毕业设计（论文）-LED灯驱动电源的测试仪设计.doc

毕业设计报告（论文）(2013届)题 目： LED灯驱动电源的测试仪设计所 属 系： 自动化技术系 班 级： 电子1011 学 生 姓 名： 袁兰凤 学 号： 2009238112 同 组 成 员： 周志刚 徐文强 汪艳 指 导 教 师： 梅笙 - 2013届毕业设计（论文）摘 要 本文主要介绍一款LED测试仪。此测试仪可以测量交直流电压、电流、功率等。此测试仪是以C8051F060单片机为核心。我做的是直流部分，直流部分主要包括直流电的取样，信号调理，电流纹波放大电路，量程转换电路，真有效值转换电路。取样采用电压传感器和霍尔电流变换器，量程转换采用PGA集成芯片，真有效值转换电路采用AD637芯片。此LED测试仪采用低功耗元器件，具有节能环保、成本低的优点。本款单片机的内置A/D让测量仪的模数转换全部在单片机里完成，使得电路。设计变的相对简单，精度与准确度得到提高。具有测量精度高、可靠性高、低成本、模块化、可扩展等特点，在现代生产生活中具有很高的应用价值。关键词 LED灯测试仪 C8051F060 AD637芯片 PGA集成芯片目录1前言12 方案设计与单元电路设计12.1 整体方案12.2 取样电路的方案论证42.3 取样电路的设计52.4 量程转换电路的设计方案72.5量程转换的电路设计82.6滤波电路的设计方案102.7 滤波电路的设计122.8温度检测电路的设计方案122.10放大电路的设计152.11 真有效值转换152.12电源模块设计162.13模拟开关CD4051的设计163单片机系统设计183.1 单片机的选择183.2 C8051F06A单片机最小系统的设计193.3 机内模数转换系统223.4显示模块的设计263.5键盘电路的设计284.结论305.参考文献306.致谢311前言 半导体飞速发展的今天，时刻没有冷落在电磁辐射方面的研究与发展，有一种器件辐射的电磁波正好被人类眼睛所能观察，在光需要的领域都有长足的发展，出色的表现让我们没有理由拒绝，那就是新半导体固体器件LED（Light Emitting Diode发光二极管)。被称之为新一次照明革命的LED固体光源开发应用已成为本世纪重点发展的目标之一。特别是由科技部、国家发展和改革委员会与信息产业部等有关部门共同组织实施的“国家半导体照明工程”的正式启动，标志着中国高亮度LED产业已进入加速发展阶段，标志着中国LED产业遇到了难得的发展机遇。LED是一种固体光源，当它两端加上正向电压，半导体中的少数载流子和多数载流子发生复合，放出的过剩能量将引起光子发射。采用不同的材料，可制成不同颜色有发光二极管。作为一种新的光源，近年来各大公司和研究机构对LED的研究方兴未艾，使其光效得以大大提高，LUMILED公司目前已研发并生产出光效达到90Lm/W的白色LED，已达到白炽灯的水平。标准电灯正在经历一场革命。出于保护能源和应全球气候变暖的考虑，美国一些州和其它一些国家开始禁止使用低能效的白炽灯泡。各种新技术正纷纷被用于替换白炽灯泡，其中紧凑型真空荧光灯(CFL)是主要替代方案。尽管这种CFL灯的功耗仅为白炽灯的20%，但却含有有毒物质汞。相比之下，LED灯可以提供更高效和更环保的解决方案。LED最初的商业应用出现在上世纪七十年代，但因其光输出极低，应用范围也仅限于指示灯和计算器显示屏等领域。如今，能够产生白光的高功率LED在效率方面不断得以提升，价格也在逐年下降，因此它已成为主流照明应用值得考虑的选择之一。预计随着LED技术的发展，到2012年其发光效率将达到150流明/瓦，1000流明的成本将不足5美元(资料来源：OIDA)，届时LED有望成为室内照明的主要来源。而对于LED驱动电源的检测，就目前来说，LED驱动电源需要很多仪器去检测，市场上没有一款仪器能够检测LED驱动电源全部参数的仪器。这个发展方向还是一个空白。但是因为LED灯的广泛的应用，在这个方面将会很快的出现对应的产品，并且会越来越好。 由于LED是特性敏感的半导体器件，又具有负温度特性，因而在应用过程中需要对其进行稳定工作状态和保护，从而产生了驱动的概念。LED器件对驱动电源的要求近乎于苛刻，LED不像普通的白炽灯泡，可以直接连接220V的交流市电。LED是23伏的低电压驱动，必须要设计复杂的变换电路，不同用途的LED灯，要配备不同的电源适配器。国际市场上国外客户对LED驱动电源的效率转换、有效功率、恒流精度、电源寿命、电磁兼容的要求都非常高，设计一款好的电源必须要综合考虑这些因数，因为电源在整个灯具中的作用就好比像人的心脏一样重要。该课题则是检测LED驱动电源的输入与输出的电量的参数，同时还有温度的测量。有便于检测出LED驱动电源的转换效率，而一些基础电量参数的测量可以测试出该LED驱动电源是否会应电流过大或者电压过大对LED灯的寿命和国家电网产生不好的影响。2 方案设计与单元电路设计2.1 整体方案如图2.1整体方案所示，该设计主要包含交流电的取样电路和直流电的取样电路，量程转换电路，信号调理电路，模数转换电路，基波和谐波滤出电路，通道选择电路，真有效值转换电路，放大整形电路，电流纹波放大电路，单片机控制，显示电路，键盘电路，存储电路组成。