基于AVR及无线收发模块的脉搏监测系统设计资料
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基于AVR及无线收发模块的脉搏监测系统设计资料,毕业设计
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毕业设计（论文）中期检查表（指导教师） 指导教师姓名： 李平 填表日期： 2008 年 5 月 8 日 学生学号 0400320125 学生姓名 覃壮严 题目名称 基于 AVR 及无线收发模块的脉搏监测系统设计 已完成内容 1、 翻译英文资料。 2、 做相关电路实验并选择元器件，确定设计方案。 3、 设计电路原理图，进行理论运算。 4、 设计电路制板图。 检查日期： 5 月 6 完成情况 全部完成 按进度完成 滞后进度安排 存在困难 1、 整体电路复杂 。 2、 无线收发信号原理需要进一步理解和学习。 解决办法 模块化处理，多到图书馆以及网上查阅有关资料。 预期成绩 优 秀 良 好 中 等 及 格 不及格 建 议 多用些精力和时间做毕业设计，多到实验室做实验。 教师签名： 教务处实践教学科制表 说明： 1、 本表由检查毕业设计的指导教师如实填写； 2、 此表要放入毕业设计（论文）档案袋中； 3、 各院 (系 )分类汇总后报教务处实践教学科备案。 nts毕业设计（论文）中期检查表 计算机与控制学院自动化专业 院（系）、部 填表日期： 2008 年 5 月 12 日 班 次 04003201 学生姓名 覃壮严 题目名称 基于 AVR 及无线收发模块的脉搏监测系统设计 题目来源 教改、科研 结合生产实际 教师自选课题 实习单位课题 题目类型 理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发 指导教师 李平 工作地点 校内： 校外： 设计时间 2008 年 3 月 3 日至 2008 年 6 月 20 日 工作量及难度 太大 大 小 适 中 很 难 较 难 一 般 简 单 题目价值 实用价值题目 推广价值题目 科研价值题目 课题主要内容 应用 AVR 单片机及 CC1100 为核心芯片 ,设计能够远程监测人体脉搏信号的仪器 ,实现数据的采集与无线传输 和通过串口接口与 PC 机通讯 ,并显示等功能。 完成情况 全部完成 大部分完成 完成一半 大部分未完成 存在困难 1 脉搏信号太薄弱， 这样就使 得对传感器的选择比较难 .使用放大器电路的选择也比较难。 2 信号很容易受到干扰，对滤波电路选择也比较难。 3 无线模块部分比较复杂 ,这部分的软件调试比较难。 解决办法 考虑脉搏信号的特点适当的选择放大电路和滤波电路，把整个大的电路改分成几个小的电路模块，花更多的时间去调试软件。 预期成绩 优 秀 良 好 中 等 及 格 不及格 建 议 检查教师签名： 教务处实践教学科制表 说明： 1、 本表由检查毕业设计的指导教师如实填写； 2、 此表要放入毕业设计（论文）档案袋中； 3、 各院 (系 )分类汇总后报教务处实践教学科备案。 nts编号： 毕业设计 (论文 )开题报告 课 题： 基于 AVR 及无线收发模块 的脉搏监测系统设计 院 （系）： 计 算 机 专 业： 自 动 化 学生姓名： 覃壮严 学 号： 0400320125 指导教师单位 ： 计算机与控制学院 姓 名： 李 平 职 称： 高级实验师 题目类型： 理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发 2008 年 3 月 9 日 nts 开题报告填写要求 1开题报告作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成，经指导教师签署意见审查后生效。 2开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写，或按教务处统一设计的电子文档标准格式打印 ，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见。 3学生查阅资料的参考文献应在 5 篇及以上（不包括辞典、手册）。 4有关年月日等日期的填写，应当按照国标 GB/T 7408 94数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。如“ 2004 年 4 月 26 日”或“ 2004-04-26”。 nts1毕业设计的主要内容、重点和难点等 内容：应用 AVR 单片机及 CC1100 为核心芯片 ,设计能够远程监测人体脉搏信号的仪器 ,实现数据 的采集与无线传输 等功能。要求进行 总体方案、硬件电路和软件设计 ,系统的发射模块主要进行脉搏数据的采集和发射数据 ,接收机通过串口接口与 PC 机数据通信。该仪器应包括传感器及外围电路、单片机及显示电路及相关的程序软件。 重点：数据的采集，无线传输，发射模块以及信号的接收。 难点：（ 1）选择传感器的类型以及与单片机的接口方案， （ 2）单片机软件的编程方案， （ 3）发射模块的使用， （ 4）单片机与 PC 机的数据通信等。 