基于MSP430的红外光源控制系统及其硬件设计（定稿）

前言随着半导体技术、集成电路技术日新月异的发展，许多传统传感器测量技术逐渐被更有利于提高精度、稳定性、易用性的技术替代。红外光源被广泛应用于气体分析、激光测距、机器人定位、遥感、非接触式测温等诸多领域中。在许多红外光源的应用案例中涉及到对红外光源进行调制，但是由于红外光源自身易发热、功率大造成了红外光源控制困难，因此在某种意义上制约了红外光源的应用技术发展。传统的红外应用案例中如红外气体分析仪器通常采用电机拖动遮光片周期性运动使得红外光调制为低频脉冲光源，以满足多次测量的需求。这种方式不仅使得仪器体积大、并且引入电机也容易造成系统不稳定，导致气体分析仪目前造价昂贵。随着集成电路技术在近年来高速发展，微控制器、大功率场效应管、栅极控制器性能也逐步提高使得利用电子调制方式成为可能。通过使用电子调试方式不仅可以大幅度降低系统的制造成本、体积，并且可以利用编程微控制器控制驱动电路从而是的整个红外光源系统的稳定性、灵活性提高。1.1本设计的目的及意义本设计主要研究红外光源的驱动电路、电源电路的原理以及设计，红外驱动电路其主要的控制对象是红外光源的电压以及调制频率。设计通过MSP430单片机控制驱动电路以及电源电路实现红外光源的电压控制以及电子调制技术。因此为了提高红外光技术应用的稳定性，本设计主要研究目的是通过对红外光源控制系统的驱动技术及驱动电路进行学习并围绕着工程应用设计可调式的红外光源控制器。因此本设计其不仅在实际应用中具有重要的现实意义，而且同时也是对理论知识的应用具有深刻的学习意义。1.2本设计在国内外的发展概况及存在问题红外光源控制在国外发展已经非常成熟，例如著名的光源驱动器厂商有wavelength、ILXLightware和Thorlabs等公司，这些光源驱动器的特点是智能化程度高、功能齐全几乎覆盖各种光源应用场合。但是这类驱动器相比较当前大部分嵌入式设备而言，体积大、价格贵、性价比低。如果用于实时嵌入式小型设备控制会非常受限。在国内厂商制造的光源驱动电路中多数使用MOS管以及传统的模拟数字电路实现电流负反馈调节和电压调节，由于模拟电路自身的特点导致其灵活性相对较低，无法适应多种应用场合。同时由于器件噪音、不一致性等因素也会降低这类驱动器的驱动精度以及控制精度。1.3本设计应解决的主要问题本设计研究是使用先进的微电子技术、集成电路技术及传感器技术对红外光源的驱动电路进行设计，并利用微控制器技术对红外光源进行低频调制。因此为了确保红外光源控制系统的稳定性，本设计使用稳压集成电路技术及微控制器MSP430对系统的电压、电流等进行实时控制和监测，实现对红外光源大功率、高精度、高效率的驱动及调制。其中主要解决问题包括以下几点：红外光源大功率驱动电路设计。一方面红外光源驱动电路需要稳定的电压保证电流精度和光辐射强度稳定性，因此要重点学习如何提高稳压精度；另一方面本设计选用的红外激光管功率大且易发热，因此要选用合适的功率器件如MOSFET作为调制开关。MOSFET简称场效晶体管，是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管。相比传统的双极结型晶体管，场效应晶体管是电压控制元件，而双极结型晶体管是电流控制元件。由于MOSFET的结构特点和材料特性，其过流能力和散热能力远强于三极管，因此更适合用于红外光源驱动电路之中。为了使用MOSFET，需要研究MOSFET的工作原理和使用方法并设计MOSFET驱动电路。电流采样技术的选用。目前成熟电流采样技术包括霍尔传感器、电阻电流采样网络两大类。霍尔电流传感器基于磁平衡式霍尔原理，根据霍尔效应原理，从霍尔元件的控制电流端通入电流I，并在霍尔元件平面的法线方向上施加磁感应强度为B的磁场，那么在垂直于电流和磁场方向(即霍尔输出端之间)，将产生一个电势VH，称其为霍尔电势，其大小正比于控制电流I与磁感应强度B的乘积，由于磁路与霍尔器件的输出具有良好的线性关系，因此霍尔器件输出的电势VH可以间接反映出被测电流I的大小；电阻电流采样网络根据电阻在电路拓扑的位置又分为几大类，因此要通过理论分析等手段选用合适的技术实现电流采样，确保系统整体精度的提高。学习EDA软件的使用和PCB制版工艺。EDA常用软件AltiumDesigner是原Protel软件开发商Altium公司推出的一体化的电子产品开发系统，主要运行在Windows操作系统。这套软件通过把原理图设计、电路仿真、PCB绘制编辑、拓扑逻辑自动布线、信号完整性分析和设计输出等技术的完美融合，为设计者提供了全新的设计解决方案。