毕业论文-基于单片机串口和SPI通信的速度测试系统设计与实现

1、大连东软信息学院本科毕业设计（论文）论文题目论文题目：基于单片机串口和SPI通信的速度测试系统设计与实现系 所： 电子工程系 专 业：电子信息工程（集成电路设计与系统方向） 学生姓名： 学生学号： 指导教师： 导师职称： 讲 师 完成日期： 2014年 4月 28日 大连东软信息学院Dalian Neusoft University of Information大连东软信息学院毕业设计（论文） 摘要 IV基于单片机串口和SPI通信的速度测试系统设计与实现摘 要磁卡是利用磁性载体记录英文与数字信息，用来识别身份或其它用途的卡片。磁卡是一种卡片状的磁性记录介质，与各种读卡器配合作用，大体可分为三种

2、卡片，分别为PET卡和PVC卡以及纸卡，根据磁层结构的不同，也可分为全涂磁卡和磁条卡两种。使用磁卡成为了人们生活中重要的一部分。因为磁卡的成本很低，易于使用，便于管理，且具有很大的安全性质，所以磁卡的发展受到了世界各大公司甚至是各国政府部门的大力支持，这便让磁卡的应用颇受关注。在人们生活的各个方面，打电话可以使用磁卡，机票也可以使用磁卡等，值得一提的是几十年全能银行系统推广使用磁卡普及率得到了很大的发展。本文主要论述了磁头芯片生产测试时，利用磁头耦合的自动发波方式代替刷卡的方案，磁条卡刷卡测速方案。通过分析刷卡波形，是用磁卡二进制F2F编码存储刷卡波形，在同过耦合的方式使被测磁头接受到正常的刷

3、卡波形，从而进行解码。本文叙述的系统同时支持手动刷卡测量，并提供手动刷卡测速模块，可直观判断刷卡速度。关键词：磁条卡，单片机，红外传感器，发波大连东软信息学院毕业设计（论文） AbstractThe Design and Implementation of Speed Test System Based on Chip Serial and SPI CommunicationAbstractMagnetic card is the use ofmagneticcarrier recordingEnglishand digitalinformation. Magnetic card isa ma

4、gnetic recording medium card.Generally can be divided into the PET card,PVC cardandthe Paper card, according to themagneticlayer structureis different, it can be divided intothe magnetic stripe cardandcoated magnetic cardtwo.The use of magnetic cards has a long history.Thecardhas the advantages of l

5、ow cost,easy to use,easy to manage,and has acertain security features,so it has been the development ofmany famouscompanies in the world,especially the governmentsfull supportfor dozens of years,thecardapplication is very popular,inevery aspect of national life.The phonecan use thecard,the plane tic

6、ketcan use thecard,and so on,it is worth mentioning that thebanking system iswidely usedfor decadesthemagneticpenetration ratehas great development.The paper mainly discusses the head chip production test, using the coupling of the magnetic head automatic hair wave mode instead of a credit card, mag

7、netic stripe CARDS speed. By analyzing swipe waveform, is to use binary F2F coding waveform storage card, magnetic card with coupled way to be accepted by a measuring head normal charge waveform, thus decoding. The paper support manual charge measurement system at the same time, and provide a manual

8、 charge speed measuring module, can be intuitive judgment charge speed. Key words: Magnetic stripe CARDS, Microcontroller, Infrared sensor, The wave大连东软信息学院毕业设计（论文） 目录目 录 TOC o 1-3 u 摘 要 PAGEREF _Toc387779751 h IAbstract PAGEREF _Toc387779752 h II第1章绪论 PAGEREF _Toc387779753 h 11.1课题研究背景与意义 PAGEREF _

9、Toc387779754 h 11.1.1磁条卡简介 PAGEREF _Toc387779755 h 11.1.2 现有的磁卡解码技术 PAGEREF _Toc387779756 h 21.2课题研究内容与方法 PAGEREF _Toc387779757 h 31.3 课题研究现状 PAGEREF _Toc387779758 h 3第2章关键技术介绍 PAGEREF _Toc387779759 h 42.1红外反射式光耦合管 PAGEREF _Toc387779760 h 42.2通讯方式 PAGEREF _Toc387779761 h 42.3波形存储与转换 PAGEREF _Toc3877

10、79762 h 4第3章系统需求分析 PAGEREF _Toc387779763 h 63.1系统设计目标 PAGEREF _Toc387779764 h 63.2 系统功能需求 PAGEREF _Toc387779765 h 63.3 系统非功能需求 PAGEREF _Toc387779766 h 63.4 系统开发环境 PAGEREF _Toc387779767 h 63.5 技术可行性分析 PAGEREF _Toc387779768 h 7第4章系统设计 PAGEREF _Toc387779769 h 84.1系统设计指导原则 PAGEREF _Toc387779770 h 84.2体系

11、结构设计 PAGEREF _Toc387779771 h 84.2.1 系统整体架构 PAGEREF _Toc387779772 h 84.2.2 手刷方式 PAGEREF _Toc387779773 h 94.2.3 自动发波方式 PAGEREF _Toc387779774 h 94.3硬件设计 PAGEREF _Toc387779775 h 104.3.1 电源电路 PAGEREF _Toc387779776 h 104.3.2 单片机外围 PAGEREF _Toc387779777 h 114.3.3 光耦电路 PAGEREF _Toc387779778 h 134.3.4 显示模块 P

