务 1 嵌入式系统的组成 图1 1嵌入式系统的典型组成 1 2嵌入式系统的硬件组成1 2 1嵌入式处理器 嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器 嵌入式处理器就像系统的控制神经中枢 通过数据线 地址线和控制信号线等神经网线与各种神经末梢 如RS 232接口 USB接口 LCD接口等相连 新一代嵌入式设备还需具备IEEE1394 USB CAN Bluetooth或IrDA通信接口 同时也需要提供相应的通信组网协议软件和物理层驱动软件 为了支持应用软件的特定编程模式 如Web或无线Web编程模式 还需要相应的浏览器 如HTML XML等 现在几乎每个半导体制造商都生产嵌入式处理器 越来越多的公司如Intel WINBOND Motorola ARM SEIKOEPSON等 都有自己的处理器 比如用户熟知的嵌入式处理器Intel公司的1960 8XC196MC和SA1110 Motorala公司的MC68302 MPC860 MPC8260 SEIKOEPSON的S1C33系列的处理器 嵌入式处理器的寻址空间一般为64KB 256MB 处理速度为0 1MIPS 2000MIPS 常用封装从8个引脚至144个引脚 如SEIKOEPSON公司的S1C33209处理器芯片寻址空间达到256MB 封装成128个引脚 1 3嵌入式操作系统 操作系统是计算机用户和计算机硬件之间的一个中介 并用于管理计算机资源和控制应用程序运行的计算机程序 在嵌入式系统发展的初期 其应用相对简单 嵌入式软件由专门配套的汇编甚至机器语言编写 功能主要体现在一些控制流程上 它们直接面向应用 直接基于系统硬件开发 专有性很强 使得在开发新的嵌入式系统时 已存在的嵌入式软 硬件资源很少能用上 造成资源浪费和重复劳动 这时嵌入式系统的可重用性很差 也基本不可能移植 随着微电子技术的发展 嵌入式系统的硬件功能越来越强大 嵌入式系统的硬件功能越来越强大 嵌入式软件开始使用C C 等高级语言编写 调试手段也越来越多和成熟 在体系结构上 也由最初的单一控制流程 逐渐引入嵌入式操作系统等技术 1 4嵌入式系统开发的模式与流程 如图1 9所示 为嵌入式系统硬件模型结构 此系统主要由微处理器MPU 外围电路 以及外设组成 微处理器为ARM嵌入式处理芯片 如ARM7TMDI系列及ARM9系列微处理器 MPU为整个嵌入式系统硬件的核心 决定了整个系统功能和应用领域 外围电路根据微处理器不同而略有不同 主要由电源管理模型 时钟模块 闪存FIASH 随机存储器RAM 以及只读存储器ROM组成 这些设备是一个微处理器正常工作所必须的设备 1 4 1嵌入式系统的结构 1嵌入式系统的硬件架构 图1 9嵌入式系统硬件模型结构 2 嵌入式系统的软件结构 嵌入式系统与传统的单片机在软件方面最大的不同就是可以移植操作系统 从而使软件设计层次化 传统的单片机在软件设计时将应用程序与系统 驱动等全部混在一起编译 系统的可扩展性 可维护性不高 上升到操作系统后 这一切变得很简单可行 嵌入式操作系统在软件上呈现明显的层次化 从与硬件相关的BSP到实时操作系统内核RTOS 到上层文件系统 GUI界面 以及用户层的应用软件 各部分可以清晰地划分开来 如图1 10所示 当然 在某些时候这种划分也不完全符合应用要求 需要程序设计人员根据特定的需要来设计自己的软件 图1 10嵌入式系统软件基本构架 1 4 2嵌入式开发的模式及流程 嵌入式系统开发分为软件开发部分和硬件开发部分 嵌入式系统在开发过程一般都采用如图1 11所示的 宿主机 目标板 开发模式 即利用宿主机 PC机 上丰富的软硬件资源及良好的开发环境和调试工具来开发目标板上的软件 然后通过交叉编译环境生成目标代码和可执行文件 通过串口 USB 以太网等方式下载到目标板上 利用交叉调试器在监控程序运行 实时分析 最后 将程序下载固化到目标机上 完成整个开发过程 1嵌入式系统开发模式 图1 11 宿主机 目标板 开发模式 在软件设计上 如图1 12所示为结合ARM硬件环境及ADS软件开发环境所设计的嵌入式系统开发流程图 整个开发过程基本包括以下几个步骤 1 源代码编写 编写源C C 及汇编程序 2 程序编译 通过专用编译器编译程序 3 软件仿真调试 在SDK中仿真软件运行情况 4 程序下载 通过JTAG USB UART方式下载到目标板上 5 软硬件测试 调试 通过JTAG等方式联合调试程序 6 下载固化 程序无误 下载到产品上生产 图1 12嵌入式系统软件开发流程图 2 嵌入式系统开发流程 当前 