2 准备情况（查阅过的文献资料及调研情况、现有 设备 、 实验条件 等） 1黄智伟，朱卫华 .433MHz 单片机射频收发芯片 nRF401J.世界电子元器件， 2001 2李朝青 .PC 机及单片机数据通信技术 M.北京：科学出版社 ,2003 3 沙占友 . 集成化智能传感器原理及应用 M. 北京：北京航空航天大学出版 社， 2004. 4 陈伟人 . MCS-1 系列单片机实用子程序集锦 M.北京：清华大学出版社， 1993. 5 陈汝全，林永生等 . 实用微机与单片机控制技术 M.成都：电子科技大学出 版社， 1998. 6 赵负国 . 现代传感器集成电路 M. 北京：人民邮电出版社， 2001. 7 卢胜利智能仪器设计与实现 M重庆：重庆大学出版社， 2003. 8 徐爱钧智能化测量控制仪表原理与设计 M北京：北京航空航天大学出 版社， 1999. 9 谢自美 . 电子线路设计、实验、测试 M. 武汉：华中科技大学出版社， 2000. 仪器设备 : 计算机，单片机开发装置，示波器，直流电源、编程器、仿真器 计算机软件 : C51 或 M51 汇编软件、 Protel 软件 nts3、 总体安排和进度 计划 1 周 3 周： 查资料写开题报告，学习相关知识，翻译英文资料； 4 周 5 周： 制定设计方案，翻译英文资料； 6 周 8 周： 查找元件的特性，做相关电路实验，并选择元器件； 9 周 10 周：确定设计方案，设计电路原理图，进行理论运算； 11 周 12 周：设计电路制板图，制作硬件电路，调试 ； 13 周 14 周：调试单元电路，编写软件程序； 15 周 16 周：软件硬件联调，撰写毕业论文； 指导教师意见 指导教师（签字）： 2008 年 3 月 12 日 开题小组意见 开题小组组长（签字）： 2008 年 3 月 13 日 学院（系、部）意见 主管院长（系、部主任）签字： 2008 年 3 月 15 日 nts编号： 毕业设计 (论文 )任务书 课 题： 基于 AVR 及无线收发模块 的脉搏监测系统设计 院 （系）： 计 算 机 专 业： 自 动 化 学生姓名： 覃壮严 学 号： 0400320125 指导教师： 李 平 职 称： 高级实验师 题目类型： 理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发 2008 年 1 月 15 日 nts 注： 1、本任务书一式两份，一份院或系留存，一份发给学生，任务完成后附在 说明书内。 2、任务书均要求打印，打印字体和字号按照本科生毕业设计（论文）统 一格式的规定执行。 nts 一、 毕业设计（论文）的内容、要求 随着医疗事业的发展，脉搏和血压的测量已逐步由数字化的仪器替代传统的听诊器，并进入寻常百姓家 成为健康、健身的测试仪器。本课题要求应用 AVR 单片机及 CC1100 为核心芯片 ,设计能够远程监测人体脉搏信号的仪器 ,实现数据的采集与无线传输 等功能。要求进行 总体方案 设计 、 制作外围电路、单片机及显示电路及编写相关的程序软件。系统的发射模块主要进行脉搏数据的采集和发射数据 ,接收机通过串口接口与 PC 机数据通信。 本课题的题意旨在将模拟电路和传感器检测技术、单片机技术等理论知识灵活运用到本课题中，使学生在硬件电路设计和软件编程及软硬件综合调试的能力上得到较为全面的培养。 要求： 1、具有通过各种先进手段查阅科技文献 的能力； 2、掌握测量脉搏的有关知识，了解实现测量的几种方案和技术方法； 3、学习单片机 Atmega 芯片设计的原理，掌握硬件设计、软件设计技术； 4、要求能熟练应用硬件电路板的制板软件（ PROTEL），设计并制作硬件电路板； 5、掌握常用的调试工具，如编程器、仿真器、示波器等的使用方法； 6、仪器能快速测量人体脉搏快慢、所检测到的数据用数 码管显示（或液晶显示模块显示：次分）； 二、毕业设计（论文）应完成的工作 1、毕业设计开题报告一份； 2、英文翻译材料一份（包括不少于 4 万字符的英文原文和译文）； 3、毕业论文一份（二万汉字以上，附中英文摘要，其中英文摘要 300 500单词）； 4、完成硬件电路的设计制作，提供设计图纸及样机； 5、设计相关的程序，给出程序清单。 nts 三、应收集的资料及主要参考文献 1 黄智伟，朱卫华 .433MHz 单片机射频收发芯片 nRF401J.世界电子元器件，2001 2 李朝青 .PC 机及单片机数据通信技术 M.北京： 科学出版社 ,2003 3 沙占友 . 集成化智能传感器原理 及应用 M. 北京：北京航空航天大学出版社， 2004. 4 陈伟人 . MCS-1系 列单片机实用子程序集锦 M.北京：清华大学出版社， 1993. 5 陈汝全，林永生等 . 实用微机与单片机控制技术 M.成都：电子科技大学出版社， 1998. 6 赵负国 . 现代传感器集成电路 M. 北京：人民邮电出版社， 2001. 7 卢胜利 智能仪器设计与实现 M 重庆：重庆大学出版社， 2003. 