第3章 最小系统

1、第三章 最小系统设计3.1 最小系统 概述 一个嵌入式处理器自己是不能独立工作的，必须给它供电、加上时钟信号、提供复位信号，如果芯片没有片内程序存储器，则还要加上存储器系统，然后嵌入式处理器芯片才可能工作。这些提供嵌入式处理器运行所必须的条件的电路与嵌入式处理器共同构成了这个嵌入式处理器的最小系统。而大多数基于ARM处理器核的微控制器都有调试接口，这部分在芯片实际工作时不是必需的，但因为这部分在开发时很重要，所以也把这部分也归入最小系统中。 3.1 最小系统 框图嵌入式控制器时钟系统调试测试接口复位及其配置系统存储器系统供电系统(电源)可选，因为许多面向嵌入式领域的微控制器内部集成了程序和数据

2、存储器可选，但是在样品阶段通常都会设计这部分电路嵌入式控制器时钟系统调试测试接口复位及其配置系统存储器系统供电系统(电源)嵌入式控制器时钟系统调试测试接口复位及其配置系统存储器系统供电系统(电源) 各部件简介电源供电系统(电源) 电源系统为整个系统提供能量，是整个系统工作的基础，具有极其重要的地位，但却往往被忽略。如果电源系统处理得好，整个系统的故障往往减少了一大半。 各部件简介电源嵌入式控制器时钟系统调试测试接口复位及其配置系统存储器系统供电系统(电源)供电系统(电源)设计电源时要考虑的因素：1.输出的电压、电流、功率；2.输入的电压、电流；3.安全因素；4.输出纹波；5.电磁兼容和电磁干扰

3、；6.体积限制；7.功耗限制；8.成本限制。 各部件简介电源1.分析需求 LPC1700系列芯片需要4组电源输入：数字3.3V、模拟3.3V、RTC电源VBAT3.3V和片内的ADC和DAC的参考电压VREF。因此，理想情况下电源系统需要提供4组独立的电源。如果系统的其它部分还有其它电源需求，则还需要更多的末级电源。但如果不使用LPC1768的AD功能，或对AD的要求不高，模拟电源和数字电源可以不分开供电，同时参考电压也直接使用模拟电压，RTC模块直接由内部供电或者外加一个电池作为掉电后的供电。 各部件简介电源2.设计末级电源电路 整个系统在3.3V上消耗的电流与外部条件有很大的关系，这里假设

4、电流不超过200mA，这样，电源系统3.3V能够提供600mA电流即可。 分析得到以下参数：3.3V电源设计最大电流：600mA； 各部件简介电源2.设计末级电源电路 在了解功率消耗之后，需要选择合适的器件。 因为系统对这两组电压的要求比较高，且其功耗不是很大，所以不适合用开关电源，应当用低压差模拟电源（LDO）。合乎技术参数的LDO芯片很多，1117系列芯片是一个较好的选择，它的性价比较好，且多个厂家生产，减少采购风险。 各部件简介电源SPX1117主要特点：0.8A稳定输出电流；1A稳定峰值电流；3V可调节；低静态电流；过流及温度保护；多种封装供选择。Vin1GND2Vout3U12SPX

5、1117M3-3.3C33104C610uF/16V+5VVDD3.3Vin1GND2Vout3U11SPX1117M3-1.8C44104C710uF/16V+5VVDD1.8 各部件简介电源3.设计前级电源电路 尽管1117允许的输入电压可达20V（参考芯片数据手册），但太高的电压使芯片的发热量上升，散热系统不好设计，同时影响芯片的性能。这样，就需要前级电路调整一下。如果系统可能使用多种电源（如交流电和电池），各种电源的电压输出不一样，就更需要前级调整以适应末级的输入。通过之前的分析，前级的输出选择为5V。选择5V作为前级的输出有两个原因：这个电压满足1117的要求；目前很多器件还是需要5

6、V供电的，这个5V可以兼做前级和末级了。 各部件简介电源3.设计前级电源电路 根据系统在5V上消耗的电流和体积、成本等方面的考虑，前级电路可以使用开关电源，也可以使用模拟电源。 它们的特别如下：开关电源：效率较高，可以减少发热量，因而在功率较大时可以减小电源模块的体积；模拟电源：电路简单，输出电压纹波较小，并且干扰较开关电源小得多。 各部件简介电源嵌入式控制器时钟系统调试测试接口复位及其配置系统存储器系统供电系统(电源) 各部件简介时钟 目前所有的微控制器均为时序电路，需要一个时钟信号才能工作，大多数微控制器具有晶体振荡器。简单的方法是利用微控制器内部的晶体振荡器，但有些场合（如减少功耗、需要

