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四j i i 大学硕士学位论文 ：y 6 54 3 9 l 广播发射机微机控制器的设计 机械电子工程专业 研究生李志杰指导教师韩震宇 随着信息技术和计算机技术的发展，广播自动化程度的提高，广播系统对发 射机有了新的要求，不但要求实现播出自动化，还要求具有远程联网监控的能力。 而广播发射机微机控制器是广播发射机的重要组成部分之一，是计算机技术和信 息技术在广播发射机中的应用成果。广播发射机微机控制器的研究对于提高我国 广播发射机技术的信息化自动化水平有着重大的意义。根据当代的计算机技术、 网络技术和电子技术的研究成果，结合当前的嵌入式系统的思想，本文主要论述 了如何利用两种最流行的单片机来实现对广播发射机的微机控制，并以实际的应 用实践来对它们加以比较。 本文从广播机微机控制器应用的环境和通用微机测控系统的应用现状出发， 深入探讨了广播机微机控制器在广播机中的作用及其应具有的主要功能，及其应 具备的抗干扰性能。广播机微机控制器是整个发射机的控制核心，它负责完成发 射机的丌关机控制，状态检测，故障处理和自动开关机控制等功能。广播机微机 控制器工作在电磁干扰较为严重的环境中，在满足其控制功能的前提下，如何提 高微机控制器的抗干扰性能成为本课题的一个重要的研究方向。根据以上的功能 要求，在课题的实施过程中，将微机控制器划分为主控模块、输入输出模块、人 机接口模块和通信模块四部分，采取了由上及下的设计方法，并对主控模块采用 两种设计方案，目的在于取得种最适合广播机应用的方案。 人机接口模块采用了当前比较流行的大屏幕液晶显示技术，和键盘结合后， 具有极佳的可操作性，效果接近于通用计算机。 最后，为了提高微机控制器的抗干扰性能，结合当前单片机抗干扰设计的研 究成果，对系统的电路进行了专门的抗干扰设计。如在模拟量输入通道加入滤波 四川大学硕：b 学位论文 各，在开关量输入通道加入光电隔离电路，以及特殊的电路板设计等。 遣词：广播机单片机接口技术 堕型盔堂堡主堂堡堕塞 d e s i g no fa r a d i ot r a n s m i t t e r sm i c r o 。c o n t r o l l e rw i t h e m b e d d e d s i n g l e c h i pc o m p u t e r m a j o r ：m e c h a t r o n i c s p o s t - g r a d u a t e ：l iz h i j i es u p e r v i s o r ：h a nz h e n y u a st h ei m p r o v e m e n to fi ta n dc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n da d v a n c e m e n to f a u t o m a t i o no fr a d i o e q u i p m e n t ，an e wp r o b l e m i s b r o u g h tb e f o r e r a d i o t r a n s m i t t e r sd e s i g n e r s ，w h i c hi sn o to n l yh o wt ou p g r a d et h ea u t o m a t i o no f r a d i ot r a n s m i t t e r sb u ta l s oh o wt ow a t c ht h er a d i ot r a n s m i t t e r sw i t ht e l e p h o n e n e t w o r ko ri n t e r n e t a sap r o d u c to fa p p l y i n gc o m p u t e rt e c h n o l o g yi nr a d i o t r a n s m i t t e r s r a d i ot r a n s m i t t e r sm i c r o c o n t r o l l e ri sa ni m p o r t a n tp a r to far a d i o t r a n s m i t t e r a n di t sm u c hm e a n i n g f u lf o ru p g r a d i n ga u t o m a t i ci e v e io f0 ur r a d i o e q u i p m e n t s t o s t u d yn e wm i c r o c o n t r o l l e ro f r a d i ol r a n s m i t t e r s t h i s p a p e rd e s c r i b e sh o w l o d e s i g nm i c r o - c o n t r o l l e rw i t ht w ok i n d so fs i n g l e c h i p c o