8 徐爱钧智能化测量控制仪表原理与设计 M北京 ： 北京航空航天 大学出版社， 1999. 9 谢自美 . 电子线路设计、实验、测试 M. 武汉：华中科技大学出版社， 2000. 10 433MHz Single Chip RF Transceiver nRF401.Nordic 200 四、试验、测试、试制加工所需主要仪器设备 仪器设备 : 计算机，单片机开发装置，示波器，直流电源、编程器、仿真器 计算机软件 : C51 或 M51 汇编软件、 Protel 软件 nts 进度计划表 序号 起止日期 计划完成内容 实际完成内容 检查日期 检查人签名 1 1 周 3 周 查资料写开题报告，学习相关知识，翻译英文资料 2 4 周 5 周 制定设计方案，翻译英文资料 3 6 周 8 周 查找元件的特性，做相关电路实验，并选择元器件 4 9 周 10 周 确定设计方案，设计电路原理图，进行理论运算 5 11 周 12 周 设计电路制板图，制作硬件电路，调试 6 13 周 14 周 调试单元电路，编写软件程序 7 15 周 16 周 软件硬件联调， 撰写毕业论文 任务下达时间： 2008 年 1 月 15 日 nts编号： 毕业设计 (论文 )外文翻译 （译文） 院 （系）： 计算机与控制学院 专 业： 自动化 学生姓名： 覃壮严 学 号： 0400320125 指导教师单位： 计算机与控制学院 姓 名： 李 平 职 称： 高级实验师 nts2008年 6 月 16 日 nts 桂林电子科技大学毕业设计（论文）专用纸 第 1 页 共 22 页 1 前 言 在最初几年的微处理器，有几个工程师的教育和经验，在应用的微处理器技术。现在说，微处理器和微控制器已成为无孔不入的，在这么多设备，能使用它们已经成为几乎每个技术人员的要求。 如今，微处理器和微控制器已成为两个最有力的工具，提供给科学家和工程师。微控制器已经嵌入在这么多的产品，这是很容易忽视的一个事实是，他们大大超过个人电脑。每年以百万计数量的个人电脑发货，但在过去每年有数 10亿的微 控制器出售，而且目前大多新设计的个人电脑都是为嵌入式应用。为每一台 PC设计师，还有数千设计师用微控制器在嵌入式应用。嵌入式设计，近年来增长很快。这本书是为了让读者基本的设计和分析思路，以设计可靠的微控制器或微处理器为基础的系统。这本书里重点，是对实际问题的接口处理器到内存和输入 /输出装置和基本的接口使用装置和扩展。一个主要目标，这本书是为了表明如何使设备本身有可靠的设计。而大多的目光已考虑到 设计质量的提高 。大部分的重点放在了对过程发生后，设计一个产品就完成了。设计缺陷 ,很困难是的在那些外部的设计。 这些类 型的质量问题，可以解决在设计阶段就减少相对较少的花费导致后面好多的维护费。不幸的是，有许多硬体设计和组织，由于种种原因，不知道意义和牺牲的是一个不可靠的设计。设计方法论，在这一案文，是为了解决这个问题。 学习设计和开发单片机系统，没有任何实际操作的经验像尝试在书里学骑自行车一样。因此，另一个目标是要提供一个实际的例子，一个完整的工作产品。在纸上说到的事很难在现实中证明和也可能带来潜在的痛苦坠毁。为了做得正确，最好先审视和使用一个真正的设计。另一方面，目前国家对技术（表面贴装包装，等等）实际可行性方面有 规定。为了解决这个问题，特殊教育系统开发套件，可陪伴这图书（ 8031sdk ） 。所有文件，以建构一个 SDK是可用光盘。因此，再加上最新资料与应用实例，也可于网站上找到这本书（ /echdbook.）所有必要的信息，以建立该 SDK可在那里，以及关于如何订购组装的 SDK和测试。 而寻找一个合适其中一个课程我教在嵌入式计算机工程的文本，而是无法找到一本书充分涵盖该课题。较早版本的这本书的作者是伴随这一进程，并从此演变成你看到的。该课程提供了在加州大学，圣迭戈扩展研究， 并名为 嵌入式控制器硬件设计的 。同一课程也可以在互联网上相同格式使用，并能发现 /uconline/ecdnts 桂林电子科技大学毕业设计（论文）专用纸 第 2 页 共 22 页 2 培训班目标和书中极为相似：描述以正确的方式来设计嵌入式系统。 虽然没有事先了解微控制器或微处理器的需要，读者应该已经熟悉基本的电子，逻辑和基本计算机组织。第一章是打算作为审查这些基本概念。然后有一个总的概述微处理器结构 和具体的微控制器芯片结构， 8051家族详细介绍 8051被选中，是因为它可以衔接到外部存储， 且具有结构简单时序规格，可广泛应用于可从一些厂家 。硬件接口技术描述了最差情况下的设计与分析。一个很好的嵌入式设计需要熟悉基本的记忆体技术，包括光碟，上SRAM ， EPROM中，采用 Flash EPROM ， EEPROM的存储机制和设备。处理器总线接口，然后盖在一般形式下，随着一个介绍 8051的总线接口。多数嵌入式设计，也可以受益于使用用户可编程逻辑器件（ PLD ） 。这个课题太复杂，这里难以作深入的报道在，所以 PLD技术是涵盖从比较高的水平。中央为主题设计一个嵌入式系统这可以证明是可靠的，是说明了一个简单的嵌入式控制器。