考虑到本系统的复杂度及相关精度要求。使用传统的洞洞板或面包板连接可能无法满足功率、精度两大要求，因此主要学习EDA软件的原理图、PCB图设计和布线。了解目前PCB制作工艺，完成样板制作。MSP430相关外设的使用及硬件电路设计。MSP430系列单片机是美国德州仪器（TI）1996年开始推向市场的一种16位超低功耗、具有精简指令集（RISC）的混合信号处理器（MixedSignalProcessor）。MSP430单片机为混合信号处理器，是由于其针对实际应用需求，将多个不同功能的模拟电路、数字电路模块和微处理器集成在一个芯片上，以提供“单片机”解决方案。另外由于单片机中的ADC、DAC两类外设所使用的模拟信号容易受到数字信号和大功率干扰，因此要寻找隔离信号干扰的方法。红外光源可调调制电路设计。红外调制为红外光谱分析提供了基础的工作条件，因此主要解决的是如何调制出频率稳定的红外光源。2本设计2.1 系统方案 本系统搭建的红外光源控制系统的硬件电路主要由单片机电路、光源驱动电路、外围交互设备电路三部分组成。 单片机被广泛应用于智能仪器仪表、消费电子设备、控制系统中，其能够通过编程语言对内部的寄存器、外设寄存器进行控制，从而实现利用外设完成特定的控制系统。目前单片机按照处理数据能力被划分为4位、8位、16位、32位等多种单片机，这些单片机依据不同的应用场合和成本要求提供不同的性能。在本设计采用的MSP430单片机是TI公司生产的一款16位单片机，相比于传统8位的51单片机其具有更强大处理能力，能够满足一般控制系统对运算的需求。单片机电路设计主要是依据单片机厂商提供的规格书进行设计，一般而言单片机电路包括了单片机电源电路、单片机时钟电路、单片机复位电路以及单片机下载电路。 光源驱动电路主要能够满足高精度光源控制，光源的光照强度与调制比、电压、电流三者相关。因此光源驱动电路设计电压调节电路、斩波调制电路以及电流采样和控制电路。电压调节电路主要是能够利用单片机对光源驱动电压进行调节，因为光源驱动电压与光源电流存在正相关，而光源的电流与则与光源的强度正相关，因此通过控制光源的电路可以间接的控制光源强度，实现红外光源的控制。斩波调制电路则是对光源进行斩波调制，通过大功率的MOS管对光源电路的导通进行控制，可以有效的控制光源斩波频率进而控制其调制比。电流采样电路则是对电流进行采样，利用电流信息可以实现电流过流保护等措施。 外围交互设备主要是提供按键输入控制系统的工作状态、串口输出系统的工作信息，有利于后续对系统的进一步分析和控制。图2.1系统框图2.2硬件设计软件原理硬件设计主要是利用电子设计自动化软件对电路进行设计并完成生产。其主要步骤可以概括为原理图设计、原理图仿真、PCB图布线三部分。原理图设计是对最终组成系统完整电路各个模块的划分，利用各个模块的电源特性、功能特性进行模块化，从而实现有序的完成整个系统的设计。在本设计中，系统电路主要以功能特性为依据被划分为系统电源电路、单片机电路、电流采样电路、稳压电路、斩波电路、按键电路、串口电路。在设计时候，通过原理图对代表各个元器件符号进行组合连接形成每个子电路的原理图，最后形成完整的系统电路原理图。原理图并不代表最后的实际的电路图，因为原理图只是描述电路的连接关系而不是电路实际的布局方式，电路的实际布局方式主要在PCB设计部分完成。在进行原理图设计时候，需要使用电子设计自动化软件。电子设计自动化又被称为EDA，是一种能够辅助电路设计人员的工程软件。一般而言EDA软件能够提供基本的电子元器件符号和模型、电器检查等功能，能够大大的提高电路设计效率和减少电路设计出现错误。目前生产EDA软件的厂商主要包括了Mentor、Cadance、Altium等，其中Cadance推出的OrCAD软件就是一款经典的电路设计软件，其提供了大量的原理图库，用户能够利用原理图库完成大部分电路设计。近年来随着电子产品市场蓬勃发展，人们对待设计的需求也大大提高。因此定位于低端的市场的OrCAD性能越来越不能满足人们的需求了。因此Cadance又推出了面向中高端市场的Allegro软件，Allegro以规则检查而闻名，其软件具有的规则设定、检查功能能够辅助电子设计人员避免大量细微的错误，同时也进一步提高了设计人员的设计效率。除了上述两个软件外，在中国最受欢迎的软件则是Altium公司推出的一系列软件如DXP、AD等，DXP、AD凭借易用性占领了大部分市场，也是目前应用最广泛的设计软件。一般而言提供提供原理图设计的软件同时也会提供PCB设计功能，因此在本设计中主要使用了EDA完成了原理图和PCB图的设计。