12、AGEREF _Toc387779779 h 134.3.5 波形整合模块 PAGEREF _Toc387779780 h 144.3.6 报警模块 PAGEREF _Toc387779781 h 144.3.7 通讯模块 PAGEREF _Toc387779782 h 154.3.8 复位模块 PAGEREF _Toc387779783 h 17第5章硬件整合 PAGEREF _Toc387779784 h 185.1硬件原理图整合 PAGEREF _Toc387779785 h 185.2 PCB布局 PAGEREF _Toc387779786 h 185.3投板焊接 PAGEREF _T

13、oc387779787 h 22第6章软件调试 PAGEREF _Toc387779788 h 236.1波形分析 PAGEREF _Toc387779789 h 236.2 整体调试 PAGEREF _Toc387779790 h 236.2.1 刷卡波形处理 PAGEREF _Toc387779791 h 236.2.2 滤波效果测试 PAGEREF _Toc387779792 h 25第7章结论 PAGEREF _Toc387779793 h 26参考文献 PAGEREF _Toc387779794 h 27致谢 PAGEREF _Toc387779795 h 28大连东软信息学院毕业设

14、计（论文）- 第1章绪论1.1课题研究背景与意义正随着现代科学技术的飞速发展，计算机应用的广泛普及，人们对信息处理的速度和能力的要求也不断提高。作为对信息的采集和输入实现自动化的自动识别技术，近年来发展速度惊人。磁条卡在我国的应用逐年增多，今后将有更大的发展和广泛的应用。磁条卡利用磁性载体记录英文与数字信息，用来标识身份或其它用途的一种 HYPERLINK /view/724169.htm t _blank 卡片状的 HYPERLINK /view/141115.htm t _blank 磁性记录介质，与各种 HYPERLINK /view/6239.htm t _blank 读卡器配合作用。

15、磁卡是利用磁性载体记录了一些 HYPERLINK /view/1527.htm t _blank 信息，用来标识身份或其它用途的卡片。磁卡使用方便，造价便宜，用途极为广泛，可用于制作 HYPERLINK /view/8153.htm t _blank 信用卡、 HYPERLINK /view/128688.htm t _blank 银行卡、地铁卡、 HYPERLINK /view/2649778.htm t _blank 公交卡、门票卡、 HYPERLINK /view/218445.htm t _blank 电话卡；电子游戏卡、 HYPERLINK /view/136563.htm t _b

16、lank 车票、 HYPERLINK /view/59402.htm t _blank 机票以及各种 HYPERLINK /view/9338.htm t _blank 交通收费卡等。今天在许多场合我们都会用到磁卡，如在食堂就餐，在商场购物，乘 HYPERLINK /view/4328.htm t _blank 公共汽车，打电话，进入管制区域等等，不一而足。1.1.1磁条卡简介磁条卡是磁记录介质卡片的一种。它由纸质涂覆塑料或耐高温、高强度的塑料制成,能耐磨、防潮且有一定的柔韧性，携带方便、使用较为稳定可靠。通常磁卡的一面印刷有说明提示性信息，如插卡方向；另一面则有磁层或磁条，具有2或3个磁道来

17、记录相关数据信息。用磁卡识别技术以简化数据录入的应用，首先源于金融业，在银行存款现金的业务计算机化管理后不久，即出现了账户卡，随着用户提款机（ATM，Automatic Teller Machine）的出现得到了广泛应用。尤其在欧美发达国家，大部分证卡均配以磁卡，以利于检索之用。一般而言，磁卡上的磁带有3 条磁道，分别为Track1，Track2 及Track3。每个磁道都可以记录不同的信息，这些不同的数据信息可以有不同的应用。除此之外，还有一些应用系统的磁条卡只使用了两个Track，甚至只有Track1。在实际应用的时候,可以跟句自己的需求来确认具体使用单个磁道还是全部磁道。如图1所示，该张

18、磁卡符合国际标准化组织（ISO，International Organization for Standardization）和国际电工委员会（IEC，International Electrotechnical Commission）及美国国家标准协会（ANSI，American National Standards Institute）标准定义的物理尺寸的磁卡。定义这些尺寸涉及标准化的磁卡读写机器。因为如果你对磁卡上一磁道、二磁道或者三磁道进行数据的编码时，其数据在磁条上的物理位置偏低或偏高了仅仅几个mm，则这些已经编码的数据就会偏到了另外的磁道上了。其中磁卡上的每个磁道宽度基本相同，大约

19、在0.11 英寸上下，用于存放用户的数据信息；相邻两个Track 约有0.02 英寸的空隙（Gap），用于区分开临近的两个磁道；如果是应用三个磁道的磁卡，整个磁条宽度在10.29毫米左右，如果是应用2 Track 的磁卡，间距是在6.35 毫米左右。实际中我们所接触看到的各种磁条卡上的磁条宽度会加宽1到2mm，磁带总宽度在12到13mm 左右。图1.1 磁卡在磁带上，记录三个磁道的有效数据的数据起始位置和数据终结位置不是在磁条的边缘，是在磁条边缘向内缩减7.44mm的距离为数据起始位置（引导0 区）；在磁条边缘向内缩减6.93mm为数据终止位置（尾随0 区）；这些设计是为了保证磁卡上的数据不会