迭代的性质，设计过程所表现出 的，举例来说，几个设计方案均评价 中央部分的设计除外，其余各章涵盖各种类型的输入 /输出端口，总线部分，并收集资料，这是很少包含在通常的来源，但往往是传世从一个工程师到另一个。我希望这本书是对你现有用的，并欢迎你任何意见和见解，在文本，如果你发现任何错误，或者如果你知道的一些好的嵌入式设计资源，请随时联系我直接通过电子邮箱： ken.arnold 第一章总则 电子基本 面审查 为什么微处理器和微控制器设计成这么多不同的 种类，虽然现实中有很多不同的原因，但我认为一个使用简单的微处理器那是多么的有乐趣。 在过去的几十年里有所谓的 计算机革命 ，我见过的过很多的产品和项目都可以用 微处理器来处理。选择微处理器是由经济或技术的论点来支持这项决定。事实上，大部分的真正优秀的产品的成功一大程度上是因为他们有用。很多优秀的产品的开发是因为他没能对他敢兴趣。在我自己看来，我发现学习新的东西，是或多或少更容易和更有效的，当我在 只是观看着 ，而不是试图去学习组织或反对目标。研究各种教育中 的筹措方法，也表明 执教探索 是比传统方法更有效。这些和其他观察使我的结论是最好的学习方法对一个微控制器的“玩 。没有那本书是说能让你学好微控制器的。最好的学习方法的概念，在这本书里，是要建nts 桂林电子科技大学毕业设计（论文）专用纸 第 3 页 共 22 页 3 立一个简单的微控制器。即使它有能力说从无到有，它只是提供一个例子作为学习微控制器的工具。为纾缓这方面，一个系统的开发工具包（ SDK ） ，可陪伴这个文本。它综合了一个独立的单板计算机（ SBC ）和电路模拟器（ ICE ）的功能。它也可以作为嵌入式控制器的设计的一个样本。由于着本书该设计做成了光盘和放在网站上，所以任何 人都可以复制，并用它作为学习的工具。这本书也指导了硬件的设计方针。你可以学习如何设计可靠性高的其他产品的嵌入式硬件。可以在前言了解到 SDK。 目标 成功的嵌入式硬件设计需要几个不同的指标。 这里有几个问题，当你读完这本书之后，你就知道该怎么做： *一个嵌入式控制器诠释设计要求。 *阅读和理解制造商的规格表。 *选择合适的集成电路设计。 *接口的 CPU ，内存和输入 /输出装置，现场总线设备。 *简单的 I / O （输入 /输出）接口的设计。 *确定解码和互连的主要组成部分。 *演出和分析最差的情况下所有信号失 真的时间。 *了解一个微控制器的开发周期。 *调试和试验的硬件和软件设计。 这些是设计一个嵌入式控制器的关键所在。此外，其他一些能力，如设计和执行简单的用户可编程逻辑将涵盖，且必须支持通用技术。 嵌入式微机应用 应用的嵌入式处理器有一个令人难以置信的多样性。大多数人都知道的曝光率很高的应用，但也有好多人不知道他明显的用途。在实际工作中很多项目在我学生时代的选择被证实还是有实用价值。但是，从他包含的整体情况和经济价值来说还是不合理的。一个实际的例子是使用一个微处理器监测和控制在搅拌混凝土的比例配料。大 约一年后，学生实施该系统，他写信告诉我，这项制度挽救了他的公司和 3亿美元一年数目由 坏分批 引起的减少，而去敲打是否需要更换。另一个例子是一个学生，他们暂停一个球是由气流生成并对由微处理器控制风扇提供风力的闭环控制球。唯一一件不好的是不nts 桂林电子科技大学毕业设计（论文）专用纸 第 4 页 共 22 页 4 少学生用微处理器当玩具来使用。 第三章之一 审查电子基本面 有些实际商业应用的嵌入式计算机控制该作者已直接涉及到包括如下的内容： *一个超过人承受能力的信号检测措施，由一个电台的信号，然后传送到一个单片机在一本袖珍寻呼机，以显示个人状况。 *为 减少高峰期的能源需求一 个或多个大型建筑物都采用环境系统控制采暖通风和空调。 *一个系统措施和管制过程中的蚀刻远离有害的部分材料，才能较好的反映一个体积电路的设计。 *收费系统用来监测和控制进入系统的账户，其余额储存于一张牌上的磁条。 *确定确切的地理优势，对接收的无线电信号从航海航标，到达目的地的时间。 *智能手机收到的无线电信号由烟雾报警器到传感器和敏感开关，以提醒中央监察站潜在的信息情况。 *燃料控制系统，能够监测和控制流的燃料，以以及涡轮喷气发动机。 选择一个特定的处理器为某一特定应用通常是一个函数的设计者的熟悉某一特定结 构。虽然还有很多不同的细节和具体特点，只不过有两大类的设备：微处理器和微控制器。一个微处理器和一个微控制器，两者之间重要的区别是一个微处理器只含有一个中央处理单元（ CPU） ，而微控制器该芯片除了一个 CPU还有内存和输入 /输出 。微控制器通常用于专用任务。微机是一个统称，是适用于完整的电脑系统实施或是一个微处理器或微控制器。 嵌入式控制器硬件设计 微机和微控制器架构 微处理器通常用于相对高性能申请，而成本和尺寸不是关键的遴选标准。由于微处理 器芯片，其整函数专门的 CPU ，因而可以容纳更多的电路，以提高执行速度时，他们可以达到非常高的处理能力。但是，微处理器需要外部存储器和输入 /输出硬件。微处理器芯片使用在台式电脑和工作站而软件兼容性，性能，通用性，且灵活性是很重要的。 相比之下，微控制器芯片，通常旨在尽量减少总芯片数量和成本，把内存和输入 /输出也算上。他们往往是 专门的应用 不惜牺牲灵活性。