完成原理图后需要使用仿真对电路各个参量进行的测量和计算，通过内部的仿真程序可以大致的检查出我们设计的电路是否能够满足预期的需求。仿真软件主要包括了Multism、Protues等，其中Proteus不仅可以对简单的模拟数字元器件进行建模仿真，还提供了单片机的仿真。但是仿真也存在巨大的缺点，一个是仿真程序无法保证稳定的仿真时间，其对器件的仿真时间取决于仿真程序自身运算速度，其次是仿真软件无法对复杂的外部干扰进行建模，导致最后设计完成的电路工作参数与仿真参数存在较大的差异。在本设计中主要是控制红外光源的稳定性和电流稳定性，涉及到单片机中软件设计与外围的模拟电路共同作用，选择仿真软件来对整个系统进行仿真并不能提高设计效率和验证设计的正确性。因此在本设计不考虑使用仿真软件。2.3 电源电路原理与设计考虑到设计的初衷是降低目前红外光源设备庞大的体积问题和成本较高问题，本设计使用的输入电源为3.7V的锂电池供电。因为如果采用市电接入的话需要设计体积较大的整流电路以及滤波电路，因此直接采用电池不仅能够使得设备具有便携性而且也更加安全。系统的电源电路包括了供给单片机芯片的电源和供给光源的电压，因为MSP430单片机采用的电压范围在1.8V至3.6V区间，而锂电池输出电压范围在3.7V至4.2V的区间，因此可以使用线性稳压器将锂电池的电压稳定至3.3V供给单片机使用。查阅EF-8530红外光源手册可知其工作电压在0.5V至3V的区间，因此还需要设计一个降压电路将电压降至0.5V至3V的区间。由于电压需要受到单片机控制，因此实际该稳压源是一个数控的可调电压电路。考虑到红外光源的工作特性，在工作时候并不需要频繁的设定工作功率，因此该数控可调电压电路的设计并不需要考虑调节频率的需求。2.3.1单片机稳压电路设计单片机稳压电路设计主要目的是将锂电池输出的电压降低至3.3V，从而使得单片机能够正常工作。目前用于低压差的稳压电路包括了DC-DC降压电路和线性稳压器两大类，DC-DC降压电路又称为开关型稳压电路，顾名思义其原理是使功率管如三极管、MOS、IGBT等器件工作在开关状态，通过高频率的开关以及负反馈调节使得电压恒定。DC-DC降压电路有多种拓扑结构，其中应用最广泛的是Bulk电路结构，其原理如图2.1所示。其中Q1是功率管，可以替换成上述的MOS管、IGBT管等开关器件。当Q1导通的时候，输入电源通过L1电感储能、C1电容充电和给负载R1提供能量。由于电感的特性使得电路的功率管后的电路电流呈线性增长，故而负载获的电压是慢慢上升的。当Q1关闭的时候，储能电感L1通过续流二极管D1与负载构成回路，而电源电压此时通过C1电容来恒定。具体到本设计中，如果输入的3.7V在Q1管打开后使得负载电压从0V到达3.3V时候则立即关闭开关管，使得电感电流减少。此时由于电容的充电电压已经在Q1打开阶段就到达3.3V因此负载获得的电压仍为3.3V，一旦电容电压随着防电降低则电感会为其充电，从而使得在一个控制周期内负载获得的电压仍然是3.3V。从上述原理可以看出DC-DC稳压电路具有的优点是体积小，降压范围大。而缺点是外围器件相比线性稳压器较多。同时由于DC-DC稳压电路频繁的工作在开关状态，势必会导致稳压输出的电压具有较大的波纹。如果波纹通过单片机电源电路耦合至内部的ADC参考电压，那么就会引起较大的量化误差，从而导致后续的电路设计精度达不到要求。因此在本设计没有选用DC-DC电路作为单片机稳压电路。图2.2buck电路工作原理图线性稳压器的特点是使得功率管工作在线性区，因此使得这种稳压器结构不同于DC-DC稳压电路采用的开关控制结构。工作在线性区的管功率不会出现频繁的开关，因此不会引入较大纹波噪音。线性稳压器电路原理如图2.2所示，其工作原理与DC-DC工作类似，同样是利用负反馈的方法控制功率管使得输出电压恒定的期望值。图中R1和R2电阻构成分压反馈网络，将输出电压转换为参考电压输入到误差放大器的同相输入端，而芯片内部的参考电压电路输入至误差放大器的反相输入端。芯片内部的参考电压是根据器件期望输出的电压决定的，例如期望输出电压是3.3V，那么参考电压可以根据电路相关参数计算出一个理论值并利用分压网络设置，然后将理论参考电压与实际分压反馈网络输出的电压值的误差通过放大器放大后就可以控制工作在线性区的功率管。由于功率管在线性区的导通电阻受到栅极电压的控制，因此等效于控制输入电流，利用负反馈原理可知最终输出电压则会恒定在理论的参考电压值附近。因为功率管是利用线性区进行控制，所以理论上其具有无限大的分辨率，因此在实际电路设计中一般线性稳压器的纹波远低于DC-DC稳压电路。因此在本设计选用了线性稳压器作为单片机稳压电路。