20、轻易丢失。因为磁条卡边缘上的磁条很容易被破坏，从而丢失磁记录信息。1.1.2 现有的磁卡解码技术目前的磁卡，记录了一系列的采用F2F双向编码的二进制数据。这些数据包含卡号和身份识别等信息，符合ISO7811标准编码规则。双相编码的原理如图1.2所示：在一个数据周期内，如果次信号没有变化，代表数据0，否则变化1次代表数据为1。磁卡上磁性介质通过周期单元内是否有刺激性变化来代表数据0和数据1。磁卡解码芯片可以识别磁条卡单元周期内磁极性有无变化所代表的二进制比特流数据，今儿获取磁卡记录的信息。图1.2 F2F编码原理1.2课题研究内容与方法本课题目的是为现有的刷卡测试平台提供速度测试以及一种磁卡解码

21、磁头的自动化测试方法，实现磁头生产的自动化测试。本课题是这样实现的：同过PC机控制单片机，单片机控制DA芯片生成模拟刷卡波形，该波形是有一些列的F2F正弦波拼接而成的模拟刷卡波形。模拟刷卡波形经过背靠背的磁头摆放方式耦合到待测解码磁头。PC机同时可以监控待测磁头的解码结果。如此PC机可以发起一次刷卡命令然后监控解码结果，从而完成解码磁头功能的测试。1.3 课题研究现状目前传统的刷卡测试没有速度检测，并且通过手动刷卡来检测磁头功能的好坏，这样效率低，人力投入较大，人为因素影响刷卡结果的现象也比较明显。大连东软信息学院毕业设计（论文）第2章关键技术介绍2.1红外反射式光耦合管反射式光电传感器有多重

22、光源，常见的有红外式发光二极管，普通式发光二极管，和激光式二极管，红外和普通光源容易受到外界光源干扰，而激光式二极管可以发出很集中的光频，一般不会被干扰，但传感器只能接收很窄一段频率范围的光，而且价格较贵。从理论上讲光电传感器只需要置于被测区域反射表面，就可以受到光的照射且能被接收管接收到的范围就可以进行特性检测。但是这是一种理想化的结果，因为光反射要受到很多因素影响，例如反射表面的光洁度、颜色、形状与日光灯照射等不确定因素。如果直接使用接收和发射管测量，会由于干扰产而生错误的信号，使用对反射光强度进行测量的方式可有效的提高系统的准确性和可靠性。红外反射光强法的测量原责是将发射信号经调制之后传

23、送到红外发射管，光敏管负责接收被调制的红外信号。2.2通讯方式 HYPERLINK /view/923426.htm t _blank 串口通信的两种最基本的方式：同步串行通信方式和异步串行通信方式。同步串行通讯是指SPI（串行外设接口，Serial Peripheral interface）的缩写，顾名思义就是 HYPERLINK /view/3111535.htm t _blank 串行外围设备接口。SPI总线系统是一种同步 HYPERLINK /view/7974045.htm t _blank 串行外设接口，它可以使MCU与各种外围设备以串行方式进行通信以交换信息，TRM450是SPI

24、接口。异步串行UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter），通用异步接收发送。UART是一个并行输入成为串行输出的芯片，通常集成在 HYPERLINK /view/1143.htm t _blank 主板上。UART包含TTL电平的 HYPERLINK /view/69108.htm t _blank 串口和RS232电平的串口。TTL电平是3.3V的，而RS232是负逻辑电平，它定义+5到+12V为低电平，而-12到-5V为高电平， HYPERLINK /view/8358514.htm t _blank MDS2710、MDS SD4、

25、 HYPERLINK /view/8416321.htm t _blank EL805等是RS232 HYPERLINK /view/159864.htm t _blank 接口，EL806有TTL HYPERLINK /view/159864.htm t _blank 接口。2.3波形存储与转换目前的磁卡，记录了一系列的采用F2F双向编码的二进制数据。这些数据包含卡号和身份识别等信息，符合ISO7811标准编码规则。在一个数据周期内，如果次信号没有变化，代表数据0，否则变化1次代表数据为1。磁卡上磁性介质通过周期单元内是否有刺激性变化来代表数据0和数据1。磁卡解码芯片可以识别磁条卡单元周期内

26、磁极性有无变化所代表的二进制比特流数据，今儿获取磁卡记录的信息。数组在一些程序设的计中，为了方便处理，把类型相同的一些变量按照有序的形式列出，然后组织起来。这些按照一定顺序排列的相似数据的集合被称作数组。在C语法中，数组属于一种构造数据类型。每个数组可分成多个数组元素，这些个数组元素即可以是基本数据类型也可以使构造类型。所以按照数组元素类型的不同，数组又可分为数值数组、字符数组、指针数组、结构数组等各种类别。所以我们在软件中通过数组来把这写二进制数据存储下来。DAC转换器是一种将数字量转换成模拟量的器件，其特点是接收、保持和转换的是数字信息，不存在随温度和时间的漂移问题，因此电路的抗干扰性能较