嵌入式开发已经逐步规范化 在遵循一般工程开发流程的基础上 嵌入式开发有其自身的一些特点 如图1 13所示为嵌入式系统开发的一般流程 主要包括系统需求分析 要求有严格规范的技术要求 体系结构设计 软硬件及机械系统设计 系统集成 系统测试 最终得到最终产品 图1 13嵌入式系统开发流程 第2章键盘接口技术 键盘是由若干个按键组成的开关矩阵 它是最简单的单片机输入设备 操作员可以通过键盘输入数据或命令 实现简单的人机通信 若键盘闭合键的识别是由专用硬件实现的 则称为编码键盘 若用软件实现闭合键识别的 则称为非编码键盘 非编码键盘又分为行列式和独立式两种 2 1独立式键盘接口电路 如果系统只需几个按键 可直接采用I O线构成单个按键电路 各个按键之间相互独立 一根线上的按键状态不会影响其他输入线上的工作状态 又称独立式键盘接口电路 一个具有几个按键的独立式键盘 每一个按键的一端都接地 另一端接单片机的I O口 如图2 1所示 这是较简单的键盘结构 该电路采用查询方式 1 设计思路 独立式按键是各按键相互独立的接通一条输入数据线 每个键的工作不会影响其它的I 0口 硬件电路如图2 1所示 2 硬件电路设计 图2 1硬件电路图 矩阵式键盘中 行 列线分别连接到按键开关的两端 行线通过上拉电阻接到 5V上 如图2 4所示 当无键按下时 行线处于高电平状态 当有键按下时 行 列线将导通 此时 行线电平将由与此行线相连的列线电平决定 这一点是识别矩阵按键是否被按下的关键 然而 矩阵键盘中的行线 列线和多个键相连 各按键按下与否均影响该键所在行线和列线的电平 各按键间将相互影响 因此 必须将行线 列线信号配合起来作适当处理 才能确定闭合键的位置 2 2矩阵式键盘接口电路 图2 4矩阵式键盘接口电路图 1设计思路 按键按下时 与此键相连的行线与列线导通 行线在无键按下时处在高电平 显然 如果让所有的列线也处在高电平 那么 按键按下与否不会引起行线电平的变化 因此 必须使所有列线处在低电平 只有这样 当有键按下时 该键所在的行电平才会由高电平变为低电平 CPU根据行平电的变化 便能判定相应的行有键按下 8号键按下时 第2行一定为低电平 然而 第2行为低电平时 能否肯定是8号键按下呢 回答是否定的 因为9 10 11号键按下同样使第2行为低电平 为进一步确定具体键 不能使所有列线在同一时刻都处在低电平 可在某一时刻只让一条列线处于低电平 其余列线均处于高电平 另一时刻 让下一列处在低电平 依次循环 这种依次轮流每次选通一列的工作方式称为键盘扫描 2硬件电路设计 8051单片机的P1口作为键盘I O口 键盘的列线接到P1口的低4位 键盘的行线接到P1口的高4位 列线P1 0 P1 3分别接有4个上拉电阻到正电源 5V 并把列线P1 0 P1 3设置为输入线 行线P1 4 P 17设置为输出线 4根行线和4根列线形成16个相交点 如图2 5所示 图2 54行 4列的行列式键盘结构图 2 3触摸屏式接口电路 1设计思路这里介绍了四线电阻触摸屏和触摸屏的驱动控制芯片ADS7843的工作原理 给出触摸屏与ARM7微处理器S3C44B0X芯片接口电路的连接方法及软件编程的实现方法 在触摸屏与ARM7微处理器S3C44B0X的连接电路中 VREF接基准电压 X X Y Y 4个引脚分别接触摸屏的4条控制线 DIN DOUT分别连接主控器件同步串行输出 SIORXD 端和输入 SIOTXD 端 DCLK连接外时钟 PENIRQ接ARM7微处理器S3C44B0X的EXINT5 CS接F口的GPF6进行片选 BUSY根据用户需要连接主控芯片的控制端 图2 8是其基本的应用电路接法 ADS7843通过同步串口与S3C44B0X的SIO接口进行数据传输 完成对触摸位置坐标的读取 2硬件电路设计 图2 8触摸屏与ARM微处理器的连接图 2 4串行口键盘接口电路 HA7279A是一种智能键盘和LED专用控制芯片 它带有串行接口 可同时驱动 位共阴式数码管或64只独立LED 这里详述了该芯片的工作原理 工作时序及控制指令 给出了HD7279A与CPU的实际接口电路及设计程序 同时指出了实际应用中的一些注意事项 硬件电路设计 的典型应用电路如图 11所示 使用时 应连接共阴式数码管 无需用到的键盘和数码管可以不连接 如果不用键盘 则典型电路图中连接到键盘的 只 电阻和 只 下拉电阻均可以省去 而如果使用键盘 则电路中的 只 下拉电阻则不能省略 除非不接入数码管 否则连接至 及 的 只 电阻也不能省去 图 11HD7279A硬件接口电路 第3章显示接口技术 LED显示器又称数码管 它由8只发光二极管组成 