m p u t e r s ，w h i c ha r em c s 一5 1a n da v r d u r i n gt h ep r o c e d u r eo fd e s i g n i n g m a n yn e wm e t h o d sa r eu s e d w h i c hi n c l u d e lt ，c o m p u t e r e l e c t r o n i c sa n d e m b e d d e d s y s t e m si d e a s b e g i n n i n g o fr a d i ot r a n s m i t t e r s a p p l i c a n t e n v i r o n m e n t sa n dn o r m a l m i c r o - c o n t r o l l e r s d e s i g ni d e a s ，t h ep a p e rd e s c r i b e st h ef u n c t i o n w h i c h a m i c r o - c o n t r o l l e rh a si nr a d i ol r a n s m i t t e ra n dt e l l st h ec o n s t r u c t i o no fr a d i o t r a n s m i t t e r sm i c r o - c o n t r o l l e ra n di t sc h a r a c t e r i s t i c sa s t h ec o n t r o lu n i to fr a d i o t r a n s m i t t e r , m i c r o - c o n t r o l l e rc a nt u r no no rs h u lo f ft h em a c h i n e ，m o n i t o rt h e m a c h i n e ，p r o t e c tt h em a c h i n e w h e n s o m e t h i n gi sw r o n g ，a n dt u r no n o rs h u to f f t h em a c h i n eo ns c h e d u l e t h em a c h i n e u s u a l l yw o r k s f o r2 4h o u r s d a ya n d d a y s oi ti sn e c e s s a r yt ot a k e s t e p s t ou p g r a d et h er e l i a b i l i t yo fm i c r o c o n t r o l l e rw e h a v et a k e ns p e c i f i cs t e p si nd e s i g n i n gc i r c u i ta n d p r i n t e dc i r c u i tb o a r d al c dm o d u l ei sa p p l i e di nt h em i c r o c o n t r o l l e rf o ro p e r a t o ra n dm a c h i n e e x c h a n g ei n f o r m a t i o n a n dw i t hs p e c i f i cs o f t w a r ew ec a no p e r a t et h er a d i o t r a n s m i t t e r f r e e l y 四川大学硕士学位论文 k e yw o r d s ：l c d ，t r a n s m i t t e r , m i c r o c o n t r o l l e r 婴型盔兰堕主兰堡笙墨 第一章绪论 1 1 课题来源及背景 1 11 国内外广播机微机控制器的现状 随着计算机技术的飞跃发展，广播发射机的自动化程度不断得以提高。8 0 年代，国内开始采用可编程序时间控制器、可编程序控制器口l c ) 、单片g l ( 8 0 3 1 、 p 8 0 l 、z 8 0 ) 对广播发射机进行自动控制【l 】o9 0 年代，开始把微处理机、微型计算 机作为发射机的一个不可分割的部件，与发射机融于一体，实现发射机的自动化 【1 1 。 近些年，世界上几大广播发射机生产厂家相继在大功率机器上采用p d m 、 p s m 等新的调制方式，用以提高发射机整机效率的同时，还纷纷在提高发射机 本身的自动化程度上下了功夫，将微处理器、微处理机引入发射机用以担负发射 机的自动控制和实时监测口1 1 9 1 。 国内外广播发射机的控制技术基本上可以分为两大类，一是传统的数字逻辑 电路控制，二是计算机控制，这种控制方式又因为采取的处理器种类的不同而分 为p l c 控制、单片机控制和通用p c 控制三种。传统的数字逻辑电路控制只能实 现相对比较简单的功能，如开机、关机和发生故障时的保护动作。