凌阳61开发板基本工作原理及实际电路识图技能训练1.doc

第十六章 单片机开发板基本工作原理及实际电路识图技能训练一、实训目的： 主要是培养学生的单片机小系统认识能力，通过本单元的学习使其掌握以下的能力： 1 焊（焊接、拆焊技术）； 2 识（元器件识别、性能简易测试以及元件封装识别）； 3 读（电子电路读图能力）；4 测（会正确使用电子仪器测电参数）； 5 综合运用（模电、数电以及单片机三大技术，与时尚数码产品接轨）。 二、 电路识图及技能训练 本产品为一套完整的16位单片机开发系统。若将我们提供的程序下载到61板上，它将成为一个复读机、语音钟表，或者成为一个极具趣味性的人机互动玩具 1主要性能指标 （1）、输入电压：DC：4V5V （2）、输入电流：200mA 2功能分区与整机电路 图1是各区分块图,由SPCE061A单片机、电源、复位、数据下栽、输入输出端口、音频处理以及按键等子系统组成，图2为原理图,图3底层印刷电路板图，图4顶层印刷电路板图。图1 功能分区图图2 原理图图3 底层印刷电路板图 图4 顶层印刷电路图 三、子系统原理及电路说明1、SPCE061A单片机 单片机也称单片微控制器（single chip microcontroller）,它集成度高、运算速度快、体积小、运行可靠、价格低廉，在过程控制、数据采集、机电一体化、智能仪器仪表、家用电器以及网络技术等方面的到广泛应用。SPCE061A的组成主要如图5所示。 图5 SPCE061A的组成图SPCE061A具有DSP功能和语音特色的16位单片机，共84引脚，采用PGA封装。l 性能特点 16位unSP微处理器； 工作电压：VDD为2.43.6V(cpu), VDDH为VDD5.5V(I/O)； CPU时钟：0.32MHz49.152MHz； 内置2K字SRAM； 内置32K FLASH； 可编程音频处理； 晶体振荡器； 系统处于备用状态下（时钟处于停止状态），耗电小于2mA3.6V； 2个16位可编程定时器/计数器（可自动预置初始计数值）； 2个10位DAC（数-模转换）输出通道； 32位通用可编程输入/输出端口； 14个中断源可来自定时器A / B，时基，2个外部时钟源输入，键唤醒； 具备触键唤醒的功能； 使用凌阳音频编码SACM_S240方式(2.4K位/秒)，能容纳210秒的语音数据； 锁相环PLL振荡器提供系统时钟信号； 32768Hz实时时钟； 7通道10位电压模-数转换器（ADC）和单通道声音模-数转换器； 声音模-数转换器输入通道内置麦克风放大器和自动增益控制（AGC）功能； 具备串行设备接口； 有低电压复位（LVR）功能和低电压监测（LVD）功能； 内置在线仿真电路ICE（In- Circuit Emulator）接口； 具有保密能力； 具有WatchDog功能。 l 管脚说明见图6 图6 SPCE061A引脚排列图 SPCE061A实物图 l 管脚功能表见表一 表一 SPCE061A管脚功能表管脚说明 功能描述 IOA0IOA15（4148，53，5460脚） I/O口A，共16个 IOB0IOB15（15，7681，6468脚）I/O口B，共16个 OSCI（13脚） 振荡器输入，在石英晶振模式下，是石英元件的一个输入脚 OSCO（12脚） 振荡器输出，在石英晶振模式下，是石英元件的一个输出脚RES-B（6脚） 复位输入。若这个脚输入低电平，会使得控制器被重新复位 ICE-EN（16脚） ICE使能端，接在线调试器PROBE的使能脚ICE-EN ICE-SCK（17脚） ICE时钟脚，接在线调试器PROBE的时钟脚ICE-SCK ICE-SDA（18脚） ICE数据脚，接在线调试器PROBE的数据脚ICE-SDA PVIN（20脚） 程序保密设定脚 PFUSE（29脚） 程序保密设定脚 DAC1（21脚） 音频输出通道1 DAC2（22脚） 音频输出通道2 VREF2（23脚） 2V参考电压输出脚 AGC（25脚） 语音输入自动增益控制引脚 OPI（26脚） MIC的第二运放输入脚 MICOUT（27脚） MIC的第一运放输出脚 MICN（28脚） MIC的负向输入脚 MICP（33脚） MIC的正向输入脚 VRT（35脚） A/D转换外部参考电压输入脚，它决定A/D转换输入电压上限值。