7只发光二极管排成 8 字形 另一只构成小数点 各字形段标记如图3 1 a 所示 通过不同的组合 可用来显示数字0 9 字母A F及小数点等 将各段发光二极管的阴极连在一起的称为共阴极显示器 如图3 1 b 所示 用高电平驱动 将阳极连在一起的称为共阳极显示器 如图3 1 c 所示 用低电平驱动 3 1LED显示器 图3 1LED显示器图 1 字形码 表3 2所示为显示字形与共阳 共阴两种接法的字形码的对应关系 表3 2显示字形与共阳 共阴两种接法的字形码的对应关系 2 静态显示 静态显示 是指显示器显示某一字符时 相应的发光二极管恒定地导通 显示器的公共端接固定的有效电平 即共阴极的公共端接低电平 共阳极的公共端接高电平 如图3 2所示为并行输出的3位共阳LED静态显示接口电路 图3 2并行输出的3位共阳LED静态显示接口电路3片74LS373的地址分别为1FFFH 3FFFH 5FFFH 2 动态显示 当显示器位数较多时 可以采用动态显示 所谓动态显示 就是一位一位地轮流点亮各位显示器 对于每一位显示器而言 每隔一段时间点亮一次 虽然在同一时刻只有一位显示器在工作 但由于人眼的视觉暂留效应和发光二极管熄灭时的余辉 看到的却是多个字符 同时 显示 图3 4为6位动态LED与单片机的接口逻辑图 单片机的POD作为扫描口 字位口 经反相驱动器7406接显示器公共极 单片机的P1口作为段数据口 字形口 经同相驱动器7407接显示器的各个极 图3 4为6位动态LED与单片机的接口逻辑图 3 2LCD显示器 平板型LCD是将液晶材料封装在上 下导电玻璃之间 液晶分子平行排列 上 下扭90 当外部入射光线通过上偏振片向后形成偏振光 该偏振光通过平行排列的液晶材料后被旋转90 再通过与上偏振片垂直的下偏振片 被反射板反射回来 呈透明状态 当上 下电极加上一定的电压 电极部分的液晶分子转成垂直排列 失去旋光性 从上偏振片入射的偏振光不被旋转 光无法通过下偏振片返回 因而呈黑色 LCD显示器可分为段式 字符型与图形LCD三种 如图3 5所示 a 段式 b 字符型 c 图形图3 5LCD显示器三种形式方式 1 段式显示LCD 图3 6所示为太阳人公司出品的串行输入显示器SMS0501的外形图 它的特点是内有显示控制芯片 接口简单 编程容易 SMS0501内的显示控制器实际上就是一个对应LCD8位段 小数点一位 显示的5个串联的8位移位寄存器 D1为串行输入数据端 CLK为串行时钟输入端 通过D1与CLK输入端可串行输入5 8位数据 对应5位显示位 图3 6串行输入显示器SMS0501的外形图 段式显示器的外形与引脚 2 字符型LCD LCD接口设计可以分为8位及4位控制方式 传统的控制方式是用8位D0 D7数据线来传送控制命令及数据 而使用4位控制方式是使用D4 D7数据线来传送控制命令及数据 减少了单片机的I O控制线 省下来的控制线可以做其他硬件的设计 使用4位数据线做控制时需分两次来传送 先送出高4位数据 再送出低4位数据 图3 10为4位控制电路 以8051P0口的6条输出控制线来实现控制 P0口输出端还接有上拉电阻以增加其驱动能力 图3 104位控制电路图 3 4图形LCD 以ZY12864D图形点阵液晶显示器为例介绍图形显示器的基本结构与使用方法 ZY12864D显示器是一种图形点阵型液晶显示器 它主要由行驱动器 列驱动器及128 64全点阵液晶显示器组成 可完成图形显示 也可显示8 4个 16 16点阵 汉字 EL背光源 IC1为行驱动器 IC2 IC3为列驱动器 外部CPU通过13根线对模块进行控制 其中D0 D7为8位并行数据总线 E R W D I CSA CSB为控制总线 ZY12864D模块组成框图如图3 11所示 图3 11ZY12864D模块组成框图 应用举例 1 程序功能程序执行后LCD显示屏循环显示如下文字和效果 全亮 全黑 黑白相间 您好致远电子有限公司2 硬件接口电路液晶显示器与单片机有两种接口方式 即总线接口方式和模拟口线方式 图3 13为51单片机与ZY12864D液晶模块的模拟口线方式的接口电路 图3 1351单片机与ZY12864D液晶模块的模拟接口电路 3 5显示屏接口电路 以微处理器EM8511及触摸屏控制器TSC2003为例 详细阐述了硬件系统的工作原理与设计过程 并在此基础上 根据I2C总线的工作时序 分析了在嵌入式操作系统 Clinux下对触摸屏驱动实现过程 以及触摸屏数据处理的关键算法 该设计能满足各种触摸屏操作的需要 具有良好的移植性 硬件电路设计 TSC2003主要完成以下功能 1 切换电极电压 2 