基于USB技术的模块化开关矩阵硬件电路设计

第1章绪论1.1设计的背景和意义伴随着电子科技日新月异的发展，开关矩阵在电子科技领域中起到了越来越重要的作用，由于电子在被测单元（UUT）种类很多，往往一个ATE要测量成百上千的这种被测单元，但是因为被测单元的接口有多种形式，所以发现了自动测试机与被测单元出现了难适配和接口不匹配的超多问题，开关矩阵的诞生很大程度上降低了种种出现的问题，电路中开关矩阵的功能是打开和关闭控制电路。自动测试仪的信号切换系统由多个矩阵开关组成，按照接口匹配标准连接完成测试单元和被测单元之间的灵活转换。本次课题我所要研究的方向是通过AVR单片机连接USB控制开关矩阵的实现。开关矩阵一直活跃在各个电子领域之间，它的存在是必不可少的，基于USB通过AVR单片机实现开关矩阵的控制，从而把以往困难化的事情变得简单化，让人们可以轻易的来控制开关矩阵，USB的意义就是让人们可以通过外部来直接操控开关矩阵。为什么用USB来控制开关矩阵？USB的优点在于支持热插拨，方便简单容易操作。USB使用方便、端口易扩展、传输速度快、支持热插播等特点，通过它优良的特点可以让人们轻易简便的来外部操控电路的开闭状态。1.2USB技术的发展和现状USB技术出现的根本原因；是当前系统存在可用性有限、运用性较差等缺点，为了消除现有PC结构系统的不足，USB技术才得以出现。USB系统的结构；USB设备、USB控制器、主机控制器；根据USB的定义来划分的话大体可以分为两大类别；集线器和功能性设备。集线器用于实现通用串口总线端口的扩展，而功能设备通用串口总线一种具有通信接口的特定功能的外围设备。根据数据流量和通信特性的功能的特点又可以系统的归为三个类别；分别为人机接口类：如自用鼠标、机械键盘等；图像类：如摄像机、复印机、扫描仪器等；大容量存储设备类：如硬盘、光盘、移动存储器、U盘等等,根据它的特性，对USB的应用范围如表1-1所示表1-1USB的应用范围性能应用属性低速：交互设备10k-100Kb/s键盘鼠标、输入笔游戏外设虚拟现实外设低成本简单易用支持热插播可接多外设全速：电话、音频信号500K-10Mb/s电话服务宽带音频麦克风低成本简单易用支持热插播可接多外设保证宽带保证延时高速：视频、存储设备25M-400Mb/s视频存储设备图像宽带低成本简单易用支持热插播可接多外设保证延时高宽带1.3开关矩阵的发展和现状开关矩阵的含义开关矩阵在目前的自动测试系统中占有着比较重要的一部分，它起到了一个很重要任务，控制电路是否导通，然而信号流向的问题是它负责控制并进行疏导的。它在我们平时的日常生活中也担负着日常生活电器能不能工作的任务，是我们目前生活中离不开的。开关大体上可以划分为控制着电源的开关、控制着整个信号的开关、控制并负责导通的微波开关。整个系统中电源的切换是由电源开关来负责控制的，而信号在电路中的切换主要是由信号开关和微波开关所共同负责的。全自动测试设备信号之间的交换和循环系统通常由两个或多个根据每个接口的标准相互连接的矩阵开关组成，以在被测单元中形成测试单元灵活转换。开关矩阵起到的作用开关矩阵在完整的电路中起到的作用是非常大的，我们都知道开关是控制着整个电路是否导通，电流是否可以完整的流通，它可以决定着电路的开闭状态，在日常生活中开关随处可见，在本次的课题研究当中更是起到了超级重要的作用，我们所想要的是控制某一行继电器的开启和闭合，从而达到本次课题的目的。开关矩阵的现状：一般的开关矩阵很难同时传输高电压、高电流的一两百个信号，让它具备良好的通用性。也就是说，既要满足高电气性能要求，又要满足不同类型被测单元的要求，使被测单元的可测性设计要求降到最低。开关矩阵的缺点如表1-2所示。