电子技术实训篇第二版综合实训

4综合实训电子技术4综合实训1.基于可编程温度传感器的数字温度系统设计2.基于DDS的信号发生器设计3.基于FPGA的数字存储示波器设计项目目标与准备1.1基于可编程温度传感器的数字温度系统设计本项目实现基于单片机和新型可编程温度传感器的水温控制系统设计，可编程温度传感器采用DS18B20。一工作任务水温可以在一定范围内由人工自由设定。本项目的任务是设计一个基于温度传感器DS18B20的水温控制系统，该系统具有以下功能：水温低于或超出设定温度范围时实现自动调节控制，以保持水温恒定。在水温低于或超出设定温度范围时发出报警。水温值可在字符型液晶LCD1602上实时显示。显示工作状态、日期等信息。温度传感器模块键盘输入模块液晶显示模块单片机控制模块蜂鸣器报警模块继电器模块图4-1数字温度系统总体设计框图二技能目标1.通过数字温度系统的设计，使学生具有分析设计需求能力。2.信息的采集与处理。3.使学生掌握温度、湿度等传感器应用4.掌握液晶输出设备，蜂鸣器等使用，提高应用能力5.程序编写及软件仿真与调试的体验，掌握单片机复杂系统软件设计，提高单片机编程能力三芯片资料AT89S52单片机的芯片资料AT89S52单片机主要性能：与MCS-51单片机产品兼容8K字节在系统可编程Flash存储器1000次擦写周期全静态操作：0Hz～33Hz三级加密程序存储器32个可编程I/O口线三个16位定时器/计数器八个中断源全双工UART串行通道低功耗空闲和掉电模式掉电后中断可唤醒看门狗定时器双数据指针掉电标识符

AT89S52单片机有四种引脚结构，如图4-2所示。图4-2AT89S52单片机四种引脚结构符号位地址功能描述EAIE.7中断总允许控制位。EA=0，中断总禁止；EA=1，各中断由各自的控制位设定。IE.6预留ET2IE.5定时器2中断允许控制位ESIE.4串行口中断允许控制位ET1IE.3定时器1中断允许控制位EX1IE.2外部中断1允许控制位ET0IE.1定时器0中断允许控制位EX0IE.0外部中断1允许控制位四技术指标1.温度测量精度达到0.1℃。2.水温人工设定时可实现同步温度值显示。3.报警上下限值可人工自由设定。4.温度数据可存储在外部扩展存储器中。温度传感器1.2基于可编程温度传感器的数字温度系统设计