而在采用计算 机控制的广播发射机可以实现上面的所有的功能，并可根据的客户的要求加以改 进，而这种改进通常只通过重新设计软件就可以实现，提高了广播发射机的适应 性。大多数采用计算机控制的广播发射机具有通信能力，可以实现对广播发射机 的远程监控。 现在，国内外广播发射机微机控制的功能主要有以下几个部分： 一按发射机运行图自动开关机( 包括启动与关闭控制系统电源、风机、) ： 一 自动巡检、监测、记忆和打印各级工作状态( 电压、电流) ，并且能越 限报警； 一记忆广播机运行状态和开关机时间； _ 具有在发生故障时声光报警功能，并对典型故障有分析、诊断和处 理功能； 堕业查兰鎏主堂垡堡兰 一一 一具有主机发生故障时启动备份单元、备份机的功能。 随着计算机技术、网络技术和通讯技术的发展，广播发射机的控制技术的将 向着提高控制系统的处理能力和人机操作接1 2 1 更加人性化的方向发展。将计算机 技术、网络技术和通讯技术的成果不断地引入到广播发射机的控制技术中，逐步 采用先进的嵌入式微处理器和人机界面技术，使广播发射机控制器具有良好的适 应能力、灵活方便的操作性能和快捷的联网能力。而传统的数字逻辑电路控制将 被淘汰。 法国汤姆卡斯特公司( t h o m c a s t ) 在其生产的t r e 2 3 1 5 型1 0 0 k w p d m 短波广播发射机上使用微处理器，实现对整机的自动控制、监测以及故障处理【1 j 。 在其生产的m 2 w 系列产品中采用了带液晶显示触摸屏的控制系统，所有操作、 设置及运行记录查询等尽在弹指一挥间。 美国大陆电子公司生产的4 2 0 c 型5 0 0 k w 短波广播发射机，采用p s m 调制 方式。机中直接采用了一台2 8 6 型微机，开创了由微机直接控制发射机的新一代 机器川。 国内各个发射机生产厂家在这几年加快了对广播发射机的技术改造，而微机 控制是其中一个非常重要的部分。陕西数字广播设备有限责任公司曾利用p l c 改 进了广播发射机的控制系统。鞍山通用广播电视设备有限公司设计的5 k w 调频 立体声全固态广播发射机则具有l c d 指示工作参数，操作简单，读数直观，便于维 护和故障判断，整机提供并行接口，可监控、遥控，可实现数字化播出。而杭州众 力公司的z h l 一6 1 8 系列调频立体声发射机采用了嵌入式微处理器控制。 而且现在有几家公司专门面向广播发射机生产厂家开发新的调制技术和微 机控制技术，部分地解决了发射机生产厂家技术力量不足的现状。 1 1 2 研制广播微机控制器的意义 现在广播系统面临着实现广播数字化网络化的要求，与国外的广播技术相 比，我国也有着不小的差距。缩短与国外的差距，提高整个广播系统的技术水平 四川大学硕l ：学位论文 成为广大广电人的奋斗目标。而广播发射机是广播系统中的重要设备，它的自动 化水平严重影响着。1 播系统的数字化和网络化水平。 广播发射机是广播发射的主要设备。其稳定可靠地工作对广播系统来说具有 非常重要的意义。然而仅仅依靠各种在线检测和值班人员的离线检查是远远不够 的。在同常工作中，往往会遇到诸如双电源的某一路突然掉电，信号源突然中断， 发射机控制部分的开关接触不良，重点部位过温等情况。一旦出现上述情况，如 不及时处理就可能造成发射机发射质量下降或较长时间的停播事故。而且，在故 障出现后，再有维护人员去处理，不是短时间内找不到故障点，就是短时间内排 除不了故障，这是令人非常头疼的事情。 通过应用现在比较流行的嵌入式计算机技术，给广播发射机设计、安装微机 控制器，对广播发射机进行在线监控和检测，就能及时发现事故并处理，这不但 保证了发射机始终处于良好运行状态，同时也减轻了值机、维护人员的负担，而 且运用通讯技术后，还能实现广播发射台的“无人值守”。 1 2 设计要求及目标 本课题是根据陕西数字广播设备有限公司的要求，设计实现应用于3 s k w 调 频广播发射机的计算机控制系统，在本论文中称作微机控制器。 主要的研究内容是设计实现一个基于单片机的计算机控制系统。在对广播发 射机的工作状态( 包括模拟量、开关量和故障量) 进行数据采集后，可以及时的 做出控制操作，也可以将数据上传给中心控制计算机，由中心控制计算机下达指 令，微机控制器执行。 由于大功率发射机受到高场强的电磁波干扰，计算机监控系统在这样的环境 中难以稳定可靠地工作，因此抗高频干扰是本课题研究的重点内容。 设计要求如下： 一模拟量采集，1 l 路，精度要求0 0 1 v 。包括四路功放电流、主整电压、 输出功率、反射功率、+ 1 2 v 、一1 2 v 、左右路调制度。其中有一路是频率信 号，要求精度为：5 0 k h z ，频率信号一般的范围是：9 0 m h z 1 0 3 m h z 。 _ 输入开关量，1 6 路，低电平有效。 叫川大学颂七学位论文 _ 输出开关量，5 路，低电平有效。其中激励器封锁信号要求输出一对节 点。 _ 对输入的模拟量要进行上、下限检查，越限时报警 输出的开关量要能够驱动固态继电器，驱动电流 l o o m a ，且信号要稳定， 以免造成误操作。 微机应实现自动开、关机 一对发射机各工作点实时监测功能，对发射机输入的模拟量和状态开关量 进行显示，并能记录机器的工作状态，发生故障时立即记录故障时的状态。 _ 对发射机实行全面控制功能和各种异常保护功能。