例如：该点输入一个2.5V的参考电压，则A/D转换电压输入范围为02.5V。（外部A/D最高参考电压3.3V）VCM（34脚） ADC参考电压输出脚 VMIC（37脚） MIC电源 SLEEP（63脚） 睡眠状态指示脚。当CPU进入睡眠状态的时候，该脚输出一个高电平 VCP（8脚） 琐相环压控振荡器的阻容输入 XROMT、PVPP、XTEST（61、69、14脚）出厂测试用管脚 VDDH（51、52、75脚） I/O电平参考。该点输入一个5V的参考电压则I/O输入输出高电平为5V VDD（7脚） 琐相环电源 VSS（19、24脚） 模拟地 VSS（9脚） PLL琐相环地 VDD（15、36脚）数字电源2、电源 61板采用3节5号电池进行供电，由J10接入，原理图如图7所示。信号检测点见图8，测试点参数见表三。其中的前后两组电容用来去耦滤波，使其供给芯片的电源更加干净平滑。为了获得标准的3.3V电压，在板子上加入SPY0029三端稳压器 。 两个二极管，是为防止误将电源接反造成不必要损失而设置的，在操作过程中千万不要将电源接反，因为反向电压超过一定的值，二极管将会被损坏，达不到保护的目的。后面的零电阻及其电源、地分成不同的几路是为减少电磁干扰设置的。 图7 电源部分原理图 图8 电源部分测试点 表三 电源部分记录表（各测试点位置如图8） 序号 测试记录 结果分析 1 第1点：V1=（4.5）V左右 第8-16点电压是否为3.3V左右？ 是 结论：电压比较正常，则进入模拟部分测试，否则请按如下步骤检测、调试： 1、观察是否有元件漏焊 2、电解电容的方向是否弄错 3、根据原理图检查电阻电容的值是否正确 4、采用拍打法（用绝缘棒拍打焊点面各处）检测是否有虚焊，或者可以用万用表逐点测量-工作量很大（建议对着原理图来找） 2 第2点：V2=（4.5）V左右 3 J6的+端电压=（4.5）V左右 4J7的+端电压=（4.5）V左右5J8的+端电压=（4.5）V左右6J9的+端电压=（4.5）V左右7U2的第7脚电压=（ 4.5 ）V左右 U2的第8脚电压=（ 4.5 ）V左右8U1的第7脚电压=（ 3.34 ）V左右 9U4的第20脚电压=（ 3.34 ）V左右 10J4的第1脚电压=（ 3.34 ）V左右11第3点：V3=（ 3.34）V左右 12第4点：V4=（ 3.34）V左右 3、程序下载区 ICE 基本运作方式是通过控制 clock 及通过 ICE 喂入指令方式，来控制CPU 的运行及缓存器资料和内存资料的存取，因此必须透过控制缓存器值的设定来控制目前 CPU 的动作，原理图如图8所示。每个相连接的不同ICE模块都拥有自己独特的3-bit ID，当PC在传送control信号时都会先传送该 3-bit ID，只有ICE本身的ID和control信号的ID 相同时才会执行该命令或回传资料。61板上的74HC244主要在我们选用下载线的时候起作用，主要奇缓存的作用和完成SDA是作为数据回送还是数据下传的选择。 图8 程序下载区4、音频输入部分 在SPCE061A芯片中具有声音模数转换通道，内置了麦克风放大电路和自动增益控制（AGC）功能。 AGC是自动增益补偿功能（Automatic Gain Control），AGC可以自动调麦克风的收音量，使听者收到一定的音量水平，不会因发言者与麦克风的距离改变时，声音有忽大忽小声的缺点。 SPCE061A中集成了麦克风前端运算放大电路，而运算放大电路的基本结构就是有输入级、中间级、输出级三大部分组成。输入级由差分放大电路组成，它是运算放大器的关键部分，差分放大电路有两个输入端，这样的组成能为信号的输入提供多种方式，并能有效的抑制共模干扰信号，放大有效信号的作用，原理框图见图9 。 图9 音频输入组成框图 在图10所示的电路中， MICP和MICN将随着MIC产生的波形变化，并在两个端口处形成两路反相的波形，再经过两级运放放大，把放大的语音信号交给ADC转换为数字量，这个时候我们就可以通过单片机编程对这些数据进行处理，比如说语音数据压缩、语音识别样本处理。 