首先通过直流电流取样电路取出直流电流信号U4，再通过量程转换送到电流纹波放大电路，滤出纹波，再经过真有效值转换电路进行转换，产生一定的数值送给模数转换电路输出ADC3数据，同样通过直流电压转换电路产生直流电压取样信号，进行量程转换后，输出数据送到模数转换电路，产生ADC3数据。交流部分先通过交流电流取样电路产生交流电流信号U1通过信号调理和放大整形电路送到周期检测得到周期T。交流电压取样电路产生的交流电压信号U1经过量程转换和模数转换输出ADC2数据。U1滤出基波和谐波信号再加上直流电流纹波信号经过通道选择和真有效值转换再送到模数转换电路产生ADC3数据。最后把T，ADC2，ADC3经过单片机显示出来。交流220V输入交流电流取样电路交流电压取样电路LED驱动电源直流电压取样电路直流电流取样电路LED灯U1U3U4TADC1ADC1KZ1KZ2KZ3KZ4控制器温度显示键盘非易失存储器U1ADC1 数据输出信号调理模数转换ADC1交流电压取样信号周期检测数据输出T 周期检测放大整形谐波滤出电路交流电流取样信号量程转 换U2模数转换ADCADC2数据输出基波滤出电路通道选择电路模数转换电路真有效值转换电路模数转换电路通道选择电路直流电压量程控制KZ3直流电流取样信号真有效值转换电路U4通道控制KZ2ADC3数据输出量程转换电路电流纹波放大电路U3量程转换电路直流电压取样信号直流电流纹波信号直流电流量程控制KZ4ADC3数据输出交流电流量程控制KZ1图2.1整体方案2.2 取样电路的方案论证2.2.1 直流电压取样方案 直流压取样方案一目前对于直流电压的精确检测基本上都是基于磁补偿原理进行的，又因为直流测电压值较高，而直流电压传感本身电流小，故采用均压以后的电容器组上，可采用一定比列的直流电压，不会影响测量精度。同时保证了器件的安全。传感器输出信号为一精确的直流信号，图即为此电路。图直流电压采样电路 直流电压取样方案二因为直流电路对电压的要求较低，对直流电压的采样电路直接用DSP内部的A/D，如图2.2.2 。图片 直流电压采样电路直流电压与交流电压取样电路有两点不同点，因为传感器不同，前者采用直流电压霍尔，输出信号为电流信号，后者为电压变送器，输出信号为交流流信号，因此直流取样之前接电阻。但是这种方案精度不高，不适合本设计。 直流电压取样电路方案三采用LEM公司的电压传感器LV100.直流电压传感器采用LEM公司的电压传感器LV100。LV100为霍尔效应的闭环电压传感器，所以有非常良好的原副边隔离作用，可测的电压范围为100V2500V。电压传感器LV100有如下优点： 精度高；线性度好；频带宽；抗干扰能力强。所以采用这种电路实现电压取样。2.3 取样电路的设计2.3.1 直流电压取样电路图 直流电压取样传感器电压传感器LV100的原边额定有效电流为10mA,在原边为额定电流时传感器精度最高器精度最高。取样电阻R1=80K欧，按原副边1:5的比例设计，副边电流为50MA，副边采样电阻为150欧，原边电压为800V时副边电压为7.5V。副边信号经二阶滤波电路以减小干扰，由于采样直流信号，滤波器截止频率可以选取的较低，实际设计的滤波器截止频率为2khz。经过传感器采样后还需经过直流电压调理电路后才能送入DSP的A/D采样端，直流信号调理电路如图所示：图 直流电压信号取样电路 前端电阻R1的作用是把霍尔传感器输出的直流电流信号变为直流电压信号，从上面可知霍尔传感器副边输出的电流最大为50mA，根据 即可确定电阻R1的大小，其余部分的电阻则没有太严格的要求，在设计中采样的电阻型号如图所示；第二部分为两个电压跟随器，与后面的采样电路进的电阻匹配；第三部分为二个二极管组成的电路并加上滤波电容，保证输入DSP的A/D采样端的输入电压信号保持在03.3v以内，防止DSP被烧毁。2.3.2 直流电流取样电路电流采样电路设计如图2.3.2所示，和直流电压取样电路完全一样，但前端的采样器件不同，这些器件对用户的接口统一为电流信号。图2.3.2 直流电流取样电路前端电流检测采用LEM公司型号为LA58-P的霍尔效应电流变换器，原边与副边之间是电气隔离的，该传感器可用于测量直流、交流脉冲信号。这种霍尔传感器主要的优点有：出色的精度；良好的线性度；低温漂；最佳的反应时间；宽频带；无插入损耗；抗干扰能力强；电流过载能力，因此选用此种类型的传感器可以达到良好的采样要求。2.4 量程转换电路的设计方案2.4.1 方案一：利用集成多路模拟开关改变电阻用不同阻值的固定电阻,通过集成多路模拟开关 (如8选1模拟开关CD4051 等) ,将其分别接入运算放大器的反馈回路,以此来达到改变反馈电阻的目的,从而实现对信号的放大或衰减,即改变放大器的增益,其原理如图2.4.1所示：图2.4.1 集成模拟多路开关上述方案的优点是简单、通用，通过单片机控制模拟开关即可实现放大器的增益可变，控制简单。缺点是模拟开关的导通电阻影响放大器的增益，影响信号的传输精度，因为CD4501B的导通电阻随电源电压和输入模拟电压的变化而变化。且若想达到更多的调节范围，需要更多的电阻器，这样会是电路显得冗杂且带来更多的热噪声。2.4.2 使用集成可变增益放大器来实现使用控制电压与增益成线性关系的可编程增益放大器PGA，用控制电压和增益（dB）成线性关系的可变增益放大器来实现增益控制（如图2.4.2）。考虑直接选用可调增益的运放AD603实现，该芯片是一款低噪声，精确控制的可变增益放大器，温度稳定性高。