7、严格同步等情况）需要使用外部振荡源提供时钟信号。 时钟系统 各部件简介时钟 目前所有的微控制器均为时序电路，需要一个时钟信号才能工作，大多数微控制器具有晶体振荡器。简单的方法是利用微控制器内部的晶体振荡器，但有些场合（如减少功耗、需要严格同步等情况）需要使用外部振荡源提供时钟信号。 LPC1700X1X2CCXtalLPC1700X1X2CClock使用内部振荡器使用外部时钟源可以使用稳定的时钟信号源，如有源晶振等。 各部件简介时钟嵌入式控制器时钟系统调试测试接口复位及其配置系统存储器系统供电系统(电源) 各部件简介存储器系统 对于大部分微控制器来说，存储器系统不是必需的，但如果微控制器没有片

8、内程序存储器或数据存储器时，就必须设计存储器系统，这一般通过微控制器的外部总线接口实现。存储器系统 各部件简介存储器系统LPC2210存储器系统P2.22/D221P2.23/D2310P2.24/D2411P2.25/D2512P2.26/D26/BOOT013P2.27/D27/BOOT116P2.28/D28/RD617P2.29/D29/TD618P2.30/D30/AIN419P2.31/D31/AIN520P3.29/BLS2/AIN627P3.28/BLS3/AIN728P3.27/WE29P3.26/CS130P3.23/A23/XCLK40P3.22/A2241P3.21/A

9、2144P3.20/A2045P3.19/A1946P3.18/A1847P3.17/A1748P3.16/A1653P3.15/A1555P3.14/A1456P3.13/A1362P3.12/A1263P3.11/A1164P3.10/A1065P3.9/A966P3.8/A871P3.7/A772P3.6/A673P3.5/A574P3.4/A480P3.3/A381P3.2/A287P3.1/A188P3.0/A089P1.1/OE90P1.0/CS091P3.31/BLS096P3.30/BLS197P2.0/D098P2.1/D1105P2.2/D2106P2.3/D3108P2.

10、4/D4109P2.5/D5114P2.6/D6115P2.7/D7116P2.8/D8117P2.9/D9118P2.10/D10120P2.11/D11124P2.12/D12125P2.13/D13127P2.14/D14129P2.15/D15130P2.16/D16131P2.17/D17132P2.18/D18133P2.19/D19134P2.20/D20136P2.21/D21137P3.25/CS2/RD635P3.24/CS3/TD636LPC2210C?A01A12A23A34A45CE6I/O07I/O18I/O29I/O310Vcc11Vss12I/O413I/O51

11、4I/O615I/O716WE17A518A619A720A821A922A1023A1124A1225A1326A1427NC28I/O829I/O930I/O1031I/O1132Vcc33Vss34I/O1235I/O1336I/O1437I/O1538BLE39BHE40OE41A1542A1643A1744U5IS61LV25616ALD0D1D2D3D4D5D6D7D8D9D10D11D12D13D14D15A1A2A3A4A5A6A7A8A9A10A11A12A13A14A15A16A17nBLS0nBLS1nWEnCS1nOEVDD3.3C14104A18A151A142A13

12、3A124A115A106A97A88A199NC10WE11NC12NC13NC14NC15A1816A1717A718A619A520A421A322A223A124A025CE26Vss27OE28DQ029DQ830DQ131DQ932DQ233DQ1034DQ335DQ1136Vdd37DQ438DQ1239DQ540DQ1341DQ642DQ1443DQ744DQ1545Vss46NC47A1648U6SST39VF160D0D1D2D3D4D5D6D7D8D9D10D11D12D13D14D15A1A2A3A4A5A6A7A8A9A10A11A12A13A14A15A16A17A