采集点击处电压值 3 触摸屏被点击时产生信号 硬件连接如图3 15所示 为了屏蔽电气噪声 需要在TSC2003输入端增加滤波电容 并使触摸屏与TSC2003连接线尽可能短 图3 15TSC2003硬件连接示意图 第4章模拟量输出传感器 模拟传感器输出与被测量成一定关系的模拟信号 如果需要与计算机配合或用数字显示 还必须经过模 数转换电路 本章介绍压力传感器 温度传感器 霍尔传感器 湿度传感器和气体传感器接口电路与应用 4 1压力传感器及其接口电路 1设计思路 压力传感器是检测气体 液体 固体等所有物质间作用力能量的总称 也包括测量高于大气压的压力计以及测量低于大气压的真空计 压力传感器的种类甚多 有不同的分类方法 若按传感器结构特点分有应变式传感器 电容式传感器 压电式传感器以及压阻式传感器等 其中 应变式传感器是利用电阻应变片 作为变换元件 将被测量转换成电阻输出的传感器 它属于物性型 具有精度高的特点 电容式传感器是利用弹性电极在输入力作用下产生位移 使电容量变化而输出的一种传感器 它具有良好的动态特性 压电式传感器是利用压电材料的压电效应 将被测量转换成电荷输出的传感器 压阻式传感器是利用半导体材料的压阻效应 在半导体 基片上采用集成电路制造工艺制成的一种输出电阻变化的固体传感器 在这种分类中 还有电感式 差动变压器式 电动式 电位计式 振动式以及涡流 表面声波 陀螺等 应用实例 图4 5是采用力敏传感器的气压计 力敏传感器采用FPM 15PA 传感器的测量范围为1 65大气压 1679hPa 0 34大气压 347hPa 电路中采用恒流源供电 流经传感器桥中的电流为1 5mA TL431获得2 5V的基准电压 FPM 15的输出电压以1个大气压时的90mV为中心 在50mV 130mV的范围内变化 把这一输出电压放大并用电压表测量 就构成气压计 校准时 交一个5me注射器通过橡皮管同力敏传感器的鼻状孔相通 并预先吸入5me 1个大气压的空气 调使数字表头显示为1013hPa 然后将注射器压缩到4me 即1 25大气压 调整数字表头使其显示为1266hPa 反复调整多次即可 图4 5采用力敏传感器的气压计 4 2温度传感器及其接口电路 4 2 1设计思路温度传感器是把温度转换成电信引的传感器 温度传感器发糙较早 应用也很广泛 温度传感器有各种类型 根据使用方法不同 基本上分为接触式和非接触式 接触式是传感器与物体直接接触 从而测量物体的温度 这种方式构造简单 现在应用最广 非接触式是测量物体相应温度辐射的红外线 从而测量物体的温度 这种方式测量物体的相对温度较方便 但测量物体绝对温度时需要进行补偿 传感器构成复杂 4 2 3应用实例 图4 18是采用热敏电阻的数字式体温计 其温度范围为34 42 电路中热敏电阻作为传感器 当与人体接触时 其阻值发生变化 因此 电桥的平衡被破坏 其两臂产生一定的电压差 经和放大后 加到的同相输入端 与积分器产生的斜坡电压进行比较 的输出通过与非门形成选通门 控制NE555振荡器通过选通门进入计数器的脉冲个数 选通门的通断时间与被测人体体温呈一定的线性比例关系 因此 进入计数器的脉冲个数代表着体温的高低 这些选通的脉冲 通过四个十进制计数器计数 在显示器上显示人体体温 图4 18采用热敏电阻的数字式体温计 4 3霍尔传感器及其接口电路 4 3 1设计思路霍尔传感器是一种基于霍尔效应制作的一种实现磁电转换的传感器用它们可以检测磁场及其变化 霍尔传感器具有许多优点 它们的结构牢固 体积小 寿命长 安装方便 功耗小 频率高 耐震动 不怕灰尘 油污及盐雾等的污染或腐蚀 霍尔开关器件具有无触点 输出波形清晰 无抖动 位置重复精度高等优点 4 3 3应用实例 图4 26给出了霍尔元件接近开关电路 这种电路用磁场强度为0 05T的蹄形磁钢作为运动磁场 测试距离可达50mm 在电路中利用稳压管和给霍尔元件提供一个恒定的激励电流 图中 组成差动放大电路 和组成一个射极耦合触发器 若运动磁场接近到霍尔元件一定距离 差动放大电路产生输出电压 触发图中的触发器 导通 继电器吸合 触点动作 若无需直接驱动继电器 而是输出脉冲电压 则可去掉 而接入1k 电阻 上可并联100pF电容 则集电极就能输出边沿很陡的脉冲 图4 26霍尔元件接近开关 4 4湿度传感器及其接口电路 4 4 1设计思路湿度传感器是由湿敏元件和转换电路等组成 它是将环境湿度变换为电信号的装置 湿度传感器在工业 农业 气象 医疗以及日常生活等方面都得到了广泛的应用 尤其是随着科学技术的发展 对于湿度的检测和控制越来越受到人们的重视并进行了大量的研制工作 通常 