其内部由R-2R梯形电阻网络和固定增益放大器构成,加在其梯型网络输入端的信号经衰减后,由固定增益放大器输出,衰减量是由加在增益控制接口的参考电压决定，其增益与控制电压呈线性关系，因此可以很方便的使用DAC转换器输出电压进行精确控制。此外AD603单级工作时可提供超过20dB的增益,两级级联后即可得到40dB以上的增益,通过后级放然后大器放大输出,在高频时也可提供超过60dB的增益。该方案的优点是电路集成度高、控制方便、易于数字化用单片机进行处理。图2.4.2 PGA原理图2.5量程转换的电路设计2.5.1直流电流测量量程转换驱动电源负载电阻 图2.5.1直流量程框图图2.5.1.中，电阻取值为0.01，由公式可以算出电流和电压的关系，如表1所示表1 电流量程转换电流5A2A1A500mA200mA100mA电压mV502010521 根据测量直流电档位的设定，既量程分为：100mA，200mA，1A，2A，5A六档。根据此就可以得到放大倍率，如表格2所示：表2量程倍率表量程5A2A1A500mA200mA100mA倍率20*220*520*1020*2020*5020*200 根据表中数据，我选用PGA113集成可编译放大器和数字电位器来设置电路。因为PGA113的范围增益为1,2,5,10,20,50,100,200，能实现本设计的放大倍率。如图所示为档位设置的简单电路。图 档位实现原理图 2.5.2 直流电压测量档位设置根据设计要求，直流电压的测量范围为0-100V，量程为10V，20V，50V，100V，可以得到如表3所示的量程转换。表3 量程转换100V50V20v 10V 2V1V0.4V0.2V表4 倍率表电压（V）100502010倍率*1*2*5*10图 部分图在图中R4、R5、R6、R7就相当于图中的Rf，由公式 可以算出各个电阻的值。因为直流电压的增益倍率为1,2,5，10，带入可以算出R4、R5、R6、R7和R的关系。当增益为1的时候，可以不连入电阻。当增益为2的时候，接入和R3 相等的电阻。当增益为5的时候，接入和4*R3阻值的电阻。当增益为10的时候，接入9*R3阻值的电阻。图 直流电压量程转换电路2.6滤波电路的设计方案2.6.1方案一：采用低通滤波器低通滤波器是一个通过低频信号而衰减或抑制高频信号的部件。理想滤波器电路的频响在通带内应具有一定幅值和线性相移，而在阻带内其幅值应为零。但实际滤波器不能达到理想要求。低通滤波器电路如图2.6.1所示，压控电压源二阶滤波器电路的特点是：运算放大器为同相接法，滤波器的输入阻抗很高，输出的阻抗很低，滤波器相当于一个电压源，其优点是电路性能稳定，增益容易调整。图2.6.1 低通滤波器由公式 其中A（0）=1，Q=0.5，可以算出各元器件的参数。 滤波器的阶数越高，幅频特性衰减的速率越快，但RC网络节数越多，元件参数计算越繁琐，电路的调试越困难。任何高阶滤波器都可由一阶和二阶滤波器级联而成。对于n为偶数的高阶滤波器，可以由n/2节二阶滤波器级联而成；而n为奇数的高阶滤波器可以由(n-1)/2节二阶滤波器和一节一阶滤波器级联而成，因此一阶滤波器和二阶滤波器是高阶滤波器的基础。此方案适用于基波的测量，本文要测量基波谐波纹波，采用此种方案不是最佳方法。2.6.2方案二：采用高通滤波器高通滤波器让高频分量畅通无阻，而对低频分量则充分限制。去掉信号中不必要的低频成分，去掉低频干扰的滤波器。高通滤波器是指车载功放中能够让中、高频信号通过而不让低频信号通过的电路，其作用是滤去音频信号中的低音成分，增强中音和高音成分以驱动扬声器的中音和高音单元。如图2.6.2所示为高通滤波器电路图。得到传递函数为由公式图2.6.2 高通滤波器 当3-Avf 0,即Avf3的时候，滤波电路才能稳定工作。现选择C1=C2=1F，则根据公式R1=R2=1/2fLC=1/2*100*10-63k.选择电阻3k这与计算值有一点误差，可能导致截止频率比50HZ稍有升高。所以选择R1=R21.66k，C1=0.978F1F，C2=0.969F1F，Rf=2k，R3=1.5k ，A0=AVF=1+Rf/R1=2.3(符合AVF3,能稳定工作）。巴特沃斯高通滤波器的传递函数中D0为截止频率距远点距离。与低通滤波器的情况一样，可认为巴特沃斯高通型滤波器比IHPF更平滑。此方案适用于测量谐波，同样不适合本系统的设计。2.7 滤波电路的设计图2.7 电流纹波放大电路因为纹波信号强度太小，会使得精确度下降，所以需要一个放大电路，在这里我们需要20倍的放大 ，R=20K,R2=R,R1200 ， 设定R=20K,R2=R,R1200。而且这里的LM325要用到正反电源。2.8温度检测电路的设计方案2.8.1 方案一采用热电偶传感器热电偶传感器是工业测量中应用最广泛的一种温度传感器，它与被测对象直接接触，不受中间介质的影响，具有较高的精度；测量范围广，可从-501600进行连续测量,特殊的热电偶如金,铁,镍,铬最低可测到-269，钨,铼最高可达2800。它具有结构简单，制作方便，测量范围广，精度高，惯性小和输出信号便于远传等许多优点。另外，由于热电偶是一种有源传感器，测量时不需外加电源，使用十分方便，所以常被用作测量炉子，管道内的气体或液体的温度及固体的表面温度。热电偶传感器是工业测量中应用最广泛的一种温度传感器，在家电中不常用，因此不采用此方案。