房间电器综合控制系统设计论文

1、房间电器综合控制系统Control system of the electrisic in the room摘要本设计的目的是寻找一种方法来实现房间内多种电器的综合控制，采用了单 片机与红外遥控相结合的方式，制作出一种房间电器综合控制系统。系统的核心 由 AT89S52 单片机和红外收发装置构成，整个系统包括发射部分和接收部分。 发射部分以 AT89S52 单片机为中心控制芯片，外围扩展了矩阵键盘，红外发射 电路以及电源电路；接收部分则以 AT89S52 单片机为核心，外围扩展了红外接 收电路，按键显示电路，电源电路以及与按键相应的继电器控制家用电器电路。 红外信号的发射采用脉冲个数编码的方式

2、，根据不同的按键设定不同的编码，通 过软件实现解码，从而控制相应电器的开和关。通过硬件和软件相结合的方式， 此设计实现了手持遥控器，按下一个按键，相应的电器接通电源开始工作，并显 示按键号码，再按一下，该电器切断电源停止工作。此设计具有操作码个数可随 意设定，编程灵活多样等优点。关键词 ：单片机；红外；编码解码ABSTRACTThe aid of this ariticle is to search a way toKey Words ：MCU;Inframed;目录1 引言 错误 !未定义书签。1.1 智能家居的发展 错误!未定义书签。1.2 微处理器的功能及其应用 错误 !未定义书签。1.

3、3 通信技术的发展及其前景 错误 !未定义书签。2 系统原理和部分方案比较 错误 !未定义书签。2.1 系统原理综述 错误 !未定义书签。2.2 课题总体要求 错误 !未定义书签。2.3 系统各部分方案比较 错误 !未定义书签。2.3.1 控制方式比较 错误 !未定义书签。2.3.2 信号处理方案 错误 !未定义书签。2.3.3 微处理器的选择 错误 !未定义书签。3 系统硬件设计方案 错误 !未定义书签。3.1 系统工作原理流程 错误 !未定义书签。3.2 系统主控制器选择 123.2.1 单片机（ MCU ）概述 123.2.2 MCU 芯片简介及器件选择 143.2.3 AT89S52

4、简单介绍说明 153.3 信号的发射接收电路 错误 !未定义书签。3.3.1 红外发射电路设计 错误 !未定义书签。3.3.2 红外接收电路设计 错误 !未定义书签。3.4 遥控键盘电路 错误 !未定义书签。3.4.1 按键安装方法 错误 !未定义书签。3.4.2 矩阵扫描 错误 !未定义书签。3.4.3 健功能 错误 !未定义书签。3.5 数码显示电路 错误 !未定义书签。3.5.1 驱动电路 错误 !未定义书签。3.5.2 数字显示电路 错误 !未定义书签。3.6 继电器控制家电输出电路 错误 !未定义书签。3.6.1 继电器原理 错误 !未定义书签。3.6.2 控制电路 错误 !未定义书

5、签。4 程序控制 错误 !未定义书签。4.1 系统软件介绍 错误 !未定义书签。4.2 总程序流程 错误 !未定义书签。4.3 程序 错误 !未定义书签。4.4 系统整体电路图 错误!未定义书签。5 开发环境及程序下载 错误 !未定义书签。5.1 开发环境 错误 !未定义书签。5.2 程序下载 错误 !未定义书签。5.2.1 系统下载 错误 !未定义书签。5.2.2 外加软件下载 错误 !未定义书签。6 系统测试及数据记录 错误 !未定义书签。6.1 软件测试 错误 !未定义书签。6.1.1 功能仿真 126.2.2 146.2 硬件测试及仿真 126.3 系统数据记录 127 课题相关技术发

6、展前景 错误 !未定义书签结 论 错误 !未定义书签参考文献 错误 !未定义书签附录 1： 程序 错误!未定义书签附录 2 ： 系统电路图 错误!未定义书签附录 3 ： 系统 PCB 图 错误!未定义书签致 谢 错误 !未定义书签1 引言当今社会是数字化的社会， 也是数字集成电路广泛应用的社会。 而数字集成 电路本身也在不断地进行更新换代， 不断的进步创新。 它由早期的电子管、 晶体 管、小中规模集成电路，发展到超大规模集成电路（ VLSIC ，几万门以上）以及 具有许多特定功能的专用集成电路 （ASIC ）。并且在现代高新电子产品的设计和 生产中，数字集成电路技术和现代电子设计技术是相互促进

7、、 相互推动又相互制 约的两个技术环节。 前者的进步就表现在大规模集成电路加工技术， 即半导体工 艺技术的发展上；而后者的核心则是 EDA （电子设计自动化）技术，它使得设 计者的工作仅限于软件的方式，即利用硬件描述语言（本文只涉及到 VHDL 硬 件描述语言）和 EDA 软件来完成对系统硬件功能的实现，避免了硬件电路在搭 接时所出现的问题。1.1 ASIC 技术促使可编程逻辑器件发展随着微电子技术的发展， 设计与制造集成电路的任务已经不再由某个大规模 的生产厂商来独自承担了， 更甚至于系统设计师们都愿意自己设计专用集成电路 （ASIC ）芯片，而且希望 ASIC 的设计周期尽可能短，最好是在