在某些情况下，微控制器有足nts 桂林电子科技大学毕业设计（论文）专用纸 第 5 页 共 22 页 5 够的资源，单晶片，它是唯一的集成电路所需要的一个产品。例如一个单芯片的应用，包括手臂安全系统的关键部位，烤面包机，或手持 式游戏。硬件接口两个装置有很多共同点，这些对微控制器来说一般是简化的子集微处理器。每种芯片主要设计目标可以概括这样说： *微处理器是最灵活 *微控制器是最紧凑 在基本架构的 CPU使用，也有一些分歧，而这些往往反复调解。基于微处理器的机器通常有冯诺依曼体系结构单一存储，在分配的内存时，为程序和数据，以允许最大的灵活性。 微控制器芯片在另一方面，经常体现哈佛结构，其中有单独的记忆程式和资料。图 1-1说明了这一点区别： CPU 节目和数据内存 数据内存 CPU 节目 图 1-1 ：在 上 边的是冯诺依曼体系结构下边是哈佛结构 哈佛结构为嵌入式应用，有一个好处，这是由于该两种类型的记忆体使用的嵌入式系统。一个固定的纲领和叁数，可将之储存在 ROM存储器中，同时可变数据可以存储 RAM存储器中。 RAM在断电时丢失文件，而 ROM在断电后没有丢失文件。 哈佛架构，同时还具有潜在优势的一个单独的界面，允许双倍记忆体传输速率，允许指令读取与数据传输同时发生。不幸的是，在大多数哈佛结构的机器，内存是连接到CPU的使用总线的并行性受限制，而以一个单一的总线。一个典型的 嵌入式计算机构成由 CPU ，存储体，与 I / O。他们最常见的模块是共享一根总线通信，如图一所示， 1-2 。 nts 桂林电子科技大学毕业设计（论文）专用纸 第 6 页 共 22 页 6 外设上的微控制器芯片，是典型的定时器计数器，串行或并行数据端口，并模拟到数字的一个数位类比转换器这是直接集成在芯片上。这些外设是普遍低于专用外围芯片的表现，其中经常使用的微处理器晶片。不过总线， CPU ，内存，输入 /输出功能，对一个芯片起着明显的优势： *较少的芯片需要的那些，就是大多数的功能都已经存在在处理器芯片上。 *一个简单的设计会有更低的成本和更小尺寸的结果。 *低功耗的要求 ，因为单晶片电源要求小于外部负载。 *更少的外部连接的要求，因为大部份都是单晶片，而且大部分的芯片连接，可用于的 I / O 。 *该芯片可为用户留有更多的 I / O插口，因为他们并不需要总线。 *整体可靠性高，因为其中有元件很少交叉一起。 （嵌入式控制器硬件设计） 当然有缺点，其中包括： *减少灵活性，因为你不能轻易改变到了芯片上的功能设计。 *扩充内存或输入 /输出是有限的，或者根本不可能。 nts 桂林电子科技大学毕业设计（论文）专用纸 第 7 页 共 22 页 7 *有限的数据传输速率，由于实际大小速度限制为一个单芯片。 *低性能 I / O的，因为一个芯片设计的妥协，来适应一切 。 数码硬件概念 除了上述的 CPU ，存储体，及 I / O端口外，其他逻辑电路也须考虑。这种逻辑电路经常被称为胶合逻辑，因为它们被用来连接各种端口在一起。最困难和最重要的任务，硬件设计师面临的是怎样正确的选拔和规格的这种 胶合逻辑 。设备如记录器，缓冲器，驱动器和解码器是经常被用来提供给 CPU相对于其他设备的适应性控制信号。而对 TTL门级逻辑还在沿用到此，可编程逻辑器件（ PLD ）已成为今后的一个重要装置连接端口。当代微控制器设计人员需要掌握以下技巧： *诠释厂商规格 *详细的，最坏情况时序分析与设计 *最坏的情况下信号加载分析 *设计适当的信号和级别转换电路 *组件的评价与选择 *可编程逻辑器件的选择和设计 该胶合逻辑用来连接处理器，存储体，及 I / O是最终组成的逻辑门，这几乎全都是那些晶体管，二极管，电阻器，及连接导线。纳入基本操作的胶合逻辑，我们将开始在部件级进行检讨及基本电子概念。这些概念，可作为流体流动类比。 （第七章之一审查电子基本面） 电压，电流和电阻 如图 1-3 ，一个电池提供了一个电压源电力，很像一个水泵提供了一个压力来源为流体。电压 ，或压力，是必须出示电流流电路。 nts 桂林电子科技大学毕业设计（论文）专用纸 第 8 页 共 22 页 8 该电压源提供压力 的动机， 你可以认为是对对于目前的流量的作用。阻力提供了一个限制，限制了目前数量与实际流量。电阻器，可以使电流流过，它是成正比的电压，并成反比的电阻值。更高的抵抗能力，就像一个较小光圈为流体流经。抵抗的结果，使电压，或压力下降，只要电流流过电阻器，全部抵抗。图 1-4 说明了这一点。 该线路连接部件在电路来说，就像管道连接水管组件，让流体流动。在电路中流动的电流在电路控制幅度的电压（压力）和抵抗（压降）。如图 1-5 ，电池提供了一个电压部分电流通过电阻器。电池提供电压的大小（ V ）通过电阻器幅度为（ R ）的阻力 ，而确定电流（ I ） 。注的 回来 的电流路径是常常称为 回路 。这是参考电压用来作为 零伏特 点。在这种情况下电流流入电池终端。透过铁丝网，然后电阻器，然后再通过 回路 连接到 nts 桂林电子科技大学毕业设计（论文）专用纸 第 9 页 共 22 页 9 终端的电池。这通常是不一样的接地点，它提供了一个连接到总线路或重要线路上，可以认为接在地面。