2.8.2 方案二采用半导体热敏电阻热敏电阻发展最为迅速，由于其性能得到不断改进，稳定性已大为提高，在许多场合下（-40350）热敏电阻已逐渐取代传统的温度传感器。虽然传统的温度检测以热敏电阻为温度敏感元件，热敏电阻成本低，但需要后续信号处理电路，而且热敏电阻的可靠性相对较差，测量温度的准确度低，检测系统的精度差。所以不采用此方案。2.8.3方案三采用电阻式温度传感器电阻式传感器广泛应用于测量-200960范围内的温度。铜热电阻主要应用于测量-50150范围内的场合。铜容易容易提纯、加工，价格便宜，复制性能好而且电阻温度系数大，温度范围内线性关系好，灵敏度比铂电阻高。但铜热电阻与铂热电阻相比，铜的电阻率低，因此铜电阻的体积较大。而且铜易于氧化，一般只用于150以下的低温测量和没有水分及无侵蚀性介质的温度测量。因精度不高且检测温度较低，所以不采用。铂热电阻是目前公认的制造热电阻最好的材料，它性能稳定，重复性好，长时间稳定的复现性可达10-4 K ，是目前测温复现性最好的一种温度计。同时其测量精度高。在氧化性介质中、甚至在高温下，其物理、化学性能都很稳定，其阻值与温度之间几乎成线性变化。但其在还原性介质中，特别是高温易从氧化物中还原出来的气体所污染，改变它的电阻与温度关系，此外其电阻温度系数小，价格较高。因此，主要作为标准电阻温度计和高精度温度测量。所以铂热电阻可以作为此次温度检测电路的温度传感器。2.9温度测量的电路设计 温度检测电路由温度传感器与信号调理电路组成，此次温度传感器采用两种方案（三种传感器），即采用集成温度传感器（DS18B20、LM35D）和电阻式温度传感器（铂电阻）。DS1820温度传感器的概述：DS1820数字式温度传感器，与传统的热敏电阻有所不同的是，它可直接将被测温度转换 成串行数字信号供微机处理，并且根据具体要求，通过简单的编程实现9位的温度读数。并且多个DS1820可以并接到多个地址线上与单片机实现通信。由于每一个DS1820出厂时都刻有唯一的一个序列号并存入其ROM中，因此CPU可用简单的通信协议就可以识别，从而节省了大量的引线和逻辑电路。DS18B20的测温原理：DS18B20的内部主要包括寄生电源、温度传感器、64位激光ROM单线接口、存放中间数据的高速暂存器、用于存储用户设定的温度上下限值、触发器存储与控制逻辑、8位循环冗余校验码发生器等7个部分。低温度系数振荡器是一个振荡频率随温度变化很小的振荡器，为计数器1提供一个稳定的计数脉冲。高温度系数振荡器是一个对温度很敏感的振荡器，为计数器2提供一个频率随温度变化的计数脉冲。初始时，温度寄存器被预置成-55，每当计数器1从预置数开始减计数到0时，温度寄存器中寄存的温度值就增加1，这个过程重复进行直到计数器2计数到0时便停止。初始时，计数器1预置的是与-55相对应的一个预置值。以后计数器1每一个循环地预置数都由斜率累加器提供。为了补偿振荡器温度特性的非线性性，斜率累加器提供的预置数也随温度相应变化。计数器1的预置数也就是在给定温度处使温度寄存器寄存值就增加1计数器所需的技术个数。图中比较器的作用是以四舍五入的量化方式确定温度寄存器的最低有效位。在计数器2停止计数后，比较器将计数器1中的计数剩余值转换为温度值后与0.25进行比较，若低于0.25，温度寄存器的最低位置就置0；若高于0.75时，温度寄存器的最低位就进位然后置0；这样，经过比较后所得的温度寄存器的值就是最终读取的温度值了，其最末位代表0.5，四舍五入最大量化误差为1/2LSB，即0.25。当计数门打开时，DS18B20进行计数，计数门开通时间由高温度系数振荡器决定。芯片内部还有斜率累加器，可对频率的非线性度加以补偿。测温结果存入温度寄存器中。DS18B20通过一种片上温度测量技术来测量温度。如图所示为温度测量电路的方框图。图2.9.1温度测量电路的方框图DS18B20电路如图2.9所示。I/O为数据输入输出，漏极开路1线接口。在寄生电源模式时给设备提供电源。VCC为可选的电源电压脚，VCC在寄生电源模式时必须接地。GND 为接地端，与单片机的GND端相连，起到地线的作用。由于采用的是1-wire总线，因此与单片机的最小系统连接时，需要一根单独的总线。DS18B20利用单总线控制协议，实现了利用单线控制信号在总线上进行通信。由于所有的设备通过漏极开路端（即DS18B20的I/O脚）连在总线上，控制线需要一个上拉电阻（大约5K）。在这一总线系统中，主控设备通过唯一的64位序列码识别和访问总线上的器件。由于每一设备有唯一的编码，连在一条总线上可被访问的器件数实际上是无限的。DS18B20在没有外部电源下具有操作能力。电源由总线为高电平时I/O脚上的上拉电阻提供（寄生供电模式）,此时Vcc脚接地。另外，DS18B20也可用传统方式供电，此时将外部电源连在VCC脚上即可。图2.9.2 DS18B20测温原理2.10放大电路的设计 因为谐波信号强度太小，会使得精确度下降，所以需要一个放大电路，在这里我们需要20倍的放大，根据公式： 。 设定R=20K,R2=R,R1200。而且这里的LM325要用到正反电源。