8、实验室里就能 设计出合适的 ASIC 芯片，并且立即投入实际应用之中。 也就是这种现场可用的 思想促成了现场可编程逻辑器件（ FPLD ）的出现，其中应用最广泛的当属现场 可编程门阵列（FPGA）和复杂可编程逻辑器件（CPLD ）了 门20 对于电子系统设计来说，在以前的很长一段时间里，设计某个电子控制系统 大多数情况下是用指令少、 功能单一的单片机， 但是用其开发出来的硬件系统及 其电路结构庞大而复杂、 成本高、 经常容易发生电路方面的故障， 并且由于系统 是针对某一个特定的功能而设计的，对今后系统的升级和功能扩展都非常困难0 显然这样的单片机在某种程度上已经不能再满足设计要求了0而CPLD

9、 （或FPGA ）芯片作为一种新兴的设计器件，在技术上与单片机相比有很多优势，光 说其实现的工艺就有反熔丝技术、 EPROM 技术和 EEPROM 技术等0 实现了电 可擦除、电可改写和紫外线擦除， 其输出结构是可编程的逻辑宏单元， 因而它的 设计具有很强的灵活性0这些 PLD 器件的一个共同特点，就是可以实现速度特 性较好的逻辑功能，可见用这种 CPLD 芯片进行开发设计时，只需要增加少量 的外围电路， 并结合可控制它的丰富的指令集合， 就可以获得功能强大的控制系 统0又由于这种芯片内含有可下载程序固定接口和 EEPROM 、Flash 0因此， 开发出来的系统具有可升级性 （内部程序可擦除

10、，进行重新烧写 ），用户可以根据 需要对其进行功能扩展，既可以缩短系统开发周期，又可以减少开资0利用 EDA 技术（ CPLD/FPGA ）进行电子系统设计的最终目标，是完成专 用集成电路 ASIC 的设计和实现，而在电子科技高速发展的当今，再加上上述CPLD/FPGA （复杂可编程逻辑器件 / 现场可编程门阵列）的各种优点，它以成 为实现这一途径的主流器件。 其特点是直接面向用户， 具有极大的灵活性和通用 性，使用方便，硬件测试和实现快捷，开发效率高，成本低，上市时间短，技术 维护简单，工作可靠性能好。例如 Altera 公司最新生产的 MAXII 系列 PLD ， 这是一种基于 FPGA

11、（ LUT ）结构，集成配置芯片的 PLD ，在本质上它就是一 种在内部集成了配置芯片的 FPGA ，但由于配置时间极短， 上电就可以工作， 所 以对用户来说，感觉不到配置过程，可以与传统的 PLD 一样使用，加上容量和 传统 PLD 类似，所以 Altera 公司把它归作 PLD 。 还有像 Lattice 公司的 XP 系列 FPGA ，也是使用了同样的原理， 将外部配置芯片集成到内部， 在使用方法 上和 PLD 类似，但是因为容量大，性能和传统与 FPGA 相同，也是 LUT 架构， 所以 Lattice 仍把它归为 FPGA 之列。总之，由于以上的各种突出优点， CPLD 或 FPGA

12、 芯片已成为大多数电子设计工程师进行电子设计的首选器件。1.2 CPLD （FPGA ）实现系统控制把以CPLD （或FPGA ）芯片为核心，作为主控制器开发出来的各种测量及 控制系统，作为家用电子产品的一个组成部分嵌入某个系统中， 使其更具智能化、 拥有更多功能， 便于人们操作和使用， 从而更具时代感， 这也是家用电子产品的 发展方向和趋势所在。 有的家用电器领域要求增加显示、 报警和自动诊断等功能。 这就要求我们生产的产品具有自动控制系统。 而所谓的自动控制功能的实现主要 是由计算机来完成的， 可用的方法主要有两种： 离线控制和在线控制。 离线控制 包括利用计算机实现对控制系统总体的分析、

13、 设计、仿真及建模等工作； 在线控 制就是以计算机代替常规的模拟或数字控制电路，使控制系统“软化” ，让计算 机位于其中， 并成为控制系统、 测试系统及信号处理系统的一个组成部分。 这类 控制由于需要有像计算机一样的智能控制系统身处其中， 因此对控制系统有体积 小、功耗低、价格低廉以及控制功能强大等要求，而为了满足这些要求，就应当 使用可编程逻辑器件的具体芯片来实现。例如：本文所研究的课题就是利用 CPLD 器件（ EP1K100QC208-3 ）为主控芯片，来实现系统的整体功能的。然而，由于 CPLD 与控制对象联系密切， 所以设计一个系统， 不但对 CPLD 芯片的性能要求高，而且对设计者

14、的要求也很高。他们不但要熟练掌握 CPLD 知识，而且还要了解控制对象，懂得传感器技术，具有一定的控制理论知识等。 还拿本文所研究的课题为例，除了利用 CPLD 具体芯片外，还用到了传感器， A/D 转换器以及放大显示电路等，才实现完成了系统总体功能检测室温显 示，并实现报警。2 系统原理和部分方案比较一个完整的系统， 必须经过系统整体原理分析和各部分的方案比较， 选择最 佳最优的实现方法，才能完美而立于不败之地。2.1 系统原理概述当今社会， 随着现代测量、 控制和自动化技术的发展， 信息采集的方法越来 越多，而在所有信息的采集途径中，用的最普遍、最基础的，就是传感器。如果 把电子计算机比作