DS18B20具有以下特点：采用单线(1-wire)技术，与微处理器通信只需一根线。微处理器通过识别DS18B20各自唯一的产品序列号，可实现多个DS18B20挂接在同一单线总线上，从而非常便利的构成多点温度检测系统。工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生。温度测量范围为－55℃～＋125℃，在-10℃～+85℃范围内测量误差为±0.5℃。温度传感器的分辨率可由用户从9位到12位自由设定，对应的温度值分辨率分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃。被测温度采用16位符号扩展的二进制补码格式串行输出。将12位的温度值转换为数字量所需要的时间不超过750ms。用户可通过非易失性温度报警触发器自行设定报警的上下限温度值。微处理器通过报警搜索命令可及时识别出正在报警的器件。图4-3DS18B20的内部结构图序号高速暂存器EEPROM存储器0温度值低位字节1温度值高位字节2TH/用户寄存器字节1TH/用户寄存器字节13TL/用户寄存器字节2TL/用户寄存器字节24配置寄存器配置寄存器5保留字节6保留字节7保留字节8CRC字节表4-2DS18B20内部存储器组织结构图0R1R211111表4-3R1R0分辨率（位）最大转换时间（ms）00993.750110187.510113751112750表4-4图4-4DS18B20的管脚排列图4-5DS18B20与微处理器的典型连接图DS18B20中的单线（1-wire）技术图4-6单总线硬件接口示意图智能水温控制系统组成1.3基于可编程温度传感器的数字温度系统设计一单片机系统选择系统的扩展和配置应遵循以下原则：尽可能选择典型电路，并符合单片机常规用法。为硬件系统的标准化、模块化打下良好的基础。系统扩展与外围设备的配置水平应充分满足应用系统的功能要求，并留有适当余地以便进行二次开发。硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。硬件结构与软件方案会产生相互影响，考虑的一般规则是软件能实现的功能尽可能由软件实现，以简化硬件结构。但必须注意，由软件实现的硬件功能一般响应时间比硬件实现长，且占用CPU时间。系统中的相关器件要尽可能做到性能匹配。如选用CMOS芯片单片机构成低功耗系统时，系统中所有芯片都应尽可能选择低功耗产品。可靠性及抗干扰设计是硬件设计必不可少的一部分，它包括芯片、器件选择、去耦滤波、印刷电路板布线、通道隔离等。单片机外围电路较多时，必须考虑其驱动能力。驱动能力不足时，系统工作不可靠，可通过增设线驱动器增强驱动能力或减少芯片功耗来降低总线负载。尽量朝单片方向设计硬件系统。系统器件越多，器件之间相互干扰也越强，功耗也增大，也不可避免地降低了系统的稳定性。图4-7单片机应用系统电路二基于DS18B20温度传感器模块图4-8基于DS18B20温度传感器模块连接图图4-9信息存储模块三液晶显示模块引脚序号引脚符号状态功能描述1VSS电源地2VDD正5V电源3V0液晶驱动电源4RS输入寄存器选择5R/W输入读写操作选择6E输入使能信号7DB0三态数据总线8DB1三态数据总线9DB2三态数据总线10DB3三态数据总线11DB4三态数据总线12DB5三态数据总线13DB6三态数据总线14DB7三态数据总线15LED+输入背光LED电源正极16LED-输入背光LED电源负极液晶引脚功能详细介绍如下：液晶模块的指令格式RSR/WDB0DB1DB2DB3DB4DB5DB6DB7指令与操作对照表RSR/WE操作00下降沿指令寄存器写入01高电平忙标志和地址计数器读出10下降沿数据寄存器写入10高电平数据寄存器读出液晶指令功能详细介绍：指令指令码说明指令周期fmax=250kHzRSR/WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0清屏0000000001清除屏幕，置AC为0，光标回位1.64ms光标返回000000001*DDRAM地址为0，显示回原位，DDRAM内容不变1.64ms设置输入方式00000001I/DS设置光标移动方向并指定显示是否移动40us显示开关0000001DCB设置显示开关D，光标开关C，光标所在字符闪烁B40us移位000001S/CR/L**移动光标及整体显示，同时不改变DDRAM内容40us功能设置00001DLNF**设置接口数据位数DL，显示行数L，字符字体F40usCGRAM地址设置0001ACG设置CGRAM地址，设置后发送接收数据40usDDRAM地址设置001ADD设置DDRAM地址，设置后发送接收数据40us忙标志/读地址计数器01BFACX忙标志BF标志正在执行内部操作并读地址计数器内容0usCGRAM/DDRAM数据写10写数据从CGRAM或DDRAM写数据40usCGRAM/DDRAM数据读11读数据从CGRAM或DDRAM读数据40usI/D=1:增量方式;I/D=0:减量方式S=1:移位S/C=1:显示移位;S/C=0:光标移位R/L=1:右移;R/L=0:左移DL=1:8位;DL=0:4位N=1:2行;N=0:1行F=1:5×10字体