图2.10放大电路2.11 真有效值转换AD637是一款真有效值转换芯片，如图2.10.4所示，输入缓冲和输出偏移接到内部的模拟公共端，一起接地；dB输出端悬空；输出缓冲悬空；CS通过一个外部的上拉电阻接Vs，降低系统在静态时的工作电流；外部的输入信号如果是交流信号，需要在输入端串接一个无极性的耦合电容；电容Cav作用是调整输出直流信号纹波大小。图2.11真有效值转换图经过实际测量，AD637在输入信号为2MHz一下，有效值为0.77V范围内能保证测量误差0.2+0.5mV。当被测量信号的有效值远小于1V时，会出现较大的测量误差，所以当被测信号幅值较小时，须在前级对被测信号进行放大，以保证测量精度。2.12电源模块设计 如图2.12所示：为整个系统提供6个工作电压，包括+24V、+12V、-12V、+5V、-5V和+3V。其中+3V主要是为单片机最小系统供电，12V和5V主要是为各种芯片供电。220V交流电通过变压器变压，然后经过整流滤波，再由三端稳压7812和7912产生+12V和-12V的电压信号，再经7805和7905变换成+5V和-5V。+3V电压是由+5V电压进过三端稳压AMS1117转换而成的+24V电压是为继电器供电。图2.12 电源模块电路2.13模拟开关CD4051的设计多路开关的主要用途是把模拟信号分时地送入A/D转换器，或者把经计算机处理后的数据由D/A转换器转换成的模拟信号，按一定的顺序输出到不同的控制回路中去。前者 称为多路开关，完成多到一的转换；后者称为反多路开关或多路分配器，完成一到多的转换。多路开关的种类很多，例如CD4051（双向8路）、CD4066（4路单向）、CD7501（单向8路）、 CD4052（单向，差动，4路）等等。所谓单向，就是既可以实现多到一的转换，也可以完成一到多的转换。而单向则只能完成多到一的转换。差动即同时有两个开关动作，从而完成差动信号的传输。 CD4051是双向8通道多路开关。它由电平转换译码/驱动和开关电路三部分组成，其中电平转换可实现COMS到TTL逻辑电平的转换，因此，加到通道选择输入的控制信号的电平幅度可为3V20V.同时，最大模拟信号的峰值可达20V。CD4051带有三个通道选择输入端A,B,C和一个禁止端。当CBA为000111B时，可产生8选1控制信号，使8路通道中的某一通道的输入和输出接通。当INH为0是，允许通道接通；当INH为1是，禁止通道接通。其真值表如表5所示。改变CD405的 IN/OUT 07及OUT/IN的传递通道方向，可用做多路开关和反多路开关。通常在单组电源供电条件下工作的CMOS电路所提供的数字信号能直接控制这种多路开关,并使这种多路开关可传输峰此外,CD4051还设有另外一个电源端VEE,以作为电平位移时使用,从而使得峰值达15V的交流信号。例如,若模拟开关的供电电源VDD=5V,VSS=0V,当VEE=5V时,只要对此模拟开关施加05V的数字控制信号,就可控制幅度范围为5V5V的模拟信号。 表5 CD4051真值表INHC B A接通通道号0000IN00001IN10010IN20011IN30100IN40101IN50110IN60111IN71XXX-INHC B A接通通道号0000IN0图2.13 模拟开关电路图 3单片机系统设计3.1 单片机的选择3.1.1 主流单片机的介绍最早由Intel公司推出的8051/31 类单片机也是世界上用量最大的几种单片机之一。由于Intel公司在嵌入式应用方面将重点放在186、386、奔腾等与PC 类兼容的高档芯片的开发上，随后Intel公司将80C51内核使用权以专利互换或出让给世界许多著名IC制造厂商，如 Philips 、NEC、ATMEL、AMD、Dallas、siemens、FUJUTSU、OKI、华邦、LG等。在保持与80C51单片机兼容的基础上，这些公司融入了自身的优势，扩展了针对满足不同测控对象要求的外围电路，如满足模拟量输入的A/D、满足伺服驱动的PWM、满足高速输入/输出控制的HSL/HSO、满足串行扩展总线I2C、保证程序可靠运行的WDT、引入使用方便且价廉的Flash ROM等，开发出上百种功能各异的新品种。这样80C51单片机就变成了众多芯片制造厂商支持的大家族，统称为80C51系列单片机。客观事实表明，80C51已成为8位单片机的主流，成了事实上的标准MCU芯片。ATMEL公司的90系列单片机是增强 RISC内载 Flash 的单片机，通常简称为 AVR 单片机，90 系列单片机是基于新的精简指令RISC 结构的。这种结构是在90 年代开发出来的综合了半导体集成技术和软件性能的新结构，这种结构使得在8 位微处理器市场上AVR 单片机具有最高 MIPS mw能力。C8051Fxxx 系列单片机是完全集成的混合信号系统级芯片，具有与8051 兼容的微控制器内核，与MCS-51 指令集完全兼容。除了具有标准8052 的数字外设部件之外，片内还集成了数据采集和控制系统中常用的模拟部件和其它数字外设及功能部件。参见表1.1 的产品选择指南可快速查看每个MCU 的特性。3.1.2 C8051F系列与89C51系列的比较C8051F系列单片机是完全集成的混合信号系统级芯片，具有与8051兼容的CIP-51微控制器内核，采用流水线结构，单周期指令运行速度是8051的12倍，全指令集运行速度是原来的9.5倍。熟悉NCS-51系列单片机的工程技术人员可以很容易地掌握C8051F的应用技术并能进行软件的移植。