理想的湿度传感器的特性要求是 适合于在宽温 湿度范围内使用 测量精度要高 使用寿命长 稳定性好 灵敏度高 线性好 温度系数小 制造工艺简单 易于批量生产 转换电路简单 成本低 抗腐蚀 耐低温和高温特性等 4 4 3应用实例 图4 34是录像机的结露检测电路 若录像机内发生结露 就会出现水分附着现象 于是磁带与走带机构之间摩擦阻力增大 就会使带速不稳或者使磁带停止走动 为此 要在机内增设结露检测电路 检测到结露现象使录像机自动停止工作 电路中的晶体管和构成施密特电路 根据结露传感器的阻值变化工作于双稳状态 对于通常的湿度状态 结露传感器的阻值为2k 左右 则的基极电位约为0 5V 于是导通 集电极变为低电位 若机内湿度增加 结露传感器的阻值变大 的基极电位升高 若阻值大到50 以上 则为导通状态 为截止状态 的集电极电位升高 结露状态时传感器阻值为200k 以上 才能保持电路的这种状态 若干燥时传感器阻值为30k 以下 则施密特电路恢复到原稳定状态 晶体管和构成缓冲器电路 具有显示结露状态并能使录像机停止工作的功能 结露检测后控制机内或外接风扇进行通风干燥 消除结露状态 图4 34录像机的结露检测电路 图4 35是采用HS15湿敏传感器的测湿电路 HS15是一种在高湿度环境中具有很强适应性电阻 高分子型湿度传感器 测量湿度范围为0 100 图4 35的电路中虽然没有线性化电路 但可以获得 5 精度的输出信号 在0 100 湿度范围 可输出0 1V直流电压 在其后接相应电路就可以组成测湿仪或控湿器 图4 35采用HS15湿敏传感器的测湿电路 4 5气体传感器及其接口电路 4 5 1设计思路气体传感器是用于检测各种气体的传感器 早期对气体的检测主要采用电化学或光学方法 其检测速度慢 设备复杂 成本高 使用也不方便 随着科学技术的迅速发展 在工农业生产和人类生活中 人们对污染环境的各种气体越来越重视 尤其是随着煤气 液化石油气和天然气的开发利用 各种气体灾害的危险性随之增加 因此需要对各种易燃 易爆和有毒气体进行及时检测 从40年代末到50年代主要着重开展以半导体材料对气体吸附现象为中心的基础研究工作 到60年代后 才开始转向以应用为重点 以实用化为目的的研制阶段 60年代初 利用金属氧化物半导体研制出可燃气体传感器 进一步研究发现在气敏元件中加入少量的催化金属 可以改进元件的性能 4 5 3应用实例 如图4 39所示为家用有毒气体探测报警器 本电路线路简单 但具有很高的灵敏度 对探测有毒气体是行之有效的 利用QM N10气敏传感器作为探测头 它是一种新型低功耗 高灵敏度的气敏元件 和其它气敏传感器一样 QM N10也有一个加热丝和一对探测电极 它是用半导体N型材料制成的 当空气不含有毒气体时 A K两点间的电阻很大 流过的电流很小 K点为低电位 达林顿U850不导通 当空气中含有还原性气体时 如一氧化碳 液化气 甲烷 丙烷等有毒气体 A K两点间的电阻迅速下降 通过的电流增大 K点电位升高 向充电直至达到U850导通电位 约1 4V 时 U850导通 驱动发声集成片KD9561发声 当空气中有毒气体浓度下降至使A K两点间恢复高阻时 K点电位低于1 4V U850截止 报警解除 图4 39有毒气体探测报警器电路 第5章数字量输出传感器 随着科学技术的进步和生产的发展 对测量提出了大尺寸 数字化 高精度 高效益和高可靠性等一系列要求 因而近年来出现了新的测量元件 数字传感器 以适应当前生产和科学技术不断发展的需要 所谓数字传感器就是将被测量 一般是位移量 转化为数字信号 并进行精确检测和控制的传感器 目前 他们在工业数控技术 自动化技术以及计量技术中已被日益广泛地采用 本章介绍压力传感器 温度传感器 加速度传感器和传感器信号调理器 处理器接口电路与应用 5 1压力传感器及其接口电路 5 1 1设计思路这里介绍一种最为简易的压力传感器的数字接口电路 整个线路由一个压力传感器 一个信号处理单元及一个A D转换器组成 5 1 2硬件电路设计图5 1所示电路可提供一个并行的8位输出信号 该输出信号与所施加的压力呈线性和比例关系 线路由一个5V电源供电 要求双重调整补偿 图5 1压力传感器与数字电路的连接 2020 3 17 71 可编辑 传感器提供一个与所施加压力成比例的差压信号 信号处理单元将差压信号放大 偏压由调整 A D转换器将输出电压转换成并行输出信号 并按参考电压将其接到端子9上 5 2温度传感器及其接口电路5 2 1设计思路 传感器的输出形式是多种多样的 传感器的输出量的形式将直接影响系统或测量仪表的优化程度 如选频率量或周期量输出的温度传感器 