风机不正常时不能上 高压；当p a lp a 4 四路功放模块任一路出现过流、过温时，或者主整电压 过压、吸收负载过温时，断高压并封锁激励，故障恢复后自动上高压解除 激励封锁；在l o 秒内连续三次出现过流、过温、过压、反射过大时，断 高压并封锁激励同时报警，此时在故障恢复后须按复位键才能上高压。 一微机应具有远程通信功能 一微机的可靠性要高，平均无故障运行1 万小时以上。 四j i 大学硕士学位论文 第二章系统总体方案的设计 2 1 广播发射机基本结构概述 广播发射机的基本机构如图2 1 所示。 图2 13 5 k w 调频广播发射机结构 广播发射机主要由激励器、微机控制器、功率放大器、功率合成器、丌关电 源、功率分配器、轴流风机组、天线组成。其中微机控制器的主要功能是检测电 源部分、风机、激励器、功率放大器的各种参数，并控制这些模块，使之协调工 作，在出故障时，能采取相应的动作，保护发射机。 2 2 系统的工作过程 微机控制器是比较典型的计算机测试控制系统。计算机把经过测量单元 型型盔堂堡主兰篁丝兰 ( 传感器) 、变送单元和a d 转换接口送来的数字信号和开关状态信号与设定值 相比较，根据其偏差或状态信号做出相应的控制操作或者输出信息给操作者”。 从本质上讲，微机控制器的工作过程可归纳为以。f 三个步骤“： _ 实时数据采集，对输入的模拟量和开关信号进行检测并记录。 一实时数据处理，对采集到的数据进行分析和处理，按照一定的规律， 进行控制决策。 一实时控制输出，根据控制决策，适时地对执行装置发出控制信号， 完成工作任务。 在实际工作过程中，上述过程要不断重复进行。所谓“实时”，是指对信号 的输入、运算处理和输出都要在一定的时间内完成，即要求微机要对输入的开关 量和模拟量信号快速的测量和处理，并及时做出反应或产生相应的控制”。对时 间的要求要以具体的发射机的实际情况为准，一般，不同型号的发射机对控制器 的操作实时性有不同。 不同的控制场合需要不同的控制结构。发射机的控制结构则是闭环控制，其 系统大体j _ ! = 可用下面的框图2 2 来表示： 图2 - 2 控制系统结构 广播发射机微机控制器的具体工作过程如附录三所示： 在系统复位后，不断的监测广播发射机的4 - 1 2 v 、一1 2 v 、等电源信号，并判 | ! ：| 川i 大学硕士学位论文 断电源信号是否越限，若越限，则报警。 在接收到开机命令后，在电源一切正常和外部闭锁的情况下，开启高压一档， 在等待2 秒后，检查高压一档是否正常，若不正常，则报警：若正常，则开启高 压二档，2 秒后，检查高压二档信号是否正常，若不正常则报警，若正常，则在 等待4 秒后，待4 8 v 电源丌启后，检查主整电压是否正常，若越限，则报警，否 则解除功放模块的关断信号和激励器的封锁，这时，广播发射机已经开启了 在广播发射机运行过程中，微机控制器要不断的监测其运行状态，包括电源 信号、四路功放的电流是否过流，四路功放是否过温，输出功率是否不够，反射 功率是否过大，并在出现故障时，迅速的做出保护性动作，包括关断电源、功放 模块和封锁激励器，并报警。待故障解除后，再解除保护措施。 当要关闭广播发射机时，先同时关闭高压一档和高压二档，并关断功放模块 和封锁激励器，等待5 分钟后，在整机温度降低后，再关掉风机。 广播发射机微机控制器在运行过程中，还要不断的响应中心控制计算机的命 令并执行相应的动作，以实现广播发射机的远程监测和控制。 2 3 系统的硬件结构的设计 微机控制器主要由主控模块、输入输出模块、人机接口模块、通讯模块和实 时时钟模块构成。其系统框图如下： 一一i 竺竺竺一j _ 一引 图2 - 3 微机控制器结构 四川大学硕士学位论文 主控模块是整个控制器的控制核心，相当于整个系统的大脑。输入输出模块 是控制器与广播发射机整机的联系通道。通过输入输出模块，广播发射机的状态 信息进入控制器，控制器的控制指令发送到广播发射机的各个单元。人机接口模 块是人与控制器信息交换的接口，通过它，人对控制器发出控制指令，输入系统 数据；控制器显示广播发射机的状态信息。通讯模块是控制器与上位计算机或其 它控制器的联系通道，通过它，中心计算机实现对多台发射机的集中监控和异地 监控，使得网络技术可以应用于广播发射机的集中监控或者异地远程监控上。 2 4 系统设计中抗高频干扰的考虑 2 4 1 干扰的来源与途径及对微机控制器的影响 干扰的来源最主要的是发射机的电磁波，另外，还有来自电动机等设备及来 自电源的各种脉冲干扰。”。高频干扰主要从三个途径窜入微机系统：一是来自空 间的电磁波辐射对微机的干扰；二是干扰信号从地线窜入微机系统；三是干扰从 取样信号传输线窜入微机系统。试验和实践证明，来自空间的电磁波干扰对微机 系统不构成严重的威胁，而从地线和取样信号传输线进入计算机的高频干扰是威 胁广播机微机控制器正常工作的主要原因“。 微机控制器受到干扰，轻则，可使取样信号不准确，取样信号的大小会随着 发射机的调幅度的大小变化，使控制器发生误操作；重则可使微机控制器程序紊 乱，根本无法运行o 。 2 4 2 抗干扰的措施 根据干扰的来源及途径，我们采取了相应的技术措施，有效的抑制了强高频 的干扰，使得微机控制器能稳定可靠地运行。 