F=0:5×7字体BF=1:执行内部操作;BF=0:可接收指令DDRAM:显示数据RAMCGRAM:字符发生器RAMACG:DDRAM地址及光标地址AC:地址计数器，用于DDRAM和CGRAM执行周期主频改变而改变例如当fcp或fosc=270kHz时：40us×250/270=37us四液晶模块执行指令的基本过程控制液晶显示的代码执行过程如图4-10图4-10液晶显示的流程图RSR/WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB001BFXXXXXXX表4-10LCD显示过程如下：①初始化模块RSR/WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB000011XXXXX②首先根据需要，用指令表中的前6条指令，设定好LCD的工作显示方式。③设定DDRAM地址（第8条指令）DDRAM（显示数据）可以理解为字符在LCD上的位置对应相关RAM的地址：表4-12设置DDRAM地址的指令为：表4-13表4-14五智能水温控制系统硬件系统方案图4-11电源模块原理图图4-12单片机控制模块原理图图4-13蜂鸣器报警模块和液晶显示模块原理图图4-14键盘输入模块原理图图4-15温度传感器模块和继电器模块原理图软件系统设计1.4基于可编程温度传感器的数字温度系统设计图4-16（a）初始化时序图4-16（b）写时序voidInitial_DS18B20(void)//产生复位脉冲初始化DS18B20{ unsignedchari;/*产生约900us的低电平脉冲*/ DQ=0; i=100; while(i>0) i--; /*产生上升沿*/ DQ=1;/*等待约40us*/ i=4; while(i>0) i--;}

voidWait_Response(void)//等待DS18B20产生的应答脉冲{unsignedcharj; while(DQ); while(~DQ) //检测到应答脉冲{ j=4; while(j>0) j--;}}初始化写0和写1操作voidWrite_Byte(unsignedchard)//写一个字节的数据,包括写0和写1操作

{ unsignedchari,j; bittemp; for(j=1;j<=8;j++) { temp=d&0x01;//取写入数据的最低位 d=d>>1; //数据右移一位，取数据的次低位 if(temp)//写1操作 { DQ=0; i++;i++; //延时15us后拉高数据线DQ DQ=1; i=8; while(i>0)i--;//再延时保证写1时间片不低于60us } else//写0操作 { DQ=0; i=8; while(i>0)i--;//维持60us到120us的低电平 DQ=1; i++; i++; } }}图4-16（c）读时序bitRead_Bit(void)//读取数据的一位{ unsignedchari; bittmp; DQ=0; i++; DQ=1; i++;i++;//读时隙下降沿后15us，DS18B20输出数据有效

tmp=DQ; i=8; while(i>0)i--; return(tmp);}

unsignedcharRead_Byte(void)//读取数据的一个字节{uchari,j,d;d=0; for(i=1;i<=8;i++) {j=Read_Bit(); d=(j<<7)|(d>>1); } return(d);}读0和读1操作指令代码ReadROM(读ROM)[33H]MatchROM(匹配ROM)[55H]SkipROM(跳过ROM)[CCH]SearchROM(搜索ROM)[F0H]Alarmsearch(告警搜索)[ECH]指令代码WriteScratchpad(写暂存存储器)[4EH]ReadScratchpad(读暂存存储器)[BEH]CopyScratchpad(复制暂存存储器)[48H]ConvertTemperature(温度变换)[44H]RecallEPROM(重新调出)[B8H]ReadPowersupply(读电源)[B4H]开始