表1-2开关矩阵的缺点矩阵形式单板最大独立控制节点数最高电压最大电流导通阻抗可靠性体积成本通用性主要缺点继电器式128x2DC110V5A10M10~15大中较好很难实现多路同时采集普通电子开关128x32+15V-15V10mA几十欧最小小低好低压、低电流、有降压插针式连接方式96x9615以下500mA0最高大高好电源与信号需要分开1.4本设计的主要工作1、设计硬件电路原理图通过AD制图软件来画出本次课题所需要的硬件电路图，对整个系统的电路进行设计，其中包含了继电器；单片机控制电路；输入、输出电路的设计，开关矩阵设计。2、配合软件开发人员完成电路仿真做好电路原理图通过软件进行C语言的编程，和对原理图的仿真，根据设计的电路进行编程，和进行控制的流程图。使整个系统稳定的运行。3、实现软硬件联调调试硬件电路图，使其没有错误进行编译，配合软件开发人员进行联调，达到没有错误发生即可。4、焊接实际电路根据所设计的电路和原理图进行实物焊接，完整的表达出此设计所要展现出来的效果。下图1-1为简单的AVR单片机控制继电器的原理图：图1-1AVR单片机控制继电器的原理图系统总体方案设计2.1设计的总体思路本次毕业所设计出的电路是以ATMEGA128为核心，从而来组成一个自动控制继电器开启和闭合的系统。我们通过单片机所独有的编程设计以及I/O端口控制的准确性，通过控制电路中LED灯的亮和灭来做出完整的电路设计。此次我们设计的大体思路框图如图2-1所示：继电器驱动开关矩阵ATEMGA128继电器驱动开关矩阵ATEMGA128晶振电路晶振电路复位电路复位电路图2-1设计的结构框图2.2设计系统的组成本次的设计思路由ATMEGA128AVR单片机、74HC573锁存器、6×8继电器的开关矩阵共同组成，其中以ATMEGA128为核心CPU模块，它不单单只对智能锁的信息进行收集和处理，对于其他的模块来说，它起着领导的作用分配给各个模块任务，单片机的首要任务使结合程序来完成该电路的各个模块的工作、继电器的驱动。2.2设计时注意的事项1、选择尽可能多的标准和模块化通用电路。典型电路因为有前人的调试和测试。所以存在一定的合理性。在上面的基础上，可以根据自己的设计目标可以添加和修改一些自己的想法，以便提高设计的成功率和结构的灵活性。2、选择具有最高功能和高集成度的电路或着芯片。使用此设备替换部分电路，不仅减少了部分元件、连接器和跳线的数量，而且还提高了系统的可靠性，并且成本通常低于各种部件所实现的成本。3、一定要选择具有常见性和充足市场供应的零件。优点是，如果某个特定组件不可用，可以直接用另一个组件替换，稍微修改一下电路，然后用另一个元件替换就可以继续实行。4、在设计电路的过程中，必须考虑应用系统各部分的驱动能力。如果阻抗不匹配，如果系统驱动能力不足，系统可能会变得不稳定或失败。5、工艺设计，包括面板、接线、连接器等。在设计时必须充分考虑能否调试、如何维护和使用是否便利等情况。6、测试I/O口，在电路设计过程中要预留出来后期测试用得I/O口，以此来检验电路设计是否正确，确保软件可以正常的调试。7、在电路设计中一定要有过压保护，以防电源过大烧坏元件，减少不必要的损失。8、注意反接保护措施，以防电源接反直接烧坏电路板。第3章器材选型的简介3.1AVR单片机的介绍及选型AVR单片机的种类有非常之多，常见的有ATMEGA128，AT90CAN128等等；ATMEGA128AVR具有8位微处理器，是一个具有高性能、低功耗的单片机。它具有非常先进的RISC结构，它工作时是全静态工作，只需要两个时钟周期的硬件乘法器，它有独立的锁定位，可以选择的启动代码区，相对于其它单片机来说它有JTAG接口，它有53个可编程I/O口线，工作电压在2.7-5.5v。AT90CAN128，它的优点在于它是一个高性能、低功耗的AVR，它有8位微控制器非挥发性程序和数据存储器，有良好的耐久性。