1 、取样信号用传感器隔离传送 微机要对发射机进行监控，就必须将发射机或其它设备中取样出的各种信号 传送给微机。如果发射机上的取样点直接与微机控制器输入接口连接来传送 信号，即高频地与信号地共用，微机系统将遭受严重干扰，不能正常工作。 四川大学硕二卜学位论文 所以我们采用信号地和高频地不共用的技术，将全部的信号经过传感器隔离 传送至微机控制器。例如光电隔离传感器，在信号传送过程中把电信号转换 为带有信息的光信号，将发射机的高频地与监控微机的信号地隔离开，避免 了共地造成的干扰。 2 、高频滤波措施 微机控制器的信号输入端设置高频滤波电路，滤除高频干扰信号。对微机控 制器的电源也采用高频滤波电路。 广播机微机控制器接口电路采用模数转换和光电隔离等抗干扰技术。 3 、在电路板设计中采取抗干扰设计。 4 、选用高质量的开关电源模块对微机控制器供电 5 】o 5 、在微机控制器的软件设计中采用软件滤波、重复输出等软件抗干扰技术。 婴型查堂堡1 ：兰堡丝兰 第三章主控模块的设计 主控模块是整个控制器的控制核心，类似于人类的大脑。所以主控模块的设 计是关系到整个控制器性能，乃至成败的关键。 现在，单片机技术有了飞速的发展，市场巴单片机的种类繁多。这些单片机 的性能价格差异很大，如何选择一种适合应用的单片机成为首先需要考虑的问 题。在本控制器的开发过程中，我们选用了一种应用最广泛的单片机m c s 一5 1 系 列的w 7 8 e 5 1 6 和一种在8 位机中功能最强大的a v r 单片机a t m e g a l 2 8 和 a t m e g a l 6 来分别实现主控模块的功能。目的是，以实际应用的效果来选择一种 最适合广播发射机微机控制器应用的单片机。 31 基于m c s 一5 1 单片机的主控模块设计 311 w 7 8 e 5 1 6 单片机的特性 w 7 8 e 5 1 6 是台湾华帮公司生产的兼容m c s 5 1 的单片机，具有如下的特性 全静态设计8 位微控制器，频率最高达4 0 1 z 6 4 k 在系统可编程f l a s h 程序存储器 5 1 2 字节的片上r a m 6 4 k 程序存储器寻址空间和6 4 k 数据存储器寻址空间 4 个8 位双向端口 一个4 位的多用途编程口 3 个1 6 位的定时计数器 内嵌电源管理模块 一个全双工串行通信口 6 个中断源，两个中断优先级设置 312m c s 一5 1 单片机的数据存储器的扩展技术 在控制器的设计中，由于单片机选用w 7 8 e 5 1 6 b ，它具有6 4 k 的程序存储器 婴型查兰堡主堂些堡苎 所以不需再扩展程序存储器；控制器需要每隔一定的时间存储一些广播发射机的 状态数据，而且要求按每小时存一次能够存储一年的数据存储容量。所以需要为 单片机扩展大容量的数据存储器。 数据存储器现在主要有铲p r o m 、f l a s h 存储器和铁电存储器三种。 按数据存取的方式划分，e 2 p r o m 分为串行和并行两类。串行酽p r o m 一般只用 作数据存储器，并行e 2 p r o m 则可用作数据存储器和程序存储器。 e ! p r o m 具有电可擦除的优点，同时还可以按字节擦除，而且是按字节写入， 这一点，要比f l a s h 存储器强，f l a s h 存储器一般是按页写的，当每次写入不足 一页时，就不是很方便”。 铁电存储器是一种新型的存储器，它具有掉电不丢失数据的特点，且可擦写 无限多次。但是现有的铁电存储器的容量都不能满足需要。 所以我们选用了大容量数据存储器2 8 c 0 1 0 ，它可以存储1 2 8 k 字节的数据。 单片机与2 8 c 0 i 0 的接口电路如下： p - 、 一i 薰j n 斗 i 寨 蔫嚣习 、 衅k 摹刘隧霉 到 簿 l托詈 图3 - 2 单片机与2 8 c 0 1 0 的接口电路 31 3 主控模块的设计 由于c p u 采用w 7 8 e 5 1 6 ( 兼容8 0 5 1 ) ，只有4 0 个i o ，所以需要仔细地规划 i o 口的使用。对于需要单片机访问的每一个器件都要有一个唯一的地址，由于 i o 有限，所以我们采用了7 4 1 s 1 5 4 作为地址译码器，这样就实现了只用4 个i o 来实现对多达1 6 个的器件的访问。数据总线采用单片机的p o 口分时复用实现8 位的数据总线。由单片机的p 1 口和p 2 通过分时复用作为控制总线。 本控制器可最多采集1 6 路模拟量和1 6 路开关量的数据，可最多输出1 6 路 开关量。 电路图见附录一。 3 2 基于a v r 单片机的主控模块设计 3 2 1a v r 单片机的特点 a v r 单片机是a t m e l 公司1 9 9 7 年推出的全新配置精简指令集( r i s c ) 单片机 系列。而a t m e g a 系列单片机是a y r 中高档产品，它承袭了a t 9 0 所具有的所有特 点，并在a t 9 0 的基础上，增加了更多的接口功能，而且在省电性能、稳定性、 抗干扰性以及灵活性方面有了更大地提高“。 a v r 单片机结合了p i c 单片机和m c s 一5 1 单片机的优点，同时还做了一些重大 改进，其主要的特点如下： 片内集成可擦写1 0 0 0 0 次以上的f l a s h 程序存储器。 _ 采用c m o s 工艺技术，高速度( 5 0 n s ) 、低功耗( u a ) 、具有s l e e p 功能。 a v r 的指令执行速度可达5 0 n s ，而耗电则在1 从一2 5 m a 之间。a v r 运用 h a r v a r d 结构概念，具有预取指令的特性，即对程序存储和数据存取使 用不同的存储器和总线。 一高度保密。 一工业级产品。具有大电流l o m a - 2 0 m a ( 灌电流) 或4 0 m a ( 单一输出) 的 特点，可直接驱动继电器。自带看门狗定时器。 一超功能精简指令。具有3 2 个通用工作寄存器，相当于m c s 一5 1 的3 2 个 累加器。克服了单一累加器数据处理造成的瓶颈现象，1 2 8 4 k 字节s r a m 可灵活使用指令运算，并可用功能很强的c 语言编程，易学、易写、易 移植。 堕型查堂塑二! 兰垡堡兰一 有异步通信u a r t 硬件接口电路，采用单独的波特率发生器，并不占用定 时器。具有s p i 传输功能。因其高速，波特率可达5 7 6 k b p s 。 _ 高档a v r 单片机m e g a 系列的性能更加强大。如在控制器中用到的 a t m e g a l 2 8 有更大容量的存储器( f 1 a s h l 2 8 k 、e e p r o m 4 k b 、r a m4 k b ) ，i o 端口5 3 个、中断源3 4 个、外部中断8 个、s p i 接e 11 个、1 2 c 接口1 个、 8 位定时器2 个、1 6 位定时器2 个、p w m 接口8 个，有看门狗定时器， 有实时时钟r t c ，模拟比较器，8 路1 0 位a d ，可在线编程( i s p ) 和在 应用自编程( i a p ) ，片内有r c 振荡器、上电复位延时电路和可编程的欠 电压检测电路，工作电压为2 7 5 5 v 。 a v r 单片机还在片内集成了可擦写1 0 0 0 0 0 次的铲p r o m 数据存储器，可用于 保存系统的设定参数、固定表格和掉电后的数据保存，既方便了使用，减少了系 统的空间，又大大提高了系统的保密性。 3 22 主控模块的设计 我们采用的是双c p u ，而不是扩展i o 的方法来实现对多路输入量和输出量 的操作。这样充分发挥了a v r 单片机资源丰富、执行速度快的特点。a t m e g l 2 8 和a t m e g a l 6 之间采用s p i 通讯接口，这样也充分利用了s p i 通讯速度快、稳定 可靠的特点。由于采用双c p u 结构，其i 0 口众多，不再需要像5 1 单片机的设 计那样扩展i o 口，其硬件结构相对来说要简单的多。对输入的模拟量信号而言， 除去信号调理电路不论，可以将每一路信号直接接到单片机的a d 输入端， a t m e g a l 2 8 有8 路模拟量输入端，而a t m e g a l 6 也有8 路模拟量输入端，所以采 用这样的双c p u 的设计方案已经足以满足3 、5 k w 调频广播发射机的微机控制器 的l1 路模拟量的数据采集要求。对于输入的开关量和输出的开关量也是如此， 不需驱动电路，也不需要数据锁存器件，直接由单片机的i o 口驱动。这得益于 a v r 单片机i o 的2 0 m a 强大的驱动能力。 电路图见附录二。 网川大学硕一l 学位论文 33m o s 一5 1 与a v r 的比较 331 存储器配置的对比 3 31 1 存储器布置 m c s5 1 的存储器从使用角度看，分为三个空间，三个空间分别用 d o v 、m o v x 和m o v c 指令访问”3 ，而a v r 的存储器在物理结构上可分为五个部分，以a t m e g a l 2 8 为例来说明。”】： 程序空i n j ，访问时用l p m 指令访问。 片内数据存储器，访问时用s t s 、l d s 和s t 、l d 指令访问。 - 片外数据存储器，访问时用s t s 、l d s 和s t 、l d 指令访问。 3 2 个通用寄存器r o r 3 1 ，它们之间数据传送可使用m o v 指令。 _ i o 寄存器( 0 0 3 f h ) ，使用i n 、o u t 指令访问。 有一部分数据存储器的地址( 0 0 0 0 h 0 0 5 f h ) 被映射为通用寄存器( r or 3 i ) 和i o 寄存器的数据空间地址，具体为3 2 个通用寄存器直接映剁到数据存储器 的0 0 0 0 h 0 0 1 f h ；6 4 个i o 寄存器直接映射到数据存储器空间的0 0 2 0 h 0 0 5 f h 。 这种映射关系大大增强了a v r 指令的灵活性，对寄存器可以像s r a m 一样地访问， 也可以使用x 、y 和z 寄存器组作为索引，从而大大提高了访问寄存器的灵活性。 3 3 1 2 堆栈工作方式 m c s 5 1 的堆栈是一个由堆栈指针寄存器s p ( 单字节) 控制的向上的堆栈， 即将数据压入堆栈时s p 增大。a v r 系列单片机的堆栈同样受到s p 寄存器控制， 但是其堆栈的生长方向与m c s 一5 1 相反，即将数据压入堆栈时s p 减小。