15、人的“大脑” ,那么传感器则酷似人的“五官” （视觉、嗅觉、 味觉、听觉和触觉）了。其重要性则可一目了然，不过对传感器的要求可要比人 的五官的要求高得多， 并且传感器的种类也在日益增多， 涉及到的范围也日益变 广。如AD公司生产的模拟电压输出型的温度传感器 TMP35/36/37 ，它主要应 用于环境控制系统、过热保护、工业过程控制、火灾报警系统、电源系统监控以 及仪器散热风扇的控制等。还有NATIONAL SEMICONDUCTOR 生产的与微处 理器相结合的测温及温度控制、管理的温度测量控制器 LM80 ，它主要应用于个 人计算机及服务器的硬件及系统的温度监控、 办公室设备、 电子测试设备

16、等。 以 及MAXIN公司生产的主要应用于CPU冷却控制的PWM风扇控制器及遥控温度 传感器MAX1669。因此，测量外界温度的方法有很多种，然而，由于热敏电阻 及其放大电路受到环境的影响，在不同的条件下会出现不同的测温偏差，而 TMP35/36/37， LM80 ， MAX1669 这些传感器的造价又太高， 在相同条件下，由于测温精度、 处理精度等多方面的因素， 不同的通道也会出现不同的偏差， 因 此必须采用一种灵活的修正方式，这便用到了电压型的温度传感器 LM35D 。它 的线性好（10mV/ C），宽量程（0-100 C），精度高（+0.4 C ），低成本，而 且采集到的是电压型信号，易

17、于处理，使得电路简单实用 3。如上所述，本课题的设计就是利用温度传感器 LM35D 来采集温度信号的， 随后将采集到的微弱模拟电压信号经过放大器 OP07 放大十倍后送入 A/D 转换 器（ ADC0804 ），将其转换为数字信号后，再传给 CPLD 芯片（这里用到的型 号是EP1K100QC208-3），即该系统的核心部件，通过硬件描述语言（VHDL ）编程进行信号处理， 然后经过预先设置好的端口将数字信号传送给 74LS138 译 码器以及驱动器 CD4511 和报警器，使 LED 八段数码管动态显示室温和实现 报警。经实验调试，用该方法对0 C -100 C范围的温度测量时，测量误差为+

18、0.4 C,可靠性好、抗干扰性能强。采用CPLD芯片作为核心监控器对外界温度进行测量，这样，既可以降低对温度传感器和放大电路的要求， 从而降低成本， 又可以针对不同外部环境或不同通道对温度显示的显示监控设定进行灵活修改， 实现系统的升级。2.2 课题总体要求（1）利用电压型温度传 感器 LM35D 作为 信息采集器件采 集室 温并产生10mv/ C的电压信号；(2) 利用 OP07 放大器将微弱的电压信号放大预先设置好的倍数， 以驱动后面电 路；(3) 利用 A/D 转换器将放大后的模拟信号转换为数字信号，供系统处理；(4) 将数字信号送入 CPLD 芯片进行处理；(5) 时时显示转换后的室温

19、，进行监控；(6) 温度超过警戒温度时，进行报警。2.3 系统各部分方案比较信号采集方案比较在目前，信号采集有多种方法， 而可用于本系统的温度的信号采集大致有三 种方法，下面分别介绍各种方法的优缺点，讨论它们的可行性。方案一：采用热敏电阻采集室内温度信号。用此方法可满足 40 C-90 C的 测量范围， 但热敏电阻的精度、 重复性及其可靠性都比较差， 并且对于检测小于 1C的温度信号时，误差大、不可靠，所以此方法不可取。方案二：利用电流型温度传感器 AD590 采集室内温度信号。 AD590 具有 较高精度和重复性(重复性优于 0.1 C),其良好的非线性可以保证优于+0.2 C 的测量精度，

20、利用其重复性较好的特点，通过非线性补偿，可以达到 +0.2 C测 量精度。电流型温度传感器 AD590 是二端器件， 它采用了一种独特的电路结构，利 用最新的薄膜激光微调技术作最后的定标， 因而具有很高的精度。 且其灵敏度为 1uA/K ，具有很宽的工作电源电压范围和很高的输入阻抗。作为一种高阻电流 源，我们不需要考虑其传输线上的电压信号损失和噪声干扰的问题， 因此特别适 合做远距离测量或控制应用。出于同样的道理， AD590 也特别适用于多点温度 测量系统，而不必考虑选择开关或 CMOS 多路转换开关所引入的附加电阻造成 的误差。但是，由于AD590采集到的信号是电流信号，所以在将数据传给A

21、DC0804 模数转换器之前， 必须先把电流信号转变成电压信号， 在此期间不但造成了一定 的信号损失， 又影响了精度， 这就要求我们在 A/D 转换器前设计一个信号保持电 路。这样一来，用 AD590 来检测、采集室温的电路就显得很复杂。而且，在高 精度测温电路中，还必须考虑 AD590 的输出电流不被分流影响，因此也放弃使 用本方案。方案三： 采用电压型温度传感器 LM35D 采集温度信号。 LM35D 是精密集 成电路温度传感器 ， 它的输 出电压与 摄氏温度线 性成比 例， 比例 关系是 10mV/ Co并且，LM35D无需外部校准或微调来提供土 0.4 C的常用的室温精 度，就把信号损