13、18A19nWEnOEnCS0C15104VDD3.3A20A1A2A3A4A5A6A7A8A9A10A11A12A13A14A15A16A17A18A19D0D1D2D3D4D5D6D7D8D9D10D11D12D13D14D15nCS0nCS1nBLS0nBLS1nOEnWER24.7KR110KVDD3.3LPC2210SRAMFLASH嵌入式控制器时钟系统调试测试接口复位及其配置系统存储器系统供电系统(电源) 各部件简介调试与测试接口 调试与测试接口不是系统运行必须的，但现代系统越来越强调可测性，调试、测试接口的设计也要重视了。LPC1700有一个内置JTAG调试接口，通过这个接口可以

14、控制芯片的运行并获取内部信息。 调试测试接口 各部件简介调试与测试接口 各部件简介复位电路 各部件简介串口电路一 各部件简介串口电路二 各部件简介按键电路 各部件简介指示灯电路 各部件简介指示灯电路 各部件简介AD采集电路 各部件简介液晶显示电路 各部件简介芯片电路 各部件简介外扩接口第三章补充内容：数码管和按键本讲重点：本讲重点：LED显示接口（动态与静态，硬件译码与显示接口（动态与静态，硬件译码与 软件译码，电路与编程应用）软件译码，电路与编程应用）键盘接口（键盘种类键盘接口（键盘种类, ,矩阵键盘和独立键盘的矩阵键盘和独立键盘的 编程）编程）数码管接口扩展一、一、LEDLED显示器的扩展

15、显示器的扩展( (结构结构) )LEDLED数码管的数码管的结构结构：共阳与共阴共阳与共阴 微控制器微控制器系统扩展系统扩展LEDLED数码管时数码管时多用多用共阳共阳LEDLED: :共阳数码管每个段笔画是用低电平共阳数码管每个段笔画是用低电平( (“0 0”) )点亮的点亮的, ,要求驱动要求驱动功率很小；而共阴数码管段笔画是用高电平功率很小；而共阴数码管段笔画是用高电平( (“0 0”) )点亮的，点亮的，要求驱动功率较大。要求驱动功率较大。 通常每个段笔画要串一个数百欧姆的通常每个段笔画要串一个数百欧姆的降压电阻降压电阻。公共公共阳阳极极h g f e d c b ah g f e d

16、 c b aa ab bc cd dg ge ef fh h公共公共阴阴极极h g f e d c b ah g f e d c b aa ab bc cd dg ge ef fh hh g f ah g f a高电平点亮高电平点亮低电平点亮低电平点亮接高电平接高电平接地接地LEDLED数码管的数码管的译码译码：硬件译码与软件译码硬件译码与软件译码共阴共阴LEDa ab bc cd dg ge ef fh hg gf fe ed dc cb b a aD DC CB BA AP1.3P1.3P1.2P1.2P1.1P1.1P1.0P1.0CD4511CD4511MCUMCU74LS48/CD4

17、51174LS48/CD4511是是“BCDBCD码码七段七段共阴共阴译码译码/ /驱动驱动”IC; IC; 74LS4774LS47是是“BCDBCD码码七段七段共阳共阳译码译码/ /驱动驱动”ICIC一、一、LEDLED显示器的扩展显示器的扩展( (结构结构) )硬件译码特点硬件译码特点: :采用专用的译码采用专用的译码/ /驱动器件驱动器件, ,驱动功驱动功率较大率较大; ;增加了硬件的开销增加了硬件的开销; ;软件软件编程简单编程简单; ;字型固字型固定定( (比如比如: :只有七段只有七段, ,只可译数字只可译数字, ,字型不好看字型不好看) )。一、一、LEDLED显示器的扩展显示

18、器的扩展( (软件译码软件译码) )LEDLED数码管的译码：数码管的译码：软件译码软件译码软件译码特点软件译码特点: : 不用专用的译码不用专用的译码/ /驱动器件，驱动驱动器件，驱动功率较小功率较小；不增不增加加硬件的开销；软件硬件的开销；软件编程较复杂编程较复杂；字型；字型灵活灵活( (比如：比如：有八段，只可译多种字符，字型好看有八段，只可译多种字符，字型好看) )。共阳共阳LEDa ab bc cd dg ge ef fh hP1.0P1.0P1.1P1.1P1.2P1.2P1.3P1.3P1.4P1.4P1.5P1.5P1.6P1.6P1.7P1.7+5V+5VMCUMCULEDL