并用它组成温度仪表或温度监控系统 其配件电路就特别简单 相反如选电压量输出的温度传感器 则要涉及到信号电压放大和模 数转换等有关问题 其硬件电路较前复杂得多 为此 必须根据实际电路综合诸多因素 科学地选择温度传感器 以使系统达到最佳的性价比 这里 我们以MAX6575L H为例来介绍数字量输出温度传感器的接口电路 MAX6575L H是一种多点 数字接口芯片 能用1根控制线同时监控8种不同领域中的温度传感器 该传感器温度测量范围较宽 一般在 40 125 测量精度为 0 8 在 25 测量 由于它具有其它温度传感器所没有的好性能 如集成度高 数字接口等 所以 在各种单片机应用电路中颇受青睐 5 2 2硬件电路设计 由于MAX6575L H温度传感器具有许多优良的性能 特别是单线控制和数字接口 因此 在重要的微控制器和微处理器温控监测系统 便携式电池供电设备 硬驱动 磁带驱动 网络和电信 电话和汽车等领域中获得广泛应用 典型应用电路由MAX6575L H组成的温度测量系统如图5 4所示 从图中看出 这是一种多点 8片温度传感器 温度测量电路 能同时监控8种不同环境的温度 40 125 并共用1根单片机的I O线 这是单片机硬件电路中使用I O线最少的一种典型电路 图5 4MAX6575L H温度测量电路 接口电路由MAX6575L H和少量外围元件组成测量电路 如图5 5所示 这是一种2片温度传感器与1片单片机8051的接口电路 从图中看出 利用1片单片机8051的P3 7口接收2个传感器的温度信号 然后由P3 5口上的开关选择 以确定哪个传感器的温度 当开关打开 测量和显示T1的温度 当开关闭合 测量和显示T2传感器输出的温度 图5 5温度测量接口电路 5 3数字式加速度传感器及其接口电路 5 3 1设计思路数字式加速度传感器具有分辨率高 动态范围大 温度特性好等优点 在惯性导航 空间微重力测量及高精度勘探等等方面有着广泛的应用 美国ADI AnalogDevicesInc 推出的ADXL系列单片式加速度传感器具有灵敏度高 耐冲击 体积小 性能稳定可靠等一系列优点 这里介绍了数字加速度传感器芯片ADXL210的特点 功能 应用及其与MCS51单片机的接口电路 分析了在尽量提高信号的分辨率 降低噪声前提下设置信号带宽和外部计数频率的方法 5 3 2硬件电路设计 在我们的轨道检测仪中 使用了该芯片测机车加速度和铁路枕木倾斜情况 将芯片的X轴置于与机车行使方向一致的方向 则Y轴与铁轨方向一致 在严格水平情况下 芯片的X Y轴与重力场垂直 系统所需精度要求为0 5mg 器件与MCS51单片机接口如图5 9所示 图5 9ADXL210与51单片机接口电路图 5 4传感器信号调理器及其接口电路 5 4 1设计思路MAX1457是美国MAXIM公司生产的高集成度模拟信号处理器 片内不仅具有信号转换的ADC和DAC 而且还含有可编程增益放大器 PGA 失调校准和温度补偿电路 该芯片特别适合压阻式传感器的信号调理 同时也适用于加速度计 应变检测和其它电阻传感器信号的调理 在实际使用时 只要外加少量元件 便能对传感器的各种失调进行校准和补偿 使信号调理输出信号的精度达到0 1 5 4 2硬件电路设计 由MAX1457和少量外围元件组成的高性能比率输出电路如图5 12所示 该电路能提供一个与电源电压成正比的输出 当使用比率ADC时 它的输出所提供的数字压力与电源电压无关 从而可以消除电源电压波动对测量精度的影响 图5 12比率输出电路 5 5传感器信号处理器及其接口电路5 5 1设计思路 MAX1462是信号处理器中性能较好的一种产品 具有集成度高 功耗低 噪声小 分辨率高和SoC结构等特点 因此 特别适用于便携式仪器 智能电池充电系统 电子称重和应变测量 硅压力和加速度的压力检测 热电偶或热电偶线性化处理 5 5 2硬件电路设计 由MAX1462组成的压力检测系统如图5 17所示 从图中可以看出 它仅需要少量的几个外围元件 图5 17典型应用电路 第6章过程通道与人机接口 目的与要求掌握各种过程通道的结构 原理 设计及使用方法 主要内容数字量输入输出通道模拟量输出通道模拟量输入通道人机接口内部总线外部总线 过程通道是在计算机和生产过程之间设置的信息传送和转换的连接通道 它包括模拟量输入通道 模拟量输出通道 数字量 开关量 输入通道 数字量 开关量 输出通道 生产过程的各种参数通过模拟量输入通道或数字量输入通道送到计算机 计算机经过计算和处理之后将所得的结果通过模拟输出通道或数字量输出通道送到生产过程 从而实现对生产过程的控制 计算机和操作人员之间常常需要互通信息 