这中情况下我们可以认为： I=V/R可以改写为： V=I*R，这就是所谓的欧姆定律，如图 1-5所示。另一种方式看，那就是每当电流流经电阻器，有一个原因，就是 电压 因电阻而限制了电流。 真正的组成部分是不完美的电压源，电阻等。我们讨论了这么远。他们本身的误差，限制了他们的真实反映，并也受其他限制，如操作温度，功率限值及电流流动，只有通过 理想的电路，并在多数情况下（为一个基极供电）电流从流动的动力源，通过电路和器件，以及通过共同的 地极 相连。目前流经任何阻抗，结果在耗散功率为热量。电力消退是 P = I2*R = v *I=V2 /R,注意电压有时记 为 V和有时记为 E，为电动势。 所有实际状态都有一些阻力，真正的电池有一个内部电阻，例如，它规定一个 上限说明以目前的电池可以供应给外部电路的电压。真正的电线有阻力，所以实际表现的电路与理想会有所偏离。这些影响是显而易见的，在某些情况下，而不是在别的原因。在汽车起动电路，但并没有令人惊讶的是一起动机内部电池供应十二伏特被 0.01至 0.1欧姆的电阻吸收了，将导致电流的数百安培，以启动引擎。在另一方面，咨询一个突出的笔记型电脑制造商，我发现了一个设计错误，导致内部电流数以百计的安培流，数纳秒在电路中。这产生于操作计算机，并产生了大量的电磁噪音！ 事情之一，你将学会在这本书里是如何避免这些种犯错误。重要的 是记住在任何电路中都会有电阻的存在，也无法完全消去。功率是跟电压成正比的，但各路的电阻的作nts 桂林电子科技大学毕业设计（论文）专用纸 第 10 页 共 22 页 10 用，就减弱了功率。在以上的两例子，而功率的消退瞬间是相当高的，特别是电流的正向流。当电流脉冲是只有几个毫微秒长时，但是，它可能不显而易见的，因为不能长时间的产生热量。 二极管 二极管是一个简单作为 单向 导电的 半导体器件。它只可以让电流流向一个方向。图 1-6说明如何二极管的运作就像一个 单向 流体阀。（请注意：这本书不使用电子电流，所有电流流会 积极 或 常规 ，意思也就是电流总是流向最积极的终端，与最消极的终端一个组成部分，使用积极电流流如下直观的方向箭头固有组件图纸二极管，晶体管等） 晶体管 流动比喻也可以被用来示范如何提高了晶体管的运作逻辑电路。该晶体管是一个放大器。它是用少量的能源控制较大的能源来源，只是作为一个阀控制一高压力的水源。有两种类型的晶体管：双极和场效应晶体管（ FETS ） 。第一我们将看看双极晶体管 ;nts 桂林电子科技大学毕业设计（论文）专用纸 第 11 页 共 22 页 11 这些放大电流，用晶体管来控制少量的电流流动的电路（晶体管基地辐射源电路） 。这种控制电流放大（乘以增益或测试的晶体管） ，并允许更大的电流流输出电路（集电极 -发射极电路）。再次，设备也并非十全十美，因为组抗，电流，增益，和渗漏的局限性不能体现真正的晶体管。双极晶体管分为 NPN及 PNP ，两者差距在于电流的流向。图1-7模拟晶体管 PNP的电流流动情况。本书的大部分例子都是以 NPN为基础来说明的如图1-8。 机械开关 械式开关在数字电路是非常有用的。其中一个比较方便的版本是银行的摇臂开关包装成一个模块，他能够适用于同一产品作为标准芯片。双列式封装，或 DIP开关，是增添多种切换到微控制器设计最简单的方法之一。机械 开关具有非常对 抵“阻拦，高 关 的阻力，这有别于绝大部分的半导体开关。图 1-9显示一个典型的 DIP开关和示意图的模式。 晶体管开关 晶体管可配置的功能开关。可以看出，在图 1-10 ，一个的 NPN晶体管经营作为一个电流控制开关，可以用来建立一个简单的逆变器。它可以改变了一个逻辑之一，其输入为逻辑零低电平，反之亦然。在这种情况下， 1是代表的是一个积极的电压和逻辑， 0是代表nts 桂林电子科技大学毕业设计（论文）专用纸 第 12 页 共 22 页 12 零伏特。逻辑一输入（正面输入电压） ，是经电阻从电源电压到晶体管基地码头， 形成一个小型基地控制电流到该基极。 该晶体管的使用，因为它已获得允许更大的输出电流流量作为控制较弱的投入。当晶体管开启多次时，集电极发射极电路看来几乎就像一个短路，应该有效地连接输出至地面或零伏特。这给人一个逻辑零对集电极输出。当晶体管集电极接至地面，电流流向是从供应是通过电阻器和融入晶体管集电极至地面。该晶体管是说，要连接电阻电流到地面。如果有一个外部负载，例如另一逆变器或门电路连接到集电极输出，晶体管也可以从负载吸收电流。这也是被称为拉低输出电压。晶体管的电流减少量，限制了可以驱动设备的逆变器。 晶体管关断 当输入连接到逻辑零（地面电压） ，电流还是没有流向进入晶体管的基极，因为它的基地和辐射源终端处于同一电压。当没有电流流他的基极上时，晶体管将不让电流流向集电极与发射极电路。因此，那就是该电路的表现，除非这种晶体管被清除出电路。输出电阻器将电源电流的负荷输出拉高到供电电压，从而产生一个逻辑上的一个输出。再次，电阻器限制了供电电流，导致通过这条通道的电荷输出减少了。他可以构造成为二极管或晶体管逆变电路如图 1-11 。 