图2.3线性稳压器电路工作原理图MSP430单片机属于低功耗单片机，因此其工作电流相比其他类型的单片机更加低。但是考虑到后续可能在设计中途加入其他模块需要使用3.3V电源，因此本设计采用的线性稳压器是具有300mA输出能力的低压差线性稳压器TLV73333。TLV73333是TI公司生产一款的线性低压差芯片，其支持最大输入电压为5.5V，压差最大是125mv。由于锂电池供电电压最低为3.7V与3.3V之间的压差最小为300mv，因此能够满足本设计的需求，其电路原理图如图2.3所示。其中输入电源入口和输出电源出口都并接两个0.1uF的电容。其目的是分别是为了滤掉外部电磁干扰耦合至输入电源的高频噪音，和保证在后级电路瞬时电流过大时不会拉低输出电压。根据阻抗的结论，通过电容可以滤除生活常见的大部分的高频噪音干扰。图2.4TLV73333电路原理图2.3.2数控可调电压电路设计数控可调电压电路设计主要目的是将电池稳定在0.5V至3.0V的区间内，根据图2.4红外光源电压电流特性可知负载电流随着电压升高而升高。根据数据手册参数得EF-8530最高工作电压在3.0V，最高工作电流为1.34A。因此为了使得设计的数控电源满足光源要求，可以根据图中电压与电流的关系进行稳压器的电流参数进行选取。目前电池选用的是3.7V的稳压源，如果使用DC-DC拓扑结构进行电压调节的话不仅存在较大波纹而且电路复杂，因此在本设计中考虑使用可调压的线性稳压器作为电压调节器。图2.5红外光源电压电流特性根据光源的电压电流特性可知，在电压升高后电流也会相应的升高，当电压达到峰值电压3V时候此时需要1.34A的峰值电流，因此稳压器输出电流需要高于此电流。工程上一般需要留有一定的裕量，因此本设计在对稳压器选型时电流参数为3A。由于工作电压是从0.5V开始，因此需要选择线性稳压器能够满足电压从0.5V开始调节的稳压器。通过TI官网的器件搜索导航可以查询到TPS7A7002这款芯片能够满足这两个主要参数。TPS7A7002是一款专门为超低电压和超低压降设计的一款芯片。在上述中可知线性稳压器工作的核心器件是利用内部的误差放大器对输出信号和参考信号进行比较，从而产生放大的误差信号对功率器件进行负反馈控制。但是由于器件精度并非是无限大，因此负反馈控制总是存在一定的死区。这个死区表现到稳压器性能上则是其对压差的要求，一般而言使用线性稳压器需要保证输入电源与输出电源的压差大于器件规定的压差，否则器件内部的负反馈调节电路则会进入死区导致无法实现稳压功能。TPS7A7002这款芯片的最大压降为600mv，而本设计的电池电压最低为3.7V，而光源需要的峰值电压为3V，因此之间最小的压差为700mv高于芯片的最大压降值，所以能够保证器件在调节范围内正常工作。可调节电压的TPS7A7002内部框图如图2.5所示，图中右侧是分压反馈网络。一般应用中是通过分压电阻设置反馈电压信号，使得电路输出的电压固定某一个特定值。但是由于本设计需要使用单片机调节电压，因此无法直接使用常规电路进行设计。为了实现调压的功能，需要对常规使用固定电阻的电路进行改造，从而利用单片机外设控制反馈电压实现电压调节。通过观察图中可知，反馈电压信号通过FB引脚作为内部误差放大器的反相输入，而放大器正相输入则是0.5V的参考电压源。根据图中的关系可以知道，反馈电阻系数的设置和输出电压的关系式2.1。因此如果通过单片机控制反馈电阻系数那么则可以控制输出电压。由于内部的负反馈调节时间参数手册中没有给出，又因为本设计的光源控制系统并不需要动态的调节功率，因此可以使用按键输入目标电压再利用单片机调节反馈电阻系数来调节电压。(式2.1)图2.6TPS7A7002内部框图2.3.3数字电位器电路设计根据上述的结论可知，为了利用单片机控制输出电压需要控制分压反馈电路中的电阻系数比，根据TPS7A7002数据手册中的第8.1.3小结中的设计概述可以得知，如果反馈电阻不使用官方推荐的电阻值，那么建议将R2电阻设置在27k欧姆至33k欧姆之间。因此如果将R2固定，那么通过数字电位器替换R1，通过单片机编程数字电位器R1的参数就可以实现电阻比的调节。数字电位器是一种可以利用数字通讯协议如SPI、I2C等改变自身电阻的器件，数字电位器的选型主要有分辨率与可调范围还有易失性。其中分辨率主要是通过数字电位器可编程的位数决定的，例如7位电位器可调节的电阻阶数为128阶次，而8位电位器则可以到达256阶次。因此位数越高的电位器其分辨率就越高，从而使得可以调节电压分辨率就越高。易失性则是指电位器在掉电后能否保证下次上电后内部的阻值不变，因为如果意外掉电后上电时候的电阻发生变换，可能导致功率发生变换，最后导致红外光源烧毁。