初始化DS18B20ROM操作命令DS18B20存在？

返回初始化DS18B20延时等待温度转换完成温度转换启动命令DS18B20存在？ROM操作命令读暂存器命令读取温度值图4-17测温程序流程图图4-18键盘控制程序流程图图4-19水温控制系统流程图选择部件，控制水温的精度，对项目进行改进1.5基于可编程温度传感器的数字温度系统设计图4-20项目进行改进项目小结与建议1.6基于可编程温度传感器的数字温度系统设计一概念复习整个项目涉及的主要知识点有：单片机应用系统液晶显示模块的使用温度传感器DS18B20的工作原理和各种操作命令单线（1-wire）技术温度传感器数据存储器时序图和程序框图二技能回顾整个项目涉及的主要技能有：怎样进行项目分析如何选择合适的器件和芯片单片机系统的选择单线通信技术硬件模块电路的设计如何根据工作时序图编写程序如何绘制程序流程图以及编写相应的程序项目训练1.7基于可编程温度传感器的数字温度系统设计一湿度监测系统具有以下功能1.实时采集和记录各个空间温湿度情况，进行实时的显示，可以采集多通道。2.所有的数据采集和记录到一台主机计算机上，数据可以按照使用人员的要求定时自动备份、打印、归档等。3.可以实时显示不同的测温点的温度曲线变化及历史温度曲线变化，可以同时显示多个不同测温点的温度曲线，更方便比较分析。4.在出现异常数据的时候，可以按照使用人员指定的方式输出多种报警。如鸣笛报警、电话报警、短信报警、E-MAIL报警。5.局域网内的远程计算机在经过授权后，可以读取主机计算机上的实时数据，实现远程的监测。DDS技术介绍2.1基于DDS的信号发生器设计本项目要求我们在学习掌握DDS技术的前提下，利用ADI公司的专用DDS芯片AD9851、AD9854、AD9954三款芯片设计出三种信号发生器。并要求信号发生器具有以下功能：1.具有产生正弦波、三角波、方波三种周期性波形的功能。2.输出波形的幅度和频率均可调。3.具有显示波形类型、频率和幅度的功能。我们除了要完成信号发生器设计之外，还要认真比较和总结三款不同DDS芯片的各自优缺点以及适用场合。一DDS技术的基本原理与频率控制字K的关系为：其中Fc为相位累加器的时钟频率，N为相位累加器的位数。定义当K=1为系统频率分辨率f0，即有

DDS的输入频率控制字K=FW=图4-21DDS工作原理框图图4-22DDS基本结构图二DDS的基本结构1.相位累加器2.正弦查询表ROM3.数模转换器DAC三DDS技术的特点1.频率转换时间短2.频率分辨率高3.相位连续4.具有低相位噪声和低漂移5.易于集成和控制信号发生器的构成2.2基于DDS的信号发生器设计一如何用AD9851构成信号发生器AD9851技术资料简介

AD9851是ADI公司采用先进DDS技术推出的具有高集成度DDS电路的器件，它内部包含高速高性能D/A转换器及高速比较器，可作为全数字编程控制的频率合成器和时钟发生器。外接精密时钟源时，AD9851可以产生一个频谱纯净、频率和相位都可以编程控制且稳定性很好的模拟正弦波，这个正弦波能够直接作为基准信号源或通过其内部高速比较器转换成方波输出。

AD9851主要特性参数如下：●单电源工作(+2.7～+5.25V)。●工作温度范围-45～85℃。●低功耗，在180MHz系统时钟下，功率为555mW；电源设置有休眠状态，在该状态下，功率为4mW。●内含6倍参考时钟倍乘器，可避免对外部高速参考时钟振荡器的需要，减小了由于外部频率源过高而可能产生的相位噪声。●频带宽，正常输出工作频率范围为0～72MHz。●频率分辨率高，32位的频率控制字，使得它在180MHz系统时钟下输出频率的精度可达0.04Hz。●相位可调，可接收来自单片机的5位相位控制字。●接口简单，可用单片机8位并行口或串行口直接输入频率、相位控制数据。AD9851为28引脚表帖元件，其引脚排列如图4-23所示。

AD9851的各引脚功能详细介绍如下所示：D0～D7：8位数据输入口，可给内部寄存器装入40位控制数据。PGND：6倍参考时钟倍乘器地。PVCC：6倍参考时钟倍乘器电源。W_CLK：字装入信号，上升沿有效。FQ_UD：频率更新控制信号，时钟上升沿确认输入数据有效。REFCLOCK：外部参考时钟输入。CMOS/TTL脉冲序列可直接或间接地加到6倍参考时钟倍乘器上。在直接方式中，输入频率即是系统时钟；在6倍参考时钟倍乘器方式下，系统时钟为倍乘器输出。AGND：模拟地。AVDD：模拟电源(+5V)。DGND：数字地。DVDD：数字电源(+5V)。RSET：DAC外部复位连接端。VOUTN：内部比较器负向输出端。VOUTP：内部比较器正向输出端。VINN：内部比较器的负向输入端。VINP：内部比较器的正向输入端。DACBP：DAC旁路连接端。IOUTB：互补DAC输出。IOUT：内部DAC输出端。RESET：复位端。低电平清除DDS累加器和相位延迟器为0Hz和相位，同时置数据输入为并行模式以及禁止6倍参考时钟倍乘器工作。AD9851的应用特性和电路设计图4-24信号发生器的系统结构框图图4-25基于AD9851的信号发生器的硬件电路图4-26滤波器组成原理图二如何用AD9854构成信号发生器AD9854技术资料简介