27、好。DAC0832是8位分辨率的D/A转换集成芯片，它具有接口简单、价格低廉、以及容易控制转换等特点。它由八位输入锁存器、八位DAC寄存器和八位D/A转换电路及可转换的电路组成，能和CPU数据总线直接相连，属中速转换器，大约在1us内将一个数字量转换成模拟量输出。据对0832的数据锁存器和DAC寄存器的不同的控制方式，DAC0832有三种工作方式：单缓冲方式、双缓冲方式和直通方式。DAC0832引脚功能电路应用原理图DAC0832是采样率为8位的D/A转换 HYPERLINK /view/26651.htm t _blank 芯片，集成电路内部具有两级输入寄存器，因此DAC0832芯片具有直通

28、、单缓冲和双缓冲三种输入方式，以便适用于各种电路的需要，例如，同步转换、要求多路进行D/A异步输入等。所以这个 HYPERLINK /view/26651.htm t _blank 芯片的应用很广泛，D/A的转换结果采用 HYPERLINK /view/10897.htm t _blank 电流的输出形式。如果需要相应的模拟 HYPERLINK /view/10954.htm t _blank 电压的信号，可已输入高阻抗的线性运算放大器来实现。运放的反馈 HYPERLINK /view/3571.htm t _blank 电阻可以通过RFB端来引用片内的固有电阻，也可以外接一个电阻。DAC08

29、32逻辑输入满足TTL电平，可直接与TTL电路或微机电路连接。第3章系统需求分析3.1系统设计目标现在磁头加密解密芯片在生产检测中，使用的是手动刷卡塞选，需要把每颗芯片放入socket中在通过连接磁头和卡槽手动刷卡，最终查看解码结果是否正确来判断芯片的优良，这种测试方案速度非常慢，而且需要大量的人力，而且手动刷卡不稳定，不能确定每一次刷卡姿势都是一样的，也不能确定每次刷卡的速度都是一致的。本设计目标是实现手动刷卡测速并显示和自动发波形刷卡的功能，使解码芯片能正确解码，实现芯片塞选测试的自动化，同时也可手动刷卡进行抽检，从而大大的减少人力物力的浪费。3.2 系统功能需求根据需求调研结果确定本系统

30、主要包括以下功能模块。（1）红外测速模块采用反射式光电管，三端输入，在电源输入端加上限流电阻，在信号输出端加上拉电阻；（2）显示模块采用nokia5110模块，可清晰的打印出刷卡结果以及程序版本等信息；（3）DAC0832波形整合模块与lm324跟随模块；（4）Uart通讯模块，才用rs232电平转换芯片把PC的232电平转换成TTL电平，与单片机通讯电平一致；（5）蜂鸣器报警模块。3.3 系统非功能需求（1）性能手动刷卡时可正常解码，并在液晶屏上显示刷卡速度。自动发波时，能正确的把方波滤成正弦波，且相对的磁头可以接受到刷卡波形，最终解码芯片能正确的解出刷卡信息并显示在液晶屏上。（2）成本硬件

31、成本只有少数芯片，以及反射光耦和液晶显示屏，以及PCB投板焊接的费用。本款电路最大的特点是输出采用桥式结构，共同驱动一组线圈。这种结构相对双线圈，成本比较低。3.4 系统开发环境硬件环境：MH1601刷卡发波工装软件环境：keil CVision4 是一个运行于Windows平台的整合开发环境，包扩代码编译、编译调试、项目管理等各种功能。Vision4开发工具整合了宏(macro)编译器，代码链接器(Linker/Locator)，HEX文件生成器等构件和C语言编译器(compiler)。使用Vision4，将显著的提高您的开发效率，加快您的开发进程。Vision4的特性：（1）整合了编译、汇

32、编、连接等全套工具用于构建项目；（2）项目管理器为您创建/维护项目提供便利；（3）包含设备数据库，方便选择配置不同的开发工具；（4）全功能的代码编辑器；（5）代码调试器的无缝集成，和高速CPU和辅助设备模拟器；（6）所有通过图形开发工具可以设置对话框；（7）搭配有Flash编程烧录工具，可以将应用程序写入目标Flash ROM中；（8）配备先进的图形界面的调试系统，可用KeilTM ULINK 调节器和硬件来调试；3.5 技术可行性分析本系统自动发波模式采用单片机发出刷卡的方波，在送进DAC0832芯片进行滤波，把方波变成正弦波，之后在通过一组运放来实现波形幅度频率的可调性。把通过运放的波形送

33、如磁头中，在耦合到被测磁头中，最终再解码，从而检测芯片的优良。手动刷卡测试采用反射红外光耦测量，5110液晶显示，本系统无任何不稳定的模块，各个模块均可实现。第4章系统设计4.1系统设计指导原则（1）先进性采用人工刷卡的方法测试磁头，效率低下，刷卡结果引入人为因素，不利于磁头的大批量生产测试采用该平台可自动刷卡可手动刷卡，手动刷卡测试实时可实现实时测量刷卡速度，可以显示刷卡成功与否和刷卡速度，自动化，节省时间，提高产量和产品质量。（2）可靠性及安全性速度测量使用近距离红外反射传感器，可最大限度减少外部光线对传感器的干扰。自动刷卡模式采用单片机控制DA芯片模拟生成F2F波形，然后通过运放降低波形