另外还有 以下几点不同： - m c s 一5 1 的堆栈空间只能放置在片内的s r a m 中，而a v r 的堆栈空间既可以 放嚣在片内s r a m 中，也可以放置在片外g r a m 中。 在a v r 单片机中，对不支持外部s r a m 的单片机，s p 寄存器为一个字节宽 度，对支持外部s r a m 的单片机为两个字节宽度( s p l ，s p h ) 。 为了提高速度，一般在初始化s p 时将其定位在内部s r a m 的顶部。 些型查兰堡! 兰些堡壅 在对a v r 编程时一定要对s p 进行初始化，否则很可能出现在a v r s t u d i o 中模拟调试正常，而程序下载到芯片后却不工作的现象。 3 3 13 外部s r a m 的配置 在m c s 一5 1 中，外部s r a m 是使用专用的“m o v x ”指令访问的，而在a v r 中访 问片内或片外s r a m 均使用相同的指令，当访问数据空间的地址超过片内s r a m 范 围时自动选择片外的s r a m 空间。但为了正常工作还必须对寄存器m c u c r 的s r e ( d 7 ) 、s r w ( d 6 ) 位进行设置。m c u c r 寄存器如表3 一l 所示： 表3 - 1m c u c r 寄存器 r 1 1 r 一t 一r 一r t 1 1 l 幽堑111 望11 塑1 塑j 塑i ! 墼! ! ! ! ! ! 1 11 堑! !l ! i ! ! 1 1 当s r e = i 时，使能外部s r a m ：s r e = o 时，禁止外部s r a m 。当s r w = i 时在访问 外部s r a m 中插入一个等待周期，当s r w = o 时访问外部s r 删中不插入等待周期“。1 。 3 3 1 4 程序空间的访问 m c s 一5 1 的程序存储器是以字节为单位的，地址是按照字节进行寻址的，使用 m o v c 指令访问程序存储器，这和指令寄存器访问程序r o m 没什么区别。在a v r 中程序存储器的总线是1 6 位，即指令寄存器访问程序r o m 时是以字为单位的， 即一个程序地址对应两个字节，而a v r 的数据存储器的总线是8 位，当使用l p m 指令访问程序r o m 时是以字节为单位读取的，此时z 寄存器中的一个地址只对应 一个字节，因此要注意这两个地址的换算，否则很容易产生错误，具体的换算是 l p m 指令使用的z 寄存器中的地址应该是程序地址的两倍。举例如下： l d i z h ，h i g h ( t a b l e * 2 )；z 寄存器高位存放程序存储器地址的高位 l d iz l 。，i o w ( t a b l e * 2 ) ；z 寄存器低位存放程序存储器地址的低位 l p m：将z 寄存器的低位数送r 0 四川大学硕士学位论文 y 变址，将r 0 送s r a m 后，y = y + i t a b l e ： d b 0 ，1 ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 ，7 ，8 ，9；数据表的起点 3 32 输入输出端口的对比 m c s 5 1 单片机的z o 端口大部分是准双向口，在复位时全部输出高电平，对 端口的输入和输出也是直接通过z o 端口的地址进行的。而a v r 的i o 端口为标 准双向口，在复位时所有端口处于没有上拉电阻的输入状态( 高阻态，管脚电平 完全由外部电路决定) ，这在强调复位状态的场合是很有用。a v r 的每一个端口 对应三个地址，即d d r x 、p o r t x 和p i n x ( x 指单片机的a - f 口) 。各端口功能配 置如表3 2 所示。 一。奏! 二! 塑熊堂堂旦堕堕 塑! 堕坠型旦。占垄 鱼壁 00 输入 关闭三态 0 l 1 输入打开 提供弱上拉，低电平必须由外电路拉低，p x n 脚输出电流 0 输出 关闭推挽0 输出 j j 笪些一一羞固 丝选! 堑些 d d r x 为端口方向寄存器，当d d r x 的某一位置1 时，相应端口的引脚作为输 出使用；当d d r x 的某一位清0 时，对应端口的引脚作为输入使用。p o r t x 作为 端口数据寄存器，当引脚作为输出使用时，p o r t x 的数据由相应引脚输出；当引 脚作为输入使用时，p o r t x 的数据决定相应端口的引脚是否打开上拉功能。p i n x 为相应端口的输入引脚地址，如果希望读取相应引脚的逻辑电平值，一定要读取 p z n x 而不能读耿p o r t x ，p o r t x 为端口锁存器的值，这是与m c s 一5 1 有区别的。 婴型查兰堡主堂垡笙壅 所以，在使用a v r 单片机以前，一定要根据引脚功能定义对相应的端口初始 化，否则，端口很有可能在用做输出时不能正常工作。如设置端口b 的高四位为 输出，低四位为输入，则有： l d ir 1 6 $ f o o u td d r b ，r 1 6 3 3 4 中断系统的对比 m c s 一5 1 有六个中断源，分两个优先级，并且是通过i e 寄存器控制中断的使 能，通过i p 控制中断的优先等级。