图10 音频输入外围电路 原理图10中的VMIC是提供麦克风的电源，AVSS1是系统的模拟地，AGC是语音输入自动增益控制引脚，MICP是麦克风输入的正向输入脚，MICN是麦克风输入的负向输入脚，MICOUT第一运放的输出脚，OPI是第二运放的输入脚，其中Vref是有电路板上的J1用调线冒把1、2脚短接提供，表四 音频输入部分记录分析表 。 音频输入部分测试目的：查看音频输入部分是否正常 条件：断开电源，接上喇叭，用排线分别将IOA口的低8位和IOB口的低8 位相连，IOA口的高8 位和IOB口的高8位相连，然后按下RESET复位键S1. 。 步骤：把J2的左边两脚短接，听到“I/O测试成功”后，按键3，（这个时候要是听见喇叭有很大的噪音，则是正常的现象，因为喇叭和麦克风离的近，解决的办法就是改变变位器的阻值，用一字螺丝刀顺时钟调节，直到噪音减少，要是还是不可以，就把喇叭取下，继续往下测试既可），采用示波器查看波形，测试点在板子的背面均已标示。 现象1：无波形 结论：音频输入部分有问题; 解决办法：按照原理图和各区元件排序表中给出的器件顺序查找音频输入部分的问题； 现象2：有不规则波形出现; 在原理图5.9中的VMIC是提供麦克风的电源，AVSS1是系统的模拟地，AGC是语音输入自动增益控制引脚，MICP是麦克风输入的正向输入脚，MICN是麦克风输入的负向输入脚，MICOUT第一运放的输出脚，OPI是第二运放的输入脚，其中Vref是有电路板上的J1用调线冒把1、2脚短接提供。 音频输入部分测试 目的：查看音频输入部分是否正常 条件：断开电源，接上喇叭，用排线分别将IOA口的低8位和IOB口的低8 位相连，IOA口的高8 位和IOB口的高8位相连，然后按下RESET复位键S1. 。 步骤：把J2的左边两脚短接，听到“I/O测试成功”后，按键3，（这个时候要是听见喇叭有很大的噪音，则是正常的现象，因为喇叭和麦克风离的近，解决的办法就是改变变位器的阻值，用一字螺丝刀顺时钟调节，直到噪音减少，要是还是不可以，就把喇叭取下，继续往下测试既可），采用示波器查看波形，测试点在板子的背面均已标示。 现象1：无波形 结论：音频输入部分有问题; 解决办法：按照原理图和各区元件排序表中给出的器件顺序查找音频输入部分的问题； 现象2：有不规则波形出现; 表四 音频输入部分记录分析表 检测内容 波形 1、MICP 的波形(从麦克风输入内容有微小的波形变化 )2、VMICN 的波形(从麦克风输入内容有微小的波形变化 ) 3、VMICOUT 的波形(从麦克风输入内容比VMICN、VMICP的波形变化要明显的很多，是经过了一次放大的作用)4、VOPI 的波形(从麦克风输入内容比VMICOUT波形变化要小一点，但是比VMICN、VMICP要大一点，是因为电阻R7分压的作用 )5、音频输出部分: 图11是音频输出部分的原理图，输出的声音经SPY0030音频放大后通过喇叭输出。SPY0030是凌阳公司开发的专门用于语音信号放大的芯片，电路原理图见图7所示，它的增益如下所示： Gain=2*5000/(5000+R1)。SPY0030的输入电压的范围是2.4V6.0V，在这个电路中采用的电压是3.3V。测试点见图12，其它管脚的介绍见表五。 图11 D/A部分原理图 表五 SPY0030管脚说明 管脚 表示 类型（O输出、I输入）描述 1 SPN O 音频输出负端 2 SPP O 音频输出正端 3 VSS I 地 4 INN I 音频输入负端 5 ACIN I 音频输入正端 6 VREF O 参考电压 7 CE I 芯片使能端 8 VDD I 电源 图12 D/A部分测试点音频输出部分测试： 目的：查看音频输出部分是否正常; 条件：接音频输入部分的条件，继续测试 ; 步骤：采用示波器查看波形，测试点在板子的背面均已标示; 现象1：无波形; 结论：音频输出部分不正常; 解决办法：按照原理图和各区元件排序表中给出的器件顺序查找音频输入部分的问题； 现象2：有不规则波形出现; 结论：正常，进入74HC244部分测试 。 这里主要是让同学们了解音频输出后经过放大以后的波形是否有失真。采用示波器查看波形，认真做实验记录，记录参数见六，。 表六 音频输出部分记录和分析表 测试内容（采用示波器观测） 画出波形 1、DAC的测试点波形( 有波形输出)2、SPY0030的第1脚波形( 有声音、波形输出)3、SPY0030的第2脚波形( 有声音、波形输出)结论：音频输出正常 206、按键部分 图13 为键盘部分原理图，按键是通过通断控制来实现它的功能，61板上的按键在没按下时，它的1、3脚是断开的，当按下时这两个脚是连通的。