但是本设计选用的TPS7A7002具有使能端，可以利用单片机的IO口进行控制。因此在上电只需要先完成数字电位器的调节后再打开线性稳压器就可以避免电压在掉电后重新上电导致红外光源烧毁的可能。根据式2.1，若R2电阻设置为30.1k欧姆，那么为了使得电路能够从0.5V至3V调节，需要R1的阻值范围为0k欧姆至150.5k欧姆之间可以调节。由于一般的数字电位器芯片提供的最大调节范围为100k欧姆，因此使用单个数字电位器无法做到150.5k欧姆范围的调节，因此本设计采用了两个100k欧姆数字电位器串联构成R1。在本设计经过参数、性能、价格对比，最终选用了TPL0501-100DCNR数字电位器。TPL0501-100DCNR是TI生产的一款具有256位置分辨率的单通道数字电位器，其原理框图如图2.6所示。其中SCLK、DIN、CS是兼容SPI接口的数字通讯引脚，利用MSP430与其通信就可以完成数字电位器的电阻值调节。图2.7是本设计中TPL0501电路的原理图，通过将两个TPL0501串口就可以实现0k欧姆至200k欧姆的线性调节。图2.7TPL0501-100DCNR原理框图图2.8TPL0501电路2.4 单片机电路原理与设计单片机电路包括了时钟电路、复位电路、下载电路三部分，如图2.8所示。一般而言时钟电路用于向单片机提供固定频率的时钟信号，时钟信号频率一方面决定了单片机内部程序的运行速度另一方面决定了单片机功耗。因此普通单片机在设计时候需要在功耗和性能之间选择平衡点从而设计特定的时钟频率。但是MSP430作为一款以低功耗为特色的单片机，其利用了一种全新的方式解决性能与功耗的问题。这种方法是使得对频率需要较低的模块使用低频时钟工作，而不是高频时钟。对于有性能要求的部分，则可以采用高频时钟来提高其性能。因此在MSP430这款单片机的时钟电路设计时候需要提供两路时钟信号。其中低频的时钟可以通过引脚9和引脚10输入，作为LFXT1CLK时钟。高频时钟则可以通过引脚52和引脚53输入，作为XT2CLK。除了这两种外部时钟源，MSP430内部还具有RC类型的DCO时钟。DCO时钟是数字控制时钟，由于RC电路容易受到温度等因素影响，因此内部时钟通常精度远低于外部时钟。在本设计中MSP430时钟电路包含两部分，分别采用了32.768KHz晶振和8MHz晶振为单片机提供外部时钟信号。单片机复位信号用于复位单片机内部的各个寄存器并将程序指针指向起始地址。一般情况下，单片机电路必须包含上电复位电路，保证单片机上电时候被稳定地复位。这是因为假如在应用过程中单片机意外掉电后重新上电，若这个时间间隔较小则可能导致单片机开始工作时候内部寄存器没有被复位，从而导致程序逻辑崩溃。MSP430复位电路是低电平复位，因此需要在复位端口使用RC电路提供上电复位信号。使用RC电路是因为单片机的复位引脚为了防止噪音干扰导致意外复位，必须要求输入的低电平脉冲宽度大于某个时间。因此利用RC电路工作时候电容两端电压从0V逐渐上升至充电电压的特性，只要控制RC时间常数大于复位信号要求的时常即可。同时为了提供按键复位功能，因此将按键两端与电容并联，当按键按下时可以直接将复位引脚接地完成单片机复位功能。MSP430下载电路是通过JTAG接口完成，JTAG是一种国际标准测速协议。其主要应用于芯片内部测试，例如大部分的DSP、MCU、FPGA中都提供了JTAG用于软件调试。JTAG除了实现了芯片内部测试的功能，同时也支持对芯片内部的FLASH进行读写，因此可以通过支持JTAG的仿真器或者下载器完成程序下载功能。标准的JTAG需要提供TMS、TCK、TDI、TDO四个信号。其分别用于测试模式选择、测试时钟、测试数据输入、测试数据输出。在设计MSP430下载电路需要将这四个引脚连接至JTAG引脚中。除了这四个信号外，JTAG标准还规定了可以提供RST引脚使得调试器能够在电脑端完成软件复位功能，方便后续程序编写调试。目前支持调试器主要包括了通用调试器JLINK和MSP430专用调试器FET430。JLINK调试器是一种通用的调试器，其支持对所有ARM架构系列的芯片调试，同时对于支持JTAG接口的大部分单片机也能够支持。但是本设计使用的MSP430并不是属于ARM架构的单片机，因此在本设计只能选择使用FET430完成程序下载和断电调试。图2.9单片机电路2.5按键电路原理与设计系统的按键电路如图2.9所示，其中R3和R4的按键输入IO测的上拉电阻。当按键没有按下的时候，IO端口被上拉至高电平，当按键被按下的时候，IO端口读入电平为低。