它具有8个外部中断源，内部RC振荡器校准，双可编程串行的USART，可编程I/O口线，32个通用工作寄存器，53个通用I/O口，实时时钟计数器(RTC)，4个带有比较模式灵活的定时器/计数器2个可编程的USRAT接口，1个8位面向字节的总线接口，8通道单端或差分输入的10位ADC可编程带内部振荡器的看门狗定时器，1个SPI接口,广泛的片上调试支持。AT90CAN128吞吐量达到每MHz接近1 MIPS的允许系统。设计师以优化功耗与处理速度为标准。对比两个单片机之后我们本次课题选用的是ATMEGA128，因为它工作电压稳定，支持在线编程，3.2ATMEGA128引脚以及其功能ATMEGA128是一个高性能，低功耗的AVR8位微处理器，它有64个引脚，下图3-1为它的原理图:图3-1为单片机原理图端口A（PA7-PA0）:该端口A是具有可内部编程和8位内外可连接的I/O控制端口，它具有着对称的驱动性能，具有可承载过大电流输入的能力，如果在上拉电阻使能时，在外部的电路将控制端口拉低时，将会输出电流。在电路发生复位的情况时，该端口将会处于三态状态。端口E(E0-E7):端口E和端口B的主要功能是相同的是双向输入输出端口，可以通过简单的办法实现开发板输入输出口的控制由于缓冲特性可以控制电流的流向。端口E作输入时将产生输出电流，当重置条件被激活时，端口E的针脚是三态。

端口F：(F0-F7):端口F不同于其它各端口的作用，它可以做AD转换器的输入，针脚可处于三种状态。

端口G：(G0-G4):端口G比其他端口少了三位输入输出端口。

RESET：该引脚是重置复位引脚。

XTALl：该引脚可输入到内部时钟操作电路。VCC：数字电路的电源。GND：地。3.3单片机的最小系统晶体振荡器电路和复位电路都应至少包含一个最小系统的电源系统，包括最小值，否则其微电脑将无法工作。复位电路：复位电路的主要目的是使电路模块初始化为稳定状态。与现在市场上常见的51单片机相互比较之下，AVR单片机微控制器具有51单片机所没有的内部复位电路，准确的控制着熔丝发生变化的复位时间，AVR微控制器不需要单独接外部电源的复位电路就可以让它复位。复位电路的作用就是将目前电路的状态恢复到原来状态的电路装置，它跟计算机的原理相类似，不同的地方在于它具有独特启动的原理。复位电路相对简单一些，并且大多数情况下只能通过电阻和电容的组合来完成。然后有三个极点和其他匹配程序可以执行复杂的点。首先，当电源电路立即执行复位操作时，如果需要，必须通过手动操作第三次自动执行电路或程序。复位电路主要是电阻器和电容器的相对简单的组合，并且出现了诸如这些晶体管的更复杂的工艺。如果主板没有主板ISA总线，8XX系列芯片组会跟随IDE更多，而不是直接反向栅极复位或重置南桥电子开关，系统板和PCI总线将直接出现在韩国桥接器复位缓冲从动件的扩展。PCI是标准配置，可以复位到3.3V或5V至0V。PCI总线复位信号和复位信号在同一路径中产生AGP总线。在一些主板直接南桥AGP总线复位，稳态复位并从低频提供，即PCI复位，北桥是PCI总线复位信号，复位信号是同步AGP总线复位信号是信号序列到CPU的信号是北桥复位信号，通常北桥是一个复位信号，直接提供给通过向一个南桥提供3.3V或5V产生的I/O。下图3-2为复位电路原理图：图3-2为复位电路原理图晶振电路：它是单片机中的必不可分的的电路之一，该功能的作用一般是用于为系统提高时钟信号，而时钟信号基本上有两种模式，对于我们来说，最常见的就是片内时钟振荡，它一般在通过单片机的两个时钟信号的引脚连接出来，之后该微控制器耦合到微控制器的内部电路允许所需的时钟频率执行微控制器的所有指令生成基于此，提供了晶体振荡器的高时钟频率，从而产生振荡以致于ATMEGA128正常工作。如果晶振荡器电路仅在执行指令时不确定功率，则晶体振荡器电路可以处理数据。每个SCM都有一个晶体系统，整个过程决定了SCM系统在晶体振荡器中的巨大作用，微控制器耦合到微控制器的内部电路允许所需的时钟频率执行微控制器的所有指令生成基于此，提供了晶体振荡器的高时钟频率，即快速微控制器实现，晶体的作用是为系统提供主时钟信号。