34、幅度调节到合适的值并且耦合输入到磁卡解码芯片中，解码结果上报PC机。PC控制单片机的工作。采用可控滤波器，这种滤波器的截止频率和Q值受不同原件控制，且相互之间没有影响，而且只用一个电路同时实现高通、低通、带通。可以采用数/模转换芯片代替控制截止频率的电阻，采用单片机控制DAC，从而达到控制截止频率的目的。4.2体系结构设计4.2.1 系统整体架构该系统提供两种方式的测试，方式一为手动刷卡，方式二为自动发波刷卡。在手动模式下，同过卡槽固定磁头，手动刷卡之后，磁头会产生对应的刷卡波形，磁头内部的解码芯片会对该波形进行处理，最后得到刷卡波形的解码信息，再把解码信息传输到单片机中，通过软件判断解码信息

35、是否正确，3个磁道是否解码成功，最终把结果显示在液晶屏上。在自动发波模式下，通过单片机产生刷卡解码后的数字讯号，通过DA芯片转换成刷卡波形，在通过磁头耦合，替代手动刷卡。系统体系架构如图4.1所示。图4.1 系统体系结构4.2.2 手刷方式手动刷卡时，磁头会产生一系列的磁卡信息的波形，通过解码芯片解码后把信息传输给单片机，检测解码信息是否正确，来确认刷卡是否成功。在手刷的同时进行速度监控，一边分别测试慢速、中速和快速的刷卡结果，最终把刷卡结果打印在现实屏幕上。手动刷卡体系架构如图4.2所示。图4.2 系统体系结构4.2.3 自动发波方式自动刷卡方式采用单片机处理器+DA芯片生成刷卡波形，由运放

36、跟随加强输出后提供给信号源磁头，信号源磁头和待测试磁头背靠背将3个磁道接触对准，两个磁头铁芯会形成耦合磁路。这样源磁头的信号会进入待测试磁头，待测试磁头接收到磁信号后执行解码功能并将解码结果送测试工装，测试工装将解码结果上报给PC机，从而实现磁头生产测试的自动化。自动发波体系架构如图4.3所示。图4.3 系统体系结构4.3硬件设计4.3.1 电源电路7805三端稳压芯片，电子器件里常见的三端口芯片。有输出正电压的78系列和输出负电压的79系列。三端口IC是指这种集成稳压电路只有三条输出引脚，分别是输出端、输入端和接地端。7805的样子像和普通的三极管一样用TO220 的标准封装，还有9013样

37、子的TO-92封装。用78/79系列三端稳压IC来组成稳压电压模块所需要的外围元器件很少，电路内部还有过热、过流及调整管等保护电路，使用起来方便、可靠，而且价钱低廉。该系列集成稳压IC型号中的78或79后面的数字代表该三端稳压集成电路的输出电压，如7806表示输出电压为正6V，7909表示输出电压为负9V。整流电路的输出电压不是纯粹的直流，从示波器观察整流电路的输出，与直流输出相差很大，从波形中能看出有较大的脉动成分（即纹波）。为了获得比较理想的直流电压，就需要利用电容、电感之类的点抗性元器件组成的滤波电路来滤掉整流电路输出电压中的纹波来获得理想的直流电压。常见的滤波电路有两种分别是RC和LC

38、滤波电路，LC与RC滤波效果比较必须考虑所要滤掉频带与电感值选择是否恰当。因为电感感抗大小与电感值和频率有关。如果电源噪声频率较低，而电感值又不够大，这时滤波效果可能不如RC。但是，使用RC滤波要付出代价是电阻本身会耗能，效率较差，且要注意所选电阻能承受功率。电感值的选择要考虑所想滤掉的噪声的频率，而且还需要计算电流瞬时反应能力。如果LC输出端有瞬间输出大电流的可能，那么电感值取的太大会阻碍大电流经过此电感的速度，增加噪声纹波。电容值则和所能容忍纹波噪声规范值大小有关。纹波噪声值要求越小，电容值会较大。而电容ESR/ESL也会有影响。如图4.4所示，输入12V电源，用7805电源转换芯片，降压

39、到5V，在通过低压差线性稳压芯片SGM2020转换到3V3，使整个系统工作在3V3的电压下。由于7805芯片稳压效果很好，输出直流点没有什么文波，所以我们第一级降压使用7805。图4.4 电源电路设计4.3.2 单片机外围STC单片机是以51内核为主的系列单片机，STC单片机是由笙泉科技设计，国内宏晶公司贴牌生产的，这个芯片设计的时候就吸取其它51系列单片很容易被解密的教训，改进了加密机制。STC12系列单片机是宏晶科技设计生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，是高速、低功耗、超强干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍。内部集成的FLASH寿命可达10万

40、次，并且完全支持ISP和IAP功能。该系列针对不同功能、电压、封装等的型号规格非常齐全。所有的STC11/10 xx系列单片机内部都固化了宏晶科技的ISP程序，不需要并行编程器，通过RS232串口就可以烧录用户程序。但一些系统为了程序保密或者采用其他诸如RS485通讯或其他通讯方式的需要，仍然需要自己编写ISP程序用于系统升级。在STC11/10 xx系列单片机中以IAP打头的芯片型号，用户程序和数据FLASH是统一寻址，允许在用户程序中擦写FLASH，因此可以编写自己的ISP程序。STC12系列单片机特点：（1）电压宽：(STC12系列)5V54V1/3.7V，3V62V4/2V1；（2）1