为此计算机和操作人员之间应设置显示器和操作器 其中一种是CRT显示器和键盘 另外一种是针对某个生产过程控制的特点而设计的操作控制台等 通常把上述两类设备简称为人机接口 6 1数字量输入输出通道 数字量的种类一般分为电平式和触点式 电平是高电平或低电平 触点式为触点闭合或触点断开 其中触点式一般又分为机械触点和电子触点 如按钮 旋钮 行程开关 继电器等触点是机械触点 晶体管输出型的接近开关和光电开关等的输出触点是电子触点 1 数字量输入通道的结构数字量输入通道主要由输入缓冲器 输入调理电路 输入地址译码电路等组成 如图6 1所示 2 数字量输出通道的结构数字量输出通道主要由输出锁存器 输出驱动电路 输出口地址译码电路等组成 如图6 6所示 3 输入输出通道的标准化设计在设计上 一般都将数字量的输入通道和输出通道作在同一块模板上 这样可以节省硬件成本 充分利用计算机的有限资源 方便用户使用 图6 9给出了PC总线下的数字量输入输出模板的原理图 该系统共有8路数字量输入和8路数字量输出 可分为两部分 一部分是地址译码部分 用于选通相应的通道 第二部分就是输入和输出接口部分 图6 9数字量输入输出模板的原理图 6 2模拟量输出通道 D A转换器接口电路图6 12中所示的为DAC0832与CPU之间的接口电路 CPU数据总线 D0 D7 经总线驱动器接至DAC0832的数据端 CPU的地址总线经地址译码电路产生DAC0832芯片的片选信号 图中DAC0832工作在单缓冲方式 当进行D A转换时 CPU只需执行一条输出指令 就可以将被转换的8位数据通过D0 D7经过总线驱动器传给DAC0832的数据输入端 并立即启动D A转换 在运放输出端Vout输出对应的模拟电压 图6 12DAC0832接口电路 图6 12DAC0832接口电路 6 3模拟量输入通道 A D转换器芯片及接口电路图6 24为ADC0809和PC机系统总线的接线图 图6 24ADC0809接口电路 图6 24ADC0809接口电路 6 4人机接口 6 4 1键盘接口键盘是一组按键或开关的集合 键盘接口向计算机提供被按键的代码 常用的键盘有两种 一种是编码键盘 自动提供被按键的编码 比如ASII码或二进制编码 另一种是非编码键盘 仅仅简单地提供按键的通或断状态 0 或 1 而按键的扫描和识别则由用户的键盘程序来实现 1 独立连接式键盘电路示例这是最简单的一种键盘 每个键互相独立地接通一条数据线 也就是每个按键都作为一个独立数字量 开关量 输入 如图6 30所示 其中K0 K3为开关 K4 K7为点动按钮 本书统称按键 任何一只键被按下 与之相连的输入数据线被置 0 低电平 反之 断开键 该线为 1 高电平 图6 30独立连接式键盘电路示例 图6 30独立连接式键盘电路示例 2 矩阵连接式键盘为了减少按键的输入线和简化电路 可将按键排列成矩阵式如图6 31所示 在每条行线和列线的交叉处 并不直接相连 而是通过一只按键来接通 采用这种矩阵结构只需M条行输出线和N条列输入线 就可以连接MXN只按键 按照一个字节的输出和输入线 最多可以连接8X8只按键 为简便起见 图6 31仅画出了4X4只按键 图6 31矩阵连接式键盘电路示例 6 4 2显示器接口 常用的图形显示器有两种 CRT显示器和平面显示器 当用户要求显示系统的分辨率很高 或者要求显示速度很快时 一般的VGA TVGA卡就不能满足需要了 这时 应采用该性能的智能图形控制卡 加上高分辨率的显示器来实现 智能图形卡含有图形显示控制器GDC 它不同于VGA TVGA用软件作图 而是接收处理机送来的图形命令并利用硬件完成作图任务 它具有丰富的画图命令 如点 线 矩形 多边形 圆 弧 以及区域填充 拷贝 裁剪等操作 6 4 3打印机接口 打印机是计算机系统中最常用的输出设备之一 打印机的种类很多 从它与计算机的连接方式来分 有并行接口打印机和串行接口打印机两种 从它的打印原理来分 有点阵式打印机 喷墨式打印机 激光式打印机 热敏式打印机 墨点式打印机 液晶快门式打印机和磁式打印机等七种 从打印的色彩分 有单色 双色 彩色打印机三种 第7章常用电信电路接口 作为生物识别技术的一个重要分支 说话人识别技术的研究始于六十年代 随着计算机技术与信息化社会的发展 说话人识别技术作为具有语音识别与理解功能的智能人机接口 其应用领域正在不断扩大 在金融安全 数据加密 电子商务等各个领域都有很广的应用潜力 并将在我们的生产和生活中发挥日益重要的作用 说话人识别技术越来越受到学术界的关注 目前已经有许多成熟度较高的说话人识别模型 本设计的内容正是关于说话人识别应用系统的研究 