19、ED数码管的软件译码数码管的软件译码八段八段LEDLED数码管数码管段代码编码表段代码编码表( (连线不同可有多种表连线不同可有多种表):):公共阳极公共阳极h g f e d c b ah g f e d c b aa ab bc cd dg ge ef fh h公共阴极公共阴极h g f e d c b ah g f e d c b aa ab bc cd dg ge ef fh hh g f ah g f a高电平点亮高电平点亮低电平点亮低电平点亮接高电平接高电平接地接地字形字形0123456789黑黑共阳共阳0C00F90A40B09992820F880900FF共阴共阴3F065B4

20、F666D7D077F6F00一、一、LEDLED显示器的扩展显示器的扩展( (显示方式显示方式) )LEDLED数码管的数码管的显示方式显示方式：静态与动态静态与动态动态显示特点动态显示特点: : 有闪烁有闪烁，用，用元器件少元器件少，占占I/OI/O线少线少，必须扫描必须扫描，花费花费CPUCPU时间时间，编程复杂。编程复杂。( (有多个有多个LEDLED时尤为突出）时尤为突出）静态显示特点静态显示特点: : 无闪烁无闪烁，用，用元器件多元器件多，占占I/OI/O线多线多，无须扫描无须扫描，节省节省CPUCPU时间时间，编程简单。编程简单。静态显示静态显示: : 各数码管在显示过程中各数码

21、管在显示过程中持续持续得到送显信号，与各数码管接口得到送显信号，与各数码管接口的的I/OI/O口线口线是是专用专用的。的。动态显示动态显示: : 各数码管在显示过程中各数码管在显示过程中轮流轮流得到送显信号，与各数码管接口得到送显信号，与各数码管接口的的I/OI/O口线口线是是共用共用的。的。A AB BCLKCLKh g f e d c b ah g f e d c b aCLRCLRA AB BCLKCLKCLRCLRA AB BCLKCLKCLRCLR+5V+5VVCCVCCTxDTxDRxDRxD MCU74LS16474LS16474LS164h g f e d c b ah g f

22、 e d c b ah g f e d c b ah g f e d c b a+5V+5V共阳共阳LED数码管数码管LEDLED数码管数码管静态静态显示举例显示举例有几个有几个LEDLED就要几个就要几个74LS16474LS164，但只要数据不变，但只要数据不变，送一次就保持住了，且不闪烁，编程十分简单。送一次就保持住了，且不闪烁，编程十分简单。LEDLED数码管数码管动态动态显示举例显示举例P1.5 P1.5 P1.4P1.4P1.3P1.3P1.2P1.2P1.2P1.2P1.0P1.0P0.7 P0.7 P0.6 P0.6 P0.5 P0.5 P0.4 P0.4 P0.3 P0.3

23、P0.2 P0.2 P0.1 P0.1 P0.0P0.07406 OC7406 OC门门 X 3X 3上拉上拉电阻电阻1414+5V+5VMCU工作原理工作原理：从从P0P0口送段代码口送段代码,P1,P1口送位选信号口送位选信号。段码虽同时。段码虽同时到达到达 6 6个个LEDLED，但，但一次仅一个一次仅一个LEDLED被选中被选中。利用。利用“视觉暂视觉暂留留”，每送一个字符并选中相应位线，延时一会儿，每送一个字符并选中相应位线，延时一会儿, ,再送再送/ /选下一个选下一个循环扫描循环扫描即可。即可。共阴共阴 数码管数码管位位选选线线段段代代码码扩展键盘接口二、键盘接口键盘键盘 单片机

24、系统中完成控制参数输入及修改的单片机系统中完成控制参数输入及修改的基本输基本输入设备入设备，是人工干预系统的重要手段。，是人工干预系统的重要手段。单片机与计算机在键盘规模单片机与计算机在键盘规模/ /键符设置等方面差别键符设置等方面差别很大。很大。键盘分类键盘分类 按键值按键值编码方式编码方式分分 ( (硬件硬件) )编码键盘编码键盘与与非非( (硬件硬件) )编码键盘编码键盘。 按键组按键组连接方式连接方式分分 独立连接键盘独立连接键盘与与矩阵连接键盘矩阵连接键盘。编码键盘编码键盘: : 采用专用的编码采用专用的编码/ /译码译码器件器件, ,被按下的键被按下的键由该器件译码输出相应的由该器件译码输出相应的键码键码/ /键值键值。特点：特点：增加了硬件开销，编码因选用器件而异，编增加