AD9854主要特性参数如下：●最高可达300MHz的工作频率，输出频率范围为0～120MHz。●可输出FSK、PSK、BPSK、AM、CHIRP等不同类型的信号。●优良的SFDR性能。●时钟输入有4到20倍可编程倍频器，倍频器采用PLL倍频，这样可以减轻参考时钟设计的压力。●相位累加器之前配备了频率累加器，可方便实现任意变频模式输出以及各种调频模式。●反辛格函数滤波器（inversesincfilter）进行幅度补偿。●配置高速比较器，可以实现同步时钟输出。●-148dBc/Hz的相位噪声水平。●1μHz的频率分辨率，频率切换时间最快达100ns。●2线或3线串行接口，读写速度为100ns；8位数据、6位地址并行接口及读控制输入，读写速度达10ns。图4-27AD9854的引脚三如何用AD9954构成信号发生器AD9954技术资料简介

AD9954主要特性参数如下：●内置400MSPS时钟。●内含l4位DAC。●相位、幅度可编程。●32位频率控制字。●14位相位转换分辨率。●相位噪声优于-120dB/Hz。●优良的动态特性，大于80dB的窄带SFDR。●可用串行I／O控制。●内置超高速模拟比较器。●可自动线性和非线性扫频。●内部集成有1024×32位RAM。●采用1.8V电源供电。●可实现4～20倍时钟倍频。●支持大多数数字输入中的5V输入电平。●可实现多片同步。●能够进行相位调制。图4-29AD9954引脚AD9954的应用特性和电路设计表4-17控制寄存器如何实现基于DDS的信号发生器2.3基于DDS的信号发生器设计

DDS信号发生器的技术指标主要有：●工作频率范围●工作频率分辨率●工作频率稳定度●输出波形幅度●输出波形种类基于DDS的信号发生器有以下几种实现方案：一采用FPGA实现DDS信号发生器二采用DDS+PLL方案实现DDS信号发生器图4-31DDS+PLL混频方案设计图4-32DDS激励PLL混频方案设计三单片机控制DDS芯片实现DDS信号发生器图4-33单片机控制DDS芯片实现DDS信号发生器软件设计2.4基于DDS的信号发生器设计图4-34AD9851的软件流程图项目小节与建议2.5基于DDS的信号发生器设计首先要设计硬件电路，然后再根据硬件电路设计软件。由于AD9851、AD9854、AD9954三款DDS芯片都是ADI公司推出的高速、高集成度DDS器件，只是在性能和功耗方面有所不同，所以我们在进行硬件电路设计时可以先设计出相对比较简单的DDS模块电路，然后再参考已经完成的电路来设计较复杂的DDS模块电路。比如，可以先设计出基于AD9851的模块电路，通过对AD9851模块电路的理解和分析，再进行基于AD9854和AD9954模块电路的设计，这样可能有助于降低硬件电路的设计难度。项目训练2.6基于DDS的信号发生器设计其具体指标如下：1.基本部分（1）正弦波输出频率范围：1kHz～10MHz；（2）具有频率设置功能，频率步进：100Hz；（3）输出信号频率稳定度：优于10-4；（4）输出电压幅度：在负载电阻上的电压峰-峰值Vopp≥1V；（5）失真度：用示波器观察时无明显失真。2.发挥部分在完成基本要求任务的基础上，增加如下功能：（1）增加输出电压幅度：在频率范围内负载电阻上正弦信号输出电压的峰-峰值Vopp=6V±1V；（2）产生模拟幅度调制(AM)信号：在1MHz~10MHz范围内调制度ma可在10%～100%之间程控调节，步进量10%，正弦调制信号频率为1kHz，调制信号自行产生；（3）产生模拟频率调制(FM)信号：在100kHz~10MHz频率范围内产生10kHz最大频偏，且最大频偏可分为5kHz/10kHz二级程控调节，正弦调制信号频率为1kHz，调制信号自行产生；（4）产生二进制PSK、ASK信号：在100kHz固定频率载波进行二进制键控，二进制基带序列码速率固定为10kbps，二进制基带序列信号自行产生。FPGA技术介绍3.1基于FPGA的数字存储示波器设计