nts 桂林电子科技大学毕业设计（论文）专用纸 第 13 页 共 22 页 13 场效应管作为逻辑开关 大部分的逻辑器件中使用的高度集成的电路不使用双极晶体管。相反，他们使用的场效应晶体管。 FETS履行职能前面所讨论的双极晶体管类似，但它们受电压的控制控制。而电流流向基极控制双极晶体管，其电压与栅极及源控制场效应晶体管。门电压的一个场效应晶体管控制电流流向的漏极电路。场效应管显示闸门被从源头上绝缘电路，如图1-12 。这种类型的场效应管的是被称为一种的 MOSFET （金属氧化物半导体场效应晶体管） 。由于绝缘材料是二氧化硅（ SiO2 ）的，即俗称的玻璃 （早期设备，门是金属）。像双极 NPN和 PNP晶体管及极性相反， FETS在 N和 P沟道体现一样。 N与 P沟道是指极性的源头失去电子的装置。 图 1-13 表示场效应管的横截面结构。 NMOS逻辑 : 导电状态场效应管在设备上的途径是允许或阻止电流流动 .一个典型的逻辑 N沟道MOS管，当他导电时基极就有个信号与他结合，让电流通过漏极。 事实上，大多数早期的微控制器集成电路用它制作的这种方法，并称为中 NMOS 逻辑。可以看出，由图nts 桂林电子科技大学毕业设计（论文）专用纸 第 14 页 共 22 页 14 1-14 ，中 NMOS场效应晶体管电路中的表现， 与 一个等效方式的 NPN晶 体管逆变器相似。当门（控制输入）的中 NMOS场效应管是一个积极的电压，场效应管 表现出来 的是，有效地缩短源极和漏极。在 0伏，场效应管处于关闭状态，开放电路通电状态。旧的 NMOS逻辑集成电路使用这类型的电路。原来的 8051微控制器是一个 NMOS处理器。 14 嵌入式控制器硬件设计 CMOS逻辑 CMOS逻辑电路（补全对称 MOS） ，是另一种形式的 MOS逻辑。它的比 NMOS逻辑优点是低功率电路和较复杂集成电路。 NMOS逻辑是相当简单的，但它有一个严重的缺点：它消耗了大量的电力。事实上，就不可能制 造出最大的集成电路使用 NMOS逻辑，大功率通过晶片会导致它过热。这是最主要的原因使 CMOS逻辑成为占主导地位的形式逻辑用于大型的，复杂的 IC芯片。与用电阻器来克制大电流相比， CMOS采用 P沟道 MOSFET来控制高电流。 CMOS逻辑是基于使用两个互补 FETS即开关输出控制电力于地面的相连。一个简单的 CMOS反相器显示在图 1-15 。 CMOS逻辑电路采用了两个开关：一个 P通道上拉了晶体管，一个是 N通道下拉式装置，以在同一个时间带动输出低或高电平。 CMOS逻辑设计一个 N沟道，他打开和连接到高电平nts 桂林电子科技大学毕业设计（论文）专用纸 第 15 页 共 22 页 15 （正电压） ，而 P沟道打开时，可以使门电路与地相连。一个 CMOS逆变器组成，由一个对的 FET ，一台设备的各类型，如图 1-15 。 当晶体管门电路输入连接一个逻辑（正电压）时，该 P沟道处于关闭状态，和 N沟道开通时，就可以有效地连接输出至地面，或逻辑零。同样地，当输入接地， P沟道导通和 N沟道断开时，就可以有效地连接输出到供电电压，或逻辑一。门和更复杂的逻辑功能，可建造用串联和并联连接在 MOSFETS同类电路的一个以上。 MOSFET的门极，正如所说的，本质上是一个开放的电路。事实上，门极 MOSFETS，有极高的阻力 。经营该 MOSFET的渠道是由电压的门，不像双极 NPN晶体管，我们研究了逆变器，这是控制输入（基地）的电流。双极晶体管是电流放大器，其的基地输出电流被控制。场效应管输出，在另一方面，依赖于栅极电压。 在一个 CMOS输出时，由于几乎没有电流流动，它是开着的 CMOS门极，在稳态条件下，这些逻辑器件消耗电流小于其他类型。 MOS逻辑比双极逻辑有一些其它优势，由于几乎不存在输入电流（不到 1纳安或 10-9安培） ,因此，并不需要精确直流电流负载对设备控制 它。 这是一个好消息，因为这意味着 CMOS输入电流 的不受门极的限制可以连接到输出端的驱动门。有多少门极输入一个单一门输出可驱动是门扇出。扇出适用于闸口之间的同一逻辑家庭，不同家庭的逻辑有不同的输入和输出对不同的负荷。 现在的对高输入电阻 MOS器件的缺点是：绝缘分开投入渠道是一个非常薄的（量度 埃）。这一薄层，可以很容易被静电放电击穿（ ESD ）。如经常出现的时候，异种材料磨擦一次。可以产生几十千伏，而这足以摧毁一个 MOS器件。因此，必须采取特殊防范措施，以防止损坏 MOS器件。在处理这些器件，必须经过静电处理，以免跟人体有产生静电。特别腕背带和工作 空间卡垫，可协助保持静态电压从建立和消退时，他们往往都会发生。特殊的，导电袋及容器时，应使用有可能含有敏感器件。 CMOS技术电源消耗通常是占主导地位的是电力消耗在过渡期间的一个逻辑器件，从一个状态到另个状态。因此，纯 CMOS器件消耗只有少数微量电流时，他们是不开关，和大部分的电流得出的是一个功能的时钟频率。较高的时钟频率，更大的电流消耗。纯 CMOS制程，供电电流是线性正比的时钟速度。 16 嵌入式控制器硬件设计 混合 MOS 许多逻辑器件打成的 CMOS ，其实是混合 NMOS和 CMOS，因为制造商需要妥 协极低的电nts 桂林电子科技大学毕业设计（论文）专用纸 第 16 页 共 22 页 16 力 CMOS表现出 NMOS逻辑。