通常，系统共享修改以使部件保持同步，几种群组通信系统使用确定不同射频和电子调整同步频率的方法。下图3-3为晶振电路原理图：图3-3为晶振电路原理图3.4锁存器的介绍及选型锁存器的主要功能是缓存很好的解决了I/O端口可以输出和输入的问题。锁存器是由级别控制的数据的输入。包括了具有启用控制功能的锁存器，单片机端口的I/O管脚既要用于地址信号，也要用于数据信号。由于本次基于USB技术的模块化开关矩阵的设计共需要6个锁存器，每一个锁存器分别连接八个继电器，用锁存器很好的将地址锁存起来，这时锁存器的选型就显得至关重要。它还可以解决高速缓存与第二高速控制器和低速外设之间的异步问题，其次是解决驱动器问题。最后，I/O端口解决了可输出和输入的问题。锁存器是使用电平控制数据的输入，包括没有使能控制的锁存器和具有使能控制的锁存器。锁存器可以临时存储以保持特定的工作水平。它的主要功能是缓存很好的解决了I/O端口可以输出和输入的问题。锁存器是由级别控制的数据的输入。包括了具有启用控制功能的锁存器。1、74HC138锁存器：它是3-8线译码器，可以改善系统的工作效率，它的延迟时间和赋能的时间远远小于其它的锁存器。2、74HC573锁存器：它具有I/O口通道，不需要外接口就可以直接连接在单片机，大大节省了成本和时间，当数据消失的情况下，在它的输出端数据依然保持不变。3、74HC595锁存器：它具有着三态输出功能，它输出寄存器可以直接清除，它可以提供串行输入和输出的端口。为了与此设计相吻合，我们在74H系列上选择了74HC573锁存器，它具有三态总线驱动输入，完全并行存取，缓冲控制输入和具有改善滞后的使能输入的优点。3.5锁存器的工作原理74HC573是一种D类型的锁存器，当它输出高电平的状态下时，锁存输出端口随着输入端变化而变化。当它输出为低电平的状态时，1Q-8Q关闭旧数据也可以随着原值保持，新的数据也可以随时更新，可以驱动负载以及大阻值元器件，可直接与开关矩阵模块连接不需要外接口，适用于缓冲寄存器和工作寄存器。74HC573锁存器可以显着减少该区域的处理器占用空间。当处理器向锁存器发送数据并锁存数据时，锁存器的输出引脚保持数据状态，直到下一次锁存新数据为止。这样，可以在不改变数码管的显示内容的情况下释放处理器和I/O引脚的处理时间。可以看到处理器的处理时间仅限于显示内容更改的时间，这只是总显示时间的一小部分。处理器处理后可能需要更多时间来执行其他任务。这节省了宝贵的MCU时间，作为LED和数码管显示器的锁存功能。下图3-4为它的电路原理图。图3-4锁存器的电路原理图锁存器锁存当前状态并保持锁存在接口电路的输出端一段时间，直到CPU发送的数据被解锁。例如，芯片74HC573具有锁存功能，当引脚设置为高电平时，输出保持电流直到清零。3.6继电器的介绍及选型继电器是一种电子控制类的装置，在输入量变化到一定条件时导致输出电路回路中控制输出模块的预定步骤发生变化的电子器件装置。控制系统与控制系统之间存在着紧密的联系，他们可以发生相互作用。其实际上是一种自动开关，主要用来自动控制电路的运行。继电器电路图主要由线圈以及触点组两部分图形符号组成。主要描述为：长矩形代表线圈的意思，接触封号代表着接触组合。然而，非接触式的电路则会比较简单。接触组通常直接在线圈框架的一侧绘制。这种图像称为集中式表示。继电器被广泛应用于遥感测量，通信系统以及自动控制等领域，他是一种具有隔离性质，机电一体化的自动切换型设备，继电器中有一个输入部分，即感应机制，这个感应机制主要对电流等物理参量的输入变量发生作用。我们在对控制装置的致动器以及对驱动输出部分的中间结构等，我们通常把他设置在输入与输出模块中间。