但是不能将8051的程序完全照搬的应用于C8051F单片机中，这是因为两者的内部资源存在较大的差异，必须经过加工才能予以使用。其中C8051F以其功能较全面，应用较广泛的特点成为C8051F的代表性产品，其性能价格比在目前应用领域也极具竞争力。C8051F的内部电路包括CIP-51微控制器内核及RAM、ROM、IO口、定时计数器、ADC、DAC、PCA、SPI和SMBus等部件，即把计算机的基本组成单元以及模拟和数字外设集成在一个芯片上，构成一个完整的片上系统(SoC)。相同点：C8051F单片机与80C51系列单片机的指令系统完全一样。掌握80C51单片机的人员可以很容易地接受C8051F的应用技术并能完成相应软件的移植。运行速度不同：C8051F的指令运行速度是一般80C51系列单片机的10倍以上。因为其CIP-51中采用了流水线处理结构，已经没有了机器周期时序，指令执行的最小时序单位为系统时钟，大部分指令只要12个系统周期即可完成。又由于其时钟系统比80C51的更加完善，有多个时钟源，且时钟源可编程，时钟频率范围为025 MHz，当CIP-5l工作在最大系统时钟频率25 MHz时，它的峰值速度可以达到25 MIs，C8051F已进入了8位高速单片机行列。I/O配置方式不同：C8051F拥有8个8位的IO端口，大量减少了外部连线和器件扩展，有利于提高可靠性和抗干扰能力。其中低4个IO端口除可作为一般的通用IO端口外，还可作为其他功能模块的输入或输出引脚，它是通过交叉开关配置寄存器XBR0、XBR1、XBR2(各位名称及格式如表1所示)选择并控制的，它们控制优先权译码选择开关电路如图1所示，可将片内的计数器定时器、串行总线、硬件中断、比较器输出及其它的数字信号配置为在端口IO引脚出现，这样用户可以根据自己的特定需要选择所需的数字资源和通用IO口。数字交叉开关是一个比较大的数字开关网路，这在所有80C51系列单片机上是一个空白。另外P1MDIN用于选择P1的输入方式是模拟输入还是数字输入，复位值为11111111B，即默认为数字输入方式。而80C51单片机的IO引脚是固定分配的，即占用引脚多，配置又不够灵活。与标准8051完全兼容：Cygnal C8051F系列单片机采用CIP51内核，Cygnal指令与MCS51指令系统全兼容可用标准的ASM51Keil C高级语言开发编译C8051F系列单片机的程序 。高速指令处理能力：标准的8051一个机器周期要占用12个系统时钟周期执行一条指令最少要一个机器周期CygnalC8051F系列单片机指令处理采用流水线结构机器周期由标准的12个系统时钟周期降为1个系统时钟周期指令处理能力比MCS51大大提高。CIP-51内核70% 指令的执行是在一个或两个系统时钟周期内完成的，只有四条指令的执行需4个以上时钟周期。CIP-51指令与MCS51指令系统完全兼容，共有111条指令。增加了中断源：标准的8051只有7个中断源，而Cygnal C8051F系列单片机扩展了中断处理，这对于时实多任务系统的处理是很重要的。扩展的中断系统向CIP-51提供22个中断源，允许大量的模拟和数字外设中断。一个中断处理需要较少的CPU干预，却有更高的执行效率。增加了复位源：标准的8051只有外部引脚复位，Cygnal C8051F系列单片机增加了7种复位源，使系统的可靠性大大提高，每个复位源都可以由用户用软件禁止。标准的8051只有外部时钟，Cygnal C8051F系列单片机有内部独立的时钟源。C8051F300/F302提供的内部时钟误差在2%以内，在系统复位后默认内部时钟。如果需要，可接外部时钟并可在程序运行时实现内外部时钟之间的切换。外部时钟可以是晶体RCC或外部时钟脉冲，以上的功能在低功耗应用系统中非常有用。 C8051F06x 系列产品是高度集成的混合信号单片机，具有两个独立的16位高速SAR ADC，每个ADC的速度高达1Msps，是目前集成到单片机上的SAR ADC中精度最高的。此外，该产品还包含一个10位的ADC和两个独立的12位DAC。 单片机的特点有：25 MIPS 8051 CPU，3264 kB Flash 存储器，4352 B RAM，两个为ADC，速度高达 1 Msps 10位 ADC，速度达200 ksps (C8051F060/1/2/3) 两路12位 DAC，3个比较器电压参考温度传感器，5个16位定时器 ，6通道 PCA。 3.2 C8051F06A单片机最小系统的设计C8051F06A系列器件是完全集成的混合信号片上系统型MCU，具有59 个数字I/O 引脚（C8051F060/2/4/6）或24 个数字I/O 引脚（C8051F061/3/5/7），片内集成了两个16 位、1 Msps 的ADC。下面列出了一些主要特性：高速、流水线结构的8051 兼容的CIP-51 内核（可达25MIPS），两个16 位、1 Mps 的ADC，带DMA 控制器，控制器局域网（CAN2.0B）控制器，具有32 个消息对象，每个消息对象有其自己的标识，掩码（C8051F060/1/2/3），全速、非侵入式的在系统调试接口（片内），10 位、200 ksps 的ADC，带8 通道模拟多路开关（C8051F060/1/2/3），两个12 位DAC，具有可编程数据更新方式（C8051F060/1/2/3），64KB（C8051F060/1/2/3/4/5）或32KB（C8051F066/7）可在系统编程的FLASH 存储器，4352（4K+256）字节的片内RAM，可寻址64KB 地址空间的外部数据存储器接口（C8051F060/2/4/6） ，硬件实现的SPI、SMBus/ I2C 和两个UART 串行接口。