这可以是一个问题，为设计师的由电池供电的系统，因为目前的需求（以及由此造成的电池寿命）的一个单纯的 CMOS电路，是订单的规模总比一个中NMOS电路。很多的 CMOS存储器，其实是混合 MOS和方法并不适用于由电池供电的系统。 真正的 CMOS芯片，只用一个单一的钱币细胞可保留其内容多年来，以维持电流的记忆。 真正的晶体管不 耗 电的！ 到目前为止，我们还描述了不同类型的晶体管作完美的开关，开通的时候零电阻，关断的时候，无穷电阻。当我们审视实际行为时，我们发现真实的晶 体管不具有这些特征。晶体管的开通的时候可能有几十或几百欧姆的电阻阻值，它的关断时，数百甚至数千千欧姆的 渗漏 阻力。因此，在逻辑生产是不完美的。由于压降阻力，晶体管输出电压是一个函数的输出电流。如图 1-16所示，输出电压的逻辑器件取决于有多少目前正在流动的电流，和抗性的开关。不幸的是，开关电阻，也有非直线，由于电压开关变化，使该开关电流随距离的不同而不同。根据不同的运行条件，这就使人们很难将图片输出行为。从一台设备到另一，温度等不一样，该行为也将是不同的。厂家只规定输出特性，在一个点上的曲线， VO在 I0最大值。因此，我们所能做的就是看看在输出特性，如图所示，在图 1-17 。 逻辑符号 逻辑符号一个更抽象的方式，是用来代表逻辑功能，使设计人员指明逻辑功能的电路没有进入细节的背后组件（如晶体管和电阻器）。逻辑符号用在这方面的案文所代表的是那些同时也是最常用的标准。还有其他的标准，例如作为美国 ANSI / IEEE标准门级符号，但它们却没有实践中常见的。图 1-18显示的逻辑符号不同的门极，功能叙述表。逻辑符号如图 1-18 显示形状和布尔逻辑职能，为最常见门配置。一个三角符号是缓冲装置作为一个 放大器，因为它放大输入信号，使输出增加负荷给驱动。注意到一个小圈子，经常被称为nts 桂林电子科技大学毕业设计（论文）专用纸 第 17 页 共 22 页 17 是一个 泡沫 ，对输入或输出码头指定一个合乎逻辑的倒置。因此，逆变器，是显示为一个三角形（放大器） ，与一个泡沫对输出，以显示逻辑层次反演对输出。逻辑电压等级的 TTL逻辑是： 正逻辑 相应的 TTL逻辑电压 0 =假 =低电压 0 =输入电压为 0至 0.8伏特（低） 1 =真 =高电压 1 =输入 电压为 2至 5伏特（高） 这意味着，一个 TTL兼容逻辑输入，是保证回应一个输入信号介于 0和 0.8伏特，作为一个逻辑零，和输入电压为 2至 5伏特，作为一个逻辑之一。注意，电压 0.8和 2伏特，不有效的逻辑电平。 逻辑电压等级不同，为不同类型的逻辑，但最普通逻辑层次，是那些相应提高至原来的 TTL 的基础（晶体管晶体管逻辑），用 5伏供电。 CMOS电平，用 3或 5伏的电源，也很普遍。 TTL和 CMOS逻辑一样，几乎每一个其他类型的逻辑，在共同使用，称为正逻辑，因为最积极的电压对应于逻辑的一个价值。 三态逻辑 三态逻辑并不指 三个理想的互不相关的状态。 当我们谈到二进制（基数两个号码）的价值观，是指某一特定位或逻辑信号，可以采取对其中一两个有效的状态（ 0或 1 ）在任何瞬间的时候。逻辑门是不能强迫其中一或零说是三。三态逻辑并不指基地三个电话号码，而是向第三方无效逻辑状态时，输出逻辑器件不供也不吸收电流。这个所谓的第三其实也是一个未定的状态，因为装置的输出是不迫使逻辑层面上的输出。据说这是nts 桂林电子科技大学毕业设计（论文）专用纸 第 18 页 共 22 页 18 在一个浮动的，高阻抗，被动的，或 Hi- Z型状态，因为输出电路有效截断。三态驱动器连接到一个信号线的总线如图 1-19 。在左边 是一个反相缓冲器，一个使三态输出。对右边是一个例子，显示了两个相同类型的缓冲器，同顶装置在伤残或被动状态，和下游装置的启用，还是在积极推动数据总线为逻辑一级。控制信号来决定是否输出，是被动或主动，并被称为输出使能或光电信号。 该装置上面显示的是快速总线通道时，光电控制线正处于一个逻辑一个层次上，当OE在逻辑零的水平，是被动的，大部分的时间输出使能信号是有源低，这意味着输出时，启用 /光电信号是低的，与被动的时候 /光电信号是高。这表现于逻辑符号与一个倒置的泡沫所在，使信号进入逻辑器件。 由于 计算机 电路变得更加密集和复杂性，连接电线，已越来越难以连接路线和互联。这一点尤其如此密集的包装积体电路，而这也表明了该线路比逻辑门更为可贵的！对一个共同的 CPU芯片，有 68 的芯片面积是用于互连布线。甚至对电路板上的，它重要的是利用线路板在一个有效率的方式。因为其中有许多平行地址和数据线必须走到各个芯片，复用办法 可以使得它的实际连接许多设备。目的是利用三态逻辑是，采取轮流一次一个，让多台设备共享电线。这听起来可能有点傻，但这只是一种形式的复用，或共用一台资源而必须分配给多台设备。当资源是一家集并行数据线，称为 数据总线，和总线共享多微机 C
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