总而言之，元器件对继电器的主要影响如下：1）扩大控制范围：例如，多触点继电器控制信号达到某一定值时，可以按触点组的不同形式，同时换接、开断、接通多路电路。2）放大：例如，灵敏型继电器、中间继电器等，用一个很微小的控制量，可以控制很大功率的电路。3）综合信号：例如，当多个控制信号按规定的形式输入多绕组继电器时，经过比较综合，达到预定的控制效果。本次设计选用的继电器是NSRD-05ADC-SL-C，它的特性是体积较小重量较轻并切换功率大，线圈功耗低，它被广泛用于在自动化系统、通讯装置、家电电器、机电设备等。3.7继电器的工作原理本文中使用的继电器用作解锁部件。它是一种电控装置，具有输入输出相互转换的关系。每当输入电压和电流在电路设计的适当范围内达到一定值时，继电器就会被电路控制的输出电路断开或接通。继电器模块本身具有非常明显的特点，特别是占用空间小、使用寿命长、运行相对稳定等。我经过老师的建议，最终选择了电磁继电器。该器件的内部是三个部分组成的比如线圈、铁片、接触簧片。该器件的工作原理是只要插电提供合适的电压的时候，线圈就会自动产生电路从而发生磁现象，以致于该器件当中的铁片会因为磁性的情况下，就会自动把弹簧贴到铁片上，从而使继电器正常工作。相反，当电源切断时，它们会互相排斥，从而达到电路通断的效果。本次设计采用的是5v继电器，4号端口为常闭端，电路导通后打到5号端口形成闭合回路，LED灯的亮灭可以检测继电器是否连接正确下图3-5为继电器的原理图：图3-5继电器的原理图第4章硬件电路设计4.1硬件电路原理图经过一个多月的电路设计和多次修改过的初稿最终用AD软件设计出了最后的电路原理图，通过ATMEGA128AVR单片机的各个引脚连接到锁存器的引脚，输出高电平根据74HC753的真值表来控制继电器的闭和开，本次设计的是6×8开关矩阵，下图4-1为硬件电路原理图：图4-1为硬件电路原理图4.2控制驱动电路控制电路拟用单片机设计，在此选用ATMEGA128ACR单片机，它是一个高性能，低功耗的AVR8位微处理器，它具有非常先进的RISC结构，它工作时是全静态工作，只需要两个时钟周期的硬件乘法器，它有独立的锁定位，可以选择的启动代码区，相对于其它单片机来说它有JTAG接口，它有53个可编程I/O口线，工作电压在2.7-5.5v。驱动器电路的主要责任是给控制终端，并根据该控制对象的要求的控制电子设备的公共端之间从电子电路送入信号开启或关闭的信息信号转换。对于半控制单元，仅提供ON控制信号。对于整个控制单元，提供ON控制信号和OFF控制信号，以便可以根据需要可靠地接通和断开单元。简而言之，驱动器电路放大从控制电路输出的PWM脉冲，以驱动功率晶体管开关功率放大。驱动电路，因为它本质上是一种功率放大电路，当负载是不同于弱输入信号响应于负载运行的额定功率通常，基本上相同必需的，但在LED是另一个驱动器电路的驱动电路，所述电动机驱动电路，继电器驱动电路，扬声器驱动电路等。驱动电路的主要任务是控制着我们最后设计出来的实物，它在整个我们所设计出的电路中起到了控制和输送信号的任务，往往在一个电路中驱动起到的作用是非常大的，没有驱动的话电路将无法工作，驱动控制着所用到器件的导通和闭合，一个良好的驱动可以提高整个系统的可靠性，可以减少开关和元器件的损耗大大减少了不必要的开支，降低其他器件的干扰以此来达到完整的电路设计。驱动电路的结构图如4-2所示：功率开关驱动电路PWM信号控制电路 功率开关驱动电路PWM信号控制电路图4-2驱动电路结构图4.3锁存电路I/O端口复用：如果MCU在连接到片外存储器的情况下，执行地址复用则需要连接一个锁存器来达到此目的。当MCU端口的8个I/O引脚用于地址和数据信号的情况下，则此锁存器可首先用于锁存地址，（具体操作：如果首先发送地址信息，则ALE使能锁存器锁存外围设备地址端的地址信息，并发送数据信息和读/写使能信号，以便在指定地址读写）。