41、个时钟1个机器周期，速度比普通8051快812倍，增强型8051内核；（3）带有低功耗模式：可利用任意一个外部中断来唤醒,可用下降沿/低电平和远程唤醒，STC12系列还可以通过内部专用掉电唤醒定时器进行唤醒）；（4）时钟：在ISP下载编程用户的程序时可设置，外部晶体或者内部RC振荡器可选；（5）带有1/2/4/8/12/16/32/48/60/62K字节片内的Flash存储器，擦写可达到10万次以上；（6）2个16位定时器,兼容普通C8051的定时器T0/T1；（7）芯片内EEPROM功能,擦写次数10万次以上；（8）ISP / IAP，在系统和应用里可编程，不需要编程器或仿真器；（9）WDT

42、硬件的看门狗；（10）1个独立波特率发生器(故无需T2做波特率发生器)，缺省是T1做波特率发生器；（11）有UART全双工异步串行口，与普通的8051兼容，可以当两个串口来使用，可在P3与P1串口之间任意切换)；（12）1280/512/256字节片内RAM数据存储器；（13）可编程的时钟输出，P3.4输出T0的时钟，P3.5输出T1的时钟，P1.0输出BRT的时钟；（14）40货44个通用I/O，复位后为标准双向口或弱上拉(普通的8051传统的I/O)；（15）带有先进的指令集，兼容一般的8051指令集，还有硬件乘除法的指令；（16）工作频率在035MHz，相当于普通8051是0420MHz

43、。可设置成四种模式：仅为输入/高阻，推挽/强上拉，准双向口/弱上拉， 44/40管脚的IC建议整个芯片不要超过100mA的电流，20/18/16管脚的IC建议整个芯片不要超过60mA的电流，开漏的每个I/O口驱动能力都可达到20mA。工作环境是在3V3下的，所以我们才用STC12LE5A60S2芯片（3V3单片机），采用11.0592M晶振，常规的单片机最小系统环境，使用10UF，10K的上电复位。图4.5为单片机外围电路。图4.5 单片机外围电路4.3.3 光耦电路反射式测速传感器的原理与透光式有很大的相同之处，也是通过光电管将感受的光变化转换为电信号变化，但区别于透光式它是通过光的反射来得

44、到脉冲信号的，通常是将反光材料粘贴于被测轴的测量部位上构成反射面。常用的反射材料为专用测速反射纸带，也可用铝箔等反光材料代替，有时还可以在被测部位涂以白漆作为反射面。投光器与反射面需适当配置，通常两者之间距离为5-15M。当被测轴旋转时，光电元件接受脉动光照，并输出相应的电信号送人电子计数器，从而测量出被测轴的转速采用反射式光电管，三端输入，在电源输入端加上限流电阻，在信号输出端加上上拉电阻。如图4.6为光耦测试图。图4.6 光耦测速4.3.4 显示模块诺基亚5110液晶是诺基亚公司生产的5110，6150，6100等一系列手机液晶模块，国内厂家也有类似的产品兼容。除了用于手机，产品可广泛应用

45、于各种便携式设备的显示系统。图4.7为显示模块，与其他类型的产品相比较，该模块包括以下特点：（1）使用串口与主处理器来进行通信，接口信号线的个数减少很多，包括电源和地一用只有9条信号线。支持如MCS51的串口模式0、AVR单片机的SPI等串口协议，最高传输速率可达4Mbps，可以全速写入显示数据，无需等待；（2）可显示4行汉字，是84x48的点阵LCD；（3）可以通过导电胶连接模块与印制版连接，而不使用连接线，利用模块上金属钩即可将模块固定到PCB上，所以安装和更换非常方便；（4）LCD的控制器和驱动器芯片已整合到LCD 晶片上了，所以模块的体积小；（5）利用低电压来供电，正常显示时候的工作电

46、流小雨200A，而且还具备掉电模式。图4.7 显示模块4.3.5 波形整合模块LM324系列器件带有差动输入的四运放。和单电源的标准运算放大器相比，四放大器具有一些显著优点。该运放可以工作在最低3.0V或者最高32V的电源下，静态电流值是MC1741静态电流值的五分之一左右。共模输入可输入负电源，因此解决了在许多应用场合中需要使用外部偏置原件的问题。运放有5个引脚输出，其中“+”、“-”两个为信号输入端，“V+”、“V-”两个为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相的输入端，说明运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相反；Vi+（+）为类似的输入端，表示运放输出端的

47、Vo的信号和该输入端的相位相同。如上图所示，单片机控制DAC0832芯片来生成刷卡波形，生成的波形由电容C23和C24分别耦合输入到运放。调节电阻R16和R17的比例来控制信号输出幅度。最终信号由端口J12输出给磁卡解码芯片。J11为单片机串口，可以接收PC机的命令发送不同频率的模拟刷卡波，模拟快速或则慢速刷卡。刷卡波形经耦合磁头注入到待测试磁头。图4.8为发波模块图。图4.8 发波模块4.3.6 报警模块（1）蜂鸣器的介绍蜂鸣器的作用蜂鸣器是一种一体化的电子声学结构体，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、电子玩具、复印机、报警器、电话机、定时器、汽车电子设备、打印机、等电子产品的发声设备。蜂