FPGA是英文FieldProgrammableGateArray的缩写，即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、EPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（LogicCellArray）这样一个新概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（ConfigurableLogicBlock）、输出输入模块IOB（InputOutputBlock）和内部连线（Interconnect）三个部分。FPGA的基本特点主要有：●采用FPGA设计ASIC电路，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片。●FPGA可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试样片。●FPGA内部有丰富的触发器和I／O引脚。●FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。●FPGA采用高速CHMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、TTL电平兼容。如何用单片机完成数字存储示波器系统3.2基于FPGA的数字存储示波器设计该示波器具有以下功能：●示波器频带宽度为20MHz，误差≤5%。●具有双踪示波功能，能同时显示两路被测信号波形。●模拟数字转换器(A/D)：8bit分辨率；采样速率：实时采样率40MSa/s。●可设置多档垂直灵敏度，误差≤5%。●具有波形存储功能。●具有频谱分析功能。●操作界面美观方便。

图4-40数字示波器结构示意图数字存储示波器组成3.3基于FPGA的数字存储示波器设计一硬件电路设计1、 模拟信号调理电图4-41模拟信号调理电路图2、 数据采集与传输电路图4-42数据采集与传输电路图3、单片机与FPGA控制电路4、波形数据存储电路图4-44波形数据存储电路图二软件设计1.

FPGA软件控制部分图4-45FPGA顶层模块原理图格式2.单片机软件控制部分单片机部分的软件主要是实现波形数据通过串口的传输以及上位机对档位和频率控制的代码命令的传输。其程序流程图如图4-46所示。图4-46单片机软件控制程序系统框图3.上位机软件程序图4-47示波器与频谱仪系统前面板图4-48LabVIEW上位机程序框图图4-49串口选择模块VI图4-50控制命令异或校验模块前面板图4-51控制命令异或校验模块程序框图图4-52示波器与频谱仪系统显示VI程序框图图4-53带控制命令异或校验模块分支结构的主程序框图图4-54带示波器与频谱仪显示模块分支结构的主程序框图如何实现单片机和FPGA技术的复杂系统开发3.4基于FPGA的数字存储示波器设计一双口RAM存储器双口RAM是一种特殊的数据存储芯片，除了数据存储功能外，它提供两个完全独立的端口，每个端口分别有自己的控制线、地址线和I/O数据线，允许双端口同时读写数据，适合控制器以总线方式对存储空间进行共享。二FPGA技术可编程逻辑器件的两种类型是现场可编程门阵列（0）和复杂可编程逻辑器件（CPLD）。在这两类可编程逻辑器件中，FPGA提供了最高的逻辑密度、最丰富的特性和最高的性能。现在最新的FPGA器件，如XilinxVirtex™系列中的部分器件，可提供八百万“系统门”（相对逻辑密度）。这些先进的器件还提供诸如内建的硬连线处理器（如IBMPowerPC）、大容量存储器、时钟管理系统等特性，并支持多种最新的超快速器件至器件（device-to-device）信号技术。FPGA被应用于范围广泛的应用中，从数据处理和存储直到仪器仪表、电信和数字信号处理。三LabVIEW图形化编程技术

LabVIEW是一种程序开发环境，由美国国家仪器(NI)公司研制开发的，类似于C和BASIC开发环境，但是LabVIEW与其他计