主要完成了基于DSP的嵌入式语音门锁的硬件设计与实现 7 1语音接口电路7 1 1设计思路 7 1 2硬件电路设计 嵌入式语音门锁硬件系统总体设计 按照设计方案 整个嵌入式门锁硬件主要包括以下单元 语音信号采集单元 语音信号处理单元 人机接口单元 数据存储单元 外部接口模块 电源管理模块 电路板抗干扰等等的设计 嵌入式语音门锁设计为应用在办公室门禁或者个人住宅门禁系统 它是生物特征中的语音信号在现代门禁系统中的应用 整个嵌入式门锁系统采用6节AA型碱性5号电池供电 数字信号核心处理单元采用TI公司的TMS320VC54xDSP 使得在进行数字信号处理时的速度高于一般的嵌入式单片机 硬件功能框图如图7 3所示 1嵌入式语音门锁硬件系统总体设计 图7 3语音门锁硬件系统框图 2存储系统接口设计系统使用16位并行引导装载模式构建基于Flash的DSP脱机独立运行系统 并使DSP工作在并行装载模式下的数据容量达到最大 即可以引导装载最大为32k的程序代码 并且在运行程序时DSP所寻址的64k的区域 OOOOH OFFFFH 都可以作为运行时的程序或数据区使用 DSP通过CPLD选通FLASH 其硬件电路连接如图7 4所示 图7 4存储单元硬件接口逻辑图 7 2数字电话终端接口电路 利用先进的DSP技术来实现电话通信 以此来得到高质量的语音效果及多方面的数字功能 设计开发出基于DSP的数字电话终端系统 并完成以下工作 根据数字电话系统的技术指标和功能要求 给出了系统的总体方案 设计开发了基于DSP的数字电话硬件系统 给出整个系统的硬件电路图 详细论述了系统中DSP系统模块 闪烁存储器 FLASH 模块 自动增益控制模块 RS232接口模块 JTAG接口模块 DSP与单片机连接电路等模块的组成原理和设计实现方法 7 2 1设计思路 7 2 2硬件电路设计 系统硬件总体设计整个硬件系统包括3部分 一是TMS320C5402DSP处理系统 包括DSP TMS320C5402 程序存储器 数据存储器 模数转换电路等 二是闪烁存储器及其与TMS320C5402接口部分 三是AT89C51主处理器部分 包括AT89C51处理器 键盘显示电路及AT89C51与TMS320C5402接口 为了降低系统成本 在DSP处理系统中 采用EPROM和高速静态RAM相结合的存储器配置方式 其中 EPROM用于存储程序和初始化数据 高速RAM用于程序执行和数据的暂存 程序和数据共用两片高速RAM 简化了系统硬件 整个硬件系统见图7 7 图7 7系统硬件总体结构 7 3信号发生器接口电路7 3 1设计思路 本设计主要是针对信号发生器的 它是基于DDS的工作原理 利用FPGA编程实现DDS功能 以数字信号处理器为控制核心 实现对波形的频率 占空比 幅度 直流偏移量的连续可调 并可以实现扫平和调幅功能 设计基于AD9852的多功能直接数字信号合成源的总体方案 然后分模块详细叙述了信号合成源的硬件电路组成和软件设计方案 最大限度挖掘了芯片潜力 将单片机 可编程逻辑器件与AD9852紧密结合 实现了模拟调制和数字调制以及多种扩展功能 7 3 2硬件电路设计 系统分为三个部分 DDS核心板模块 函数波低频信号发生器模块 液晶键盘人机交互模块 其中 主要的波形由DDS核心板实现 函数信号发生器模块用来辅助实现三角波 升斜波 降斜波等低频信号 液晶键盘模块则用来实现人机交互的功能 用户从机器面板上按键输入命令 数据将显示在字符型LCD上 并通过串口和HPI口分别传输到函数信号发生器模块的MCU和DDS核心板模块的DSP上 经过数据处理和控制电路 DDS和函数信号发生器分别输出信号 并通过后级信号调理电路 最后输出所需的信号 系统原理框图如图7 14所示 图7 14设计系统框图 7 4数字频率计接口电路7 4 1设计思路 基于高性能DDS芯片AD9954的数字化频率特性测试仪的设计 其基本设计方法是借助集成开发软件平台 用原理图 硬件描述语言等方法 生成相应的目标文件 通过下载电缆将代码传送到目标芯片中 实现设计的数字系统 该测试仪以DDS芯片AD9954为核心构成扫频信号源电路 以增益相位检测器AD8302为核心构成检测电路 以DSP芯片TMS320VC5409为核心构成控制与运算电路 以及以AT89S52为核心构成外围接口电路 该测试仪能产生频率范围达100k 100MHz 功率范围为 45dBm l8dBm的扫频信号 能对被测网络的频率特性进行测量 并留有丰富的外围接口 可以将测量数据绘图通过LCD显示或者由打印机打印输出 7 4 2硬件电路设计 从对上述理论和系统性能指标