若此时我们在1脚接一个高电平，把第三脚连到一个I/O口上，这就形成了一个人机操作界面，通过编程对I/O扫描，单片机就能识别到我们的按键命令。图13 键盘部分原理图 图14是键盘部分测试点，表七为测试点参数。 目的：测试键盘输入是否正确 条件：U1、U2、U4芯片座中不安放元件；给61板通电，万用表选择电压档，利用万用表的负端（黑色表笔）接板子上的地（标示“-”的地方），万用表笔的正端（红色表笔）分别检测接IOA0、IOA1、IOA2; 步骤：把万用表笔的正端（红色表笔）放在IOA0上时，按下K1键，读取万用表上的电压值并记录，之后用同样的方法分别检测K2、K3电压值; 现象1：电压为零; 结论：不正常； 解决办法：更换按键，重新测试键盘部分; 现象2：电压为高电平; 结论：正常，进入晶振部分测试。 图14 键盘测试点 表七为测试点参数。 未按键前电压 电压值 按键后电压 电压值 VIOA0 =（ 0.00 ）V VIOA0 =（ 4.5 ）V VIOA1 =（ 0.00 ）V VIOA1 =（ 4.5 ）V VIOA2 =（ 0.00 ）V VIOA2 =（ 4.5 ）V 结论：按键正常7、晶振部分 （1）工作原理 石英晶体的主要特征是它具有压电效应，既在晶体的两个电极上加交流电压时，晶体就会产生机械振动，而这种机械振动反过来又会产生交流电压时，晶体就会产生交流电场，在电极上出现交流电压。如果外加交流电压的频率与晶片本身的固有振动频率相等，则机械振动的振幅和它产生的交流电压的幅值都会显著增大，这种现象称为压电谐振，称该晶体为石英晶体振荡器，或简称晶振。石英晶体的符号表示见图15中的Y1部分，目前市场晶体都是标准的频率，如：32768Hz、6MHz、3MHz等等，图15中采用的是32768 Hz，其中的谐振电容分别是C14（20P）、C15（20P），在这里OSC部分的作用就是作为CPU时钟的振源，具体的过程示意图见16所示。 图15 晶体振荡组成 图16 锁相环电路框图 （2）晶振测试： 目的：测试晶振工作是否正常 条件：U1、U2、U4芯片座中安放好元件；给61板通电 步骤：利用万用表的负端（黑色表笔）接板子上的地点（表示“-”的地方），万用表笔的正端（红色表笔）分别检测接OSCO、OSCI并记录；并用示波器查看波形; 现象1：不可看到波形; 解决办法：更换晶振，若还不行更换芯片； 现象2：可以看到32768HZ的正弦波形; 结论：正常，进行余下步骤。 测试点如图17所示。 图17晶振部分测试点 表八 晶振记录测试结果 1、利用万用表测试电压 分析： 这样的晶体振荡是 (并联) 晶体振荡 结论： 根据是否有电压或是波形可以判断晶体是否起振，电压在1.0V以上的时候就认为起振，输出脚OSCO没有波形输出也认为没有起振，则需要检查： 电容是否坏了； 电容好的，那么就更换晶振。 OSCO =（ 1.18 ） V左右 OSCI =（ 0.55 ） V左右 2、利用示波器测试频率（可选择） OSCO脚是否有波形：（ 是 ），（ 32768 ）HZ OSCI脚是否有波形：（是） 8 单片机I/O部分 “I/O口”即为输入/输出接口，顾名思义，就是单片机和外部实现数据交互的接口。 SPCE061A有并行和串行两种方式的输入/输出接口，所谓串行就是指每一时刻只能传送一位二进制信息，因为数据是通过一根数据线传输；同理，并行就是指每一时刻可以传送多位二进制信息，因为占用多根数据线。并行口线路成本较高，但是传输速度也高；串行口的传输速率较低但可以节省大量的线路成本。SPCE061A的串行口有UART和SIO两种，有兴趣可以自己进行学习，这里将重点放在并行口。SPCE061A有两个16位通用的并行I/O口：A口和B口。每一位都可通过编程单独定义成输入或输出口。I/O端口的作用 ：输入口：用于将程序或数据输入到单片机中，负责从外界接收检测信号、键盘信号等各种开关量信号。如：行列键盘、按键、模拟开关等可以作为单片机输入。 输出口：用于把单片机数据计算或加工的结果以用户需要的形式显示或保存，负责向外界输送由内部电路产生的处理结果、显示信息、控制命令、驱动信号等。