48、鸣器的分类蜂鸣器主要有压电式蜂鸣器与电磁式蜂鸣器两种型号。= 3 * GB3蜂鸣器的电路图形符号蜂鸣器在电路中用字母“H”或“HA”（旧标准用“FM”、“LB”、“JD”等）表示。（2）蜂鸣器的结构原理= 1 * GB3压电式蜂鸣器主要是由多谐振荡器、压电阻抗匹配单元和音箱、壳牌、压电蜂鸣器的结合也装有发光二极管(led)。晶体管或集成电路组成的多谐振荡器。当打开电源后(1.5 15 v直流电压)，多谐振荡器振动、1.5 2.5 kHZ的输出音频信号，阻抗匹配器驱动压电蜂鸣器的声音。锆钛酸铅压电蜂鸣器或铌镁酸铅压电陶瓷材料。两岸的陶瓷片镀银电极极化和时效处理后，用铜或不锈钢片再次在一起。= 2

49、 * GB3电磁式蜂鸣器由振动膜、磁铁、电磁线圈、振荡器片和外壳等组成。上电之后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场。振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性的振动发声。图4.9 发波模块4.3.7 通讯模块RS-485RS-232、RS-422与都是串行数据接口标准，最初都是由电子工业协会（EIA，Electronic Industries Association）制订并发布的，RS-232在1962年发布，命名为EIA-232-E，作为工业标准，以保证不同厂家产品之间的兼容。RS-422由RS-232发展而来，它是为弥补RS-232之不足而提出的。为改进RS-23

50、2通信距离短、速率低的缺点，RS-422定义了一种平衡通信接口，将传输速率提高到10Mb/s，传输距离延长到4000英尺（速率低于100kb/s时），并允许在一条平衡总线上连接最多10个接收器。RS-422是一种单机发送、多机接收的单向、平衡传输规范，被命名为TIA/EIA-422-A标准。为扩展应用范围，EIA又于1983年在RS-422基础上制定了RS-485标准，增加了双向、多点通信能力，就是允许多个发送器连接到同一总线上，也增加了发送器的冲突保护特性和驱动能力，扩大了总线共模的范围，最终命名为TIA/EIA-485-A标准。由于EIA提出的建议标准都是以RS作为前标，因此在通讯工业的领

51、域里，依旧习惯将上述标准以RS作为前标。RS-485、RS-232与RS-422标准仅对接口的电气特性做出规则，而不涉及协议、电缆或接插件，在此基础上用户可以建立自己的高层通信协议。因此在视频界的应用，许多厂家都建立了一套高层通信协议，或公开或厂家独家使用。如相机、录像机厂的Sony与松下对DV的RS-422控制协议是有所不同，而视频服务器上的控制协议就更多了，像Louth、Odetis等协议是公开的，而ProLINK协议是基于Profile上的。RS-232、RS-422与RS-485的由来。现在RS-232是计算机和通信工业当中使用最多的一种串行接口。RS-232是一种在低速率的串行通讯中

52、增加通讯距离的单端标准。RS-232使用不平衡传输的方式，即所谓的单端通讯。下图4.10为通讯模块。图4.10 通讯模块使用232串口芯片调整计算机232电平与单片机串口通讯电平一致，本系统需要连接两组串口，有效利用芯片资源。串口1用于加密磁头SPI通讯，以单片机1为主机解码芯片为从机于PC端口进行通讯。串口2连接单片机1，用于磁头芯片解码信息通过uart方式传输到PC端。表4.1为DB9接口介绍。表4.1 DB9接口介绍4.3.8 复位模块使用场效应管的导通特性实现的磁头芯片电源电路可控电路，也可使用单片机的I/O进行复位控制。图4.11为复位模块。图4.11 复位模块大连东软信息学院毕业设

53、计（论文）第5章硬件整合5.1硬件原理图整合组合各个模块分配单片机I/O资源，补充一些调试资源，例如：LED指示灯等。本系统原理包含12V到5V到3V3的电源稳压模块，MAX232电平转换串口芯片模块，三种磁头接口，磁头芯片复位模块。图5.1介绍了完整系统的原理图。图5.1 完整系统原理图5.2 PCB布局（1）布局在设计中，布局是一个重要的环节。布局的好坏将直接影响布线的效果，因此可以这样认为，合理布局是PCB设计迈向成功的第一步。布局的方式有两种，第一种是交互式布局，第二种是自动布局。一般选用自动布局方式后，以此为基础再加上交互布局作为调整。在布局时，还可以根据布线的实际状况对门电路进行二