而在a v r 中根据不同的单片机有不同数量的 中断源，如在本控制器中用到的a t m e g a l 2 8 有3 5 个中断源。这3 5 个中断源各有 自己的中断向量入口地址，如表3 3 所示。 表3 - 3 中断向量表 向量号程序地址中断源中断定义 1 $ o 0 0 0 r e s e t 硬件引脚和看门狗复位 2 $ 0 0 0 2 i n t o外部中断请求0 3 $ 0 0 0 4 i n t l外部中断请求l 4 $ 0 0 0 6 i n t 2 外部中断请求2 5 $ 0 0 0 8 i n t 3外部中断请求3 6$ 0 0 0 ai n t 4 外部中断请求4 7 $ 0 0 0 ci n t 5外部中断请求5 8 $ 0 0 0 e i n t 6 外部中断请求6 9 $ 0 0 1 0 i n t 7 外部中断请求7 1 0$ 0 0 1 2t i m e r 2c o m p定时记数器2 比较匹配 1 l $ 0 0 1 4t i m e r 2o v f定时记数器2 溢出 1 2 $ 0 0 1 6t i m e r lc a p t定时记数器i 捕获事件 1 3 $ 0 0 1 8t i m e r lc o m p a定时记数器1 比较匹配a 1 4 $ 0 0 1 at i m e r lc o m p b定时记数器1 比较匹配b 1 5 $ o o l ct i m e r lo v f定时记数器1 溢出 1 6 $ 0 0 1 e t i m r oc o m p 定时记数器0 比较匹配 1 7 $ 0 0 2 0 t i m e r 0o v f 定时记数器0 溢出 1 8$ 0 0 2 2s p is t c s p i 串行传输完成 则川大学硕士学位论文 1 9$ 0 0 2 4u s a r t or xu a r t or x 完成 2 0$ 0 0 2 6u s a r t ou d r eu a r t o 数据寄存器空 2 1$ 0 0 2 8u s a r t ot xu a r t ot x 完成 2 2$ 0 0 2 aa d ca d 转换完成 2 3 $ 0 0 2 c e er e a d ye e p r o m 就绪 2 4 $ 0 0 2 e a n a l o gc o v i p 模拟比较器 2 5$ 0 0 3 0t i m e r lc o m p c 定时记数器l 比较匹配c 2 6$ 0 0 3 2t i m e r 3c a p t 定时记数器3 捕获事件 2 7 $ 0 0 3 4t i m e r 3c o m p a定时记数器3 比较匹配a 2 8 $ 0 0 3 6 t i m e r 3c o m p b 定o j 记数器3 比较匹配b 2 9$ 0 0 3 8t i m e r 3c o m p c 定时记数器3 比较匹配c 3 0 $ 0 0 3 at i m e r 3o v f 定时记数器3 溢出 3 1 $ 0 0 3 cu s a r t ir xu a r t lr x 完成 3 2$ 0 0 3 eu s a r t lu d r e u a r t i 数据寄存器空 3 3 $ 0 0 4 0u s a r t lt xu a r t lt x 完成 3 4 $ 0 0 4 2t w i 两线串行通信接口 3 5 $ 0 0 4 4s p mr e a d y 程序存储器就绪 a v r 通过寄存器g i m s k 、t i m s k 和s r e g 来控制中断使能，其中s r e g 的d 7 位 i 是全局中断使能标志，在a v r 中只有全局中断控制位和某一特定中断控制位同 时使能，中断才会起作用。g i m s k 和t i m s k 的功能如表3 4 所示。 表3 4g i m s k 和t i m s k 寄存器 g i m s ki n t ii n t 0 t i m s kt o i e io c i e l a o c i e l b t i c i e it o i e o i n t o 、i n t l 外部中断请求使能，置1 时开放中断，清0 时禁止中断。 外部中断的触发方式由m c u c r 的d o d 3 位控制，如表3 - 5 所示。 o c i e i a 、b ：定时器0 、定时器i 的溢出中断使能。 t i c i e i ：定时器l 的输入捕捉中断使能。 l a 川大学t 班i d ：学位论义 表3 - 5 中断方式表 i s c x l i s c x o 说明 i s c x li s c x o 说明 1 0o低电平触发10。r 降沿触发 lo 1 高电平触发 11 上升沿触发 在a v r 中没有专门的中断优先级控制寄存器来区分中断的优先等级，一个解 决办法是可在中断服务程序中通过使能全局中断i 来使系统响应高优先的中断。 具体做法使当a v r 单片机响应任何一个中断时，硬件会禁止全局中断i ，从而禁 止系统响应其它中断，而当从中断服务程序中退出时，硬件会重新使能全局中断 l ，而当中断服务程序中用s e i 指令打丌全局中断时，系统在没有退出中断服务 程序的情况下又恢复了对中断的响应能力，从而可以响应高优先级的