22、失减少到了最小。而又因为它的线性性极好，所以编程时很容易 实现。因此，对于本课题来说，选用此方案。232模拟信号数字化处理方案由于整个系统主要是处理数字信号而进行工作的， 所以当由传感器采集到模 拟信号后，必须先进行模数转换才能够使整个系统运行工作。而对于模数转换器 件的选择，本课题用的是 ADC0804，即系统采用 ADC0804模数转换器作为 模拟信号数字化的器件，进行数字化处理，为系统提供数字信号量的。233信号处理方案本系统利用CPLD芯片进行信号处理。将经过A/D转换器转换后的数字信 号送入CPLD芯片，进而根据已经编好的程序（程序见附录）处理温度的数字 信息，进一步时时显示室内温度

23、和报警，达到时时监控的目的。也就是说采用 CPLD芯片作为系统信号处理主控制器。显示部分方案比较方案一：以前的电子工程师们进行电子设计时， 大部分都使用单片机通过串 口通信线TXD、RXD （ P3.0、P3.1 ），再加移位寄存器 74LS164来实现LED 的显示功能，如图2-1所示。这样一来，使得每一个LED数码管都需要一片74LS164，使得电路比较麻烦，并且与单片机接口的编程程序不易实现，所以本课题放弃使用次方案。图2-1通过串口通信线TXO、RXD实现LED显示功能方案二：近年来，国内外有许多基于串行总线方式的LED显示器接口芯片不断出现，这些芯片与另一种功能更强、速度更快的控制芯

24、片连接，可实现以往 单片机不能实现的多种功能，并且具有占用I/O 口线少，进行功能扩展方便，使用起来十分容易等特点，这就是用EDA技术来开发的CPLD芯片，因此本系 统选用此方案。在选用CPLD芯片后，再选用3个共阴极的8段数码显示管（TOD5201AE ） 来实现动态显示，用 CPLD已经编好的程序来驱动一片 CD4511 和一片 74LS138就可以控制段码和位选，以实现温度显示的功能。系统报警方案设计在设计开始时，想要的系统功能之一，是想让在室温达到并超过警戒温度时， 系统可实现报警，给人以提示。在此，可用一个风鸣器和一个三极管放大电路来 实现报警功能。具体的电路分析，详述见下文中。3系

25、统整体硬件设计方案3.1系统工作原理流程根据课题设计要求可知，该系统需要利用电压型温度传感器采集室内温度， 产生10mV/ C的电压信号，随后，将该信号送入放大器进行放大，再把此放大 后的信号送给A/D转换器进行模数转换，之后由CPLD芯片编程处理，即通过 CPLD芯片编程设定上下限报警温度，并显示转换后的室温。具体流程图如图 3-1所示。图3-1系统流程图在温度信号采集电路中采用方案三，使用线性成比例（10mV/ C）的电压 型温度传感器采集信号，之后，将微弱电压信号经过整个硬件与软件系统放大 100倍后的电压信号使其显示就是室温。首先，使采集到的电压信号经过放大 电路放大十倍后送入 A/D

26、转换器（ADC0804 ）。在此，将ADC0804的基准电 压设为2.5V，由于它为8位转换器，其内部转换关系将输入信号扩大 50倍后, 才将模拟信号转换为数字信号。之后，将转换后的数字信号传给CPLD芯片（EP1K100QC208-3），通过VHDL编程将扩大了 500倍的信号缩小5倍，即可将输入的微弱电压信号最终放大100倍，现在的电压值便是室温值。然后经过设置的I/O 口将数字信号传送给74LS138译码器以及驱动器CD4511和 报警器，使LED八段数码管动态显示室温和实现报警，从而实现整个系统的设 计功能。3.2传感器及放大电路321电压型温度传感器LM35D如图3-2所示，是一般传

27、感器的工作原理方框图图3-2传感器原理框图本系统的设计所用的传感器为 LM35D，它是LM35系列的一种，是精密集成电路温度传感器，其输出电压与摄氏温度线性成比例(10.0mV/ C),如图3-3所示其关系3。U(V) A图3-3传感器温度电压关系曲线因而LM35系列有优于用开尔文作为标准的线性温度传感器，在额定工作 温度范围内精度为土3/4 C。其密封适合用0-46晶体管封装，也适合用塑料TO-92晶体管封装。其特性如下：(1) 直接用摄氏温度校准，线性 +10.0mV/ C比例因数； 在-55+150 C额定范围内保证0.5 C精度(在 +25 C时)；(3)适用于遥控设备，因晶体片微调而

28、低费用； 工作在430V，小于60 yA漏泄电流，有较低自热，在静止空气中0.08 C； 只有土 1/4 C非线性值，低阻抗输出，1mA负载时0.1 QoLM35系列中的LM35D的工作电压为4V20V，故可直接用温控电路的 电源，但要加一个隔离二极管及平滑电容 C。LM35D测温范围0 C100 C, 输出电压直接与摄氏温度成比例，灵敏度为10mV/ C。将其输出电压接2V直流电压挡数字万用表，可读出的分辨率为 0.1 °C的温度读数。例如：室内温度是 28.7 C,那么其转换关系是28.7 °CX 10 mV/ C =287mV（3.1 ）则表上的读数就为287mV，即