如果微控制器的总线接口仅用于一个目的，则无需连接锁存器，并且锁存器用于将微控制器的总线接口用于两个目的。例如，I/O端口必须控制两个LED。当数据被发送到第一LED时，第一锁存器打开，第二锁存器“锁定”到第二LED。数据不会更改。当数据被传送到第二LED时，第二锁存器被打开并且第一锁存器被“锁定”，使得第一LED的数据不被改变。如果微控制器的一个端口用于三个目的，则可以使用三个锁存器并且操作类似。为此，锁存器可以被认为是微控制器I/O端口的扩展器。下图4-3为锁存电路原理图：图4-3锁存电路原理图根据74HC573锁存电路的输出电平的特性可以通过真值表看出输出电平是什么，下表4-1为74HC573锁存器的真值表：表4-174HC573锁存器真值表OE220VCC1D2191Q2D3182Q3D4173Q4D5164Q5D6155Q6D7146Q7D8137Q8D9128QGND1011LEOELEDQLHHHLHLLLLXQ0HXXZ在上图的真值表中：当OE输出为高电平的情况下，LE、D、Q输出时，则一直处于高阻态不发生变化，目前芯片处在不可控的情况下，所以在已知的经典电路中，OE则必须连接到低电平才可以。LE是输出状态改变使能。当LE输出为低电平的情况下，输出Q则将会一直保持最后所存储的信号（来自D的输入）。当LED输出为高电平的情况下，Q将会跟随着D的状态来变化。并一直锁定D处于的状态。也可以说是当锁存器使能LE为高电平的情况下，这些器件的锁存对数据是透明的（即输出是同步的）。当锁存器在激活的状态下输出为低电平的时候，将锁存设置和保持时间匹配的数据。锁存输入还兼容标准CMOS输出，并在添加上拉电阻时与LS/ALSTTL输出兼容。4.4开关矩阵设计本次设计选用的继电器是NSRD-05ADC-SL-C，它的特性是体积较小重量较轻并切换功率大，线圈功耗低，下图4-4为开关矩阵原理图：图4-4为开关矩阵原理图本次设计采用的是6×8的开关矩阵，一共用到了48个继电器，为了保护小灯在电路外连接了2K的电阻，设计的目的是为了控制继电器的开启和闭合来检测电路是否完好没有错误。开关矩阵继电器选用的是5V继电器，它是一个单刀双掷的继电器，有一端为常开端，当电路通电后，继电器打到常闭端以此形成闭合电路，LED灯亮起证明电路图没有问题，当结束通电后继电器打到常闭端LED灯将不会亮起，我们以此来判断设计的电路图有没有问题，4.5PCB绘图和下板我们本次设计采用的硬件电路设计软件是AltiumDesigner软件，通过AltiumDesigner软件来绘制封装并下板。PCB设计步骤如下：在AD软件中新建一个PCBProject文件；新建原理元件库，封装库；3、画元件原理图库，封装库；4、把封装添加到元件中；5、新建原理图，使用元件原理库中的元件画图，画完以后可以用smartPDF导出；6、新建PCB图，在keepout层画出边框；7、编译原理图，确定无误后导入到PCB中；8、布局。9、对于简单的PCB可以自动布线，复杂的手动布线；10、布线完成后铺铜；11、完成设计，输出PCB文件。4.6开关矩阵PCB的布局在本次设计中，绘制PCB将会采用到AltiumDesigner软件，而在绘制的过程中，一般的要遵循的布局基本原则如下：1、按照CAD图设置板框，并且按照要求来放置器件；2、按照从大到小、从难到易的布局，而且主器件优先布局；3、布局的时候依据原理图，根据原理图的安放器件；4、布局时要让数模信号、高低频信号以及高低电压隔开；5、相同的电路部分，在板子的允许下采用对称式布局；4.7开关矩阵PCB的布线在上次布局之后就可以布线，而布线一般的要遵循基本原则如下：1、线、元器件的锡盘、贯通孔两两之间的距离要适当；2、电源的线宽要尽量加粗，保证有足够的电流通过；3、芯片的两个引脚相同的话，首先要先将两个引脚引出来之后在连接线；4、电源模块走线的时候，先考虑电源的输入与输出的引