电子课程设计范例

XXXXXXXXXX学 生： 姓名（学号）姓名（学号）姓名（学号）指导教师：2013年 月 日1/9电子课程设计范例 西南交通大学 电子技术基础实验室电子课程设计范例——智能车测速计一、 背景为使同学们在做电子技术课程设计时有一个参考，专门撰写的此文档，介绍一个较完整的电路系统的设计方法。智能汽车竞赛在赛前调车、赛时都需要对智能车进行计时测速。由于赛道短、车速快，导致竞争激烈，因此需要比较高精度的计时装置。计时精度要达到1毫秒，要达到这样的精度，只能由电路自动完成触发启动与停止。考虑到竞赛场地供电不方便，电路以电池供电并具有外接电源接口，以电池供电时至少能持续工作2小时。同时还要求测速仪安装、操作方法尽量简单。二、电路设计以CycloneⅡ系列 FPGA为计时、控制核心，以激光光路阻断为触发方法，以 6位数码管分时显示时间、速度信息。整体电路结构如图 1所示。图1电路系统框图1、FPGA核心板介绍实验室的 FPGA核心板采用的是 Altera公司的CycloneⅡ系列芯片 EP2C8T144C8N，该芯片功耗低、容量大、性价比高，有多达 8k个逻辑单元。由于 FPGA供电电路和下载、配置电路较复杂，所以核心板将这部分电路集成了，从而降低了使用 FPGA的难度。课程设计中如需使用 FPGA，可将 FPGA核心板当作一颗芯片来使用。 FPGA核心板在元件库lanfengdi.schlib中已经封装成一颗芯片，名字为 EP2，lanfengdi.pcblib库中有相应的封装，可直接调用。核心板上有两排插针， 引出了大部分可用 IO口和电源，插针的数字编号即是对应的 IO口编号，其它编号 (名字)的插针是特殊功能的。GND——地线。至少有一个 GND脚要与主板相连，建议 3个都连上。VP——核心板电源输入口 (+6~+12V，推荐使用+9V)，核心板上圆孔空心插座的中心触点与VP是连到一起的。3.3V、+5V——辅助电源输出，可分别对外提供不超过 100mA的直流电源，使用小电流时可由此引出。P2(nCSO)/P76(nCEO)是多功能引脚，且P2只能在PassiveSerial配置模式下能作为普通IO使用，建议跳过不用。如果要将P76作普通IO使用，设置方法为“Assignments”->“Settings”->“DeviceandPinOptions”->“Dual-PurposePins”->“Value”⋯2/9电子课程设计范例 西南交通大学 电子技术基础实验室图2FPGA核心板核心板内建了一个50MHz的标准时钟，并且固定连接到了P17，可将之作为系统时钟。JTAG插座(很抱歉，核心板上误写成JATG)是编程与调试接口，使用Quartus软件的Programmer工具与USBBlaster下载线可以对FPGA进行烧写（编程），使用后缀名为.sof的文件。AS插座是对配置芯片的烧写（编程）接口。 JTAG方式下对 FPGA芯片编程，芯片掉电后数据丢失，所以核心板上集成了配置芯片， 如果配置芯片里写入了 FPGA的配置信息，核心板上电后会自动从配置芯片读取配置信息对 FPGA进行配置。使用 Quartus软件的Programmer工具与USBBlaster下载线可以对配置芯片进行烧写（编程），使用后缀名为.pof的文件。烧写前需将Programmer工具软件的模式设置成AS(ActiveSerialProgramming)。2、触发电路综合考虑成本、功耗、电路响应速度，决定选用双比较器芯片 LM393作为信号整形电路。光敏二极管受到激光照射时反向电流大，压降小，比较器的反相输入脚电压小于同相端参考电压，故输出高电平(LM393为输出集电极开路结构，所以需要上拉电阻才能输出高电平)，FPGA的IO供电电压为3.3V，所以上拉到3.3V。智能车走过时遮挡激光光路，光敏二极管无光照，反向电流小，压降大，比较器的反相输入脚电压高于同相端参考电压，输出跳转为低电平。因为比较器的输出是集电极开路结构，输出高电平时依靠上拉电阻提供电流，驱动能力有限，输出信号波形的上升沿不够陡峭；而输出低电平时由内部的晶体管驱动，驱动能力强，下降沿陡峭，所以，为了测量更加准确，取信号的下降沿作为触发。比较器的参考电压由电位器从电源分压获得，为减小噪声加入了一个 100nF的高频旁路电容。为使得两个通道参数尽量一致，使用双比较器而不是两个单比较器。细心的你可能发现了 LM393的8脚(+5V)与地线之间接了个小电容，没错，这是电源上的滤波电容， 用于滤除电源上的高频噪声。 你可能还发现了 LM393没有和我们模拟电路实验课上一样使用负电源， 电路是单电源连接方式。 运算放大器(比较器)本身没有单双电源的区分，这里需要考虑的是运算放大器的共模输入电压范围。 LM393供电取+5V也有此考虑。3/9电子课程设计范例 西南交通大学 电子技术基础实验室图3传感器信号整形电路3、显示电路电路采用 6位数码管显示信息。为得到较高的亮度以适应室外使用条件，采用静态显示。数码管内部的发光元件为LED，LED是非线性元件，FPGA的输出为电压型，所以必须要串联电阻以限制通过LED的电流（限制流出FPGA引脚的电流）。