29、反映室内温度：28.7 C。集成温度传感器LM35D是把测温传感器与放大电路做在一个硅片上，形成 一个集成温度传感器，它的外形与封装如下图（见图 3-4 ）。卜电源正极1艸）2-输出【比） GWD）1 2 3Vh-| 4-30VLM35D Vo_ o=T*lumV/?C3图图3-4 LM35D的引脚及封装LM35D是一种输出电压与摄氏温度成正比例的温度传感器，精度为土 1 C 最大线性误差为土 0.5 C,静态电流为80uA。该器件如塑封三极管（TO-92 ） 该温度传感器最大的特点是使用时无需外围元件，也无需调试和较正（标定）。LM35D如下图所示（图3-5 ）是LM35D的典型测温电路及其

30、转换电路的接口电路。27“3 GND1 nF图3-5 LM35D的典型测温电路及与转换电路接口在图3-5中，经LM35D输出端输出的信号经过了由 75 的电阻和1uF 的电容构成的积分滤波网络，可滤除其他的杂质信号，使采集到的与温度成比例（10mV/ C）的电压信号更加稳定，之后再将温度信号经过放大器送给 ADC0804进行转换。322放大电路设计图3-6 系统的放大电路部分如图3-6所示，为系统的放大电路部分，电压型温度传感器LM35D采集到的室温为很微弱的模拟量。例如：若室温为 26 C,那么经LM35D采集后得 到的电压信号为0.26 V，这样一个微弱的电压信号，既不利于处理又容易产生

31、误差且不稳定。所以我们需要将此信号在整个硬件系统和软件系统中放大100倍（如前所述），之后将其送入驱动电路，即可在 LED数码管上显示室温，达 到目的。如图所示，在放大电路中，取R6为1K是为了好计算放大倍数，R5用20K的滑动变阻器使这个0.26 V的微弱电压信号可以在0-20的放大倍数 范围内可调，在此，将其放大10倍，因此需要将R5调至10K。这样经放大器 OP07放大后从第6脚输出的电压信号就为放大十倍的 2.6V。这样就足以驱动 后面的电路进行工作，达到系统设计的目的。3.3 A/D 转换电路部分分析3.3.1 A/D 转换器随着数字技术，特别是计算机技术的飞速发展与普及， 在现代控

32、制、通信及 检测领域中，为提高系统的性能指标，对信号的处理无不广泛的采用了数字计算 机。但由于系统的实际对象往往都是一些模拟量（如温度、压力、位移、图象等），所以要使计算机或数字仪表能识别和处理这些信号，首先就必须将这些模拟信号 转变为数字信号，这样就需要一种能将模拟信号转化为数字信号的电路一一模数 转换器（A/D转换器）。而为了将时间和幅值都连续的模拟信号转化为时间和幅 值都离散的数字信号，一般要经过四个过程5，如图3-7所示。图3-7 模数转换流程而在实际电路中，上述四个过程中有的是合并进行的。例如，取样和保持、量化 和编码，往往都是在转化过程中同时实现的。具体介绍如下：(1) 取样与保持

33、取样是将随时间连续变化的模拟量转换为时间离散的模拟量(这里要注意的是取样以后信号依然是模拟量)。取样的过程示意图如图3-8所示。TGVi(t)Vo(t)k1111S(t)图3-8取样过程图中的传输门受取样信号S (t)的控制，在S (t)的脉宽t期间，传输门导 通，输出信号Vo (t)为输入信号Vi(t)，即Vo(t)=Vi(t)，而在(Ts t)期间，传 输门关闭，输出信号Vo (t) =0。可见，取样就是在一个固定的时间点上采集一 个模拟信号的具体值，而要将取样得来的模拟信号转换为数字信号得经过一段时 间，所以有必要将取样电路每次取得的信号通过保持电路保持一段时间，以便给后续的量化编码提供

34、一个稳定值，即使用保持电路使整个系统更加协调稳定。(2) 量化与编码数字信号不仅在时间上是离散的，而且在幅值上也是不连续的。任何一个数 字量的大小只能是某个规定的最小数量单位的整数倍。为了将模拟信号转化为数字量，在A/D转化过程中，还必须将取样-保持电路的输出电压，按某种近似方 式归化到与之相应的离散电平上。 这一转化过程称为数值量化，简称量化。量化 后的数值最后还必须用某一个代码表示出来，这个过程就叫做编码。经编码得到的代码就是A/D转换器的最后输出量，就是表示模拟信号大小的数字信号量。332 A/D 转换器的选择近年来，A/D转换器随着半导体技术的不断发展而日新月异，各种性能优异的A/D转

35、换器层出不穷。早期的A/D转换器与CPU接口一般采用并行总线方式， 现在一些采用I2C、SPI总线的新型A/D转换器相继被国外一些公司推出，极大 地丰富了 A/D转换器的种类。A/D转换器的位数与一个应用系统前向通道中被测量对象的精度有关。一般情况下，由于客观条件的影响，电路设计中A/D转换器的分辨率要高于被测量对象的信号最低分辨率。假如，我们要测量一组电源电压，其电压的输出范围是0 10V，如要求精确到0.1V，即分辨率为0.1/10=1%,那么在实际应用中我们 选择分辨率为1/256=0.4% 的8位A/D转换器便可满足要求。当然，A/D转换器 的位数越多，分辨率也就越高，但是成本也就随之