脚5、走线的时候不能出现直角或者是锐角；6、板子的丝印部分尽量不能放置在器件的焊盘上，要不然就会使器件的焊接有一定的影响；4.8开关矩阵电路设计的PCB完整图根据布局、布线之后，添加泪滴，然后铺铜以及调整丝印，细节部分整完之后，最后进行PCB的DRC检查，该开关矩阵的DRC检查如图4-5所示：图4-5开关矩阵电路设计的DRC检查本设计的开关矩阵电路设计的完整图如图4-6所示：图4-6开关矩阵电路设计的完整图第5章软件设计5.1软件的仿真及选用该Proteus仿真软件是一个真正完整的设计，产品的按键开关，外围电路协同仿真和代码在电路的设计理念。它也是独一无二对模拟软件。是世界上唯一一个及电流与PCB设计和仿真为一体的软件。仿真就是用CPU来代替开发系统中CPU的工作，这是一种排除故障很好的方法，仿真提供的CPU与系统中真实的CPU一样，就是现在电脑上运行一下，可以防止直接运行有错误从而毁坏元器件。Proteus软件库可以与大型电路设计软件相比，而Multisim的电路仿真功能，独特的MCUMultisim功能并没有不同的仿真软件，但是它不支持直接把其他软件绘制的原理图直接拉进Proteus软件，它的主要功能分别是原理布图可以人工进行布线，将各模块相应划分，采用就近原则在元器件之间保留足够走线的间隙，绘制好之后可以通过此软件仿真。它还支持最为普遍的电路级模拟程序仿真。可以仿真当前市场上的知名单片机，可在虚拟的芯片上对其进行编程，可直接观察到显示以及电路的输入输出结果。下图5-1为电路仿真图：图5-1电路仿真图5.2AVRStudio软件的功能AVRStudio是一款集软件调试与在线汇编为一体的开发调试软件，安全免费，包含了AVR所需要的编译器、软件的调试功能、AVR串并行下载功能和强大的在线仿真功能，它具有独立的芯片模拟器。与任意一款编译器都可以完成产品的调试。AVRStudio支持在线仿真，可以更改出现的错误，支持在线烧录，在编程工具中又增加了断开的功能，支持JTAG在片仿真调试器，可以识别文件并且可以自动的搜索COM口，因为它可以用JTAG对我们所用的ATMEGA128单片机进行编程，所以选择了它作为本次编程的软件。5.3AVRStudio的结构框架菜单栏：与标准的Windows程序相差无几，可以复制粘贴，但是有个独立的仿真功能；快捷栏：有一些常用的命令，如打开/保存，设置等；工作栏：包括显示文件、IO口的状态、AVR器件的选用等；编辑栏：可以编辑你需要用到的代码；输出栏：显示你输出后的状态和情况等信息；系统栏：可以看到AVRStudio工作时的模式；总结通过这次的毕业设计，让我认识了自己的不足之处，学到了很多专业知识，在这次的设计中，通过老师的指导，同学们的热情帮助让我很愉快的度过了这段时间。通过学习和研究我和同学们设计出了此次需要用到了开关矩阵，学会了如何仿真，怎么去封装元件，通过焊接电路让我提高了自己的动手能力和自己的心态问题，在没参与毕业论文的时候我只认识51单片机，通过了这次学习让我认识到了到多以前没有学到的东西，比如说AVR单片机，74HC573锁存器，继电器等一系列的东西。在这段时间里我掌握了AD软件的应用，已经可以熟练地画出原理图了，还学会了如何去仿真，学会了看真值表，通过自己设计实物让自己有了很好的思维能力，通过动手焊接让自己更明确地知道了自己缺少的是什么。这次的毕业设计让我受益匪浅。在本次中我负责的是硬件部分内容，我通过AD软件设计出了硬件原理图，通过AD软件我学会了如何去画PCB板，学会了怎么去封装元器件，在此非常感谢老师的指导和同学的配合让我得以完成此次设计。在本次电路设计中我深知，人与人之间的沟通，相互学习和团队合作是我们努力的关键。在未来的实际工作中，我们离不开与同事的合作，因为无论我们从事的行业或地位如何，只有一滴海才能生存。需要沟通，因为需要合作。