FPGA的每个IO最大可驱动15mA的电流。FPGA输出高电平电压VOH为3.3V，数码管内部LED导通电压VR约为2V，取数码管每段电流为5mA，可算得限流电阻R=(3.3-2)/5=0.26kΩ，取标称值270Ω的电阻，电流为(3.3–2)/270=4.8mA<15mA。1个限流电阻上的功率P=(3.3-2)2/270=0.006W<0.05W(最小功率电阻的允许耗散功率)，所以可不考虑电阻发热问题，可以任选小封装的元件。图4显示电路4/9电子课程设计范例西南交通大学电子技术基础实验室4、电源电路测速仪主要以电池供电，当有外接电源时，外接电源对电池充电。FPGA核心板约耗电50mA，模拟电路耗电10mA，显示部分耗电约240mA，总耗电300mA，选用6V/1.3Ah的铅酸蓄电池，充满电可持续工作超过4小时。为能快速充电，外接电源应能提供1A以上的电流，电压9V~12V。电路如图5所示，Q1与Q2、R1构成恒流电路，将最大充电电流限制在0.7A左右，TL431是电压基准芯片，提供2.5V参考电压，运放U1A对电池电压和参考电压进行比较，输出信号至功率晶体管Q1，控制充电状态。在充电的初始阶段，充电电流ICHG约为0.7A，R1上的功率PR1=(ICHG)2×R1=(0.7)2×1=0.49W.比PR1大并且最接近PR1的电阻标称功率是0.5W，但是采用0.5W电阻的话，功率余量太小，为保证电路可靠，R1取标称值为1Ω/1W的。双色发光二极管LED3是电池状态指示灯，红灯(橙红，根据电流设置，红绿同时亮时，红色光成份更多)表示电池电量低(如有外接电源，则同时表示正在充电)。充满电时U1A输出低电平，Q3关断，LED3红色管芯熄灭，LED3显示绿色，在即将充满时，红色管芯电流减小，LED显示由橙红色至黄色过渡为绿色。运放U1B是电池低压检测电路，当电池电压低于5V时，U1B输出高电压通过D5对LED3供电，使双色LED的红色管芯点亮(此时U1A输出高电平，Q3导通)。LowPower接至FPGA告知系统电压低以采取低功耗措施。二极管D1/DS1防止外接电源无电时电池倒灌。DS2是钳位二极管，它可以使LowPower点最大电压为3.3V+0.3V=3.6V(FPGA的端口的最大电压)，以免FPGA端口过压而损坏。R12是使DS2钳位时电流不致过大的限流电阻。电池长期在系统中，为使测速仪不开机也能充电，电池分压电阻直接接到电池上。为了减小电池的“漏电”，分压电阻尽量取大。关机时，通过分压电阻的放电电流Ioff=7.2V/300kΩ=24μA，1.3Ah/24μA=54166h=2256天=6年。由于一般铅蓄电池的维护间隔通常小于6个月，所以分压电阻的漏电不会对蓄电池构成影响。图5电源电路5/9电子课程设计范例西南交通大学电子技术基础实验室5、其它电路测速仪只有一组显示信息的数码管，它需要显示速度和时间信息，具体显示什么内容要通过开关控制切换，所以电路要有开关。当车不按流程通过测速仪区域时，可能会导致测速仪不以设想的方式工作，此时需要能够手动复位测速图6开关与指示灯电路仪，所以需要有复位键。为了便于安装和了解测速仪的激光光路状态，需要给出激光接收状态指示，所以设置2个激光接收状态指示LED。为与计算机连接以扩展功能，测速仪还设有能与计算机通信的串口，设有与显示器相接的VGA接口。但此部分内容难度超出了课程设计的要求，故不做介绍。三、PCB(印刷电路板)设计测速仪最终要装到一个盒子里以便于使用和保存， 所以PCB设计需要考虑盒子的大小、 形状，为此对将使用的盒子进行了尺寸测量，包括内廓大小、开关、安装固定孔位，并在设计软件中画出盒子的形状以便PCB布局、布线。图7初略布局6/9电子课程设计范例 西南交通大学 电子技术基础实验室图7是对从原理图导入元件的PCB进行了初略布局的情况，可以看到连线很乱，交叉多。由于实验室目前的条件只适合做单面PCB，此种情况下布线的布通率非常低，且飞线无数。手工飞线是一件劳神费时的工作。在EDA软件上做工作总比修改实际电路要简单，所以，在布局布线阶段要细致认真，要综合考虑电路的布局需要 (从信号抗干扰的角度 )、电路操作便利 (显示观察方便、按键操作方便、接口连接方便等 )、安装焊接、调试。能在前期把困难解决的就不要留在后面。由于FPGA的IO口几乎可以任意指配，所以我们尝试调整与 FPGA的引脚连接，使交叉尽量少(预拉线尽量少交叉 )，以提高布通率。图8基本完成的布局布局基本结束，仍有线交叉，但是这些大多是与FPGA相连的线，可以在布线时调整到比较少的交叉。图9(a)调整前的引脚分配 图9(b)调整后的引脚分配图9调整FPGA引脚分配示意图要注意元件所在的层，注意焊盘所在的层。在做单面 PCB的时候，如果用了贴片元件，一7/9电子课程设计范例 西南交通大学 电子技术基础实验室般把贴片元件放在底层，插装元件放在顶层，因为贴片元件的元件面即是焊接面，而插装元件的焊接面在元件面的反面。将贴片元件放到底层是更改元件的层属性而不是单独改焊盘的层属性。改焊盘的层属性要特别小心，要仔细考虑清楚之后能否正确安装、焊接，否则很可能会出错。如图10所示。如果可以，走