36、愈高。因此在实际电路的设计 中，选择A/D转换器也不能一味强调位数，应该在满足系统性能指标的前提下， 追求最高的性能价格比。目前，被广泛使用的A/D转换器种类很多，从接口协议上分为串行和并行两 种方式。串行接口的A/D转换器占用较少的CPU外部I/O资源，主要采用的协议 有SPI和I2C等方式，程序设计较并行接口略显繁琐，典型的芯片有 TI公司的 TLC25431543 等等。并行接口的A/D转换器芯片目前仍占多数，流行的有 ADC0804、ADC0809、AD574等等。而本课题的设计使用的是 ADC0804来完成模拟信号向数字信号转变的。下面就来介绍A/D转换芯片的硬件设计方法。转换电路+

37、5畦4CPLD芯片D I 3 J" 5 6 7 DDDDDDDDCLK*RCXK-IN.WC08O；Vret'2A-UND图3-9 A/D转换电路如图3-9所示，是A/D转换器ADC0804的硬件设计电路，其中ADC0804 是逐次逼近型8位8通道A/D模数转换器。它的主要技术指标是：8位分辨率，土 1/2LSB的转换精度，转换时间典型值为100us （时钟频率为640KHZ时），电 源电压为单电源5V。其引脚中DB0 DB7为8位数字信号输出端（即转换后的数 字量），VCC为电源端，GND为接地端，VREF为参考电压输入端，CLK是时钟 信号输入端，第6脚接的是放大器送出的

38、温度信号量。信号从ADC0804的第6脚送入，R3与C3通过ADC0804的19脚（CLKR ） 接地与4脚（CLK ）向内部电路提供时钟信号，以给 ADC0804 一个正确的时序， 使其正确工作。如果从量程为0-100 C LM35D采集到最高温度100 C,那么由于LM35D 灵敏度为10mV/ C以及经过放大器OP07后放大十倍，则传到ADC0804输入脚 VI +的电压信号为10V，再经过ADC0804内部的输入电压与基准电压的公式 （如 下）放大50倍（此50倍为数字量的50倍）:（Ui/V REF *2） *256（3.2）其中“*”符号表示乘的意思，Ui表示为输入电压，即VI+，

39、Vref为ADC0804 内部设定的基准电压（随时可以更改）。如下图（图3-10 ）是A/D转换过程：VeVx（1000 ） （0100 ） （0110 ） （0111 ）II1I t图3-10 A/D转换过程原理图在硬件设计中，我们将基准电压（Vref ）调至2.5V，将VI+=10V代入上公 式则可得ADC0804的输出为10V电压的256/550倍，将其送入电路的信息处 理部分一CPLD芯片，再利用软件的方法将结果除以5便可达到最终的放大目的， 之后送入驱动电路使其显示出最大温度为 100 C。由于A/D转换器的分辨率为 1/256=0.4% ，我们将最高温度设为100 C的话，可得它的

40、测量精度为 100/256=0.4 C。那么如果将最高温度设为50 C,我们可得它的温度范围为 0-50 C,测量精度为50/256=0.2 C。为了提高精度，我们将最高报警温度设 为 50 Co还如前面的例子，如果室温为26 C，那么经放大电路放大后传到ADC0804 输入角VI+的电压信号为2.6V，将其代入上公式则可得ADC0804的输出为2.6V 电压的256/5 - 50倍的二进制数，将其送入系统的主控制器，我们再利用软件 的方法将结果除以5便可得送入驱动电路使其显示出的温度为 26 Co在这个转换 电路中，ADC0804起着两个作用，一是将模拟量转换为二进制的数字量，二是 将此输入

41、信号在放大电路放大10倍后再放大50倍。ADC0804由CPLD芯片预设控制端启动，它与CPLD的接口电路工作的流 程图如图3-11所示。经ADC0804转换后的二进制数字信号通过DB0-DB7端口传CPLD芯片 的预设输入端，供后面编程控制，使其缩小 5倍，然后显示室温。CS端为 ADC0804的片选信号端，低电平有效。WR、RD分别为写、读端，将其与CPLD 芯片的写、读端相连。INTR端为中断口，当其为高电平时表示转换完成，之后， 送中断信号给单片机，等待CPLD芯片发出信号接收转换好的数据。可见，在整 个系统中，A/D转换电路起着至关重要的作用。它的设计好坏直接影响着整个系 统的工作性

42、能。图3-11ADC0804工作流程图3.4系统主控制器选择3.4.1 CPLD(FPGA)概述集成电路的发展大大促进了 EDA的发展，从而使电路设计从传统的“自上 而下”的设计方法转变为“自下而上”的设计方法。设计师们都希望自己设计的 芯片能够反映自己的思想，并且能够及时的投入生产使用，这都有益于可编程逻 辑器件(PLD )的出现。现在应用最广泛的PLD 主要是现场可编程门阵列(FPGA，Field programmable Gate Array )和复杂可编程逻辑器件( CPLD ， ComplexProgrammable Logic Device ) 。可编程逻辑器件( PLD ，Pro