因为按键电路可以与外部进行交互，例如参数设置，模式设置等。在本设计中，使用按键主要用于控制输出电压。图2.10按键电路2.6串口电路原理与设计串口是计算机与仪器仪表等嵌入式设备通讯的主要通信方法，串口主要包括了RS-232、TTL、RS-485等多种硬件接口。RS232和RS485主要应用于工业场合的超长距离通信，其中RS485利用差分信号线来传输通讯内容，因此具有良好的抗干扰性。RS232则是使用比TTL更宽的电压范围来表示通讯中的二进制值，因此其抗干扰能力也强于TTL。本设计使用的串口的硬件接口是TTL电平的，因为TTL电平可以不经过电平转换器直接使用USB转串口芯片完成电脑上位机与设备的通信。USB转串口芯片是一种SOC芯片，其内部的控制器会完成串口协议与USB协议的转换。图2.10是USB转串口芯片电路，其中C8用于稳定芯片工作电源。其中UART1_TX和UART1_RX端口连接单片机的串口IO，USB_P和USB_N则是USB的数据线，由于需要使用USB数据线采用差分线传输数据，因此端口的后缀需要标识为P和N。图2.11USB转串口芯片3.结论 本设计完成了红外光源硬件电路的设计，通过了解红外光源工作原理、工作特性以及控制技术利用EDA软件设计了电路原理图。在设计中，通过分析DC-DC电路以及LDO电路的工作原理，选用了LDO作为降压稳压电源为单片机等数字电源功能，满足了系统的电源设计需求。另一方面通过分析集成稳压器工作原理，利用数字电位器更改集成稳压器内部的负反馈调节电路的反馈参数实现红外光源驱动电压的更改，验证了该方法驱动红外光源的可行性。 虽然本设计能够满足红外光源的基本控制功能，但是由于自身知识水平有限仍存在以下可以提高的部分：在驱动电路中仅仅实现了电压负反馈调节使得驱动电压恒定并没有进一步实现恒流驱动功能。通过设计分立的功率驱动电路，提高驱动能力。增加EMC器件，提高控制器的稳定性。

参考文献[1]孙玉洋.近红外光源稳定控制系统及应用研究[D].吉林:吉林大学,2015.[2]任耀辉.MEMS气体传感器用红外光源研究[D].太原:中北大学,2015.[3]黄堃.新型照明光源LED的控制系统设计[D].南京:东南大学,2017.[4]柯淋.红外气体传感器设计与实现[D].成都:电子科技大学,2017.[5]乔永娜.大功率LED驱动电源及其控制策略的研究[D].大庆:东北石油大学,2018.[6]陈丹.数控大功率LED驱动研究[D].浙江:浙江大学,2018.[7]石鹏.大功率LED驱动电源的研究[D].天津:天津理工大学,2015.[8]张中元.基于MCU的LED大功率驱动电源设计[D].天津:天津工业大学,2016.[9]赵念.大电流功率MOS的控制和驱动IC[D].成都:电子科技大学,2019.[10]余维学.超低噪声LDO线性稳压器的研究与实现[D].西安:西安电子科技大学,2006.[11]胡贺伟.具有LDO模式的同步降压型稳压器XDJ6348集成电路的设计[D].西安:西安电子科技大学,2017.[12]巴文强.高速高精度ADC设计[D].北京:北京交通大学,2019.谢辞经过了两个多月的努力，我最后完成了论文的写作。从开始接到论文题目到系统的实现，再到论文文章的完成，每走一步对我来说都是新的尝试与挑战，这也是我在大学期间独立完成的最大的项目。在这段时间里，我学到了很多知识也有很多感受，从一无所知，我开始了独立的学习和试验，查看相关的资料和书籍，让自己头脑中模糊的概念逐渐清晰，使自己十分稚嫩作品一步步完善起来，每一次改善都是我学习的收获，每一次试验的成功都会让我兴奋好一段时间。我的论文作品不是很成熟，还有很多不足之处。但是这次做论文的经历使我终身受益。我感受到做论文是要真真正正用心去做的一件事情，是真正的自己学习的过程和研究的过程，没有学习就不可能有研究的潜力，没有自己的研究，就不会有所突破，那也就不叫论文了。期望这次的经历能让我在以后学习中激励我继续进步。

附录附录1电路图