54、次分配，将两个门电路进行互换，这样可以在便于布线的方式上得到了最佳布局。布局完毕后，还可以对设计文件和有关的信息做相应的反馈标注，使得PCB中的相关信息与原理图大致相同，以便今后的建档与更改设计与之同步起来，也是对模拟的相关要点进行更新，这样可以对电路的电器性能及功能进行板级验证。首先，要考虑PCB板子尺寸的大小，PCB尺寸过大时印制电路长，增加阻抗，抗噪省能力下降，成本也会增加；若过小，则散热不好，而且临近布线容易收到干扰。其次，在确定PCB尺寸后，要确定特殊元器件的位置。最后，根据电路的功能单元对电路的全部元器件进行布局。按照PCB的规则布局，以下是PCB布局规则。 = 1 * GB3 在

55、确定特殊元器件的位置时要遵守以下几个原则：A、对于电位器、可变电容器、可调电感线圈、微动开关等可调元器件的布局应综合整机的结构要求考虑； B、尽量缩短高普宁高频元件之间的互连线，想办法减少他们的分布参数与它们之间电磁的相互干扰。对干扰较敏感的元器件不能相互靠的太近，输入元器件与输出元器件应该保持距离；C、应流出PCB的定位孔和固定支架所占用的位置； D、某些元器件或导线之间可能有较高的电位差，应加大他们之间的距离以免放电导致意外短路。带强电的元器件应该尽量布置在调试时人体不易接触到的地方；E、质量超过15g的元器件，应当用支架加以固定，然后焊接。那些又大又重、发热量多的元件不宜装在PCB板上，

56、而应该放在整机的机箱底板位置，同时考虑到散热问题，热敏元器件与发热元器件的距离也应安排较远一些。 = 2 * GB3 根据电路的功能单元对电路的全部元器件进行布局时，要符合以下原则：A、对于高频电路，必须考虑元件之间的分布参数。一般的集成电路要尽量使元件平行排放。这样不仅美观大方，而且焊接容易，易于批量生产； B、视每个功能单元的核心元件为核心，以这些元器件为中心来进行布局。元件间应紧凑、均匀并且整齐地排列在PCB板上，这样可以做到尽可能减少并缩短各个元件之间的连接线和连接关系；C、按照电路中各个功能单元的具体方位，让布局便于信号有效沟通，并让信号尽量保持方向一致；D、位于PCB边缘的元器件，

57、离PCB边缘一般不小于2mm，PCB的最佳形状为矩形，长宽比为3：2或者4：3。PCB面尺寸大于200mm*150mm时，应考虑PCB的机械强度。 = 3 * GB3 布局后要进行以下严格的检查：A、元器件在二维三维空间上有无冲突； B、PCB尺寸是否与加工图纸尺寸相符，能否符合PCB制造工艺要求，有无定位标记；C、元器件布局是否数米有序、排列整齐，是否全部布完；D、信号流程是否顺畅且互连最短；E、在需要散热的地方是否装了散热器，空气流动是否通畅；F、调整可调原件是否方便； G、线路的干扰问题是否有所考虑；H、接头、插座等与机械设计是否矛盾； I、需经常更换的元器件能否方便的更换，插件板插入设

58、备是否方便；J、热敏元器件与发热元器件之间是否有适当的间距。 图5.2 系统PCB布局图（2）布线按照PCB的规则布线，以下是PCB布线规则： = 1 * GB3 地线与电源线的布线在PCB的布线工作中，地线与电源线的布置对于整个PCB设计的成功起着至关重要的作用。鉴于其重要性，地线和电源线的布线工作一般安排在其他线路布线之前完成，当然，如果在布线过程中有预见性的预留地线与电源线的空间，将地线与电源线的布线工作留待最后进行也是一个不错的选择。A、 源线、地线以及其他线路对高频信号应保持低阻抗。在频率很高的情况下，电源线、地线以及其他线路都会成为接收与发射骚扰的小天线。降低这种骚扰的方法除了加滤

59、波电容外，更值得重视的是减小电源线、地线以及其他线路本身的高频阻抗。因此，各种PCB线路要短而粗，同时线条要均匀；B、当电路需要一个或者多个电源供电时，我们需要接地将每个电源分离开。但在单层的PCB中，多点接地是不可能完成的。唯一一种解决方法就是把从一个电源中引出的电源线与地线同其他的电源线和地线分隔，采取这样的办法可以有效避免电源之间的噪声藕合；C、对A/D类器件，数字部分与模拟部分地线不要交叉宁可统一；D、单面板和双面板用单点接电源和单点接地，若布局允许的情况下，电源线与地线最好都选用井字形网状布线的结构，具体做法为将PCB的一面横向布线，另外一面则纵向布线，然后在交叉孔的地方用金属化孔进

60、行连接。 = 2 * GB3 重要线路的布线重要线路包括时钟、复位以及弱信号线等。A、时钟信号线最容易产生电磁辐射干扰，走线时应与地线回路相靠近，时钟线垂直于I/0线比平行I/O线干扰小；B、发热元件周围或大电流通过的引线应尽量避免选取大面积的铜箔，否则长时间受热后，易发生铜箔膨胀或铜箔脱落的现象。因此在选用大面积的铜箔时，最好采用栅格状，这样在铜箔与基板间的粘合剂受热结合时，也有利于产生挥发性气体的排出；C、模拟电压输入线与参考电压端一定要尽可能的远离数字电路信号线，特别是时钟。D、时钟、总线以及片选信号要远离I/0线及接插件，时钟发生器要尽量接近到用该时钟的器件；E、用地线将时钟区圈起来，