43、grammable Logic Device )是 ASIC 的一个 重要分支，其发展历程大致经历了以下几个阶段：(1) 20 世纪 70 年代，熔丝编程的 PROM 和 PLA 器件是最早的可编程逻辑器件。(2) 20 世纪 70 年代末，对 PLA 进行了改进， AMD 公司推出 PAL 器件。(3) 20 世纪 80 年代初， Lattice 公司发明电可擦写的，比 PAL 使用更灵活的 GAL 器件。(4) 20 世纪 80 年代中期， Xilinx 公司提出现场可编程概念，同时生产出世界 上第一块FPGA 芯片，并且， Altera 公司推出 EPLD 器件，较之 Gal 器件具有更

44、高 的集成度，可用电或紫外线擦除。(5) 20 世纪 80 年代末， Lattice 公司又提出系统可编程技术，推出一系列具备 系统可编程能力的 CPLD 器件，能实现更复杂的逻辑功能。(6) 20 世纪90 年代，可编程逻辑集成电路技术进入飞速发展时期，器件的可用 逻辑门超过百万门，并出现了内嵌发展功能模块(如加法器、乘法器、RAM、CPU 核、 DSP 核、 PLL 等 )的 SOPC 。总的说来， PLD 器件是厂家作为一种通用型器件生产的半定制电路，用户 可通过对器件编程实现所需要的逻辑功能。并且它是一种用户可配置的逻辑器 件，其成本比较底，使用灵活，设计周期短，而且可靠性高，风险小，

45、因而很快 得到普及应用，发展非成迅速。从 20 世纪 70 年代发展到现在， PLD 已经在各 个方面的工艺上取得了突破和不断发展。经历了从PROM 、PLA 、PAL、GAL到CPLD( FPGA )、ispLSI等高密度的PLD发展过程。其中PAL和GAL都所 于简单的 PLD ，它们结构简单，设计灵活，对开发软件的要求低，但是规模都 很小，难以实现复杂的逻辑功能，所以随着技术的发展，种种弊端也暴露出来， 因此， CPLD 等一系列的复杂 PLD 迅速的发展起来，并向着高密度，高速度， 低功耗以及结构体系更灵活、通用范围更广的方向发展。复杂可编程逻辑器件( CPLD ，复杂 PLD 。统称

46、将集成度达到一定程度的 PLD 器件叫做 CPLD 。 ) ，是20世纪80年代末 Lattice 公司提出的在线可编程 (isp， In system programmability )技术以后， 于 20 世纪 90 年代初出现的。 它是在 EPLD 的基础上，采用 E2CMOS 工艺制作发展起来的。与 EPLD 相比， 它增加了内部连线，对逻辑宏单元和 I/O 口都有重大的改进。 CPLD 至少包括 三个部分：可编程逻辑宏单元，可编程 I/O 单元和可编程内部连线。典型的器 件有 Altera 的 MAX7000 系列， Xilinx 的 7000 和 9500 系列， Lattice

47、的PLSI/ispLSI 系列和 AMD 的 MACH 系列随着数字逻辑系统功能复杂化程度的不断加大， 集成芯片正朝着超大规模、 高密度的方向发展。与此同时，人们发现一个超大规模的数字时序系统芯片在 工作时从时间轴上来看，并不是每一瞬间系统的各个部分都在工作，而系统是 各个局部模块功能在时间链上的总成。同时还发现，基于 SRAM 编程的 CPLD/FPGA 可以在外部逻辑的控制下，通过存储于存储器中不同的目标系统 数据的重新下载，来实现芯片逻辑功能的改变。正是基于这个称之为静态系统 重构的技术，有人设想利用芯片的这种分时复用特性， 用较小规模的CPLD (或 FPGA )芯片来实现更大规模的数

48、字时序系统。 在研究过程中人们却发现常规的 SRAM 的 CPLD 只能实现静态系统重构。因为该芯片功能的重新配置大约需要 数毫秒到数十毫秒量级的时间；而在重新配置数据的过程中，旧的逻辑功能失 去，新的逻辑功能尚未建立，电路逻辑在时间轴上断裂，系统功能无法动态连 接。要实现高速的动态重构，要求芯片功能的重新配置时间缩短到纳秒量级， 这就需要对 CPLD 的内部组成结构进行革新。在早期的 CPLD 中，由结构相同的逻辑阵列组成宏单元模块。 对一个逻辑阵 列单元来说，输入项由专用的输入端和 I/O 端组成，来自 I/O 端口输入项，可 通过 I/O 结构控制模块的反馈选择，也可以由 I/O 端直接

49、输入，也可以是本单 元输出的内部反馈。 所有的输出项都经过缓冲器驱动， 并输出其输入的原码及补 码。可以看出， 早期 CPLD 中的逻辑阵列结构与 PAL、GAL 中的结构极为类似， 只是用 EPROM 单元取代了 PAL 中的熔丝和 GAL 中的 EEPROM 单元。和 GAL 一样， CPLD 可实现擦除和再编程功能。在基本结构中，每个或门有 8 个固定 乘积项，也就是说逻辑阵列单元中的或门阵列是固定的、 不可编程的， 当遇到复 杂的组合逻辑时，需要的乘积项可能超过 8 个，这就要用两个或多个逻辑单元 来实现，致使器件的利用率不高。为此，目前的 CPLD 在逻辑阵列单元结构方 面做了很大的