只有当不同的学生和同事可以相互交流时，才能更快，更快地一起工作。通过此次毕业设计让我知道了自己的不足，完善了自己思维不谨慎的问题，也让我知道了团队合作的必要性，希望自己在以后的生活里能够记住这次辛苦且又充实的一次体验。在学习电子理论的过程中，我更加深入了课本知识的理解。将学到的东西应用到实际的应用中，同时克服了很多问题，保证了毕业设计的进行。这次我不仅收获了许多电子方面的知识，也领悟到了只要用心就一定会成功，这次设计我相信会在以后的道路上对我产生深远的影响。致谢毕业设计的完成让我珍贵的四年大学生活画上了圆满的句号，我非常感谢李柏峰导师。每当有与电路有关的问题老师都不嫌麻烦的来回答我的问题和指导我，鼓励我让我更有信心去完成我的设计论文。非常感谢设计和完成此电路设计的团队成员。我们互相帮助，不仅可以一起分担设计中的瓶颈和困难，还一起享受了成功的喜悦。李柏峰老师不辞辛苦的帮助我们一步一步的解决掉中间遇到的问题，还经常鼓励我们，让我们对自己更有信心。李柏峰老师不仅教会了我丰富的专业知识，而且还创造了实际的实践机会，并教会了我一种创新和现实的工作作风。这对未来的工作和学习有很大帮助。在您的帮助和衷心帮助下，我无法解决这些困难和疑虑，都通过你的帮助全都解决了。还要感谢一起陪伴了我们四年的导员高雪，在这几年里，她不辞劳苦，为我们付出了四年时光。她不求回报，总是为我们解难答疑，我要感谢参加论文评审和答辩的老师们，是您们给了我展示自己这四年来学到的成果，也让我对未来的认识有了进一步明确的目标。希望老师们身体健康，工作顺利！我还要感谢我们的母校培养了我四年，让我在这大学的生活中学到了很多的东西，培养了我的能力，教育我为人之道。参考文献王锦标·计算机控制系统[M]·北京：清华大学出版社,2004黄德先·过程控制系统[M]·北京：清华大学出版社，2014谢华燕·潘丽·单片机系统与控制中锁存器的应用[D]·甘肃高师学报,2014.

[2]张琦·继电器控制系统在工业生产中的应用[D]·数字技术与应用,2014.刘天柱·继电器在电气工程及其自动化低压电器中的作用[D]·黑龙江科技信息,2015.宋国栋·IC测试继电器的选型与使用[D]·电子科技集团公司第58研究所,2018.高立新·基于Proteus软件的单片机仿真实验[D]·常州信息职业技术学院学报,2011王锐·基于单片机的万年历设计[D]·信息技术,2014.JoaoP·ASurveyofRecentResultsinNetworkedControlSystems[J]·ProceedingsoftheIEEE,2007夏秋菊·在C语言教学中如何培养学生的动手编程能力[J]·新课程学习下,2013.陈雄姿,龙辛,戴建利·自动测试系统中矩阵开关的设计与实现[J]·机械工程与自动化,2015.刘文江，施仁·自动化仪表与过程控制[M]·北京：电子工业出版社，2016胡松涛·自动控制原理第六版[M]·北京：科学出版社有限公司责任公司，2016附录1：原理图附录2：元件清单元件型号元件名称数量ATMEGA128AVR单片机1NSRD-05ADC-SL-C继电器4874HC573锁存器6LED灯4810K电阻4812M晶振1附录3：PCB图附录4：开发板图附录5：实物图附录6：源程序#include<iom128v.h>//调用单片机头文件#include<macros.h>//库文件宏定义voiddelay(void)//延时函数{unsignedchara,b;//无符号字符型宏定义for(a=0;a<240;a++)for(b=0;b<240;b++);}#definek1_down()(PINB&_BV(PB0))#definerelay_switch()PORTD^=_BV(PD25)intmain()//主函数{DDRE=0xff;//PE端口的输入/输出功能PORTE=0xff;DDRB=0x00;