MCU 中的外设或功能部件包括模拟多路选择器、可编程增益放大器、ADC、DAC、电压比较器、电压基准、温度传感器、SMBus/ I2C、UART、SPI、可编程计数器/定时器阵列（PCA）、定器、数字I/O 端口、电源监视器、看门狗定时器（WDT）和时钟振荡器等。所有器件都有内置的FLASH 程序存储器和256 字节的内部RAM，有些器件内部还有位于外部数据存器空间的RAM，即XRAM。下面我将对各模块电路进行设计。3.2.1 电源模块的设计供电电压的性能对整个采集系统的精度具有重要的意义 一般说来, 描述采集质量高低的指标是采样精度和有效位, 设采样精度为VF , 有效位为N, 基准电压为VREF , 基准电压噪声电压为VN , 则有以下公式:为了尽可能的提高采样精度, 选取N=16, 则VF=100uV 由于系统的采样精度取决于基准电压的噪声电压大小, C8051F060 提供的内基准噪声电压和器件模拟供电部分的噪声电压基本相当, 所以应当保证VNVF=100uV 另外, 在C8051F060 的外围电路设计中, 考虑选取独立的电源芯片单独供电,同时在布局和走线上注意一些基本规则, 确保获得较高的采样精度供电采用5V 电源供电, 而控制单元需要数字3.3 和模拟A3.3V 两种形式电源供电, 这两种电源并采用0 的电阻相连接, 做到一点共地 设计中选用美信公司生产的恒压芯片MAX1658,MAX1658 是可调、低失调电压、低静态电流的线性稳压器, 可以在双模式下工作, 预置输出为3.3V,加外部电阻器可设置1.25V16V 的可调输出,本文采用固定输出模式, 输入电压范围为2.7 V16.5V有限流保护、反向电流保护和过热保护等功能。如图3.1.1所示。图3.2.1 供电源设计3.2.2 复位电路的设计复位电路允许很容易地将控制器置于一个预定的缺省状态。在进入复位状态时，将发生以下过程： CIP-51 停止程序执行， 特殊功能寄存器（SFR）被初始化为所定义的复位值，外部端口引脚被置于一个已知状态，中断和定时器被禁止。所有的SFR 都被初始化为预定值，SFR 中各位的复位值在SFR 的详细说明中定义。在复位期间内部数据存储器的内容不发生改变，复位前存储的数据保持不变。但由于堆栈指针SFR 被复位，堆栈实际上已丢失，尽管堆栈中的数据未发生变化。I/O 端口锁存器的复位值为0 xFF（全部为逻辑1），复位期间和复位后内部弱上拉有效，将外部I/O 引脚置于高电平。外部I/O 引脚并不立即进入高电平，但会在进入复位状态后4 个系统时钟之内进入高电平状态。这样可以在器件处于复位状态期间节省功耗。对于VDD 监视器复位，/RST引脚被驱动为低电平，直到VDD 复位超时结束。在退出复位状态时，程序计数器（PC）被复位，MCU 使用内部振荡器的最低频率作为默认的系统时钟。有关选择和配置系统时钟源的详细说明见“15 振荡器”。看门狗定时器被使能，使用其最长的超时时间。一旦系统时钟源稳定，程序从地址0 x0000 开始执行。有7 个能使MCU 进入复位状态的复位源：上电、掉电、外部/RST 引脚、外部CNVSTR2 信号、软件命令、比较器0、时钟丢失检测器及看门狗定时器。3.2.3 振荡电路的设计C8051F06x 系列器件包含一个可编程内部振荡器和一个外部振荡器驱动电路。可以使用OSCICN 和OSCICL 寄存器来使能/禁止和校准内部振荡器。系统时钟可以由外部振荡器电路或内部振荡器分频提供。外部振荡器电路可以驱动外部晶体、陶瓷谐振器、电容或RC 网络。也可以使用一个外部CMOS时钟提供系统时钟。对于晶体和陶瓷谐振器配置，晶体/陶瓷谐振器必须并接到XTAL1 和XTAL2引脚。对于RC、电容或CMOS 时钟配置，时钟源应接到XTAL2 和/或XTAL1引脚。必须在OSCXCN 寄存器中选择外部振荡器类型，还必须正确选择频率控制位XFCN。3.2.4 JTAG接口设计JTAG最初是用来对芯片进行测试的,理是在器件内部定义一个TAP ( Test Access Port测试访问口) 通过专用的JTAG测试工具对进行内部节点进行测试。JTAG测试允许多个器件通过JTAG 接口串联在一起,形成一个JTAG链, 能实现对各个器件分别测试。现在, JTAG接口还常用于实现ISP ( In - System Programmable 在线编程),对FLASH等器件进行编程。具有JTAG接口的芯片, 相关JTAG引脚的定义为: TCK为测试时钟输入; TDI为测试数据输入, 数据通过TDI 引脚输入JTAG接口;DO为测试数据输出, 数据通过TDO引脚从J TAG接口输出; TMS为测试模式选择, TMS用来设置JTAG接口处于某种特定的测试模式; RST为测试复位, 输入引脚, 低电平有效。