HYPERLINK电脑快捷知识大全编辑本段一、常见用法F1显示当前程序或者windows的帮助内容。F2当你选中一个文件的话，这意味着“重命名”F3当你在桌面上的时候是打开“查找：所有文件”对话框F10或ALT激活当前程序的菜单栏windows键或CTRL+ESC打开开始菜单CTRL+ALT+DELETE在win9x中打开关闭程序对话框DELETE删除被选择的选择项目，如果是文件，将被放入回收站SHIFT+DELETE删除被选择的选择项目，如果是文件，将被直接删除而不是放入回收站CTRL+N新建一个新的文件CTRL+O打开“打开文件”对话框CTRL+P打开“打印”对话框CTRL+S保存当前操作的文件CTRL+X剪切被选择的项目到剪贴板CTRL+INSERT或CTRL+C复制被选择的项目到剪贴板SHIFT+INSERT或CTRL+V粘贴剪贴板中的内容到当前位置ALT+BACKSPACE或CTRL+Z撤销上一步的操作ALT+SHIFT+BACKSPACE重做上一步被撤销的操作Windows键+L锁屏键Windows键+M最小化所有被打开的窗口。Windows键+SHIFT+M重新将恢复上一项操作前窗口的大小和位置Windows键+E打开资源管理器Windows键+F打开“查找：所有文件”对话框Windows键+R打开“运行”对话框Windows键+BREAK打开“系统属性”对话框Windows键+CTRL+F打开“查找：计算机”对话框SHIFT+F10或鼠标右击打开当前活动项目的快捷菜单SHIFT在放入CD的时候按下不放，可以跳过自动播放CD。在打开word的时候按下不放，可以跳过自启动的宏ALT+F4关闭当前应用程序ALT+SPACEBAR打开程序最左上角的菜单ALT+TAB切换当前程序ALT+ESC切换当前程序ALT+ENTER将windows下运行的MSDOS窗口在窗口和全屏幕状态间切换PRINTSCREEN将当前屏幕以图象方式拷贝到剪贴板ALT+PRINTSCREEN将当前活动程序窗口以图象方式拷贝到剪贴板CTRL+F4关闭当前应用程序中的当前文本（如word中）CTRL+F6切换到当前应用程序中的下一个文本（加shift可以跳到前一个窗口）在IE中：ALT+RIGHTARROW显示前一页（前进键）ALT+LEFTARROW显示后一页（后退键）CTRL+TAB在页面上的各框架中切换（加shift反向）F5刷新CTRL+F5强行刷新目的快捷键激活程序中的菜单栏F10执行菜单上相应的命令ALT+菜单上带下划线的字母关闭多文档界面程序中的当前窗口CTRL+F4关闭当前窗口或退出程序ALT+F4复制CTRL+C剪切CTRL+X删除DELETE显示所选对话框项目的帮助F1显示当前窗口的系统菜单ALT+空格键显示所选项目的快捷菜单SHIFT+F10显示“开始”菜单CTRL+ESC显示多文档界面程序的系统菜单ALT+连字号(-)粘贴CTRL+V切换到上次使用的窗口或者按住ALT然后重复按TAB，切换到另一个窗口ALT+TAB撤消CTRL+Z编辑本段二、使用“Windows资源管理器”的快捷键目的快捷键如果当前选择展开了,要折叠或者选择父文件夹左箭头折叠所选的文件夹NUMLOCK+负号(-)如果当前选择折叠了，要展开或者选择第一个子文件夹右箭头展开当前选择下的所有文件夹NUMLOCK+*展开所选的文件夹NUMLOCK+加号(+)在左右窗格间切换F6编辑本段三、使用WINDOWS键可以使用Microsoft自然键盘或含有Windows徽标键的其他任何兼容键盘的以下快捷键。目的快捷键在任务栏上的按钮间循环WINDOWS+TAB显示“查找：所有文件”WINDOWS+F显示“查找：计算机”CTRL+WINDOWS+F显示“帮助”WINDOWS+F1显示“运行”命令WINDOWS+R显示“开始”菜单WINDOWS显示“系统属性”对话框WINDOWS+BREAK显示“Windows资源管理器”WINDOWS+E最小化或还原所有窗口WINDOWS+D撤消最小化所有窗口SHIFT+WINDOWS+M编辑本段四、“我的电脑”和“资源管理器”的快捷键目的快捷键关闭所选文件夹及其所有父文件夹按住SHIFT键再单击“关闭按钮（仅适用于“我的电脑”）向后移动到上一个视图ALT+左箭头向前移动到上一个视图ALT+右箭头查看上一级文件夹BACKSPACE编辑本段五、使用对话框中的快捷键目的快捷键取消当前任务ESC如果当前控件是个按钮，要单击该按钮或者如果当前控件是个复选框，要选择或清除该复选框或者如果当前控件是个选项按钮，要单击该选项空格键单击相应的命令ALT+带下划线的字母单击所选按钮ENTER在选项上向后移动SHIFT+TAB在选项卡上向后移动CTRL+SHIFT+TAB在选项上向前移动TAB在选项卡上向前移动CTRL+TAB如果在“另存为”或“打开”对话框中选择了某文件夹，要打开上一级文件夹BACKSPACE在“另存为”或“打开”对话框中打开“保存到”或“查阅”F4刷新“另存为”或“打开”对话框F5编辑本段六、桌面、我的电脑和“资源管理器”快捷键选择项目时，可以使用以下快捷键。