如：数码管、液晶显示模块和打印机等可以作为单片机输出。图 18 61板I/0端口示意图 如图 19是I/O端口作用示意图。 图 19 I/O端口作用示意图 单片机I/O部分测试 目的：查看是否有漏焊或虚焊 条件：U1、U2、U4芯片座中安放好元件,不接喇叭,；给61板通电，用下载器将程序1下载到61板上，若程序无法下载，先跳至数字部分74HC244的检查步骤。 步骤：利用万用表的负端（黑色表笔）接板子上的地点（表示“-”的地方），万用表笔的正端（红色表笔）分别检测接各I/O并记录； 现象1：电压正确(IOA口全为低,IOB口全为高) ； 解决办法：正常，进入音频输入部分的测试； 现象2：电压不正确； 结论：排查漏焊或虚焊。 实验完毕后断开板子的供电电源（电池盒关闭），万用表电源，认真做实验记录。 表九 I/O测试记录和分析表 测量内容 填写测量结果（V） 测量内容 填写测量结果（V）IOA0 (0) IOB0 (0) IOA1 (0) IOB1 (0) IOA2 (0) IOB2 (0) IOA3 (0) IOB3 (4.5 或者3.3) IOA4 (0) IOB4 (4.5 或者3.3) IOA5 (0) IOB5 (4.5 或者3.3) IOA6 (0) IOB6 (4.5 或者3.3) IOA7 (0) IOB7 (4.5 或者3.3) IOA8 (0) IOB8 (4.5 或者3.3) IOA9 (0) IOB9 (4.5 或者3.3) IOA10 (0) IOB10 (4.5 或者3.3) IOA11 (0) IOB11 (4.5 或者3.3) IOA12 (0) IOB12 (4.5 或者3.3) IOA13 (0) IOB13 (4.5 或者3.3) IOA14 (0) IOB14 (4.5 或者3.3) IOA15 (0) IOB15 (4.5 或者3.3) 图20为61板跳线和接口示意图，61板上跳线和接口主要有I/O参考电压引入端、I/O端口、下载选择端口、喇叭接口、DAC引出端和AD外部参考电压等。下面分别详细介绍。 图 20 61板跳线和接口示意图 下载调试接口 图21 下载调试接口图 22 I/O电压选择接口 61板可以支持PROBE（在线调试器）和EZ_PROBE（下载线）两种方式进行程序下载和调试仿真，主要是靠接口S5来进行选择的。如果用短接子将S5的1、2管脚短接（即上面2脚），表示选择的是PROBE，即将PROBE的5pin接口连到J4的位置使用；如果用短接子将S5的2、3管脚短接（即下面2脚），表示选择的是EZ_PROBE，即将EZ_PROBE的5pin接口连到J11的位置使用。 I/O电压选择接口 在图22 I/O电压选择接口中，J10是电源接口，61板的内核SPCE061A电压要求为3.3V，而I/O端口的电压可以选择3.3V也可以选择5V。所以，在板子上具有两种工作电压：5V和3.3V。这两种电平的选择通过跳线J5来选择。当用短接子将1、2管脚短接（即左边2脚），选择的是5V供电，当用短接子将2、3管脚短接（即右边2脚），选择的是3.3V供电。 喇叭接口和A/D参考电压选择接口 正如我们在前面介绍的61板具有强大的语音处理功能，从图 23中可以看到，J3是2pin的喇叭接口，可以直接接喇叭。J2是D/A输出选择接口，当用短接子将J2的1、2管脚短接（即左边2脚），表示选择DAC1通道经语音集成放大器SPY0030A放大输出到J3上，可以在喇叭上听到声音；如果不用短接子短接J2上的排针或用短接子将2、3管脚短接（即右边2脚），此时在1脚上是电压输出，可以用示波器观察波形。J1为A/D输入电压选择接口，如果用短接子将J1的两脚短接，表示此时A/D输入的参考电压为2V，如果不用短接子进行连接，此时可以从2脚（即右边的管脚）输入外部参考电压，此电压值不得超过3.3V。 图 23 喇叭接口和A/D参考电压选择接口 I/O接口 图24为61板I/O接口，将SPCE061A的32个I/O端口全部引出：IOA0IOA15，IOB0IOB15，对应的SPCE061A引脚为：A口，4148、53、5460；B口，51、8176、6864。而且该I/O端口是可编程的，即可以设置为输入或输出。 图 24 I/