C8051F060是具有60 KB可电擦写的FLASH 存储器型MCU,并具有J TAG调试接口, 因此采用先通过JTAG调试器将编辑好的程序从PC机直接下载到FLASH内, 再由JTAG接口控制程序运行、读取片内CPU状态, 以及存储器内容等信息供设计者调试, 整个开发(编译、调试) 都可以在同一个软件集成环境中进行, 不需要专门的仿真器和编程器。这种以FLASH技术、JTAG调试、集成开发环境结合的开发方式,具有方便、廉价、实用等优点。JTAG调试接口设计C8051F06A具有片内JTAG边界扫描和调试电路，通过4脚JTAG接口并使用安装在最终应用系统中的产品器件就可以进行非侵入式、全速的在系统调试。该JTAG接口完全符合IEEE 1149.1规范，为生产和测试提供完全的边界扫描功能。图3.2 C8051F06A单片机最小系统3.3 机内模数转换系统C8051F060/1/2/3器件有一个片内10位SAR ADC（ADC2），带一个9通道输入多路选择开关和可编程增益放大器。该ADC工作在200ksps的最大采样速率时可提供真正的10位精度，INL为1LSB。8个外部输入引脚可被编程为单端或差分输入。另外，内部温度传感器也可以被作为ADC的一个输入。ADC完全由CIP-51通过特殊功能寄存器控制。ADC的电压基准可以在模拟电源（AV+）和外部VREF2引脚之间选择。用户软件可以关断ADC2以节省功耗。灵活的转换控制系统允许用软件命令、定时器溢出或外部输入信号启动转换。转换结束由一个状态位指示，或者产生中断（如果中断被使能）。在转换完成后，10转换结果数据字被锁存到两个特殊功能寄存器中。ADC2还有窗口比较寄存器，可被配置为当ADC数据位于一个规定的范围之内或之外时向控制器申请中断。ADC2可以用后台方式连续监视一个关键电压，当转换数据位于规定的窗口之内时才中断控制器。图3.3 10位ADC原理框图C8051F060的ADC2 子系统包括一个9 通道的可编程模拟多路选择器（AMUX2），一个可编程增益放大器（PGA0）和一个200ksps、10 位分辨率的逐次逼近寄存器型ADC，ADC 中集成了跟踪保持电路和可编程窗口检测器。AMUX2、数据转换方式及窗口检测器都可用软件通过特殊功能寄存器来控制。ADC2 可以工作在单端方式或差分方式，可被配置为测量端口1 任一引脚的输入或温度传感器的输出。只有当ADC2 控制寄存器（ADC2CN）中的AD2EN 位被置1时ADC2 子系统才被允许工作。当AD2EN 位为0时，ADC2 子系统处于低功耗关断方式。3.3.1 ADC的工作方式ADC2 的最高转换速度为200ksps，其转换时钟来源于系统时钟分频，分频值保存在寄存器DC2CF 的AD2SC 位（系统时钟/（AD2SC+1），0AD2SC31）。ADC2 的转换时钟频率不应大于3 MHz。图3.3.1 10 位ADC2 功能框图3.3.2 启动转换有4 种转换启动方式，由ADC2CN 中的ADC2 启动转换方式位（AD2CM1，AD2CM0）的状态决定。转换触发源有：向ADC2CN 的AD2BUSY 位写1；定时器3 溢出（即定时的连续转换）；外部ADC 转换启动信号CNVSTR2 的上升沿（由交叉开关分配的引脚）；定时器2 溢出（即定时的连续转换）。当CNVSTR2 被用作转换启动源时，它必须在交叉开关中被使能，对应的引脚必须被配置为漏极开路、高阻方式。向AD2BUSY 位写1提供了一种用软件命令控制转换的方式。AD2BUSY 位在转换期间被置1，转换结束后复0。AD2BUSY位的下降沿触发中断（当被允许时）并将ADC2 中断标志AD2INT置1。注意：当查询ADC 转换是否结束时，应查询ADC2 中断标志（AD2INT）。当AD2INT 位为逻辑1时，ADC2 数据寄存器ADC2H 和ADC2L 中的转换数据有效。当使用定时器2 或定时器3 溢出作为转换启动源时，如果定时器工作于8 位方式，则使用低字节溢出；如果定时器工作于16 位方式，则使用高字节溢出。3.3.3 跟踪方式寄存器ADC2CN 中的AD2TM 位控制ADC2 的跟踪保持方式。在缺省状态，除了转换期间之外ADC2 输入被连续跟踪。当AD2TM 位为逻辑1时，ADC2 工作在低功耗跟踪保持方式。在该方式下，每次转换之前都有3 个SAR 时钟的跟踪周期（在启动转换信号有效之后）。当CNVSTR2信号用于在低功耗跟踪保持方式启动转换时，ADC2 只在CNVSTR2 为低电平时跟踪；在CNVSTR2的上升沿开始转换。当整个芯片处于低功耗待机或休眠方式时，跟踪可以被禁止（关断）。当AMUX 的设置频繁改变时，低功耗跟踪保持方式也非常有用，可以保证建立时间需求得到满足。图3.3.3 ADC2 跟踪和转换时序示例3.3.4 建立时间要求在进行一次精确的转换之前，需要有一个最小的跟踪时间。该跟踪时间由ADC2 模拟多路器的电阻、ADC2 采样电容、外部信号源阻抗及所要求的转换精度决定。注意：在低功耗跟踪方式，每次转换启动后需要用三个SAR 时钟跟踪。对于大多数应用，三个SAR 时钟可以满足跟踪需要。 给出了单端和差分方式下等效的ADC2 输入电路。注意：这两种等效电路的时间常数完全相同。对于一个给定的建立精度（SA），所需要的ADC2 建立时间可以用方程估算。 其中：SA 是建立精度，用一个LSB 的分数表示（例如，建立精度0.25 对应1/4 LSB），t 为所需要的建立时间，以秒为单位，RTOTAL 为A MUX2 电阻与外部信号