目的快捷键插入光盘时不用“自动播放”功能按住SHIFT插入CD-ROM复制文件按住CTRL拖动文件创建快捷方式按住CTRL+SHIFT拖动文件立即删除某项目而不将其放入SHIFT+DELETE“回收站”显示“查找：所有文件”F3显示项目的快捷菜单APPLICATION键刷新窗口的内容F5重命名项目F2选择所有项目CTRL+A查看项目的属性ALT+ENTER或ALT+双击可将APPLICATION键用于Microsoft自然键盘或含有APPLICATION键的其他兼容键编辑本段七、Microsoft放大程序的快捷键这里运用Windows徽标键和其他键的组合。快捷键目的Windows徽标+PRINTSCREEN将屏幕复制到剪贴板（包括鼠标光标）Windows徽标+SCROLLLOCK将屏幕复制到剪贴板（不包括鼠标光标）Windows徽标+PAGEUP切换反色。Windows徽标+PAGEDOWN切换跟随鼠标光标Windows徽标+向上箭头增加放大率Windows徽标+向下箭头减小放大率编辑本段八、使用辅助选项快捷键目的快捷键切换筛选键开关右SHIFT八秒切换高对比度开关左ALT+左SHIFT+PRINTSCREEN切换鼠标键开关左ALT+左SHIFT+NUMLOCK切换粘滞键开关SHIFT键五次切换切换键开关NUMLOCK五秒QQ快捷键，玩QQ更方便Alt+S快速回复Alt+C关闭当前窗口Alt+H打开聊天记录Alt+T更改消息模式Ait+J打开聊天纪录Ctrl+A全选当前对话框里的内容Ctrl+FQQ里直接显示字体设置工具条Ctrl+J输入框里回车(跟回车一个效果)Ctrl+M输入框里回车(跟回车一个效果)Ctrl+L对输入框里当前行的文字左对齐Ctrl+R对输入框里当前行的文字右对齐Ctrl+E对输入框里当前行的文字居中Ctrl+V在qq对话框里实行粘贴Ctrl+Z清空/恢复输入框里的文字Ctrl+回车快速回复这个可能是聊QQ时最常用到的了Ctrl+Alt+Z快速提取消息Ctrl+Alt+A捕捉屏幕最常用的快捷键F5刷新DELETE删除TAB改变焦点CTRL+C复制CTRL+X剪切CTRL+V粘贴CTRL+A全选CTRL+Z撤销CTRL+S保存ALT+F4关闭CTRL+Y恢复ALT+TAB切换CTRL+F5强制刷新CTRL+W关闭CTRL+F查找SHIFT+DELETE永久删除CTRL+ALT+DEL任务管理SHIFT+TAB-反向切换CTRL+空格--中英文输入切换CTRL+Shift输入法切换CTRL+ESC--开始菜单CTRL+ALT+ZQQ快速提取消息CTRL+ALT+AQQ截图工具CTRL+ENTERQQ发消息Alt+1保存当前表单Alt+2保存为通用表单Alt+A展开收藏夹列表资源管理器END显示当前窗口的底端HOME显示当前窗口的顶端NUMLOCK+数字键盘的减号(-)折叠所选的文件夹NUMLOCK+数字键盘的加号(+)显示所选文件夹的内容NUMLOCK+数字键盘的星号(*)显示所选文件夹的所有子文件夹向左键当前所选项处于展开状态时折叠该项，或选定其父文件夹向右键当前所选项处于折叠状态时展开该项，或选定第一个子文件夹自然键盘【窗口】显示或隐藏“开始”菜单【窗口】+F1帮助【窗口】+D显示桌面【窗口】+R打开“运行”【窗口】+E打开“我的电脑”【窗口】+F搜索文件或文件夹【窗口】+U打开“工具管理器”【窗口】+BREAK显示“系统属性”【窗口】+TAB在打开的项目之间切换辅助功能按右边的SHIFT键八秒钟切换筛选键的开和关按SHIFT五次切换粘滞键的开和关按NUMLOCK五秒钟切换切换键的开和关左边的ALT+左边的SHIFT+NUMLOCK切换鼠标键的开和关左边的ALT+左边的SHIFT+PRINTSCREEN切换高对比度的开和关运行按“开始”－“运行”，或按WIN键+R，在『运行』窗口中输入：（按英文字符顺序排列）%temp%打开临时文件夹.C:\DocumentsandSettings\用户名所在文件夹..C:\DocumentsandSettings...我的电脑\C盘appwize.cpl添加、删除程序access.cpl辅助功能选项Accwiz辅助功能向导cmdCMD命令提示符commandCMD命令提示符chkdsk.exeChkdsk磁盘检查certmgr.msc证书管理实用程序calc启动计算器charmap启动字符映射表cintsetp仓颉拼音输入法cliconfgSQLSERVER客户端网络实用程序clipbrd剪贴板查看器control打开控制面板conf启动netmeetingcompmgmt.msc计算机管理cleanmgr垃圾整理ciadv.msc索引服务程序dcomcnfg打开系统组件服务ddeshare打开DDE共享设置d