50、改进，主要表现在以下两个方面：(1) 乘积项数目不同的逻辑阵列单元对于复杂的逻辑器件来说， 逻辑函数往往需要附加乘积项。 以便利用其他宏 单元以提供以提供所需的逻辑资源， 还可以利用其结构中具有的共享和并联扩展 乘积项。达到尽可能的少占资源，并且尽可能的加快工作速度的目的。(2) 具有两个或项输出的逻辑阵列单元 每个逻辑阵列单元可以共享相邻单元中的乘积项，也可以使本单元中的两个或项都可用于相邻的两个单元中， 这样，既提高了器件内部各单元的利用率， 又 可实现更为复杂的逻辑功能。CPLD 的 I/O 口控制模块， 根据器件的类型和功能的不同， 可有各种不同的 结构形式， 但基本上每个模块都由输出

51、极性转换电路、 触发器和输出三态缓冲器 三部分及于它们相关的选择电路组成。 各个生产厂家可以根据不同的用途和使用 对象的不同进行选择生产，以求达到最佳的生产和使用目的。3.4.2 CPLD 芯片简介及器件选择CPLD （或 FPGA ）的主要生产厂家是 Altera 公司、 Xilinx 、Lattice 等， 各自都有自己的产品特点。（1）Altera 公司 CPLD 的系列型号Altera 公司多年来一直在 PLD 行业保持着领先地位，并在我国有着较多的 用户，该公司的 PLD 器件具有高性能、高集程度、高性价比、低功耗等特点。 主要型号有胶合（glue ）逻辑类的MAX系列，低价位的AC

52、EX系列、高速FLEX 系列、高密度的 APEX 系列等。而后来又推出的 EPM 系列和 EPF 系列的集程 度更是大大提高，性能更加优越。在众多的产品系列中， Altera 公司推出的新型低成本 CPLD 器件 ACEX 系列的主要特点为： 密度范围大， 从1万到10 万门（56,000 到257,000 系统 门）；配备锁相环（PLL）技术，与64位、66MHZ的PCI兼容；产品系列从 原 1.8v 扩展至 2.5v ；提供系统速度超过 115MHZ 的高性能功能。所以， ACEX 系列是许多设计者进行设计的优选器件。（2）Xilinx 公司 CPLD 的系列型号Xilinx 公司是在 1

53、985 年首次推出 CPLD 器件的，随后不断的推出新的集 程度更高、速度更快、价格更低的 CPLD 器件。其主要的 CPLD 器件以 CoonRunner 和 XC9500 两大系列为代表。其中 XC9500 系列被广泛应用于 通信、网络和计算机等产品中。该系列器件采用快闪存技术，比E2CMOS 技术工艺的速度更快，功耗更低。目前， Xilinx 公司 XC9500 系列 CPLD 的 tPD 可 达4ns，宏单元数可达288个，系统时钟可达200MHZ。XC9500系列器件支 持 PCI 总线规范和 JTAG 边界扫描测试功能，具有在系统可编程（ isp ）能力。 该系列有 XC9500

54、、 XC9500XV 和 XC9500XL 三种类型，内核电压分别为 5V 、 2.5V 、 3.3V ，也就如前所说，其功耗很低。（3）Lattice 公司 CPLD 的系列型号Lattice 公司是最早推出 PLD 器件的公司， 20 世纪 90 年代以来， Lattice 公司首先发明了 isp技术，并将E2CMOS与isp技术相结合，使CPLD的应用 领域有了巨大的发展。其产品主要有 ispLSI 、 ispMACH 等系列。集程度在 1 万门到 2.5 万门之间。工作电压在 3.3V ，而其 I/O 口引脚可兼容 5V、 3.3V 和 2.5V 等接口标准。可用于高位的数字系统中，准

55、确率很高。其中 ispLSI 系列器件又分为四个系列： ispLSI1000 系列、 ispLSI2000 系 列、ispLSI6000 系列和ispLSI8000 系列。都可以满足复杂程度很高的逻辑功 能设计。根据以上所述，各个厂家生产的CPLD芯片可谓各有各的优点，功能都很齐 全，而在本系统的设计中，对CPLD芯片的选择是选用了 Altera公司ACEX1K 系列的EP1K100QC208-3 。因为本人在平时的实践训练中用的多数都是此芯 片，有较多的关于EP1K100QC208-3的资料可以查询，对EP1K100QC208-3的大多性能都有了一定的了解，用起来可以得心应手，并且与其他的C

56、PLD芯片比起来，EP1K100QC208-3这一型号的优点也很多，功能也很强大，故选择该器件。343 EP1K100QC208-3简单介绍说明EP1K100QC208-3（管脚图见附录 2 ）是Altera 公司生产的 ACEX1K系列中的一个型号。它一共有 208个管脚，其中I/O 口有124个，GNDIN有 20 个，VCCIN 有 11 个，VCCIO 有 14 个，VCC_CLK 和 GND_CLK 各有一 个，另外还有时钟、数据输入、专用程序下载口等一共是37个。在此芯片上有如此多的I/O 口，其目的就是为了方便用户可以任意定义信号的输入输出口， 从而实现复杂的逻辑功能。这也是CPLD 的复杂功能所在，更是 EP1K100QC208-3 的用途所在。由于由CPLD芯片的预设输出口发出的电压信号非常微弱，因此，需要将 其放大，才能带动蜂鸣器使其工作。R8用一个滑动变阻器使这个电压信号的放 大倍数可调，此报警电路的输入引脚由 CPLD